5G系统RAN架构解析之CU和DU的应用和功能切分方式

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2017年世界移动通信展(MWC 2017)上，多家公司展示了Cloud RAN方案和架构，意味着未来5G系统中C-RAN将扮演重要角色。纵观业界态势，运营商与多家设备商联合发布C-RAN白皮书，联合签订C-RAN无线云网络签署研究合作备忘录（MOU），都表示C-RAN研究工作是5G标准和研发工作的重头戏。

2016年11月中国移动研究院联合国内外部分设备上和芯片厂商发布了“迈向5G C-RAN：需求、架构与挑战”白皮书。其中写到， “面向5G，基于集中/分布单元CU/DU（Centralized Unit/Distributed Unit）的两级架构也已经被业界所认可，这一网络架构与无线云化的结合，构成了5G C-RAN的两个基本要素”。由此可见，集中/分布单元CU/DU（Centralized Unit/Distributed Unit）架构是研究C-RAN的基础。

本文结合 运营商 的基本需求和 3GPP 讨论结果，来简单分析CU/DU架构的特点和实现方式。

1.CU和DU逻辑功能分离的需求

目前，5G RAN架构考虑采用中央单元(CU)和分布单元(DU)独立部署的方式，以更好地满足各场景和应用的需求。这在MWC’2017中国移动发布的“3.5GHz 5G系统样机技术指导建议”中以及2016/11发布的“迈向5G C-RAN：需求、架构与挑战”白皮书中都有所体现。

1.1中国移动对5G RAN架构的要求

MWC’2017上，中国移动发布了“3.5GHz 5G系统样机技术指导建议”，其中对RAN架构的要求如下。

“5G独立(standalone)部署时，gNB的逻辑体系采用CU(即中心单元)和DU(分布单元)分离模式。基于协议栈功能的配置，CU-DU逻辑体系可以分为2种，即CU-DU分布架构和CU-DU融合架构(LTE eNB连接到EPC，NR gNB连接到5GC)”。如下图所示。

选项1：CU-DU分离(distributed)架构

这种架构下，NR协议栈的功能可以动态配置和分割，其中一些功能在CU中实现，剩余功能在DU中实现。为满足不同分割选项的需求，需要支持理想传输网络和非理想传输网络。CU与DU之间的接口应当遵循3GPP规范要求。

选项2：CU-DU整合(integrated)架构

CU和DU的逻辑功能整合在同一个eNB中，这个gNB实现协议栈的全部功能。

1.2   中国移动C-RAN白皮书中有关CU-DU的描述

2016年11月中国移动研究院联合国内外部分设备上和芯片厂商发布了“迈向5G C-RAN：需求、架构与挑战”白皮书，其中对CU和DU分离架构论述如下。

“5G的BBU功能将被重构为CU和DU两个功能实体。CU与DU功能的切分以处理内容的实时性进行区分(如下图所示)。CU设备主要包括非实时的无线高层协议栈功能，同时也支持部分核心网功能下沉和边缘应用业务的部署，而DU设备主要处理物理层功能和实时性需求的层2功能”。

上图中对LTE网元及功能与5G系统进行了对比。可以看到，采用CU和DU架构后，CU和DU可以由独立的硬件来实现。从功能上看，一部分核心网功能可以下移到CU甚至DU中，用于实现移动边缘计算。此外，原先所有的L1/2/3等功能都在BBU中实现，新的架构下可以将L1/2/3功能分离，分别放在CU和DU甚至RRU中来实现，以便灵活地应对传输和业务需求的变化。

关于具体的功能划分，上图可以作为一个例子进行参考。它将L3和L2中的非实时功能(L2-NRT)在CU中实现，L2的实时功能(L2-RT)以及L1的部分功能(L1’’)在DU中实现，L1的另外一部分功能(L1’)移入RRU来实现。

由此可见，5G系统中采用CU-DU分离架构后，传统BBU和RRU网元及其逻辑功能都会发生很大变化。未来3GPP还将进一步研究讨论具体实施方案，具体哪些功能会在CU中实现，哪些功能又会放入DU，各厂家的具体实施方案还需要遵循3GPP规范要求。具体方案和选项有望在4月份予以明确。

1.3   CU-DU分离的好处

3GPP TR38.801中提到，CU-DU功能灵活切分的好处在于：

硬件实现灵活，可以节省成本。
CU和DU分离的架构下可以实现性能和负荷管理的协调、实时性能优化并使用NFV/SDN功能。
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。

1.4  CU-DU分离和部署的原则

3GPP TR38.801中提到，如何对NR进行架构切分取决于网络部署场景、部署限制以及所支持的服务等。举例说明如下：

需要根据所提供的业务设定不同的QoS时(如低时延、高吞吐量)。
在给定地理区域内需要支持特定用户密度和负荷需求时(这将影响RAN协调水平)。
需要能够与不同性能及别的传输网协同时(如理想到非理想)。

中国移动C-RAN白皮书中提到，“传送网资源充足时，可集中化部署DU 功能单元，实现物理层协作化技术，而在传送网资源不足时也可分布式部署DU 处理单元。而CU 功能的存在，实现了原属BBU 的部分功能的集中，既兼容了完全的集中化部署，也支持分布式的DU 部署。可在最大化保证协作化能力的同时，兼容不同的传送网能力”。

"迈向5G C-RAN：需求、架构与挑战”白皮书中还提到，CU/DU部署方式的选择需要同时综合考虑多种因素，包括：业务的传输需求（如带宽，时延等因素）、接入网设备的实现要求（如：设备的复杂度、池化增益等）以及协作能力和运维难度等。若前传网络为理想传输，即：当前传输网络具有足够高的带宽和极低时延时（如：光纤直连），可以将协议栈高实时性的功能进行集中，CU与DU可以部署在同一个集中点，以获得最大的协作化增益。若前传网络为非理想传输（即：传输网络带宽和时延有限时），CU可以集中协议栈低实时性的功能，并采用集中部署的方式，DU可以集中协议栈高实时性的功能，并采用分布式部署的方式。另外，CU作为集中节点，部署位置可以根据不同业务的需求进行按需灵活调整。

2.      CU和DU分离架构应用举例

韩国KT 5G网络中采用了C-RAN架构。下面借助2015年发表的文章“Mobile Network Architecture for 5G Era - New C-RAN Architecture andDistributed 5G Core”，来进行分析和说明。

http://www.netmanias.com/en/?m=view&id=blog&no=8153

文中提到，5G网络架构需要满足业务和性能的需求。比如：
高速业务 ---> 前传话务量巨大 --->C-RAN/新型前传
高速业务 ---> 核心网业务激增 --->分布式5G核心网络
超低时延 ---> 分布式5G核心网

LTE系统中已经采用了C-RAN架构，BBU和RRH独立放置。BBU放置在中心机房或者主要站点，而RRH分布在各个站址上。BBU与RRU之间采用CPRI接口，每个CPRI端口连接一个RRU。每个RRU为2T2R，LTE带宽为20MHz，故CPRI接口的容量为2.45Gbps。

如果采用mMIMO，BBU与RRU之间的CPRI容量将大幅增加。比如，如果带宽为20MHz，且RRU采用16个流的天线，则CPRI容量需要19.66GHz。如果再进一步采用100MHz以上的带宽，则BBU与RRU之间的CPRI接口容量就需要几百Gbps了。

LTE时代的C-RAN和前传架构已经无法处理这么大的容量了(目前每个CPRI端口的最大传输容量为10Gbps)。为了解决这个问题，考虑重新对BBU和RRU进行定义(如将物理层下放到RRU中，以降低传输容量的需求)，并将BBU与RRU之间的接口从电路前传(CPRI)转变为分组前传(Ethernet)。

5G时代，为了对BBU和RRU的功能重新进行定义，且将前传转为分组方式，提出了多种功能分割方式，不同方式下，前传容量降低程度的影响、CoMP的效果以及RAN虚拟化的增益等有所不同。

如下图所示，BBU与RRU之间可以采用多种协议分割方式，如PDCP与RLC之间、RLC与MAC之间、MAC与PHY之间、PHY内部等。它们所对应的CU功能逐渐增强，DU功能逐渐减弱。从而CU与DU接口上的前传容量需求逐渐增大、CoMP效果也越来越强，时延需求越来越小。

那么，3GPP中，对CU-DU分离方式如何定义哪？下面来简单了解和分析一下。

3.      3GPP 关于RAN架构中CU-DU的分割方式

TR38.801 v200中第11章是有关5G的RAN逻辑架构的相关内容，需要说明的是，目前此讨论是基于LTE的协议栈进行分析和研究的，聚焦于RRC、PDCP、RLC、MAC以及物理层等协议层。

3.1   CU和DU的8种切分方式

CU和DU逻辑功能分割方式有以下几种选择，基本上可在多个协议层之间或者内部实施切分。

[1]选项1(类似1A的切分方式)：
类似于双连接中1A的切分方式。RRC位于中央单元CU中，PDCP、RLC、MAC以及物理层和RF都位于分布单元DU中。

[2]选项2(类似3C的切分方式)：
类似于双连接中3C的切分方式。RRC和PDCP位于中央单元CU中，RLC、MAC以及物理层和RF都位于分布单元DU中。

[3]选项3(RLC内部切分)：
RLC的低层(部分RLC功能)、MAC及物理层和RF都位于分布单元DU中，而PDCP和RLC的高层(部分RLC功能)位于中央单元CU中。

选项3-1：基于ARQ分割。
选项3-2：基于TX RLC和RX RLC分割。

[4]    选项4(RLC与MAC之间切分)：
MAC、物理层和RF位于DU中，PDCP和RLC位于CU中。

[5]    选项5(MAC内部切分):
RF、物理层和部分MAC功能(如HARQ)位于DU中，MAC高层、RLC和PDCP位于CU中。

[6]    选项6(MAC和PHY切分):
RF和物理层(PHY)位于DU中，其余高层位于CU中。

[7]    选项7(物理层内部切分):
部分物理层功能和RF位于DU中，其余高层位于CU中。

选项7-1：上行方向上，FFT、CP去除以及PRACH过滤功能都在DU中，其他物理层功能在CU中。下行方向上，iFFT和CP添加功能在DU中，其他物理层功能在CU中。
选项7-2：上行方向上，FFT、CP去除以及资源解影射以及预滤波功能都在DU中，其他物理层功能在CU中。下行方向上，iFFT、CP添加和预编码功能都在DU中，其他物理层功能在CU中。
选项7-3：仅用于下行方向上。编解码位于CU中，其他物理层功能位于DU中。

[8]    选项8(物理层和RF切分):
RF功能位于DU中，其余高层位于CU中。

3.2CU和DU的8种切分方式的特点对比

TR38.801中对每种切分方式都进行了详细分析和说明，本文章仅将其结论放在这里，后续将基于TR38.801并结合每种方式的详细特点予以深入分析。

注1：本总结表是基于LTE协议栈进行的，后续将根据NR协议栈予以更新。
注2：本总结表不能用于分析目前的切分方式。
注3：本总结表头用于对各种CU/DU切分方式提供高层总结，因此集中在一些主要，不是非常全面和详尽。
注4：对URLCC/MEC也许有好处。
注5：由于调度器和物理层处理分开了，所以增加了复杂性。
注6：由于调度器和HARQ分开了，所以增加了复杂性。
注7：在研究阶段(SI)未加以明确和澄清。

相信看到此表后，诸位更希望了解每种切分方式的具体特点了吧，大家可以参阅TR38.801或者等待小编后续翻译整理。

最新的TR38.801链接如下：

RP-170490       TR 38.801 Radio Access Architecture andInterfaces

http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/TSG_RAN/TSGR_75/Docs/RP-170490.zip

4.3GPP标准关于CU-DU分离的讨论进展

最新结束的RAN#75全会结论如下(详见TR38.801 v2.0.0)。

4.1   高层分割：

在未来的stage2和stage3阶段还将研究此项工作。但是如果没有其他决定，就将接受RAN3的建议，高层RAN架构分离就考虑选项2。应当限制4月份会议上有关选项2和选项3的提案，以集中在RLC PDU丢失时的重传分析上。如果不能达成协议，则将进行正式的举手表决(vote)，以便在2017年4月份对选项2和选项3-1达成决议(If no agreement can bereached, a formal vote will be set-up, which will result in a down selectionbetween Option 2 or Option 3-1, by April 2017)。

不过，对其他选项的标准性提案也是欢迎的(Normative contributions todifferent options are also expected)。

补充说明2月份举行的RAN3#95会议上的讨论结果如下：

在Stage 2/3阶段将设定一种高层分离方案。目前推荐考虑选项2(即PDCP/RLC分离模式)，最终在4月份决定。选项3-1(即RLC内部分割)比较难以实施。更底层的分离目前没有讨论完成，需要往后推延。L1分离的时间表没有达成一致意见。
采用PDCP与RLC分离的CU-DU方案，是考虑到LTE种双连接3C模式就是采用的PDCP与RLC分离的方式，且已经标准化了，所以便于实现。另外，LTE-NR紧密互操作模式与CU-DU分割采用相同的模式，在未来LTE向5G迁移(migration)过程中用户面有好处。(详见R3-170902)

4.2低层分割：

RAN架构的低层分割的研究工作没有完成，需要延后进行。

需要进一步对低层分割方案、可行性、切分方式选择等进行评估，并且进入规范阶段之强，需要基于NR进行技术优势的对比分析。

研究阶段(SI)的讨论结果表明，选项6和7更受赞成。

5.总结

5G系统C-RAN架构的实现，首先需要解决CU和DU如何进行功能分割的问题。本文以TR38.801 v200为基础，结合一些白皮书及文章简单分析了CU/DU分离的必要性、分离方式及特点等内容，有助于大家简单了解CU/DU分离的基本概念和部署思路。