BBU và RRU Hợp Tác Hiệu Quả Như Thế Nào Trong Các Trạm Gốc?

Các chức năng và nhiệm vụ của Bộ xử lý băng tần cơ sở (BBU) trong xử lý tín hiệu

Tại trung tâm của các trạm phát sóng hiện đại là Đơn vị băng tần cơ sở (BBU), đảm nhiệm mọi công việc xử lý tín hiệu quan trọng. Hãy nghĩ đến điều chế và giải điều chế, các chức năng sửa lỗi, cũng như quản lý các giao thức ở nhiều lớp khác nhau bao gồm PDCP, RLC và RRC. Trước khi bất kỳ tín hiệu nào được truyền đi qua sóng vô tuyến, đơn vị này đảm bảo mọi thứ tuân thủ đúng các tiêu chuẩn 3GPP điều phối cả mạng LTE và 5G NR. Điều thực sự làm nổi bật BBU chính là khả năng tách biệt các chức năng mặt phẳng điều khiển khỏi luồng dữ liệu thực tế đi qua hệ thống. Khi các thao tác như quản lý chuyển vùng xảy ra riêng biệt với luồng dữ liệu thông thường, điều đó mở ra khả năng phân bổ tài nguyên thông minh hơn. Mạng lưới từ đó có thể tự động điều chỉnh linh hoạt khi lưu lượng tăng đột biến hoặc giảm bất ngờ, duy trì hoạt động ổn định ngay cả trong thời điểm sử dụng cao điểm.

Vai trò của Đơn vị Radio Từ xa (RRU) trong chuyển đổi RF và giao tiếp với ăng-ten

Đơn vị Radio Từ xa (RRU) được đặt ngay cạnh các ăng-ten, nơi nó chuyển đổi các tín hiệu băng tần cơ sở thành sóng vô tuyến thực tế như tần số 2,6 GHz hoặc 3,5 GHz. Vị trí này giúp giảm thiểu tổn thất tín hiệu, vốn có thể khá lớn — khoảng 4 dB mỗi 100 mét khi sử dụng cáp đồng trục thông thường, đặc biệt ở các dải tần số cao hơn. RRU thực sự làm gì? Nó xử lý việc chuyển đổi thông tin kỹ thuật số trở lại dạng tương tự để truyền dữ liệu xuống dưới, khuếch đại các tín hiệu yếu quay ngược từ thiết bị mà không thêm nhiều nhiễu, và hoạt động trên nhiều dải tần từ 700 MHz lên đến 3,8 GHz thông qua một công nghệ gọi là gộp kênh tần số (carrier aggregation). Việc đặt các thiết bị này gần ăng-ten cũng giúp mạng phản hồi nhanh hơn. Các thử nghiệm cho thấy độ trễ giảm khoảng 25% so với các hệ thống cũ hơn dựa vào những đoạn cáp dài nối giữa các vị trí thiết bị.

Quy trình bổ trợ: Cách BBU và RRU cho phép truyền tín hiệu đầu cuối

BBU và RRU hoạt động cùng nhau thông qua các kết nối sợi quang tốc độ cao sử dụng các giao thức CPRI hoặc eCPRI để tạo thành chuỗi tín hiệu liền mạch từ xử lý số đến truyền dẫn qua không khí.

Kiến trúc phân tán này tập trung các BBU trong khi đặt các RRU ở đỉnh cột, cải thiện hiệu suất phổ lên 32% trong môi trường đô thị. Việc tách biệt cho phép nâng cấp độc lập và đặc biệt có lợi trong các hệ sinh thái O-RAN đang phát triển.

Kết nối Fronthaul dựa trên cáp quang: Kết nối BBU và RRU bằng CPRI và eCPRI

Các kết nối cáp quang tốc độ cao trong truyền thông BBU-RRU

Cáp quang tạo thành xương sống của các mạng fronthaul hiện nay, cho phép băng thông cao và độ trễ tối thiểu khi kết nối các BBU với RRUs. Những cáp này có thể xử lý tốc độ dữ liệu trên 25 gigabit mỗi giây, nghĩa là chúng truyền tải đáng tin cậy các tín hiệu vô tuyến đã được số hóa mà không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ — điều rất quan trọng ở các khu vực thành thị đông đúc nơi có nhiều thiết bị đang hoạt động đồng thời. Chuẩn CPRI hoạt động cùng với cáp quang hai chiều để duy trì sự đồng bộ giữa xử lý băng tần cơ sở trong BBU và công việc RF thực tế do RRU thực hiện. Sự đồng bộ này giúp duy trì chất lượng tín hiệu tốt xuyên suốt hệ thống từ đầu đến cuối.

CPRI so với eCPRI: Các giao thức cho Hiệu quả Fronthaul và Quản lý Băng thông

Khi chúng ta chuyển sang các mạng 5G, nhiều nhà khai thác đã bắt đầu áp dụng một công nghệ được gọi là CPRI nâng cao hay còn viết tắt là eCPRI. Điều làm cho eCPRI trở nên thú vị là nó có thể giảm yêu cầu băng thông tới mức mười lần so với các phiên bản CPRI cũ hơn. Tuy nhiên, CPRI truyền thống hoạt động khác biệt. Nó cần các kết nối cáp quang riêng biệt cho mỗi anten và tuân theo những gì được gọi là thao tác tầng 1 (Layer 1). Nhưng vấn đề nằm ở chỗ: khi xử lý các cấu hình MIMO lớn ngày càng phổ biến hiện nay, CPRI thông thường không thể mở rộng quy mô một cách hiệu quả. Đây chính là điểm mạnh của eCPRI. Bằng cách chuyển sang phương pháp truyền tải dựa trên Ethernet, nó cho phép nhiều đơn vị radio từ xa chia sẻ tài nguyên thông qua một cơ chế được gọi là ghép kênh phân tích thống kê (statistical multiplexing). Kết quả? Hiệu suất tốt hơn nhiều về mặt hiệu quả fronthaul mà không đi kèm chi phí cơ sở hạ tầng tăng thêm.

Sự phát triển này giảm chi phí fronthaul 30% và hỗ trợ việc triển khai sóng milimet có khả năng mở rộng.

Các yếu tố cần xem xét về độ trễ, dung lượng và đồng bộ trong thiết kế Fronthaul

Việc đảm bảo đúng thời gian là rất quan trọng. Nếu có lỗi đồng bộ lớn hơn 50 nanogiây, nó sẽ làm ảnh hưởng đến chức năng tạo chùm tia (beamforming) và tất cả các chức năng dựa trên thời gian khác trong mạng 5G. Đó là lý do tại sao các hệ thống fronthaul hiện đại sử dụng các tiêu chuẩn như IEEE 802.1CM TSN để đảm bảo tín hiệu điều khiển di chuyển đúng cách qua mạng. Khi nói đến xử lý khối lượng dữ liệu, phần lớn mọi người đã chuyển sang dùng bộ thu phát 25G trong những năm gần đây. Chúng xử lý tổn thất tín hiệu ở mức khoảng 1,5 dB mỗi kilômét, thực tế vượt trội hơn các hệ thống 10G cũ khoảng hai phần ba. Tất cả các nâng cấp này có nghĩa là chúng ta vẫn có thể đạt được thời gian phản hồi dưới một mili giây, ngay cả khi các đơn vị băng thông gốc cần được đặt cách xa tới 20 kilômét so với các đơn vị vô tuyến từ xa trong các cấu hình kiến trúc tập trung.

Sự phát triển Kiến trúc Mạng: Từ D-RAN đến C-RAN và vRAN

D-RAN so với C-RAN: Tác động đến Triển khai BBU và Phân phối RRU

Các thiết lập RAN Phân tán Truyền thống hay D-RAN có mỗi tháp cell chứa một Đơn vị Cơ sở Dữ liệu (BBU) ngay cạnh Đơn vị Radio Từ xa (RRU). Mặc dù cách này giữ độ trễ tín hiệu dưới 1 mili giây, nhưng đồng nghĩa với việc có rất nhiều thiết bị trùng lặp nằm đó không được sử dụng phần lớn thời gian và khiến việc chia sẻ tài nguyên giữa các tháp trở nên khá khó khăn. Phương pháp RAN Tập trung mới hơn sẽ tập hợp tất cả các BBU này lại và đặt chúng tại các vị trí trung tâm, kết nối thông qua cáp quang đến các RRU tại các địa điểm khác nhau. Theo nghiên cứu ngành công nghiệp từ Dell'Oro trong báo cáo năm 2023, sự thay đổi này có thể giảm chi phí vận hành từ khoảng 17% đến gần 25%. Ngoài ra, các nhà khai thác mạng còn có khả năng di chuyển năng lực xử lý đến nơi cần thiết nhất khi mô hình lưu lượng thay đổi trong ngày.

Các Nhóm BBU Tập trung trong C-RAN nhằm Cải thiện Việc Chia sẻ Tài nguyên và Hiệu quả

Bằng cách tập trung các BBU tại các cơ sở trung tâm, các nhà khai thác có thể quản lý hàng trăm RRU từ một vị trí duy nhất. Lợi ích bao gồm:

• Tập trung phần cứng : Một triển khai 24 cell cần ít hơn 83% khung BBU so với các thiết lập D-RAN tương đương
• Tối ưu hóa năng lượng : Cân bằng tải làm giảm tiêu thụ điện năng của trạm gốc 35% (nghiên cứu điển hình của Ericsson năm 2022)
• Điều phối nâng cao : Cho phép các kỹ thuật như đa điểm phối hợp (CoMP) nhằm định hướng tia sóng milimet 5G hiệu quả

RAN ảo hóa (vRAN): Tiến hóa các chức năng BBU thành xử lý dựa trên nền tảng điện toán đám mây

vRAN tách rời quá trình xử lý băng tần cơ sở khỏi phần cứng độc quyền, chạy các chức năng BBU ảo hóa (vBBU) trên các máy chủ đám mây thương mại sẵn có. Sự chuyển đổi này mang lại:

1. Khả năng mở rộng linh hoạt : Tài nguyên xử lý mở rộng động theo các mẫu lưu lượng
2. Tích hợp biên : 67% các nhà khai thác triển khai vBBU cùng với các nút Điện toán Biên Đa truy cập (MEC) để giảm thiểu độ trễ (Nokia 2023)
3. Thách thức về tính tương thích : Đạt được đồng bộ hóa dưới 700 μs đòi hỏi phần cứng tăng tốc chuyên dụng bất chấp sự đa dạng của nhà cung cấp

Sự phát triển từ D-RAN sang C-RAN và vRAN nhấn mạnh cách mà tập trung hóa và ảo hóa cải thiện hiệu quả, khả năng mở rộng và tính hiệu quả về chi phí của mạng.

O-RAN và Phân chia Chức năng: Định nghĩa lại Hợp tác giữa BBU và RRU

Các tiêu chuẩn Liên minh O-RAN và yêu cầu giao diện mở cho BBU và RRU

Liên minh O-RAN đang thúc đẩy các thiết kế mạng truy cập vô tuyến mở và tương thích hơn bằng cách thiết lập các cách chuẩn cho các đơn vị băng thông cơ sở (BBU) và các đơn vị vô tuyến từ xa (RRU) để nói chuyện với nhau. Điều này thực sự có nghĩa là các nhà khai thác có thể pha trộn và kết hợp thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau thay vì bị khóa trong hệ sinh thái của một nhà cung cấp. Liên minh đã đưa ra nhiều cách để chia các chức năng giữa các thành phần này, chẳng hạn như Tùy chọn 7.2x. Trong thiết lập này, những thứ như lớp RLC và MAC xử lý công việc của họ trong BBU, trong khi các nhiệm vụ lớp vật lý cấp thấp hơn và xử lý RF xảy ra ở cuối RRU. Một bài báo gần đây được xuất bản năm ngoái trên tạp chí Applied Sciences cho thấy cấu hình đặc biệt này giữ thời gian trễ của fronthaul dưới 250 microsecond, điều khá ấn tượng khi xem xét mạng không dây nhạy cảm với các vấn đề về thời gian. Tất nhiên là có một sự đánh đổi ở đây. Mặc dù có các tiêu chuẩn mở mang lại nhiều lựa chọn hơn khi mua thiết bị, nó cũng đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ hơn giữa tất cả các bộ phận khác nhau để đảm bảo mọi thứ hoạt động trơn tru với nhau mà không làm tổn hại đến hiệu suất tổng thể.

Tùy chọn Phân chia Chức năng (ví dụ: Phân chia 7-2x) trong Kiến trúc O-RAN

Tiêu chuẩn Split 7.2x hoạt động bằng cách chia nhỏ các nhiệm vụ xử lý giữa các thành phần khác nhau theo hai phương pháp chính. Với Loại A, phần lớn công việc diễn ra ở phía BBU, làm cho RRUs đơn giản hơn nhưng tạo ra lưu lượng truy cập lớn hơn trên kết nối front haul. Ngược lại, Loại B đẩy các nhiệm vụ xử lý này xuống ngay tại chính RRU. Cấu hình này mang lại hiệu suất tốt hơn khi xử lý các tín hiệu phản hồi từ người dùng, mặc dù điều này khiến phần cứng trở nên phức tạp hơn. Theo các báo cáo ngành gần đây, khoảng hai phần ba các nhà khai thác mạng đã chọn Loại B cho các triển khai MIMO khối lượng lớn của họ vì họ có thể kiểm soát nhiễu tín hiệu tốt hơn đáng kể. Công nghệ cũng liên tục phát triển. Lấy ví dụ dự án ULPI năm 2023. Phát triển mới này đã dịch chuyển một số chức năng cân bằng trong kiến trúc hệ thống nhằm tối ưu hóa thêm hiệu suất tổng thể. Những cải tiến như vậy chính là điều mà các tài liệu từ các nhóm làm việc O-RAN đã nhấn mạnh trong thời gian gần đây.

Cân bằng Khả năng Tương tác và Hiệu suất trong Các Triển khai Mạng RAN Mở

O-RAN thực sự mang lại tiềm năng tiết kiệm chi phí theo thời gian và cho phép làm việc với nhiều nhà cung cấp khác nhau, nhưng để vận hành hiệu quả như các hệ thống RAN tích hợp truyền thống vẫn còn là công việc rất khó khăn. Vấn đề nằm ở sự khác biệt giữa các khả năng tăng tốc phần cứng và mức độ trưởng thành thực tế của phần mềm mà các nhà sản xuất khác nhau cung cấp. Điều này gây ra những rắc rối thực sự khi cố gắng đạt được các chỉ số quan trọng về băng thông dữ liệu và tiêu thụ điện năng. Khi các công ty thiết lập các cụm BBU tập trung, họ cũng cần có kết nối cực kỳ đáng tin cậy ở đầu phía trước, thứ đòi hỏi phải giữ độ trễ jitter dưới khoảng 100 nanogiây theo các tiêu chuẩn ngành. Hầu hết các chuyên gia khuyên nên bắt đầu từ từ, có thể thử nghiệm tại một số địa điểm ít rủi ro hơn trong các thành phố, nơi mà nếu xảy ra sự cố cũng sẽ không gây gián đoạn lớn. Cách tiếp cận này cho phép các nhà khai thác kiểm tra xem mọi thứ có hoạt động phối hợp đúng cách và đáp ứng kỳ vọng hay chưa trước khi triển khai toàn diện trên diện rộng hơn.