5G RAN中CU-DU架構的特性及實現方案

朱 佳

（中國通信建設集團設計院有限公司第四分公司，鄭州 450000）

1 引言

目前，3GPP全會（TSG#80）批準了第五代移動通信技術標準（5G NR）獨立組網功能凍結。加之去年12月完成的非獨立組網NR標準，5G已經完成第一階段全功能標準化工作，進入了產業全面沖刺新階段[1]。基于 CU-DU（Centralized Unit-Distri-buted Unit，集中 -分布單元）的兩級架構也已經被業界所認可，這一網絡架構與網絡云化的結合，構成了5G RAN的兩個基本要素[2]。

2 CU-DU架構

無線接入網最主要的構成部分就是基站系統。基站系統包括射頻和基帶單元，其中基帶由第一層：物理層（PHY），第二層：數據鏈路層（MAC、RLC、PDCP），以及第三層：網絡層（SDAP，RRC）等協議功能層構成。

2.1 CU-DU邏輯架構

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，CU和DU組成gNB基站[3]，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，主要協議層包括控制面的RRC功能和用戶面的IP、SDAP、PDCP子層功能；DU是分布式單元，DU實現射頻處理功能和RLC、MAC以及PHY等基帶處理功能，CU和DU之間通過F1接口連接。

圖1 CU-DU邏輯架構

圖2 CU-DU邏輯網元

2.2 CU-DU邏輯網元

5G的BBU功能將被重構為CU和DU兩個功能實體[4]，如圖2所示。CU與DU功能的切分以處理內容的實時性進行區分，CU設備主要包括低實時性的無線高層協議棧功能，同時也支持部分核心網功能下沉和邊緣應用業務的部署，而DU設備主要處理物理層功能和高實時性需求的層2功能。

從LTE網元及功能與5G系統的對比可以看到，采用CU和DU架構后，CU和DU可以由獨立的硬件來實現。從功能上看，一部分核心網功能可以下移到CU甚至DU中，用于實現移動邊緣計算。此外，原先所有的L1/2/3等功能都在BBU中實現，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，以便靈活地應對傳輸和業務需求的變化。

3 CU-DU設備實現方案

對于5G gNB，當前標準中支持CU-DU合設和分離的兩種部署方案。在合設方案中，一個基站實體上實現的全部的協議棧功能。對于CU/DU分離架構，5G協議棧中的上層功能位于CU中，而底層協議棧位于DU中。

3.1 CU-DU合設方案

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，CU板和DU板之間的邏輯接口是BBU內部的F1接口。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。

3.2 CU-DU分離方案

在3GPP的標準研究過程中發現，CU-DU分離方案的優點主要體現在以下幾個方面[3]：一是硬件實現靈活，可以節省成本；二是CU和DU分離的架構下可以實現性能和負荷管理的協調、實時性能優化，并易于實現NFV/SDN功能；三是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。

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。

對DU設備：由于DU的高實時性要求，吞吐量相比4G有數十倍到百倍量級的提升，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，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。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，具體有兩種方案：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。

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。另外，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（Multiaccess 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1m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。

4 結束語

5G無線網絡為滿足不同業務以及運營商的部署需求，引入了CU-DU基站架構。介紹了當前5G RAN中CU-DU架構的特性，重點分析了CU-DU設備的實現方案，分析表明：在實際部署中采用合設或者分離方案，主要取決于機房配套條件、網絡部署場景以及業務類型等因素。在后續的工作中，將進一步研究CU和DU部署位置的特點以及部署不同位置對無線性能的影響。