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5G中CU-DU架构、设备实现及应用探讨

http://www.c114.com.cn ( 2018/8/8 14:39 )

【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

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.01.000      中图分类号:TN929.5      文献标志码:A      文章编号:1006-1010(2018)01-0000-00

引用格式:闫渊,陈卓. 5G中CU-DU架构、设备实现及应用探讨[J]. 移动通信, 2017,42(1): 00-00.

Discussion on CU-DU architecture, equipment implementation and application in 5G

YAN Yuan, CHEN Zhuo

(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100053, China)

[Abstract] 5G RAN architecture is to be finalized in standard and accordingly the emphasis of wireless communication industry has changed to the development and deployment of products. This paper focuses on the CU-DU architecture of 5G RAN in terms of product implementation, deployment alternatives and application advices. Besides, the standard evolution of CU-DU architecture and its potential combination with Big Data, AI and MEC are also discussed, which is aimed to provide a long-term view for the industry.

[Key words] 5G RAN; RAN Architecture; CU; DU; 5G group; 5G deployment

1   引言

为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的有效结合。

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。

图1    接入网CU-DU逻辑架构

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。

图2    CU-DU分离和一体化实现

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-℃~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、DSPFPGA,具有强大的数字信号处理能力,以负责完成PDCP/RLC/MAC/PHY,以及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:

图3    4G BBU架构

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Gbps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、功耗和处理能力都显著优于通用芯片,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。

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4/5G BBU融合及4/5G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:

图4    CU部署位置示意图

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。

图5    CU进一步划分成CP-UP的逻辑架构

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Gpbs,因此对DU进行切分[8],把一部分的物理层的功能上移到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。

4.3  CU-DU的后续可扩展性讨论

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. ★

作者简介

闫渊:硕士毕业于北京邮电大学,现任中国移动通信有限公司研究院无线与终端技术研究所项目经理,曾长期负责TD-LTE基站架构、站型规划与企业标准制定等工作,从事5G基站架构研究与产品规划等工作。

陈卓:高级工程师,博士,现任中国移动通信有限公司研究院无线与终端技术研究所5G项目经理,从事移动通信新技术与标准研究,主要负责中国移动5G无线领域的技术研究与标准化、5G技术发展策略等方面的工作。

作者:闫渊 陈卓   来源:《移动通信》2018年1月

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