3GPP R14 CU-DU分割选项内容摘录

Lumhao

对于CU/DU的分割方式，3GPP R14中已经明确高层采用选项2作为R15的标准化工作了，而低层分割尚未明确。

为了更好地了解选项2和其它各种选项，本文基于R14的定稿版本TR38.801-e00，对其中RAN架构讨论章节中的相关内容进行摘录翻译，以便大家学习参考。

1. TR38.801中8中CU-DU分割选项

[1]    选项1(类似1A的切分方式)：

类似于双连接中1A的切分方式。RRC位于中央单元CU中，PDCP、RLC、MAC以及物理层和RF都位于分布单元DU中。

[2]    选项2(类似3C的切分方式)：
类似于双连接中3C的切分方式。RRC和PDCP位于中央单元CU中，RLC、MAC以及物理层和RF都位于分布单元DU中。

[3]    选项3(RLC内部切分)：
RLC的低层(部分RLC功能)、MAC及物理层和RF都位于分布单元DU中，而PDCP和RLC的高层(部分RLC功能)位于中央单元CU中。

选项3-1：基于ARQ分割

选项3-2：基于TX RLC和RX RLC分割


[4]    选项4(RLC与MAC之间切分)：
MAC、物理层和RF位于DU中，PDCP和RLC位于CU中。

[5]    选项5(MAC内部切分):
RF、物理层和部分MAC功能(如HARQ)位于DU中，MAC高层、RLC和PDCP位于CU中。

[6]    选项6(MAC和PHY切分):
RF和物理层(PHY)位于DU中，其余高层位于CU中。

[7]    选项7(物理层内部切分):
部分物理层功能和RF位于DU中，其余高层位于CU中。

选项7-1：上行方向上，FFT、CP去除以及PRACH过滤功能都在DU中，其他物理层功能在CU中。下行方向上，iFFT和CP添加功能在DU中，其他物理层功能在CU中。


选项7-2：上行方向上，FFT、CP去除以及资源解影射以及预滤波功能都在DU中，其他物理层功能在CU中。下行方向上，iFFT、CP添加和预编码功能都在DU中，其他物理层功能在CU中。


选项7-3：仅用于下行方向上。编解码位于CU中，其他物理层功能位于DU中。


[8]    选项8(物理层和RF切分):
RF功能位于DU中，其余高层位于CU中。

2.TR38.801中8中CU-DU选项优劣分析

针对上述8种CU-DU分割方式，TR38.801对每种方式进行了详细分析，原文翻译如下。

1.1   选项1(RRC/PDCP，类似1A的切分方式)

这种切分方式下，RRC在CU中实现，PDCP、RLC、MAC、物理层和RF都位于DU中，因此整个用户面都在DU中。其好处在于RRC/RRM集中处理，且与用户面分离，边缘计算和低时延场景下，用户数据与传输点之间的距离比较近，可能具有一定的好处。缺点是，由于RRC和PDCP分离，实际部署中对接口进行安全性保证时，有可能会影响性能，且需要具体分析此种方案是否可以支持双连接3C下的聚合功能。

1.2   选项2 (PDCP/RLC切分方式)

选项2类似X2的设计方式，因为其用户面类似，但是控制面一些功能有差异，如需要新的过程。

1.2.1    选项2-1：仅分离用户面(类似3C)

RRC、PDCP在CU中，RLC、MAC、PHY和RF在DU中。

这种方式下，NR和E-UTRA中的话务聚合功能可以集中实现。另外，可以对NR和E-UTRA之间的话务负荷进行管理。LTE双连接中对PDCP和RLC之间的3C分割方式已经标准化了，因此这种分割方式利于标准化，所需工作量较小。(目前用户面概念在研究中，控制面概念不包含在此研究工作中)。另外，从LTE迁移的角度看，LTE-NR与功能分割方式在用户面一致也是有好处的。
1.2.2    选项2-2：控制面与用户面分离

RRC、PDCP在CU中，RLC、MAC、PHY和RF在DU中。另外，可以将控制面的RRC和PDCP与用户面的PDCP放在不同的CU中来实现。

这种方式下，NR和E-UTRA中的话务聚合功能可以集中实现。另外，可以对NR和E-UTRA之间的话务负荷进行管理。它利于PDCP层的集中化。它主要受用户面过程的影响，可随着话务负荷的增加来扩充(scale)。RRC/RRM集中处理，且与用户面分离，但是需要确保不同PDCP instance间的安全性配置。

1.3    选项3 (High RLC/Low RLC切分方式)

基于实时性和非实时性，采用2种功能分割方式：

1.3.1    选项3-1：基于ARQ分割

低层RLC包括分段(segmentation)功能，高层RLC包括ARQ和其他RLC功能。这种方式下，RLC分为高层和低层。RLC确认模式下，所有RLC功能由位于CU中的RLC高层子层来实现；分段(segmentation)功能由位于DU中的RLC低层子层来实现。高层RLC根据状态报告进行RLC PDU的封装，低层RLC将RLC PDU封装到可用的MAC PDU资源中。

优点和评估：

此选项可以集中实现NR和E-UTRA传输点的话务聚合。另外，它有助于实现NR和E-UTRA传输点间的话务负荷的管理工作。
此选项在切分点上能实现更好的流量控制。
集中化增益：位于CU中的ARQ可以提供集中化或者pooling增益。
传输网的失败可以使用CU中端到端的ARQ算法来恢复，从而对重要数据和控制面信令提供保护。
DU中没有RLC功能，可以处理更多的处于连接模式下的UE，因为不需要储存RLC状态信息，因此也不需要UE context。
此选项可以提供有效方法来实现综合接入和回传，以支持具有自回传功能(self-backhauled)的NR TRP。
此选项在非理想传输情况下会更为强壮，因为ARQ和包排序工作都在CU中实现。
因为没有ARQ协议，所以可以降低DU中的处理和缓存需求。
可在不同DU下的多个无线leg上使用，提供更高的可靠性(C面和U面)。
可以在gNB间实现基于RAN的移动性。

缺点是，相对而言，此切分比DU中ARQ切分更具有时延敏感性，因为在切分的传输网络上，重传更易受传输网络时延的影响。

1.3.2    选项3-2：基于TX RLC和RX RLC分割

描述：

低RLC层的组成部分包括：发送TM RLC实体、发送UM RLC实体、与下行传送相关的AM的发送侧和AM接收测的路由功能等。
高RLC层的组成部分包括：接收TM RLC实体、与上行传送相关的接收UM RLC实体、没有路由功能的AM接收和RLC状态报告的接收等。              

发送：Tx RLC从PDCP接收RLC SDU，并将其根据MAC的格式指示符进行传送。RLC接收到MAC发送的PDU请求后，RLC必须根据MAC的格式指示符将MAC PDU进行封装，随后将MAC SDU发送到MAC。为了适配CU和DU间的传输网络，将Tx RLC放置在DU中非常关键。

接收：Routing接收到来自MAC的RLC PDU，并判断CONTROL PDU/DATA PDU,然后将DATA PDU发送到Rx RLC，将CONTROL PDU发送到Tx RLC。当触发PDCP/RLC重建过程时，将Rx RLC放置在CU中很关键，以便实时将数据包发送到PDCP。

选项3-2不仅对CU和DU间的传输网络的时延很敏感，也使用PDCP-RLC和MAC-RLC之间的传统接口格式。其好处在于：

此选项可以集中实现NR和E-UTRA传输点的话务聚合。另外，它有助于实现NR和E-UTRA传输点间的话务负荷的管理工作。
CU中实现流量控制，因此CU中需要有相应的缓存器。TX缓存放在DU中，因此，来自CU的数据流在发送前需要进行流量控制时，可以先在CU中缓存。另外，流量控制不考虑前传的情况。
由于Rx RLC放在CU中，因此当将RLC SDU发送给PDCP时，如果出现PDCP/RLC重建过程，则没有别的传送时延。
这个选项不会对传输产生任何影响，比如导致传输网络阻塞等。MAC将RLC PDU作为一个完整的包发送给RLC，而不是由RLC将RLC SDU发送给PDCP。

缺点：

相对于RLC不进行切分的情况来讲，AM Rx RLC的STATUS PDU可能产生额外的时延。因为在DU中的Tx RLC将STATUS PDU通过空口发送之前，STATUS PDU必须通过CU到DU的PDCP-Tx RLC接口进行发送，从而产生另外的传输时延。
由于在CU中执行流量控制，且RLC Tx在DU中，因此需要2个缓存来进行发送。CU中的缓存允许流量控制数据发送到RLC Tx，DU中的缓存则用于执行RLC Tx。

1.4    选项4 (RLC-MAC切分方式)

RRC、PDCP和RLC在CU中，MAC、物理层和RF在DU中。
从LTE协议栈的角度看，此选项没有明显的好处，还需要结合NR协议栈深入研究。

1.5    选项5 (intra MAC切分方式)

选项5中：

DU中包含RF、物理层和MAC低层(Low-MAC)。
CU中包含MAC高层(High-MAC)、RLC和PDCP层。

将MAC层分为2个实体(High-MAC和Low-MAC)，则MAC提供的服务和功能将可能分布在CU中、DU中，或者同时分布在CU和DU中。

优点举例分析如下：

High-MAC子层中，集中调度负责多个Low-MAC子层的控制，它进行高层集中调度决策。
High-MAC子层中的小区间干扰协调负责干扰协调，如JP/CS CoMP。
Low-MAC子层中,时间严格功能包括时延需求迫切的HARQ等功能，以及性能与时延成比例的功能(如来自PHY的无线信道和信号测量、随机接入控制等)。它降低了前传接口上的时延需求。
Low-MAC子层中无线相关的功能可用于执行调度相关的信息处理和上报，它也可以测量/评估所配置的操作的activities，或者所服务的UE到High-MAC子层的的统计和周期或事件报告。

根据intra-MAC功能分割的不同实施方法，优劣分析如下：

优点：

此选项可以集中实现NR和E-UTRA传输点的话务聚合。另外，它有助于实现NR和E-UTRA传输点间的话务负荷的管理工作。
根据RAN-CN接口上的负荷来降低前传的带宽需求。
降低前传的时延需求(如果HARQ处理和小区相关的MAC功能在DU中实现的话)。
多个小区间的有效的干扰管理以及增强的调度技术，如多小区间的CoMP和CA等。

缺点：

CU和DU间接口的复杂性。
难以在CU和DU上定义调度操作。
CU和DU间的调度决策取决于前传时延，在非理想前传和短TTI下，可能影响性能。
一些CoMP算法可能受到限制(如UL JR)。

1.6    选项6 (MAC-PHY切分方式)

MAC和高层在CU中，PHY层和RF在DU中。CU和DU间的接口承载数据、测量、配置和调度相关的信息(如MCS、层影射、波束赋形、天线配置、资源块分配等)。

优点：

此选项可以集中实现NR和E-UTRA传输点的话务聚合。另外，它有助于实现NR和E-UTRA传输点间的话务负荷的管理工作。
选项6的有效载荷是传输块比特，所以基带比特率的吞吐量较低，利于降低前传的需求。
MAC在CU中，便于实现联合传输。
MAC在CU中，便于实现集中调度。
可以实现MAC层或者MAC上层的layer间的资源pooling。

缺点：此分割需要在CU中的MAC层和DU中的PHY层间进行子帧级的定时交互，前传环路时延可能影响HARQ定时(timing)和调度。

1.7    选项7 (intra PHY切分方式)

此选项包括多个子选项，包括DL和UL独立进行分割的异步选项(如7-1用于UL，7-2用于下行)，并可使用压缩技术来降低CU和DU间所需的传输带宽。

上行方向上，FFT、CP去除都位于DU中，2个子选项描述如下，剩余部分位于CU中。
下行方向上，iFFT和CP添加位于DU中，3个子选项描述如下，PHY的剩余部分位于CU中。

优势和评估(选项7-1、7-2和7-3的共性部分):

这些选项可以集中实现NR和E-UTRA传输点的话务聚合。另外，它有助于实现NR和E-UTRA传输点间的话务负荷的管理工作。
这些选项能够降低吞吐量对前传带宽的需求。
MAC位于CU中，可以实现集中调度，如CoMP。
MAC位于CU中，发送和接收都可以实现联合处理。

缺点：

这种分割需要CU内的PHY层和DU中的PHY层实现子帧级定时交互。

选项7-2：

上行方向上，FFT、CP去除、资源去影射以及可能的预过滤功能都位于DU中，其余PHY功能位于CU中。
下行方向上，iFFT、CP添加、资源影射和预编码功能位于DU，其余PHY功能位于CU中。

好处和评估：

两个选项都需要先进接收机的优化使用。

选项7-3(仅用于下行)：

只有编解码位于CU中，PHY层其他功能位于DU中。
此选项的有效载荷是编码后的数据，所以基带比特率的吞吐量较低，利于降低前传的需求。

1.8    选项8 (PHY-RF切分方式)

选项8允许对RF和PHY层进行分割。这种分割能够进行所有协议层的集中处理，使得RAN具有高度协调功能，从而能够有效支持CoMP、MIMO、负载均衡以及移动性等功能。

好处和评估：

这些选项可以集中实现NR和E-UTRA传输点的话务聚合。另外，它有助于实现NR和E-UTRA传输点间的话务负荷的管理工作。
在整个协议栈上进行高层集中和协调，能够获取高效的资源管理和无线性能。
对RF和PHY进行分割，使得RF单元与PHY的升级没有关系，从而增强RF/PHY的可扩展性。
RF和PHY分离可以将RF单元复用来对不同无线接入技术的物理层提供服务(如GSM、3G和LTE等)。
RF和PHY分离允许多PHY资源进行pooling，从而对物理层进行更有效的规划(dimensioning)。
RF和PHY分离允许进行RF单元共享操作，从而降低系统和站点成本。

缺点：

前传时延需求高，会对网络部署造成限制，如网络拓扑和可用传输选项。
前传带宽需求高，意味着资源消耗更高、传输配置(dimensioning)的成本高(链路容量和设备等)。

3. TR38.801中8中CU-DU选项对比

每种切分方式特点对比如下。

注1：本总结表是基于LTE协议栈进行的，后续将根据NR协议栈予以更新。
注2：本总结表不能用于分析目前的切分方式。
注3：本总结表头用于对各种CU/DU切分方式提供高层总结，因此集中在一些主要，不是非常全面和详尽。
注4：对URLCC/MEC也许有好处。
注5：由于调度器和物理层处理分开了，所以增加了复杂性。
注6：由于调度器和HARQ分开了，所以增加了复杂性。
注7：在研究阶段(SI)未加以明确和澄清。

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