5GCU／DU设备应用研究.pdf

版权声明 本 研究报告 版权属于中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本 研究报告 文字或者观点的，应注明“来源：中国通信标准化协会”。违反上述声明者，本协会将追究其相关法律责任。 II 研 究 报 告 要 点 5G无线网络的设计目标是为多种不同类型的业务提供满意的服务。这些典型业务通常分为三大类：增强的移动宽带业务、面向垂直行业的大规模机器通信业务、低时延高可靠业务。不同的业 务对于移动网络空口能力、架构等 的 设计 和部署 需求 存在一定的差异， 其差异 性 主要体现在时延、空口传输以及回传能力等方面。在 Rel-15的 NR标准中 gNB的形态已经支持 了 类似于 4G eNB的一体化基站以及 CU/DU分离两种基站类型 以 满足不同类型业务和部署场景的需求 。 本课题以 3GPP Rel-15中 CU/DU所涉及的相关规范和研究报告为基础， 本 研究报告首先介绍 了 5G中 CU/DU的 标准进展 ， 在 此基础上 分析了 CU/DU的 适用场景以及对于操作维护的需求 。随后 针对 CU-CP/UP分离 架构以及基于 CU/DU底层切 分 两个场景 进 行了研究， 主要围绕着标准化进展，适用场景及主要功能和过程 等 方面 开 展了相关的 分析 。 在全文 的最后给出 了 CU/DU架构 和 部署方式 的 总结 。 研究单位： 中国电信集团有限公司、中国信息通信研究院、中国联合网络通信集团有限公司、中国移动通信集团公司、大唐电信科技产业集团（电信科学技术研究院）、华为技术有限公司、上海诺基亚贝尔股份有限公司、爱立信（中国）通信有限公司、中兴通讯股份有限公司、高通无线通信技术 (中国 )有限公司、烽火 科技集团有限公司、联发博动科技（北京）有限公司 项目参加人： 许森、 黄蓉 、刘珊、 刘子实，闫渊 、 张 乐、李俊杰 、 旷婧华、李小 龙、 唐春 梅、 全 海洋、陈 栋 、贺敬、 姚春 海、 王 友祥 完成日期： 2018 年 10 月 III 目 次 1 范围 . 1 2 参考文献 . 1 3 缩略语 . 3 4 CU/DU 分离架构概述 . 5 4.1 CU/DU 引入的背景介绍 . 5 4.1.1 5G 多样的业务需求 . 5 4.1.2 组网和性能需求 . 7 4.1.3 差异化的商业需求和 ICT 融合需求 . 8 4.2 CU/DU 分离架构面临的挑战 . 9 4.3 标准化进展情况概述 . 9 4.3.1 基于控制面和用户面分离的 CU/DU 架构 . 11 4.3.2 基于底层切分的 CU/DU 架构 . 12 4.4 CU/DU 合设和分离的适用场景 . 13 4.5 CU/DU 对于操作维护的需求 . 13 5 基于控制面和用户面分离的 CU/DU 架构和部署研究 . 14 5.1 部署场景分析 . 14 5.1.1 部署场景分析 . 14 5.1.2 引入 CP/UP 分离的利弊分析 . 15 5.2 主要的信令过程 . 17 5.2.1 空闲态和连接态间的转换 . 17 5.2.2 Xn 切换过程 . 19 5.2.3 CU-UP 变更过程 . 20 5.3 架构及接口研究 . 22 5.4 安全性分析 . 24 5.4.1 对于 CU-CP 影响分析 . 24 5.4.2 对于 CU-UP 的影响分析 . 25 5.4.2.1 密钥推导 . 25 5.4.2.2 PDCP COUNT 翻转 . 25 5.4.2.3 计数值检查 . 26 6 基于底层切分方案的 CU/DU 架构研究 . 26 6.1 引入背景 . 26 6.2 潜在 RAN 侧划分方案介绍 . 27 6.2.1 方案 1：物理层划分方案 1 . 27 6.2.2 方案 2：物理层划分方案 2 . 28 6.2.3 方案 3：物理层划分方案 3 . 29 6.3 底层切分方案面临的一些挑战 . 29 6.4 接口划分方案对比 . 30 6.4.1 前传带宽计算参数集合 . 30 6.4.2 带宽计算方法 . 30 IV 6.4.2.1 下行方向计算方法 . 30 6.4.2.2 上行方向计算方法 . 33 6.4.3 评估结果 . 35 7 总结与展望 . 36 1 5G CU/DU 设备应用研究 1 范围 本课题以 3GPP Rel-15中 CU/DU所涉及的相关 规范和研究报告为基础， 主要 考虑在 SA场景 中 展开针对 CU/DU部署方案以及设备技术要求的研究工作。结合上述两个方向以及 R15的WI/SI标准进展，本研究课题涉及的内容如下： 1 CU/DU分离与合设的适用场景研究：研究 CU与 DU部署场景与规模，研究不同业务对于 CU和 DU的规模和部署位置的需求 ， 分析 CU/DU架构 对于不同业务性能的影响（如 控制面和 用户 面 时延、 系统 容量等） 2 CU/DU以及 DU和 AAU的同步方式、同步以及抖动等要求的分析和研究 3 F1（ CU-DU）和 E1（ CU的 CP-UP）接口对于传输、关键过程的需求研究 4 DU和 AAU前传接口需求分析：研究对于前传接口的需求，包括传输距离、时延、光纤容量等需求 5 CU/DU 的操作维护要求的分析和研究：研究 CU/DU对于网管的需求 2 参考文献 下列文件中的条款通过本研究课题的引用而成为本研究课题的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本研究课题，然而，鼓励根据本研究课题达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本研究课题。 1 3GPP TR 38.913,Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies; v14.3.0 2 3GPP TR 38.801, Study on new radio access technology: Radio access architecture and interfaces 3 R3-160766, NEC,KDDI, “Motivation of Functionality Splitting in RAN architecture“, RAN3#91bis Bangalore, India, 11th 15th April 2016 2 4 R3-160622,Intel,“Fronthaul and RAN Functional Split Aspects of the Next Generation Radio Access Network“,RAN3#91bis Bangalore, India, 11th15th April 2016 5 R3-160670,ATT,“Flexible Split of Next Generation RAN ArchitectureFunctions“, RAN3#91bis Bangalore, India, 11th15th April 2016 6 R3-160775,CATT,“Consideration on RAN architecture in 5G NR“,RAN3#91bis Bangalore, India, 11th15th April 2016 7 R3-160843,Ericsson,“RAN internal architecture“,RAN3#91bis Bangalore, India, 11th15th April 2016 8 中国 移动， “ 5G C-RAN无线云网络总体技术报告 ” 9 R3-160843,Ercisson,“RAN internal architecture“, RAN3#91bis Bangalore, India, 11th15th April 2016 10 RP-170818,NTT DoCoMo,New WID on CU-DU lower layer split for New Radio,3GPP TSG RAN Meeting #75 Dubrovnik, Croatia, March 6 - 9, 2017 11 3GPP TS 38.300,NR; Overall description; Stage-2 12 3GPP TR 38.816,Study on CU-DU lower layer split for NR,v15.0.0 13 RP-171905,Ericsson,Revision of SI on separation of CP and UP for split option 2 of NR,3GPP TSG RAN Meeting #77 Sapporo, Japan, September 11 - 14, 2017 14 3GPP TS 38.401,NG-RAN; Architecture description 15 3GPP TR 38.806,Study of separation of NR Control Plane (CP) and User Plane (UP) for split option 2 16 3GPP TS 38.410,NG-RAN; NG general aspects and principles 17 3GPP TS 38.460,NG-RAN; E1 general aspects and principles 18 3GPP TS 38.461,NG-RAN; E1 layer 1 19 3GPP TS 38.462,NG-RAN; E1 signalling transport 20 3GPP TS 38.463,NG-RAN; E1 Application Protocol (E1AP) 21 中国移动 ， “ C-RAN无线接入网绿色演进白皮书 “， V1.5.0， 2018年 8月 22 RP-170252， NTT DoCoMo， Motivation for WI on CU-DU lower layer split for NR，RAN #75, Dubrovnik,Croatia,March 6-9,2017 23 R3-161380， NTT DOCOMO, INC., KT, Softbank, TIM, Verizon, SKT, Deutsche Telekom, CMCC, AT&T， Motivation for standard interface between central and 3 distributed units， TSG-RAN Working Group 3 meeting #92 Nanjing, China, 23th to 27th, May 2016 3 缩略语 下列缩略语适用于本研究课题。 5GC 5G核心网 5G Core Network AMF 接入和移动管理功能 Access and Mobility Management Function CS 配置的调度 Configured Scheduling DC 双连接 Intra-E-UTRA Dual Connectivity DCI 下行控制信息 Downlink Control Information MN 主节点 Master Node MR-DC 多制式双连接 Multi-RAT Dual Connectivity NCGI NR小区全球识别码 NR Cell Global Identifier NCR 邻小区关系 Neighbour Cell Relation NE-DC NR-E-UTRA 双连接 NR-E-UTRA Dual Connectivity NGAP NG应用协议 NG Application Protocol NGEN-DC NG-RAN E-UTRA-NR 双连接 NG-RAN E-UTRA-NR Dual Connectivity NR-RAN NG无线接入网 NG Radio Access Network NR NR无线接入 NR Radio Access PCH 寻呼信道 Paging Channel PDCCH 物理下行控制信道 Physical Downlink Control Channel PSS 主同步信号 Primary Synchronisation Signal PUCCH 物理上行控制信道 Physical Uplink Control Channel QFI 服务质量流 ID QoS Flow ID RACH 随机接入信道 Random Access Channel SCG 辅小区组 Secondary Cell Group SDAP 服务数据调整协议 Service Data Adaptation Protocol SMF 会话管理功能 Session Management Function 4 SN 辅节点 Secondary Node URLLC 高可靠低时延通信 Ultra-Reliable and Low Latency Communications XnAP Xn应用协议 Xn Application Protocol Xn-C Xn控制面 Xn-Control plane Xn-U Xn用户面 Xn-User plane 5 4 CU/DU 分离 架构 概述 4.1 CU/DU 引入 的 背景 介绍 在 3GPP的 需求研究报告 TR38.913中 明确提出了 支持多种灵活 的 RAN侧分割方案 ，将CU/DU分离 式部署 作为 5G需 支持的关键 特征 之一 。 在 3GPP TR38.801中 主要认为 引入CU/DU分离 有如下几个方面 的 好处 ： 1. 硬件实现灵活，可以节省成本。 2. CU和 DU分离的架 构下可以实现性能和负荷管理的协调、实时性能优化并易于实现NFV/SDN功能。 3. 功能分割可配置能够满足不同应用场景的需求，如传输时延的多变性。 本 章节主要从 5G多样 的 业务需求 、 组网 性能 和 支持性商业模式 /ICT融合 等 几个 角度介绍 在标准 中引入 CU/DU分离的 主要 原因 和动机。 4.1.1 5G 多样 的业务需求 ITU为 5G定义了 eMBB（增强移动宽带）、 mMTC（海量大连接）、 uRLLC （低时延高可靠）三大场景。实际上不同行业往往在多个关键指标上存在差异化要求，因而 5G系统还需支持可靠性、时延、吞吐量、定位、计费、安全、可用性 的定制组合； 不同的业务对于移动网络空口能力、架构等存在一定的差异，这些差异主要体现在时延、空口传输以及回传能力等方面 ： 1. eMBB典型应用包括 4K高清视频、虚拟现实、增强现实、远程会诊、远程教育等。相对于与以往 3G/4G时代的典型业务而言，其对于用户体验带宽、时延等都有明显的差异： - 对于慢速移动用户，用户的体验速率要达到 1 Gbps量级 - 对于高速移动或者信噪比比较恶劣的场景，用户的体验速率至少要达到100Mbps - 业务密度最高可达每平方公里 Tbps量级 - 对于高速移动用户，最高需要支持 500km/h的移动速率