【摘要】目前5G無線接入網架構已經初步成型，相關工作重點轉向具體的部署與應用，因此從接入網的架構演變出發，首先簡要介紹了5G無線接入網CU-DU架構以及其主要優勢，然后重點探討了面向實用的CU-DU設備方案、部署方案和應用建議，并探討了CU-DU架構面向未來的技術標準、設備以及結合MEC與人工智能等方面的演進方向，為業界理解5G接入網架構以及其長期發展趨勢提供技術思路。
【關鍵詞】5G無線接入網；接入網架構；集中式單元；分布式單元；5G組網；5G網絡部署
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.01.000 中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010(2018)01-0000-00
引用格式：閆淵,陳卓. 5G中CU-DU架構、設備實現及應用探討[J]. 移動通信, 2017,42(1): 00-00.
Discussion on CU-DU architecture, equipment implementation and application in 5G
YAN Yuan, CHEN Zhuo
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100053, China)
[Abstract] 5G RAN architecture is to be finalized in standard and accordingly the emphasis of wireless communication industry has changed to the development and deployment of products. This paper focuses on the CU-DU architecture of 5G RAN in terms of product implementation, deployment alternatives and application advices. Besides, the standard evolution of CU-DU architecture and its potential combination with Big Data, AI and MEC are also discussed, which is aimed to provide a long-term view for the industry.
[Key words] 5G RAN; RAN Architecture; CU; DU; 5G group; 5G deployment
1 引言
為了應對未來爆炸性的移動數據流量增長和海量的設備連接，滿足不斷涌現的各類新業務和應用場景[1-2]，全球范圍內普遍認為5G將在2020年左右開始有效商用。就占據網絡主體的接入網而言，5G接入網設計必須考慮滿足5G關鍵性能指標需求、網絡商業運營能力和具備持續演進能力這三個方面的因素。正是基于這樣的考慮，5G接入網架構設計的焦點在于通過增強基站間的協作控制、優化業務數據分發管理、支持多網融合與多連接、支撐靈活動態的網絡功能和拓撲分布，以及促進網絡能力開放等幾個方面，來提升網絡靈活性、數據轉發性能以及用戶體驗和業務的有效結合。
當前，5G無線接入網架構標準已經初步成型，相關工作重點轉向具體的部署與應用。本文從接入網的架構演變出發，首先簡要介紹了5G無線接入網CU-DU架構以及其主要優勢，然后重點探討了面向實用的CU-DU設備方案、部署方案和應用建議，并嘗試探討了基于現有的CU-DU架構，在面向未來的技術標準、設備以及結合MEC與人工智能等方面的演進方向。
2 CU-DU架構標準介紹
無線接入網最主要的構成部分就是基站系統。從無線網絡功能的角度而言，基站系統包括射頻和基帶功能，而后者又由物理層、第二層（MAC、RLC、PDCP等子層）以及第三層（如RRC）等協議功能層構成。從接入網架構角度而言，3G系統中接入網邏輯節點由NodeB和RNC組成，4G邏輯架構設計更加扁平化，僅包含eNB節點。而5G接入網架構在設計之初，相對于4G接入網而言，有了幾個典型的需求[3]，如下：
（1）接入網支持DU（Distributed Unit，分布式單元）和CU（Central Unit，集中單元）功能劃分，且支持協議棧功能在CU和DU之間遷移。
（2）支持控制面和用戶面分離。
（3）接入網內部接口需要開放，能夠支持異廠商間互操作。
（4）支持終端同時連接至多個收/發信機節點（多連接）。
（5）支持有效的跨基站間協調調度。
依托5G系統對接入網架構的需求，5G接入網邏輯架構中，已經明確將接入網分為CU和DU邏輯節點[4]，CU和DU組成gNB基站，如圖1所示。其中，CU是一個集中式節點，對上通過NG接口與核心網（NGC）相連接，在接入網內部則能夠控制和協調多個小區，包含協議棧高層控制和數據功能，涉及的主要協議層包括控制面的RRC功能和用戶面的IP、SDAP（業務數據應用單元）、PDCP（分組數據匯聚協議）子層功能；DU是分布式單元，廣義上，DU實現射頻處理功能和RLC（無線鏈路控制）、MAC（媒質接入控制）以及PHY（物理層）等基帶處理功能；狹義上，基于實際設備實現，DU僅負責基帶處理功能，RRU（遠端射頻單元）負責射頻處理功能，DU和RRU之間通過CPRI（Common Public Radio Interface）[5]或eCPRI[6]接口相連。在后文中，為了和具體設備對應，DU采用狹義定義。CU和DU之間通過F1接口連接。CU/DU具有多種切分方案，不同切分方案的適用場景和性能增益均不同，同時對前傳接口的帶寬、傳輸時延、同步等參數要求也有很大差異。
圖1 接入網CU-DU邏輯架構
無線網CU-DU架構的好處在于能夠獲得小區間協作增益，實現集中負載管理；高效實現密集組網下的集中控制，比如多連接、密集切換；獲得池化增益，使能NFV/SDN，滿足運營商某些5G場景的部署需求。需要注意的是，在設備實現上，CU和DU可以靈活選擇，即二者可以是分離的設備，通過F1接口通信；或者CU和DU也完全可以集成在同一個物理設備中，此時F1接口就變成了設備內部接口，如圖2所示。CU之間通過Xn接口進行通信。
圖2 CU-DU分離和一體化實現
3 CU-DU設備實現及應用探討3.1 4G BBU設備實現方案
3G系統中，接入網的邏輯節點由NodeB和RNC兩級邏輯節點組成，而4G的接入網邏輯架構設計更加扁平化，僅包含eNodeB節點[7]。在具體的商用設備實現中，eNodeB邏輯實體一般又分為RRU（Remote Radio Unit，射頻拉遠單元）和BBU（Building Baseband Unit，基帶處理單元）兩個物理實體。其中，RRU負責完成模數/數模轉換和中射頻信號處理，并一般在室外天面上近天線部署，以降低RRU和天線之間的饋線損耗；BBU則負責完成eNodeB無線協議相關的數字處理功能，一般部署在室內機房中。BBU和RRU之間采用高速光纖直連，并通過傳輸協議（如CPRI）交互數據。
現在商用的4G BBU一般基于電信級專用架構、并采用專用芯片實現，以保證對某些惡劣部署環境的良好適應性及高的運營商級可靠性，例如，BBU年故障率一般低于2%，其中斷服務時間應小于3 min/年，并且能在-℃~55℃的環境溫度下長期穩定可靠地工作，并且由于是深度定制化的設備，其體積和功耗都較小，降低了對站址機房的部署條件要求，如目前4G成熟的單站BBU一般高度不超過3 U，深度小于450 mm，且滿載功耗小于500 W[8]。BBU上述規格，保證了其對各種機房環境的良好適應性，甚至在一些無法提供機房的站址，BBU也可安裝在室外機柜中并正常工作。
常見的，4G BBU一般由主控傳輸板和基帶處理板組成。一個BBU中，主控傳輸板一般1~2塊，主處理芯片通常是ASIC或專用CPU、和交換芯片，完成RRC、RRM等層3協議和信令處理功能，以及S1/X2接口功能和傳輸功能。此外，還負責時鐘同步、O&M管理、與基帶處理板之間的數據交換轉發功能；基帶處理板一般多塊，主處理芯片通常是集成硬件加速器ASIC、DSP和FPGA，具有強大的數字信號處理能力，以負責完成PDCP/RLC/MAC/PHY，以及無線資源和用戶調度等L1和L2功能，以及與RRU之間的高速CPRI接口功能。這種主控+基帶架構的好處在于后續需要擴容支持更多小區，或需要引入如CoMP對處理能力要求很高的新功能時，可以簡單地通過新增基帶處理板實現。當然，不同設備商對BBU的主控傳輸板和基帶處理板之間的功能劃分可能有所不同。4G BBU架構如圖3所示：
圖3 4G BBU架構
3.2 5G CU-DU設備實現方案
如前所述，5G接入網邏輯架構中，已經明確將接入網分為CU和DU邏輯節點。而在具體的設備實現中，主要存在如下兩種方式：CU/DU合設方案以及CU/DU分離方案。
CU/DU合設方案類似4G中的BBU設備，在單一物理實體中同時實現CU和DU的邏輯功能，并基于電信專用架構采用ASIC等專用芯片實現。考慮到4G BBU多采用主控傳輸板+基帶處理板組合的方式，類似的，5G BBU也可類似沿用CU板+DU板的架構方式，以同樣保證后續擴容和新功能引入的靈活性。CU板和DU板的邏輯功能劃分可以遵循3GPP標準劃分，即CU板和DU板之間的邏輯接口是F1接口。不過，考慮到此合設設備中，F1接口是BBU內部接口，CU板和DU板的邏輯功能劃分也可采用非標實現方案。此種CU/DU合設設備（即5G BBU設備）的好處和4G BBU類似，可靠性較高、體積較小、功耗較小、且環境適配性較好，對機房配套條件要求較低。
CU/DU分離方案則存在兩種類型的物理設備：獨立的DU設備和獨立的CU設備。按照3GPP的標準架構，DU負責完成RLC/MAC/PHY等實時性要求較高的協議棧處理功能，而CU負責完成PDCP/RRC/SDAP等實時性要求較低的協議棧處理功能，因此有如下考慮：
（1）對DU設備：由于DU的高實時性要求，且5G NR中由于Massive-MIMO技術（如64T64R）和大帶寬（如100 MHz載波帶寬）的引入，吞吐量相比4G有數十倍到百倍量級的提升，且物理層涉及大量并行的密集型復數矩陣運算以及百Gbps級別的高速數據交換，使得信號處理復雜度相比4G也有高達百倍量級的提升，因此考慮到專用芯片采用了特定設計的專用加速器，其芯片面積、功耗和處理能力都顯著優于通用芯片，DU一般采用電信專用架構實現，主處理芯片采用集成硬件加速器的專用芯片，以滿足5G層1和層2的高處理能力要求和實時性要求。此外，專用架構對所部署機房的配套條件也具有良好的環境適應性。另一方面，考慮到設備型號需要盡可能少，以降低硬件開發成本及提高設備出貨量，建議獨立的DU設備和CU/DU合設方案中的BBU設備采用同一款硬件和板卡，具體的，可有如下兩種方案：保持BBU中板卡不變，移除CU相關的軟件功能，僅支持DU相關的軟件功能；或者去掉BBU中的CU板，僅保留DU板并僅支持DU相關的軟件功能。
（2）對CU設備：CU對實時性要求相對較低，因此可基于通用架構實現，使用CPU等通用芯片。當然，也可沿用傳統的專用架構實現。兩種架構各有優劣：通用架構擴展性更好，更易于虛擬化和軟硬解耦，便于池化部署、動態擴容和備份容災，后續也可基于同樣的虛擬化硬件平臺，擴展支持MEC（multi-access edge computing，多接入邊緣計算），以及NGC等需要下沉的相關功能。然而，由于其是通用架構，對機房環境的要求較高，長期可靠工作時溫度需保持在5℃~40℃之間，尺寸和功耗較大，如單機柜深度一般在1 m左右，且需預留數kw的供電能力。而CU如基于電信級專用架構實現，對部署機房的環境要求則相對較低，但后續擴展性較差。
綜上所述，5G CU-DU架構會存在兩種設備型態：BBU設備和獨立CU設備。其中，BBU設備一般基于專用芯片采用專用架構實現，可用于CU/DU合設方案，同時完成CU和DU所有的邏輯功能，或在CU/DU分離方案中用作DU，負責完成DU的邏輯功能；獨立CU設備可基于通用架構或專用架構實現，只用于CU/DU分離方案，負責完成CU的邏輯功能。
3.3 CU-DU部署方案
DU物理設備型態是BBU設備，其部署位置也和現有的4G BBU類似，一般部署在接入機房（即站址機房和4G BBU共機房），近天面部署。這樣做的一個好處為：5G由于天線數增多、帶寬增大，BBU和RRU之間的CPRI帶寬在百Gbit·s-1量級，如BBU和RRU之間距離較近，如在數百米以內，則可使用短距高速光模塊，以降低部署成本。此外，和4G BBU共站址機房的另一個好處是便于后續4/5G BBU融合及4/5G協同技術的引入。
傳輸網（如PTN）可分為三級架構：接入環、匯聚環和核心環，相應的，CU部署位置也有四種：接入機房、匯聚機房、骨干匯聚機房和核心機房，如圖4所示：
圖4 CU部署位置示意圖
不同部署位置特點如下：
（1）接入機房：和現有的4G BBU部署位置類似，建議使用CU/DU合設方案（即使用5G BBU設備），CU管理和其同框的DU通過機框背板通信，時延基本可忽略。
（2）匯聚機房：CU所轄區域面積適中，如小于40 km左右，CU管理數十個到上百個DU，CU與DU間通過傳輸網（如PTN）進行數據交互，時延大約在數百微秒量級。
（3）骨干匯聚機房：CU所轄區域為地縣級，如小于100 km左右，CU管理數百個DU，CU與DU間通過傳輸網進行數據交互，大部分時延能控制在3 ms以內。
（4）核心機房：CU省級集中，需管理數千個DU，CU與DU間通過傳輸網進行數據交互，但時延較大，惡劣時能達到10 ms量級。
實際中，CU的部署位置主要考慮兩方面的因素：對無線性能的影響及部署的工程可行性和性價比。
對無線性能的影響：
（1）對eMBB業務（增強移動寬帶業務），為了保證5G的無線性能和時延要求，CU與DU間的單向時延最好控制在3 ms以內，因此比較上述4種CU的位置，當CU部署在核心機房時，不能滿足時延要求，而CU部署在接入機房、匯聚機房和骨干匯聚機房是能滿足時延要求的。
（2）對時延極其敏感的ULRRC業務（低時延高可靠業務），如空口數據面時延需要控制在0.5 ms以內時[9]，CU只能部署在接入機房才能滿足時延要求。
對部署施工和性價比的影響：
（1）由于核心機房條件非常好，且5G核心網設備多會采用虛擬化架構，因此CU部署在核心機房便于CU虛擬化和池化，部署最為便利且性價比高。
（2）對骨干匯聚機房和普通匯聚機房，由于CU虛擬化后對機房條件要求較高，如面積、供電和環境溫度等，CU部署在骨干匯聚機房時施工難度較小，且池化規模較大。此外，由于CU和DU間需要數據路由，傳輸網的層3功能需要和CU部署在同一位置級別，因此CU部署在骨干匯聚機房時，對傳輸網的壓力也較小。而部署在普通匯聚機房時，施工難度和傳輸改造難度相對較大。
（3）當CU部署在接入機房時，由于此時采用一般CU和DU合設的BBU設備，對機房的環境適配性較好，因此部署難度和4G部署BBU相同，對機房條件無額外要求。
綜上所述，當對業務時延要求較高時，可考慮部署在接入機房，采用合設設備，對時延要求滿足較好，且部署難度很低。而當對業務時延要求較低時，可考慮接入機房或骨干匯聚機房，在這兩個位置部署，能滿足時延和性能要求，且更具實際的工程可行性。
4 CU-DU后續演進
4.1 CU-DU的后續標準化方向討論
當前，業界正在探討CU-DU架構的后續發展。其中，從邏輯功能上講，主要是進一步優化無線功能在CU-DU和RRU上的邏輯分布。而從邏輯架構上而言，最重要的考慮是將CU的控制面功能和數據面功能進一步劃分，形成控制面節點和用戶面節點，如圖5所示。相比圖1中的CU-DU架構，圖5的好處在于能夠更好地實現控制與轉發分離的思想，實現無線資源的統一集中控制單元（即CP，無線資源控制面）與無線數據的處理單元（即UP，用戶數據面）之間的適當分割，使得CP和UP更加專注各自的功能特點，從而在設備平臺設計方面更有效率。
圖5 CU進一步劃分成CP-UP的邏輯架構
4.2 CU-DU的后續設備討論
基于CU-DU架構的靈活性，CU-DU后續實際設備也可能有不同的型態，來適配5G多樣化的基站架構和業務需求：
（1）5G會有多種業務的需求，因此，一個邏輯CU也可能分離部署在多個物理CU實體上，例如對eMBB的業務，可能選擇位于骨干匯聚機房的CU物理實體，而對URLLC業務，則可能選擇位于接入機房的BBU上的CU板提供CU相關服務。
（2）如4.1節所討論的，根據CU-CP和CU-UP切分和不同的功能特點，CU-CP可以在通用平臺上采用虛擬化架構實現，而CU-UP則下沉到BBU設備上實現，可以利用BBU專用架構上的硬件加速器實現一些處理復雜度較高的功能，如PDCP加解密等，從而優化設備設計，并降低用戶面時延。
（3）由于5G的兩個顯著特征是：多天線和大帶寬，這兩點都會顯著增大DU與RRU間的前傳帶寬，如仍采用傳統的CPRI方案，則帶寬可能高達數百Gpbs，因此對DU進行切分[8]，把一部分的物理層的功能上移到RRU部分，即采用eCPRI方案，可以顯著降低DU和RRU間的前傳帶寬。
（4）5G的高低頻間需要緊密協同，因此，高頻的DU可以連接到和低頻的同一個CU上，或者高頻采用了eCPRI方案的RRU連接到和低頻的同一個BBU上，以滿足高低頻協作要求。
4.3 CU-DU的后續可擴展性討論
基于CU-DU架構，5G接入網將具備很強的可擴展性。大體而言，有如下思考：
（1）基于CU，引入大數據與人工智能，構建智能網絡：在設備實現上，基于CU，可與無線大數據、人工智能深度耦合。例如，通過CU上對網絡和用戶相關的海量數據進行大數據分析，可實現基站性能相關算法的快速迭代，持續提升網絡性能。同時，在人工智能的輔助下，也可以進一步實現智能運維，降低運維成本，提高網優效率，降低網優成本。
（2）基于CU，引入MEC共部署，實現業務創新、快速上線，使能數字化服務：CU在實現上的另外一種思路是與MEC（移動邊緣計算）的結合。具體而言，MEC可依托CU實現無線能力開放，支撐創新業務快速、貼近用戶部署，通過數字化服務創收。同時，CU與MEC的集成，通過MEC對創新業務的有效支撐，實現業務快速上線和快速更新。
5 結論
移動通信已經深刻地改變了人們的生活，但人們對更高性能移動通信的追求從未停止。未來爆炸性的移動數據流量增長、海量的設備連接、不斷涌現的各類新業務和應用場景，將為5G系統提供廣闊的應用前景。其中，從歷代移動通信系統的經驗來看，5G接入網的架構以及其部署將是重中之重。本文在介紹5G無線接入網CU-DU架構以及其主要特點的基礎上，重點分析了面向實用的CU-DU設備方案、部署方案和應用建議，并提出了CU-DU架構面向未來的技術標準、設備以及結合MEC與人工智能等方面的演進方向，希望能為業界理解5G接入網架構以及其長期發展趨勢提供技術思路。
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作者簡介
閆淵：碩士畢業于北京郵電大學，現任中國移動通信有限公司研究院無線與終端技術研究所項目經理，曾長期負責TD-LTE基站架構、站型規劃與企業標準制定等工作，從事5G基站架構研究與產品規劃等工作。
陳卓：高級工程師，博士，現任中國移動通信有限公司研究院無線與終端技術研究所5G項目經理，從事移動通信新技術與標準研究，主要負責中國移動5G無線領域的技術研究與標準化、5G技術發展策略等方面的工作。
