5G中CU—DU架构、设备实现及应用探讨

闫渊+陈卓

【摘 要】目前5G无线接入网架构已经初步成型，相关工作重点转向具体的部署与应用，因此从接入网的架构演变出发，首先简要介绍了5G无线接入网CU-DU架构及其主要优势，然后重点探讨了面向实用的CU-DU设备方案、部署方案和应用建议，并探讨了CU-DU架构面向未来的技术标准、设备以及结合MEC与人工智能等方面的演进方向，为业界理解5G接入网架构以及其长期发展趋势提供技术思路。

【关键词】5G无线接入网；接入网架构；集中式单元；分布式单元；5G组网；5G网络部署

Discussion on CU-DU Architecture， Equipment Implementation and Application in 5G

YAN Yuan， CHEN Zhuo

（China Mobile Research Institute Co.， Ltd.， Beijing 100053， China）

[Abstract] At present， 5G RAN architecture has been shaped fundamentally and corresponding focus shifts to the detailed deployment and application. Therefore， the CU-DU architecture and its main advantages of 5G RAN were briefly addressed firstly. Then， the CU-DU equipment scheme， deployment scheme and application proposal oriented to applications were discussed in detail. Finally， the technical standard， equipment and the evolution direction combined MEC with AI of CU-DU architecture oriented to the future were elaborated. Our work is beneficial for the industry to understand 5G RAN architecture， and provides a technical idea to the long-term development of 5G RAN architecture.

[Key words]5G RAN； RAN architecture； CU； DU； 5G networking； 5G network deployment

1 引言

為了应对未来爆炸性的移动数据流量增长和海量的设备连接，满足不断涌现的各类新业务和应用场景[1-2]，全球范围内普遍认为5G将在2020年左右开始有效商用。就占据网络主体的接入网而言，5G接入网设计必须考虑满足5G关键性能指标需求、网络商业运营能力和具备持续演进能力这三个方面的因素。正是基于这样的考虑，5G接入网架构设计的焦点在于通过增强基站间的协作控制、优化业务数据分发管理、支持多网融合与多连接、支撑灵活动态的网络功能和拓扑分布，以及促进网络能力开放等几个方面，来提升网络灵活性、数据转发性能以及用户体验和业务。

当前，5G无线接入网架构标准已经初步成型，相关工作重点转向具体的部署与应用。本文从接入网的架构演变出发，首先简要介绍了5G无线接入网CU-DU架构以及其主要优势，然后重点探讨了面向实用的CU-DU设备方案、部署方案和应用建议，并尝试探讨了基于现有的CU-DU架构，在面向未来的技术标准、设备以及结合MEC与人工智能等方面的演进方向。

2 CU-DU架构标准介绍

无线接入网最主要的构成部分就是基站系统。从无线网络功能的角度而言，基站系统包括射频和基带功能，而后者又由物理层、第二层（MAC、RLC、PDCP等子层）以及第三层（如RRC）等协议功能层构成。从接入网架构角度而言，3G系统中接入网逻辑节点由NodeB和RNC组成，4G逻辑架构设计更加扁平化，仅包含eNB节点。而5G接入网架构在设计之初，相对于4G接入网而言，有了几个典型的需求[3]，如下：

（1）接入网支持DU（Distributed Unit，分布式单元）和CU（Central Unit，集中单元）功能划分，且支持协议栈功能在CU和DU之间迁移。

（2）支持控制面和用户面分离。

（3）接入网内部接口需要开放，能够支持异厂商间互操作。

（4）支持终端同时连接至多个收/发信机节点（多连接）。

（5）支持有效的跨基站间协调调度。

依托5G系统对接入网架构的需求，5G接入网逻辑架构中，已经明确将接入网分为CU和DU逻辑节点[4]，CU和DU组成gNB基站，如图1所示。其中，CU是一个集中式节点，对上通过NG接口与核心网（NGC）相连接，在接入网内部则能够控制和协调多个小区，包含协议栈高层控制和数据功能，涉及的主要协议层包括控制面的RRC功能和用户面的IP、SDAP（业务数据应用单元）、PDCP（分组数据汇聚协议）子层功能；DU是分布式单元，广义上，DU实现射频处理功能和RLC（无线链路控制）、MAC（媒质接入控制）以及PHY（物理层）等基带处理功能；狭义上，基于实际设备实现，DU仅负责基带处理功能，RRU（远端射频单元）负责射频处理功能，DU和RRU之间通过CPRI（Common Public Radio Interface）[5]或eCPRI[6]接口相连。在后文中，为了和具体设备对应，DU采用狭义定义，CU和DU之间通过F1接口连接。CU/DU具有多种切分方案，不同切分方案的适用场景和性能增益均不同，同时对前传接口的带宽、传输时延、同步等参数要求也有很大差异。endprint

无线网CU-DU架构的好处在于能够获得小区间协作增益，实现集中负载管理；高效实现密集组网下的集中控制，比如多连接、密集切换；获得池化增益，使能NFV/SDN，满足运营商某些5G场景的部署需求。需要注意的是，在设备实现上，CU和DU可以灵活选择，即二者可以是分离的设备，通过F1接口通信；或者CU和DU也完全可以集成在同一个物理设备中，此时F1接口就变成了设备内部接口，如图2所示。CU之间通过Xn接口进行通信。

3 CU-DU设备实现及应用探讨

3.1 4G BBU设备实现方案

3G系统中，接入网的逻辑节点由NodeB和RNC两级逻辑节点组成，而4G的接入网逻辑架构设计更加扁平化，仅包含eNodeB节点[7]。在具体的商用设备实现中，eNodeB逻辑实体一般又分为RRU（Remote Radio Unit，射频拉远单元）和BBU（Building Baseband Unit，基带处理单元）两个物理实体。其中，RRU负责完成模数/数模转换和中射频信号处理，并一般在室外天面上近天线部署，以降低RRU和天线之间的馈线损耗；BBU则负责完成eNodeB无线协议相关的数字处理功能，一般部署在室内机房中。BBU和RRU之间采用高速光纤直连，并通过传输协议（如CPRI）交互数据。

现在商用的4G BBU一般基于电信级专用架构、并采用专用芯片实现，以保证对某些恶劣部署环境的良好适应性及高的运营商级可靠性，例如，BBU年故障率一般低于2%，其中断服务时间应小于3 min/年，并且能在-5℃～55℃的环境温度下长期稳定可靠地工作，并且由于是深度定制化的设备，其体积和功耗都较小，降低了对站址机房的部署条件要求，如目前4G成熟的单站BBU一般高度不超过3 U，深度小于450 mm，且满载功耗小于500 W[8]。BBU的上述规格保证了其对各种机房环境的良好适应性，甚至在一些无法提供机房的站址，BBU也可安装在室外机柜中并正常工作。

常见的，4G BBU一般由主控传输板和基带处理板组成。一个BBU中，主控传输板一般1～2块，主处理芯片通常是ASIC或专用CPU和交换芯片，完成RRC、RRM等层3协议和信令处理功能，以及S1/X2接口功能和传输功能。此外，还负责时钟同步、O&M管理、与基带处理板之间的数据交换转发功能；基带处理板一般多块，主处理芯片通常是集成硬件加速器ASIC、DSP和FPGA，具有强大的数字信号处理能力，以负责完成PDCP/RLC/MAC/PHY、无线资源和用户调度等L1和L2功能，以及与RRU之间的高速CPRI接口功能。这种主控+基带架构的好处在于后续需要扩容支持更多小区，或需要引入如CoMP对处理能力要求很高的新功能时，可以简单地通过新增基带处理板实现。当然，不同设备商对BBU的主控传输板和基带处理板之间的功能划分可能有所不同。4G BBU架构如图3所示。

3.2 5G CU-DU设备实现方案

如前所述，5G接入网逻辑架构中，已经明确将接入网分为CU和DU逻辑节点。而在具体的设备实现中，主要存在如下两种方式：CU/DU合设方案以及CU/DU分离方案。

CU/DU合设方案类似4G中的BBU设备，在单一物理实体中同时实现CU和DU的逻辑功能，并基于电信专用架构采用ASIC等专用芯片实现。考虑到4G BBU多采用主控传输板+基带处理板组合的方式，类似的，5G BBU也可类似沿用CU板+DU板的架构方式，以同样保证后续扩容和新功能引入的灵活性。CU板和DU板的逻辑功能划分可以遵循3GPP标准划分，即CU板和DU板之间的逻辑接口是F1接口。不过，考虑到此合设设备中，F1接口是BBU内部接口，CU板和DU板的逻辑功能划分也可采用非标实现方案。此种CU/DU合设设备（即5G BBU设备）的好处和4G BBU类似，可靠性较高、体积较小、功耗较小、且环境适配性较好，对机房配套条件要求较低。

CU/DU分离方案则存在两种类型的物理设备：独立的DU设备和独立的CU设备。按照3GPP的标准架构，DU负责完成RLC/MAC/PHY等实时性要求较高的协议栈处理功能，而CU负责完成PDCP/RRC/SDAP等实时性要求较低的协议栈处理功能，因此有如下考虑：

（1）对DU设备：由于DU的高实时性要求，且5G NR中由于Massive-MIMO技术（如64T64R）和大带宽（如100 MHz载波带宽）的引入，吞吐量相比4G有数十倍到百倍量级的提升，且物理层涉及大量并行的密集型复数矩阵运算以及百Gbit·s-1级别的高速数据交换，使得信号处理复杂度相比4G也有高达百倍量级的提升，因此考虑到专用芯片采用了特定设计的专用加速器，其芯片面积、功耗和处理能力都顯著优于通用芯片，DU一般采用电信专用架构实现，主处理芯片采用集成硬件加速器的专用芯片，以满足5G层1和层2的高处理能力要求和实时性要求。此外，专用架构对所部署机房的配套条件也具有良好的环境适应性。另一方面，考虑到设备型号需要尽可能少，以降低硬件开发成本及提高设备出货量，建议独立的DU设备和CU/DU合设方案中的BBU设备采用同一款硬件和板卡，具体的，可有如下两种方案：保持BBU中板卡不变，移除CU相关的软件功能，仅支持DU相关的软件功能；或者去掉BBU中的CU板，仅保留DU板并仅支持DU相关的软件功能。

（2）对CU设备：CU对实时性要求相对较低，因此可基于通用架构实现，使用CPU等通用芯片。当然，也可沿用传统的专用架构实现。两种架构各有优劣：通用架构扩展性更好，更易于虚拟化和软硬解耦，便于池化部署、动态扩容和备份容灾，后续也可基于同样的虚拟化硬件平台，扩展支持MEC（Multi-access Edge Computing，多接入边缘计算），以及NGC等需要下沉的相关功能。然而，由于其是通用架构，对机房环境的要求较高，长期可靠工作时温度需保持在5℃～40℃之间，尺寸和功耗较大，如单机柜深度一般在1 m左右，且需预留数kW的供电能力。而CU如基于电信级专用架构实现，对部署机房的环境要求则相对较低，但后续扩展性较差。endprint

综上所述，5G CU-DU架构会存在两种设备型态：BBU设备和独立CU设备。其中，BBU设备一般基于专用芯片采用专用架构实现，可用于CU/DU合设方案，同时完成CU和DU所有的逻辑功能，或在CU/DU分离方案中用作DU，负责完成DU的逻辑功能；独立CU设备可基于通用架构或专用架构实现，只用于CU/DU分离方案，负责完成CU的逻辑功能。

3.3 CU-DU部署方案

DU物理设备型态是BBU设备，其部署位置也和现有的4G BBU类似，一般部署在接入机房（即站址机房和4G BBU共机房），近天面部署。这样做的一个好处为：5G由于天线数增多、带宽增大，BBU和RRU之间的CPRI带宽在百Gbit·s-1量级，如BBU和RRU之间距离较近，如在数百米以内，则可使用短距高速光模块，以降低部署成本。此外，和4G BBU共站址机房的另一个好处是便于后续4G/5G BBU融合及4G/5G协同技术的引入。

传输网（如PTN）可分为三级架构：接入环、汇聚环和核心环，相应的，CU部署位置也有四种：接入机房、汇聚机房、骨干汇聚机房和核心机房，如图4所示。

不同部署位置特点如下：

（1）接入机房：和现有的4G BBU部署位置类似，建议使用CU/DU合设方案（即使用5G BBU设备），CU管理和其同框的DU通过机框背板通信，时延基本可忽略。

（2）汇聚机房：CU所辖区域面积适中，如小于40 km左右，CU管理数十个到上百个DU，CU与DU间通过传输网（如PTN）进行数据交互，时延大约在数百微秒量级。

（3）骨干汇聚机房：CU所辖区域为地县级，如小于100 km左右，CU管理数百个DU，CU与DU间通过传输网进行数据交互，大部分时延能控制在3 ms以内。

（4）核心机房：CU省级集中，需管理数千个DU，CU与DU间通过传输网进行数据交互，但时延较大，恶劣时能达到10 ms量级。

实际中，CU的部署位置主要考虑两方面的因素：对无线性能的影响及部署的工程可行性和性价比。

对无线性能的影响：

（1）对eMBB业务（增强移动宽带业务），为了保证5G的无线性能和时延要求，CU与DU间的单向时延最好控制在3 ms以内，因此比较上述4种CU的位置，当CU部署在核心机房时，不能满足时延要求，而CU部署在接入机房、汇聚机房和骨干汇聚机房是能满足时延要求的。

（2）对时延极其敏感的ULRRC业务（低时延高可靠业务），如空口数据面时延需要控制在0.5 ms以内时[9]，CU只能部署在接入机房才能满足时延要求。

对部署施工和性价比的影响：

（1）由于核心机房条件非常好，且5G核心网设备多会采用虚拟化架构，因此CU部署在核心机房便于CU虚拟化和池化，部署最为便利且性价比高。

（2）对骨干汇聚机房和普通汇聚机房，由于CU虚拟化后对机房条件要求较高，如面积、供电和环境温度等，CU部署在骨干汇聚机房时施工难度较小，且池化规模较大。此外，由于CU和DU间需要数据路由，传输网的层3功能需要和CU部署在同一位置级别，因此CU部署在骨干汇聚机房时，对传输网的压力也较小。而部署在普通汇聚机房时，施工难度和传输改造难度相对较大。

（3）当CU部署在接入机房时，由于此时采用一般CU和DU合设的BBU设备，对机房的环境适配性较好，因此部署难度和4G部署BBU相同，对机房条件无额外要求。

综上所述，当对业务时延要求较高时，可考虑部署在接入机房，采用合设设备，对时延要求满足较好，且部署难度很低。而当对业务时延要求较低时，可考虑接入机房或骨干汇聚机房，在这两个位置部署，能满足时延和性能要求，且更具实际的工程可行性。

4 CU-DU后续演进

4.1 CU-DU的后续标准化方向讨论

当前，业界正在探讨CU-DU架构的后续发展。其中，从逻辑功能上讲，主要是进一步优化无线功能在CU-DU和RRU上的逻辑分布。而从逻辑架构上而言，最重要的考虑是将CU的控制面功能和数据面功能进一步划分，形成控制面节点和用户面节点，如图5所示。相比图1中的CU-DU架构，图5的好处在于能够更好地实现控制与转发分离的思想，实现无线资源的统一集中控制单元（即CP，无线资源控制面）与无线数据的处理单元（即UP，用户数据面）之间的适当分割，使得CP和UP更加专注各自的功能特点，从而在设备平台设计方面更有效率。

4.2 CU-DU的后续设备讨论

基于CU-DU架构的灵活性，CU-DU后续实际设备也可能有不同的型态，来适配5G多样化的基站架构和业务需求：

（1）5G会有多种业务的需求，因此，一个逻辑CU也可能分离部署在多个物理CU实体上，例如对eMBB的业务，可能选择位于骨干汇聚机房的CU物理实体，而对URLLC业务，则可能选择位于接入机房的BBU上的CU板提供CU相关服务。

（2）如4.1节所讨论的，根据CU-CP和CU-UP切分和不同的功能特点，CU-CP可以在通用平台上采用虚拟化架构实现，而CU-UP则下沉到BBU设备上实现，可以利用BBU专用架构上的硬件加速器实现一些处理复杂度较高的功能，如PDCP加解密等，从而优化设备设计，并降低用户面时延。

（3）由于5G的两个显著特征是：多天线和大带宽，这两点都会显著增大DU与RRU间的前传带宽，如仍采用传统的CPRI方案，则带宽可能高达数百Gbit·s-1，因此对DU进行切分[8]，把一部分的物理層的功能上移到RRU部分，即采用eCPRI方案，可以显著降低DU和RRU间的前传带宽。

（4）5G的高低频间需要紧密协同，因此，高频的DU可以连接到和低频的同一个CU上，或者高频采用了eCPRI方案的RRU连接到和低频的同一个BBU上，以满足高低频协作要求。endprint

4.3 CU-DU的后續可扩展性讨论

基于CU-DU架构，5G接入网将具备很强的可扩展性。大体而言，有如下思考：

（1）基于CU，引入大数据与人工智能，构建智能网络：在设备实现上，基于CU，可与无线大数据、人工智能深度耦合。例如，通过CU上对网络和用户相关的海量数据进行大数据分析，可实现基站性能相关算法的快速迭代，持续提升网络性能。同时，在人工智能的辅助下，也可以进一步实现智能运维，降低运维成本，提高网优效率，降低网优成本。

（2）基于CU，引入MEC共部署，实现业务创新、快速上线，使能数字化服务：CU在实现上的另外一种思路是与MEC（移动边缘计算）的结合。具体而言，MEC可依托CU实现无线能力开放，支撑创新业务快速、贴近用户部署，通过数字化服务创收。同时，CU与MEC的集成，通过MEC对创新业务的有效支撑，实现业务快速上线和快速更新。

5 结论

移动通信已经深刻地改变了人们的生活，但人们对更高性能移动通信的追求从未停止。未来爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景，将为5G系统提供广阔的应用前景。其中，从历代移动通信系统的经验来看，5G接入网的架构以及其部署将是重中之重。本文在介绍5G无线接入网CU-DU架构以及其主要特点的基础上，重点分析了面向实用的CU-DU设备方案、部署方案和应用建议，并提出了CU-DU架构面向未来的技术标准、设备以及结合MEC与人工智能等方面的演进方向，希望能为业界理解5G接入网架构以及其长期发展趋势提供技术思路。

参考文献：

[1] IMT-2020（5G）推进组. 5G愿景与需求白皮书[S]. 2015.

[2] IMT-2020（5G）推进组频谱组. 频谱需求预测白皮书[S]. 2015.

[3] IMT-2020（5G）推进组. 5G网络架构设计白皮书[S]. 2016.

[4] 3GPP TR 38.801. Study on new radio access technology： Radio access architecture and interfaces[S]. 2016.

[5] 通用公共无线接口联盟. Common Public Radio Interface （CPRI）； Interface Specification[R]. 2014.

[6] 通用公共无线接口联盟. Common Public Radio Interface： eCPRI Interface Specification[R]. 2014.

[7] 3GPP TS 36.401. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）； Architecture description[S]. 2012.

[8] 中国移动通信企业标准. 中国移动TD-LTE无线网络主设备技术要求—BBU硬件分册规范[S]. 2015.

[9] 3GPP TR 38.913. Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies[S]. 2017.

[10] 3GPP TR 38.816. Study on CU-DU lower layer split for NR[S]. 2017.endprint