5G系統中RAN側集中單元(CU)和分布單元(DU)架構分析

中國移動通信集團設計院有限公司北京分公司|朱峰 李洪城 唐鈺

CU/DU分離架構是5G網絡部署的基本需求。CU/DU分離架構可以實現性能和負荷管理的協調和優化。

在5G無線接入網絡(RAN)架構討論中，3GPP考慮將傳統RAN劃分為中心單元(CU，central unit)和分布單元(DU，distribute unit)，以節省傳輸資源，優化資源協調。本文從3GPP研究階段關注的8種CU/DU切分選項入手，分析了CU/DU切分的好處、CU/DU切分的方式和特點以及CU/DU切分方式的標準化研究結論，并展示了CP和UP分離與否情況下的CU/DU架構，從而全面分析和體現了未來5G系統中無線接入網的實現方式和網絡結構。

5G RAN云化架構的概念

中國移動5G RAN架構

中國移動在MWC2017上發布的“3.5GHz 5G系統樣機技術指導建議”中表示，5G采用獨立組網(standalone)部署時，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分布架構和CU-DU融合架構。在CU-DU分離(distributed)架構中，NR協議棧的功能可以動態配置和分割，其中一些功能在CU中實現，剩余功能在DU中實現。在CU-DU融合（integrated）架構中，CU和DU的邏輯功能整合在同一個gNB中，這個gNB實現協議棧的全部功能。如圖1所示，左側為CU/DU分離模式，右側為CU/DU融合模式。

可見，CU/DU分離就是根據需求將gNB內部功能進行分割，一部分功能集中放置在CU側，實現資源的集中管理和協作控制等功能，其余功能分散式放置在DU側進行處理。采用CU和DU分離的架構，并結合不同的場景和傳輸網絡特性，可以應對各種場景的需求。

圖1 gNB中CU-DU架構

“邁向5G C-RAN”白皮書中的RAN架構

2016年11月，中國移動研究院發布的“邁向5G C-RAN：需求、架構與挑戰”白皮書提到，5G的BBU功能將被重構為CU和DU兩個功能實體。CU與DU功能的切分根據處理內容的實時性進行區分。CU設備主要包括非實時的無線高層協議棧功能，同時也支持部分核心網功能下沉和邊緣應用業務的部署，而DU設備主要處理物理層功能和實時性需求高的L2功能。

在圖2中，5G采用CU和DU相獨立的架構。CU可采用通用服務器基于虛擬化技術實現，DU則采用傳統的BBU架構?？紤]移動邊緣計算時，一部分核心網功能還可以下移到CU甚至DU中。對LTE和5G中RAN的功能實現進行對比可知，LTE中所有的L1/L2/L3功能都在BBU中實現；而采用新的5G CU/DU分離架構，就可以將L1/L2/L3功能分離，并分別由CU和DU甚至RRU來實現，從而靈活地應對傳輸和業務需求的變化。圖2對傳統的RAN功能進行了多層分割，L3和L2中的非實時功能(L2-NRT)由CU來實現，L2的實時功能(L2-RT)以及L1的部分功能(L1'')由DU來實現，L1的另外一部分功能(L1')則由RRU來實現。

圖2 從4G單節點到5G CU/DU兩級架構(參照白皮書繪制)

CU-DU分離方式及對比

采用CU和DU分離的RAN架構，有3方面好處。第一，CU/DU分離架構是5G網絡部署的基本需求。為實現5G的大吞吐量、低時延和大連接性能目標，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，這會降低小區覆蓋，從而需要增加傳輸接收點（Transmission Reception Point,TRP）。為了解決這些問題，需要考慮采用在RAN側引入集中控制單元，即CU。第二，硬件實現靈活，便于節省成本。由于5G的帶寬和天線數要求都較高，因此某些條件下無法完全集中化管理，比如多天線處理、前傳壓縮等功能還需要在遠端分布單元中實現。采用RAN分離架構便于在各種場景下提供更大的靈活性。第三，CU和DU分離的架構下可以實現性能和負荷管理的協調和性能優化功能。在5G系統中，可能采用高低頻以及非授權頻譜等多個頻段，也會采用宏蜂窩和微小區等多層小區技術，因此網絡實現復雜、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實現干擾管理和話務聚合作用。

在3GPP R14版本中，曾提出了8種CU/DU分離方式，如圖3所示。最終在此基礎上確定R15版本將首先對選項2進行標準化。后期L1及RF接口上是否還會采用新的分離選項，有待繼續關注。

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

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

選項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3-1基于ARQ進行切分，選項3-2基于TX RLC和RX RLC進行切分。

選項4：MAC、物理層和RF位于DU中，PDCP和RLC位于CU中。

選項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6：RF和物理層(PHY)位于DU中，其余高層位于CU中。

選項7：部分物理層功能和RF位于DU中，其余高層位于CU中。

選項7-1：在上行方向上，FFT、CP去除以及PRACH過濾功能都在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7-2：在上行方向上，FFT、CP去除以及資源解映射以及預濾波功能都在DU中，其他物理層功能在CU中。在下行方向上，iFFT、CP添加和預編碼功能都在DU中，其他物理層功能在CU中。

選項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切分方式對比

在TR38.801中，基于LTE協議棧對每種分離方式都進行了詳細分析和說明，見表1。

是否具有研究基準：選項2與LTE雙連接相類似，選項8則與CPRI協議相類似。

話務聚合：除了選項1之外，其余選項都具有話務聚合功能。

ARQ位置：ARQ位于RLC協議層。選項1和選項2中，ARQ位于DU中，而其余選項下，ARQ都位于CU中。

CU中的資源集中：從選項1到選項8，CU中的集中程度越來越高。選項1中只有RRC，其集中化程度最低；選項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2～5下，CU都包含RRC和部分L2功能；選項6下，CU包含RRC和全部L2功能；選項7下，CU包含RRC、全部L2和部分PHY功能；選項8下，CU包含RRC、全部L2和全部PHY功能。

傳輸網絡時延需求：選項1、2、3-1和3-2下，CU中包含RLC及上層功能，主要處理非實時性業務，因此CU與DU接口上的傳輸網絡時延要求相對較低；選項5目前研究較少；選項6、7和8主要包含MAC、PHY及RF等實時性較強的功能，因此CU與DU接口上的傳輸網絡時延需求較高。

傳輸網絡峰值帶寬需求：選項1沒有用戶面需求，因此不用考慮；而從選項2～8，需求則越來越高。選項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層數增加而擴展；選項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8下，則是時域的量化的IQ信息；選項7-2仍隨著MIMO層數增加而擴展；選項7-1和選項8則隨著天線端口數的增加而擴展。

多小區/頻率協調：選項1、2和3下使用多個調度器，因為每個DU都具有獨立的調度器；而選項5～8下，CU中可以采用公共的集中調度器。

上行先進Rx：選項7-1和選項8具有先進的上行接收技術，選項7-3則沒有，其余一些選項尚無太多研究。

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

3GPP中CU-DU切分最終選項

在2017年舉行的RAN3#95會議上，CU/DU高層切分方式由業內專家提出了建議，并最終由RAN#75全會通過。

圖4 采用CU和DU架構的gNB

一種是高層切分方案。在3GPP Stage 2/3階段將設定一種高層分離方案。目前推薦考慮選項2(即PDCP/RLC分離模式)。選項3-1(即RLC內部分割)比較難以實施。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，且已經標準化了，所以便于實現。另一種是低層切分方案。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。

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

選項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中的話務聚合功能可以集中實現。另外，可以對NR和E-UTRA之間的話務負荷進行管理。LTE雙連接中對PDCP和RLC之間的3C分割方式已經標準化了，因此這種分割方式利于標準化，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中來實現。這種方式下，NR和E-UTRA中的話務聚合功能可以集中實現。另外，可以對NR和E-UTRA之間的話務負荷進行管理，有利于PDCP層的集中化。它主要受用戶面過程的影響，可隨著話務負荷的增加來擴展。RRC/RRM集中處理，且與用戶面分離，但是需要確保不同PDCP實體間的安全性配置。

5G RAN中CU和DU分離下的架構

5G gNB組成和概念

采用CU和DU架構的5G gNB結構如圖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

不考慮CP和UP分離時，采用選項2進行CU/DU分離時的RAN架構如圖5所示。其中，所有的PDCP功能都在CU中實現。

圖5 CU/DU選項2下RAN架構(摘自R2-1700637)

圖6 集中式PDCP-U本地化RRM的架構

CP和UP分離下的CU/DU架構

PDCP中，控制面功能包括加密、解密、完整性保護、控制面數據的傳送、雙連接和載波聚合下PDCP PDU的復制等。PDCP用戶面功能包括序列編號、頭壓縮和解壓縮、用戶數據的傳送、排序和重復檢測、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下的數據恢復、雙連接和載波聚合下PDCP PDU的復制等。

集中式PDCP-U中，本地化RRM的架構如6圖所示。

PDCP和RRM都采用集中式，且集中式RRM位于不同平臺中，架構如圖7所示。

圖7 PDCP和RRM都采用集中式且集中式RRM位于不同平臺中的架構