中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司北京分公司|朱峰 李洪城 唐鈺

CU/DU分離架構(gòu)是5G網(wǎng)絡(luò)部署的基本需求。CU/DU分離架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)性能和負(fù)荷管理的協(xié)調(diào)和優(yōu)化。

在5G無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)(RAN)架構(gòu)討論中，3GPP考慮將傳統(tǒng)RAN劃分為中心單元(CU，central unit)和分布單元(DU，distribute unit)，以節(jié)省傳輸資源，優(yōu)化資源協(xié)調(diào)。本文從3GPP研究階段關(guān)注的8種CU/DU切分選項(xiàng)入手，分析了CU/DU切分的好處、CU/DU切分的方式和特點(diǎn)以及CU/DU切分方式的標(biāo)準(zhǔn)化研究結(jié)論，并展示了CP和UP分離與否情況下的CU/DU架構(gòu)，從而全面分析和體現(xiàn)了未來(lái)5G系統(tǒng)中無(wú)線接入網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方式和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

5G RAN云化架構(gòu)的概念

中國(guó)移動(dòng)5G RAN架構(gòu)

中國(guó)移動(dòng)在MWC2017上發(fā)布的“3.5GHz 5G系統(tǒng)樣機(jī)技術(shù)指導(dǎo)建議”中表示，5G采用獨(dú)立組網(wǎng)(standalone)部署時(shí)，gNB的邏輯體系采用CU和DU分離的模式。CU-DU邏輯體系可以分為2種，即CU-DU分布架構(gòu)和CU-DU融合架構(gòu)。在CU-DU分離(distributed)架構(gòu)中，NR協(xié)議棧的功能可以動(dòng)態(tài)配置和分割，其中一些功能在CU中實(shí)現(xiàn)，剩余功能在DU中實(shí)現(xiàn)。在CU-DU融合（integrated）架構(gòu)中，CU和DU的邏輯功能整合在同一個(gè)gNB中，這個(gè)gNB實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧的全部功能。如圖1所示，左側(cè)為CU/DU分離模式，右側(cè)為CU/DU融合模式。

可見(jiàn)，CU/DU分離就是根據(jù)需求將gNB內(nèi)部功能進(jìn)行分割，一部分功能集中放置在CU側(cè)，實(shí)現(xiàn)資源的集中管理和協(xié)作控制等功能，其余功能分散式放置在DU側(cè)進(jìn)行處理。采用CU和DU分離的架構(gòu)，并結(jié)合不同的場(chǎng)景和傳輸網(wǎng)絡(luò)特性，可以應(yīng)對(duì)各種場(chǎng)景的需求。

圖1 gNB中CU-DU架構(gòu)

“邁向5G C-RAN”白皮書(shū)中的RAN架構(gòu)

2016年11月，中國(guó)移動(dòng)研究院發(fā)布的“邁向5G C-RAN：需求、架構(gòu)與挑戰(zhàn)”白皮書(shū)提到，5G的BBU功能將被重構(gòu)為CU和DU兩個(gè)功能實(shí)體。CU與DU功能的切分根據(jù)處理內(nèi)容的實(shí)時(shí)性進(jìn)行區(qū)分。CU設(shè)備主要包括非實(shí)時(shí)的無(wú)線高層協(xié)議棧功能，同時(shí)也支持部分核心網(wǎng)功能下沉和邊緣應(yīng)用業(yè)務(wù)的部署，而DU設(shè)備主要處理物理層功能和實(shí)時(shí)性需求高的L2功能。

在圖2中，5G采用CU和DU相獨(dú)立的架構(gòu)。CU可采用通用服務(wù)器基于虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)，DU則采用傳統(tǒng)的BBU架構(gòu)?？紤]移動(dòng)邊緣計(jì)算時(shí)，一部分核心網(wǎng)功能還可以下移到CU甚至DU中。對(duì)LTE和5G中RAN的功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行對(duì)比可知，LTE中所有的L1/L2/L3功能都在BBU中實(shí)現(xiàn)；而采用新的5G CU/DU分離架構(gòu)，就可以將L1/L2/L3功能分離，并分別由CU和DU甚至RRU來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而靈活地應(yīng)對(duì)傳輸和業(yè)務(wù)需求的變化。圖2對(duì)傳統(tǒng)的RAN功能進(jìn)行了多層分割，L3和L2中的非實(shí)時(shí)功能(L2-NRT)由CU來(lái)實(shí)現(xiàn)，L2的實(shí)時(shí)功能(L2-RT)以及L1的部分功能(L1'')由DU來(lái)實(shí)現(xiàn)，L1的另外一部分功能(L1')則由RRU來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2 從4G單節(jié)點(diǎn)到5G CU/DU兩級(jí)架構(gòu)(參照白皮書(shū)繪制)

CU-DU分離方式及對(duì)比

采用CU和DU分離的RAN架構(gòu)，有3方面好處。第一，CU/DU分離架構(gòu)是5G網(wǎng)絡(luò)部署的基本需求。為實(shí)現(xiàn)5G的大吞吐量、低時(shí)延和大連接性能目標(biāo)，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較高頻段甚至毫米波，這會(huì)降低小區(qū)覆蓋，從而需要增加傳輸接收點(diǎn)（Transmission Reception Point,TRP）。為了解決這些問(wèn)題，需要考慮采用在RAN側(cè)引入集中控制單元，即CU。第二，硬件實(shí)現(xiàn)靈活，便于節(jié)省成本。由于5G的帶寬和天線數(shù)要求都較高，因此某些條件下無(wú)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(yuǎn)端分布單元中實(shí)現(xiàn)。采用RAN分離架構(gòu)便于在各種場(chǎng)景下提供更大的靈活性。第三，CU和DU分離的架構(gòu)下可以實(shí)現(xiàn)性能和負(fù)荷管理的協(xié)調(diào)和性能優(yōu)化功能。在5G系統(tǒng)中，可能采用高低頻以及非授權(quán)頻譜等多個(gè)頻段，也會(huì)采用宏蜂窩和微小區(qū)等多層小區(qū)技術(shù)，因此網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、管理難度增加。為了獲得更大的性能增益，就需要中央處理單元來(lái)實(shí)現(xiàn)干擾管理和話務(wù)聚合作用。

在3GPP R14版本中，曾提出了8種CU/DU分離方式，如圖3所示。最終在此基礎(chǔ)上確定R15版本將首先對(duì)選項(xiàng)2進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。后期L1及RF接口上是否還會(huì)采用新的分離選項(xiàng)，有待繼續(xù)關(guān)注。

選項(xiàng)1：RRC位于CU中，PDCP、RLC、MAC以及物理層和RF都位于DU中。

選項(xiàng)2：RRC和PDCP位于CU中，RLC、MAC以及物理層和RF都位于DU中。

選項(xiàng)3：RLC的低層(部分RLC功能)、MAC及物理層和RF都位于DU中，而PDCP和RLC的高層(部分RLC功能)位于CU中。它還可以分為兩類，選項(xiàng)3-1基于ARQ進(jìn)行切分，選項(xiàng)3-2基于TX RLC和RX RLC進(jìn)行切分。

選項(xiàng)4：MAC、物理層和RF位于DU中，PDCP和RLC位于CU中。

選項(xiàng)5：RF、物理層和部分MAC功能(如HARQ)位于DU中，MAC高層、RLC和PDCP位于CU中。

選項(xiàng)6：RF和物理層(PHY)位于DU中，其余高層位于CU中。

選項(xiàng)7：部分物理層功能和RF位于DU中，其余高層位于CU中。

選項(xiàng)7-1：在上行方向上，F(xiàn)FT、CP去除以及PRACH過(guò)濾功能都在DU中，其他物理層功能在CU中。在下行方向上，iFFT和CP添加功能在DU中，其他物理層功能在CU中。

選項(xiàng)7-2：在上行方向上，F(xiàn)FT、CP去除以及資源解映射以及預(yù)濾波功能都在DU中，其他物理層功能在CU中。在下行方向上，iFFT、CP添加和預(yù)編碼功能都在DU中，其他物理層功能在CU中。

選項(xiàng)7-3：僅用于下行方向上，編解碼位于CU中，其他物理層功能位于DU中。

圖3 TR38.801中描述的8種CU/DU切分方式

選項(xiàng)8：RF功能位于DU中，其余高層位于CU中。

表1 8種CU/DU切分方式對(duì)比

在TR38.801中，基于LTE協(xié)議棧對(duì)每種分離方式都進(jìn)行了詳細(xì)分析和說(shuō)明，見(jiàn)表1。

是否具有研究基準(zhǔn)：選項(xiàng)2與LTE雙連接相類似，選項(xiàng)8則與CPRI協(xié)議相類似。

話務(wù)聚合：除了選項(xiàng)1之外，其余選項(xiàng)都具有話務(wù)聚合功能。

ARQ位置：ARQ位于RLC協(xié)議層。選項(xiàng)1和選項(xiàng)2中，ARQ位于DU中，而其余選項(xiàng)下，ARQ都位于CU中。

CU中的資源集中：從選項(xiàng)1到選項(xiàng)8，CU中的集中程度越來(lái)越高。選項(xiàng)1中只有RRC，其集中化程度最低；選項(xiàng)8中除了RF之外其余部分都在CU中，因此集中化程度最高；選項(xiàng)2～5下，CU都包含RRC和部分L2功能；選項(xiàng)6下，CU包含RRC和全部L2功能；選項(xiàng)7下，CU包含RRC、全部L2和部分PHY功能；選項(xiàng)8下，CU包含RRC、全部L2和全部PHY功能。

傳輸網(wǎng)絡(luò)時(shí)延需求：選項(xiàng)1、2、3-1和3-2下，CU中包含RLC及上層功能，主要處理非實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，因此CU與DU接口上的傳輸網(wǎng)絡(luò)時(shí)延要求相對(duì)較低；選項(xiàng)5目前研究較少；選項(xiàng)6、7和8主要包含MAC、PHY及RF等實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的功能，因此CU與DU接口上的傳輸網(wǎng)絡(luò)時(shí)延需求較高。

傳輸網(wǎng)絡(luò)峰值帶寬需求：選項(xiàng)1沒(méi)有用戶面需求，因此不用考慮；而從選項(xiàng)2～8，需求則越來(lái)越高。選項(xiàng)2～6以及7-3下，CU與DU接口上傳送的是基帶比特信息，且隨著MIMO層數(shù)增加而擴(kuò)展；選項(xiàng)7-1和7-2下，CU與DU接口上傳送的是頻域的量化的IQ信息；選項(xiàng)8下，則是時(shí)域的量化的IQ信息；選項(xiàng)7-2仍隨著MIMO層數(shù)增加而擴(kuò)展；選項(xiàng)7-1和選項(xiàng)8則隨著天線端口數(shù)的增加而擴(kuò)展。

多小區(qū)/頻率協(xié)調(diào)：選項(xiàng)1、2和3下使用多個(gè)調(diào)度器，因?yàn)槊總€(gè)DU都具有獨(dú)立的調(diào)度器；而選項(xiàng)5～8下，CU中可以采用公共的集中調(diào)度器。

上行先進(jìn)Rx：選項(xiàng)7-1和選項(xiàng)8具有先進(jìn)的上行接收技術(shù)，選項(xiàng)7-3則沒(méi)有，其余一些選項(xiàng)尚無(wú)太多研究。

選項(xiàng)1可能利于uRLLC/MEC；選項(xiàng)5、6、7-2和7-3下，由于調(diào)度和物理層處理相分離，所以可能比較復(fù)雜，同時(shí)，選項(xiàng)5下調(diào)度器和HARQ相分 離，也會(huì)增加復(fù)雜度。

3GPP中CU-DU切分最終選項(xiàng)

在2017年舉行的RAN3#95會(huì)議上，CU/DU高層切分方式由業(yè)內(nèi)專家提出了建議，并最終由RAN#75全會(huì)通過(guò)。

圖4 采用CU和DU架構(gòu)的gNB

一種是高層切分方案。在3GPP Stage 2/3階段將設(shè)定一種高層分離方案。目前推薦考慮選項(xiàng)2(即PDCP/RLC分離模式)。選項(xiàng)3-1(即RLC內(nèi)部分割)比較難以實(shí)施。采用PDCP與RLC分離的CU-DU方案，是考慮到LTE中雙連接3C模式就是采用的PDCP與RLC分離的方式，且已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了，所以便于實(shí)現(xiàn)。另一種是低層切分方案。需要進(jìn)一步對(duì)低層分割方案、可行性、切分方式選擇等進(jìn)行評(píng)估，并且進(jìn)入規(guī)范階段之前，需要基于NR進(jìn)行技術(shù)優(yōu)勢(shì)的對(duì)比分析。

選項(xiàng)2是PDCP和RLC間切分的方式，其用戶面類似于X2的設(shè)計(jì)方式，但是控制面一些功能有差異，需要一些新的信令過(guò)程。根據(jù)用戶面可控制面是否分離，選項(xiàng)2又可劃分為2-1和2-2。

選項(xiàng)2-1：僅分離用戶面(類似3C)RRC，PDCP在CU中，RLC、MAC、PHY和RF在DU中。這種方式下，NR和E-UTRA中的話務(wù)聚合功能可以集中實(shí)現(xiàn)。另外，可以對(duì)NR和E-UTRA之間的話務(wù)負(fù)荷進(jìn)行管理。LTE雙連接中對(duì)PDCP和RLC之間的3C分割方式已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了，因此這種分割方式利于標(biāo)準(zhǔn)化，所需工作量較小。另外，從LTE遷移的角度看，LTE-NR與功能分割方式在用戶面一致也是有好處的。

選項(xiàng)2-2：控制面與用戶面分離。RRC、PDCP在CU中，RLC、MAC、PHY和RF在DU中。另外，可以將控制面的RRC和PDCP與用戶面的PDCP放在不同的CU中來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種方式下，NR和E-UTRA中的話務(wù)聚合功能可以集中實(shí)現(xiàn)。另外，可以對(duì)NR和E-UTRA之間的話務(wù)負(fù)荷進(jìn)行管理，有利于PDCP層的集中化。它主要受用戶面過(guò)程的影響，可隨著話務(wù)負(fù)荷的增加來(lái)擴(kuò)展。RRC/RRM集中處理，且與用戶面分離，但是需要確保不同PDCP實(shí)體間的安全性配置。

5G RAN中CU和DU分離下的架構(gòu)

5G gNB組成和概念

采用CU和DU架構(gòu)的5G gNB結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中Fs-C和Fs-U分別為控制面和用戶面接口。

CP和UP合并下的CU/DU架構(gòu)

不考慮CP和UP分離時(shí)，采用選項(xiàng)2進(jìn)行CU/DU分離時(shí)的RAN架構(gòu)如圖5所示。其中，所有的PDCP功能都在CU中實(shí)現(xiàn)。

圖5 CU/DU選項(xiàng)2下RAN架構(gòu)(摘自R2-1700637)

圖6 集中式PDCP-U本地化RRM的架構(gòu)

CP和UP分離下的CU/DU架構(gòu)

PDCP中，控制面功能包括加密、解密、完整性保護(hù)、控制面數(shù)據(jù)的傳送、雙連接和載波聚合下PDCP PDU的復(fù)制等。PDCP用戶面功能包括序列編號(hào)、頭壓縮和解壓縮、用戶數(shù)據(jù)的傳送、排序和重復(fù)檢測(cè)、PDCP PDU的選路、PDCP SDU的重傳和丟棄、加密盒解密、PDCP重建，以及RLC AM下的數(shù)據(jù)恢復(fù)、雙連接和載波聚合下PDCP PDU的復(fù)制等。

集中式PDCP-U中，本地化RRM的架構(gòu)如6圖所示。

PDCP和RRM都采用集中式，且集中式RRM位于不同平臺(tái)中，架構(gòu)如圖7所示。

圖7 PDCP和RRM都采用集中式且集中式RRM位于不同平臺(tái)中的架構(gòu)