探讨3GPP在5G新空口中CU/DU低层功能切分问题

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3GPP关于5G新空口中CU/DU低层功能切分的讨论过程和进展

第二部分：RAN3#93bis(2016/10)到RAN3 #96(2017/5)相关提案摘录

2016/10~2017/6：热烈讨论->Study工作暂停->休养生息->重启讨论

1.1 RAN3 #93bis(2016/10)关于CU/DU低层切分(PHY内部)讨论内容摘录

1.1.1 R3-162380：Fronthaul split deployments(Mitsubishi Electric)

RAN3 #93bis上，Mitsubishi Electric提出，将不同的功能分割选项放在同一个RAN部署架构中，如将gNB的大多数高层功能集中在类似数据中心的Central office(CO)中，且部分无线相关的gNB功能采用Central unit来管理，gNB的底层功能采用Distributed unit(DU)来实现。



采用这种架构，可以支持功能切分的级联。

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不过考虑到3GPP规范对部署方式不作具体规定，所以此提案仅被关注(noted)。

1.1.2 R3-162098/R3-162542: CU-DU split: Justification of Option 6 and 7 (NTT Docomo)

R3-162098后续修改为R3-162542并通过(Agreed)。

提案中提出引入7-3的切分方式。

下行方向上，也可以将物理层的编码放在CU中，其余物理层功能位于DU中。采用这种方式，所需前传带宽比7-1和7-2要低。此选项中有效载荷是编码后的数据比特，前传所需峰值带宽与选项6相类似。此选项被称为选项7-3

1.1.3 R3-162343：Consideration about theCU-DU function split between intra-PHY (ZTE)

除了7-1和7-2之外，ZTE提出引入7-3和7-4的切分方式，以便降低CU与DU之间的传输带宽，同时可以实现部分协调功能，如基于ACK/NACK的TB合并、CS/CB等。



选项7-3：上行方向上，FFT、CP去除、资源去影射、信道估算/均衡等功能位于DU中，其它物理层功能位于CU中。下行方向上，iFFT、CP添加、资源影射、预编码和层影射等功能位于DU中，其余物理层功能位于CU中。

选项7-4：上行方向上，FFT、CP去除、资源去影射、信道估算/均衡、IDFT/解调等功能位于DU中，其它物理层功能位于CU中。下行方向上，iFFT、CP添加、资源影射、预编码、层影射和调制等功能位于DU中，其余物理层功能位于CU中。

1.1.4 R3-162376/R3-163544：Benefit of asymmetricalsplit realization of option 7 (CMCC)

对于下行采用7-2而上行采用7-1的异步切分方式(7-3)进行分析。异步切分至少应当考虑如下2个关键点，但是7-1和7-2难以同时满足此两个条件。

分离选项应当保持接收机的优势。JR和MIMO的增益随着上行流数而增加。

前传带宽应当尽量低，应当避免受天线数和层数的影响。



7-3的好处在于，下行数据与层数成比例，但是与天线数或者天线端口数无关，因此可以显著降低前传贷款需求。上行去除了CP数据和频域压缩，因此上行带宽也有所降低。更重要的是，这种选项具有更多的pooling增益。因此，建议RAN3予以考虑。

后来，采用R3-163544替代了R3-162376并获得了通过。R3-163544中去除了7-3选项，但是明确上下行可以采用不同的切分方式。


1.1.5  R3-162423/R3-162545：Analysis of SplitArchitecture Option 8    (Ericsson)

对于选项8，Ericssson分析认为选项8有一定的好处，因此提考虑采用CPRI接口或者演进的CPRI接口的RF-PHY分离的RAN切割方式。

下一代网络中，选项8将基于演进的CPRI PHY-RF接口，它使得所有协议层的处理进程更集中，整个RAN内都可以紧密协调来有效地支持CoMP、MIMO、负荷均衡和移动性等功能。且有助于提升RF器件的寿命和扩展性，有助于RF器件在不同无线接入技术(RAT)的PHY上的复用，有助于PHY资源的pooling，有助于运营商共享RF单元，降低系统和站址成本。

好处：

-  整个协议层间的集中和协调层次较高，有利于资源的高效管理和良好的无线性能。

-  有助于将RF单元与PHY升级分开，增加了RF/PHY的可扩展性。

-  有助于RF单元的复用，来为不同RAT(如GSM、3G和LTE)的PHY层提供服务。

-  有助于PHY资源的Pooling，使得PHY层配置(dimensioning)的成本更加高效。

- 有助于运营商共享RF单元，降低系统和站址成本。

缺点:

-  前传时延需求较高，可能在网络拓扑和传输选择方面限制了网络部署。

- 前传带宽需求较大，意味着传输(如链路容量和设备等)资源和成本的浪费。

R3-162545提案被通过。

1.1.6 R3-162422/R3-162546：Clarifications on fronthaulbitrate requirements (Ericsson)

Ericsson在R3-162422  Clarifications on fronthaul bit rate requirements中提议，传输部分强调为最大理论值，且建议明确增加采样率等备注信息，即：The calculation is made for sampling frequency of 30.72 Mega Sample per secondfor each 20MHz and for a Bit Widthequal to 30。(译文：计算基于20MHz，每秒30.72M的采用频率，比特宽度为30)

此建议被采纳并在TR38801-060中体现了出来。

1.2  RAN3 #94(2016/11)中关于CU/DU低层切分(PHY内部)讨论内容摘录

主要讨论进行标准化的高层和低层切分选项的数目以及开放接口的支持性。多数提案原则上都建议高/低层切分分别只需要明确一种选项就可以了。以获得通过的R3-163214为例说明如下。

1.2.1 R3-163213/R3-163214：CU-DU spit option selection and interface specification (Docomo)
TR38.801中的文字建议：

11.1.3  架构和规范概念

编辑手记：本章至少应该解决以下问题：(1)开放接口规定和支持几种切分选项？(2)LTE/NR紧耦合是否会影响功能切分的数目？(3)CU和DU功能切分的粒度？(4)网络功能切分的重配置的动态性是什么？

11.3.1 开放接口规定和支持的切分选项的数目

实际部署中，传输网的传输时延变化较大，3GPP标准应当应对(cater for)这类传输网络。传输时延较高时，采用高层切分。传输时延较低时，也可采用低层切分来获得性能增强(比如调度集中化)。因此，不同传输网络类别下的切分选项不同。此外，低层切分讨论中，也需要降低传输带宽，支持有效的调度和高级接收机。

1.2.2  R3-162854/R3-163090:RANfunctional split considerations and preferences (Verizon)

[1] 功能分割的考虑：

RAN功能切分应当面向部署场景以及当前和未来的挑战，一些主要的考虑如下：

支持不同的传输带宽特性，传输时延可能从几十微秒到几十毫秒。

切分应当尽量降低前传的带宽需求。

接口复杂度低，以利于CU和DU的独立部署和互操作。

支持多种RAN特性(高的RF带宽、协调处理、先进接收机、mMIMO)以及应用场景(eMBB、URLLC、V2X等)。

[2] 传输带宽:

下表为话务满载情况下不同场景和切分选项下的前传输带宽结果。采用LTE上行20MHz带宽作为基准，并采用2个载波进行聚合，8天线端口，256QAM。Case1-3下，假定载波带宽为100MHz，采用载波聚合后为800MHz。case1采用4CC、8天线端口、64QAM，表示一个相当保守的场景。即使在这种场景下，CPRI接口的带宽还约为90Gbps，是LTE基准条件下的10倍。7-1将基本的FFT/iFFT/PRACH过滤处理放在DU总，从而将传输带宽降到选项8(CPRI)的60%。选项7-2进一步将预编码移到DU中，选项8(CPRI)带宽的降低度取决于层数与天线端口数之间的比率。[img][/img]

7-1和7-2下，除了对(切分接口上的)带宽的降低之外，信号带宽较大时，前传带宽仍然很高。case2(8cc相比于case1下的4cc)和case3(16天线端口相对于case2下的8个)下非常明显，即使采用7-2，其所需前传带宽仍分别接近50Gbps和110Gbps。选项5和选项6的带宽需求相类似，比选项7低很多。高层分割2/3的带宽需求最小。对于case3，选项2/3所需带宽约为25Gbps，仍是LTE的2.5倍左右。

[3] 传输时延:

选项6和8的传输时延要求较高，因为它在HARQ环中。如果NR的HARQ与LTE相类似，则NR的前传时延将因TTI的不同而不同。假设LTE的前传时延约为150~200us(对应选项8，使用CPRI)，则case1-3下采用选项6-8时相应的前传时延约为50us。

对于选项4/5,时延需求约为100us到几毫秒，因为HARQ环不再产生限制，但是RLC的实时性仍会对时延产生一些限制。

高层切分(选项2/3)的时延需求更松，约为5~10ms，它只受端到端吞吐量性能的影响。RAN侧时延是TCP RTT的一部分，并会对总体性能产生影响。

理想核心网条件下，不同丢包率(Packet Loss Rate)下TCP性能和RTT的关系如下图所示。具有相同时延需求的不同切分选项下，能够提供更高可靠性的切分方式可以提供更好的端到端吞吐量。对比选项2和3，选项3提供了更好的传输可靠性，因为ARQ位于CU中，因此利于吞吐量，但是增加了接口上的复杂性。

下表总结了case1-3下的时延需求。

CU-DU传输时延对业务服务区内的CU的密度也有影响。假设前传采用光纤，且光纤的典型时延是5us/Km，则100Km半径内，选项6~8下需要400个CU，而光纤时延200us时(CPRI的典型时延)，只需要25个CU，相差约16倍。因此采用选项6~8时，CU数量多，光纤密度大。

不同切分下的RAN的特性如下。低层切分7-1和8提供了协调处理能力，如联合传输(JT)和联合接收(JR)。选项7-2和6能够提供部分JT/JR功能。LTE-A协调处理特性对于<6GHz频段很有用，能够提高频谱效率，对于<6GHz的eMBB是必需的一个Feature。

然而，协调处理对于mmWave的可用性还有争议，还有待验证。要想在高频段采用高的传输需求来获取频谱效率增益，则高层切分相对更适合。另外，高层切分还是一个话务聚合和与LTE互联的自然点。

选项5和6在进行集中调度和多小区CA时前传带宽需求较低。然而，选项6具有严格的控制面时延需求，因为HARQ处理在CU中进行。选项5下，HARQ处理挪到DU中，调度还在CU中进行，这对时延的要求有所降低。然而，PHY和MAC的分离导致选项5和6之间的接口较为复杂。选项2/3下不采用完整PHY的集中调度和接口复杂性之间的关系还有待研究。

[4]  推荐切分选项:

下表为高层切分推荐方案。需要最少2种切分方式(1高1低)，以应对上述多种考虑，中间层切分也可用于提供更多好处。

[img][/img]高层切分采用选项2和3利于固定无线接入(FWA)、mmWave下的eMBB以及mMIMO。低层采用选项7-1和7-2切分适于<6GHz的协调处理、eMBB和更高阶mMIMO。

(注：对于选项/2/3/7-1/7-2的总结性描述省略，请参看原提案

1.3 RAN3 #95(2017/2)中关于CU/DU低层切分(PHY内部)讨论内容摘录

1.3.1 R3-170681: Thecons of standardizing low-layer splits (Ericsson, Huawei, HiSilicon)

提案论述了CU/DU切分后接口上可能传送的消息种类，得到以下observation：

[1] CU-DU接口设计必须考虑可用的架构，如CU与DU之间的吞吐量。可用前传容量因国家和运营商而已。

[2] 所有低层切分选项都意味着对PHY和MAC中严密耦合的功能进行物理分割，因此必须针对特定的实现来进行处理。

[3] 来自低层切分的挑战可以采用多种方法予以解决。这需要DU-DU接口上对端算法的合作，接口上所交换的信息类别不止取决于算法本身，也取决于功能的放置位置，这些都受传输网络容量的驱动。最后，一些解决方案也需要对Tx/Rx链路上功能的顺序进行改变。

[4] 对CU-DU接口标准化但用来传递部分私有资源分配的消息意味着标准化没有意义。

[5] 波束赋形和调度严格相关，所有低层选项都意味着对这两项进行一定程度的物理分割。

基于以上考虑，建议RAN3不要对低层切分进行标准化。

1.3.2 R3-170736:Issues in standardization of lower layer splits 5, 6, 7 (Huawei , HiSilicon,Ericsson, Nokia, Alcatel-Lucent Shanghai Bell, Samsung, CATT, InterDigital)

提案分析了对低层切分的接口进行标准化时面临的问题。

Obsevation 1：选项5、6和7的功能切分使得数据调度工作在CU中完成。大量信息需要在CU和DU间进行交换，这使得对其接口进行标准化的工作异常复杂和吃力(demanding)。此外，CU和DU间的信息可能会取决于调度策略和无线配置，这与具体实现方式有关(如模式7中的MU-MIM和SU-MIMO以及不同的预编码方式，如数字、模拟或者混合等)。因此，对选项5、6和7采用一种接口进行定义很困难。再有，标准接口上所交换的信息还取决于其他实现相关的因素，如硬件特性、效用以及集成虚拟化能。总之，在5G时间表内(overall timeline)将这个接口标准化并适用于多种实现实现方式(implementations)是有难度的。

Obsevation 2：不同的低层切分选项会严重影响传输网络的设计。单个低层选项的标准化将会迫使传输网络满足特定的性能需求，而一旦此需求不能满足，则将会面临很大的挑战。

基于以上考虑，建议RAN3不要对低层切分的接口进行标准化。

1.3.3 R3-170860: Conclusionof low-layer splits (Ericsson, Huawei, Nokia, Alcatel-Lucent Shanghai Bell)

Proposal 1:RAN架构低层切分的研究工作还没有完成，还需要在NG新RAT研究阶段进行进行研究。需要进一步对需求、实现和选项选择等方面进行评估，以便在标准阶段进行决定。目前为止的研究表明，低层选项6和7更有吸引力。

Propoal 2: RAN3建议对低层切分的进一步的研究工作应当重新开展(re-open)。一些公司相信这个研究工作应当在物理设计足够稳定后于2017年底完成(如2017年12月)。未来的研究工作应当在必要的时候在RAN3中基于NR重新开展(re-open)，包括进一步的需求、实现性研究，包括down selection。

1.3.4 主席决议

其他很多参与者也表示低层切分的接口标准化有一定的难度，建议延后讨论。

RAN3 #95会议最后，主席决定对全会汇报的内容为：

RAN3讨论后对时间表难以达成一致意见，一些公司表示剩余未决工作可以在标准(normative)阶段明确，而另一些公司认为此研究工作应该暂停(suspended)，直到低层协议的标准化工作达到一定的成熟度后再予以重新考虑，如R15之后。

1.4 RAN #75全会(2017/3)对低层切分的决议

2017/3的RAN#75全会结论如下(详见TR38.801 v2.0.0)。

RAN架构的低层分割的研究工作没有完成，需要延后进行。

需要进一步对低层分割方案、可行性、切分方式选择等进行评估，并且进入规范阶段之前，需要基于NR进行技术优势的对比分析。

研究阶段(SI)的讨论结果表明，选项6和7更受赞成。

1.5 搁置期：RAN3 #95bis(2017/4)/RAN 3#96(2017/5)
RAN3 #95bis搁置，未讨论。

RAN 3#96搁置，未讨论。

1.6 RAN3 NR#2(2017/6)重启CU/DU底层切分的讨论

此次会议上提议，依据RAN#75当初的结论，建议在RAN3#97-bis启动低层切分的讨论。

1.6.1 RP-170818->RP-170251：多家单位提议重启CU/DU底层切分的讨论工作

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重新开张后，研究更深入，讨论更热烈，敬请继续关注后续会议中低层切分相关提案的内容描述。

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