關(guān)于5G在CU/DU低層切分問題的討論 - 全文

1.1RAN3 #93bis(2016/10)關(guān)于CU/DU低層切分(PHY內(nèi)部)討論內(nèi)容摘錄

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

RAN3 #93bis上，Mitsubishi Electric提出，將不同的功能分割選項放在同一個RAN部署架構(gòu)中，如將gNB的大多數(shù)高層功能集中在類似數(shù)據(jù)中心的Central office(CO)中，且部分無線相關(guān)的gNB功能采用Central unit來管理，gNB的底層功能采用Distributed unit(DU)來實(shí)現(xiàn)。

采用這種架構(gòu)，可以支持功能切分的級聯(lián)。

不過考慮到3GPP規(guī)范對部署方式不作具體規(guī)定，所以此提案僅被關(guān)注(noted)。

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

R3-162098后續(xù)修改為R3-162542并通過(Agreed)。

提案中提出引入7-3的切分方式。

下行方向上，也可以將物理層的編碼放在CU中，其余物理層功能位于DU中。采用這種方式，所需前傳帶寬比7-1和7-2要低。此選項中有效載荷是編碼后的數(shù)據(jù)比特，前傳所需峰值帶寬與選項6相類似。此選項被稱為選項7-3

1.1.3R3-162343：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與DU之間的傳輸帶寬，同時可以實(shí)現(xiàn)部分協(xié)調(diào)功能，如基于ACK/NACK的TB合并、CS/CB等。

選項7-3：上行方向上，F(xiàn)FT、CP去除、資源去影射、信道估算/均衡等功能位于DU中，其它物理層功能位于CU中。下行方向上，iFFT、CP添加、資源影射、預(yù)編碼和層影射等功能位于DU中，其余物理層功能位于CU中。

選項7-4：上行方向上，F(xiàn)FT、CP去除、資源去影射、信道估算/均衡、IDFT/解調(diào)等功能位于DU中，其它物理層功能位于CU中。下行方向上，iFFT、CP添加、資源影射、預(yù)編碼、層影射和調(diào)制等功能位于DU中，其余物理層功能位于CU中。

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

對于下行采用7-2而上行采用7-1的異步切分方式(7-3)進(jìn)行分析。異步切分至少應(yīng)當(dāng)考慮如下2個關(guān)鍵點(diǎn)，但是7-1和7-2難以同時滿足此兩個條件。

分離選項應(yīng)當(dāng)保持接收機(jī)的優(yōu)勢。JR和MIMO的增益隨著上行流數(shù)而增加。

前傳帶寬應(yīng)當(dāng)盡量低，應(yīng)當(dāng)避免受天線數(shù)和層數(shù)的影響。

7-3的好處在于，下行數(shù)據(jù)與層數(shù)成比例，但是與天線數(shù)或者天線端口數(shù)無關(guān)，因此可以顯著降低前傳貸款需求。上行去除了CP數(shù)據(jù)和頻域壓縮，因此上行帶寬也有所降低。更重要的是，這種選項具有更多的pooling增益。因此，建議RAN3予以考慮。

后來，采用R3-163544替代了R3-162376并獲得了通過。R3-163544中去除了7-3選項，但是明確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)

對于選項8，Ericssson分析認(rèn)為選項8有一定的好處，因此提考慮采用CPRI接口或者演進(jìn)的CPRI接口的RF-PHY分離的RAN切割方式。

下一代網(wǎng)絡(luò)中，選項8將基于演進(jìn)的CPRI PHY-RF接口，它使得所有協(xié)議層的處理進(jìn)程更集中，整個RAN內(nèi)都可以緊密協(xié)調(diào)來有效地支持CoMP、MIMO、負(fù)荷均衡和移動性等功能。且有助于提升RF器件的壽命和擴(kuò)展性，有助于RF器件在不同無線接入技術(shù)(RAT)的PHY上的復(fù)用，有助于PHY資源的pooling，有助于運(yùn)營商共享RF單元，降低系統(tǒng)和站址成本。

好處：

-?整個協(xié)議層間的集中和協(xié)調(diào)層次較高，有利于資源的高效管理和良好的無線性能。

-?有助于將RF單元與PHY升級分開，增加了RF/PHY的可擴(kuò)展性。

-?有助于RF單元的復(fù)用，來為不同RAT(如GSM、3G和LTE)的PHY層提供服務(wù)。

-?有助于PHY資源的Pooling，使得PHY層配置(dimensioning)的成本更加高效。

-有助于運(yùn)營商共享RF單元，降低系統(tǒng)和站址成本。

缺點(diǎn):

-?前傳時延需求較高，可能在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛡鬏斶x擇方面限制了網(wǎng)絡(luò)部署。

-前傳帶寬需求較大，意味著傳輸(如鏈路容量和設(shè)備等)資源和成本的浪費(fèi)。

R3-162545提案被通過。

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

Ericsson在R3-162422? Clarifications on fronthaul bit rate requirements中提議，傳輸部分強(qiáng)調(diào)為最大理論值，且建議明確增加采樣率等備注信息，即：The calculation is made for?sampling frequency of 30.72 Mega Sample per secondfor each 20MHz and?for a Bit Widthequal to 30。(譯文：計算基于20MHz，每秒30.72M的采用頻率，比特寬度為30)

此建議被采納并在TR38801-060中體現(xiàn)了出來。

1.2?RAN3 #94(2016/11)中關(guān)于CU/DU低層切分(PHY內(nèi)部)討論內(nèi)容摘錄

主要討論進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的高層和低層切分選項的數(shù)目以及開放接口的支持性。多數(shù)提案原則上都建議高/低層切分分別只需要明確一種選項就可以了。以獲得通過的R3-163214為例說明如下。

1.2.1R3-163213/R3-163214：CU-DU spit option selection and interface specification (Docomo)

TR38.801中的文字建議：

11.1.3?架構(gòu)和規(guī)范概念

編輯手記：本章至少應(yīng)該解決以下問題：(1)開放接口規(guī)定和支持幾種切分選項？(2)LTE/NR緊耦合是否會影響功能切分的數(shù)目？(3)CU和DU功能切分的粒度？(4)網(wǎng)絡(luò)功能切分的重配置的動態(tài)性是什么？

11.3.1開放接口規(guī)定和支持的切分選項的數(shù)目

實(shí)際部署中，傳輸網(wǎng)的傳輸時延變化較大，3GPP標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)應(yīng)對(cater for)這類傳輸網(wǎng)絡(luò)。傳輸時延較高時，采用高層切分。傳輸時延較低時，也可采用低層切分來獲得性能增強(qiáng)(比如調(diào)度集中化)。因此，不同傳輸網(wǎng)絡(luò)類別下的切分選項不同。此外，低層切分討論中，也需要降低傳輸帶寬，支持有效的調(diào)度和高級接收機(jī)。

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

[1]功能分割的考慮：

RAN功能切分應(yīng)當(dāng)面向部署場景以及當(dāng)前和未來的挑戰(zhàn)，一些主要的考慮如下：

支持不同的傳輸帶寬特性，傳輸時延可能從幾十微秒到幾十毫秒。

切分應(yīng)當(dāng)盡量降低前傳的帶寬需求。

接口復(fù)雜度低，以利于CU和DU的獨(dú)立部署和互操作。

支持多種RAN特性(高的RF帶寬、協(xié)調(diào)處理、先進(jìn)接收機(jī)、mMIMO)以及應(yīng)用場景(eMBB、URLLC、V2X等)。

[2]傳輸帶寬:

下表為話務(wù)滿載情況下不同場景和切分選項下的前傳輸帶寬結(jié)果。采用LTE上行20MHz帶寬作為基準(zhǔn)，并采用2個載波進(jìn)行聚合，8天線端口，256QAM。Case1-3下，假定載波帶寬為100MHz，采用載波聚合后為800MHz。case1采用4CC、8天線端口、64QAM，表示一個相當(dāng)保守的場景。即使在這種場景下，CPRI接口的帶寬還約為90Gbps，是LTE基準(zhǔn)條件下的10倍。7-1將基本的FFT/iFFT/PRACH過濾處理放在DU總，從而將傳輸帶寬降到選項8(CPRI)的60%。選項7-2進(jìn)一步將預(yù)編碼移到DU中，選項8(CPRI)帶寬的降低度取決于層數(shù)與天線端口數(shù)之間的比率。

7-1和7-2下，除了對(切分接口上的)帶寬的降低之外，信號帶寬較大時，前傳帶寬仍然很高。case2(8cc相比于case1下的4cc)和case3(16天線端口相對于case2下的8個)下非常明顯，即使采用7-2，其所需前傳帶寬仍分別接近50Gbps和110Gbps。選項5和選項6的帶寬需求相類似，比選項7低很多。高層分割2/3的帶寬需求最小。對于case3，選項2/3所需帶寬約為25Gbps，仍是LTE的2.5倍左右。

[3]傳輸時延:

選項6和8的傳輸時延要求較高，因為它在HARQ環(huán)中。如果NR的HARQ與LTE相類似，則NR的前傳時延將因TTI的不同而不同。假設(shè)LTE的前傳時延約為150~200us(對應(yīng)選項8，使用CPRI)，則case1-3下采用選項6-8時相應(yīng)的前傳時延約為50us。

對于選項4/5,時延需求約為100us到幾毫秒，因為HARQ環(huán)不再產(chǎn)生限制，但是RLC的實(shí)時性仍會對時延產(chǎn)生一些限制。

高層切分(選項2/3)的時延需求更松，約為5~10ms，它只受端到端吞吐量性能的影響。RAN側(cè)時延是TCP RTT的一部分，并會對總體性能產(chǎn)生影響。

理想核心網(wǎng)條件下，不同丟包率(Packet Loss Rate)下TCP性能和RTT的關(guān)系如下圖所示。具有相同時延需求的不同切分選項下，能夠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。對比選項2和3，選項3提供了更好的傳輸可靠性，因為ARQ位于CU中，因此利于吞吐量，但是增加了接口上的復(fù)雜性。

下表總結(jié)了case1-3下的時延需求。

CU-DU傳輸時延對業(yè)務(wù)服務(wù)區(qū)內(nèi)的CU的密度也有影響。假設(shè)前傳采用光纖，且光纖的典型時延是5us/Km，則100Km半徑內(nèi)，選項6~8下需要400個CU，而光纖時延200us時(CPRI的典型時延)，只需要25個CU，相差約16倍。因此采用選項6~8時，CU數(shù)量多，光纖密度大。

不同切分下的RAN的特性如下。低層切分7-1和8提供了協(xié)調(diào)處理能力，如聯(lián)合傳輸(JT)和聯(lián)合接收(JR)。選項7-2和6能夠提供部分JT/JR功能。LTE-A協(xié)調(diào)處理特性對于<6GHz頻段很有用，能夠提高頻譜效率，對于<6GHz的eMBB是必需的一個Feature。

然而，協(xié)調(diào)處理對于mmWave的可用性還有爭議，還有待驗證。要想在高頻段采用高的傳輸需求來獲取頻譜效率增益，則高層切分相對更適合。另外，高層切分還是一個話務(wù)聚合和與LTE互聯(lián)的自然點(diǎn)。

選項5和6在進(jìn)行集中調(diào)度和多小區(qū)CA時前傳帶寬需求較低。然而，選項6具有嚴(yán)格的控制面時延需求，因為HARQ處理在CU中進(jìn)行。選項5下，HARQ處理挪到DU中，調(diào)度還在CU中進(jìn)行，這對時延的要求有所降低。然而，PHY和MAC的分離導(dǎo)致選項5和6之間的接口較為復(fù)雜。選項2/3下不采用完整PHY的集中調(diào)度和接口復(fù)雜性之間的關(guān)系還有待研究。

[4]?推薦切分選項:

下表為高層切分推薦方案。需要最少2種切分方式(1高1低)，以應(yīng)對上述多種考慮，中間層切分也可用于提供更多好處。

高層切分采用選項2和3利于固定無線接入(FWA)、mmWave下的eMBB以及mMIMO。低層采用選項7-1和7-2切分適于<6GHz的協(xié)調(diào)處理、eMBB和更高階mMIMO。

(注：對于選項/2/3/7-1/7-2的總結(jié)性描述省略，請參看原提案

1.3RAN3 #95(2017/2)中關(guān)于CU/DU低層切分(PHY內(nèi)部)討論內(nèi)容摘錄

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

提案論述了CU/DU切分后接口上可能傳送的消息種類，得到以下observation：

[1]CU-DU接口設(shè)計必須考慮可用的架構(gòu)，如CU與DU之間的吞吐量。可用前傳容量因國家和運(yùn)營商而已。

[2]所有低層切分選項都意味著對PHY和MAC中嚴(yán)密耦合的功能進(jìn)行物理分割，因此必須針對特定的實(shí)現(xiàn)來進(jìn)行處理。

[3]來自低層切分的挑戰(zhàn)可以采用多種方法予以解決。這需要DU-DU接口上對端算法的合作，接口上所交換的信息類別不止取決于算法本身，也取決于功能的放置位置，這些都受傳輸網(wǎng)絡(luò)容量的驅(qū)動。最后，一些解決方案也需要對Tx/Rx鏈路上功能的順序進(jìn)行改變。

[4]對CU-DU接口標(biāo)準(zhǔn)化但用來傳遞部分私有資源分配的消息意味著標(biāo)準(zhǔn)化沒有意義。

[5]波束賦形和調(diào)度嚴(yán)格相關(guān)，所有低層選項都意味著對這兩項進(jìn)行一定程度的物理分割。

基于以上考慮，建議RAN3不要對低層切分進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

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

提案分析了對低層切分的接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化時面臨的問題。

Obsevation 1：選項5、6和7的功能切分使得數(shù)據(jù)調(diào)度工作在CU中完成。大量信息需要在CU和DU間進(jìn)行交換，這使得對其接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的工作異常復(fù)雜和吃力(demanding)。此外，CU和DU間的信息可能會取決于調(diào)度策略和無線配置，這與具體實(shí)現(xiàn)方式有關(guān)(如模式7中的MU-MIM和SU-MIMO以及不同的預(yù)編碼方式，如數(shù)字、模擬或者混合等)。因此，對選項5、6和7采用一種接口進(jìn)行定義很困難。再有，標(biāo)準(zhǔn)接口上所交換的信息還取決于其他實(shí)現(xiàn)相關(guān)的因素，如硬件特性、效用以及集成虛擬化能。總之，在5G時間表內(nèi)(overall timeline)將這個接口標(biāo)準(zhǔn)化并適用于多種實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)方式(implementations)是有難度的。

Obsevation 2：不同的低層切分選項會嚴(yán)重影響傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。單個低層選項的標(biāo)準(zhǔn)化將會迫使傳輸網(wǎng)絡(luò)滿足特定的性能需求，而一旦此需求不能滿足，則將會面臨很大的挑戰(zhàn)。

基于以上考慮，建議RAN3不要對低層切分的接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

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

Proposal 1:RAN架構(gòu)低層切分的研究工作還沒有完成，還需要在NG新RAT研究階段進(jìn)行進(jìn)行研究。需要進(jìn)一步對需求、實(shí)現(xiàn)和選項選擇等方面進(jìn)行評估，以便在標(biāo)準(zhǔn)階段進(jìn)行決定。目前為止的研究表明，低層選項6和7更有吸引力。

Propoal 2: RAN3建議對低層切分的進(jìn)一步的研究工作應(yīng)當(dāng)重新開展(re-open)。一些公司相信這個研究工作應(yīng)當(dāng)在物理設(shè)計足夠穩(wěn)定后于2017年底完成(如2017年12月)。未來的研究工作應(yīng)當(dāng)在必要的時候在RAN3中基于NR重新開展(re-open)，包括進(jìn)一步的需求、實(shí)現(xiàn)性研究，包括down selection。

1.3.4主席決議

其他很多參與者也表示低層切分的接口標(biāo)準(zhǔn)化有一定的難度，建議延后討論。

RAN3 #95會議最后，主席決定對全會匯報的內(nèi)容為：

RAN3討論后對時間表難以達(dá)成一致意見，一些公司表示剩余未決工作可以在標(biāo)準(zhǔn)(normative)階段明確，而另一些公司認(rèn)為此研究工作應(yīng)該暫停(suspended)，直到低層協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化工作達(dá)到一定的成熟度后再予以重新考慮，如R15之后。