5G系统架构中CU-DU分离的必要性

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5G架构中采用哪种CU-DU分离方案还有待2017年4月份确定。但是,5G系统中为什么一定要采用CU-DU分离的架构哪? 3G时代RNC和NodeB刚演变为eNodeB,又考虑将eNodeB再重新划分为CU和DU逻辑单元或者物理实体,这到底是进步还是倒退哪?早期大家对CU和DU分离架构又是如何考虑的哪?

 

从5G规范讨论开始,这些问题就在逐步讨论和明确中了。借助最早一次RAN3的会议(#91bis)讨论提案,我们来获取一些分析结果和答案。

 

1.    3GPP讨论过程中CU-DU分离架构的变化

 

通过各次会议对TR38.801中CU-DU架构的描述,有助于大致了解相关讨论内容和进展。去年5月进行的RAN3#91bis会议发布的TR38.801只考虑7种分割方案,在其后的RAN3#92会议中才加入了第8种切分方案(即RLC内部切分的方式)。此后的会议就基于这8种分割方式进行讨论。

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RAN3#91bis对应的TR38.801-v010中的CU-DU切分方式:

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RAN3#92对应的TR38.801-v020中的CU-DU切分方式:

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2.    为什么要进行CU-DU分离?

 

TR38.913需求中明确提出“Different options and flexibility for splitting the RAN architectureshall be allowed”,因此,2016年5月底进行的RAN3 #91bis会议上就开始正式讨论RAN架构分割的方案。这里借助RAN3 #91bis会议上的一些提案来分析和说明CU和DU分离的必要性的问题。

 

2.1    RAN3#91bis会议上NEC/KDDI的观点

 

NEC/KDDI的提案“R3-160766 Motivation of Functionality Splitting in RAN architecture”就是对CU/DU分离的动机进行讨论的。其主要看法是,目前基于CPRI实现BBU和RRU分离时,采用理想前传,每10MHz单天线端口所需CPRI带宽为614.4Mbps。当信号带宽和天线端口都增加时,CPRI接口的带宽需求也线形增加。如200MHz且256天线端口下,所需CPRI带宽为2560Gbps。如果采用ITU规定的5G系统最大带宽1GHz,且采用256天线,则CPRI带宽需求为12800Gbps。因此,对现有RAN架构进行分离可以有效降低前传(Front-haul)的带宽需求。

 

2.2    RAN3#91bis会议上Intel的观点

 

Intel在提案“R3-160622 Fronthaul and RAN functional split aspects of the nextgeneration radio access network”中分析认为,NGMN/ETSI以及MWC2016都展示过RAN分割的概念(即C-RAN),不过C-RAN的名字和含义有所差异,比如Cloud RAN、Centralized RAN、Virtual RAN等。Centralized RAN在协作处理、性能、CAPEX/OPEX降低、节能等方面都有好处。

 

举例来说,不同场景下小区吞吐量变化和波动很大,因此将多个小区集中进行处理,有助于降低吞吐量处理能力和传输网需求,因此C-RAN效率较高,易于扩展。另外,目前C-RAN实施过程中都采用CPRI、OBSAI或者厂家自有传输方案,其带宽和时延要求较高。5G系统中吞吐量高达10Gbps时,对CPRI的带宽要求相当大,因此可能阻止C-RAN的部署。ETSI OSR会考虑CPRI压缩,但是压缩后所带来的带宽增加也有限。

 

Intel认为Centralized RAN可以包含中央单元(central RAN unit)和分布单元(distributed RAN unit),且RAN架构考虑不应该只由协议栈驱动,也应该由C-RAN自身的需求来驱动。比如,RAN支持CU单元和DU单元分割时可能会对调度设计造成影响,如时延需求等,反过来,时延需求也会影响RAN功能分割。另外,还需要考虑多种分割方式,并实现功能切分的动态配置等。Intel提供了4种分割方式(考虑CPRI接口的话应该算是5种吧),主要是在不同协议层之间实现CU和DU的分割。

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2.3    RAN3#91bis会议上AT&T的观点

 

AT&T在“R3-160670 Flexible Split of Next Generation RAN ArchitectureFunctions”中提到RAN架构分割的2大驱动力是性能和NFV。

 

Intel认为,5G系统中网络与传统的3G和4G系统是不同的,5G为多个频率(高低频以及非授权频段)且多层重叠(multi-tiered,如宏蜂窝+微小区),因此要在如此复杂的网络中获得更大的性能增益,就需要中央处理单元实现干扰管理和话务聚合作用。其次,由于5G的带宽大,天线数目多,因此某些条件下无法完全集中化管理,比如多天线处理、前传压缩等功能还需要在远端分布单元中实现。从而采用RAN架构分离便于在各种场景下提供更大的灵活性。再有,实现多连接时,UE到网络的连接来自多个频率下的多个传输点,为了防止话务在前传上多次转发,采用中央单元来集中进行话务处理就更为有效。最后,5G系统中采用网络功能虚拟化(NFV)时,一些高层功能可以集中在硬件资源池中实现,因此集中处理也很有必要。

 

总体上来看,AT&T认为中央单元和分布单元进行切分可以带来以下好处:

 

各种场景下都可以通过灵活的硬件部署节省成本。

CU/DU分离架构可以实现性能协调、话务管理、实时性能优化以及NFV/SDN。

可配置的功能分割可以适应于不同场景,如传输时延变化等。

灵活的功能分割便于实现网络资源的实时按需配置。

有助于实现网络切片-针对业务进行C/U的处理。

支持用户和应用的边缘分析。

 

2.4 RAN3#91bis会议上CATT的观点

 

“R3-160775 Consideration on RAN architecture in 5G NR”中,CATT提到,为了实现5G的性能目标,需要增加带宽、提高频谱效率并增加站址密度。带宽增加意味着需要采用高频段,而这会降低小区覆盖,从而需要增加传输接收点(TRP- TransmissionReception Point)。而TRP的增加对网络带来很大挑战,比如信令开销、不同TRP以及节点间的移动管理和协调等。为了解决这些问题,需要考虑采用在RAN侧引入Centralized unit。如下图所示。

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RAN CU的主要作用为:

 

移动锚点。从CN的角度看,RAN CU内部的移动性不可见,从而降低CN的信令开销和复杂度。

集中控制。当UE在CU内部移动时,如果每个TRP都采用独立的连接控制,则切换和数据转发会非常频繁。而采用CU将控制协议和安全协议集中化后,UE在CU控制的TRP间移动时,UE的信令过程和数据中断会降低。

多TRP协调。当TRP属于不同的系统(RAT)时(如4G和5G),CU可以通过multi-RAT协调来支持系统间的互操作。

CN功能下移。如将一些PGW和SGW功能下移到RAN。

同时,通过CU内部的CP和UP分离,还可以实现其它更加灵活的功能。

 

2.5    RAN3#91bis会议上Ericsson的观点

 

在“R3-160843RAN internal architecture”中,Ericsson探讨了5G C-RAN与3G和LTE的传承和发展问题。

 

LTE早期标准中要求采用全IP扁平网络,这是因为3G系统中的RNC和NodeB架构不满足运营商的要求。RNC与eNodeB之间的资源与RNC中的RLC终结点相分离,从而对NodeB和RNC之间的流控要求比较高。另外,在HSDPA标准中,3G架构还会产生变化,比如RNC中的一些功能就移到了NodeB中。

 

LTE架构下,RAN只包含单一的逻辑节点eNodeB,S1和X2都终结在eNodeB上,便于实现多厂家的互操作(interaction)。LTE架构也显示出了高度的灵活性,比如采用集中基带处理实现CoMP等功能,必要的话,也可以对高层进一步集中和虚拟化。值得一提的是,许多新功能如MBMS、eNB/CSG、SON增强、IMS VoLTE、PWS、CA、DC、D2D、CSFB、MIMO增强、CoMP、eICIC以及网络切片等等等等等功能都在LTE网络上实现了,且不需要对RAN架构进行根本性的变化。因此,这种扁平架构促进了上述功能的标准化工作,且在实现和IoT方面也简单化了。

 

报告中还提到,LTE曾经考虑过对E-UTRAN分割,但是由于存在一些问题所以未予实施,比如标准化的延迟、新功能实现和测试延迟以及设备上实现差异导致的问题等。另外,3G当初也考虑过Iub接口的协议分割问题,但是也同样证明没有效率,会带来一些问题,如内部调度算法难以实施、Iub接口时延对性能的影响等。

 

LTE系统中,一些空口设计比较严格,如DL HARQ ACK固定为4ms使得基带处理集中化比较困难,从而对某些场景下inter-eNB CA的部署带来影响。也正是由于这个原因,才引入了双连接的概念。另外,物理小区号PCI与PSS/SSS以及PDCCH/CRS/MIB/SIB以及切换算法、密钥变化等密切相关,从而对容量和安全参数等带来影响。还有,CRS/PSS/SSS/MIB采用固定周期传送也对能耗带来很大影响。而对这些设计进行改变来实现后向兼容的难度很大,几乎不可能,因此对灵活部署带来很大影响。

 

Ericsson认为,5G系统需要采用新空口的优化设计来排除这些限制因素,降低定时要求,降低参数和信号间的密切关联性,实现灵活部署,而RAN架构的变化则在其次。

 

可见Ericsson早期对RAN架构CU-DU切分持谨慎态度。不过,借助这个文档,也能让我们了解LTE与3G系统中存在的一些问题,以及对架构考虑的一些深层次的考虑。

 

3.    CU-DU如何进行分离?

 

RAN3#91bis会议上,对于CU-DU分离方式,大家一致认为需要采用多种分离方式,且提出了各自的观点。

 

3.1    RAN3#91bis会议上Sumsung的观点

 

在“R3-160679 Functionsplit between central and remote node”中,Sumsung提出了7种分割的方式,如图所示。

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这个提案与后续讨论的8种方案已经非常类似了。不同的是,它没有考虑PDCP之上的切分,没有进行RLC内部切分,但是却在物理层内进行了2次切分。

针对各种分割方案的优劣分析,提案中也进行了简单分析,此处不予详述。