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 (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，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（Centralized Unit/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（Centralized Unit/Distributed Unit）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，5G RAN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"3.5GHz 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

MWC’2017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

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