CPRI (Common Public Radio Interface) – a specifikáció célja és magyarázata

A modern mobilkommunikációs hálózatok alapkövei a bázisállomások, amelyek az elmúlt évtizedekben jelentős evolúción mentek keresztül. A kezdeti monolitikus rendszerektől eljutottunk a szétválasztott, elosztott architektúrákig, amelyek nagyobb rugalmasságot, skálázhatóságot és költséghatékonyságot kínálnak. Ennek az átalakulásnak egyik kulcsfontosságú eleme a CPRI, azaz a Common Public Radio Interface specifikáció. Ez a szabványosított interfész tette lehetővé a bázisállomások két fő komponensének, a bázissávú egységnek (Baseband Unit – BBU) és a távoli rádiófejnek (Remote Radio Head – RRH) a fizikai szétválasztását, forradalmasítva ezzel a mobilhálózatok telepítési és üzemeltetési módját.

A CPRI egy olyan nemzetközi iparági együttműködés eredménye, amelyet 2003-ban alapítottak vezető távközlési gyártók, mint az Ericsson, a Huawei, az NEC, az Nokia (akkor még Nokia Siemens Networks) és az Alcatel Lucent (ma a Nokia része). Céljuk egy olyan nyílt specifikáció létrehozása volt, amely lehetővé teszi a különböző gyártók által készített rádió- és bázissávú egységek együttműködését, ezzel növelve a versenyképességet és az innovációt az iparágban. A CPRI alapvetően egy nagy sebességű soros adatkapcsolatot definiál, amely az IQ (In-phase és Quadrature) mintákat, a vezérlési és menedzsment információkat, valamint a szinkronizációs jeleket továbbítja a bázissávú egység és a távoli rádiófej között. Ez a szétválasztás nem csupán technikai, hanem stratégiai jelentőségű is volt, hiszen megnyitotta az utat a fronthaul hálózatok kialakulása előtt, amelyek a rádió- és bázissávú egységek közötti adatforgalmat kezelik.

Mi is az a CPRI? A közös nyilvános rádió interfész alapjai

A CPRI, vagy Common Public Radio Interface, egy olyan szabvány, amely a mobilhálózatok bázisállomásainak belső működését forradalmasította. Lényegében egy digitális interfészt definiál a rádióberendezés-vezérlő (Radio Equipment Control – REC) és a rádióberendezés (Radio Equipment – RE) között. A REC jellemzően a bázissávú feldolgozást végző egység, míg az RE a tényleges rádiófrekvenciás jeleket kezelő távoli rádiófej.

A hagyományos bázisállomás-architektúrákban a bázissávú egység és a rádiófrekvenciás egység egyetlen, monolitikus dobozban, az antenna közvetlen közelében helyezkedett el. Ez a megközelítés számos korláttal járt: nehézkes volt a telepítés, magasak voltak a helyszíni költségek, és a rádiófrekvenciás (RF) kábelekből adódó jeltorzulások és veszteségek is rontották a teljesítményt. A CPRI megjelenésével lehetővé vált e két komponens fizikai szétválasztása, ami alapjaiban változtatta meg a mobilhálózatok kiépítésének és üzemeltetésének paradigmáját.

A CPRI nem csupán egy adatátviteli protokoll; egy teljes specifikáció, amely a fizikai rétegtől kezdve a logikai adatstruktúrákig mindent definiál. Ez magában foglalja az optikai és elektromos interfészeket, a vonalsebességeket, a keretszerkezetet, az IQ adatok kódolását, a vezérlési és menedzsment üzenetek továbbítását, valamint a precíziós szinkronizációs eljárásokat. Az egységes szabvány biztosítja, hogy a különböző gyártók által fejlesztett REC és RE egységek képesek legyenek zökkenőmentesen együttműködni, ami korábban elképzelhetetlen volt.

„A CPRI nem csupán egy technikai megoldás, hanem egy stratégiai lépés volt a mobilhálózatok rugalmasságának és skálázhatóságának növelése felé, megnyitva az utat a modern, elosztott architektúrák előtt.”

A specifikáció célja az volt, hogy egy nyílt interfészt hozzon létre, amely lehetővé teszi a rádiófrekvenciás (RE) és a bázissávú (REC) modulok közötti interoperabilitást. Ez a nyitottság alapvető fontosságú volt az iparági verseny ösztönzésében és a gyártók számára a specializáltabb termékek fejlesztésében. A CPRI-nek köszönhetően a távoli rádiófejeket közelebb lehetett helyezni az antennákhoz, a bázissávú egységeket pedig centralizálni lehetett egy központi helyen, ami jelentős előnyökkel járt a teljes hálózati infrastruktúra szempontjából.

A távoli rádiófejek (RRH) és a bázisállomás-szétválasztás szükségessége

A mobilhálózatok kapacitásának és lefedettségének növelésére irányuló folyamatos igények hívták életre a távoli rádiófejek (RRH) koncepcióját. A korábbi, monolitikus bázisállomások, ahol a teljes elektronika egyetlen egységben volt elhelyezve, számos kihívással szembesültek. A legjelentősebbek közé tartozott a helyszíni korlátozások, a magas energiafogyasztás és a rádiófrekvenciás (RF) kábelekből adódó veszteségek.

A hagyományos felépítésben a rádiófrekvenciás (RF) egység és az antenna között viszonylag hosszú koaxiális kábelek futottak. Ezek a kábelek jelentős jelveszteséget okoznak, különösen magas frekvenciákon, ami rontja a bázisállomás teljesítményét és hatékonyságát. Ezen túlmenően, a teljes bázisállomás-elektronika telepítése az antenna mellé, gyakran tornyok tetejére, nehézkes és költséges volt. A berendezések súlya és mérete korlátozta a telepítési lehetőségeket, és a hűtési igények is jelentős energiafelhasználással jártak.

A távoli rádiófej (RRH) bevezetése erre a problémára kínált megoldást. Az RRH lényegében a rádiófrekvenciás egységet tartalmazza, és közvetlenül az antenna alá vagy mellé telepíthető. Ezáltal a koaxiális kábelek hossza minimálisra csökkenthető, vagy akár teljesen el is hagyható, ami drámaian csökkenti a jelveszteséget és javítja az RF lánc hatékonyságát. Az RRH-k kisebbek, könnyebbek és kevesebb energiát fogyasztanak, mint a teljes bázisállomás, ami egyszerűbb telepítést és alacsonyabb üzemeltetési költségeket eredményez.

A bázissávú egység (BBU) ezzel szemben egy központi helyre, például egy technikai helyiségbe vagy egy adatközpontba kerülhetett, ahol a hűtés, az energiaellátás és a karbantartás könnyebben biztosítható. Ez a bázissávú egység szétválasztás (BBU Hotel) koncepciója lehetővé tette több RRH kiszolgálását egyetlen BBU-val, vagy akár több BBU virtualizálását egy felhőalapú környezetben (Cloud-RAN). Az RRH és a BBU közötti kommunikációhoz azonban egy nagy sebességű, megbízható és szabványosított interfészre volt szükség, és ez a szerep jutott a CPRI-nek.

A CPRI tehát kritikus szerepet játszott abban, hogy a mobilhálózatok infrastruktúrája rugalmasabbá váljon. Képes volt alkalmazkodni a városi területeken növekvő kapacitásigényekhez, ahol a helyszínek korlátozottak, és megkönnyítette a hálózatok sűrítését (small cell deployment). Ezen túlmenően, a szétválasztott architektúra előkészítette a terepet a jövőbeli innovációk, mint például a Cloud-RAN (C-RAN) és a virtualizált rádióelérési hálózatok (vRAN) számára, amelyek a bázissávú feldolgozást szoftveresen, virtualizált környezetben futtatják.

A CPRI specifikáció fő célkitűzései és előnyei

A CPRI specifikáció kidolgozása mögött számos stratégiai célkitűzés állt, amelyek mind a mobilhálózatok hatékonyságának, rugalmasságának és jövőállóságának növelését célozták. Ezek a célok közvetlenül vezettek a szabvány számos előnyéhez, amelyek jelentősen hozzájárultak a távközlési ipar fejlődéséhez.

Az egyik legfontosabb cél a szabványosítás és az interoperabilitás megteremtése volt. Korábban minden gyártó saját, zárt interfésszel rendelkezett a bázissávú és rádiófrekvenciás egységei között, ami megnehezítette a hálózatüzemeltetők számára a különböző gyártók termékeinek kombinálását. A CPRI egy nyílt, iparági szabvány bevezetésével áttörte ezeket a korlátokat, lehetővé téve a komponensek csereszabatosságát és a gyártók közötti verseny ösztönzését.

A másik kulcsmotívum a telepítési rugalmasság és az üzemeltetési költségek csökkentése volt. Az RRH-k és a centralizált BBU-k koncepciója jelentős mértékben hozzájárult ehhez. Az RRH-k könnyebb súlyuk és kisebb méretük miatt könnyebben telepíthetők tornyokra, tetőkre vagy akár oszlopokra, csökkentve a helyszín-előkészítési költségeket. A BBU-k centralizálása pedig lehetővé teszi a helyiségek optimális kihasználását, a hűtési és energiaellátási infrastruktúra megosztását, valamint a karbantartás egyszerűsítését. Ez utóbbi különösen fontos, mivel a BBU-k kevesebb helyszíni beavatkozást igényelnek, mint az elszórtan elhelyezkedő rádiófejek.

A hálózati teljesítmény javítása szintén alapvető cél volt. A távoli rádiófejek antennákhoz való közelsége minimalizálja az RF kábelekből adódó jelveszteségeket, ami növeli a sugárzott teljesítményt és a vételi érzékenységet. Ez jobb lefedettséget, nagyobb kapacitást és jobb felhasználói élményt eredményez. Ezenkívül a digitális interfész kevésbé érzékeny a zajra és az interferenciára, mint az analóg RF kábelek, stabilabb és megbízhatóbb kapcsolatot biztosítva.

A CPRI előnyei összefoglalva:

• Rugalmas hálózati architektúra: Lehetővé teszi a BBU-k és RRH-k fizikai szétválasztását, ami optimalizált telepítési lehetőségeket kínál.
• Költségmegtakarítás: Csökkenti a helyszíni bérleti díjakat, az energiafogyasztást (központi hűtés, hatékonyabb RRH-k), a telepítési és karbantartási költségeket.
• Javított teljesítmény: Az RF kábelek rövidülése vagy eliminálása csökkenti a jelveszteséget és javítja a rádiófrekvenciás lánc hatékonyságát.
• Egyszerűsített frissítések: A BBU-k szoftveres frissítései könnyebben elvégezhetők egy centralizált helyen, mint sok szétszórt helyszínen.
• Skálázhatóság: A hálózati kapacitás könnyebben bővíthető további RRH-k vagy BBU-modulok hozzáadásával.
• Jövőállóság: Alapot teremtett a Cloud-RAN és a virtualizált hálózatok (vRAN) számára, amelyek a jövő mobilhálózati architektúráinak kulcsfontosságú elemei.

A CPRI tehát nem csupán egy technológiai innováció volt, hanem egy stratégiai lépés is, amely alapjaiban alakította át a mobilhálózatok fejlődésének irányát, és előkészítette a terepet a 4G és 5G technológiák széles körű elterjedéséhez.

A CPRI architektúra és komponensei: REC és RE

A CPRI specifikáció megértéséhez elengedhetetlen a két fő komponens, a Rádióberendezés-vezérlő (Radio Equipment Control – REC) és a Rádióberendezés (Radio Equipment – RE) funkcióinak és interakciójának tisztázása. Ezek az egységek alkotják a CPRI interfész két végpontját, és feladataik szigorúan elválasztottak, mégis szorosan kapcsolódnak egymáshoz.

Rádióberendezés-vezérlő (REC)

A REC, gyakran egyszerűen Bázissávú Egység (Baseband Unit – BBU) néven is emlegetik, a bázisállomás „agya”. Ez az egység felelős a digitális jelfeldolgozásért és a hálózati interfészért. Főbb feladatai közé tartozik:

• Bázissávú feldolgozás: Ide tartozik a moduláció/demoduláció, kódolás/dekódolás, csatornaegyenlítés, hibajavítás és más digitális jelfeldolgozási algoritmusok végrehajtása. Ez a folyamat alakítja át az IP-hálózatról érkező adatcsomagokat rádiófrekvenciás továbbításra alkalmas digitális jelekké, és fordítva.
• Hálózati interfész: A REC kapcsolódik a mobilhálózat maghálózatához (Core Network) és/vagy a transzport hálózathoz (Backhaul Network), és kezeli az adatok továbbítását az IP-hálózaton keresztül.
• Rádióerőforrás-kezelés: A REC dönt a spektrum kiosztásáról, a felhasználók ütemezéséről és a rádiós átviteli paraméterekről.
• Vezérlés és menedzsment: A REC küldi a vezérlőparancsokat és konfigurációs információkat az RE-nek, és fogadja annak állapotjelentéseit.
• Szinkronizáció: A REC a CPRI interfész mestere a szinkronizáció szempontjából, és biztosítja az időzítési és frekvenciareferenciát az RE számára.

A REC-ek általában rack-be szerelhető egységek, amelyeket technikai helyiségekben vagy adatközpontokban helyeznek el. Képesek több RE-t is kiszolgálni, optimalizálva a hardver kihasználtságát és csökkentve az üzemeltetési költségeket.

Rádióberendezés (RE)

Az RE, vagy Távoli Rádiófej (Remote Radio Head – RRH), a bázisállomás „szája és füle”. Ez az egység felelős a digitális bázissávú jelek rádiófrekvenciás jelekké történő átalakításáért, és fordítva. Főbb feladatai:

• Digitális-analóg és analóg-digitális konverzió: Az RE alakítja át a REC-től érkező digitális IQ mintákat analóg rádiófrekvenciás jelekké adáskor, és a vett analóg RF jeleket digitális IQ mintákká vételkor.
• RF erősítés és szűrés: Tartalmazza a teljesítményerősítőket (Power Amplifier – PA) az adáshoz és az alacsony zajszintű erősítőket (Low Noise Amplifier – LNA) a vételhez. Szűrőket is tartalmaz a nem kívánt frekvenciák elnyomására.
• Frekvencia-konverzió: A bázissávú jeleket a megfelelő rádiófrekvenciás sávba konvertálja adáskor, és fordítva vételkor.
• Antenna interfész: Közvetlenül az antennákhoz csatlakozik, minimalizálva az RF kábelek hosszát és a jelveszteséget.
• Vezérlési és menedzsment válaszok: Fogadja a REC-től érkező parancsokat és visszajelzi az állapotát.
• Szinkronizáció: Az RE a REC-től kapott szinkronizációs információk alapján működik, biztosítva az időzítési pontosságot.

Az RE-k általában robusztus, időjárásálló burkolatban lévő egységek, amelyeket az antennák közelében, kültéren telepítenek. Kisebb méretük és súlyuk lehetővé teszi a rugalmas elhelyezést, például toronyra szerelést.

A REC és RE közötti kapcsolat a CPRI interfészen keresztül valósul meg, amely optikai szálas kábelekkel vagy ritkábban rézkábelekkel történik. Ez a kapcsolat szállítja az IQ adatokat, a vezérlési és menedzsment üzeneteket, valamint a szinkronizációs jeleket, biztosítva a két egység közötti zökkenőmentes és precíz együttműködést.

A CPRI protokoll verem és rétegei

A CPRI egy átfogó specifikáció, amely a digitális interfész minden aspektusát lefedi, a fizikai médiumtól a logikai adatstruktúrákig. A CPRI protokoll verem réteges felépítése biztosítja a moduláris és hatékony adatátvitelt a REC és az RE között. Bár nem követi szigorúan az OSI-modell rétegeit, analógia vonható a funkciók között.

Fizikai réteg (PHY)

A fizikai réteg (PHY) határozza meg a CPRI interfész legalacsonyabb szintű jellemzőit, beleértve az átviteli médiumot, a vonalsebességeket, a kódolást és a csatlakozókat. Ez a réteg felelős a bitek fizikai átviteléért a REC és az RE között.

• Átviteli médium: Elsődlegesen optikai szálas kábeleket használnak, jellemzően egymódusú (single-mode) vagy többmódusú (multi-mode) szálakat. Az optikai átvitel nagy távolságokat és magas adatsebességeket tesz lehetővé, minimalizálva az elektromágneses interferenciát. Rövidebb távolságokon és alacsonyabb sebességeken rézkábelek (pl. koaxiális vagy sodrott érpárú) is alkalmazhatók, de ritkábban.
• Vonalsebességek: A CPRI különböző „opciókat” definiál, amelyek meghatározzák az átviteli sebességet. Ezek az opciók 614.4 Mbps-től (Option 1) egészen 24.3 Gbps-ig (Option 10) terjednek. A sebességválasztás a támogatott rádiótechnológiától (2G, 3G, 4G), a vivőfrekvenciák számától, a sávszélességtől és az antenna konfigurációjától (MIMO, antennaelemek száma) függ.
• Kódolás: A CPRI 8B/10B vonalkódolást használ. Ez azt jelenti, hogy minden 8 bit adatot 10 bitnyi szimbólummá alakítanak át az átvitel előtt. Ennek a kódolásnak több előnye is van: biztosítja az egyenáramú egyensúlyt (DC-balance), ami fontos az optikai adó-vevők számára, és elegendő átmenetet tartalmaz az órajelszinkronizációhoz a vevőoldalon.
• Csatlakozók: Optikai kábelek esetén jellemzően LC vagy SC típusú csatlakozókat alkalmaznak.

Adatkapcsolati réteg (DLL) / Protokoll verem

A CPRI adatkapcsolati rétege felelős az adatok keretekbe szervezéséért és a megbízható átvitelért a fizikai réteg felett. Ez a réteg definiálja a CPRI keretszerkezetét, amely a különböző típusú adatok (IQ adatok, vezérlési és menedzsment üzenetek, szinkronizációs jelek) multiplexelését és továbbítását teszi lehetővé.

• CPRI alapkeret (Basic Frame): A CPRI az adatokat egy ismétlődő keretszerkezetbe rendezi. Az alapvető egység az alapkeret, amely 16 darab 8 bites szót tartalmaz. Egy alapkeret hossza 250 ns, ami 3.84 MHz-es mintavételi frekvenciának felel meg. Ez a 3.84 MHz egy alapérték, ami a 3GPP (3rd Generation Partnership Project) szabványokban is gyakran megjelenik.
• Hyperkeret (Hyperframe): A szinkronizációs és vezérlési információk hatékonyabb továbbítása érdekében a CPRI egy nagyobb egységet, a hyperkeretet is definiálja. Egy hyperkeret 256 alapkeretből áll, és 65536 bitet tartalmaz. A hyperkeret hossza 65.536 mikroszekundum.
• Adatleképzés (Data Mapping): Az adatkapcsolati réteg határozza meg, hogyan kerülnek az IQ adatok, a vezérlési és menedzsment információk, valamint a szinkronizációs jelek az alapkeretekbe és hyperkeretekbe. Ez a multiplexelés biztosítja, hogy minden típusú adat megfelelő prioritással és időzítéssel jusson el a célhoz.

A CPRI protokoll verem tehát egy speciálisan kialakított struktúra, amely a mobil rádióinterfész igényeire van optimalizálva. A fizikai réteg nagy sebességű és megbízható bitátvitelt biztosít, míg az adatkapcsolati réteg strukturálja ezeket a biteket, lehetővé téve a komplex rádiókommunikációs funkciók hatékony működését.

Felhasználói sík (User Plane) – IQ adatok továbbítása

A CPRI interfész egyik legfontosabb feladata a felhasználói sík adatok, azaz az IQ (In-phase és Quadrature) minták hatékony és precíz továbbítása a REC és az RE között. Ezek a minták képviselik a digitális formában lévő rádiójelet, amelyet a bázissávú egység feldolgoz, majd a rádiófej rádiófrekvenciás jellé alakít át, vagy fordítva.

Az IQ minták az ortogonális modulációs sémák (például QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM) alapját képezik, amelyeket a modern mobilkommunikációs rendszerek (LTE, 5G) használnak. Egy komplex számként írhatók le, ahol az I (In-phase) a valós részt, a Q (Quadrature) pedig a képzetes részt jelöli. Ezek a minták a rádiójel amplitúdóját és fázisát kódolják, és alapvetőek az információátvitelhez.

IQ adatok jellemzői a CPRI-n belül:

• Mintavételezés: A REC a bázissávú jeleket egy meghatározott mintavételi frekvenciával digitalizálja. Ez a mintavételi frekvencia általában a rádiócsatorna sávszélességétől és a technológiától függ. A CPRI specifikáció támogatja a különböző mintavételi sebességeket és a megfelelő átviteli opciókat.
• Kvantálás (Bitmélység): Az IQ mintákat bizonyos bitmélységgel kvantálják, ami azt jelenti, hogy minden I és Q érték egy meghatározott számú bittel van reprezentálva (pl. 15 bit, 16 bit). Minél nagyobb a bitmélység, annál pontosabb a jel reprezentációja, de annál nagyobb az adatsebesség-igény is. A CPRI rugalmasan kezeli a különböző bitmélységeket.
• Adatleképzés az alapkeretekbe: Az IQ minták folyamatos adatfolyamot képeznek, amelyet a CPRI alapkeretekbe kell leképzeni. Mivel az alapkeretek 16 darab 8 bites szóból állnak, az IQ mintákat szekvenciálisan helyezik el ezekbe a szavakba. Egyetlen alapkeret több IQ mintát is tartalmazhat, vagy egyetlen IQ minta több alapkereten is áthúzódhat, a minták bitmélységétől és az átviteli sebességtől függően.

A CPRI specifikáció részletesen leírja, hogyan kell az IQ adatokat multiplexelni a vezérlési és menedzsment információkkal, valamint a szinkronizációs jelekkel egyetlen digitális adatfolyamba. Ez a multiplexelés időosztásos alapon történik, ahol az alapkeret bizonyos részei az IQ adatoknak, más részei pedig a vezérlési és szinkronizációs céloknak vannak fenntartva.

A CPRI által használt IQ adatátviteli módszer viszonylag egyszerű és hatékony, de van egy jelentős következménye: rendkívül magas sávszélesség-igénye van. Mivel a nyers, feldolgozatlan IQ mintákat továbbítja, még mielőtt a bázissávú feldolgozás során tömörítenék vagy aggregálnák azokat, a CPRI fronthaul kapcsolatoknak rendkívül nagy kapacitással kell rendelkezniük. Például egy 20 MHz-es LTE vivőfrekvencia 2×2 MIMO konfigurációban akár több gigabit/másodperc CPRI sávszélességet is igényelhet, ami 5G-ben, a szélesebb sávszélességek és a masszív MIMO technológiák miatt tovább nő.

Ez a nagy sávszélesség-igény a CPRI egyik korlátja is, különösen a Cloud-RAN (C-RAN) architektúrákban, ahol a BBU-kat centralizált adatközpontokba helyezik. A távoli RRH-k és a központi BBU-k közötti távolság növekedésével a fronthaul hálózat (az RRH-k és BBU-k közötti kapcsolat) optikai szálas kapacitása kritikus tényezővé válik. Ez a kihívás vezetett az eCPRI (enhanced CPRI) fejlesztéséhez, amely a funkcionális szétválasztás révén csökkenti a fronthaul sávszélesség-igényét.

Vezérlési és menedzsment sík (C&M Plane)

Az IQ adatok továbbítása mellett a CPRI interfész kritikus szerepet játszik a vezérlési és menedzsment (C&M) információk cseréjében is a REC és az RE között. Ez a sík biztosítja a két egység közötti koordinációt, konfigurációt és állapotfelügyeletet, ami elengedhetetlen a bázisállomás megfelelő működéséhez.

A C&M sík feladatai közé tartozik:

• Konfiguráció: A REC a C&M csatornán keresztül küldi el az RE-nek a működéséhez szükséges konfigurációs paramétereket. Ezek közé tartozhatnak a frekvencia beállítások, a teljesítmény szintek, az antenna beállítások (pl. dőlésszög, beamforming paraméterek), a rádiótechnológiai specifikus paraméterek és az időzítési információk.
• Vezérlőparancsok: A REC különböző vezérlőparancsokat adhat ki az RE felé, például az adó be- és kikapcsolására, a vivőfrekvenciák hozzáadására vagy eltávolítására, vagy a tesztmódok aktiválására.
• Állapotjelentések: Az RE rendszeresen visszajelzi állapotát a REC-nek. Ezek az állapotjelentések tartalmazhatnak információkat a hőmérsékletről, a tápellátásról, a hibákról, a riasztásokról, a teljesítményparaméterekről és az RF lánc működéséről. Ez lehetővé teszi a REC számára, hogy valós időben felügyelje az RE működését és szükség esetén beavatkozzon.
• Szoftverfrissítés: A C&M interfész használható az RE firmware-ének és szoftverének frissítésére is, ami leegyszerűsíti a karbantartást és a funkcióbővítést.
• Hibajelzés és diagnosztika: A CPRI C&M csatorna lehetővé teszi a hibák azonnali jelzését és a diagnosztikai információk cseréjét, ami felgyorsítja a hibaelhárítást.

A C&M üzenetek továbbítása a CPRI keretszerkezet speciálisan erre a célra fenntartott részein történik. Az alapkeretben, az IQ adatok mellett, vannak úgynevezett vezérlő szavak (Control Words), amelyek a C&M üzenetek továbbítására szolgálnak. Ezeket a vezérlő szavakat az alapkeret ismétlődő mintájában helyezik el, biztosítva a rendszeres és megbízható átvitelt.

A C&M adatok általában alacsonyabb prioritással és kisebb sávszélesség-igénnyel rendelkeznek, mint az IQ adatok, de kritikus fontosságúak a rendszer stabilitása és funkcionalitása szempontjából. A CPRI specifikáció részletesen leírja a C&M üzenetek formátumát, a parancsok és válaszok struktúráját, valamint a hibajavítási mechanizmusokat.

Az, hogy a CPRI egyetlen fizikai interfészen keresztül továbbítja az IQ adatokat, a vezérlési és menedzsment információkat, valamint a szinkronizációs jeleket, jelentősen leegyszerűsíti a bázisállomás architektúráját. Nem szükséges külön kábelezés vagy interfész az egyes funkciókhoz, ami csökkenti a hardverkomplexitást, a telepítési időt és a költségeket. Ez a konvergált megközelítés az egyik fő oka annak, hogy a CPRI olyan széles körben elterjedt a mobilhálózatokban.

Szinkronizációs sík (Synchronization Plane)

A mobilkommunikációs rendszerekben a precíz időzítés és frekvenciaszinkronizáció abszolút kritikus a megfelelő működéshez. A rádiójelek adása és vétele, a cellák közötti átadás (handover), a különböző technológiák (pl. LTE és 5G) együttműködése, valamint a fejlett antennatechnológiák (pl. Massive MIMO, beamforming) mind pontos szinkronizációt igényelnek. A CPRI interfész egyik alapvető feladata, hogy ezt a szinkronizációt biztosítsa a REC és az RE között.

A CPRI-n belül a REC (BBU) általában a mester (master), míg az RE (RRH) a szolga (slave) szerepét tölti be a szinkronizáció szempontjából. A REC szolgáltatja az időzítési és frekvenciareferenciát az RE számára, amely ennek megfelelően igazítja saját óráját és működését.

A szinkronizációs sík feladatai:

• Órajelszinkronizáció: A REC órajelforrása, amely általában egy GPS-alapú precíziós időforrás (pl. GPSDO – GPS Disciplined Oscillator) által szinkronizált, továbbítódik az RE felé. Ez biztosítja, hogy az RE órajele pontosan megegyezzen a REC órajelével, mind frekvenciában, mind fázisban.
• Keretszinkronizáció: A CPRI keretszerkezet (alapkeretek, hyperkeretek) pontos időzítése elengedhetetlen az IQ adatok, valamint a C&M üzenetek helyes értelmezéséhez. A REC speciális szinkronizációs mintákat vagy jeleket ágyaz be az adatfolyamba, amelyek segítségével az RE azonosítani tudja a keretek kezdetét és fenntartja a keretszinkronizációt.
• Időzítési igazítás (Timing Alignment): Mivel az optikai kábelen keresztül történő adatátvitel késleltetést okoz, a REC és az RE közötti távolság függvényében, a CPRI magában foglalja az időzítési igazítási mechanizmusokat. Az RE méri a késleltetést, és a REC kompenzálja azt, biztosítva, hogy a rádiójel adása és vétele pontosan a megfelelő időpillanatban történjen a levegőben. Ez különösen fontos a MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) és a fejlett antennarendszerek esetében, ahol a különböző antennaelemek közötti fáziskülönbségek kritikusak.
• Fázisszinkronizáció: A pontos fázisszinkronizáció elengedhetetlen a koherens jelfeldolgozáshoz és a különböző rádiótechnológiák (pl. TDD rendszerek) közötti együttműködéshez. A CPRI biztosítja, hogy az RE adó- és vevőfázisa pontosan illeszkedjen a REC által meghatározott referenciához.

A CPRI keretszerkezetben dedikált bitek és szavak vannak fenntartva a szinkronizációs információk számára. Ezek a szinkronizációs minták (pl. Control Word 0) rendszeresen megjelennek az adatfolyamban, lehetővé téve az RE számára, hogy folyamatosan nyomon kövesse és igazítsa a saját óráját. Az 8B/10B kódolás, amelyet a fizikai réteg használ, szintén hozzájárul az órajel kinyeréséhez a vevőoldalon, mivel biztosítja a megfelelő számú bitátmenetet.

A szinkronizációs sík megbízható működése alapvető fontosságú a mobilhálózatok stabilitása és teljesítménye szempontjából. Egy rosszul szinkronizált rendszer jelentős teljesítménycsökkenést tapasztalhat, beleértve a megnövekedett hibaráfát, a sikertelen átadásokat és a csökkentett kapacitást. A CPRI precíz szinkronizációs mechanizmusai garantálják, hogy a REC és az RE egységek szoros összhangban működjenek, lehetővé téve a nagysebességű és megbízható mobilkommunikációt.

CPRI vonalsebességek és verziók

A CPRI specifikáció az évek során folyamatosan fejlődött, hogy megfeleljen a mobilhálózatok növekvő adatsebesség-igényeinek. Ennek eredményeként számos CPRI vonalsebesség-opció és specifikációs verzió jelent meg, amelyek különböző kapacitásokat és funkciókat kínálnak.

A CPRI vonalsebességeket „Opciók” (Options) néven ismerik, és ezek határozzák meg a REC és RE közötti interfész maximális bitrátáját. Az opciók a következők:

CPRI Opció	Vonalsebesség (Mbps)	Jellemző alkalmazás
Option 1	614.4	2G/3G (pl. GSM, UMTS) alacsonyabb kapacitású konfigurációk
Option 2	1228.8	3G (UMTS) nagyobb kapacitású, vagy 2×2 MIMO konfigurációk
Option 3	2457.6	3G (UMTS) és 4G (LTE) alapvető konfigurációk
Option 4	3072.0	4G (LTE) MIMO konfigurációk
Option 5	4915.2	4G (LTE) nagyobb sávszélességű és MIMO konfigurációk
Option 6	6144.0	4G (LTE) fejlett MIMO (4×4) és vivő aggregáció
Option 7	9830.4	4G (LTE) rendkívül nagy kapacitású, több vivős és fejlett MIMO
Option 8	10137.6	Nagy kapacitású LTE és korai 5G (non-standalone) architektúrák
Option 9	12165.1	Fejlett 5G alkalmazások, nagyobb sávszélességek
Option 10	24330.2	5G Massive MIMO és széles sávszélességű alkalmazások

Ahogy a táblázat is mutatja, az opciók száma egyenesen arányos a vonalsebességgel, és ez a sebességnövekedés tette lehetővé az újabb és komplexebb rádiótechnológiák támogatását. Az alacsonyabb opciók (pl. Option 1-3) tipikusan a 2G és 3G hálózatokban voltak elterjedtek, míg a magasabb opciók (pl. Option 5-7) az LTE (4G) hálózatokhoz, különösen a vivőaggregációval (Carrier Aggregation) és a MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) antennatechnológiákkal váltak szükségessé. A legújabb opciók, mint az Option 9 és 10, már az 5G New Radio (NR) széles sávszélességű és Massive MIMO alkalmazásainak igényeit célozzák.

A CPRI specifikációnak is több verziója létezik (pl. CPRI v1.0, v2.0, …, v7.0). Ezek a verziók nem csak a vonalsebességeket bővítik, hanem új funkciókat, javításokat és optimalizációkat is bevezetnek a protokollba. Fontos megjegyezni, hogy bár a CPRI továbbra is fejlődik, a legújabb 5G rendszerek számára már egy továbbfejlesztett szabvány, az eCPRI (enhanced CPRI) került kifejlesztésre, amely a fronthaul sávszélesség-igényének csökkentésére fókuszál. Azonban a CPRI továbbra is alapvető fontosságú marad a meglévő 4G és korábbi hálózatok számára, és az eCPRI alapját is képezi.

A megfelelő CPRI opció kiválasztása kritikus a hálózattervezés során, mivel közvetlenül befolyásolja a fronthaul hálózat (optikai szálak) kapacitásigényét. A túl alacsony opció korlátozhatja a rádióteljesítményt és a kapacitást, míg a túl magas opció feleslegesen növelheti a költségeket. A hálózatüzemeltetőknek gondosan mérlegelniük kell a rádiótechnológiai igényeket, a sávszélességet, az antenna konfigurációt és a jövőbeli bővítési terveket a CPRI opciók kiválasztásakor.

A CPRI keretszerkezet mélyreható elemzése

A CPRI interfész hatékony működésének alapja a jól definiált és ismétlődő keretszerkezet, amely lehetővé teszi a különböző típusú adatok (IQ minták, vezérlési és menedzsment üzenetek, szinkronizációs jelek) multiplexelését és megbízható továbbítását egyetlen digitális adatfolyamban. A CPRI két fő keretszintet definiál: az alapkeretet (Basic Frame) és a hyperkeretet (Hyperframe).

CPRI Alapkeret (Basic Frame)

Az alapkeret a CPRI adatfolyam legkisebb időegysége és ismétlődő struktúrája. Minden alapkeret 16 darab 8 bites szóból áll, amelyek fix sorrendben követik egymást. Az alapkeret hossza minden CPRI opció esetén állandó, 250 ns. Ez a 250 ns-os időtartam megfelel egy 3.84 MHz-es mintavételi frekvenciának, ami a 3GPP szabványokban gyakran használt alapérték.

Az alapkereten belül a 16 darab 8 bites szó a következőképpen oszlik meg funkciók szerint:

• Vezérlő szó (Control Word) – Word 0: Ez az első szó általában a szinkronizációhoz és a vezérlési információkhoz van fenntartva. Kritikus fontosságú a keretszinkronizáció fenntartásához.
• Felhasználói adatszavak (User Data Words) – Word 1-15: Ezek a szavak az IQ minták (felhasználói sík adatok) továbbítására szolgálnak. A konkrét elrendezés és az IQ minták bitmélysége (pl. 15 bit I és 15 bit Q) határozza meg, hogy hány alapkeretre van szükség egy-egy teljes IQ minta továbbításához.

Az alapkeretek folyamatosan ismétlődnek, és az adatfolyamot alkotják. A 8B/10B kódolás, amelyet a fizikai réteg használ, minden 8 bites szót 10 bites szimbólummá alakít át az átvitel előtt, biztosítva az órajelszinkronizációt és az egyenáramú egyensúlyt.

CPRI Hyperkeret (Hyperframe)

Az alapkeretek egy nagyobb logikai egységet, a hyperkeretet alkotnak. Egy hyperkeret pontosan 256 darab alapkeretből áll. Mivel egy alapkeret 250 ns, egy hyperkeret hossza 256 * 250 ns = 64 000 ns, azaz 64 mikroszekundum. Ez a hossz megegyezik egy 15.36 MHz-es mintavételi órajel periódusával, ami szintén egy releváns időzítési referencia a mobilkommunikációban.

A hyperkeret bevezetése a következő célokat szolgálja:

• Vezérlési és menedzsment (C&M) üzenetek: A C&M üzenetek, amelyek jellemzően nagyobb adagokban, de ritkábban kerülnek átvitelre, a hyperkeret struktúrájában kerülnek elhelyezésre. A specifikáció definiálja, hogy mely alapkeretekben és mely vezérlő szavakban továbbítódnak a C&M üzenetek. Ez biztosítja, hogy a C&M adatok elegendő sávszélességet kapjanak, anélkül, hogy az IQ adatok folyamatos átvitelét zavarnák.
• Szinkronizációs információk: A hyperkeret szintén kulcsfontosságú a magasabb szintű szinkronizációs információk, például a rendszeridő (System Frame Number – SFN) vagy a rádiós keretazonosítók továbbításához. Ezek az információk segítenek az RE-nek abban, hogy pontosan szinkronizálja magát a REC által meghatározott globális hálózati idővel.

A hyperkeret használata rétegzettebb és rugalmasabb adatátvitelt tesz lehetővé, optimalizálva a különböző típusú adatok szállítását. Míg az alapkeretek a nagy sebességű, folyamatos IQ adatfolyamot biztosítják, addig a hyperkeretek a kevésbé időkritikus, de funkcionálisan fontos C&M és szinkronizációs információk továbbítására szolgálnak.

A CPRI keretszerkezet tehát egy gondosan megtervezett rendszer, amely a mobil rádióinterfész egyedi igényeire van szabva. A fix alapkeret-hossz és a 3.84 MHz-es alapfrekvencia kompatibilitást biztosít a 3GPP szabványokkal, míg a hyperkeret további rugalmasságot ad a vezérlési és menedzsment funkciók kezeléséhez.

Adatleképzés és multiplexelés a CPRI-n keresztül

A CPRI interfész egyik legösszetettebb, mégis alapvető eleme az adatleképzés (data mapping) és multiplexelés (multiplexing) mechanizmusa. Ez határozza meg, hogyan illeszkednek a különböző típusú adatok – az IQ minták, a vezérlési és menedzsment üzenetek, valamint a szinkronizációs jelek – egyetlen digitális adatfolyamba, amelyet a CPRI optikai vagy elektromos kábelen továbbít.

A CPRI egy időosztásos multiplexelési (Time Division Multiplexing – TDM) megközelítést alkalmaz. Ez azt jelenti, hogy az alapkereten és hyperkereten belül az időrések különböző adatforrásokhoz vannak rendelve. Az adatok elrendezése a CPRI vonalsebesség-opciójától, a rádiótechnológiától (2G, 3G, 4G, 5G), a vivők számától, a sávszélességtől és az antenna konfigurációjától (pl. MIMO) függően változhat.

IQ adatok leképzése

Az IQ adatok a CPRI adatfolyam legnagyobb részét teszik ki, és a felhasználói sík információit hordozzák. Az IQ minták leképzése a következő elvek szerint történik:

• Fix bitmélység: Az IQ minták fix bitmélységgel (pl. 15 bit I és 15 bit Q, összesen 30 bit mintánként) kerülnek kvantálásra.
• Szekvenciális elhelyezés: Az IQ mintákat szekvenciálisan helyezik el az alapkeretek felhasználói adatszavaiban (Word 1-15). Ha egy IQ minta bitmélysége meghaladja az egy alapkeretben rendelkezésre álló helyet, akkor több alapkereten keresztül továbbítódik.
• Antennaelemek és vivők: Több antennaelem (MIMO) vagy több vivőfrekvencia (Carrier Aggregation) esetén az egyes antennaelemek és vivők IQ mintáit egymás után, vagy párhuzamosan multiplexelik az adatfolyamba. A CPRI specifikáció részletezi, hogyan kell az egyes antennaelemek (Antenna Carriers – AxC) IQ adatait leképzeni. Egy AxC-re jutó CPRI sávszélesség a vivő sávszélességétől, a mintavételi frekvenciától és a bitmélységtől függ.

Példa: Ha egy 20 MHz-es LTE vivő 15 bit I és 15 bit Q mintát használ, és 30.72 MHz-es mintavételi frekvenciával dolgozik (ami 2048 mintát jelent rádiós keretenként), akkor egyetlen AxC CPRI sávszélesség-igénye jelentős lehet. Egy 4×4 MIMO rendszerben ez a sávszélesség négyszeresére nő.

Vezérlési és menedzsment (C&M) adatok leképzése

A C&M üzenetek a hyperkereten belül, speciálisan kijelölt időrésekben továbbítódnak. Ezek az üzenetek általában nem olyan időkritikusak, mint az IQ adatok, de megbízható átvitelük elengedhetetlen:

• Vezérlő szavak (Control Words): Az alapkeret első szava (Word 0) gyakran tartalmaz vezérlési és szinkronizációs információkat. Ezen túlmenően, a hyperkereten belül további dedikált bitek és szavak is vannak a C&M üzenetek számára.
• Protokollok: A CPRI specifikáció definiálja a C&M üzenetek formátumát és a rajtuk keresztül futó protokollokat. Ezek lehetővé teszik a REC számára, hogy konfigurálja, vezérelje és felügyelje az RE-t.

Szinkronizációs jelek leképzése

A szinkronizáció rendkívül fontos, és a CPRI folyamatosan továbbítja a szinkronizációs információkat:

• Órajelszinkronizáció: A fizikai réteg 8B/10B kódolása biztosítja, hogy a vevő (RE) képes legyen kinyerni az órajelet az adatfolyamból.
• Keretszinkronizáció: A hyperkeret elején lévő speciális szinkronizációs minták, valamint a vezérlő szavakban lévő bitek biztosítják a keret- és hyperkeretszinkronizációt.
• Időzítési információk: A rendszeridő (SFN) és más időzítési referenciák a C&M csatornán keresztül, vagy dedikált szinkronizációs biteken keresztül továbbítódnak.

Az adatleképzés és multiplexelés bonyolultsága ellenére a CPRI specifikáció rendkívül részletesen leírja az összes mechanizmust, biztosítva a különböző gyártók által gyártott berendezések közötti interoperabilitást. Ez a precíz és szabványosított megközelítés volt a kulcsa a CPRI széles körű elterjedésének a mobilhálózatokban.

Összességében a CPRI egy robusztus és jól megtervezett interfész, amely lehetővé tette a bázisállomás-architektúrák forradalmasítását. Azonban a nyers IQ adatok továbbítása miatt a fronthaul sávszélesség-igénye rendkívül magas, ami kihívásokat jelentett a 5G előtti és az 5G hálózatok fejlődése során. Ez a tényező vezetett az eCPRI és más fronthaul megoldások fejlesztéséhez, amelyek a funkcionális szétválasztás révén igyekeznek optimalizálni a sávszélesség-felhasználást.

CPRI vs. OBSAI: Egy rövid összehasonlítás

A CPRI nem volt az egyetlen szabvány, amely a távoli rádiófejek (RRH) és a bázissávú egységek (BBU) közötti interfész szabványosítására törekedett. Az OBSAI (Open Base Station Architecture Initiative) egy másik iparági konzorcium volt, amelyet szintén a 2000-es évek elején hoztak létre hasonló célokkal. Bár mindkét specifikáció a bázisállomás-architektúrák szétválasztását célozta, megközelítésükben és végül piaci elfogadottságukban jelentős különbségek voltak.

OBSAI (Open Base Station Architecture Initiative)

Az OBSAI konzorciumot 2002-ben alapították, egy évvel a CPRI előtt, és olyan vállalatok vettek részt benne, mint a LG, a Samsung, az Ericsson, a Nokia és a Siemens. Az OBSAI specifikáció célja egy nyílt, moduláris bázisállomás-architektúra létrehozása volt, amely lehetővé teszi a különböző gyártók moduljainak (pl. RF modul, Baseband modul, Transport modul) szabad kombinálását. Az OBSAI négy fő interfészt definiált:

• RP1 (Radio Port 1): Ez volt az OBSAI megfelelője a CPRI-nek, azaz az interfész a bázissávú és a rádiófrekvenciás egység között.
• RP2: Interfész a bázissávú modul és a transzport modul között.
• RP3: Interfész a transzport modul és a külső hálózat között (backhaul).
• RP4: Interfész a bázissávú modulok között.

Az RP1 interfész a CPRI-hez hasonlóan az IQ adatokat és a vezérlési/menedzsment információkat továbbította, de a keretszerkezet, a kódolás és a protokoll stack részletei eltérőek voltak. Az OBSAI az IQ adatok mellett a tömörített IQ adatok továbbítását is támogatta, ami elméletileg hatékonyabb sávszélesség-felhasználást ígért.

Főbb különbségek és a piaci dominancia

Bár mindkét specifikáció hasonló célokat tűzött ki, a CPRI végül sokkal szélesebb körben elterjedt és dominánssá vált a mobilhálózatokban. Ennek több oka is volt:

• Egyszerűség és fókusz: A CPRI specifikáció sokkal szűkebb fókusszal rendelkezett, kizárólag a REC és RE közötti interfészre koncentrált. Az OBSAI szélesebb körű, moduláris bázisállomás-architektúrát akart létrehozni, ami a gyakorlatban bonyolultabbá tette az implementációt és a különböző modulok interoperabilitásának biztosítását.
• Konzorcium összetétele és együttműködés: A CPRI konzorcium tagjai (Ericsson, Huawei, NEC, Nokia, Alcatel Lucent) hamarabb jutottak konszenzusra és stabil, jól definiált specifikációt adtak ki. Az OBSAI-ban kezdetben több versengő gyártó volt, ami lassíthatta a fejlődést és a közös nevező megtalálását.
• Piaci elfogadottság: A vezető gyártók, mint az Ericsson és a Nokia (Siemens Networksszel együtt), a CPRI-t választották termékeik alapjául, ami gyorsan megszilárdította a CPRI pozícióját iparági szabványként.
• Sávszélesség-igény: Bár az OBSAI támogatta a tömörített IQ adatokat, a piacon a CPRI nyers IQ adatátviteli megoldása vált elfogadottá, talán az egyszerűbb implementáció és a feldolgozási késleltetés minimalizálása miatt.

Összességében elmondható, hogy míg az OBSAI egy ambiciózusabb, átfogóbb megközelítést kínált a bázisállomás-architektúrák modulárisítására, addig a CPRI a REC és RE közötti interfészre való szűk fókuszával és egyszerűbb implementációjával gyorsabban tudott iparági szabvánnyá válni. Ma már gyakorlatilag minden 4G (LTE) és korábbi generációs mobilhálózat a CPRI-t használja a fronthaul interfészhez. Az OBSAI lényegében eltűnt a piacról, bár egyes technológiai elemei beépülhettek más rendszerekbe vagy szabványokba.

A CPRI dominanciája azonban nem jelenti azt, hogy korlátok nélkül való. A nyers IQ adatok továbbításából adódó hatalmas sávszélesség-igénye továbbra is kihívást jelent, különösen az 5G és a Cloud-RAN architektúrákban. Ezért alakult ki az eCPRI, amely a CPRI alapjaira építve igyekszik orvosolni ezeket a sávszélesség-problémákat, új funkcionális szétválasztási pontokat bevezetve.

A CPRI korlátai és kihívásai a fejlődő hálózatokban

Bár a CPRI forradalmasította a mobilhálózatok architektúráját és számos előnnyel járt, a technológia fejlődésével és az 5G megjelenésével egyre inkább nyilvánvalóvá váltak a specifikáció korlátai és kihívásai. Ezek a korlátok elsősorban a fronthaul hálózat sávszélesség-igényére, a késleltetésre és a rugalmatlan funkcionális szétválasztásra vonatkoznak.

Magas fronthaul sávszélesség-igény

Ez a CPRI legjelentősebb korlátja. Ahogy korábban említettük, a CPRI a nyers IQ adatokat továbbítja a REC és az RE között, még mielőtt a bázissávú feldolgozás során tömörítenék vagy aggregálnák azokat. Ennek eredményeként a szükséges fronthaul sávszélesség rendkívül nagy:

• Növekvő vivőszám és sávszélesség: A 4G (LTE) és különösen az 5G szélesebb sávszélességű vivőket (pl. 100 MHz és afelett) és több vivőaggregációt használ. Ez exponenciálisan növeli az IQ minták számát.
• MIMO és Massive MIMO: A több bemenetű, több kimenetű (MIMO) antennatechnológiák, különösen az 5G Massive MIMO rendszerei, sok antennaelemet használnak. Minden egyes antennaelemhez külön IQ adatfolyam tartozik, ami drámaian megnöveli a CPRI adatsebesség-igényét. Például egy 64T64R (64 adó, 64 vevő) Massive MIMO rendszer 100 MHz-es vivővel több száz gigabit/másodperc CPRI sávszélességet igényelhet.
• Költségek: A hatalmas sávszélesség-igény miatt több optikai szálas kábelre és drágább optikai adó-vevőkre van szükség, ami növeli a fronthaul hálózat kiépítésének és üzemeltetésének költségeit.

Késleltetés (Latency)

A CPRI interfész viszonylag alacsony késleltetéssel (néhány mikroszekundum) működik, ami a 4G hálózatok számára elegendő volt. Azonban az 5G ultra-megbízható és alacsony késleltetésű kommunikációs (URLLC) szolgáltatásai rendkívül szigorú késleltetési követelményeket támasztanak, amelyek a CPRI-n keresztül történő távoli BBU-elhelyezéssel nehezen tarthatók be. A fronthaul optikai szálakon fellépő késleltetés (fénysebességhez kötött) korlátozza a REC és az RE közötti maximális távolságot is, különösen a TDD (Time Division Duplex) rendszerekben, ahol a pontos időzítés kritikus.

Rugalmatlan funkcionális szétválasztás

A CPRI egy fix funkcionális szétválasztási pontot definiál a bázissávú egység és a rádiófej között. Ez azt jelenti, hogy a bázissávú feldolgozás egy meghatározott pontjánál válik szét a REC és az RE. Ez a merev szétválasztás korlátozza a Cloud-RAN (C-RAN) és a virtualizált rádióelérési hálózatok (vRAN) rugalmasságát:

• Centralizáció korlátai: A magas sávszélesség-igény miatt a REC-ek csak viszonylag rövid távolságra (néhány tíz kilométer) helyezhetők el az RE-ktől, ami korlátozza a centralizáció és a BBU Hotel koncepció előnyeit.
• Funkcionális optimalizáció hiánya: A CPRI nem teszi lehetővé a bázissávú feldolgozás további felosztását és optimalizálását különböző hálózati funkciók számára, ami akadályozza a hálózat programozhatóságát és a szolgáltatások dinamikus elhelyezését.

Hálózati topológia és üzemeltetés

A CPRI pont-pont kapcsolatot feltételez minden RRH és BBU között, ami megnöveli a szükséges optikai szálak számát és a hálózati komplexitást, különösen sűrűn lakott területeken. A CPRI fronthaul hálózatok általában „sötét szál” (dark fiber) vagy dedikált hullámhossz (WDM) megoldásokat igényelnek, ami drága lehet.

Ezek a korlátok hívták életre az eCPRI (enhanced CPRI) specifikációt, amelyet kifejezetten az 5G hálózatok igényeinek kielégítésére fejlesztettek ki. Az eCPRI rugalmasabb funkcionális szétválasztási pontokat és hatékonyabb adatátviteli módszereket kínál a fronthaul sávszélesség-igényének drasztikus csökkentése érdekében, miközben a késleltetési követelményeknek is megfelel.

Az eCPRI megjelenése: Válasz az 5G igényeire

Az 5G mobilhálózatok egy sor új és rendkívül ambiciózus követelményt támasztanak, amelyek jelentősen meghaladják a korábbi generációk elvárásait. Ezek közé tartozik az ultra-gyors adatátvitel, az alacsony késleltetés (millisekundum alatti), a masszív eszközcsatlakoztathatóság és a hálózati szeletelés (network slicing). Ahogy azt korábban tárgyaltuk, a CPRI interfész, bár sikeres volt a 4G hálózatokban, a nyers IQ adatok továbbításából adódó hatalmas sávszélesség-igénye és merev funkcionális szétválasztása miatt korlátokba ütközött az 5G elvárásainak teljesítésében.

Erre a kihívásra válaszul született meg az eCPRI (enhanced CPRI) specifikáció, amelyet 2017-ben hoztak létre a CPRI konzorcium tagjai. Az eCPRI nem egy teljesen új interfész, hanem a CPRI továbbfejlesztése, amely az 5G-specifikus igényekre optimalizálja a fronthaul kapcsolatot.

Az eCPRI fő célkitűzései:

• A fronthaul sávszélesség-igényének drasztikus csökkentése: Ez a legfontosabb cél. Az eCPRI a bázissávú feldolgozás egy magasabb szintjén osztja ketté a REC és az RE funkcióit, csökkentve ezzel a továbbítandó adatok mennyiségét.
• Rugalmasabb funkcionális szétválasztás: Az eCPRI rugalmasabb funkcionális szétválasztási pontokat (functional splits) kínál, amelyek lehetővé teszik a bázissávú egység funkcióinak különböző hálózati elemekre való elosztását. Ez támogatja a Cloud-RAN (C-RAN) és a virtualizált rádióelérési hálózatok (vRAN) architektúrák hatékonyabb megvalósítását.
• Ethernet alapú transzport: Míg a CPRI dedikált optikai vagy elektromos vonalakat igényelt, az eCPRI az Ethernet alapú transzportra épül. Ez lehetővé teszi a fronthaul adatok továbbítását meglévő Ethernet hálózatokon keresztül, ami jelentős költségmegtakarítást és nagyobb rugalmasságot eredményez.
• Alacsony késleltetés támogatása: Bár az eCPRI funkcionális szétválasztása növelheti a feldolgozási késleltetést, a szabványt úgy tervezték, hogy a teljes end-to-end késleltetés megfeleljen az 5G URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communication) követelményeinek.

Funkcionális szétválasztás az eCPRI-ben

Az eCPRI kulcsa a rugalmas funkcionális szétválasztás. A CPRI egyetlen, fix szétválasztási pontot használt (PHY/MAC réteg határánál). Az 5G architektúrákban azonban a 3GPP számos lehetséges funkcionális szétválasztási pontot (Option 2-8) definiált, amelyek a bázissávú feldolgozás különböző rétegeiben helyezkednek el. Az eCPRI ezek közül a legelőnyösebbeket célozza meg:

• Magasabb rétegbeli szétválasztás: Az eCPRI jellemzően a fizikai réteg (PHY) felsőbb alrétegeinél, például a High-PHY (L1) és a Low-PHY (L1) között, vagy a MAC (Medium Access Control) és a PHY réteg között valósítja meg a szétválasztást. Ez azt jelenti, hogy az adatokat már részben feldolgozva és tömörítve továbbítják, nem pedig nyers IQ formában.
• Sávszélesség-csökkentés: Az IQ minták helyett gyakran már a demapelt és dekódolt (vagy legalábbis csökkentett mintavételű) adatok kerülnek továbbításra. Ez a tömörítés és a funkcionális szétválasztás jelentősen, akár tízszeresére vagy még jobban csökkentheti a fronthaul sávszélesség-igényét a CPRI-hez képest.

„Az eCPRI az 5G fronthaul hálózatok kulcsa, amely a CPRI korlátait leküzdve teszi lehetővé a széles sávszélességű, alacsony késleltetésű és rugalmas 5G szolgáltatások megvalósítását Ethernet alapú infrastruktúrán.”

Az eCPRI hatása

Az eCPRI megjelenése alapvetően befolyásolja az 5G hálózatok telepítését és üzemeltetését:

• Költségmegtakarítás: Az alacsonyabb sávszélesség-igény csökkenti az optikai szálak számát és a transzport hálózat költségeit. Az Ethernet alapú megoldások lehetővé teszik a meglévő infrastruktúra hatékonyabb kihasználását.
• Nagyobb centralizáció: Mivel a fronthaul sávszélesség-igénye csökken, a REC (vagy az 5G-ben az CU/DU) egységek távolabbra helyezhetők el az RE-ktől (az 5G-ben az RU-któl), akár regionális adatközpontokba is, ami valódi Cloud-RAN architektúrákat tesz lehetővé.
• Rugalmasság és skálázhatóság: A rugalmas funkcionális szétválasztás és az Ethernet transzport nagyobb rugalmasságot biztosít a hálózati funkciók telepítésében és a kapacitás skálázásában.

Az eCPRI tehát kulcsfontosságú technológia az 5G hálózatok számára, amely lehetővé teszi a CPRI korlátjainak leküzdését és az 5G által ígért paradigmaváltás megvalósítását a mobilkommunikációban.

A CPRI hatása a hálózatok telepítésére és üzemeltetésére

A CPRI specifikáció bevezetése paradigmaváltást hozott a mobilhálózatok kiépítésében és üzemeltetésében, alapjaiban alakítva át a bázisállomások telepítésének, karbantartásának és bővítésének módját. Ez a hatás széles spektrumon érezhető volt, a fizikai infrastruktúrától a hálózati menedzsmentig.

Telepítési egyszerűsödés és rugalmasság

• Helyszínválasztás rugalmassága: A távoli rádiófejek (RRH) bevezetése lehetővé tette, hogy az RF egységeket közelebb helyezzék az antennákhoz. Ezáltal az antennák tornyokra, tetőkre vagy akár utcafronti oszlopokra is telepíthetők anélkül, hogy a teljes bázisállomás-elektronikát is oda kellene vinni. Ez jelentősen leegyszerűsítette a helyszínválasztást, különösen a sűrűn lakott városi területeken, ahol a hely korlátozott.
• Könnyebb telepítés: Az RRH-k kisebbek és könnyebbek, mint a hagyományos bázisállomások, így könnyebben szállíthatók és telepíthetők. Csökkent a nehéz emelőgépek és speciális eszközök iránti igény, ami gyorsabb és olcsóbb telepítést eredményezett.
• Csökkentett RF kábelezés: A CPRI interfész optikai kábeleket használ, amelyek sokkal kisebbek és könnyebbek, mint a koaxiális RF kábelek. Ez minimalizálta az antennák és az RF egységek közötti RF kábelhosszt, csökkentve a jelveszteséget és a kábelezési költségeket.

Költségmegtakarítás

• Alacsonyabb helyszíni költségek: Mivel a bázissávú egységek (BBU) centralizálhatók egy közös helyiségben (BBU Hotel), kevesebb helyszínre van szükség a teljes bázisállomás-elektronika számára. Ez csökkenti a bérleti díjakat és az építési költségeket.
• Energiahatékonyság: A BBU-k centralizálása lehetővé teszi a hűtési és energiaellátási infrastruktúra megosztását, ami hatékonyabb energiafelhasználást eredményez. Az RRH-k is gyakran energiahatékonyabbak, mint a monolitikus rendszerek RF részei.
• Egyszerűbb karbantartás: A BBU-k centralizált elhelyezése megkönnyíti a karbantartást és a hibaelhárítást, mivel a mérnököknek kevesebb helyszínre kell kimenniük. A szoftveres frissítések is könnyebben végrehajthatók távolról, ami csökkenti az üzemeltetési költségeket (OPEX).

Hálózati teljesítmény és skálázhatóság

• Javított RF teljesítmény: Az RRH-k antennákhoz való közelsége minimalizálja az RF jelveszteséget, ami jobb lefedettséget, nagyobb kapacitást és jobb jelminőséget eredményez.
• Kapacitásbővítés: A hálózati kapacitás könnyebben bővíthető új RRH-k hozzáadásával egy meglévő BBU-hoz, vagy új BBU-modulok telepítésével egy BBU Hotelben. Ez rugalmasabb skálázhatóságot biztosít a növekvő adatforgalom kezelésére.
• Technológiai függetlenség: A CPRI, mint nyílt interfész, lehetővé tette a különböző gyártók REC és RE egységeinek elméleti interoperabilitását, bár a gyakorlatban a gyártók gyakran saját ökoszisztémájukon belül maradtak. Ennek ellenére a szabvány elősegítette a modulárisabb megközelítést.

Jövőbeli innovációk alapja

A CPRI által bevezetett szétválasztott architektúra alapvető előfeltétele volt a Cloud-RAN (C-RAN) és a virtualizált rádióelérési hálózatok (vRAN) koncepcióinak. A C-RAN-ban a BBU-k centralizált adatközpontokba kerülnek, és szoftveresen, virtualizált környezetben futnak, ami még nagyobb rugalmasságot, erőforrás-kihasználtságot és programozhatóságot tesz lehetővé. Nélküle a modern, szoftver-definiált hálózatok irányába mutató fejlődés sokkal lassabb lett volna.

Összességében a CPRI nem csupán egy technikai interfész volt, hanem egy stratégiai lépés, amely alapjaiban változtatta meg a mobilhálózatok telepítési és üzemeltetési gyakorlatát, előkészítve a terepet a 4G és az 5G generációk széles körű elterjedéséhez és a hálózati infrastruktúra további evolúciójához.

A CPRI jövője és relevanciája a modern távközlésben

A CPRI specifikáció alapvető szerepet játszott a mobilkommunikációs hálózatok fejlődésében, lehetővé téve a távolsági rádiófejek (RRH) széles körű elterjedését és a bázisállomás-architektúrák forradalmasítását. Azonban az 5G hálózatok megjelenésével és az új generációs technológiák (Massive MIMO, mmWave, URLLC) által támasztott szigorú követelményekkel a CPRI korlátai is egyre nyilvánvalóbbá váltak, különösen a fronthaul sávszélesség-igény és a merev funkcionális szétválasztás tekintetében.

Ennek ellenére a CPRI továbbra is rendkívül releváns marad a modern távközlésben, és várhatóan még hosszú évekig kulcsfontosságú eleme lesz a globális mobilinfrastruktúrának. Ennek több oka is van:

Folyamatos relevancia a 4G és korábbi hálózatokban

A világ mobilhálózatainak jelentős része továbbra is 4G (LTE) technológián alapul, és ezek a hálózatok a belátható jövőben is működőképesek maradnak. Számos szolgáltató még mindig 4G hálózatokat bővít és optimalizál, különösen a fejlődő országokban. Ezek a hálózatok túlnyomórészt CPRI-t használnak a fronthaul interfészhez. A CPRI alapú berendezések hatalmas telepített bázissal rendelkeznek, és ezek lecserélése költséges és időigényes folyamat lenne.

Az 5G hibrid telepítések és a non-standalone architektúra

Az 5G hálózatok kezdeti telepítései gyakran non-standalone (NSA) architektúrában történnek, ami azt jelenti, hogy az 5G New Radio (NR) a meglévő 4G LTE maghálózatra és bázisállomásokra támaszkodik. Ezekben a hibrid rendszerekben a CPRI továbbra is szerepet játszhat az LTE komponensek közötti kommunikációban, vagy akár az 5G és LTE közötti koegzisztenciában, ahol az LTE és 5G rádiófejek ugyanazt a BBU-t használják, amely CPRI interfészekkel rendelkezik.

Az eCPRI alapja és a funkcionális szétválasztás megértése

Az eCPRI, mint a CPRI továbbfejlesztése, a CPRI alapjaira épül. Az eCPRI megértéséhez és a különböző funkcionális szétválasztási pontok (functional splits) közötti különbségek értékeléséhez elengedhetetlen a CPRI alapelveinek és keretszerkezetének ismerete. A CPRI képezi azt a referenciapontot, amelyhez képest az eCPRI sávszélesség-megtakarítását és késleltetési tulajdonságait mérik.

Oktatás és kutatás

A CPRI továbbra is alapvető tananyag a távközlési mérnökök és szakemberek számára. A szabvány megértése kritikus a mobilhálózatok belső működésének, a fronthaul koncepciójának és az elosztott rádióelérési hálózatok (Distributed RAN) alapjainak elsajátításához. A kutatásban is referenciapont marad az új fronthaul technológiák és a 5G/6G hálózatok optimalizálásakor.

Köztes megoldások és fejlesztések

Bár az eCPRI a jövő útja, a CPRI-t használó rendszerek optimalizálására is történnek fejlesztések. Például a tömörített CPRI (C-CPRI) megoldások, amelyek célja a CPRI adatfolyam sávszélesség-igényének csökkentése anélkül, hogy teljesen áttérnének az eCPRI-re, szintén hozzájárulhatnak a CPRI relevanciájának fenntartásához bizonyos környezetekben.

Összefoglalva, a CPRI nem fog eltűnni egyik napról a másikra. Mint a mobilhálózatok egy sikeres és széles körben elterjedt technológiája, hosszú ideig velünk marad a 4G hálózatokban, és alapvető referenciapontként szolgál az 5G és azon túli generációk fejlesztésében. A CPRI specifikáció megértése továbbra is kulcsfontosságú a modern távközlési infrastruktúra és annak jövőbeli evolúciójának teljes körű felfogásához.