5G系统RAN架构解析之CU和DU的应用和功能切分方式

1、5G系统RAN架构解析之CU和DU的应用和功能切分方式(上)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，关合签订C-RAN无线云网络签署研究合作备忘灵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(Cen tralized Uni 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(Cen tralized Un it/Distributed Un it)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11目前，5G RAN架构考虑

2、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MWC2017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MWC2017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

3、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

4、实现,2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

5、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”。图菱于CU/DU的GRAM阎秦6总f諾厝BhlCLHfifi远涓站址远舸詁融远喘沾址通用硬 件平台 理想前传条件I isatetit I骨+RRU0=1 屆亠、$匚蹩环、.|审比暢T非理想前财 传剝牛A * IRRU DUiQfig/站站址迈向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

6、络为非理想传输（即：传输网络带宽和时延有限时厂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 an dDistributed 5G Core”，来进 行分析和说明。http:/www. netma n/?m二view&id二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R

7、RU为2T2R丄TE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(Ether net)。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

8、 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。ip Sp”f： A few Gbps5GMiMO-New KAI-mmWaveCloud RANBa chhulBB-U P49IF*aciUI; Cere56 CoresiswH 静蚩r段RRH巴3h置占即爱旱于口&丄?e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。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PDC

9、P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。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。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。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

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