Як BBU та RRU ефективно співпрацюють у базових станціях?

Функції та обов’язки блоку базової смуги (BBU) у обробці сигналів

В основі сучасних базових станцій розташований блок базової смуги (BBU), який виконує всі види критично важливих завдань з обробки сигналів. Це модуляція та демодуляція, корекція помилок, а також управління протоколами на різних рівнях, включаючи PDCP, RLC та RRC. Перш ніж щось буде передано по радіоканалу, цей блок забезпечує відповідність усіх параметрів стандартам 3GPP, які регулюють мережі LTE та 5G NR. Особливістю BBU є розділення функцій плоскості керування від передачі даних у системі. Коли такі процеси, як керування передачею з’єднання, відокремлені від звичайного потоку даних, це створює можливості для більш розумного розподілу ресурсів. Мережі можуть оперативно адаптуватися під час раптового зростання чи спаду трафіку, забезпечуючи стабільну роботу навіть у періоди пікового навантаження.

Роль віддаленої радіоодиниці (RRU) у перетворенні РЧ-сигналів та інтерфейсі з антеною

Пристрій віддаленого радіообладнання (RRU) розташовується безпосередньо біля антен, де перетворює базові сигнали на реальні радіохвилі, такі як частоти 2,6 ГГц або 3,5 ГГц. Таке розташування допомагає зменшити втрати сигналу, які можуть бути досить значними — приблизно 4 дБ на кожні 100 метрів при використанні звичайних коаксіальних кабелів, особливо в цих діапазонах високих частот. Що саме робить RRU? Він перетворює цифрову інформацію назад у аналогову форму для передачі даних униз за трактом, підсилює слабкі сигнали, що надходять з пристроїв, не додаючи при цьому зайвого шуму, і працює з кількома смугами частот — від 700 МГц аж до 3,8 ГГц — за допомогою технології агрегації несучих. Розміщення цих пристроїв поблизу антен також забезпечує швидшу відповідність мережі. Випробування показали, що затримка скорочується приблизно на 25% у порівнянні зі старими системами, які спиралися на довгі ділянки кабелю між обладнанням.

Додатковий робочий процес: як BBU та RRU забезпечують передачу сигналу від початку до кінця

BBU і RRU працюють разом через високошвидкісні волокна, використовуючи протоколи CPRI або eCPRI, щоб сформувати безперешкодну ланцюг сигналу від цифрової обробки до передачі по повітрі.

Ця розподілена архітектура централізує BBU, розміщуючи RRU на вершинах вежі, підвищуючи спектрову ефективність на 32% в міських умовах. Розділення дозволяє самостійне модернізацію і особливо корисне для розвиваються екосистем O-RAN.

Молекулярна лінія фронтальної мережі: зв'язок BBU та RRU з CPRI та eCPRI

Високошвидкісні оптичні зв'язки в зв'язку BBU-RRU

Оптоволоконні кабелі утворюють основу сучасних мереж fronthaul, забезпечуючи високу пропускну здатність і мінімальну затримку при підключенні BBU до RRU. Ці кабелі можуть передавати дані зі швидкістю понад 25 гігабіт на секунду, що дозволяє надійно передавати оцифровані радіосигнали без перешкод від електромагнітних впливів — це особливо важливо в густонаселених міських районах, де одночасно працює багато обладнання. Стандарт CPRI працює разом із двонаправленим оптоволокном, забезпечуючи синхронізацію між обробкою базових смуг у BBU та фактичною РЧ-роботою, яку виконує RRU. Ця синхронізація допомагає підтримувати високу якість сигналу на всьому шляху через систему — від початку до кінця.

CPRI проти eCPRI: протоколи для ефективності fronthaul та управління смуговою пропускною здатністю

Оскільки ми переходимо до мереж 5G, багато операторів почали впроваджувати те, що називається розширений CPRI або скорочено eCPRI. Що робить eCPRI цікавим, так це те, як він зменшує вимоги до пропускної здатності аж у десять разів порівняно з попередніми версіями CPRI. Традиційний CPRI працює інакше. Він потребує окремих волоконно-оптичних з'єднань для кожної антени та дотримується так званих операцій рівня 1. Але ось проблема: при роботі з великими MIMO-конфігураціями, які стають дедалі поширенішими, звичайний CPRI просто не може масштабуватися належним чином. Саме тут eCPRI випромінює світло. Перейшовши на транспортні методи, що базуються на Ethernet, він дозволяє кільком віддаленим радіообладнанням спільно використовувати ресурси через так зване статистичне мультиплексування. Результат? Набагато краща продуктивність з точки зору ефективності фронтхолу без зайвих інфраструктурних витрат.

Ця еволюція скорочує витрати на фронтхол на 30% і підтримує масштабовані розгортання міліметрових хвиль.

Міркування щодо затримки, пропускної здатності та синхронізації у проектуванні фронтхолу

Дуже важливо правильно витримати час. Якщо похибка синхронізації перевищує 50 наносекунд, це порушує формування променя та всі інші функції, що базуються на часі, у мережах 5G. Саме тому сучасні конфігурації фронтхолу використовують такі стандарти, як IEEE 802.1CM TSN, щоб забезпечити правильне переміщення керуючих сигналів через мережу. Коли йде мова про обсяг даних, більшість користувачів сьогодні переходять на передавачі 25G. Вони компенсують втрату сигналу приблизно на рівні 1,5 дБ на кілометр, що насправді на дві третини краще за старі системи 10G. Усі ці оновлення дозволяють нам зберігати час відгуку меншим за мілісекунду, навіть якщо блоки базової смуги потрібно розмістити на відстані до 20 кілометрів від віддалених радіоодиниць у централізованих архітектурних схемах.

Еволюція архітектури мережі: від D-RAN до C-RAN та vRAN

D-RAN порівняно з C-RAN: вплив на розгортання BBU та розподіл RRU

Традиційні розподілені мережі D-RAN мають кожну базову станцію, в якій блок базової смуги розташований безпосередньо біля віддаленого радіоблоку. Хоча це забезпечує затримку сигналу менше ніж 1 мілісекунда, такий підхід призводить до великої кількості дублюючого обладнання, яке найчастіше простоює, і ускладнює спільне використання ресурсів між базовими станціями. Новіший підхід Centralized RAN передбачає збирання всіх BBU в централізованих місцях, з'єднаних через оптоволоконні кабелі з RRU на різних об'єктах. Згідно з дослідженням галузі від Dell'Oro у їхньому звіті за 2023 рік, такі зміни можуть скоротити експлуатаційні витрати приблизно на 17% і, можливо, навіть майже на 25%. Крім того, оператори мереж отримують можливість переміщати обчислювальні потужності туди, де вони найбільше потрібні, в міру зміни шаблонів трафіку протягом дня.

Централізовані пули BBU в C-RAN для покращення спільного використання ресурсів і ефективності

Об'єднуючи BBU в централізованих об'єктах, оператори можуть керувати сотнями RRU з одного місця. Переваги включають:

• Консолідація апаратного забезпечення : Розгортання 24 комірок потребує на 83% менше шасі BBU, ніж еквівалентні конфігурації D-RAN
• Оптимізація енергозбуту : Балансування навантаження зменшує споживання електроенергії базовими станціями на 35% (дослідження компанії Ericsson, 2022 рік)
• Просунута координація : Дозволяє використовувати такі методи, як координована багатоточкова передача (CoMP), для ефективного формування променів у мережах 5G у діапазоні міліметрових хвиль

Віртуальна радіомережа (vRAN): Еволюція функцій BBU в хмарну обробку

vRAN відокремлює обробку базової смуги від спеціалізованого апаратного забезпечення, запускаючи віртуальні функції BBU (vBBU) на комерційних серверах загального призначення. Цей перехід забезпечує:

1. Гнучке масштабування : Обчислювальні ресурси динамічно масштабуються відповідно до характеру трафіку
2. Інтеграція на крайовому рівні : 67% операторів розгортають віртуальні ББО разом із вузлами багатодоступних крайових обчислень (MEC), щоб мінімізувати затримки (Nokia, 2023)
3. Проблеми сумісності : Досягнення синхронізації менше ніж 700 мкс вимагає спеціалізованого апаратного прискорення, незважаючи на різноманітність постачальників

Еволюція від D-RAN до C-RAN та vRAN підкреслює, як централізація та віртуалізація підвищують ефективність, масштабованість та економічну ефективність мережі.

O-RAN та функціональні розподіли: переосмислення співпраці ББО-РРУ

Стандарти альянсу O-RAN та вимоги до відкритих інтерфейсів для ББО та РРУ

Альянс O-RAN прагне до більш відкритих і сумісних проектів радіодоступу, встановлюючи стандартні способи взаємодії між блоками базової смуги (BBU) та віддаленими радіоблоками (RRU). Це означає, що оператори можуть комбінувати обладнання від різних виробників замість того, щоб залишатися в екосистемі одного постачальника. Альянс розробив кілька варіантів розділення функцій між цими компонентами, наприклад, опцію 7.2x. У такій конфігурації такі шари, як RLC та MAC, виконують свою роботу в BBU, тоді як нижчі завдання фізичного рівня та обробка RF відбувається на боці RRU. Нещодавно опублікована минулого року стаття у журналі Applied Sciences показала, що саме ця конфігурація забезпечує затримки фронтхолу менше ніж 250 мікросекунд, що є досить вражаючим результатом, враховуючи чутливість бездротових мереж до часових затримок. Звичайно, існує й компроміс. Хоча відкриті стандарти дають більше варіантів при закупівлі обладнання, вони також вимагають більш тісної координації між усіма різними компонентами, щоб забезпечити безперебійну роботу всього комплексу без погіршення загальної продуктивності.

Функціональні варіанти розділення (наприклад, розділення 7-2x) в архітектурах O-RAN

Стандарт Split 7.2x працює шляхом розподілу обчислювальних завдань між різними компонентами за допомогою двох основних підходів. У категорії A більша частина роботи виконується на стороні BBU, що спрощує RRU, але збільшує трафік на фронтальному з'єднанні. Навпаки, у категорії B ці обчислювальні завдання передаються безпосередньо на RRU. Така конфігурація забезпечує кращу продуктивність при обробці сигналів, що надходять від користувачів, хоча й ускладнює апаратне забезпечення. Згідно з останніми галузевими звітами, близько двох третин операторів мереж обрали категорію B для своїх масивних розгортань MIMO, оскільки це дає значно кращий контроль над перешкодами в сигналах. Технології продовжують розвиватися. Візьмемо, наприклад, проект ULPI 2023 року. Цей новий розвиток передбачає переміщення певних функцій егалізації всередині архітектури системи, щоб досягти ще більшого приросту продуктивності загалом. Саме такі покращення останнім часом підкреслюються в документах робочих груп O-RAN.

Балансування між сумісністю та продуктивністю у розгортанні відкритих RAN

O-RAN дійсно має потенціал для економії коштів з часом і дозволяє працювати з різними постачальниками, але досягнення такого ж високого рівня продуктивності, як у традиційних інтегрованих систем RAN, досі залишається складним завданням. Проблема полягає у відмінностях між пропозиціями різних виробників щодо можливостей апаратного прискорення та ступеня зрілості їхнього програмного забезпечення. Це створює серйозні труднощі під час досягнення ключових показників пропускної здатності та енергоспоживання. Коли компанії створюють централізовані пули BBU, їм також потрібні надзвичайно надійні з'єднання на передній панелі — щось, що вимагає підтримки джиттеру нижче приблизно 100 наносекунд згідно з галузевими стандартами. Більшість експертів радять спочатку діяти обережно, можливо, почавши з менш ризикованих місць у містах, де проблеми не призведуть до серйозних перебоїв. Такий підхід дає операторам змогу перевірити, чи все коректно працює разом і відповідає очікуванням, перш ніж повністю розгортати систему на більших територіях.