【原】5G基站君的進(jìn)化之路 — CU和DU分離

無線深海 2021-12-26

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不論你是否能意識到，移動基站君就隱藏于我們身邊，默默地在為我們服務(wù)，越來越好的信號質(zhì)量就是明證。

這不，5G要來了，為了迎接這新的時(shí)代，基站君正在默默地醞釀著一場大變身。而要說5G基站君在架構(gòu)方面的演進(jìn)，就不得不提CU和DU分離的事情。

5G基站CU和DU分離

CU的全稱是Centralized Unit，顧名思義就是集中單元；DU的全稱是Distributed Unit，含義自然就是分布單元了。

坦白說，CU和DU這兩個名稱是云里霧里，除了集中和分布這兩個含義之外，沒有提供更多的信息。

為什么CU和DU要分離？
CU和CU分離了到底有什么好處？
現(xiàn)在開始部署的5G基站都是基于CU和DU分離架構(gòu)的嗎？

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為什么CU和DU要分離？

我們先來看看4G和5G無線接入網(wǎng)部分的架構(gòu)有什么不同：

4G和5G基站架構(gòu)的比較

由上圖可以看出，4G基站內(nèi)部分為BBU，RRU和天線幾個模塊，每個基站都有一套BBU，并通過BBU直接連到核心網(wǎng)。

而到了5G時(shí)代，原先的RRU和天線合并成了AAU，而BBU則拆分成了DU和CU，每個站都有一套DU，然后多個站點(diǎn)共用同一個CU進(jìn)行集中式管理。

看了5G的架構(gòu)，尤其是矗立在中間的CU，總是讓人感覺莫名熟悉，似曾相識。這不就和2G/3G的架構(gòu)如出一轍么？

2G/3G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

這就奇了怪了，撤銷控制器，基站直連核心網(wǎng)，構(gòu)建扁平化網(wǎng)絡(luò)這個剛剛在4G時(shí)代興起的架構(gòu)，到了5G時(shí)代，就又要走回2G/3G時(shí)代的老路？

這是因?yàn)椋?/span>4G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)跟2G和3G相比可謂劇變，帶來了時(shí)延的降低和部署的靈活性，但同時(shí)也帶來了一些問題，尤其是站間信息交互的低效。

4G基站之間是一個全Mesh網(wǎng)絡(luò)

從上圖可以看出，基站數(shù)量多了之后，每個基站都要獨(dú)立和周圍的基站建立連接交換信息，和兩個基站相比，情況就變得復(fù)雜了起來。這還只是4個基站的情況，如果數(shù)量更多的話，連接數(shù)將呈指數(shù)級增長。這個問題導(dǎo)致了4G基站間干擾難以協(xié)同的痼疾。

2G/3G無線網(wǎng)絡(luò)有一個中央控制點(diǎn)—控制器

而2G和3G網(wǎng)絡(luò)則不同，因?yàn)橛辛丝刂破鬟@個全知全能的中心節(jié)點(diǎn)存在，所有基站的信息一目了然，統(tǒng)籌管理全局資源也就更容易一些。

所謂歷史總是在否定之否定中螺旋式上升，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的出現(xiàn)正是如此。

在5G時(shí)代，對基站，核心網(wǎng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行了重構(gòu)：首先把原先BBU的一部分物理層處理功能下沉到RRU，RRU和天線結(jié)合成為AAU；然后再把BBU拆分為CU和DU，同時(shí)CU還融合了一部分從核心網(wǎng)下沉的功能，作為集中管理節(jié)點(diǎn)存在。

CU和DU的切分是根據(jù)不同協(xié)議層實(shí)時(shí)性的要求來進(jìn)行的。在這樣的原則下，把原先BBU中的物理底層下沉到AAU中處理，對實(shí)時(shí)性要求高的物理高層，MAC，RLC層放在DU中處理，而把對實(shí)時(shí)性要求不高的PDCP和RRC層放到CU中處理。

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CU和DU到底有什么好處？

CU和DU的切分可以帶來幾大好處。

1.實(shí)現(xiàn)基帶資源的共享

由于各個基站的忙閑時(shí)候不一樣，傳統(tǒng)的做法是給每個站都配置為最大容量，而這個最大容量在大多數(shù)時(shí)候是達(dá)不到的。比如學(xué)校的教學(xué)樓在白天話務(wù)量很高，而到了晚上就會很空閑，而學(xué)生宿舍的情況則正好相反，而這兩個地方的基站卻要按最大容量設(shè)計(jì)，造成很大的資源浪費(fèi)。

如果教學(xué)樓的和宿舍的基站能夠統(tǒng)一管理，把DU集中部署，并由CU統(tǒng)一調(diào)度，就能夠節(jié)省一半的基帶資源。

可以看出，這種方式和之前提出的C-RAN架構(gòu)非常相似，而C-RAN架構(gòu)由于對于光纖資源的要求過高而難以普及。在5G，雖然DU可能由于同樣的原因難以集中部署，但CU也是基站的一部分，其本身的集中管理也能帶來資源的共享，算是5G時(shí)代對于C-RAN架構(gòu)的一種折中的實(shí)現(xiàn)方式。

2.有利于實(shí)現(xiàn)無線接入的切片和云化

網(wǎng)絡(luò)切片作為5G的目標(biāo)，能更好地適配eMBB，mMTC和uRLLC這三大場景對網(wǎng)絡(luò)能力的不同要求。

切片實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是虛擬化，但是在現(xiàn)階段，對于5G的實(shí)時(shí)處理部分，通用服務(wù)器的效率還太低，無法滿足業(yè)務(wù)需求，因此還需要采用專用硬件，而專用硬件又難以實(shí)現(xiàn)虛擬化。

這樣一來，就只好把需要用專用硬件的部分剝離出來成為AAU和CU，剩下非實(shí)時(shí)部分組成CU，運(yùn)行在通用服務(wù)器上，再經(jīng)過虛擬化技術(shù)，就可以支持網(wǎng)絡(luò)切片和云化了。

因此，CU加上邊緣計(jì)算及部分核心網(wǎng)用戶面功能的下沉，就被稱為“接入云引擎”。

3. 滿足5G復(fù)雜組網(wǎng)情況下的站點(diǎn)協(xié)同問題

5G和傳統(tǒng)的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)不同的是高頻毫米波的引入。

由于毫米波的頻段高，覆蓋范圍小，站點(diǎn)數(shù)量將會非常多，會和低頻站點(diǎn)形成一個高低頻交疊的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。

要在這樣的網(wǎng)絡(luò)中獲取更大的性能增益，就必須有一個強(qiáng)大的中心節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行話務(wù)聚合和干擾管理協(xié)同。

毫無懸念，這樣的中心節(jié)點(diǎn)就是CU。

但是，在DU和CU的拆分在帶來諸多的好處的同時(shí)，也會帶來一些不利影響。

首當(dāng)其沖的就是時(shí)延的增加，網(wǎng)元的增加會帶來相應(yīng)的處理時(shí)延，再加上增加的的傳輸接口帶來的時(shí)延，增加的雖然不算太多，但也足以對超低時(shí)延業(yè)務(wù)帶來很大的影響。

其次是網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度的提高。5G不同業(yè)務(wù)對實(shí)時(shí)性要求的不同，eMBB對時(shí)延不是特別敏感，看高清視頻只要流暢不卡頓，延遲多幾個毫秒是完全感受不到的；mMTC對時(shí)延的要求就更寬松了，智能水表上報(bào)讀數(shù)，有個好幾秒的延遲都可以接受；而uRLLC就不同了，對于關(guān)鍵業(yè)務(wù)，如自動駕駛，可能就是“延遲一毫秒，親人兩行淚”。

因此對于eMBB和mMTC業(yè)務(wù)可以把CU和DU分開來在不同的地方部署，而要支持uRLLC，就必須要CU和DU合設(shè)了。這樣一來，不同業(yè)務(wù)的CU位置不同，大大增加了網(wǎng)絡(luò)本身的復(fù)雜度，管理的復(fù)雜度也就蹭蹭上去了。

所以說，CU和DU雖然可以在邏輯上分離，但物理上是不是要分開部署，還要看具體業(yè)務(wù)的需求才行。對于5G的終極網(wǎng)絡(luò)，CU和DU必然是合設(shè)與分離這兩種架構(gòu)共存的。

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現(xiàn)在開始部署的5G基站都是基于CU和DU分離架構(gòu)的嗎？

2019年是5G元年，首先商用的功能是能支持超高下載速率的eMBB業(yè)務(wù)，具備CU和DU分開部署的條件。那么是否要這么做呢？

首先，最早部署的5G站點(diǎn)都采用低頻來覆蓋，國際上采用3.5GHz的居多。這個頻段的覆蓋能力和4G主流頻段相當(dāng)，因此5G大概率是和4G共用機(jī)房和鐵塔的，這樣的成本也最低。

在5G和4G共站址的情況下，只需要對原先機(jī)房內(nèi)部的傳輸，電源，電池，空調(diào)等配套設(shè)備升級之后，再把5G基站（CU和DU一體）放進(jìn)去就可以快速開通5G了，而搞CU和DU分離，還需要專門為CU去建設(shè)新的數(shù)據(jù)中心，成本太大。