RAN Architecture & Splits

Trang này mô tả cách NG-RAN của 5G được chia thành các khối CU, DU, RU, những giao diện nối giữa chúng và các phương án chia chức năng (functional split) của 3GPP, kèm lý do O-RAN chọn split 7.2x cho fronthaul.

Các khối và giao diện

NG-RAN gồm các gNodeB (gNB). Một gNB có thể tách thành:

Khối	Chức năng chính	Ghi chú
CU-CP	RRC, phần control plane của PDCP	Một CU-CP điều khiển nhiều DU
CU-UP	SDAP, phần user plane của PDCP	Có thể đặt gần người dùng hơn CU-CP
DU	RLC, MAC, High-PHY	Xử lý theo slot, deadline chặt
RU	Low-PHY, RF	Gần anten, nhiều chức năng số hóa tín hiệu

Các giao diện:

Giao diện	Nối giữa	Ý nghĩa
NG	gNB và 5G Core	NG-C cho control plane, NG-U cho user plane
Xn	gNB với gNB	Handover, phối hợp giữa các trạm
F1	CU và DU	F1-C (control) và F1-U (user), mạng midhaul
E1	CU-CP và CU-UP	Điều khiển bearer context
Open Fronthaul	DU và RU	Do O-RAN WG4 định nghĩa, xem Open Fronthaul

Theo đường truyền, người ta gọi ba đoạn mạng là fronthaul (RU và DU), midhaul (DU và CU) và backhaul (CU và core). Yêu cầu độ trễ nới dần từ fronthaul tới backhaul: fronthaul cỡ 100 µs một chiều, midhaul cỡ vài ms đến chục ms, backhaul chục ms trở lên. Các con số này là mức thường được trích dẫn, giá trị cụ thể phụ thuộc split và profile triển khai.

Trong thuật ngữ O-RAN, các khối có tên có tiền tố O-: O-RU, O-DU, O-CU-CP, O-CU-UP, cùng các thành phần điều khiển (Near-RT RIC, Non-RT RIC, SMO) nằm ngoài phạm vi trang này.

Các lớp giao thức

Từ trên xuống dưới, chồng giao thức NR ở phía gNB:

RRC           điều khiển kết nối, mobility, cấu hình
SDAP          ánh xạ QoS flow vào data radio bearer
PDCP          nén header, mã hóa, bảo vệ toàn vẹn
RLC           phân mảnh, ghép, ARQ
MAC           lập lịch, HARQ, ghép kênh
PHY (High)    CRC, mã hóa kênh, rate matching, scrambling, điều chế, layer mapping
PHY (Low)     precoding, FFT/iFFT, thêm/bỏ cyclic prefix
RF            DAC/ADC, khuếch đại, lọc

Các lớp càng thấp càng nhạy với thời gian: PDCP và RRC chịu được vài ms, MAC và PHY phải xong trong một slot.

Các option split của 3GPP

3GPP phân tích tám điểm cắt có thể (TR 38.801). Điểm cắt càng thấp thì các khối phía trên được tập trung hóa nhiều hơn, đổi lại băng thông và yêu cầu độ trễ của đường nối càng cao.

Option	Điểm cắt	Dùng ở đâu
1	RRC / PDCP	Cắt giữa control và user plane ở tầng cao
2	PDCP / RLC	F1 giữa CU và DU, split higher-layer chuẩn của 5G
3	trong RLC	Ít dùng
4	RLC / MAC	Ít dùng
5	trong MAC	Ít dùng
6	MAC / PHY	Giao diện FAPI giữa L2 và L1 (nội bộ DU hoặc small cell)
7	trong PHY (7.1, 7.2, 7.3)	Fronthaul DU và RU, O-RAN chọn 7.2x
8	PHY / RF	CPRI truyền thống, truyền IQ thô

Hai điểm cắt đóng vai trò chính trong thực tế:

• Option 2 tạo ra giao diện F1 và tách CU khỏi DU. Băng thông bám sát lưu lượng người dùng và chịu được độ trễ lớn.
• Option 7 (nhóm 7.x) là fronthaul hiện đại. Option 8 là CPRI cũ, không còn khả thi cho băng rộng lớn và Massive MIMO.

Vì sao không còn dùng split 8 (CPRI)

Ở split 8 RU chỉ làm RF và truyền mẫu IQ ở miền thời gian. Băng thông fronthaul tỷ lệ với số anten nhân với băng thông kênh, bất kể có tải hay không. Với Massive MIMO 64 anten trên kênh 100 MHz, tốc độ cần thiết quá lớn để truyền bằng sợi quang với chi phí hợp lý.

Ở split 7.2x, RU thực hiện FFT và thêm cyclic prefix, nên dữ liệu truyền là các resource element ở miền tần số. Băng thông tỷ lệ với số layer (không phải số anten) và với tải thực tế, nên tiết kiệm đáng kể khi dùng beamforming.

Split 7.2x của O-RAN

O-RAN WG4 chọn 7.2x, một biến thể của option 7-2 của 3GPP, và chia RU thành hai loại:

Loại	Precoding	Đặc điểm
Category A	Nằm ở DU	RU đơn giản, số luồng truyền bằng số anten (không dùng precoding trong RU)
Category B	Nằm ở RU	Băng thông fronthaul theo số layer, hợp Massive MIMO

Ở downlink, DU làm mã hóa kênh, rate matching, scrambling, điều chế, layer mapping và ánh xạ resource element, rồi gửi qua fronthaul. RU thực hiện (precoding nếu Category B), iFFT, thêm cyclic prefix và đưa ra RF. Uplink đi theo chiều ngược lại: RU bỏ cyclic prefix, FFT, rồi gửi mẫu miền tần số lên DU để ước lượng kênh, cân bằng, giải điều chế và giải mã.

Phần PRACH có xử lý riêng ở RU để giảm băng thông fronthaul. Điểm khác này cùng với nén IQ được trình bày ở Open Fronthaul.

Hệ quả cho người làm firmware và phần mềm:

• DU giữ phần PHY nặng nhất (mã hóa/giải mã, MIMO) và toàn bộ deadline slot, nên là chỗ cần accelerator và tối ưu real-time, xem L1 & Acceleration.
• RU là hệ nhúng có FPGA hoặc SoC, nhiều xử lý tín hiệu số theo tốc độ symbol và đồng bộ chặt với PTP.
• Giao diện mở cho phép trộn RU và DU của các hãng khác nhau, đổi lại phải kiểm thử tương thích (interoperability).

Triển khai

Cùng một kiến trúc logic có thể đặt vật lý theo nhiều kiểu:

Kiểu	Mô tả
Distributed RAN	RU, DU, CU đặt tại site hoặc gần nhau, phần cứng chuyên dụng
Centralized RAN (C-RAN)	Nhiều DU gom về một điểm tập trung, RU ở xa nối bằng fronthaul
Virtualized RAN (vRAN)	DU/CU chạy phần mềm trên server thông dụng, xem vRAN trên VM
Cloud RAN	vRAN trên nền cloud-native (container, Kubernetes)

Đọc thêm

• 3GPP TS 38.401: NG-RAN architecture description.
• 3GPP TR 38.801: Study on new radio access technology, radio access architecture and interfaces.
• RAN Silicon Rethink: hướng phần cứng cho DU hiện nay.