5G系統(tǒng)RAN架構 - CU(集中單元)和DU(分布單元)的應用和功能切分方式 (上)

達坂城大豆 2017-03-19

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5G系統(tǒng)RAN架構

- CU(集中單元)和DU(分布單元)的應用和功能切分方式 (上)

2017-3-18

2017年世界移動通信展(MWC 2017)上，多家公司展示了Cloud RAN方案和架構，意味著未來5G系統(tǒng)中C-RAN將扮演重要角色?？v觀業(yè)界態(tài)勢，運營商與多家設備商聯(lián)合發(fā)布C-RAN白皮書，聯(lián)合簽訂C-RAN無線云網(wǎng)絡簽署研究合作備忘錄（MOU），都表示C-RAN研究工作是5G標準和研發(fā)工作的重頭戲。

2016年11月中國移動研究院聯(lián)合國內(nèi)外部分設備上和芯片廠商發(fā)布了“邁向5G C-RAN：需求、架構與挑戰(zhàn)”白皮書。其中寫到， “面向5G，基于集中/分布單元CU/DU（Centralized Unit/Distributed Unit）的兩級架構也已經(jīng)被業(yè)界所認可，這一網(wǎng)絡架構與無線云化的結合，構成了5G C-RAN的兩個基本要素”。由此可見，集中/分布單元CU/DU（Centralized Unit/Distributed Unit）架構是研究C-RAN的基礎。

本文結合運營商的基本需求和3GPP討論結果，來簡單分析CU/DU架構的特點和實現(xiàn)方式。

1. CU和DU邏輯功能分離的需求

目前，5G RAN架構考慮采用中央單元(CU)和分布單元(DU)獨立部署的方式，以更好地滿足各場景和應用的需求。這在MWC’2017中國移動發(fā)布的“3.5GHz 5G系統(tǒng)樣機技術指導建議”中以及2016/11發(fā)布的“邁向5G C-RAN：需求、架構與挑戰(zhàn)”白皮書中都有所體現(xiàn)。

1.1 中國移動對5G RAN架構的要求

MWC’2017上，中國移動發(fā)布了“3.5GHz 5G系統(tǒng)樣機技術指導建議”，其中對RAN架構的要求如下。

“5G獨立(standalone)部署時，gNB的邏輯體系采用CU(即中心單元)和DU(分布單元)分離模式?；趨f(xié)議棧功能的配置，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(LTE eNB連接到EPC，NR gNB連接到5GC)”。如下圖所示。

選項1：CU-DU分離(distributed)架構

這種架構下，NR協(xié)議棧的功能可以動態(tài)配置和分割，其中一些功能在CU中實現(xiàn)，剩余功能在DU中實現(xiàn)。為滿足不同分割選項的需求，需要支持理想傳輸網(wǎng)絡和非理想傳輸網(wǎng)絡。CU與DU之間的接口應當遵循3GPP規(guī)范要求。

選項2：CU-DU整合(integrated)架構

CU和DU的邏輯功能整合在同一個eNB中，這個gNB實現(xiàn)協(xié)議棧的全部功能。

1.2 中國移動C-RAN白皮書中有關CU-DU的描述

2016年11月中國移動研究院聯(lián)合國內(nèi)外部分設備上和芯片廠商發(fā)布了“邁向5G C-RAN：需求、架構與挑戰(zhàn)”白皮書，其中對CU和DU分離架構論述如下。

“5G的BBU功能將被重構為CU和DU兩個功能實體。CU與DU功能的切分以處理內(nèi)容的實時性進行區(qū)分(如下圖所示)。CU設備主要包括非實時的無線高層協(xié)議棧功能，同時也支持部分核心網(wǎng)功能下沉和邊緣應用業(yè)務的部署，而DU設備主要處理物理層功能和實時性需求的層2功能”。

上圖中對LTE網(wǎng)元及功能與5G系統(tǒng)進行了對比?？梢钥吹?，采用CU和DU架構后，CU和DU可以由獨立的硬件來實現(xiàn)。從功能上看，一部分核心網(wǎng)功能可以下移到CU甚至DU中，用于實現(xiàn)移動邊緣計算。此外，原先所有的L1/2/3等功能都在BBU中實現(xiàn)，新的架構下可以將L1/2/3功能分離，分別放在CU和DU甚至RRU中來實現(xiàn)，以便靈活地應對傳輸和業(yè)務需求的變化。

關于具體的功能劃分，上圖可以作為一個例子進行參考。它將L3和L2中的非實時功能(L2-NRT)在CU中實現(xiàn)，L2的實時功能(L2-RT)以及L1的部分功能(L1’’)在DU中實現(xiàn)，L1的另外一部分功能(L1’)移入RRU來實現(xiàn)。

由此可見，5G系統(tǒng)中采用CU-DU分離架構后，傳統(tǒng)BBU和RRU網(wǎng)元及其邏輯功能都會發(fā)生很大變化。未來3GPP還將進一步研究討論具體實施方案，具體哪些功能會在CU中實現(xiàn)，哪些功能又會放入DU，各廠家的具體實施方案還需要遵循3GPP規(guī)范要求。具體方案和選項有望在4月份予以明確。

1.3 CU-DU分離的好處

3GPP TR38.801中提到，CU-DU功能靈活切分的好處在于：

硬件實現(xiàn)靈活，可以節(jié)省成本。
CU和DU分離的架構下可以實現(xiàn)性能和負荷管理的協(xié)調(diào)、實時性能優(yōu)化并使用NFV/SDN功能。
功能分割可配置能夠滿足不同應用場景的需求，如傳輸時延的多變性。

1.4 CU-DU分離和部署的原則

3GPP TR38.801中提到，如何對NR進行架構切分取決于網(wǎng)絡部署場景、部署限制以及所支持的服務等。舉例說明如下：

需要根據(jù)所提供的業(yè)務設定不同的QoS時(如低時延、高吞吐量)。
在給定地理區(qū)域內(nèi)需要支持特定用戶密度和負荷需求時(這將影響RAN協(xié)調(diào)水平)。
需要能夠與不同性能及別的傳輸網(wǎng)協(xié)同時(如理想到非理想)。

中國移動C-RAN白皮書中提到，“傳送網(wǎng)資源充足時，可集中化部署DU 功能單元，實現(xiàn)物理層協(xié)作化技術，而在傳送網(wǎng)資源不足時也可分布式部署DU 處理單元。而CU 功能的存在，實現(xiàn)了原屬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?？稍谧畲蠡ＷC協(xié)作化能力的同時，兼容不同的傳送網(wǎng)能力”。

“邁向5G C-RAN：需求、架構與挑戰(zhàn)”白皮書中還提到，CU/DU部署方式的選擇需要同時綜合考慮多種因素，包括：業(yè)務的傳輸需求（如帶寬，時延等因素）、接入網(wǎng)設備的實現(xiàn)要求（如：設備的復雜度、池化增益等）以及協(xié)作能力和運維難度等。若前傳網(wǎng)絡為理想傳輸，即：當前傳輸網(wǎng)絡具有足夠高的帶寬和極低時延時（如：光纖直連），可以將協(xié)議棧高實時性的功能進行集中，CU與DU可以部署在同一個集中點，以獲得最大的協(xié)作化增益。若前傳網(wǎng)絡為非理想傳輸（即：傳輸網(wǎng)絡帶寬和時延有限時），CU可以集中協(xié)議棧低實時性的功能，并采用集中部署的方式，DU可以集中協(xié)議棧高實時性的功能，并采用分布式部署的方式。另外，CU作為集中節(jié)點，部署位置可以根據(jù)不同業(yè)務的需求進行按需靈活調(diào)整。

2. CU和DU分離架構應用舉例

韓國KT 5G網(wǎng)絡中采用了C-RAN架構。下面借助2015年發(fā)表的文章“Mobile Network Architecture for 5G Era - New C-RAN Architecture andDistributed 5G Core”，來進行分析和說明。

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

文中提到，5G網(wǎng)絡架構需要滿足業(yè)務和性能的需求。比如：

高速業(yè)務 ---> 前傳話務量巨大 --->C-RAN/新型前傳
高速業(yè)務 ---> 核心網(wǎng)業(yè)務激增 --->分布式5G核心網(wǎng)絡
超低時延 ---> 分布式5G核心網(wǎng)

LTE系統(tǒng)中已經(jīng)采用了C-RAN架構，BBU和RRH獨立放置。BBU放置在中心機房或者主要站點，而RRH分布在各個站址上。BBU與RRU之間采用CPRI接口，每個CPRI端口連接一個RRU。每個RRU為2T2R，LTE帶寬為20MHz，故CPRI接口的容量為2.45Gbps。

如果采用mMIMO，BBU與RRU之間的CPRI容量將大幅增加。比如，如果帶寬為20MHz，且RRU采用16個流的天線，則CPRI容量需要19.66GHz。如果再進一步采用100MHz以上的帶寬，則BBU與RRU之間的CPRI接口容量就需要幾百Gbps了。

LTE時代的C-RAN和前傳架構已經(jīng)無法處理這么大的容量了(目前每個CPRI端口的最大傳輸容量為10Gbps)。為了解決這個問題，考慮重新對BBU和RRU進行定義(如將物理層下放到RRU中，以降低傳輸容量的需求)，并將BBU與RRU之間的接口從電路前傳(CPRI)轉(zhuǎn)變?yōu)榉纸M前傳(Ethernet)。

5G時代，為了對BBU和RRU的功能重新進行定義，且將前傳轉(zhuǎn)為分組方式，提出了多種功能分割方式，不同方式下，前傳容量降低程度的影響、CoMP的效果以及RAN虛擬化的增益等有所不同。

如下圖所示，BBU與RRU之間可以采用多種協(xié)議分割方式，如PDCP與RLC之間、RLC與MAC之間、MAC與PHY之間、PHY內(nèi)部等。它們所對應的CU功能逐漸增強，DU功能逐漸減弱。從而CU與DU接口上的前傳容量需求逐漸增大、CoMP效果也越來越強，時延需求越來越小。

那么，3GPP中，對CU-DU分離方式如何定義哪？下面來簡單了解和分析一下。

3. 3GPP 關于RAN架構中CU-DU的分割方式

TR38.801 v200中第11章是有關5G的RAN邏輯架構的相關內(nèi)容，需要說明的是，目前此討論是基于LTE的協(xié)議棧進行分析和研究的，聚焦于RRC、PDCP、RLC、MAC以及物理層等協(xié)議層。

3.1 CU和DU的8種切分方式

CU和DU邏輯功能分割方式有以下幾種選擇，基本上可在多個協(xié)議層之間或者內(nèi)部實施切分。

[1] 選項1(類似1A的切分方式)：

類似于雙連接中1A的切分方式。RRC位于中央單元CU中，PDCP、RLC、MAC以及物理層和RF都位于分布單元DU中。

[2] 選項2(類似3C的切分方式)：

類似于雙連接中3C的切分方式。RRC和PDCP位于中央單元CU中，RLC、MAC以及物理層和RF都位于分布單元DU中。

[3] 選項3(RLC內(nèi)部切分)：

RLC的低層(部分RLC功能)、MAC及物理層和RF都位于分布單元DU中，而PDCP和RLC的高層(部分RLC功能)位于中央單元CU中。

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

[4] 選項4(RLC與MAC之間切分)：

MAC、物理層和RF位于DU中，PDCP和RLC位于CU中。

[5] 選項5(MAC內(nèi)部切分):

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。

[6] 選項6(MAC和PHY切分):

RF和物理層(PHY)位于DU中，其余高層位于CU中。

[7] 選項7(物理層內(nèi)部切分):

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：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。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：上行方向上，FFT、CP去除以及資源解影射以及預濾波功能都在DU中，其他物理層功能在CU中。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。

[8] 選項8(物理層和RF切分):

RF功能位于DU中，其余高層位于CU中。

3.2 CU和DU的8種切分方式的特點對比

TR38.801中對每種切分方式都進行了詳細分析和說明，本文章僅將其結論放在這里，后續(xù)將基于TR38.801并結合每種方式的詳細特點予以深入分析。

注1：本總結表是基于LTE協(xié)議棧進行的，后續(xù)將根據(jù)NR協(xié)議棧予以更新。

注2：本總結表不能用于分析目前的切分方式。

注3：本總結表頭用于對各種CU/DU切分方式提供高層總結，因此集中在一些主要，不是非常全面和詳盡。

注4：對URLCC/MEC也許有好處。

注5：由于調(diào)度器和物理層處理分開了，所以增加了復雜性。

注6：由于調(diào)度器和HARQ分開了，所以增加了復雜性。

注7：在研究階段(SI)未加以明確和澄清。

相信看到此表后，諸位更希望了解每種切分方式的具體特點了吧，大家可以參閱TR38.801或者等待小編后續(xù)翻譯整理。

最新的TR38.801鏈接如下：

RP-170490 TR 38.801 Radio Access Architecture andInterfaces

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

4. 3GPP標準關于CU-DU分離的討論進展

最新結束的RAN#75全會結論如下(詳見TR38.801 v2.0.0)。

4.1 高層分割：

在未來的stage2和stage3階段還將研究此項工作。但是如果沒有其他決定，就將接受RAN3的建議，高層RAN架構分離就考慮選項2。應當限制4月份會議上有關選項2和選項3的提案，以集中在RLC PDU丟失時的重傳分析上。如果不能達成協(xié)議，則將進行正式的舉手表決(vote)，以便在2017年4月份對選項2和選項3-1達成決議(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)。

不過，對其他選項的標準性提案也是歡迎的(Normative contributions todifferent options are also expected)。

補充說明2月份舉行的RAN3#95會議上的討論結果如下：

在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)，最終在4月份決定。選項3-1(即RLC內(nèi)部分割)比較難以實施。更底層的分離目前沒有討論完成，需要往后推延。L1分離的時間表沒有達成一致意見。
采用PDCP與RLC分離的CU-DU方案，是考慮到LTE種雙連接3C模式就是采用的PDCP與RLC分離的方式，且已經(jīng)標準化了，所以便于實現(xiàn)。另外，LTE-NR緊密互操作模式與CU-DU分割采用相同的模式，在未來LTE向5G遷移(migration)過程中用戶面有好處。(詳見R3-170902)