云化虛擬現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR），以聲音和視覺為主導(dǎo)，通過計算機(jī)模擬虛擬環(huán)境而給人以沉浸感，是一種多源信息融合、交互式、三維動態(tài)實(shí)景和實(shí)體行為互動的系統(tǒng)仿真。當(dāng)前技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面，主要以用戶側(cè)的VR頭盔、VR眼鏡等終端為主，基于本地計算、渲染和存儲資源，通過高清屏幕實(shí)現(xiàn)模擬世界360度的沉浸式體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）基于本地運(yùn)行模式，因其硬件能力要求較高、運(yùn)行散熱不佳、終端產(chǎn)品碎片化等問題，導(dǎo)致VR普世性、穩(wěn)定性和可拓展性等方面存在局限，限制了市場規(guī)?；陌l(fā)展。其中解決VR行業(yè)發(fā)展存在的上述問題的主要手段就是業(yè)務(wù)上云，緩解VR終端的運(yùn)行壓力的方法。

云化VR，是指通過線上（非本地）基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)服務(wù)和軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)基于云端運(yùn)行，具備提供云化虛擬現(xiàn)實(shí)服務(wù)，基于優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，采用音視頻流模式下發(fā)到用戶終端，并由用戶終端音視頻解碼展現(xiàn)，同時采集用戶側(cè)操控指令回傳到云端，最終形成云VR業(yè)務(wù)的實(shí)時互動。

云VR在實(shí)現(xiàn)過程中，采用重平臺、輕終端模式，首先要完成VR應(yīng)用的云化改造，支持基于云端服務(wù)器的多人/多應(yīng)用運(yùn)行，將本地化終端較高能力要求，例如邏輯運(yùn)算、圖形渲染、視頻拼接/裁剪等移植到云端，通過云端超強(qiáng)服務(wù)器處理后，再下發(fā)到終端測展示。該過程對于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊筝^高，具有超高帶寬、超低時延、超低丟包等多種復(fù)合要求。

本文重點(diǎn)聚焦云VR的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，下文將分別從云VR技術(shù)特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)需求研究及網(wǎng)絡(luò)部署技術(shù)等方面分別進(jìn)行闡述。

2 云VR技術(shù)特點(diǎn)

云化VR業(yè)務(wù)基于云端運(yùn)行，壓力主要集中在云端，云端必須構(gòu)建強(qiáng)大的計算、渲染資源池，同時降低了VR終端的行業(yè)入門門檻，提升了服務(wù)的便捷性，其相關(guān)的主要技術(shù)特點(diǎn)包括：

（1）終端無關(guān)性：采用云化VR模式，基于云平臺+弱終端運(yùn)行，對終端的處理能力要求較低，該種服務(wù)模式具備支撐僅有傳感器、屏幕等基本條件VR終端的特性。而且采用云端自適應(yīng)終端能力的方式，可自由通過云端調(diào)整下發(fā)服務(wù)數(shù)據(jù)和操控映射模式，滿足終端測屏顯和各種感應(yīng)器的操控能力，避免因VR服務(wù)升級而導(dǎo)致不得不替換VR終端，從而延長了VR終端的生命周期。

（2）服務(wù)遷移性：采用云端資源優(yōu)勢，所有VR服務(wù)均可實(shí)現(xiàn)不同VR服務(wù)節(jié)點(diǎn)之間的無縫遷移，同時能夠?qū)崿F(xiàn)用戶側(cè)不同VR終端之間的無縫遷移。在滿足一定的鑒權(quán)條件下，還可實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)多屏之間的瞬間遷移。

（3）應(yīng)用便捷性：原來基于終端本地運(yùn)行的模式，需要應(yīng)用適配各種形形色色的終端，而且可能因?yàn)楦袘?yīng)器、軟件/驅(qū)動等原因，導(dǎo)致各種莫名其妙的問題，給應(yīng)用開發(fā)者憑空提升了行業(yè)入門門檻，限制了應(yīng)用的規(guī)?；l(fā)展。采用云化處理模式之后，應(yīng)用只需進(jìn)行上云改造，不必關(guān)心VR終端適配問題，通過云平臺來解決終端的差異性，能夠從根本上拓寬VR應(yīng)用的適用范圍。

（4）資源集中性：云化服務(wù)的關(guān)鍵就是能夠借助云資源池能力，面向用戶提供按需分配的VR云服務(wù)。其資源具有統(tǒng)一集中、共享/互用等屬性；同時具備云化的VR所需的CPU/GPU強(qiáng)大的處理能力，不僅能夠提供云化VR服務(wù)，而且在閑時可以面向AI訓(xùn)練、動畫制作等行業(yè)，提供專業(yè)的GPU虛擬化服務(wù)。

資源的集中屬性，同時為VR應(yīng)用發(fā)展帶來全新的方向，使其不局限于單一終端能力，可研發(fā)面向多人互動的統(tǒng)一VR應(yīng)用，即具備云原生的VR應(yīng)用。

（5）用戶無感性：云端服務(wù)模式，具備快捷啟動、故障遷移和質(zhì)量如一的特性，從根本上能夠滿足用戶無時無刻的VR應(yīng)用需求，提升用戶的VR體驗(yàn)。

不過VR上云以后，在帶來云端運(yùn)行壓力的同時，針對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊笠苍絹碓礁?，具體體現(xiàn)在服務(wù)處理結(jié)果的大規(guī)模數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸和低時延的傳輸時效，而且直接與VR呈現(xiàn)暈動感息息相關(guān)。正是因?yàn)榇嬖谏鲜龅木W(wǎng)絡(luò)需求，需要在VR網(wǎng)絡(luò)部署和云網(wǎng)融合方面進(jìn)行創(chuàng)新，以便滿足其較為苛刻的網(wǎng)絡(luò)要求。

3 云VR網(wǎng)絡(luò)需求

云VR要實(shí)現(xiàn)其業(yè)務(wù)固有的沉浸體驗(yàn)、自然交互和畫面穩(wěn)定等用戶體驗(yàn)性能，就需要對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬、時延和丟包等諸多方面的業(yè)務(wù)保障，其業(yè)務(wù)屬性與網(wǎng)絡(luò)要求之間的對應(yīng)關(guān)系，可通過圖1體現(xiàn)。

圖1 云VR關(guān)鍵特性/業(yè)務(wù)指標(biāo)/網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)關(guān)系

3.1 沉浸體驗(yàn)

沉浸體驗(yàn)，是指虛擬與真實(shí)的融合，能夠帶給用戶帶來真實(shí)的感覺，能夠形成針對大腦的欺騙，是產(chǎn)生沉浸感的基礎(chǔ)。

3.1.1 業(yè)務(wù)指標(biāo)

當(dāng)然該特性主要是針對虛擬景象的沉浸感程度的衡量，主要包括如下的業(yè)務(wù)指標(biāo)：

業(yè)務(wù)指標(biāo)是體現(xiàn)虛擬景象清晰度的指標(biāo)，包括分辨率、幀率、色深、視場角和編碼壓縮比等。

（1）分辨率：采用顯示畫面長寬兩個角度所展示像素的乘積來表達(dá)，例如4K的分辨率一般是指畫面水平方向每行像素值，達(dá)到或者接近4 096個。不過VR作為全景顯示形態(tài)，至少包括3倍以上PC屏幕面積，4K的VR畫質(zhì)如果換算成單屏顯示，其分辨率最多為4/3K，僅相當(dāng)于720 P的清晰度。因此引出了角分辨率（PPD）的概念，即指每一度視角能看到的像素量來描述其清晰度。

PPD的計算公式=屏幕的分辨率（橫向）/最大FOV（FOV一般都是按照橫向算的）

（2）幀率（Frame rate）：是以幀為單位的位圖圖像，連續(xù)出現(xiàn)在顯示器上的頻率（速率）。通常用FPS（Frames Per Second）來表示，即每秒幀數(shù)，通俗一點(diǎn)說就是一秒所展現(xiàn)的靜止畫面數(shù)量。

（3）色深：即色彩深度，色彩深度是計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域表示在位圖或視頻幀緩沖區(qū)中儲存一個像素的顏色所用的位數(shù)，它也稱為位/像素（bpp）。色彩深度越高，可用的顏色就越多。

（4）視場角：即FOV，在光學(xué)儀器中（可以看成透鏡），以光學(xué)儀器的鏡頭為頂點(diǎn)，以被測目標(biāo)的物象可通過鏡頭的最大范圍的兩條邊緣構(gòu)成的夾角，稱為視場角。正如上文所提到的，在顯示系統(tǒng)中，視場角就是顯示器邊緣與觀察點(diǎn)（眼睛）連線的夾角。視場角的大小直接決定了VR業(yè)務(wù)的直觀感受，而且一般采用水平方面上觀看范圍來界定視場角。

（5）編碼壓縮比：在編碼過程中，采用壓縮技術(shù)，將原始視頻格式文件轉(zhuǎn)換成另一種視頻格式。一般采用去除包括時域、空域等方面冗余信息，獲取圖像或者視頻數(shù)據(jù)等有效數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行編碼處理。通常情況下，采用的編碼壓縮比越高，其圖像和視頻的失真就越多，對于云VR畫面的精細(xì)程度同步有影響。

3.1.2 網(wǎng)絡(luò)要求

沉浸式體驗(yàn)關(guān)鍵因素就是云VR數(shù)據(jù)流的大小，一般采用如下公式表示：

云VR業(yè)務(wù)所需碼流 = 內(nèi)容全景分辨率（像素點(diǎn)）＊幀率＊色深＊FOV/360/壓縮比

考慮到網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬采用bit作為最小計算單位，然而畫面采用的字節(jié)數(shù)來計算，并考慮到帶寬通用單位為Mb/s。

XR業(yè)務(wù)所需帶寬（Mb/s）=XR業(yè)務(wù)所需碼流＊8/10242。

3.2 自然交互

自然交互，本質(zhì)上是自然化或者真實(shí)性地延伸人類的視覺、觸覺、聽覺、味覺和嗅覺等，在實(shí)現(xiàn)方式上是指在虛實(shí)有效結(jié)合的基礎(chǔ)上，運(yùn)行和交互的順暢性。對應(yīng)的業(yè)務(wù)指標(biāo)，包括加載緩沖時長、運(yùn)動感知沖突和操作響應(yīng)時間等。

（1）加載緩沖時長，相對云VR而言與網(wǎng)絡(luò)傳輸、云端服務(wù)響應(yīng)和終端顯示耗時都存在一定關(guān)系，但相對運(yùn)動感知沖突和操作響應(yīng)時間而言其對網(wǎng)絡(luò)要求相對較低，因此不進(jìn)行特別闡述。

（2）運(yùn)動感知沖突，尤其是在視覺顯示延遲方面直接與用戶暈動癥相關(guān)，業(yè)界采用MTP（Motion-To-Photon Latency）表示，指的是從用戶開始運(yùn)動到對應(yīng)的畫面屏幕正常顯示所消耗的時長。根據(jù)業(yè)界公認(rèn)的指標(biāo)要求，一般MTP<=20 ms的情況下，用戶便不會因?yàn)樵摲N延遲而產(chǎn)生眩暈。

同時業(yè)界一般采用終端側(cè)的異步時間扭曲的技術(shù)手段，解決MTP時延問題，因此可暫時不必考慮其對網(wǎng)絡(luò)的要求。

（3）操控響應(yīng)時間：是指用戶進(jìn)行VR應(yīng)用操控，云端完成邏輯運(yùn)算和圖形渲染后，相應(yīng)的操控結(jié)果在VR屏幕上能夠有效展現(xiàn)所消耗的時長。

針對云VR而言，對于實(shí)時性要求不高的業(yè)務(wù)例如視頻等，其操控響應(yīng)時延在200 ms以內(nèi)被認(rèn)為是可以接受的；不過對于實(shí)時性要求較高的游戲等，則需要達(dá)到100 ms；有些操控精細(xì)要求較高醫(yī)療等云VR業(yè)務(wù)，相關(guān)的數(shù)值要求達(dá)到20 ms以內(nèi)。

若以云VR操控響應(yīng)時間要求為100 ms計算，云端的邏輯運(yùn)行、圖形渲染和流化編碼等一般是30～50 ms之間，如果選取50 ms，并將終端側(cè)的解碼時延設(shè)定為20 ms，針對端到端網(wǎng)絡(luò)傳輸RTT時延就僅剩余30 ms。如果再考慮到終端異步扭曲渲染的要求MTP<=20 ms扣除，其網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腞TT僅剩10 ms。若將該時延進(jìn)一步細(xì)分到家庭聯(lián)網(wǎng)、接入網(wǎng)和城域/承載網(wǎng)，則對網(wǎng)絡(luò)要求還是很高的。

若要達(dá)到更加精致的云XR體驗(yàn)，網(wǎng)絡(luò)傳輸端到端時延需要控制在10 ms以內(nèi)，必須在業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)部署過程中，基于云網(wǎng)融合機(jī)制創(chuàng)新方能滿足要求。

3.3 畫面穩(wěn)定

畫面穩(wěn)定，是指云VR業(yè)務(wù)體驗(yàn)的流暢性、完整性和有效性，能夠確保整個VR業(yè)務(wù)體驗(yàn)過程中不出現(xiàn)卡頓、畫面失真和丟幀等現(xiàn)象，與其相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)要求主要是丟包方面。

云VR服務(wù)為了達(dá)到順暢體驗(yàn)的效果，針對丟包率的要求相對較為苛刻，一般要達(dá)到10-5以內(nèi)，甚至10-7方能提供較為極致的云VR順暢體驗(yàn)。

3.4 整體要求

根據(jù)上文針對云VR業(yè)務(wù)特性的分析，并分別按照4K、8K、12K、24K云VR服務(wù)計算，其相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)要求如表1所示。

表1 XR服務(wù)質(zhì)量與網(wǎng)絡(luò)要求匯總

針對上表相關(guān)內(nèi)容注解如下：

（1）上表的所有帶寬需求，均未考慮網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際傳輸過程中，因?yàn)閭鬏斅窂?、設(shè)備性能等方面影響會出現(xiàn)性能下降等情況，均是在網(wǎng)絡(luò)順暢傳輸為前提計算得出。

（2）上表中的壓縮比，是按照H.264、H.265、H.266等相關(guān)壓縮技術(shù)發(fā)展研究估算得出，可能與實(shí)際情況存在一定偏差。

4 云VR網(wǎng)絡(luò)部署

根據(jù)上文分析可知，云VR為了達(dá)到極致的用戶體驗(yàn)，對網(wǎng)絡(luò)帶寬、時延和丟包等都具有較為苛刻的要求，基于傳統(tǒng)的集中部署或城域網(wǎng)分大區(qū)部署都可能無法滿足其業(yè)務(wù)需求，需要基于創(chuàng)新的邊緣節(jié)點(diǎn)部署的方案，滿足其網(wǎng)絡(luò)傳輸時延控制在10 ms以內(nèi)。

云VR在固網(wǎng)部署過程中，需要將業(yè)務(wù)前置到縣區(qū)級別的數(shù)據(jù)中心，盡量減少服務(wù)過程中光纖傳輸?shù)木嚯x和跳轉(zhuǎn)次數(shù)；而在移動網(wǎng)絡(luò)中，則需要和5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)合方能滿足要求。

基于5G網(wǎng)絡(luò)部署云VR服務(wù)，盡量將云VR部署接近5G接入網(wǎng)的位置，采用邊緣計算模式面向用戶提供服務(wù)，同樣需要數(shù)量眾多的縣區(qū)級云資源池或數(shù)據(jù)中心等邊緣計算節(jié)點(diǎn)。

其中時延能夠得到最大限度保障的方式，就是基于接入網(wǎng)邊緣DC機(jī)房部署多個迷你型的計算節(jié)點(diǎn)，能夠有效降低云VR的傳輸路徑，減少承載網(wǎng)的帶寬和時延壓力，緩解網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和擴(kuò)容的成本壓力等；同時能夠?yàn)橛脩籼峁┙阱氤叩母叨恕⒏咔搴透哔|(zhì)云VR服務(wù)，在不增加網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本的情況下，提供時延10 ms以內(nèi)的云VR服務(wù)。

具體在5G網(wǎng)絡(luò)部署過程中，需要通過將UPF下沉到接入網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信令面向數(shù)據(jù)面的轉(zhuǎn)化過程，實(shí)現(xiàn)用戶面數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

如圖2所示，通過將云VR邊緣渲染節(jié)點(diǎn)，部署在5G接入網(wǎng)，云VR管理中心部署在承載網(wǎng)。通過下沉到接入網(wǎng)的UPF，實(shí)現(xiàn)5G核心網(wǎng)元和邊緣渲染節(jié)點(diǎn)信令控制面對接接口，實(shí)現(xiàn)該邊緣節(jié)點(diǎn)的信令控制數(shù)據(jù)面錨點(diǎn)，PDU會話鏈接、報文路由和轉(zhuǎn)發(fā)及合法監(jiān)聽等。

圖2 5G云VR邊緣計算部署圖

按照5G邊緣DC機(jī)房部署節(jié)點(diǎn)的云VR部署方式，其網(wǎng)絡(luò)鏈接大致可以分為兩部分：

（1）接入網(wǎng)負(fù)責(zé)高帶寬和低時延傳輸：上文所提及有關(guān)承載網(wǎng)所需的巨額帶寬擴(kuò)容將顯著緩解，僅需在接入網(wǎng)擴(kuò)充內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)容量即可。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)實(shí)施過程中，僅需確保gNodeB和邊緣計算節(jié)點(diǎn)機(jī)房之間的帶寬。因?yàn)檫吘売嬎愎?jié)點(diǎn)與gNodeB距離較近，其光纖傳輸?shù)臅r延可忽略不計，當(dāng)前接入網(wǎng)時延為8～10 ms；隨著部署規(guī)模化和5G技術(shù)不斷創(chuàng)新，其時延可能降低到2 ms以下（單向1 ms），則可真正實(shí)現(xiàn)極致的網(wǎng)絡(luò)傳輸體驗(yàn)。

（2）承載網(wǎng)負(fù)責(zé)中心與邊緣的數(shù)據(jù)同步/管理：承載網(wǎng)將主要負(fù)責(zé)用戶的身份認(rèn)證、邊緣節(jié)點(diǎn)管理/調(diào)度及VR應(yīng)用的分發(fā)等功能，即使加上云VR應(yīng)用分發(fā)，因?yàn)槠鋾r延要求沒有直接服務(wù)用戶高，對于網(wǎng)絡(luò)的瞬間帶寬需求也不是很大。從而有效較少傳統(tǒng)集中部署云對承載網(wǎng)的巨大壓力，甚至需要改造現(xiàn)網(wǎng)架構(gòu)而帶來的成本指數(shù)級上升等問題。

當(dāng)然采用邊緣計算部署方式，需要在接入網(wǎng)部署數(shù)據(jù)中心，該種模式在大中城市VR用戶較為集中的地方，相對比較容易；但對于相對較為偏遠(yuǎn)的區(qū)縣則很可能不具備部署數(shù)據(jù)中心的物理?xiàng)l件，其物理?xiàng)l件是指供電保障、場所和覆蓋用戶規(guī)模等方面。在該種情況下，需要結(jié)合在城域網(wǎng)部署相應(yīng)的服務(wù)節(jié)點(diǎn)作為補(bǔ)充，方可構(gòu)建面向全國的業(yè)務(wù)覆蓋和服務(wù)方面提供能力。

邊緣節(jié)點(diǎn)部署，可以解決服務(wù)節(jié)點(diǎn)到鄰近用戶帶寬和時延問題，但是針對多人互動的云VR，還是需要不同邊緣節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)同，并且不得不通過核心網(wǎng)的傳輸，因此為了達(dá)到云VR交互過程中的低時延目的，還是需要進(jìn)行核心傳輸網(wǎng)絡(luò)扁平化處理和傳輸方式的技術(shù)創(chuàng)新以便滿足云VR多人實(shí)時互動需求。

5 結(jié)束語

本文針對性地分析云VR的實(shí)現(xiàn)模式、技術(shù)特點(diǎn)及根據(jù)其沉浸體驗(yàn)、自然交互和畫面穩(wěn)定等三大用戶體驗(yàn)特征，研究其針對網(wǎng)絡(luò)帶寬、時延和丟包等方面的網(wǎng)絡(luò)傳輸要求，并根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)要求研究云VR網(wǎng)絡(luò)部署方案，提出在5G網(wǎng)絡(luò)下基于UPF下沉到接入網(wǎng)的邊緣部署模式。不過針對多人實(shí)時互動的云VR業(yè)務(wù)而言，單一的多個邊緣部署存在多人互動信息邏輯同步路徑較長，無法滿足實(shí)時互動的要求，還需采用集中管理云+邊緣計算節(jié)點(diǎn)等云網(wǎng)融合技術(shù)的不斷創(chuàng)新，方能提供極致的云VR體驗(yàn)。