Hur samarbetar BBU och RRU effektivt i basstationer?

Basbandenhetens (BBU) funktioner och ansvarsområden inom signalbehandling

I kärnan av moderna basstationer sitter Baseband Unit (BBU), som hanterar alla typer av kritiska signalbehandlingsuppgifter. Tänk modulation och demodulation, felkorrigering samt hantering av protokoll över olika lager inklusive PDCP, RLC och RRC. Innan något sänds ut via luften ser denna enhet till att allt överensstämmer med de 3GPP-standarder som styr både LTE- och 5G NR-nätverk. Vad som verkligen gör BBUs framstående är hur de separerar kontrollplansfunktioner från den faktiska datan som flödar genom systemet. När saker som hantering av handover sker separat från vanlig dataöverföring öppnas möjligheter för smartare resursallokering. Nätverken kan då anpassa sig i realtid när trafiken plötsligt ökar eller minskar, vilket säkerställer smidig drift även under belastningstopp.

Remote Radio Unit (RRU) roll i RF-omvandling och antennkoppling

Fjärrradiounitén (RRU) sitter precis intill antennerna där den omvandlar basbandsignalerna till faktiska radiovågor, till exempel frekvenser på 2,6 GHz eller 3,5 GHz. Denna placering minskar signalförlust, vilket annars kan bli ganska stort – cirka 4 dB per 100 meter när man använder vanliga koaxkablar, särskilt inom dessa högre frekvensområden. Vad gör egentligen en RRU? Den hanterar omvandlingen av digital information till analog form för att sända data nedström, förstärker svaga signaler som kommer uppström från enheter utan att lägga till alltför mycket brus och fungerar med flera frekvensband från 700 MHz upp till 3,8 GHz genom en teknik som kallas bäraraggregering. Genom att placera dessa enheter nära antennerna blir nätverkens svarstid snabbare också. Tester visar att latensen minskar med ungefär 25 % jämfört med äldre system som förlitade sig på långa kablar mellan utrustningsplatser.

Kompletterande arbetsflöde: Hur BBU och RRU möjliggör överföring av signaler från ända till ända

BBU och RRU arbetar tillsammans via höghastighetsfiberlänkar med CPRI- eller eCPRI-protokoll för att bilda en smidig signalkedja från digital bearbetning till överföring via luft.

Denna distribuerade arkitektur centraliserar BBU:er samtidigt som RRU:er placeras högst upp på torn, vilket förbättrar spektraleffektiviteten med 32 % i urbana miljöer. Separationen möjliggör oberoende uppgraderingar och är särskilt fördelaktigt i utvecklande O-RAN-ekosystem.

Fiberbaserad fronthaul-anslutning: Kopplar samman BBU och RRU med CPRI och eCPRI

Höghastighetsfiberlänkar i BBU-RRU-kommunikation

Fiberkablar utgör stommen i dagens fronthaul-nätverk och möjliggör hög bandbredd och minimal latens vid anslutning av BBU:er till RRU:er. Dessa kablar kan hantera dataspeeds över 25 gigabit per sekund, vilket innebär att de tillförlitligt överför de digitaliserade radiosignalerna utan störningar från elektromagnetisk interferens – något som är särskilt viktigt i tätbefolkade stadsmiljöer där mycket utrustning används samtidigt. CPRI-standarden fungerar tillsammans med dubbelriktad fiber för att hålla saker synkroniserade mellan basbandsbehandlingen i BBU:n och den faktiska RF-arbeten i RRU:n. Denna synkronisering bidrar till att bibehålla god signalkvalitet genom hela systemet från början till slut.

CPRI kontra eCPRI: Protokoll för effektivitet och bandbreddshantering i fronthaul

När vi går mot 5G-nätverk har många operatörer börjat anta det som kallas förbättrad CPRI eller eCPRI för att förkorta. Vad som gör eCPRI intressant är hur det minskar bandbreddskraven upp till tio gånger jämfört med äldre versioner av CPRI. Traditionell CPRI fungerar dock annorlunda. Den kräver separata fiberkopplingar för varje antenn och håller sig till så kallade Layer 1-operationer. Men här ligger problemet: när man hanterar de stora MIMO-uppställningarna som blivit så vanliga idag kan vanlig CPRI helt enkelt inte skala på ett lämpligt sätt. Just därför lyser eCPRI upp. Genom att byta till Ethernet-baserade transportmetoder kan den låta flera fjärrradioenheter dela resurser genom något som kallas statistisk multiplexing. Resultatet? Mycket bättre prestanda vad gäller fronthaul-effektivitet utan all extra infrastrukturkostnad.

Denna utveckling minskar fronthaul-kostnader med 30 % och stödjer skalbara millimetervågsdistributioner.

Latens-, kapacitets- och synkroniseringsöverväganden i fronthaul-design

Att få tiden rätt spelar stor roll. Om det finns ett synkroniseringsfel större än 50 nanosekunder, störs beamforming och alla andra tidsbaserade funktioner i 5G-nätverk. Därför använder moderna fronthaul-uppbyggnader saker som IEEE 802.1CM TSN-standarder för att hålla kontrollsignaler att flöda korrekt genom nätverket. När det gäller hantering av datavolym har de flesta idag övergått till 25G-transceivrar. De hanterar signalförlust vid cirka 1,5 dB per kilometer, vilket faktiskt är bättre än gamla 10G-system med ungefär två tredjedelar. Alla dessa uppgraderingar innebär att vi fortfarande kan uppnå svarstider under en millisekund även om basbandenheterna behöver placeras upp till 20 kilometer från fjärrradioenheter i centrala arkitekturuppbyggnader.

Utveckling av nätverksarkitektur: Från D-RAN till C-RAN och vRAN

D-RAN kontra C-RAN: Effekter på BBU-distribution och RRU-fördelning

Traditionella distribuerade RAN- eller D-RAN-uppbyggnader har varje basstation utrustad med sin egen basbandsenhet (BBU) placerad direkt bredvid den fjärrstydda sändarmottagarenheten (RRU). Även om detta håller signalfördröjningen under 1 millisekund innebär det att mycket duplicerad utrustning står oanvänd större delen av tiden, vilket gör resursdelning mellan olika basstationer svårt. Den nyare centraliserade RAN-metoden samlar istället alla BBUs i centrala platser som är kopplade via fiberkablar till RRUs på olika platser. Enligt branschforskning från Dell'Oro i deras rapport från 2023 kan denna förändring minska driftskostnader med mellan 17 % och upp till nära 25 %. Dessutom får nätoperatörer möjlighet att förflytta databehandlingskapacitet till där den behövs mest, beroende på hur trafikmönstren ändras under dagen.

Centraliserade BBU-pooler i C-RAN för förbättrad resursdelning och effektivitet

Genom att samla BBUs i centrala anläggningar kan operatörer hantera hundratals RRUs från en enda plats. Fördelar inkluderar:

• Hårdvarukonsolidering : En installation med 24 celler kräver 83 % färre BBU-chassin jämfört med motsvarande D-RAN-uppsättningar
• Energioptimering : Lastbalansering minskar basstationernas elförbrukning med 35 % (Ericsson fallstudie 2022)
• Avancerad koordination : Möjliggör tekniker som koordinerad multipunkt (CoMP) för effektiv 5G millimetervågs-beamforming

Virtualiserad RAN (vRAN): Utveckling av BBU-funktioner till molnbaserad databehandling

vRAN kopplar loss bandbreddsbearbetning från proprietär hårdvara och kör virtualiserade BBU-funktioner (vBBU) på kommersiella standardmolnserver. Denna förändring medför:

1. Flexibel skalning : Bearbetningsresurser skalar dynamiskt enligt trafikmönster
2. Edge-integration : 67 % av operatörer distribuerar vBBU:er tillsammans med Multi-access Edge Computing (MEC)-noder för att minimera latens (Nokia 2023)
3. Interoperabilitetsutmaningar : Att uppnå synkronisering under 700 μs kräver specialiserad hårdvara för acceleration trots leverantörsdiversitet

Utvecklingen från D-RAN till C-RAN och vRAN visar hur centralisering och virtualisering förbättrar nätverkseffektivitet, skalbarhet och kostnadseffektivitet.

O-RAN och funktionsdelningar: En ny definition av BBU-RRU-samarbete

O-RAN Alliance-standarder och öppna gränssnittskrav för BBU och RRU

O-RAN-alliansen arbetar för öppnare och kompatibla designar av radioåtkomstnät genom att fastställa standardiserade sätt för basbandsenheter (BBU) och fjärrradioenheter (RRU) att kommunicera med varandra. Det innebär att operatörer kan kombinera utrustning från olika tillverkare istället för att vara bundna till en enda leverantörs ekosystem. Alliansen har tagit fram flera olika sätt att dela upp funktionerna mellan dessa komponenter, till exempel Option 7.2x. I denna konfiguration hanteras lager som RLC och MAC i BBU:n, medan lägre nivåers fysiska lagers uppgifter och RF-bearbetning sker i RRU:n. En ny publicerad studie från förra året i Applied Sciences visade att denna specifika konfiguration håller fördröjningar i fronthaul under 250 mikrosekunder, vilket är imponerande med tanke på hur känsliga trådlösa nätverk är för tidsproblem. Självklart finns det också en avvägning. Även om öppna standarder ger fler valmöjligheter vid inköp av utrustning krävs det samtidigt tätare samordning mellan alla olika delar för att säkerställa att allt fungerar smidigt tillsammans utan att påverka den totala prestandan negativt.

Funktionella delningsalternativ (t.ex. Delning 7-2x) i O-RAN-arkitekturer

Split 7.2x-standard fungerar genom att dela upp bearbetningsuppgifter mellan olika komponenter med två huvudsakliga tillvägagångssätt. Med kategori A sker majoriteten av arbetet på BBU-sidan, vilket gör RRUs enklare men ökar trafiken på front haul-anslutningen. I motsats till detta flyttas bearbetningsuppgifterna ner till RRU:n själv i kategori B. Denna konfiguration ger bättre prestanda vid hantering av signaler som kommer tillbaka från användare, även om den gör hårdvaran mer komplicerad. Enligt senaste branschrapporter har ungefär två tredjedelar av nätoperatörerna valt kategori B för sina massiva MIMO-utvecklingar eftersom de får mycket bättre kontroll över signalmottagning. Teknikvärlden utvecklas hela tiden. Ta till exempel ULPI-projektet 2023. Denna nya utveckling har flyttat vissa ekvaliseringsfunktioner inom systemarkitekturen för att pressa ut ännu större prestandafördelar över hela linjen. Detta är precis den typ av förbättringar som dokument från O-RAN:s arbetsgrupper har framhållit på sistone.

Balansera interoperabilitet och prestanda i Open RAN-distributioner

O-RAN kan medföra potentiella besparingar över tid och gör det möjligt att arbeta med olika leverantörer, men det är fortfarande svårt att få det att prestera lika bra som traditionella integrerade RAN-system. Problemet handlar om skillnader mellan vad olika tillverkare erbjuder när det gäller hårdvaruacceleration samt hur mogna deras mjukvaror egentligen är. Detta skapar verkliga huvudvärk när man försöker uppnå viktiga mått för dataflöde och effektförbrukning. När företag sätter upp centraliserade BBU-pooler behöver de också extremt tillförlitliga anslutningar i frontenden, vilket kräver att jitter hålls under cirka 100 nanosekunder enligt branschstandarder. De flesta experter rekommenderar att börja långsamt, kanske med vissa lägre riskplatser i städer där problem inte orsakar större avbrott. Denna metod gör det möjligt för operatörer att testa om allt fungerar tillsammans på rätt sätt och uppfyller förväntningarna innan man fullt ut implementerar lösningen i större områden.