อะไรทำให้ BBU เข้ากันได้กับสถานีฐาน (Base Transceiver Stations)

บทบาทหลักของ BBU ในสถาปัตยกรรม BTS และการผสานการทำงานเชิงฟังก์ชัน

การควบคุมการประมวลผลสัญญาณฐานข้อมูล: วิธีที่ BBU จัดการการมอดูเลต การเข้ารหัส และการจัดสรรทรัพยากร

หัวใจสำคัญของสถาปัตยกรรมสถานีฐาน (BTS) คือ หน่วยประมวลผลสัญญาณฐาน (Baseband Unit - BBU) ซึ่งทำหน้าที่จัดการงานประมวลผลสัญญาณดิจิทัลทั้งหมด ไม่ว่าจะเป็นเทคนิคการมอดูเลต วิธีการเข้ารหัสช่องสัญญาณ และการจัดสรรทรัพยากรอย่างมีประสิทธิภาพในช่องต่างๆ เมื่อมีการส่งสัญญาณ หน่วยนี้จะนำข้อมูลดิบมาแปลงให้เป็นสัญลักษณ์ที่ถูกมอดูเลตผ่านรูปแบบต่างๆ เช่น การมอดูเลตแอมพลิจูดเชิงมุมฉาก (Quadrature Amplitude Modulation: QAM) รวมทั้งเพิ่มรหัสแก้ไขข้อผิดพลาดล่วงหน้า (Forward Error Correction) เพื่อป้องกันความเสียหายของข้อมูลระหว่างการส่ง สิ่งมหัศจรรย์ที่แท้จริงเกิดขึ้นเมื่ออัลกอริทึมการจัดสรรทรัพยากรแบบเรียลไทม์ทำงาน โดยกระจายแบนด์วิธที่มีอยู่ให้กับผู้ใช้งานหลายคนพร้อมกัน เพื่อไม่ให้ใครต้องรอข้อมูลนานเกินไป และยังคงใช้พื้นที่สเปกตรัมได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ ในฝั่งการรับสัญญาณ BBU จะทำหน้าที่ถอดมอดูเลตและถอดรหัสทั้งหมด ซึ่งความสามารถในการประมวลผลที่ทรงพลังนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะส่งผลต่อทุกอย่าง ตั้งแต่ความเร็วในการส่งข้อมูล (ความหน่วงเวลา: latency) อัตราการถ่ายโอนข้อมูลโดยรวม (throughput) ไปจนถึงความสามารถของระบบในการปรับตัวเมื่อคุณภาพสัญญาณเปลี่ยนแปลงอย่างไม่คาดคิด

การเชื่อมต่อสถาปัตยกรรมกับหน่วย RF: การไหลของสัญญาณจากเบสแบนด์ไปยัง RF ในการติดตั้ง BTS แบบบูรณาการ

ยูนิตประมวลผลสัญญาณฐาน (BBUs) ทำงานร่วมกันอย่างใกล้ชิดกับยูนิตวิทยุระยะไกล (RRUs) ผ่านการเชื่อมต่อไฟเบอร์มาตรฐาน โดยทั่วไปใช้โปรโตคอล CPRI หรือ eCPRI สัญญาณฐานที่ผ่านการประมวลผลจะถูกส่งเป็นข้อมูลดิจิทัลจาก BBU ไปยัง RRU โดยยังคงรักษาคุณภาพของสัญญาณไว้ระหว่างการส่ง เมื่อสัญญาณเหล่านี้มาถึง RRU จะมีการแปลงสัญญาณจากรูปแบบดิจิทัลเป็นแอนะล็อก ก่อนที่จะถูกขยายเพื่อส่งผ่านความถี่วิทยุโดยใช้เสาอากาศ ในทางกลับกัน เมื่อเสาอากาศรับสัญญาณความถี่วิทยุได้แล้ว สัญญาณจะถูกแปลงให้อยู่ในรูปแบบดิจิทัลที่ตำแหน่ง RRU ก่อนส่งกลับไปยัง BBU เพื่อดำเนินการถอดรหัส การสื่อสารสองทางนี้มีความหน่วงเวลาต่ำ ทำให้มั่นใจได้ถึงความแม่นยำด้านเวลาในการประสานงานระหว่างส่วนประกอบต่างๆ การซิงโครไนซ์แบบนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อเทคนิคต่างๆ เช่น การสร้างลำแสงแบบประสานงาน (coordinated beamforming) และการใช้งานระบบ massive MIMO ในเครือข่ายที่กระจายอยู่ตามสถานีฐานไร้สายหลายแห่ง (BTS)

อินเทอร์เฟซมาตรฐานที่รองรับการทำงานร่วมกันระหว่าง BBU กับ BTS

CPRI เทียบกับ eCPRI: ผลกระทบด้านความหน่วงเวลา แบนด์วิธ และความเข้ากันได้สำหรับการสื่อสารระหว่าง BBU กับ RU

โปรโตคอล CPRI มีความหน่วงเวลาต่ำมากต่ำกว่า 100 ไมโครวินาที ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับการทำงานของเลเยอร์ทางกายภาพที่ต้องการความแม่นยำด้านเวลา แต่ก็มีข้อเสียตรงที่ต้องใช้แบนด์วิดธ์ฟรอนท์โฮลจำนวนมากถึงประมาณ 24.3 กิกะบิตต่อวินาทีต่อแคริเออร์เสาอากาศ ส่งผลให้เกิดปัญหาเรื่องความสามารถในการขยายระบบอย่างจริงจังเมื่อพยายามติดตั้งในเครือข่าย 5G ที่มีความหนาแน่นสูง ในทางกลับกัน eCPRI ใช้วิธีการที่แตกต่างออกไป โดยใช้เทคโนโลยีอีเธอร์เน็ตแบบแพ็กเก็ต พร้อมการแบ่งการทำงาน เช่น Split-7.2 การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ช่วยลดความต้องการแบนด์วิดธ์ลงได้ประมาณ 60 เปอร์เซ็นต์ ในขณะที่ยังคงสามารถทำให้ยูนิตฐานแบนด์ทำงานแบบเสมือนบางส่วนได้ โดยไม่สูญเสียเวลาตอบสนองระดับไมโครวินาทีที่สำคัญสำหรับฟังก์ชันหลักๆ อย่างไรก็ตาม มีข้อหนึ่งที่ควรระวัง คือ เมื่อผู้ให้บริการนำระบบ CPRI และ eCPRI มาใช้งานร่วมกัน จะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าเฟิร์มแวร์ของยูนิทรูปคลื่นทั้งหมดเข้ากันได้ มิฉะนั้นอาจเกิดความไม่สอดคล้องกันในการตั้งค่า จนนำไปสู่การหยุดชะงักของการสื่อสารและคุณภาพบริการที่ลดลงทั่วทั้งเครือข่าย

รายละเอียด 3GPP และ O-RAN: การรับประกันความเหมาะสมของ BBU หลายผู้จัดส่งทั่วระบบนิเวศ BTS

3GPP เลส 15 กําหนดมาตรฐานพื้นฐานสําหรับวิธีการทํางานของอุปกรณ์ร่วมกัน, รวมถึงสิ่งต่างๆ เช่น การแยกชั้นล่าง (คิดตัวเลือก 2) และการร่วมกันในเวลาที่สามารถแตกต่างกันได้ด้วยบวกหรือลบ 1.5 ไมโครวินาที นี่ช่วยให้แน่ใจว่าหน่วยเบสเบนด์จะประพฤติอย่างต่อเนื่อง ไม่ว่าใครเป็นคนสร้างมัน แล้วมาถึง O-RAN ALLIANCE ด้วยวิธีการของตัวเอง สร้างอินเตอร์เฟซเปิด ไม่ให้ประโยชน์กับบริษัทใดๆ สเปคของ Fronthaul เป็นตัวอย่างที่ดี โดยพื้นฐานแล้วแยกฮาร์ดแวร์จากซอฟต์แวร์ เพื่อให้หน่วยเบสแบนด์จากผู้ผลิตต่าง ๆ สามารถทํางานได้อย่างเรียบร้อยกับหน่วยวิทยุ ในระบบ BTS ใดก็ตามที่มีความหมาย การดูตัวเลขในอุตสาหกรรมตั้งแต่ปี 2023 แสดงว่าผู้ประกอบการส่วนใหญ่ได้เข้าร่วมกับการแก้ไข O-RAN ในขณะนี้ ประมาณ 7 ใน 10 ในโลก เหตุผลหลัก? พวกเขาต้องการหลีกเลี่ยงการติดกับอุปกรณ์ของผู้ขายคนเดียวตลอดไป การเปลี่ยนแปลงนี้ยังทําให้การทดสอบระหว่างผู้ขายต่าง ๆ เร็วขึ้น และลดเวลาในการรับรองสินค้าใหม่

การแยกงานและการพัฒนา RAN: วิธีการที่ความรับผิดชอบของ BBU เปลี่ยนแปลงไปทั่ว D-RAN, C-RAN และ O-RAN

FH-7.2, FH-8 และส่วนที่แตกต่างกันอื่น ๆ: ผลต่อความต้องการของอินเตอร์เฟส BBU และความยืดหยุ่นในการบูรณาการ BTS

การแบ่งงานที่มาตรฐานโดย O-RAN Alliance หมวดหมู่การกําหนดใหม่ที่การประมวลผลชั้น PHY เกิดขึ้น, การสลับความรับผิดชอบระหว่างหน่วยวิทยุ (RUs), หน่วยกระจาย (DUs) และหน่วยกลาง (CUs). การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้มีผลต่อการออกแบบอินเตอร์เฟซ BBU และความยืดหยุ่นในการใช้งาน BTS โดยตรง:

• FH-7.2 ขยับฟังก์ชัน PHY ส่วนหนึ่ง (เช่น IQ compression, FFT/IFFT) ไปยัง RU, ลดความต้องการแบนด์วิดท์ของแฟรนท์ฮอลล์ ~ 40% และอ่อนแอการนํา Cloud-RAN มาใช้
• FH-8 , ซึ่งยังคงการประมวลผล PHY อย่างเต็มที่ที่ DU, ปกติจํากัดความยืดหยุ่นที่เข้มงวด (< 250 μs) แต่สนับสนุนลักษณะที่ก้าวหน้าเช่นการบดหนา MIMO อย่างมาก.

ดังนั้น

แต่ละส่วนแบ่งสั่งการกลไกการร่วมกันของฮาร์ดแวร์ที่แตกต่างกันและการสนับสนุนโปรโตคอล แต่รวมกัน, พวกเขากําจัดข้อจํากัดเฉพาะผู้ขายและเร่งความสามารถในการปรับขนาดเครือข่าย 5G

ความสามารถสําคัญของ BBU ที่ทําให้ BTS สามารถเข้ากันได้โดยตรง

ความเข้ากันของหน่วยเบสเบนด์ (BBU) กับสถานีแรนซิสเวอร์เบส (BTS) ขึ้นอยู่กับความสามารถพื้นฐานห้าอย่างที่ทําให้การบูรณาการได้อย่างต่อเนื่องในสถาปัตยกรรม RAN ใหม่ๆ:

• ความสามารถในการปรับขนาด : การจัดสรรทรัพยากรการประมวลผลแบบไดนามิก เพื่อรองรับการลดความจราจรและการขยายเครือข่าย
• พลังการประมวลผลสูง : ความเร็วในการทํางานที่ยั่งยืนสูงถึง 100 Gbps สําหรับการปรับปรุง, การโค้ด และการวางแผนในเวลาจริง
• ความยืดหยุ่นของโปรโตคอล : การรองรับเนทีฟสำหรับมาตรฐาน CPRI, eCPRI และ O-RAN fronthaul ผ่านอินเทอร์เฟซแบบกำหนดด้วยซอฟต์แวร์ ซึ่งช่วยให้สามารถทำงานร่วมกันได้ในระบบนิเวศของ BTS ที่หลากหลาย
• การรองรับการจำลองเสมือน : การออกแบบที่ไม่ขึ้นกับฮาร์ดแวร์ ตามหลักการของ cloud-RAN รองรับงานประมวลผลแบบคอนเทนเนอร์และโมเดลโครงสร้างพื้นฐานในฐานะบริการ (IaaS) ซึ่งคาดว่าจะครอบคลุม 40% ของเครือข่ายภายในปี 2025
• การปฏิบัติตามความปลอดภัย : การเข้ารหัสในตัว การพิสูจน์ตัวตนแบบร่วมกัน และการจัดการกุญแจที่สอดคล้องกับกรอบความปลอดภัยของ 3GPP (เช่น TS 33.501) เพื่อให้มั่นใจถึงความน่าเชื่อถือแบบครบวงจรในสภาพแวดล้อม RAN เปิด

โดยรวม ความสามารถเหล่านี้ช่วยทำลายกำแพงของระบบที่เป็นกรรมสิทธิ์ และมอบการประมวลผลสัญญาณที่สม่ำเสมอและเชื่อถือได้ในทุกการใช้งาน RAN แบบกระจายศูนย์ แบบรวมศูนย์ และแบบผสม