5G系统RAN架构解析之CU和DU的应用和功能切分方式.docx

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5G系统RAN架构解析之CU和DU的应用和功能切分方式

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（MWC2017）上，多家公司展示了CloudRAN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，联合签订C-RAN无线云网络签署研究合作备忘录（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5GC-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（CentralizedUnit/DistributedUnit）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5GC-RAN的两个基本要素”。

由此可见，集中/分布单元CU/DU（CentralizedUnit/DistributedUnit）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

目前，5GRAN架构考虑采用中央单元（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MWC’2017中国移动发布的“3.5GHz5G系统样机技术指导建议”中以及2016/11发布的“迈向5GC-RAN：

需求、架构与挑战”白皮书中都有所体现。

1.1中国移动对5GRAN架构的要求

MWC’2017上，中国移动发布了“3.5GHz5G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（LTEeNB连接到EPC，NRgNB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5GC-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中实现，L2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

3GPPTR38.801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

3GPPTR38.801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”。

"迈向5GC-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。

若前传网络为非理想传输（即：

传输网络带宽和时延有限时），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KT5G网络中采用了C-RAN架构。

下面借助2015年发表的文章“MobileNetworkArchitecturefor5GEra-NewC-RANArchitectureandDistributed5GCore”，来进行分析和说明。

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RRU为2T2R，LTE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（Ethernet）。

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。

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

TR38.801v200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。

[1]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PDCP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TXRLC和RXRLC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。

[5]  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。

[6]  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。

[8]  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，后续将基于TR38.801并结合每种方式的详细特点予以深入分析。

注1：

本总结表是基于LTE协议栈进行的，后续将根据NR协议栈予以更新。

注2：

本总结表不能用于分析目前的切分方式。

注3：

本总结表头用于对各种CU/DU切分方式提供高层总结，因此集中在一些主要，不是非常全面和详尽。

注4：

对URLCC/MEC也许有好处。

注5：

由于调度器和物理层处理分开了，所以增加了复杂性。

注6：

由于调度器和HARQ分开了，所以增加了复杂性。

注7：

在研究阶段（SI）未加以明确和澄清。

相信看到此表后，诸位更希望了解每种切分方式的具体特点了吧，大家可以参阅TR38.801或者等待小编后续翻译整理。

最新的TR38.801链接如下：

RP-170490    TR38.801RadioAccessArchitectureandInterfaces

http:

//www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/TSG_RAN/TSGR_75/Docs/RP-170490.zip

4.3GPP标准关于CU-DU分离的讨论进展

最新结束的RAN#75全会结论如下（详见TR38.801v2.0.0）。

4.1  高层分割：

在未来的stage2和stage3阶段还将研究此项工作。

但是如果没有其他决定，就将接受RAN3的建议，高层RAN架构分离就考虑选项2。

应当限制4月份会议上有关选项2和选项3的提案，以集中在RLCPDU丢失时的重传分析上。

如果不能达成协议，则将进行正式的举手表决（vote），以便在2017年4月份对选项2和选项3-1达成决议（Ifnoagreementcanbereached,aformalvotewillbeset-up,whichwillresultinadownselectionbetweenOption2orOption3-1,byApril2017）。

不过，对其他选项的标准性提案也是欢迎的（Normativecontributionstodifferentoptionsarealsoexpected）。

补充说明2月份举行的RAN3#95会议上的讨论结果如下：

在Stage2/3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），最终在4月份决定。

选项3-1（即RLC内部分割）比较难以实施。

更底层的分离目前没有讨论完成，需要往后推延。

L1分离的时间表没有达成一致意见。

采用PDCP与RLC分离的CU-DU方案，是考虑到LTE种双连接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。

另外，LTE-NR紧密互操作模式与CU-DU分割采用相同的模式，在未来LTE向5G迁移（migration）过程中用户面有好处。

（详见R3-170902）

4.2低层分割：

RAN架构的低层分割的研究工作没有完成，需要延后进行。

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强，需要基于NR进行技术优势的对比分析。

研究阶段（SI）的讨论结果表明，选项6和7更受赞成。

5.总结

5G系统C-RAN架构的实现，首先需要解决CU和DU如何进行功能分割的问题。

本文以TR38.801v200为基础，结合一些白皮书及文章简单分析了CU/DU分离的必要性、分离方式及特点等内容，有助于大家简单了解CU/DU分离的基本概念和部署思路。

5G系统RAN架构-CU（集中单元）和DU（分布单元）的应用和功能切分方式 （下）

-3GPP中CU/架构分割结论及RAN3#95bis会议概览

2017年4月3号到7号在美国华盛顿Spokane举行的RAN3#95bis 会议上，对CU/DU高层逻辑分离架构形成了最终决议，即R15阶段高层分割采用选项2，也就是将PDCP/RRC作为集中单元并将RLC/MAC/PHY作为分布单元。

本次会议上，实际上对选项2和选项3-1的讨论提案并不多，更多地是集中在CU与DU之间的接口和数量关系等方面。

本文对会议信息进行一些摘录，供大家参阅。

1. CU/DU高层功能分割的最终决定

2017年2月份举行的RAN3#95会议上，已经基本确定CU/DU高层分割采用选项2或者选项3-1，并提交RAN#75全会予以通过了。

而RAN3#95bis会议则明确确定了选项2的方案。

结合2次会议的结论描述如下。

1.1  RAN3#95和RAN#75会议上CU/DU分离架构的基本结论

2月份举行的RAN3#95会议上的讨论结果如下：

∙在Stage2/3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），最终在4月份决定。

选项3-1（即RLC内部分割）比较难以实施。

更底层的分离目前没有讨论完成，需要往后推延。

L1分离的时间表没有达成一致意见。

∙采用PDCP与RLC分离的CU-DU方案，是考虑到LTE种双连接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。

另外，LTE-NR紧密互操作模式与CU-DU分割采用相同的模式，在未来LTE向5G迁移（migration）过程中用户面有好处。

（详见R3-170902）

随后在3月份举行的RAN#75全会上的结论如下（详见TR38.801v2.0.0）。

1.1.1  高层分割

在未来的stage2和stage3阶段还将研究此项工作。

但是如果没有其他决定，就将接受RAN3的建议，高层RAN架构分离就考虑选项2。

应当限制4月份会议上有关选项2和选项3的提案，以集中在RLCPDU丢失时的重传分析上。

如果不能达成协议，则将进行正式的举手表决（vote），以便在2017年4月份对选项2和选项3-1达成决议。

       不过，对其他选项的标准性提案也是欢迎的）。

1.1.2  低层分割

RAN架构的低层分割的研究工作没有完成，需要延后进行。

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强，需要基于NR进行技术优势的对比分析。

研究阶段（SI）的讨论结果表明，选项6和7更受赞成。

1.2  RAN3#95bis关于CU/DU高层功能分割的最终决定

对于CU/DU高层分离模式选择问题，4月份举行的RAN3#95bis会议上并没有进行太多相关讨论，但从RAN3给RAN2和SA的通知信息可以了解RAN3对于高层功能分割的最终决定（R3-171306）。

“对于CU和DU之间的高层功能分割的决定，RAN3诚恳地告知RAN2和SA3，RAN3已经决定选择选项2作为R15的标准化工作。

选项2将PDCP/RRC作为集中单元并将RLC/MAC/PHY作为分布单元。

RAN3同意在R15中对选项2进行增强，以解决（DU间切换导致的）丢包的快速集中重传问题。

某些增强可能对RAN2产生影响，所以需要RAN2的合作和参与。

RAN3将及时将这方面的进展告知RAN2，并衷心请求RAN2和SA3考虑上述信息”。

2. RAN3#95bis关于高层功能分割的讨论过程

本次会议上对选项2和3-1的提案并没有多家讨论，更多地是对CU和DU的从属关系、CU与DU间的数量关系、CU与DU之间的接口及功能、DU内部功能分布、CU和DU间时延等内容进行了讨论。

摘录部分提案内容如下。

2.1CU与DU之间的从属关系

R3-171003 CU-DUinterface:

RelationbetweenCUandDU（NTTDOCOMOINC.）

CU和DU是类似LTE双连接中SeNB和MeNB的水平关系（“horizontalrelation”）, 还是类似3G中RNC和eNB之间的垂直关系（“verticalrelation”）？

会议讨论认为，CU与DU之间应该是垂直关系，一个实体对另外一个实体有所控制。

2.2  CU与DU之间的数量关系

2.2.1 R3-171225  FurtherConsiderationonCU-DUarchitecture（Huawei）

讨论CU是否被CN可见的问题。

选项1是CU和DU是gNB的内部单元，NGC仅看见gNB号，gNB之间采用Xn接口，此接口上CU号的DU号也不可见。

选项2是CU互相可见，NGC也能看见CU，CU之间采用Xn接口，且此接口上CU号可见。

提案建议RAN3讨论CU-DU架构，并且无论在CU和DU之间接口上还是CU和NGC接口上，DU都不可见。

同时提议CU可以控制多个DU，但一个DU同时只能连接到一个CU。

一个DU管理多个小区，但每个小区只能被一个DU管理。

会议讨论认为，小区管理的含义不明确，需以后研究，对于小区能否跨DU也没有决定，需与RAN1/2讨论决定。

2.2.2  R3-170990 AnalysisonfunctionsplitbetweenCUandDU（CATT）

CU可以提供用户面和控制面接口，一个CU可以连接到多个DU，而每个DU只能连接到一个CU。

基于此考虑，提案提供了RAN内部架构，并对集中部署下CU和DU的功能进行了描述和划分。

2.2.3 R3-171099 DiscussiononprinciplesoftheFsinterface（Qualcomm）

高层CU和DU之间采用Fs-H接口。

关于CU和DU的关系，认为一个gNB包含一个HL-CU和多个HL-DU，每个HL-CU可以控制多个HL-DU，每个HL-DU受一个HL-CU控制。

gNB内部结构核心网和其他gNB以及UE都看不见。

一个HL-DU可支持多个小区，但每个小区只能连接到一个HL-DU。

2.3  CU与DU之间接口及功能

CMCC在R3-171086 中提到，CU和DU之间接口上需要传送控制面和用户面信息（过程）。

（提案中有具体的过程和消息类型描述）。

InterdigitalAsiaLLC在R3-170953中提到，CU与DU之间接口之前名称为Fs，建议采用Xr或者Xg命名。

建议CP采用SCTP/IP协议，其它项FFS；UP采用GTP-U/UDP/IP，其它选项FFS。

LG在R3-170954中提到，应当开放Fs接口，Fs接口应当支持信令信息交换和数据转发，Fs接口应当支持CP和UP分离，Fs接口应当区分无线网络层和传输网络层。

会议讨论认为CU的polling功能和flex概念有待以后讨论（FFS）。

Nokia上海贝尔以及KT在R3-170956中提到，Fs接口所需的规范，从38.4x1到4x5，分别对应层1、信令传输、应用协议（AP）、数据传输、接口用户面协议等。

Fs-C基于SCTP/IP，Fs-U基于GTP-U/UDP/IP。

修订版本见R3-171362。

NTTDocomo在R3-171004中提到，在Fs接口上，控制面Fs-C允许CU和DU协商Fs接口管理、无线资源管理以及系统消息管理等，用户面Fs-U进行CU和DU之间用户信息（DTCH）的传送，以及CU和DU之间的RRC消息的传送（如PCCH、CCCH和DCCH）。

会议讨论认为，RRC消息是通过CP还是UP或者二者都可以，有待进一步讨论。

NTTDOCOMO在R3-171001中提到，CU-DU接口上C平面的功能描述。

包括接口管理、小区配置管理、系统消息管理、UE/承载上下文管理、无线资源管理、UE移动性管理以及测量报告等。

3.  RAN3关于高层功能分割的其它决议

1）    在RAN3第二阶段中，CU-DU架构和F1接口功能在TS38.401中描述。

    TS38.401  架构描述包括阶段2功能描述           R3-171362

CU与DU之间的接口命名为F1。

F1-C基于SCTP/IP协议，F1-U基于GTP-U/UDP协议。

F1-C功能：

F1接口管理（建立/复位/错误指示过程）、系统消息管理、F1接口上 UE上下文管理