第 3 章 5G 網絡架構
| 3.2 5G 邏輯架構的重構 |
| 3.3 無線接入網架構 |
3.3.1 CU-DU 架構演進和功能劃分
就占據網絡主體的接入網而言，5G 接入網設計必須考慮滿足 5G 關鍵性能 名額需求、網絡商業營運能力和具備持續演進能力這 3 個方面的因素。正是基 于這樣的考慮，5G 接入網架構設計的焦點在于通過增強基站間的協作控制、優 化業務資料分發管理、支援多網融合與多連接配接、支撐靈活動态的網絡功能和拓 撲分布，以及促進網絡能力開放等幾個方面，來提升網絡靈活性、資料轉發性 以及使用者體驗和促進業務的有效結合。
無線接入網最主要的構成部分是基站系統。從無線網絡功能的角度看， 基站系統包括射頻和基帶功能，而後者又由實體層、第二層（MAC、RLC、 PDCP 等子層）以及第三層（如 RRC）等協定功能層構成。從接入網架構角度看， 3G 系統中接入網邏輯節點由 NodeB 和 RNC 組成，4G 邏輯架構設計更加扁平 化，僅包含 eNodeB（BBU+ RRU）節點。
而 5G 接入網架構在設計之初，相對于 4G 接入網而言，有以下幾個典型的需求：
（1）接入網支援分布式單元（DU，Distributed Unit）和集中單元（CU， Central Unit）功能劃分，且支援協定棧功能在 CU 和 DU 之間遷移；
（2）支援控制面和使用者面分離；
（3）接入網内部接口需要開放，能夠支援異廠商間互操作；
（4）支援終端同時連接配接至多個收 / 發信機節點（多連接配接）；
（5）支援有效的跨基站間協調排程。
依托 5G 系統對接入網架構的需求，在 5G 接入網邏輯架構中，已經明确将 4G 中的 BBU 切分為 CU 和 DU 兩個功能實體。CU 與 DU 功能的切分通過處理内容的實時性進行區分，如圖3-12所示。
CU 裝置主要包括非實時的無線高層 協定棧功能，同時也支援部分核心網功 能下沉和邊緣應用業務的部署，而 DU 裝置主要處理實體層功能和實時性需求 的二層功能。考慮節省 RRU 與 DU 之間 的傳輸資源，部分實體層功能也可上移 至 RRU 實作。
如 圖 3-13 所 示， 對 于 CU-DU 的 功能劃分，3GPP 提出了 8 種候選方案， 分别為 Option1 ～ Option8。在各方案 中，CU 和 DU 分别支援不同的協定功能， 以實作靈活的硬體結構。2017 年 4 月， 3GPP 宣布确定 Option2 作為 RAN 内部 CU/DU 高層切分的标準，而關于 RAN 架構的低層切分，則認為其研究工作沒 有完成，需要延後進行，趨向于選擇 Option6 或 Option7。
圖 3-13 中 5G（a）為高層劃分（F1），5G（b）為低層劃分（Fx），5G（c） 為級聯劃分。Option8（CPRI 或 OBSAI 協定）與傳統前傳類似，無論使用者流 量是否存在都需要連續的比特率傳輸；當使用其他劃分選項時（Option1 ～ Option7），則傳輸的資料量随使用者流量而變化。
Option2 已經确定作為高層劃分方案，在 PDCP 和 RLC 之間進行切分， 具體可分為 Option2-1 和 Option2-2 兩種子方案。二者的差別在于，前者的 RRC 和 PDCP 位于 CU，RLC 及更底層的協定功能位于 DU；後者則在前者的 基礎上進一步支援将 CU 劃分為 CU-CP（包含 RRC、PDCP 控制面功能）和 CU-UP（包含 PDCP 使用者面功能）兩個邏輯實體，在必要時，CU-UP 可以下 沉部署，以減少業務時延。Option2 支援 5G NR 和 E-UTRAN 等多制式的接 入和管理，但在 Option2-2 下，必須確定不同 PDCP 執行個體間的安全性配置。
在 Option 6 中，MAC 和更高層協定功能位于 CU，PHY 和 RF 位于 DU， CU 和 DU 間的接口承載資料、測量、配置和排程相關資訊，如 MCS、層映射、 波束賦形、天線配置、資源塊配置設定等，支援集中排程和聯合傳輸，池化增益最 大但 MAC 層和 PHY 層之間需要進行子幀級的定時互動，前傳環路的時延可能 影響 HARQ 定時和排程。
Option7 是 PHY 内部分割方案，可細分為多個子方案。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，其餘功能劃分到 High-PHY 并歸屬 CU。 在 Option7-2 中，Low-PHY 除保留在 Option7-1 中的所述功能外，還保留 資源的映射和去映射以及預編碼功能。Option7-3 僅用于下行，隻有編解碼 功能位于 CU 中，PHY 層的其他功能才均位于 DU 中。Option7 的顯著特點 在于可使用壓縮技術來降低 CU 和 DU 間所需的前傳帶寬需求，但對時延非常 敏感。
在 Option8 中，CU 負責所有基帶處理工作，DU 負責完成射頻功能，這 實際上類似于現有的 BBU-RRU 的功能劃分。這種切分方式能夠實作所有 協定棧層的集中處理，使網絡本身具有高度協調功能，進而能夠有效地支援 CoMP、負載均衡以及移動性等功能。其缺點是對于前傳的帶寬和時延要求非 常高。
總的來講，Option1～Option8對應的CU功能逐漸增強，DU功能逐漸減弱。 相應地，CU-DU 接口的前傳帶寬需求逐漸增大，CoMP 效果逐漸增強，對傳 輸時延的要求也越來越嚴格。
靈活、可配置的 CU-DU 分離可以實作網絡資源的實時按需配置，更好地 适應不同場景的個性化需求。
3.3.2 CU-DU 的裝置實作方案
在 3.3.1 節定義中，DU 實作射頻處理功能和 RLC（無線鍊路控制）、MAC （媒質接入控制）以及 PHY（實體層）等基帶處理功能，是廣義的概念；狹義上， 基于實際裝置實作，DU 僅負責基帶處理功能，RRU/AAU（遠端射頻單元）負 責射頻處理功能，DU 和 RRU/AAU 之間通過 CPR（I Common Public Radio Interface）或 eCPRI 接口相連。在後文中，為了和具體裝置及網絡部署政策對 應，DU 采用狹義定義。
無線網 CU-DU 架構的優點在于能夠獲得小區間協作增益，實作集中負載 管理；高效實作密集組網下的集中控制，比如多連接配接、密集切換；獲得池化增益， 引入 NFV/SDN，滿足營運商某些 5G 場景的部署需求。需要注意的是，在設 備實作上，CU 和 DU 可以靈活選擇，即二者可以是分離的裝置，通過 F1 接口 通信；或者 CU 和 DU 也完全可以內建在同一個實體裝置中，此時 F1 接口就變 成了裝置内部接口，如圖 3-14 所示。CU 之間通過 Xn 接口進行通信。
CU/DU 合設方案類似 4G 中的 BBU 裝置，在單一實體實體中同時實作 CU 和 DU 的邏輯功能，并基于電信專用架構采用 ASIC 等專用晶片實作。考慮到 4G BBU 多采用主要傳輸闆 + 基帶處理闆組合的方式，類似地，5G BBU 也可 沿用 CU 闆 +DU 闆的架構方式，以同樣保證後續擴容和新功能引入的靈活性。 CU 闆和 DU 闆的邏輯功能劃分可以遵循 3GPP 标準劃分，即 CU 闆和 DU 闆之 間的邏輯接口是 F1 接口。但是，考慮到此類合設裝置中，F1 接口是 BBU 内 部接口，CU 闆和 DU 闆的邏輯功能劃分也可采用非标準實作方案。這種 CU/DU 合設裝置（即 5G BBU 裝置）的優點和 4G BBU 類似，可靠性較高、體積 較小、功耗較小，且環境适配性較好，對機房配套條件要求較低。
CU/DU 分離方案則存在兩種類型的實體裝置：獨立的 DU 裝置和獨立的 CU 裝置。按照 3GPP 的标準架構，DU 負責完成 RLC/MAC/PHY 等實時性要 求較高的協定棧處理功能，而 CU 負責完成 PDCP/RRC/SDAP 等實時性要求 較低的協定棧處理功能，是以，有如下考慮。
（1）對于 DU 裝置，由于 DU 的高實時性要求，且 5G NR 中由于大規 模 MIMO 技術（如 64T64R）和大帶寬（如 100MHz 載波帶寬）的引入，吞 吐量相比 4G 有數十倍到百倍量級的提升，且實體層涉及大量并行的密集型 複數矩陣運算以及百吉比特每秒級别的高速資料交換，使信号處理複雜度相 比 4G 也有高達百倍量級的提升，是以，考慮到專用晶片采用了特定設計的 專用加速器，其晶片面積、功耗和處理能力都顯著優于通用晶片，DU 一般采 用電信專用架構實作，主處理晶片采用內建硬體加速器的專用晶片，以滿足 5G 層一和層二的高處理能力要求和實時性要求。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适應性。另外，考慮到裝置型号需要盡可能 少，以降低硬體開發成本及提高裝置出貨量，建議獨立的 DU 裝置和 CU/DU 合設方案中的 BBU 裝置采用同一款硬體和闆卡，具體地，可有如下兩種方 案：保持 BBU 中闆卡不變，移除 CU 相關的軟體功能，僅支援 DU 相關的軟 件功能；或者去掉 BBU 中的 CU 闆，僅保留 DU 闆并僅支援 DU 相關的軟體 功能。
（2）對于 CU 裝置，CU 對實時性要求相對較低，是以，可基于通用架構 實作，使用 CPU 等通用晶片。當然，也可沿用傳統的專用架構實作。兩種架 構各有優劣：通用架構擴充性更好，更易于虛拟化和軟硬解耦，便于池化部署、 動态擴容和備份容災，後續也可基于同樣的虛拟化硬體平台，擴充支援多接入 邊緣計算（MEC，Multi-access Edge Computing）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 時溫度須保持在 5℃～ 40℃，尺寸和功耗較大，如單機櫃深度一般在 1m 左右， 且須預留數千瓦的供電能力。而 CU 基于電信級專用架構實作，對部署機房的 環境要求則相對較低，但後續擴充性較差。
綜上所述，5G CU-DU 架構将會存在兩種裝置形态：BBU 裝置和獨立 CU 裝置。其中，BBU 裝置一般基于專用晶片采用專用架構實作，可用于 CU/DU 合設方案，同時完成 CU 和 DU 所有的邏輯功能，或在 CU/DU 分離方案中用 作 DU，負責完成 DU 的邏輯功能；獨立 CU 裝置可基于通用架構或專用架構實 現，隻用于 CU/DU 分離方案，負責完成 CU 的邏輯功能。
3.3.3 5G RAN 的部署方案
5G RAN網絡主要由3個網元組成，分别是AAU、DU、CU，如圖3-15所示。
（1） DU 以星形方式連接配接多個 AAU（稱為“前傳”），AAU 間沒有直接連 接需求，AAU 和 DU 之間采用 eCPRI 接口。
（2） CU 以星形方式連接配接多個 DU（稱為“中傳”），DU 間沒有直接連接配接需求， DU 和 CU 間采用以太網接口。
（3）基站間的切換等功能通過 CU 間的 Xn 接口實作。
5G 網絡 RAN 的部署方式主要有 3 種，如圖 3-16 所示。
（1）分布式部署：AAU、DU 和 CU 部署在相同的站點，前傳和中傳都屬 于站内連接配接。
（2） DU/CU 集中部署：AAU 與 DU/CU 部署在不同的站點，DU/CU 集 中部署在同一站點，前傳屬于站間連接配接，中傳屬于站内連接配接。
（3） DU 和 CU 分别集中部署：AAU、DU、CU 均在不同的站點，前傳、中傳都屬于站間連接配接。
DU 的部署位置與現有的 4G BBU 類似，一般部署在接入機房（即站址機 房和 4G BBU 共機房），近天面部署。這樣做的一個好處為：5G 由于天線數增 多、帶寬增大，BBU 和 RRU 之間的 CPRI 帶寬在百吉比特每秒量級，如 BBU 和 RRU 之間距離較近，如在數百米以内，則可使用短距高速光子產品，以降低部 署成本。此外，和 4G BBU 共站址機房的另一個好處是便于後續 4G/5G BBU 融合及 4G/5G 協同技術的引入。
傳送網可分為三級架構：接入層、彙聚層和核心層，相應地，CU 部署位置 也有 4 種：接入機房、彙聚機房、骨幹彙聚機房和核心機房，如圖 3-17 所示。
不同部署位置特點如下。
（1）接入機房：與現有的 4G BBU 部署位置類似，建議使用 CU/DU 合設方案（即使用 5G BBU 裝置），CU 管理和其同框的 DU 通過機框背闆通信，時 延基本可忽略。
（2）彙聚機房：CU 所轄區域面積适中，如小于 40km 左右，CU 管理數十 個到上百個 DU，CU 與 DU 間通過傳送網進行資料互動，時延大約在數百微秒 量級。
（3）骨幹彙聚機房：CU 所轄區域為地縣級，如小于 100km 左右，CU 管 理數百個 DU，CU 與 DU 間通過傳送網進行資料互動，大部分時延能控制在 3ms 以内。
（4）核心機房：CU 省級集中，需管理數千個 DU，CU 與 DU 間通過傳送 網進行資料互動，但時延較大，惡劣時能達到 10ms 量級。
實際上，CU 的部署位置主要考慮兩方面的因素：對無線性能的影響及部署 的工程可行性和成本效益。
對無線性能的影響。
（1）對于 eMBB 業務（增強移動寬帶業務），為了保證 5G 的無線性能和時 延要求，CU 與 DU 間的單向時延最好控制在 3ms 以内，是以，比較上述 4 種 CU 的位置，當 CU 部署在核心機房時，不能滿足時延要求，而 CU 部署在接入 機房、彙聚機房和骨幹彙聚機房是能滿足時延要求的。
（2）對于時延極其敏感的 uLRRC 業務（低延遲時間高可靠業務），如空口資料 面時延需要控制在 0.5ms 以内時，CU 隻能部署在接入機房才能滿足時延要求。
對部署施工和成本效益的影響。
（1）由于核心機房條件非常好，且 5G 核心網裝置多會采用虛拟化架構， 是以，CU 部署在核心機房便于 CU 虛拟化和池化，部署最為便利且成本效益高。
（2）對骨幹彙聚機房和普通彙聚機房，由于 CU 虛拟化後對機房條件要求 較高，如面積、供電和環境溫度等，CU 部署在骨幹彙聚機房時施工難度較小， 且池化規模較大。此外，由于 CU 和 DU 間需要資料路由，傳送網的三層的功 能需要和 CU 部署在同一位置級别，是以，CU 部署在骨幹彙聚機房時，對傳送網 的壓力也較小。而部署在普通彙聚機房時，施工難度和傳送網改造難度相對較大。
（3）當 CU 部署在接入機房時，由于此時采用一般 CU 和 DU 合設的 BBU 裝置，對機房的環境适配性較好，是以，部署難度與 4G 部署 BBU 相同，對機 房條件無額外要求。
綜上所述，當對業務時延要求較高時，可考慮将 CU 部署在接入機房，采 用合設裝置，對時延要求滿足較好，且部署難度很低；而當對業務時延要求較 低時，可考慮接入機房或骨幹彙聚機房，在這兩個位置部署，能滿足時延和性 能要求，且更具實際的工程可行性。
講到這裡，無線接入已經有了傳輸承載的需求，我們将在第 4 章緊扣這個 話題，從承載網的角度來定義 5G 無線接入網所需要比對的承載網。
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