第 3 章 5G 网络架构
| 3.2 5G 逻辑架构的重构 |
| 3.3 无线接入网架构 |
3.3.1 CU-DU 架构演进和功能划分
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 3 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 以及用户体验和促进业务的有效结合。
无线接入网最主要的构成部分是基站系统。从无线网络功能的角度看， 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。从接入网架构角度看， 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 eNodeB（BBU+ RRU）节点。
而 5G 接入网架构在设计之初，相对于 4G 接入网而言，有以下几个典型的需求：
（1）接入网支持分布式单元（DU，Distributed Unit）和集中单元（CU， Central Unit）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，在 5G 接入网逻辑架构中，已经明确将 4G 中的 BBU 切分为 CU 和 DU 两个功能实体。CU 与 DU 功能的切分通过处理内容的实时性进行区分，如图3-12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 的二层功能。考虑节省 RRU 与 DU 之间 的传输资源，部分物理层功能也可上移 至 RRU 实现。
如 图 3-13 所 示， 对 于 CU-DU 的 功能划分，3GPP 提出了 8 种候选方案， 分别为 Option1 ～ Option8。在各方案 中，CU 和 DU 分别支持不同的协议功能， 以实现灵活的硬件结构。2017 年 4 月， 3GPP 宣布确定 Option2 作为 RAN 内部 CU/DU 高层切分的标准，而关于 RAN 架构的低层切分，则认为其研究工作没 有完成，需要延后进行，趋向于选择 Option6 或 Option7。
图 3-13 中 5G（a）为高层划分（F1），5G（b）为低层划分（Fx），5G（c） 为级联划分。Option8（CPRI 或 OBSAI 协议）与传统前传类似，无论用户流 量是否存在都需要连续的比特率传输；当使用其他划分选项时（Option1 ～ Option7），则传输的数据量随用户流量而变化。
Option2 已经确定作为高层划分方案，在 PDCP 和 RLC 之间进行切分， 具体可分为 Option2-1 和 Option2-2 两种子方案。二者的区别在于，前者的 RRC 和 PDCP 位于 CU，RLC 及更底层的协议功能位于 DU；后者则在前者的 基础上进一步支持将 CU 划分为 CU-CP（包含 RRC、PDCP 控制面功能）和 CU-UP（包含 PDCP 用户面功能）两个逻辑实体，在必要时，CU-UP 可以下 沉部署，以减少业务时延。Option2 支持 5G NR 和 E-UTRAN 等多制式的接 入和管理，但在 Option2-2 下，必须确保不同 PDCP 实例间的安全性配置。
在 Option 6 中，MAC 和更高层协议功能位于 CU，PHY 和 RF 位于 DU， CU 和 DU 间的接口承载数据、测量、配置和调度相关信息，如 MCS、层映射、 波束赋形、天线配置、资源块分配等，支持集中调度和联合传输，池化增益最 大但 MAC 层和 PHY 层之间需要进行子帧级的定时交互，前传环路的时延可能 影响 HARQ 定时和调度。
Option7 是 PHY 内部分割方案，可细分为多个子方案。在 Option7-1 中，上行方向的 FFT 和 CP 去除功能、下行方向的 IFFT 和 CP 添加功能保 留在 Low-PHY 中，并位于 DU 中，其余功能划分到 High-PHY 并归属 CU。 在 Option7-2 中，Low-PHY 除保留在 Option7-1 中的所述功能外，还保留 资源的映射和去映射以及预编码功能。Option7-3 仅用于下行，只有编解码 功能位于 CU 中，PHY 层的其他功能才均位于 DU 中。Option7 的显著特点 在于可使用压缩技术来降低 CU 和 DU 间所需的前传带宽需求，但对时延非常 敏感。
在 Option8 中，CU 负责所有基带处理工作，DU 负责完成射频功能，这 实际上类似于现有的 BBU-RRU 的功能划分。这种切分方式能够实现所有 协议栈层的集中处理，使网络本身具有高度协调功能，进而能够有效地支持 CoMP、负载均衡以及移动性等功能。其缺点是对于前传的带宽和时延要求非 常高。
总的来讲，Option1～Option8对应的CU功能逐渐增强，DU功能逐渐减弱。 相应地，CU-DU 接口的前传带宽需求逐步增大，CoMP 效果逐步增强，对传 输时延的要求也越来越严格。
灵活、可配置的 CU-DU 分离可以实现网络资源的实时按需配置，更好地 适应不同场景的个性化需求。
3.3.2 CU-DU 的设备实现方案
在 3.3.1 节定义中，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，是广义的概念；狭义上， 基于实际设备实现，DU 仅负责基带处理功能，RRU/AAU（远端射频单元）负 责射频处理功能，DU 和 RRU/AAU 之间通过 CPR（I Common Public Radio Interface）或 eCPRI 接口相连。在后文中，为了和具体设备及网络部署策略对 应，DU 采用狭义定义。
无线网 CU-DU 架构的优点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， 引入 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 3-14 所示。CU 之间通过 Xn 接口进行通信。
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，类似地，5G BBU 也可 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。但是，考虑到此类合设设备中，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准实现方案。这种 CU/DU 合设设备（即 5G BBU 设备）的优点和 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）对于 DU 设备，由于 DU 的高实时性要求，且 5G NR 中由于大规 模 MIMO 技术（如 64T64R）和大带宽（如 100MHz 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吉比特每秒级别的高速数据交换，使信号处理复杂度相 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 层一和层二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。另外，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，具体地，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）对于 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，扩展支持多接入 边缘计算（MEC，Multi-access Edge Computing）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 时温度须保持在 5℃～ 40℃，尺寸和功耗较大，如单机柜深度一般在 1m 左右， 且须预留数千瓦的供电能力。而 CU 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 架构将会存在两种设备形态：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。
3.3.3 5G RAN 的部署方案
5G RAN网络主要由3个网元组成，分别是AAU、DU、CU，如图3-15所示。
（1） DU 以星形方式连接多个 AAU（称为“前传”），AAU 间没有直接连 接需求，AAU 和 DU 之间采用 eCPRI 接口。
（2） CU 以星形方式连接多个 DU（称为“中传”），DU 间没有直接连接需求， DU 和 CU 间采用以太网接口。
（3）基站间的切换等功能通过 CU 间的 Xn 接口实现。
5G 网络 RAN 的部署方式主要有 3 种，如图 3-16 所示。
（1）分布式部署：AAU、DU 和 CU 部署在相同的站点，前传和中传都属 于站内连接。
（2） DU/CU 集中部署：AAU 与 DU/CU 部署在不同的站点，DU/CU 集 中部署在同一站点，前传属于站间连接，中传属于站内连接。
（3） DU 和 CU 分别集中部署：AAU、DU、CU 均在不同的站点，前传、中传都属于站间连接。
DU 的部署位置与现有的 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 带宽在百吉比特每秒量级，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。
传送网可分为三级架构：接入层、汇聚层和核心层，相应地，CU 部署位置 也有 4 种：接入机房、汇聚机房、骨干汇聚机房和核心机房，如图 3-17 所示。
不同部署位置特点如下。
（1）接入机房：与现有的 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 40km 左右，CU 管理数十 个到上百个 DU，CU 与 DU 间通过传送网进行数据交互，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 间通过传送网进行数据交互，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 间通过传送 网进行数据交互，但时延较大，恶劣时能达到 10ms 量级。
实际上，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）对于 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、汇聚机房和骨干汇聚机房是能满足时延要求的。
（2）对于时延极其敏感的 uLRRC 业务（低时延高可靠业务），如空口数据 面时延需要控制在 0.5ms 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，传送网的三层的功 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，对传送网 的压力也较小。而部署在普通汇聚机房时，施工难度和传送网改造难度相对较大。
（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，部署难度与 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，可考虑将 CU 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。
讲到这里，无线接入已经有了传输承载的需求，我们将在第 4 章紧扣这个 话题，从承载网的角度来定义 5G 无线接入网所需要匹配的承载网。
