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5G无线网络CU/DU部署方案探讨

发表时间：2020/6/15 来源：《基层建设》2020年第6期作者：姚京

[导读] 摘要：5G与现有4G相比，在网络架构、关键技术、应用场景方面都有很大的不同，随着国内5G网络商用拍照的发放，5G网络离我们越来越近。

        湖北邮电规划设计有限公司湖北 430023
        摘要：5G与现有4G相比，在网络架构、关键技术、应用场景方面都有很大的不同，随着国内5G网络商用拍照的发放，5G网络离我们越来越近。对于5G网络提出的CU-DU架构进行深入研究，提前做好网络建设准备，这对于5G网络建设和4G网络升级都具有重要意义。本文对5G无线网络CU/DU部署方案进行探讨。
        关键词：5G；CU；DU；方案
        1 5G网络CU/DU划分方案
        相对于4G无线接入网（RAN）的基带处理单元（BBU）、射频拉远单元（RRU）两级结构，支持5G新空口的gNB可采用集中单元（CU）、分布单元（DU）和有源天线单元（AAU）三级结构。原BBU的非实时部分将分割出来，重新定义为CU，负责处理非实时协议和服务，主要包含分组数据汇聚协议（PDCP）和无线资源控制（RRC）；BBU的部分物理层处理功能和原RRU合并为AAU，主要包含底层物理层（PHY-L）和射频（RF）；BBU的剩余功能重新定义为DU，负责处理物理层协议和实时服务，包含无线链路控制（RLC）、介质访问控制（MAC）和高层物理层（PHY-H）等。5GRAN的CU和DU存在多种部署方式。当CU、DU合设时，5GRAN与4GRAN结构类似，相应承载也是前传和回传两级结构，但5G基站（gNB）的接口速率和类型发生了明显变化，当CU、DU分设时，相应承载将演进为前传、中传和回传三级结构，如下图所示。

        从5G网络建设角度来看，在5G网络商用初期，RAN网络部署将以宏站为主；随着5G规模商用，将呈现宏站和室分基站分场景部署的局面。5G接入网云化将推动CU、DU和AAU分离的大规模CRAN部署。按照3GPP组织最新研究进展，CU和DU在低层的物理层分割存在多种方式，典型包括射频模拟到数字转换后分割（选项8，CPRI接口）、低层物理层到高层物理层分割（选项7）、高层物理层到MAC分割（选项6）等，其中选项7又进一步可细分。
        在3GPPRel-15阶段针对SI阶段的研究结果选择了Option2作为后续标准化的方案。在该方案中，在CU和DU之间新定义了一个F1的新接口，用于传输控制面配置信息、用户信令以及用户面数据等信息。在CU内部控制面和用户面在部署时也可以分离，以满足不同类型业务对于时延和集中管理的差异。标准中定义CU-CP和CU-UP之间的接口为E1接口。一个逻辑DU可以支撑多物理小区，但是逻辑上只能属于一个CU，为了可扩展性考虑能分别为CU-CP和CU-UP提供多个传输点。其中Option1到Option4被定义为高层的划分方案，而Option5到Option8被定义为底层的划分方案。在Rel-15WI阶段开始时确定了Option2-1作为高层划分方案的标准化对象。而对于底层切分方案，3GPP没有标准化任何一种划分方案，由厂家在部署中实现决定。CU与DU作为无线侧逻辑功能节点，可以映射到不同的物理设备上，也可以映射为同一物理实体。CU/DU合设部署方式在4GLTE网络中已广泛采用：
        部署规划、运维管理简单，缩短建设周期；
        可节省网元，降低部署成本，具备成本优势；
        且能较好满足不同类型业务的综合需求，包含5GeMBB大带宽业务和URLLC低时延业务（无需中传）。然而，CU/DU合设方式在多小区连接协作（Comp）、双连接时的传输迁回等方面，尚存在一些不足之处。和传统的CU/DU合设相比，CU/DU分离架构下，CU集中部署，可以连接多个DU。CU/DU分离能进一步改善eMBB场景下的性能：移动性优化：切换信令和切换时延减少，邻区管理更简单；小区协作：适合宏微和高层协同，如负载均衡、干扰协调等；数据分流锚点：有助于避免NSA组网双连接场景下的数据路由迂回，而SA组网无路由迂回问题；CU云化集中部署后，具备池化增益，且能自动弹性收缩。
        CU/DU分离架构带来上述优势的同时，也引入了一些挑战：DU难以实现虚拟化，CU虚拟化目前存在成本高代价大的挑战；分离适用于mMTC小数据包业务，但目前标准化工作尚未启动，发展趋势还不明确；不能满足URLLC场景的时延需求，此时，需要CU-UP功能进一步下沉到DU处；信令时延增加；设备成本和运维管理复杂度增大；CU集中后对可靠性要求高等。因此，在架构选择时，需要根据具体的场景，结合CU/DU分离和合设各自的优缺点进行选择，差异化部署。从长远看，视业务应用的需要再逐步向CU/DU/AAU三层分离的新架构演进。因此要求现阶段的CU/DU合设设备采用模块化设计，易于分解，方便未来实现CU/DU分离架构。同时，还需解决通用化平台的转发能力的提升、与现有网络管理的协同、以及CU/DU分离场景下移动性管理标准流程的进一步优化等问题。设备厂商在DU和AAU之间的接口实现存在较大差异。在部署方案上，目前主要存在CPRI与eCPRI两种方案。采用传统CPRI接口时，前传速率需求基本与AAU天线端口数成线性关系，以100MHz/64端口/64QAM为例，需要320Gbps，即使考虑3.2倍的压缩，速率需求也已经达到100Gbps。采用eCPRI接口时，速率需求基本与AAU支持的流数成线性关系，同条件下速率需求将降到25Gbps以下，因此DU与AAU接口首选eCPRI方案。
        2 5G网络CU/DU设备实现方案
        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，如下图所示。CU之间通过Xn接口进行通信。

        5GCU-DU架构会存在两种设备型套：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 5G网络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4GBBU类似，一般部署在接入机房（即站址机房和4GBBU共机房），近天面部署。这样做的一个好处为，可使用短距高速光模块，以降低部署成本。此外，和4GBBU共站址机房的另一个好处是便于后续4G/5GBBU融合及4G5G协同技术的引入。传输网可分为三级架构：接入环和核心环，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，如下图所示。

        不同部署位置特点如下：（1）接入机房：和现有的4GBBU部署位置类似，建议使用CU/DU合设方案（即使用5GBBU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40km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100km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3ms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10ms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3ms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、汇聚机房和骨足时延要求的。（2）对时延极其敏感的URLLC业务，如空口数据面时延需要控制在0.5ms以内时，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。
        结束语
        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，且部署难度较低。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。
        参考文献：
        [1]NR——3GPPTR38.801
        [2]NR——3GPPTR38.806