-RAN3#91bis會議提案的簡要分析

2017/3/27

5G架構(gòu)中采用哪種CU-DU分離方案還有待2017年4月份確定。但是，5G系統(tǒng)中為什么一定要采用CU-DU分離的架構(gòu)哪？ 3G時代RNC和NodeB剛演變?yōu)閑NodeB，又考慮將eNodeB再重新劃分為CU和DU邏輯單元或者物理實體，這到底是進步還是倒退哪？早期大家對CU和DU分離架構(gòu)又是如何考慮的哪？

從5G規(guī)范討論開始，這些問題就在逐步討論和明確中了。借助最早一次RAN3的會議(#91bis)討論提案，我們來獲取一些分析結(jié)果和答案。

1.    3GPP討論過程中CU-DU分離架構(gòu)的變化

通過各次會議對TR38.801中CU-DU架構(gòu)的描述，有助于大致了解相關(guān)討論內(nèi)容和進展。去年5月進行的RAN3#91bis會議發(fā)布的TR38.801只考慮7種分割方案，在其后的RAN3#92會議中才加入了第8種切分方案(即RLC內(nèi)部切分的方式)。此后的會議就基于這8種分割方式進行討論。

• RAN3#91bis對應(yīng)的TR38.801-v010中的CU-DU切分方式：

• RAN3#92對應(yīng)的TR38.801-v020中的CU-DU切分方式：

2.    為什么要進行CU-DU分離？

TR38.913需求中明確提出“Different options and flexibility for splitting the RAN architectureshall be allowed”，因此，2016年5月底進行的RAN3 #91bis會議上就開始正式討論RAN架構(gòu)分割的方案。這里借助RAN3 #91bis會議上的一些提案來分析和說明CU和DU分離的必要性的問題。

2.1    RAN3#91bis會議上NEC/KDDI的觀點

NEC/KDDI的提案“R3-160766 Motivation of Functionality Splitting in RAN architecture”就是對CU/DU分離的動機進行討論的。其主要看法是，目前基于CPRI實現(xiàn)BBU和RRU分離時，采用理想前傳，每10MHz單天線端口所需CPRI帶寬為614.4Mbps。當(dāng)信號帶寬和天線端口都增加時，CPRI接口的帶寬需求也線形增加。如200MHz且256天線端口下，所需CPRI帶寬為2560Gbps。如果采用ITU規(guī)定的5G系統(tǒng)最大帶寬1GHz，且采用256天線，則CPRI帶寬需求為12800Gbps。因此，對現(xiàn)有RAN架構(gòu)進行分離可以有效降低前傳(Front-haul)的帶寬需求。

2.2    RAN3#91bis會議上Intel的觀點

Intel在提案“R3-160622 Fronthaul and RAN functional split aspects of the nextgeneration radio access network”中分析認為，NGMN/ETSI以及MWC2016都展示過RAN分割的概念(即C-RAN)，不過C-RAN的名字和含義有所差異，比如Cloud RAN、Centralized RAN、Virtual RAN等。Centralized RAN在協(xié)作處理、性能、CAPEX/OPEX降低、節(jié)能等方面都有好處。

舉例來說，不同場景下小區(qū)吞吐量變化和波動很大，因此將多個小區(qū)集中進行處理，有助于降低吞吐量處理能力和傳輸網(wǎng)需求，因此C-RAN效率較高，易于擴展。另外，目前C-RAN實施過程中都采用CPRI、OBSAI或者廠家自有傳輸方案，其帶寬和時延要求較高。5G系統(tǒng)中吞吐量高達10Gbps時，對CPRI的帶寬要求相當(dāng)大，因此可能阻止C-RAN的部署。ETSI OSR會考慮CPRI壓縮，但是壓縮后所帶來的帶寬增加也有限。

Intel認為Centralized RAN可以包含中央單元(central RAN unit)和分布單元(distributed RAN unit)，且RAN架構(gòu)考慮不應(yīng)該只由協(xié)議棧驅(qū)動，也應(yīng)該由C-RAN自身的需求來驅(qū)動。比如，RAN支持CU單元和DU單元分割時可能會對調(diào)度設(shè)計造成影響，如時延需求等，反過來，時延需求也會影響RAN功能分割。另外，還需要考慮多種分割方式，并實現(xiàn)功能切分的動態(tài)配置等。Intel提供了4種分割方式(考慮CPRI接口的話應(yīng)該算是5種吧)，主要是在不同協(xié)議層之間實現(xiàn)CU和DU的分割。

2.3    RAN3#91bis會議上AT&T的觀點

AT&T在“R3-160670 Flexible Split of Next Generation RAN ArchitectureFunctions”中提到RAN架構(gòu)分割的2大驅(qū)動力是性能和NFV。

Intel認為，5G系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的3G和4G系統(tǒng)是不同的，5G為多個頻率(高低頻以及非授權(quán)頻段)且多層重疊(multi-tiered，如宏蜂窩+微小區(qū))，因此要在如此復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中獲得更大的性能增益，就需要中央處理單元實現(xiàn)干擾管理和話務(wù)聚合作用。其次，由于5G的帶寬大，天線數(shù)目多，因此某些條件下無法完全集中化管理，比如多天線處理、前傳壓縮等功能還需要在遠端分布單元中實現(xiàn)。從而采用RAN架構(gòu)分離便于在各種場景下提供更大的靈活性。再有，實現(xiàn)多連接時，UE到網(wǎng)絡(luò)的連接來自多個頻率下的多個傳輸點，為了防止話務(wù)在前傳上多次轉(zhuǎn)發(fā)，采用中央單元來集中進行話務(wù)處理就更為有效。最后，5G系統(tǒng)中采用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)時，一些高層功能可以集中在硬件資源池中實現(xiàn)，因此集中處理也很有必要。

總體上來看，AT&T認為中央單元和分布單元進行切分可以帶來以下好處：

• 各種場景下都可以通過靈活的硬件部署節(jié)省成本。

• CU/DU分離架構(gòu)可以實現(xiàn)性能協(xié)調(diào)、話務(wù)管理、實時性能優(yōu)化以及NFV/SDN。

• 可配置的功能分割可以適應(yīng)于不同場景，如傳輸時延變化等。

• 靈活的功能分割便于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的實時按需配置。

• 有助于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片-針對業(yè)務(wù)進行C/U的處理。

• 支持用戶和應(yīng)用的邊緣分析。

2.4 RAN3#91bis會議上CATT的觀點

“R3-160775 Consideration on RAN architecture in 5G NR”中，CATT提到，為了實現(xiàn)5G的性能目標，需要增加帶寬、提高頻譜效率并增加站址密度。帶寬增加意味著需要采用高頻段，而這會降低小區(qū)覆蓋，從而需要增加傳輸接收點(TRP- TransmissionReception Point)。而TRP的增加對網(wǎng)絡(luò)帶來很大挑戰(zhàn)，比如信令開銷、不同TRP以及節(jié)點間的移動管理和協(xié)調(diào)等。為了解決這些問題，需要考慮采用在RAN側(cè)引入Centralized unit。如下圖所示。

RAN CU的主要作用為：

• 移動錨點。從CN的角度看，RAN CU內(nèi)部的移動性不可見，從而降低CN的信令開銷和復(fù)雜度。

• 集中控制。當(dāng)UE在CU內(nèi)部移動時，如果每個TRP都采用獨立的連接控制，則切換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)會非常頻繁。而采用CU將控制協(xié)議和安全協(xié)議集中化后，UE在CU控制的TRP間移動時，UE的信令過程和數(shù)據(jù)中斷會降低。

• 多TRP協(xié)調(diào)。當(dāng)TRP屬于不同的系統(tǒng)(RAT)時(如4G和5G)，CU可以通過multi-RAT協(xié)調(diào)來支持系統(tǒng)間的互操作。

• CN功能下移。如將一些PGW和SGW功能下移到RAN。

同時，通過CU內(nèi)部的CP和UP分離，還可以實現(xiàn)其它更加靈活的功能。

2.5    RAN3#91bis會議上Ericsson的觀點

在“R3-160843RAN internal architecture”中，Ericsson探討了5G C-RAN與3G和LTE的傳承和發(fā)展問題。

LTE早期標準中要求采用全IP扁平網(wǎng)絡(luò)，這是因為3G系統(tǒng)中的RNC和NodeB架構(gòu)不滿足運營商的要求。RNC與eNodeB之間的資源與RNC中的RLC終結(jié)點相分離，從而對NodeB和RNC之間的流控要求比較高。另外，在HSDPA標準中，3G架構(gòu)還會產(chǎn)生變化，比如RNC中的一些功能就移到了NodeB中。

LTE架構(gòu)下，RAN只包含單一的邏輯節(jié)點eNodeB，S1和X2都終結(jié)在eNodeB上，便于實現(xiàn)多廠家的互操作(interaction)。LTE架構(gòu)也顯示出了高度的靈活性，比如采用集中基帶處理實現(xiàn)CoMP等功能，必要的話，也可以對高層進一步集中和虛擬化。值得一提的是，許多新功能如MBMS、eNB/CSG、SON增強、IMS VoLTE、PWS、CA、DC、D2D、CSFB、MIMO增強、CoMP、eICIC以及網(wǎng)絡(luò)切片等等等等等功能都在LTE網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)了，且不需要對RAN架構(gòu)進行根本性的變化。因此，這種扁平架構(gòu)促進了上述功能的標準化工作，且在實現(xiàn)和IoT方面也簡單化了。

報告中還提到，LTE曾經(jīng)考慮過對E-UTRAN分割，但是由于存在一些問題所以未予實施，比如標準化的延遲、新功能實現(xiàn)和測試延遲以及設(shè)備上實現(xiàn)差異導(dǎo)致的問題等。另外，3G當(dāng)初也考慮過Iub接口的協(xié)議分割問題，但是也同樣證明沒有效率，會帶來一些問題，如內(nèi)部調(diào)度算法難以實施、Iub接口時延對性能的影響等。

LTE系統(tǒng)中，一些空口設(shè)計比較嚴格，如DL HARQ ACK固定為4ms使得基帶處理集中化比較困難，從而對某些場景下inter-eNB CA的部署帶來影響。也正是由于這個原因，才引入了雙連接的概念。另外，物理小區(qū)號PCI與PSS/SSS以及PDCCH/CRS/MIB/SIB以及切換算法、密鑰變化等密切相關(guān)，從而對容量和安全參數(shù)等帶來影響。還有，CRS/PSS/SSS/MIB采用固定周期傳送也對能耗帶來很大影響。而對這些設(shè)計進行改變來實現(xiàn)后向兼容的難度很大，幾乎不可能，因此對靈活部署帶來很大影響。

Ericsson認為，5G系統(tǒng)需要采用新空口的優(yōu)化設(shè)計來排除這些限制因素，降低定時要求，降低參數(shù)和信號間的密切關(guān)聯(lián)性，實現(xiàn)靈活部署，而RAN架構(gòu)的變化則在其次。

可見Ericsson早期對RAN架構(gòu)CU-DU切分持謹慎態(tài)度。不過，借助這個文檔，也能讓我們了解LTE與3G系統(tǒng)中存在的一些問題，以及對架構(gòu)考慮的一些深層次的考慮。

3.    CU-DU如何進行分離？

RAN3#91bis會議上，對于CU-DU分離方式，大家一致認為需要采用多種分離方式，且提出了各自的觀點。

3.1    RAN3#91bis會議上Sumsung的觀點

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

這個提案與后續(xù)討論的8種方案已經(jīng)非常類似了。不同的是，它沒有考慮PDCP之上的切分，沒有進行RLC內(nèi)部切分，但是卻在物理層內(nèi)進行了2次切分。

針對各種分割方案的優(yōu)劣分析，提案中也進行了簡單分析，此處不予詳述。

3.2    RAN3#91bis會議上NEC/KDDI的觀點

NEC/KDDI在中“R3-160767 Options of Functionality Splitting in RAN logicalarchitecture”，同樣提出了7種分割的方式。與Samsung不同的是，它增加了PDCP以上的分割方式，但仍然沒有采用RLC內(nèi)部分割的方式，且物理層內(nèi)部只進行一次切分。

3.3    RAN3#91bis會議上Nokia&上海貝爾以及Mitsubishi的觀點

“R3-160741 Proposal for Fronthaul Split Study”中，諾基亞和上海貝爾提議采用4種切分方式，如下圖所示。

“R3-160754 Fronthauling Motivations and Constraints”中，Mitsubishi也采用了4種類似的切分方式。

3.4    RAN3#91bis會議上LG的觀點

“R3-160749 Consideration on fronthauling”中，LG提出了以下5種切分方式。

3.5    RAN3#91bis會議上ZTE的觀點

中興在“R3-160804The function split between CU and DU”中提到的7種分割方案如下。沒有考慮RLC和MAC的內(nèi)部切分方式，也沒有考慮PDCP之上的切分方式，物理層內(nèi)部則采用了3種切分方式。

3.6    RAN3#91bis會議上中國移動的觀點

中國移動在“R3-160808Discussion on Next generation fronthaul interface”中，采用了6種切分方式。與目前8種方案不同的是，沒有考慮RLC和MAC內(nèi)部的切分方式。

3.7    RAN3#91bis會議上高通的觀點

“R3-160824 Architecture of Distributed RAN”中，高通提供了以下5種切分方案。如果增加MAC/RLC/PHY內(nèi)部的切分方案，則與目前8種方案一致了。

3.8    RAN3#91bis會議上InterDigital的觀點

“R3-160835 Fronthauling with New Radio Technology-NR-CU-RU”中，InterDigital也提供了４種分割方式。沒有考慮PDCP以上的切分以及RLC/MAC/PHY內(nèi)部的切分方式。

3.9    RAN3#91bis上CU-DU分離架構(gòu)的決議

在Samsung提案的基礎(chǔ)上提論形成的新提案“R3-160990 Function split between central and remote node”中，形成了38801-010的7種切分方式，如下圖所示。

4.    CU-DU分離架構(gòu)的進一步討論

RAN3#92會議上在TR38.801-v10的基礎(chǔ)上增加RLC了內(nèi)部切分方式后，就形成了目前參與討論的8種方案的雛形。后續(xù)經(jīng)過RAN#93、RAN3#93bis、RAN#94、RAN3#95等多次會議討論，目前意見已經(jīng)比較集中了，主要可能考慮PDCP與RLC之間或者RLC內(nèi)部的切分方案。

各次會議內(nèi)容有待繼續(xù)學(xué)習(xí)研究，以便追本溯源，深入了解CU/DU分離架構(gòu)的來龍去脈。