За что отвечает радиомодуль rru
Сеть радиодоступа 5G, часть 1
Базовые станции gNB, о которых пойдет речь в настоящем разделе, формируют сеть радиодоступа мобильной связи 5-го поколения (NR Radio Access). Если вернуться на 20 лет назад, в эпоху бурного строительства сетей 2-го поколения (2G-GSM), то мы увидим, что конструктивно каждая БС представляла собой большой железный шкаф, высотой 1,5-2 метра, установленный в кондиционированном помещении “на земле” (выгородке технического этажа, либо металлическом контейнере). От базовой станции к антеннам, размещенным башнях, столбах и т.д. прокладывались радиочастотные фидеры (сечением 7/8 дюйма или больше – в зависимости от протяженности трассы).
Около 10 лет назад производители начали выпуск так называемых распределенных базовых станций, на основе которых в настоящее время построены сети мобильной связи 2G-GSM, 3G-UMTS и 4G-LTE большинства операторов связи. Такая базовая станция включает в себя базовый блок (или BBU – Baseband Unit), по-прежнему размещаемый “на земле”, и несколько радиомодулей (или RRU), размещаемых вблизи антенн сотовой связи. BBU и RRU связаны между собой оптическим кабелем, поверх которого реализуется интерфейс CPRI (Common Public Radio Interface). Радиомодуль осуществляет аналого-цифровое / цифро-аналоговое преобразование, усиление и фильтрацию сигнала, формирование радиочастотного тракта. Весь стек протоколов взаимодействия базовой станции с пользовательским терминалом и базовой станции с ядром сети, а также алгоритмы обработки сигналов реализуются базовым блоком (BBU). BBU по сути представляет собой небольшой сервер, высотой 2-3 юнита, который может быть установлен либо в телекоммуникационной стойке (если существует какое-либо выделенное помещение), либо в климатическом шкафу на крыше здания, либо непосредственно на столбе/радиомачте для BBU внешнего (outdoor) исполнения.
Следующим шагом развития архитектуры построения базовых станций стала концепция облачных BBU или “Cloud BBU”, которая заключалась в отказе от локальных BBU, размещаемых непосредственно на объектах БС, и перенос их функциональности на виртуализированные ресурсы мощных серверов, размещаемых в центрах обработки данных (ЦОД). Данная концепция за счет централизации ресурсов и эффекта “масштаба” позволяет повысить надежность и емкость базовых станций, одновременно снизив затраты на их эксплуатацию. Однако она не нашла существенного применения из-за высоких требований к характеристикам CPRI каналов:
Архитектура базовых станций gNB сети мобильной связи 5-го поколения, предлагаемая 3GPP, представляет собой дальнейшее развитие идеологии распределенных базовых станций и “Cloud BBU”. gNB включает в себя центральный модуль gNB-CU (gNB Central Unit) и один или несколько распределенных модулей gNB-DUs (gNB Distributed Unit). 3GPP (рекомендация TR 38.801 V14.0.0) определяет 8 возможных опций разделения функций между CU и DU – см. Рис. 1. При этом опция 8 соответствует классической (существующей) схеме построения распределенной базовой станции.
Основные функции, реализуемые на тех или иных уровнях, описаны ниже.
Рекомендация 3GPP TS 38.401 V15.0.0 определяет архитектуру построения базовой станции, основанную на 2-ой опции разделения функций. В этом случае RRC и PDCP реализуются в центральном модуле (gNB-CU), а RLC, MAC и физический уровень – в распределенном (gNB-DU). Взаимодействие между gNB-CU и gNB-DU осуществляться по интерфейсу F1.
Предположу, что производители будут проектировать базовые станции, вводя дополнительные плоскости разделения, выделяя радиоблок из распределенного модуля посредством интерфейса F2 (в соответствии с опцией 7), а также разнося PDCP уровня пользовательского трафика и уровня управления – см. Рис. 2.
Ожидается, что интерфейсы F1 и F2 будут стандартизованы 3GPP, что позволит использовать gNB-CU и gNB-DU от разных вендоров.
Интерфейсы базовых станций gNB
3GPP определяет следующие интерфейсы gNB:
Стек протоколов сети радиодоступа
Структуры стека протоколов сети радиодоступа плоскости пользовательского трафика (User Plane) и плоскости управления (Control Plane) показаны на Рис. 3 и Рис. 4 соответственно.
Рис. 4 (control plane)
Кратко перечислим основные функции, реализуемые на различных уровнях:
1. RRC (Radio Resource Control) – протокол управления радиоресурсами.
Основные функции, реализуемые на уровне RRC:
Ключевые изменения по сравнению с уровнем RRC интерфейса S1 сетей LTE связаны с введением нового RRC состояния (RRC INACTIVE), призванного минимизировать сигнальный обмен для отдельных классов постоянно подключенных к сети устройств, а также с реализацией механизма передачи части системной информации (SIB3..n) не в широковещательных, а в выделенных каналах конкретным устройствам.
2. SDAP (Service Data Adaptation Protocol) – является новым уровнем, впервые введенном в 15-ом релизе 3GPP. Реализуется в рамках интерфейса NG-U сетей, построенных на базе ядра NGCN при взаимодействии с базовыми станциями не только сетей радиодоступа NR (gNb), но и E-UTRAN (ng-eNb).
Обеспечивает реализацию фреймворка архитектуры управления качеством (QoS), включая:
При этом на стороне пользовательского терминала (UE) в UL канале возможны две схемы маппинга – явная, при которой пакеты маршрутизируются в тот или иной виртуальный канал (DRB) на основании QFI, либо зеркальная, при которой UE осуществляет маппинг UL пакетов по результатам анализа параметров соответствующих пакетов DK канала.
3. PDCP (Packet Data Convergence Protocol)
Основные функции, реализуемые на уровне PDCP:
Ключевые изменения по сравнению с уровнем PDCP интерфейса S1 сетей LTE заключаются в следующем:
4. RLC (Radio Link Control)
RLC может функционировать в одном из трех режимов:
Основные функции, реализуемые на уровне RLC:
При этом функцию сегментации / де-сегментации условно относят к подуровню Low-RLC, остальные – к High-RLC.
5. MAC (Medium Access Control)
Основные функции, реализуемые на уровне MAC:
При этом функцию, реализующую метод HARQ, условно относят к подуровню Low-MAC, остальные – к High-MAC.
6. Физический уровень
На физическом уровне выполняются функции, перечисленные в таблице ниже. При этом часть функций (в зависимости от опции разделения) условно относят к подуровню Low-PHY, остальные – к High-PHY.
Сценарии миграции от LTE к 5G
С целью реализации данной стратегии 3GPP предложил несколько возможных сценариев (или опций) внедрения 4G (LTE) и 5G (NR). Все опции разделены на две группы:
Для развертывания 5G по сценарию Non-Standalone необходима модернизация базовых станций сети 4G-LTE до уровня eLTE (или enhanced LTE) с целью поддержки расширенного функционала взаимодействия с базовыми станциями 5G (gNb). Стандартизация данного сценария (в рамках релиза 15 3GPP) была завершена в январе 2018г.
Важным аспектом для реализации Non-Standalone опций является концепция двойного подключения (Dual Connectivity), специфицированная 3GPP в релизе 12, и подразумевающая подключение пользовательских терминалов (UE) в состоянии RRC_CONNECTED одновременно к двум базовым станциям (Master eNb и Secondary eNb). Ключевое отличие Dual Connectivity от агрегации частот заключается именно в подключении к двум различным базовым станциям, связанным посредством X2 интерфейса, и находящимся в общем случае на различных сайтах.
При этом возможны две схемы реализации:
Реализация Non-Standalone накладывает дополнительные требования к сложности пользовательских терминалов (UE), включая обеспечение одновременной работы двух модемов, увеличенный размер буфера приема и дополнительная нагрузка на процессорные ресурсы уровня PDCP для восстановления порядка следования пакетов (в случае режима MCG split bearer). Также нужно отметить, что для опций 3, 4, 7, 8 вносится дополнительная задержка в передачу пакетов пользовательского трафика за счет использования интерфейса Xx.
Кратко рассмотрим все определенные 3GPP опции. 
Option 1 – представляет собой реализацию классической выделенной сети LTE на базе ядра EPC и базовых станций eNb (в соответствии с 14-м или более ранними релизами 3GPP). Используется в географических зонах, где 5G сервисы не востребованы.
Option 5 – актуальна при новом строительстве выделенной сети LTE (greenfield) с возможностью последующей модернизации до комбинированной сети 5G/LTE (Option 4/4a). Используется ядро NGCN и модернизированные базовые станции сети радиодоступа E-UTRAN ng-eNb.
Option 2 – представляет собой целевую финальную архитектуру выделенной сети 5G сети на базе ядра сети NGCN и базовых станций gNb. Используется в географических зонах, где сети LTE отсутствуют и их строительство нецелесообразно.
Option 6 – может использоваться при строительстве выделенной сети 5G, но на базе существующего ядра сети LTE (EPC), например, при разворачивании тестовых зон, либо как промежуточный этап на пути к целевой архитектуре 5G в географических зонах, где сети LTE отсутствуют и их строительство нецелесообразно (Option 2).
Option 3/3a – актуальна на ранних этапах строительства 5G (в виде точечного радиопокрытия) в географических зонах, где уже развернуты сети 4G-LTE. Не требует внедрения ядра NGCN (используется ядро сети LTE – EPC). Базируется на технологии двойного подключения. В качестве интерфейса, связывающего сети радиодоступа E-UTRA/NR и EPC, и переносящего пользовательский (User Plane) и сигнальный (Control Plane) трафик используется S1. Якорной точкой для терминации S1-MME являются базовые станции сети радиодоступа E-UTRAN (eNb).
Option 8/8a – может использоваться как промежуточный этап на пути к целевой архитектуре 5G/LTE от Option 3/3a к Option 4/4a. В отличии от Option 3/3a якорной точкой для терминации S1-MME являются базовые станции сети радиодоступа NR (gNb).
Option 4/4a – представляет собой целевую финальную архитектуру комбинированной сети 5G/LTE. Используется технология двойного подключения. Требует внедрение ядра NGCN и модернизации базовых станций сети LTE до ng-eNb. Базируется на технологии двойного подключения. В качестве интерфейса, связывающего сети радиодоступа E-UTRA/NR и NGCN, и переносящего пользовательский (User Plane) и сигнальный (Control Plane) трафик используется NG. Якорной точкой для терминации NG-C являются базовые станции сети радиодоступа NR (gNb).
Option 7/7a – может использоваться как промежуточный этап на пути к целевой архитектуре 5G/LTE Option 4/4a, в отличии от которой якорной точкой для терминации NG-C являются базовые станции сети радиодоступа E-UTRAN (eNb).
Возможные сценарии внедрения сетей 5G показаны на Рис. 5. 
Option 1
Option 2
Option 3
Option 3a
Option 4
Option 4a
Option 5
Option 6
Option 7
Option 7a
Option 8
Option 8a
Как один из операторов увеличивал ёмкость 3G в густонаселённом районе Минска, не забывая о наступающем на пятки LTE
Так вышло, что недалеко от моей обители начали устанавливать базовую станцию. Как человек, близкий к телекоммуникациям, я не мог оставить без внимания это событие.
Под катом описан трудоёмкий процесс установки модульной базовой станции типа SingleRAN в самом густонаселённом районе города “Каменная Горка”, рассказано о содержимом операторских ящичков на опорах освещения и поведано о назначении устройств в них установленных.
Опустим этап офисного планирования (он достоин отдельного поста, учитывая нашу действительность) и переместимся на место событий. Так как в районе очень высокая плотность застройки, здания в большинстве своем высотные и принадлежат жилому фонду, практически нигде не используются радиорелейные линии (РРЛ), а транспорт до станций обеспечивается за счет волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Благо, в подвалах соседних зданий уже проложена оптика для домашнего интернета, поэтому есть в наличии кабельные колодцы и линии, в которых можно проложить необходимые коммуникации, хотя копать и бурить пришлось немало.
Дело в том, что для размещения оборудования была выработана нестандартная конфигурация, связанная с необходимость покрыть большой микрорайон. Три сектора одной станции, расположенные в 130 метрах друг от друга, устанавливались разнесённо на три опоры.
Чтобы не мешать пешеходам и перекапывать дорожки, было задействовано два бура.
Когда команда бурения заканчивает работу, в дело входят кабельщики и монтажники.
Сперва на каждой из трёх опор монтируется обвязка для подвеса антенн и на одной из них антивадальный ящик для размещения самой (e)NodeB. Стоит заметить, что внешний вид опоры пришлось утверждать в Мингорсвете — такие требования в Беларуси. Вообще с базовыми станциями по части контроля за соблюдением различных госстандартов строго — перед установкой мощность станции и частотные характеристики санкционируются в инспекции по контролю за электросвязью БелГИЭ. А после установки на место выезжают как представители группы развития сети, так и инспекторы, чтобы удостовериться в соблюдении всех норм и соответствии станции проектным характеристикам.
На фото запечатлены подготовительные работы к монтажу антенн RFS, одного из старейших производителей оборудования для телекоммуникационных сетей, ничем не уступающее и даже превосходящее по некоторым пунктам Kathrein, Erricsson, Allgon и др.
Антенны рассчитаны на приём и передачу сигнала в диапазоне 1710-2200MHz.
На всех трёх опорах вот такая азимутная конфигурация — антенны «светят» в пространства между домами, стоящими перпендикулярно дороге.
Схематически показать подключение антенн, радиомодулей RRU к блоку обработки базовых частот BBU (baseband unit) можно так.
Естественно, к RRU подходит также кабель питания — ведь это активная программно-аппаратная система, которая как раз и является основой философии SingleRAN (radio access network) — один радиомодуль может поддерживать разные стандарты мобильной сети.
Размещение радиомодулей непосредственно у антенн снаружи телекомуникационного шкафа – довольно новое решение, обусловленное тем, что фидеры – дорогие, достаточно чувствительные к механическим повреждениям, что создает дополнительные трудности при монтаже, обслуживании и замене в случае повреждения. Также следует помнить, что частенько происходит воровство данных фидеров и заземляющих кабелей, т.к. они содержат медь, столь любимую у частых гостей пунктов приема цветных металлов.
Вот такие радиочастотные фидеры[1] раньше подключались к антеннам, впрочем, у антенн также использовались более тонкие джамп-кабели[2].
Фи́дер (англ. feeder от feed — питать) — электрическая цепь (линия передачи) и вспомогательные устройства, с помощью которых энергия радиочастотного сигнала подводится от радиопередатчика к антенне или от антенны к радиоприемнику.
Существуют открытые и закрытые фидеры. К закрытым фидерам относят экранированные линии (например, коаксиальный кабель). К открытым — неэкранированные проводные линии, диэлектрические волноводы, линзовые и зеркальные квазиоптические линии.
Джампер в радиотрактах — кабель, обычно терминирующий фидеры на нескольких последних метрах фидера. Именно он подключается к антеннам.
Использование джампера обусловлено тем, что сами фидера имеют достаточно большой диаметр (5/4’ или 7/8’) и вследствие этого имеют место трудности по изгибу при подсоединении к антеннам, джампер же в свою очередь обладает диаметром в 1/2’ или 3/8′.
Cхема взаимосвязи модулей в данной БС. Единое шасси и много модулей под самые разные нужды — это уже почти мировой стандарт.
Это, собственно, модуль RRU, который преобразует сигнал от блока BBU в радиочастотный сигнал с последующим усилением для излучения в эфир, а также осуществляет обратное преобразование сигнала, принятого антеннами от абонентских устройств.
Во всепогодном отсеке RRU – разъёмы для подключения питания 48 V DC и двух оптических CPRI (Common Public Radio Interface) – кабелей, через которых происходит обмен цифровыми данными (как сервисными, так и сигнальными) с BBU. К модулю обработки базовых частот подключается один кабель, второй разъём в радиомодуле служит для каскадного соединения до трёх RRU. Нужно это для самого разнозадачного разбиения соты на сектора.
CPRI – довольно новый интерфейс, поддерживаемый всеми гигантами-производителями оборудования для сотовой связи. Например, этот стандарт позволяет подключать удалённые до 40 километров радиомодули.
Давайте поднимемся повыше.
Мало кто замечает на базовых станциях маленькие антеннки, к которым подходит всего один радиоинтерфейс. Стрелочкой на фото – GPS-приёмник, он нужен для приёма сигналов точного времени. В CDMA стандартах использование GPS для синхронизации между БС снижает расходы на частотные калибровки. Точное спутниковое время позволяет добиваться более гладкого хэндовера в сети, а в LTE и LTE Advanced GPS – жизненно важный компонент для обработки TDD (time-division duplex), т.е. синхронного переключения блока обработки сигналов в режимы приём/передача.
Выглядит она вот так, кстати, с земли её легко перепутать с фонарем светоограждения высотного объекта.
Итак, сверху вниз содержимое типичной БС DBS3900: система воздушного охлаждения и вентиляции[1], модуль питания[2], BBU[3], и в самом низу – HAU[4] (heat assembly unit), по-русски «обогреватель». Всегда надо помнить о наших зимах.
DBS3900 – хорошее операторское решение, поддерживаюшее плавный переход к к сетям LTE eNodeB по стратегии SingleRAN – с одновременным предоставлением сервисов GSM, UMTS, LTE в различных вариациях.
Теперь о каждом модуле по-очереди.
Модуль питания – самый большой в стойке, состоит из нескольких subrack-ов:
BBU[4] – связывает БС с BSC или RNC (в случае использования в сети 3G). Выполняет функции управления распределения ресурсов БС, таких как частот, каналов, полосы пропускания, а также линиями связи БС с внешним миром, обеспечивает опорную синхронизацию — точное время. Конкретно эта базовая станция устанавливалась с мультирежимным модулем UMPT (universal main processing and transmission unit) для поддержки UMTS, а в перспективе и LTE.
UMPT — universal main processing and transmission unit, главный модуль BBU – именно в нем хранятся все необходимые данные для работы станции – настройка может производится как удалённо, так и через консольный порт, либо USB. Этот блок обрабатывает сигнализацию в сетях GSM и UMTS, E-UTRAN в LTE, на него же заводится и оптика для обмена трафиком с транспортной сетью (как правило, от 100 МБит/с до 1 ГБит/с), тут же порт для GPS синхронизации. Для расширения ёмкости БС имеется оптический CI-порт связи со вторым BBU. В процессе эксплуатации при необходимости ёмкость канала обмена данными с БС может быть увеличена путём добавлением дополнительных транспортных модулей UTRP (universal transmission processing unit), каждый из которых может давать дополнительные 2 гигабита канала обмена с сетью оператора.
WBBP — WCDMA baseband processing unit, модуль связи с радиомодулями RRU. Как многие уже догадались, для поддержки BBU стандарта UMTS. Каждый радиомодуль обеспечивает суммарную скорость обмена с абонентами — 512Мбит исходящую и 768Мбит нисходящую и ограничен 384 соединениями с пользовательскими терминалами. На данный момент данного типа станция может обеспечивать одновременную связь с примерно 1500 устройствами.
Для окончательного ввода LTE будет достаточно установить ещё одну плату LBBP или второй модуль BBU с ними, закинуть прошивку – и всё будет готово!
А вот так выглядят одни из аналогично оснащённых BBU на другом объекте — во всемирно известной после чемпионата мира по хоккею 2014 «Минск-Арене». Два модуля обработки базовых частот использованы для одновременного обслуживания большего количества абонентов внутри арены.
Описываемая в посте БС после полной установки и сдачи в эксплуатацию.
Ящичек слева – аккумуляторный, для резервного питания оборудования при проблемах в городской сети.
При долгом отсутствии электроэнергии предусмотрена зарядка аккумуляторов от трёхфазного бензо-генератора. Да, в Беларуси можно просто так приехать и оставить гудящий генератор на улице без присмотра, правда, не обходилось и без случаев, когда особо предприимчивые граждане тихонечко увозили данный девайс (столь нужный в личном хозяйстве) в неизвестном направлении.
Соседний сектор, работающие в триаде с оборудованием шкафа BTS3900 на предыдущих фото.
Вот так на конкретном примере я постарался показать, как операторы с помощью модульного железа убивают двух зайцев одним махом – наращивают ёмкость существующей сети и заботятся о внедрении LTE, и, будем надеяться, без потери сервисов предыдущего поколения.