5G系统中RAN侧集中单元(CU)和分布单元(DU)架构分析

中国移动通信集团设计院有限公司北京分公司|朱峰 李洪城 唐钰

CU/DU分离架构是5G网络部署的基本需求。CU/DU分离架构可以实现性能和负荷管理的协调和优化。

在5G无线接入网络(RAN)架构讨论中，3GPP考虑将传统RAN划分为中心单元(CU，central unit)和分布单元(DU，distribute unit)，以节省传输资源，优化资源协调。本文从3GPP研究阶段关注的8种CU/DU切分选项入手，分析了CU/DU切分的好处、CU/DU切分的方式和特点以及CU/DU切分方式的标准化研究结论，并展示了CP和UP分离与否情况下的CU/DU架构，从而全面分析和体现了未来5G系统中无线接入网的实现方式和网络结构。

5G RAN云化架构的概念

中国移动5G RAN架构

中国移动在MWC2017上发布的“3.5GHz 5G系统样机技术指导建议”中表示，5G采用独立组网(standalone)部署时，gNB的逻辑体系采用CU和DU分离的模式。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。在CU-DU分离(distributed)架构中，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。在CU-DU融合（integrated）架构中，CU和DU的逻辑功能整合在同一个gNB中，这个gNB实现协议栈的全部功能。如图1所示，左侧为CU/DU分离模式，右侧为CU/DU融合模式。

可见，CU/DU分离就是根据需求将gNB内部功能进行分割，一部分功能集中放置在CU侧，实现资源的集中管理和协作控制等功能，其余功能分散式放置在DU侧进行处理。采用CU和DU分离的架构，并结合不同的场景和传输网络特性，可以应对各种场景的需求。

图1 gNB中CU-DU架构

“迈向5G C-RAN”白皮书中的RAN架构

2016年11月，中国移动研究院发布的“迈向5G C-RAN：需求、架构与挑战”白皮书提到，5G的BBU功能将被重构为CU和DU两个功能实体。CU与DU功能的切分根据处理内容的实时性进行区分。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高的L2功能。

在图2中，5G采用CU和DU相独立的架构。CU可采用通用服务器基于虚拟化技术实现，DU则采用传统的BBU架构。考虑移动边缘计算时，一部分核心网功能还可以下移到CU甚至DU中。对LTE和5G中RAN的功能实现进行对比可知，LTE中所有的L1/L2/L3功能都在BBU中实现；而采用新的5G CU/DU分离架构，就可以将L1/L2/L3功能分离，并分别由CU和DU甚至RRU来实现，从而灵活地应对传输和业务需求的变化。图2对传统的RAN功能进行了多层分割，L3和L2中的非实时功能(L2-NRT)由CU来实现，L2的实时功能(L2-RT)以及L1的部分功能(L1'')由DU来实现，L1的另外一部分功能(L1')则由RRU来实现。

图2 从4G单节点到5G CU/DU两级架构(参照白皮书绘制)

CU-DU分离方式及对比

采用CU和DU分离的RAN架构，有3方面好处。第一，CU/DU分离架构是5G网络部署的基本需求。为实现5G的大吞吐量、低时延和大连接性能目标，需要增加带宽、提高频谱效率并增加站址密度。带宽增加意味着需要采用较高频段甚至毫米波，这会降低小区覆盖，从而需要增加传输接收点（Transmission Reception Point,TRP）。为了解决这些问题，需要考虑采用在RAN侧引入集中控制单元，即CU。第二，硬件实现灵活，便于节省成本。由于5G的带宽和天线数要求都较高，因此某些条件下无法完全集中化管理，比如多天线处理、前传压缩等功能还需要在远端分布单元中实现。采用RAN分离架构便于在各种场景下提供更大的灵活性。第三，CU和DU分离的架构下可以实现性能和负荷管理的协调和性能优化功能。在5G系统中，可能采用高低频以及非授权频谱等多个频段，也会采用宏蜂窝和微小区等多层小区技术，因此网络实现复杂、管理难度增加。为了获得更大的性能增益，就需要中央处理单元来实现干扰管理和话务聚合作用。

在3GPP R14版本中，曾提出了8种CU/DU分离方式，如图3所示。最终在此基础上确定R15版本将首先对选项2进行标准化。后期L1及RF接口上是否还会采用新的分离选项，有待继续关注。

选项1：RRC位于CU中，PDCP、RLC、MAC以及物理层和RF都位于DU中。

选项2：RRC和PDCP位于CU中，RLC、MAC以及物理层和RF都位于DU中。

选项3：RLC的低层(部分RLC功能)、MAC及物理层和RF都位于DU中，而PDCP和RLC的高层(部分RLC功能)位于CU中。它还可以分为两类，选项3-1基于ARQ进行切分，选项3-2基于TX RLC和RX RLC进行切分。

选项4：MAC、物理层和RF位于DU中，PDCP和RLC位于CU中。

选项5：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：RF和物理层(PHY)位于DU中，其余高层位于CU中。

选项7：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：在上行方向上，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。在下行方向上，iFFT和CP添加功能在DU中，其他物理层功能在CU中。

选项7-2：在上行方向上，FFT、CP去除以及资源解映射以及预滤波功能都在DU中，其他物理层功能在CU中。在下行方向上，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。

图3 TR38.801中描述的8种CU/DU切分方式

选项8：RF功能位于DU中，其余高层位于CU中。

表1 8种CU/DU切分方式对比

在TR38.801中，基于LTE协议栈对每种分离方式都进行了详细分析和说明，见表1。

是否具有研究基准：选项2与LTE双连接相类似，选项8则与CPRI协议相类似。

话务聚合：除了选项1之外，其余选项都具有话务聚合功能。

ARQ位置：ARQ位于RLC协议层。选项1和选项2中，ARQ位于DU中，而其余选项下，ARQ都位于CU中。

CU中的资源集中：从选项1到选项8，CU中的集中程度越来越高。选项1中只有RRC，其集中化程度最低；选项8中除了RF之外其余部分都在CU中，因此集中化程度最高；选项2～5下，CU都包含RRC和部分L2功能；选项6下，CU包含RRC和全部L2功能；选项7下，CU包含RRC、全部L2和部分PHY功能；选项8下，CU包含RRC、全部L2和全部PHY功能。

传输网络时延需求：选项1、2、3-1和3-2下，CU中包含RLC及上层功能，主要处理非实时性业务，因此CU与DU接口上的传输网络时延要求相对较低；选项5目前研究较少；选项6、7和8主要包含MAC、PHY及RF等实时性较强的功能，因此CU与DU接口上的传输网络时延需求较高。

传输网络峰值带宽需求：选项1没有用户面需求，因此不用考虑；而从选项2～8，需求则越来越高。选项2～6以及7-3下，CU与DU接口上传送的是基带比特信息，且随着MIMO层数增加而扩展；选项7-1和7-2下，CU与DU接口上传送的是频域的量化的IQ信息；选项8下，则是时域的量化的IQ信息；选项7-2仍随着MIMO层数增加而扩展；选项7-1和选项8则随着天线端口数的增加而扩展。

多小区/频率协调：选项1、2和3下使用多个调度器，因为每个DU都具有独立的调度器；而选项5～8下，CU中可以采用公共的集中调度器。

上行先进Rx：选项7-1和选项8具有先进的上行接收技术，选项7-3则没有，其余一些选项尚无太多研究。

选项1可能利于uRLLC/MEC；选项5、6、7-2和7-3下，由于调度和物理层处理相分离，所以可能比较复杂，同时，选项5下调度器和HARQ相分 离，也会增加复杂度。

3GPP中CU-DU切分最终选项

在2017年举行的RAN3#95会议上，CU/DU高层切分方式由业内专家提出了建议，并最终由RAN#75全会通过。

图4 采用CU和DU架构的gNB

一种是高层切分方案。在3GPP 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)。选项3-1(即RLC内部分割)比较难以实施。采用PDCP与RLC分离的CU-DU方案，是考虑到LTE中双连接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。另一种是低层切分方案。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前，需要基于NR进行技术优势的对比分析。

选项2是PDCP和RLC间切分的方式，其用户面类似于X2的设计方式，但是控制面一些功能有差异，需要一些新的信令过程。根据用户面可控制面是否分离，选项2又可划分为2-1和2-2。

选项2-1：仅分离用户面(类似3C)RRC，PDCP在CU中，RLC、MAC、PHY和RF在DU中。这种方式下，NR和E-UTRA中的话务聚合功能可以集中实现。另外，可以对NR和E-UTRA之间的话务负荷进行管理。LTE双连接中对PDCP和RLC之间的3C分割方式已经标准化了，因此这种分割方式利于标准化，所需工作量较小。另外，从LTE迁移的角度看，LTE-NR与功能分割方式在用户面一致也是有好处的。

选项2-2：控制面与用户面分离。RRC、PDCP在CU中，RLC、MAC、PHY和RF在DU中。另外，可以将控制面的RRC和PDCP与用户面的PDCP放在不同的CU中来实现。这种方式下，NR和E-UTRA中的话务聚合功能可以集中实现。另外，可以对NR和E-UTRA之间的话务负荷进行管理，有利于PDCP层的集中化。它主要受用户面过程的影响，可随着话务负荷的增加来扩展。RRC/RRM集中处理，且与用户面分离，但是需要确保不同PDCP实体间的安全性配置。

5G RAN中CU和DU分离下的架构

5G gNB组成和概念

采用CU和DU架构的5G gNB结构如图4所示。其中Fs-C和Fs-U分别为控制面和用户面接口。

CP和UP合并下的CU/DU架构

不考虑CP和UP分离时，采用选项2进行CU/DU分离时的RAN架构如图5所示。其中，所有的PDCP功能都在CU中实现。

图5 CU/DU选项2下RAN架构(摘自R2-1700637)

图6 集中式PDCP-U本地化RRM的架构

CP和UP分离下的CU/DU架构

PDCP中，控制面功能包括加密、解密、完整性保护、控制面数据的传送、双连接和载波聚合下PDCP PDU的复制等。PDCP用户面功能包括序列编号、头压缩和解压缩、用户数据的传送、排序和重复检测、PDCP PDU的选路、PDCP SDU的重传和丢弃、加密盒解密、PDCP重建，以及RLC AM下的数据恢复、双连接和载波聚合下PDCP PDU的复制等。

集中式PDCP-U中，本地化RRM的架构如6图所示。

PDCP和RRM都采用集中式，且集中式RRM位于不同平台中，架构如图7所示。

图7 PDCP和RRM都采用集中式且集中式RRM位于不同平台中的架构