บีบียูและอาร์อาร์ยูทำงานร่วมกันอย่างมีประสิทธิภาพในสถานีฐานได้อย่างไร

หน้าที่และความรับผิดชอบของหน่วยประมวลผลฐานแบนด์ (BBU) ในการประมวลผลสัญญาณ

ที่หัวใจของสถานีฐานยุคใหม่คือหน่วยประมวลผลสัญญาณฐาน (Baseband Unit - BBU) ซึ่งทำหน้าที่จัดการงานประมวลผลสัญญาณที่สำคัญต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นการมอดูเลตและดีมอดูเลต การแก้ไขข้อผิดพลาด รวมถึงการจัดการโปรโตคอลในหลายชั้น เช่น PDCP, RLC และ RRC ก่อนที่สัญญาณใดๆ จะถูกส่งออกไปทางคลื่นวิทยุ หน่วยนี้จะตรวจสอบให้มั่นใจว่าทุกอย่างสอดคล้องกับมาตรฐาน 3GPP ที่ควบคุมเครือข่ายทั้ง LTE และ 5G NR สิ่งที่ทำให้ BBU โดดเด่นจริงๆ คือการแยกฟังก์ชันของ control plane ออกจากข้อมูลที่ไหลผ่านระบบ เมื่อการทำงาน เช่น การจัดการการสลับเซลล์ (handover management) แยกออกจากกระแสข้อมูลปกติ ก็จะเปิดโอกาสให้สามารถจัดสรรทรัพยากรได้อย่างชาญฉลาดยิ่งขึ้น เครือข่ายจึงสามารถปรับตัวแบบเรียลไทม์เมื่อมีการใช้งานพุ่งสูงขึ้นหรือลดลงอย่างไม่คาดคิด ทำให้ระบบยังคงทำงานได้อย่างราบรื่นแม้ในช่วงเวลาที่มีการใช้งานสูงสุด

บทบาทของ Remote Radio Unit (RRU) ในการแปลงสัญญาณความถี่วิทยุและการเชื่อมต่อกับเสาอากาศ

ยูนิตวิทยุระยะไกล (RRU) ติดตั้งอยู่ใกล้กับเสาอากาศ โดยทำหน้าที่แปลงสัญญาณเบสแบนด์ให้กลายเป็นคลื่นวิทยุจริง เช่น ความถี่ 2.6 กิกะเฮิรตซ์ หรือ 3.5 กิกะเฮิรตซ์ การวางตำแหน่งแบบนี้ช่วยลดการสูญเสียสัญญาณ ซึ่งอาจสูงมากถึงประมาณ 4 เดซิเบลทุกๆ 100 เมตร เมื่อใช้สายโคแอ็กเชียลธรรมดา โดยเฉพาะในช่วงความถี่สูงเหล่านี้ RRU ทำหน้าอะไรบ้าง? มันทำหน้าที่แปลงข้อมูลดิจิทัลกลับไปเป็นสัญญาณแอนะล็อกเพื่อส่งข้อมูลลงช่องทาง (downstream) เพิ่มพลังสัญญาณที่อ่อนแรงซึ่งส่งกลับมาจากอุปกรณ์โดยไม่เพิ่มสัญญาณรบกวนมากเกินไป และสามารถทำงานร่วมกับหลายช่วงความถี่ ตั้งแต่ 700 เมกะเฮิรตซ์ ไปจนถึง 3.8 กิกะเฮิรตซ์ ผ่านเทคโนโลยีที่เรียกว่า การรวมช่องสัญญาณ (carrier aggregation) การติดตั้งยูนิตเหล่านี้ไว้ใกล้กับเสาอากาศยังช่วยให้เครือข่ายตอบสนองได้เร็วขึ้นด้วย การทดสอบแสดงให้เห็นว่าความหน่วงเวลา (latency) ลดลงประมาณ 25% เมื่อเทียบกับระบบเดิมที่ต้องพึ่งพาสายเคเบิลยาวๆ ระหว่างอุปกรณ์

กระบวนการทำงานเสริมกัน: หน่วย BBU และ RRU ช่วยให้การส่งสัญญาณครบวงจรเป็นไปได้อย่างไร

BBU และ RRU ทำงานร่วมกันผ่านลิงก์ไฟเบอร์ความเร็วสูง โดยใช้โปรโตคอล CPRI หรือ eCPRI เพื่อสร้างโซ่สัญญาณที่ต่อเนื่องกันจากการประมวลผลแบบดิจิทัลไปจนถึงการส่งสัญญาณผ่านอากาศ

สถาปัตยกรรมแบบกระจายนี้รวมศูนย์ BBU ไว้ที่ศูนย์กลาง ขณะที่วาง RRU ไว้ที่ยอดหอคอย ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้สเปกตรัมได้ 32% ในพื้นที่เมือง การแยกส่วนนี้ทำให้สามารถอัปเกรดระบบอย่างอิสระ และมีประโยชน์อย่างยิ่งในระบบนิเวศ O-RAN ที่กำลังพัฒนา

การเชื่อมต่อฟรอนท์เฮ้าล์แบบไฟเบอร์: เชื่อมโยง BBU และ RRU ด้วย CPRI และ eCPRI

ลิงก์ไฟเบอร์ออปติกความเร็วสูงในการสื่อสารระหว่าง BBU-RRU

สายเคเบิลไฟเบอร์ออปติกเป็นพื้นฐานสำคัญของเครือข่ายฟรอนท์โฮลในปัจจุบัน ซึ่งช่วยให้มีแบนด์วิดธ์สูงและหน่วงเวลาน้อยเมื่อเชื่อมต่อ BBUs เข้ากับ RRUs สายเคเบิลดังกล่าวสามารถรองรับความเร็วข้อมูลได้มากกว่า 25 กิกะบิตต่อวินาที หมายความว่าสามารถส่งสัญญาณวิทยุดิจิทัลได้อย่างมั่นคง โดยไม่เกิดปัญหาจากสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในพื้นที่เมืองที่มีอุปกรณ์จำนวนมากทำงานพร้อมกัน โปรโตคอล CPRI ทำงานร่วมกับไฟเบอร์แบบสองทาง (bidirectional fiber) เพื่อทำให้การซิงโครไนซ์ระหว่างการประมวลผลสัญญาณเบสแบนด์ใน BBU และการทำงาน RF จริงที่ RRU เป็นไปอย่างแม่นยำ การซิงโครไนซ์นี้ช่วยรักษาคุณภาพของสัญญาณให้ดีตลอดทั้งระบบ ตั้งแต่ต้นทางจนถึงปลายทาง

CPRI เทียบกับ eCPRI: โปรโตคอลสำหรับประสิทธิภาพฟรอนท์โฮลและการจัดการแบนด์วิดธ์

เมื่อเราค่อยๆ ก้าวเข้าสู่เครือข่าย 5G ผู้ให้บริการจำนวนมากเริ่มนำเทคโนโลยีที่เรียกว่า enhanced CPRI หรือ eCPRI มาใช้งาน สิ่งที่ทำให้ eCPRI น่าสนใจคือความสามารถในการลดความต้องการแบนด์วิดธ์ลงได้มากถึงสิบเท่า เมื่อเทียบกับเวอร์ชันเก่าของ CPRI อย่างไรก็ตาม CPRI แบบเดิมทำงานต่างออกไป มันต้องการการเชื่อมต่อไฟเบอร์แยกต่างหากสำหรับแต่ละเสาอากาศ และยึดตามการทำงานในระดับ Layer 1 แต่ปัญหาคือ เมื่อต้องจัดการกับระบบที่ใช้ MIMO ขนาดใหญ่ซึ่งกำลังเป็นที่นิยมมากขึ้นในปัจจุบัน CPRI แบบปกติไม่สามารถขยายระบบได้อย่างเหมาะสม นี่คือจุดที่ eCPRI เด่นชัด โดยการเปลี่ยนมาใช้วิธีการส่งผ่านแบบ Ethernet ทำให้หน่วยวิทยุระยะไกลหลายตัวสามารถแชร์ทรัพยากรร่วมกันได้ผ่านสิ่งที่เรียกว่า statistical multiplexing ผลลัพธ์ที่ได้คือ ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นมากในแง่ของ fronthaul efficiency โดยไม่ต้องเพิ่มต้นทุนโครงสร้างพื้นฐานมากนัก

วิวัฒนาการนี้ช่วยลดต้นทุนฟรอนท์โฮลได้ถึง 30% และรองรับการติดตั้งคลื่นความถี่สูงแบบมิลลิเมตรเวฟที่สามารถขยายขนาดได้

พิจารณาเรื่องความหน่วงเวลา ความจุ และการซิงโครไนซ์ในการออกแบบฟรอนท์โฮล

การกำหนดเวลาให้แม่นยำมีความสำคัญมาก หากเกิดข้อผิดพลาดในการซิงค์ที่มากกว่า 50 นาโนวินาที จะทำให้การทำงานของการสร้างลำแสง (beamforming) และฟังก์ชันอื่นๆ ที่อิงตามเวลาในเครือข่าย 5G เสียหาย ด้วยเหตุนี้ระบบที่ทันสมัยจึงใช้มาตรฐานต่างๆ เช่น IEEE 802.1CM TSN เพื่อให้สัญญาณควบคุมเคลื่อนที่อย่างเหมาะสมภายในเครือข่าย ส่วนการจัดการปริมาณข้อมูลนั้น ปัจจุบันส่วนใหญ่เปลี่ยนมาใช้ตัวรับ-ส่งสัญญาณ 25G กันแล้ว ซึ่งสามารถจัดการกับการสูญเสียสัญญาณได้ประมาณ 1.5 dB ต่อกิโลเมตร ซึ่งดีกว่าระบบ 10G รุ่นเก่าถึงประมาณสองในสาม การอัปเกรดทั้งหมดเหล่านี้ทำให้เรายังคงสามารถทำงานด้วยเวลาตอบสนองต่ำกว่าหนึ่งมิลลิวินาที แม้จะต้องวางยูนิตประมวลผลฐานแบนด์ (baseband units) ห่างจากยูนิตวิทยุระยะไกล (remote radio units) ถึง 20 กิโลเมตร ในโครงสร้างเครือข่ายแบบรวมศูนย์

วิวัฒนาการสถาปัตยกรรมเครือข่าย: จาก D-RAN ไปสู่ C-RAN และ vRAN

D-RAN เทียบกับ C-RAN: ผลกระทบต่อการติดตั้ง BBU และการกระจาย RRU

การติดตั้งแบบ Distributed RAN แบบดั้งเดิม หรือ D-RAN แต่ละหอคอยเซลล์จะมี Baseband Unit (BBU) ของตนเองติดตั้งอยู่ใกล้กับ Remote Radio Unit (RRU) โดยตรง ถึงแม้ว่าวิธีนี้จะช่วยให้ความหน่วงของสัญญาณต่ำกว่า 1 มิลลิวินาที แต่ก็หมายความว่ามีอุปกรณ์สำรองจำนวนมากที่ไม่ได้ใช้งานในช่วงเวลาส่วนใหญ่ และทำให้การแบ่งปันทรัพยากรระหว่างหอคอยเป็นเรื่องยาก ในทางกลับกัน แนวทาง Centralized RAN รูปแบบใหม่จะนำ BBU ทั้งหมดมารวมกันไว้ที่สถานที่กลาง ซึ่งเชื่อมต่อกับ RRU ที่ไซต์ต่างๆ ผ่านสายไฟเบอร์ออปติก ตามรายงานการวิจัยอุตสาหกรรมจาก Dell'Oro ในปี 2023 การเปลี่ยนแปลงนี้สามารถลดค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานได้ประมาณ 17% ไปจนถึงเกือบ 25% นอกจากนี้ ผู้ให้บริการเครือข่ายยังสามารถปรับย้ายพลังการประมวลผลไปยังจุดที่ต้องการมากที่สุดได้ตามรูปแบบการใช้งานที่เปลี่ยนแปลงไปตลอดทั้งวัน

การรวมกลุ่ม BBU แบบรวมศูนย์ใน C-RAN เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการแบ่งปันทรัพยากรและความคุ้มค่า

ด้วยการรวมหน่วยประมวลผล BBU เข้าไว้ในศูนย์กลาง ผู้ให้บริการสามารถจัดการ RRUs ได้หลายร้อยตัวจากสถานที่เดียว ประโยชน์รวมถึง:

• การรวมฮาร์ดแวร์ : การติดตั้งระบบ 24 เซลล์ ต้องการชุดโครงสร้าง BBU น้อยลง 83% เมื่อเทียบกับการติดตั้งแบบ D-RAN ที่เทียบเคียงกัน
• การเพิ่มประสิทธิภาพพลังงาน : การปรับสมดุลโหลดช่วยลดการใช้พลังงานของสถานีฐานลง 35% (กรณีศึกษา Ericsson ปี 2022)
• การประสานงานขั้นสูง : ทำให้สามารถใช้เทคนิคต่างๆ เช่น coordinated multipoint (CoMP) เพื่อการสร้างลำแสงคลื่นความถี่มิลลิเมตรสำหรับ 5G อย่างมีประสิทธิภาพ

Virtualized RAN (vRAN): การพัฒนาฟังก์ชัน BBU สู่การประมวลผลบนคลาวด์

vRAN แยกการประมวลผลแถบความถี่ฐานออกจากฮาร์ดแวร์เฉพาะทาง โดยรันฟังก์ชัน BBU แบบเสมือน (vBBU) บนเซิร์ฟเวอร์คลาวด์เชิงพาณิชย์ที่มีวางจำหน่ายทั่วไป การเปลี่ยนแปลงนี้นำมาซึ่ง:

1. การขยายขนาดอย่างยืดหยุ่น : ทรัพยากรการประมวลผลสามารถขยายตัวได้ตามรูปแบบการใช้งาน
2. การรวมระบบขอบเครือข่าย (Edge integration) : 67% ของผู้ให้บริการติดตั้ง vBBU ร่วมกับโหนด Multi-access Edge Computing (MEC) เพื่อลดความหน่วงให้น้อยที่สุด (Nokia 2023)
3. ความท้าทายด้านความสามารถในการทำงานร่วมกัน (Interoperability challenges) : การบรรลุการซิงโครไนซ์ระดับต่ำกว่า 700 ไมโครวินาที ต้องอาศัยฮาร์ดแวร์เร่งความเร็วเฉพาะทาง แม้จะมีความหลากหลายของผู้ผลิตก็ตาม

การพัฒนาจาก D-RAN ไปสู่ C-RAN และ vRAN ชี้ให้เห็นถึงการที่การรวมศูนย์และการทำให้เป็นเสมือนจริงสามารถยกระดับประสิทธิภาพ ความสามารถในการขยายตัว และความคุ้มค่าด้านต้นทุนของเครือข่ายได้อย่างไร

O-RAN และการแบ่งฟังก์ชัน: การกำหนดแนวทางใหม่สำหรับการทำงานร่วมกันระหว่าง BBU และ RRU

มาตรฐานของ O-RAN Alliance และข้อกำหนดอินเทอร์เฟซแบบเปิดสำหรับ BBU และ RRU

กลุ่มพันธมิตร O-RAN กำลังผลักดันการออกแบบเครือข่ายการเข้าถึงวิทยุที่เปิดกว้างและสามารถทำงานร่วมกันได้มากขึ้น โดยกำหนดมาตรฐานวิธีการสื่อสารระหว่างหน่วยประมวลผลฐานแบนด์ (BBUs) และหน่วยวิทยุระยะไกล (RRUs) สิ่งนี้หมายความว่าผู้ให้บริการสามารถเลือกใช้อุปกรณ์จากผู้ผลิตต่างรายมาผสมผสานกันได้ แทนที่จะต้องผูกติดอยู่กับระบบนิเวศของซัพพลายเออร์รายเดียว กลุ่มพันธมิตรได้จัดทำแนวทางการแบ่งฟังก์ชันการทำงานระหว่างองค์ประกอบเหล่านี้ไว้หลายแบบ เช่น Option 7.2x ในโครงสร้างนี้ ชั้นต่างๆ เช่น RLC และ MAC จะดำเนินการใน BBU ขณะที่งานระดับล่างของชั้นทางกายภาพ (Physical Layer) และการประมวลผลสัญญาณ RF จะเกิดขึ้นที่ปลายทาง RRU เมื่อปีที่แล้ว มีบทความตีพิมพ์ในวารสาร Applied Sciences ซึ่งพบว่าการจัดรูปแบบเฉพาะนี้สามารถควบคุมความล่าช้าของ fronthaul ให้อยู่ต่ำกว่า 250 ไมโครวินาที ซึ่งถือว่าน่าประทับใจมากเมื่อพิจารณาถึงความไวต่อปัญหาเวลาในการทำงานของเครือข่ายไร้สาย แน่นอนว่ามีข้อแลกเปลี่ยนที่ต้องพิจารณาด้วย แม้การมีมาตรฐานเปิดจะเพิ่มทางเลือกในการซื้ออุปกรณ์ แต่ก็ต้องอาศัยการประสานงานที่แน่นแฟ้นยิ่งขึ้นระหว่างส่วนต่างๆ เพื่อให้แน่ใจว่าทุกอย่างทำงานร่วมกันได้อย่างราบรื่น โดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพโดยรวม

ตัวเลือกการแบ่งฟังก์ชัน (เช่น การแบ่ง 7-2x) ในสถาปัตยกรรม O-RAN

มาตรฐาน Split 7.2x ทำงานโดยการแบ่งงานประมวลผลระหว่างส่วนประกอบต่างๆ ด้วยสองแนวทางหลัก สำหรับประเภท A งานส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นที่ฝั่ง BBU ซึ่งทำให้หน่วย RRU มีความเรียบง่ายมากขึ้น แต่ก่อให้เกิดการรับส่งข้อมูลที่มากขึ้นบนการเชื่อมต่อแนวหน้า (front haul) ในทางกลับกัน ประเภท B จะโยนภาระงานประมวลผลเหล่านี้ลงไปยังตัว RRU โดยตรง การจัดวางแบบนี้ให้ประสิทธิภาพที่ดีกว่าเมื่อจัดการกับสัญญาณที่ส่งกลับมาจากผู้ใช้งาน แม้ว่าจะทำให้ฮาร์ดแวร์มีความซับซ้อนมากขึ้นก็ตาม จากรายงานอุตสาหกรรมล่าสุด ผู้ให้บริการเครือข่ายประมาณสองในสามเลือกใช้ประเภท B สำหรับการติดตั้ง massive MIMO เนื่องจากได้รับการควบคุมสัญญาณรบกวนที่ดีกว่ามาก เทคโนโลยียังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง เช่น โครงการ ULPI ปี 2023 ตัวอย่างใหม่นี้มีการปรับเปลี่ยนฟังก์ชันการเทียบระดับ (equalization) ภายในสถาปัตยกรรมระบบ เพื่อดึงศักยภาพการทำงานให้สูงขึ้นอย่างครอบคลุม การปรับปรุงในลักษณะนี้คือสิ่งที่เอกสารจากกลุ่มทำงาน O-RAN ได้เน้นย้ำมาอย่างต่อเนื่องในช่วงหลัง

การถ่วงดุลระหว่างความสามารถในการทำงานร่วมกันและประสิทธิภาพในระบบเปิด RAN

O-RAN ช่วยให้มีศักยภาพในการประหยัดค่าใช้จ่ายในระยะยาว และทำให้สามารถทำงานร่วมกับผู้จำหน่ายรายต่างๆ ได้ แต่การจะทำให้มันทำงานได้ดีเทียบเท่าระบบ RAN แบบรวมศูนย์ดั้งเดิมนั้น ยังคงเป็นงานที่ท้าทายอยู่ ปัญหาหลักเกิดจากความแตกต่างของขีดความสามารถในการเร่งฮาร์ดแวร์ และระดับความสุกของซอฟต์แวร์ที่ผู้ผลิตแต่ละรายนำเสนอ ซึ่งส่งผลให้เกิดปัญหาจริงจังเมื่อพยายามบรรลุเป้าหมายด้านประสิทธิภาพสำคัญๆ เช่น อัตราการส่งข้อมูลและอัตราการใช้พลังงาน เมื่อบริษัทต่างๆ ติดตั้งกลุ่ม BBU แบบรวมศูนย์ พวกเขาก็ยังต้องการการเชื่อมต่อที่เชื่อถือได้สูงมากที่ด้านหน้าด้วย สิ่งนี้จำเป็นต้องควบคุมค่า jitter ให้อยู่ต่ำกว่าประมาณ 100 นาโนวินาที ตามมาตรฐานอุตสาหกรรม ผู้เชี่ยวชาญส่วนใหญ่แนะนำให้เริ่มต้นอย่างช้าๆ บางทีอาจเริ่มจากสถานที่ที่มีความเสี่ยงต่ำกว่าในเมือง ซึ่งหากเกิดปัญหาขึ้นจะไม่ก่อให้เกิดความผิดปกติร้ายแรง การดำเนินการแบบนี้ช่วยให้ผู้ให้บริการสามารถทดสอบได้ว่าทุกอย่างทำงานร่วมกันได้อย่างเหมาะสม และเป็นไปตามความคาดหวังหรือไม่ ก่อนจะขยายไปยังพื้นที่ขนาดใหญ่ขึ้น