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3GPP關于5G新空口中CU/DU低層功能切分的討論過程和進展

第二部分：RAN3#93bis(2016/10)到RAN3 #96(2017/5)相關提案摘錄

2016/10~2017/6：熱烈討論->Study工作暫停->休養生息->重啟討論

 1.1 RAN3 #93bis(2016/10)關于CU/DU低層切分(PHY內部)討論內容摘錄

1.1.1 R3-162380：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部署架構中，如將gNB的大多數高層功能集中在類似數據中心的Central office(CO)中，且部分無線相關的gNB功能采用Central unit來管理，gNB的底層功能采用Distributed unit(DU)來實現。

采用這種架構，可以支持功能切分的級聯。

不過考慮到3GPP規范對部署方式不作具體規定，所以此提案僅被關注(noted)。

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

R3-162098后續修改為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據比特，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

1.1.3 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與DU之間的傳輸帶寬，同時可以實現部分協調功能，如基于ACK/NACK的TB合并、CS/CB等。

選項7-3：上行方向上，FFT、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，FFT、CP去除、資源去影射、信道估算/均衡、IDFT/解調等功能位于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、預編碼、層影射和調制等功能位于DU中，其余物理層功能位于CU中。

1.1.4 R3-162376/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)進行分析。異步切分至少應當考慮如下2個關鍵點，但是7-1和7-2難以同時滿足此兩個條件。

• 分離選項應當保持接收機的優勢。JR和MIMO的增益隨著上行流數而增加。

• 前傳帶寬應當盡量低，應當避免受天線數和層數的影響。

   

7-3的好處在于，下行數據與層數成比例，但是與天線數或者天線端口數無關，因此可以顯著降低前傳貸款需求。上行去除了CP數據和頻域壓縮，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分析認為選項8有一定的好處，因此提考慮采用CPRI接口或者演進的CPRI接口的RF-PHY分離的RAN切割方式。

下一代網絡中，選項8將基于演進的CPRI PHY-RF接口，它使得所有協議層的處理進程更集中，整個RAN內都可以緊密協調來有效地支持CoMP、MIMO、負荷均衡和移動性等功能。且有助于提升RF器件的壽命和擴展性，有助于RF器件在不同無線接入技術(RAT)的PHY上的復用，有助于PHY資源的pooling，有助于運營商共享RF單元，降低系統和站址成本。

好處：

-  整個協議層間的集中和協調層次較高，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的可擴展性。

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

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

- 有助于運營商共享RF單元，降低系統和站址成本。

缺點:

-  前傳時延需求較高，可能在網絡拓撲和傳輸選擇方面限制了網絡部署。

- 前傳帶寬需求較大，意味著傳輸(如鏈路容量和設備等)資源和成本的浪費。

R3-162545提案被通過。

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

Ericsson在R3-162422  Clarifications on fronthaul bit rate requirements中提議，傳輸部分強調為最大理論值，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中體現了出來。

1.2  RAN3 #94(2016/11)中關于CU/DU低層切分(PHY內部)討論內容摘錄

主要討論進行標準化的高層和低層切分選項的數目以及開放接口的支持性。多數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。

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

TR38.801中的文字建議：

11.1.3  架構和規范概念

編輯手記：本章至少應該解決以下問題：(1)開放接口規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目？(3)CU和DU功能切分的粒度？(4)網絡功能切分的重配置的動態性是什么？

11.3.1 開放接口規定和支持的切分選項的數目

實際部署中，傳輸網的傳輸時延變化較大，3GPP標準應當應對(cater for)這類傳輸網絡。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(比如調度集中化)。因此，不同傳輸網絡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，支持有效的調度和高級接收機。

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

[1] 功能分割的考慮：

RAN功能切分應當面向部署場景以及當前和未來的挑戰，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。

• 切分應當盡量降低前傳的帶寬需求。

• 接口復雜度低，以利于CU和DU的獨立部署和互操作。

• 支持多種RAN特性(高的RF帶寬、協調處理、先進接收機、mMIMO)以及應用場景(eMBB、URLLC、V2X等)。

   

[2] 傳輸帶寬:

下表為話務滿載情況下不同場景和切分選項下的前傳輸帶寬結果。采用LTE上行20MHz帶寬作為基準，并采用2個載波進行聚合，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進一步將預編碼移到DU中，選項8(CPRI)帶寬的降低度取決于層數與天線端口數之間的比率。

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LTE的前傳時延約為150~200us(對應選項8，使用CPRI)，則case1-3下采用選項6-8時相應的前傳時延約為50us。

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

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側時延是TCP RTT的一部分，并會對總體性能產生影響。

理想核心網條件下，不同丟包率(Packet Loss Rate)下TCP性能和RTT的關系如下圖所示。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雜性。

 下表總結了case1-3下的時延需求。

CU-DU傳輸時延對業務服務區內的CU的密度也有影響。假設前傳采用光纖，且光纖的典型時延是5us/Km，則100Km半徑內，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提供了協調處理能力，如聯合傳輸(JT)和聯合接收(JR)。選項7-2和6能夠提供部分JT/JR功能。LTE-A協調處理特性對于<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，協調處理對于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聚合和與LTE互聯的自然點。

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

[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的協調處理、eMBB和更高階mMIMO。

(注：對于選項/2/3/7-1/7-2的總結性描述省略，請參看原提案)

1.3 RAN3 #95(2017/2)中關于CU/DU低層切分(PHY內部)討論內容摘錄

1.3.1 R3-170681: 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接口設計必須考慮可用的架構，如CU與DU之間的吞吐量。可用前傳容量因國家和運營商而已。

[2] 所有低層切分選項都意味著對PHY和MAC中嚴密耦合的功能進行物理分割，因此必須針對特定的實現來進行處理。

[3] 來自低層切分的挑戰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，這些都受傳輸網絡容量的驅動。最后，一些解決方案也需要對Tx/Rx鏈路上功能的順序進行改變。

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

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

基于以上考慮，建議RAN3不要對低層切分進行標準化。

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)

提案分析了對低層切分的接口進行標準化時面臨的問題。

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

Obsevation 2：不同的低層切分選項會嚴重影響傳輸網絡的設計。單個低層選項的標準化將會迫使傳輸網絡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。

基于以上考慮，建議RAN3不要對低層切分的接口進行標準化。

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

Proposal 1:RAN架構低層切分的研究工作還沒有完成，還需要在NG新RAT研究階段進行進行研究。需要進一步對需求、實現和選項選擇等方面進行評估，以便在標準階段進行決定。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一步的研究工作應當重新開展(re-open)。一些公司相信這個研究工作應當在物理設計足夠穩定后于2017年底完成(如2017年12月)。未來的研究工作應當在必要的時候在RAN3中基于NR重新開展(re-open)，包括進一步的需求、實現性研究，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準化有一定的難度，建議延后討論。

RAN3 #95會議最后，主席決定對全會匯報的內容為：

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

1.4 RAN #75全會(2017/3)對低層切分的決議

 2017/3的RAN#75全會結論如下(詳見TR38.801 v2.0.0)。

RAN架構的低層分割的研究工作沒有完成，需要延后進行。

需要進一步對低層分割方案、可行性、切分方式選擇等進行評估，并且進入規范階段之前，需要基于NR進行技術優勢的對比分析。

研究階段(SI)的討論結果表明，選項6和7更受贊成。

1.5 擱置期：RAN3 #95bis(2017/4)/RAN 3#96(2017/5)

RAN3 #95bis擱置，未討論。

RAN 3#96擱置，未討論。

1.6 RAN3 NR#2(2017/6)重啟CU/DU底層切分的討論

此次會議上提議，依據RAN#75當初的結論，建議在RAN3#97-bis啟動低層切分的討論。

1.6.1 RP-170818->RP-170251：多家單位提議重啟CU/DU底層切分的討論工作

 重新開張后，研究更深入，討論更熱烈，敬請繼續關注后續會議中低層切分相關提案的內容描述。