ยูนิตเบสแบนด์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพอุปกรณ์การสื่อสารได้อย่างไร?

หน้าที่หลักของหน่วยประมวลผลฐานข้อมูลในการประมวลผลสัญญาณ 5G

การประมวลผลสัญญาณแบบเรียลไทม์: การทำให้เกิดความหน่วงต่ำกว่า 10 มิลลิวินาทีในเครือข่าย 5G

ยูนิตฐานแบนด์ทำหน้าที่ประมวลผลสัญญาณดิจิทัลที่สำคัญ ซึ่งต้องดำเนินการภายในช่วงเวลาที่จำกัดอย่างเข้มงวด ทำให้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการบรรลุเวลาตอบสนองที่รวดเร็วสุดๆ ที่จำเป็นในแอปพลิเคชัน 5G เช่น รถยนต์ขับเคลื่อนอัตโนมัติ และระบบออโตเมชันในโรงงาน ยูนิตเหล่านี้จะทำงานในระดับฟิสิกัลเลเยอร์ให้เสร็จสิ้นภายในเวลาไม่ถึง 2 มิลลิวินาที ทำให้รวมเวลาหน่วงทั้งหมดของการส่งสัญญาณไป-กลับยังคงต่ำกว่าขีดจำกัด 10 มิลลิวินาที ตามมาตรฐานของ 3GPP โดยใช้เทคนิคต่างๆ เช่น การประมวลผลแบบขนานและการเพิ่มประสิทธิภาพด้วยฮาร์ดแวร์พิเศษ BBUs สามารถปรับการใช้ทรัพยากรได้แบบเรียลไทม์ตามสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงไป ส่งผลให้ยังคงทำงานได้อย่างราบรื่นแม้ในช่วงที่เครือข่ายมีภาระหนัก เช่น ชั่วโมงเร่งด่วนหรือเหตุการณ์ขนาดใหญ่

สายส่งสัญญาณดิจิทัล: การมอดูเลต สัญญาณรหัสช่องทาง และ MIMO Precoding

สายส่งสัญญาณดิจิทัลของ BBU ผสานรวมสามหน้าที่หลักเพื่อเพิ่มความสมบูรณ์ของสัญญาณและประสิทธิภาพของสเปกตรัมให้สูงสุด:

1. การปรับปรุง การใช้รูปแบบอันดับสูง เช่น QAM-256 และ QAM-1024 เข้ารหัสข้อมูลลงในคลื่นวิทยุที่มีความหนาแน่นสูง
2. การเข้ารหัสช่องทาง ด้วยรหัส LDPC และรหัสโพลาร์ ช่วยลดอัตราความผิดพลาดของบิตได้สูงสุดถึง 68% เมื่อเทียบกับรหัสเทอร์โบในระบบ 4G
3. การเข้ารหัสล่วงหน้าแบบ MIMO ทำให้สามารถควบคุมทิศทางลำแสงอย่างชาญฉลาด ปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้สเปกตรัมได้เพิ่มขึ้น 3.1 เท่า (Mobile Experts 2023)
   กระบวนการเหล่านี้ร่วมกันช่วยลดการสูญหายของแพ็กเก็ต และรักษาระดับอัตราการส่งข้อมูลที่สูงในสภาพแวดล้อมเมืองที่มีความหนาแน่นสูง

กรณีศึกษา: BBU ระดับแนวหน้าลดความหน่วงเวลาในการส่งข้อมูลขาขึ้นได้ 42% ในการติดตั้งเครือข่าย 5G ในเขตเมือง

การทดลองภาคสนามในปี 2023 ของผลิตภัณฑ์ BBU 6630 จากผู้ผลิตชั้นนำในกรุงโตเกียว แสดงให้เห็นถึงการเพิ่มประสิทธิภาพอย่างมีนัยสำคัญผ่านเทคโนโลยีเวอร์ชวลไลเซชันและการทำนายปริมาณการจราจรด้วยการเรียนรู้ของเครื่อง ซึ่งระบบสามารถทำได้ดังนี้

• ลดความหน่วงเวลาโดยเฉลี่ยในการส่งข้อมูลขาขึ้นได้ 42% (จาก 9.2ms ลงเหลือ 5.3ms)
• ปรับปรุงอัตราการรับ-ส่งข้อมูลบริเวณขอบเซลล์ได้ 17%
• จำนวนการเชื่อมต่อที่หลุดลดลง 31% ในระหว่างการส่งมอบ
  ผลลัพธ์เหล่านี้ยืนยันบทบาทของ BBU ในฐานะแกนกลางการประมวลผลของเครือข่าย 5G ที่มีความน่าเชื่อถือ โดยเฉพาะในการติดตั้งในเขตเมืองที่มีความหนาแน่นสูง

ประสิทธิภาพเครือข่ายที่ขับเคลื่อนด้วย BBU: การลดความหน่วงเวลา การเพิ่มอัตราการส่งผ่านข้อมูล และประสิทธิภาพการทำงาน

เครือข่ายวิทยุแบบรวมศูนย์ (C-RAN): การรวมกลุ่มทรัพยากรแบบไดนามิกผ่านการจำลองเสมือน BBU

การตั้งค่า Cloud RAN หรือ C-RAN ใช้หน่วยประมวลผลฐานแบนด์แบบเสมือนที่รวมพลังการประมวลผลไว้ด้วยกันสำหรับไซต์เซลล์หลายแห่ง แทนที่จะมีอุปกรณ์แยกต่างหากในทุกที่ สิ่งที่เกิดขึ้นคือการกำจัดระบบที่ใช้ฮาร์ดแวร์แยกอิสระซึ่งเคยพบเห็นกันมาก่อน ลดค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานลงประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ (บวกลบเล็กน้อย) และทำให้สามารถปรับเปลี่ยนภาระงานได้แบบเรียลไทม์ตามความจำเป็น เมื่อมีการเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันของทราฟฟิกในเครือข่าย ระบบสามารถดึงความสามารถที่เหลือใช้จากเซลล์ใกล้เคียงที่ยังไม่ได้ใช้งานเต็มที่มาใช้ในพื้นที่ที่ต้องการได้ ผลลัพธ์ที่ได้คือ ปริมาณการผ่านระบบ (Throughput) เพิ่มขึ้นเกือบสามเท่าของค่าเดิม ก่อนมีระบบนี้ โดยไม่จำเป็นต้องซื้ออุปกรณ์ใหม่ ถือว่าน่าประทับใจพอสมควรเมื่อได้พิจารณา

การประสานงาน Massive MIMO และการนำสเปกตรัมกลับมาใช้ใหม่ ซึ่งเปิดใช้งานโดยการควบคุม BBU ขั้นสูง

อัลกอริทึม BBU ขั้นสูงประสานงานกับองค์ประกอบเสาอากาศหลายร้อยตัว เพื่อส่งมอบการสร้างลำแสง (beamforming) และการมัลติเพล็กซ์แบบเชิงพื้นที่ (spatial multiplexing) อย่างแม่นยำ สิ่งนี้ช่วยให้ผู้ใช้งานหลายคนสามารถใช้แบนด์วิธเดียวกันพร้อมกันได้ ทำให้ประสิทธิภาพของสเปกตรัมเพิ่มขึ้น 47% การโฟกัสสัญญาณแบบทิศทางยังช่วยลดการรบกวนได้อย่างมาก รองรับการติดตั้งเครือข่ายที่หนาแน่นขึ้นถึง 5 เท่า ขณะที่ยังคงรักษาระดับความน่าเชื่อถือไว้ที่ 99.999% ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องอาศัยความน่าเชื่อถือสูง

ผลกระทบหลัก :

• การลดความหน่วง: ตอบสนองต่ำกว่า 10 มิลลิวินาที สำหรับอุตสาหกรรม IoT
• การขยายปริมาณการรับส่งข้อมูล: สูงถึง 40 Gbps ต่อเซลล์ในการติดตั้งคลื่นความถี่ mmWave
• ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน: ใช้พลังงานต่ำลง 60% ต่อจิกะไบต์ เมื่อเทียบกับระบบ RAN แบบกระจาย

องค์ประกอบฮาร์ดแวร์หลักที่ขับเคลื่อนประสิทธิภาพของหน่วยประมวลผลฐานข้อมูล (Baseband Unit)

การเร่งความเร็วด้วย FPGA/ASIC: ทำให้สามารถประมวลผล FFT ได้รวดเร็วกว่าระบบที่ใช้ x86 รุ่นเก่า

อาร์เรย์เกตแบบโปรแกรมได้ (FPGAs) พร้อมกับไอซีเฉพาะแอปพลิเคชัน (ASICs) มีศักยภาพในการประมวลผลที่จำเป็นสำหรับการจัดการสัญญาณ 5G แบบเรียลไทม์ ซึ่งเหนือกว่าระบบ x86 รุ่นเก่าในแง่ของความเร็วในการประมวลผลและประหยัดพลังงานโดยรวมมากกว่า ชิปเฉพาะทางเหล่านี้ช่วยเร่งความเร็วให้กับงานที่สามารถประมวลผลแบบขนานได้ เช่น การคำนวณ Fast Fourier Transform ที่ทุกคนพูดถึง ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับการทำ modulation และ demodulation ให้ถูกต้องในระบบที่ใช้ MIMO ขนาดใหญ่ที่เห็นได้ทั่วไปในปัจจุบัน เมื่อบริษัทเปลี่ยนจากการใช้ CPU ทั่วไปมาใช้โซลูชัน FPGA หรือ ASIC พวกเขาจะลดภาระงานหนักออกจากโปรเซสเซอร์หลัก แนวทางนี้ช่วยลดเวลาในการประมวลผลลง ขณะเดียวกันก็ประหยัดไฟฟ้าได้อย่างมาก งานวิจัยบางชิ้นระบุว่าการใช้พลังงานลดลงประมาณหนึ่งในสามถึงเกือบครึ่งหนึ่งในพื้นที่เมืองที่นำเทคโนโลยีเหล่านี้ไปใช้

โปรเซสเซอร์, DSP, หน่วยความจำ และการรวมอินเทอร์เฟซในดีไซน์ BBU ยุคใหม่

หน่วยฐานข้อมูลในปัจจุบันสามารถบรรจุฟังก์ชันต่าง ๆ ไว้มากมายในกล่องเดียว ไม่ว่าจะเป็นโปรเซสเซอร์แบบมัลติคอร์ที่ทำงานร่วมกับโปรเซสเซอร์สัญญาณดิจิทัลเฉพาะทาง หน่วยความจำความเร็วสูงจำนวนมาก และการเชื่อมต่อมาตรฐานต่าง ๆ ที่ถูกรวมเข้าไว้ในแพ็กเกจเดียวอย่างมีระเบียบ DSP เป็นผู้ทำหน้าที่หลักในการปรับสัญญาณ การถอดสัญญาณกลับ และการจัดการงานเข้ารหัสช่องสัญญาณที่ซับซ้อน ในขณะเดียวกัน โปรเซสเซอร์ทั่วไปจะทำหน้าที่จัดการต่าง ๆ เช่น การจัดสรรแบ่งแยกเครือข่าย (network slices) และโปรโตคอลระดับสูงอื่น ๆ ส่วนการจัดการข้อมูลความถี่วิทยุปริมาณมากที่เข้ามา หน่วยความจำ SDRAM จะทำหน้าที่เป็นตัวจัดเก็บชั่วคราว โดยรองรับความเร็วได้มากกว่า 200 กิกะบิตต่อวินาที ซึ่งช่วยป้องกันไม่ให้ระบบค้างในช่วงที่มีปริมาณการใช้งานพีค และในแง่ของการเชื่อมต่อ ยังมีอินเทอร์เฟซสำคัญหลายตัวที่เกี่ยวข้อง เพื่อให้ทุกอย่างทำงานร่วมกันได้อย่างราบรื่น

• eCPRI : ช่วยให้การเชื่อมต่อฟรอนท์โฮลแบบมีความหน่วงต่ำ
• 25GbE : รองรับการรวมข้อมูลแบคโฮล
• PCIe Gen4 : อำนวยความสะดวกในการสื่อสารระหว่างชิปด้วยความเร็วสูง
  การออกแบบที่ผสานกันอย่างแนบแน่นนี้ช่วยกำจัดปัญหาการแข่งขันบนบัส โดยรับประกันความหน่วงที่แน่นอนต่ำกว่า 100µs สำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูงเป็นพิเศษ

ข้อได้เปรียบเชิงกลยุทธ์ของยูนิตเบสแบนด์: การปรับขนาดได้ ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และการรองรับการใช้งานในอนาคต

ข้อแลกเปลี่ยนของ O-RAN: การถ่วงดุลระหว่างการแยกส่วนและการรักษาความสม่ำเสมอของประสิทธิภาพ BBU

แนวคิดของ Open RAN ที่แท้จริงแล้วส่งเสริมให้มีผู้จำหน่ายรายใหม่เข้ามาในตลาดมากขึ้น และสนับสนุนนวัตกรรมโดยการแยกส่วนประกอบด้านฮาร์ดแวร์ออกจากซอฟต์แวร์ อย่างไรก็ตาม แนวทางนี้สร้างปัญหาเมื่อพยายามรักษาประสิทธิภาพของหน่วยฐานแบนด์ (BBU) ให้มีความเสถียรตลอดอุปกรณ์ต่างๆ กัน ระบบแบบโมดูลาร์ช่วยให้สามารถขยายขนาดและเพิ่มเติมได้ง่ายขึ้น อีกทั้งยังสามารถลดการใช้พลังงานลงได้ประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ ตามรายงาน Telecom Efficiency เมื่อปีที่แล้ว แต่ประโยชน์เหล่านี้ก็มาพร้อมกับต้นทุน ระบบจำเป็นต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดของอินเทอร์เฟซอย่างเคร่งครัด มิฉะนั้นจะเกิดปัญหาเกี่ยวกับความแปรปรวนของจังหวะสัญญาณ และอัตราการถ่ายโอนข้อมูลที่ไม่สม่ำเสมอ เมื่อต้องจัดการกับแอปพลิเคชันที่มิลลิวินาทีมีความสำคัญ เช่น ระบบออโตเมชันในโรงงานที่เชื่อมต่อผ่านอุปกรณ์ IoT ผู้ให้บริการเครือข่ายไม่มีทางเลือกอื่นนอกจากต้องทำให้แน่ใจว่าทุกอย่างทำงานร่วมกันได้อย่างราบรื่นตั้งแต่ต้นจนจบ การติดตั้ง BBU อย่างมีกลยุทธ์หมายถึงการค้นหาจุดสมดุลที่เหมาะสมระหว่างสิ่งที่แพลตฟอร์มแบบเปิดมอบให้ในด้านความสามารถในการปรับตัว กับสิ่งที่จำเป็นเพื่อตอบสนองข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพที่เข้มงวดของมาตรฐาน 5G-Advanced ที่กำลังจะมาถึง และแม้แต่มาตรฐาน 6G ที่ยังไม่มีการนิยามอย่างชัดเจน