光纖寬帶的云VR業(yè)務(wù)家庭無線網(wǎng)絡(luò)承載方案研究

孫 凱

（上海城建職業(yè)學(xué)院科技處，上海201415）

0 引 言

隨著國家新基建戰(zhàn)略的實(shí)施，近2年運(yùn)營商把5G和光纖寬帶雙千兆作為通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點(diǎn)［1-3］。同時云計(jì)算、AI、終端智能化等新技術(shù)為信息化應(yīng)用帶來了顛覆性的變革和發(fā)展機(jī)會。以VR為代表的xR業(yè)務(wù)成為產(chǎn)業(yè)鏈搶先進(jìn)行商業(yè)探索的新興業(yè)務(wù)，比如5G商用領(lǐng)先的韓國運(yùn)營商LG U+和SK，積極嘗試通過VR商用業(yè)務(wù)尋求5G網(wǎng)絡(luò)的變現(xiàn)，國內(nèi)運(yùn)營商則在2019年推出5G云VR業(yè)務(wù)［4］，探索面向個人和家庭的應(yīng)用場景。業(yè)界VR業(yè)務(wù)主要分為本地VR和云VR兩種［5］。本地VR通過高性能終端實(shí)現(xiàn)圖像渲染，但存在終端價格昂貴，舒適性欠佳，且內(nèi)容分散在多個廠商處，難以有效共享和運(yùn)營的問題。運(yùn)營商主推的云VR業(yè)務(wù)，借助運(yùn)營商高速的網(wǎng)絡(luò)和強(qiáng)大的省級邊緣計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容、渲染的云化，大幅降低用戶側(cè)終端成本和輕量化體驗(yàn)，同時在內(nèi)容、生態(tài)方面聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈合作伙伴協(xié)同發(fā)力、共同培育。為了讓云VR能夠達(dá)到與本地VR相同的體驗(yàn)，運(yùn)營商把時延和無線傳輸作為影響VR業(yè)務(wù)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)和問題，并從以下兩方面開展技術(shù)方案研究和驗(yàn)證。①研究VR業(yè)務(wù)端到端網(wǎng)絡(luò)承載方案［6］，提升平臺、承載網(wǎng)、邊緣節(jié)點(diǎn)、家庭無線網(wǎng)絡(luò)的承載能力，滿足大帶寬、低時延需求；②考慮5G網(wǎng)絡(luò)部署尚在完善中，運(yùn)營商近期仍以基于光纖的家庭WiFi網(wǎng)絡(luò)作為云VR的承載基礎(chǔ)，因此需要研究家庭內(nèi)高性能WiFi技術(shù)，解決終端在家庭內(nèi)WiFi干擾、信號衰減等連接技術(shù)問題［7-8］。

本文重點(diǎn)研究運(yùn)營商基于光纖寬帶開展家庭WiFi承載VR業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)承載需求模型，并基于模型進(jìn)行了平臺、承載網(wǎng)、家庭網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)方案研究和驗(yàn)證。

1 家庭無線網(wǎng)絡(luò)承載云VR業(yè)務(wù)需求

1.1 業(yè)務(wù)現(xiàn)狀

隨著VR終端智能化與VR內(nèi)容的豐富，運(yùn)營商云VR業(yè)務(wù)在2C2H場景方面進(jìn)行了積極的探索。根據(jù)2019年7月觀研天下發(fā)布的《2019年中國虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）行業(yè)分析報告》報告中的消費(fèi)者需求洞察數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，消費(fèi)者對VR內(nèi)容與應(yīng)用的需求偏好為巨幕電影80.1%、全景視頻76.8%、全景漫游36.4%、全景圖片28.8%、VR游戲27.9%［4］。

針對家庭用戶的特點(diǎn)，運(yùn)營商目前主要開展的VR業(yè)務(wù)分為兩大類：① 弱互動類，如直播、點(diǎn)播等。②強(qiáng)互動類，如游戲、教育等。具體業(yè)務(wù)場景見表1。

從表1可以看到，目前VR業(yè)務(wù)重點(diǎn)以直播、游戲等視頻流承載為主，為了更好的用戶體驗(yàn)，需要對各種業(yè)務(wù)場景下的家庭網(wǎng)絡(luò)承載能力進(jìn)行業(yè)務(wù)質(zhì)量方案制定和評測。

表1 家庭VR業(yè)務(wù)場景

1.2 業(yè)務(wù)質(zhì)量需求

VR業(yè)務(wù)質(zhì)量涉及端到端的質(zhì)量保障，包括網(wǎng)絡(luò)傳輸、平臺視頻渲染與編碼、終端解碼和WiFi連接等環(huán)節(jié)。綜合國內(nèi)光纖帶寬、平臺云化、終端性能、用戶體驗(yàn)等指標(biāo)，參考中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會2018年發(fā)布的《云化虛擬現(xiàn)實(shí)總體技術(shù)研究白皮書》中VR業(yè)務(wù)分為初級沉浸（起步階段）、部分沉浸（舒適體驗(yàn)）、深度沉浸（進(jìn)階體驗(yàn)）、完全沉浸（極致體驗(yàn)）4個階段［9］，國內(nèi)現(xiàn)在處于部分沉浸階段（家庭帶寬區(qū)間100～300MB），用戶在舒適體驗(yàn)下操作響應(yīng)時延指標(biāo)應(yīng)在100 ms以內(nèi)（參見《云化虛擬現(xiàn)實(shí)總體技術(shù)研究白皮書》）。在實(shí)際業(yè)務(wù)測試中，為給用戶提供更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，運(yùn)營商將寬帶入戶側(cè)到云平臺的網(wǎng)絡(luò)端到端承載RTT時延目標(biāo)控制在平均30ms，而家庭內(nèi)AP的WiFi能力在一定干擾下，需要將時延控制在10 ms。

考慮到運(yùn)營商目前重點(diǎn)發(fā)展500 MB和千兆帶寬業(yè)務(wù)，且家庭中同時要承載IPTV、上網(wǎng)等業(yè)務(wù)，因此本文中的方案將基于主流500 MB帶寬部分沉浸體驗(yàn)的業(yè)務(wù)質(zhì)量要求進(jìn)行研究和驗(yàn)證測試。根據(jù)目前家庭VR業(yè)務(wù)場景，本文根據(jù)4 K/8 K和2D/3D兩個維度，對VR視頻和游戲單業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)承載要求進(jìn)行了定義［10］，如表2所示。

表2 單業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)承載質(zhì)量需求

家庭用戶在實(shí)際選擇VR業(yè)務(wù)組合時，可分為入門級場景、中級業(yè)務(wù)場景和高級業(yè)務(wù)場景，不同的業(yè)務(wù)場景也會對承載網(wǎng)和家庭WiFi能力指標(biāo)有不同的需求，如表3所示?？紤]到目前業(yè)務(wù)發(fā)展處于探索階段，本文的研究將基于單個家庭用戶開通一路8K 2D視頻和一路3K游戲?yàn)榈湫腿腴T級場景，進(jìn)行業(yè)務(wù)質(zhì)量的技術(shù)方案研究和測試。

表3 單家庭用戶場景業(yè)務(wù)質(zhì)量需求指標(biāo)

2 家庭無線網(wǎng)絡(luò)承載云VR業(yè)務(wù)質(zhì)量模型及關(guān)鍵技術(shù)方案

本文對運(yùn)營商云VR涉及的相關(guān)網(wǎng)元的網(wǎng)絡(luò)承載能力進(jìn)行業(yè)務(wù)質(zhì)量模型構(gòu)建，并針對現(xiàn)網(wǎng)實(shí)際部署中的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行分析和方案制定［11-13］。

2.1 家庭無線網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)質(zhì)量模型

運(yùn)營商云VR業(yè)務(wù)質(zhì)量涉及的相關(guān)網(wǎng)元，包括家庭WiFi網(wǎng)絡(luò)、寬帶接入網(wǎng)（包括ONT和OLT）、城域網(wǎng)、云平臺（包括集約平臺和邊緣內(nèi)容節(jié)點(diǎn)），如圖1所示。

圖1 業(yè)務(wù)質(zhì)量涉及網(wǎng)元

由圖1所示，業(yè)務(wù)質(zhì)量模型的主要影響因素包括關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)體系及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)承載方案，業(yè)務(wù)質(zhì)量模型公式如下：Qoe=f（｛Qs，Qi，Qv｝，Qt）。其中（Qs，Qi，Qv）分別代表影響業(yè)務(wù)質(zhì)量的帶寬、時延、時延、丟包指標(biāo)。Qt是基于該指標(biāo)體系的網(wǎng)絡(luò)承載方案。相關(guān)指標(biāo)描述如下（指標(biāo)數(shù)據(jù)基于實(shí)驗(yàn)室測試經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)）：

Qs是保障端到端的網(wǎng)絡(luò)帶寬指標(biāo)，包括家庭內(nèi)AP WiFi連接帶寬，家庭入戶接入帶寬（入戶ONT到BRAS）和接入網(wǎng)到云平臺的帶寬保障三部分。根據(jù)帶寬保障要求，滿足單個家庭用戶開通一路8K 2D視頻（80 Mb/s）和一路3K游戲（40 Mb/s）家庭帶寬需求，家庭內(nèi)AP WiFi連接帶寬需＞120 Mb/s；家庭入戶接入帶寬需＞300 Mb/s（考慮接入帶寬實(shí)際速率）；接入網(wǎng)到云平臺（含邊緣節(jié)點(diǎn)和集約平臺）的帶寬測算依據(jù)為120 Mb/s×VR用戶數(shù)×并發(fā)率（根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)容量配置）。

Qi是保障用戶體驗(yàn)無卡頓的平均時延指標(biāo)（RTT）。家庭內(nèi)APWiFi連接平均RTT需＜10 ms，抖動（影響用戶眩暈感指標(biāo)）RTT＞20 ms的概率低于1%；從接入網(wǎng)到云平臺的平均RTT＜10 ms，最大RTT＜30 ms。

Qv是影響音視頻失真、間斷、噪音的丟包率指標(biāo)，VR業(yè)務(wù)端到端丟包率需＜10-5。

Qt是基于業(yè)務(wù)質(zhì)量指標(biāo)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)承載方案，包括家庭內(nèi)WiFi網(wǎng)絡(luò)、接入網(wǎng)、城域網(wǎng)、云平臺的組網(wǎng)方案。在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)承載方案時，需要根據(jù)用戶發(fā)展數(shù)量，來評估分省建設(shè)邊緣節(jié)點(diǎn)和分地市建設(shè)邊緣節(jié)點(diǎn)的技術(shù)可行性。在圖1中可以看到，為用戶提供實(shí)際VR

視頻和游戲內(nèi)容的平臺部署在邊緣節(jié)點(diǎn)，集約平臺只負(fù)責(zé)用戶認(rèn)證和內(nèi)容資源統(tǒng)一管理，因此端到端的業(yè)務(wù)質(zhì)量只考慮用戶到邊緣節(jié)點(diǎn)部分。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)方案

影響業(yè)務(wù)質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)承載模型可以分為兩部分，一部分是家庭內(nèi)部的WiFi連接時延控制在10 ms，一部分是從接入網(wǎng)（家庭入戶寬帶）到云平臺的網(wǎng)絡(luò)時延控制在20～30 ms。下面分別針對這兩部分進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)方案的分析和建議。

（1）從接入網(wǎng)（家庭入戶寬帶）到云平臺的組網(wǎng)方案。在業(yè)務(wù)初期VR用戶較少的情況下，可以直接建設(shè)省級的邊緣節(jié)點(diǎn)，包含視頻CDN和游戲渲染節(jié)點(diǎn)，為本地用戶提供VR視頻和游戲業(yè)務(wù)，直播業(yè)務(wù)直接通過集約平臺提供?，F(xiàn)以業(yè)務(wù)規(guī)模發(fā)展到10萬用戶的復(fù)雜場景為例（文中相應(yīng)并發(fā)率、用戶訂購率等根據(jù)以往新業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定），需要建設(shè)本地CDN節(jié)點(diǎn)，與省CDN節(jié)點(diǎn)、集約平臺形成三級分發(fā)架構(gòu)，如圖2所示，相關(guān)技術(shù)要求包括。①接入網(wǎng)。VR業(yè)務(wù)占用普通上網(wǎng)通道，優(yōu)選在10G-EPON/XG-PON OLT下開展VR業(yè)務(wù)，在PON口帶寬充足情況下，可暫不限制VR用戶數(shù)。OLT上聯(lián)端口建議2×10GE且OLT下VR用戶≤100個。②城域網(wǎng)。打通城域網(wǎng)核心交換機(jī)CR到CDN POP交換機(jī)，根據(jù)并發(fā)配置要求，提供負(fù)載均衡和冗余保護(hù)。開啟交換機(jī)與服務(wù)器之間的trunk功能，為交換機(jī)提供高帶寬數(shù)據(jù)傳輸保障。③地市POP交換機(jī)與省級POP交換機(jī)專線連接。帶寬訴求包括三部分，包括視頻直播、視頻點(diǎn)播回源省CDN、VR游戲。根據(jù)不同的并發(fā)模型，帶寬訴求計(jì)算方法示例（假設(shè)集約平臺連接省POP交換機(jī)是1 Gb/s直播流量可支持4頻道，VR和點(diǎn)播并發(fā)數(shù)根據(jù)新業(yè)務(wù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定）：1 Gb/s直播+地市VR用戶數(shù)×10%并發(fā)×15%點(diǎn)播回源×90 Mb/s峰值速率+地市VR用戶數(shù)×2%游戲訂購率×5%并發(fā)。④省POP交換機(jī)與集約平臺為保障1 Gb/s直播，采用2×GE專線trunk捆綁接入POP交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載分擔(dān)和冗余備份。省POP交換機(jī)與省游戲渲染平臺，根據(jù)10萬用戶模型，預(yù)估數(shù)據(jù)流量8 Gb/s（80 Mb/s×10萬用戶×2%購買百分比×5%并發(fā)），專線接入方式組trunk連接至POP交換機(jī)，采用2×10GE專線trunk捆綁接入POP交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載分擔(dān)和冗余備份。

圖2 接入網(wǎng)到云平臺組網(wǎng)方案

（2）家庭內(nèi)部WiFi組網(wǎng)方案。為保證家庭內(nèi)VR終端的WiFi速率達(dá)到120 Mb，則入戶接入的帶寬不小于300 Mb/s。VR終端可直接通過方案1家庭網(wǎng)關(guān)自帶WiFI能力或方案2家庭網(wǎng)關(guān)下外接AP路由器的方式提供WiFi承載能力，家庭網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖3 家庭網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在該家庭網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎?，家庭網(wǎng)關(guān)、AP路由器的規(guī)格和WiFi配置需要滿足業(yè)務(wù)質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)要求。其中，家庭網(wǎng)關(guān)的下行AP連接Lan口和AP路由器的上行Wan口應(yīng)支持千兆GE口，且家庭網(wǎng)關(guān)的3層轉(zhuǎn)發(fā)能力＞500 Mb/s（時延不含WIFI平均小于2 ms）。家庭網(wǎng)關(guān)下行（LAN）千兆GE口與新增AP上行（WAN）千兆GE口間通過超五類或六類網(wǎng)線連接，VR終端WiFi連接家庭網(wǎng)關(guān)或AP路由器的可視距離＜5 m，中間無阻擋。家庭網(wǎng)關(guān)和AP路由器的WiFi的承載能力應(yīng)滿足：①WiFi需支持千兆雙頻，支持5G WiFi（11ac及以上），2×2 MIMO（及以上），80 MHz頻寬。②需配置5G專用WiFi承載VR業(yè)務(wù)，不與其他家庭上網(wǎng)業(yè)

3 家庭無線網(wǎng)絡(luò)承載云VR業(yè)務(wù)的應(yīng)力測試

基于以上業(yè)務(wù)質(zhì)量模型和技術(shù)方案，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行了家庭用戶入門級VR業(yè)務(wù)應(yīng)用場景下的驗(yàn)證測試。

3.1 測試環(huán)境

實(shí)驗(yàn)室測試環(huán)境包括測試區(qū)域和干擾區(qū)域。測試區(qū)域用于模擬家庭VR業(yè)務(wù)端到端的網(wǎng)絡(luò)承載環(huán)境，相關(guān)網(wǎng)元包括：VR視頻業(yè)務(wù)接入現(xiàn)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器1，VR游戲業(yè)務(wù)分別接入實(shí)驗(yàn)室同局域網(wǎng)內(nèi)游戲服務(wù)器2和現(xiàn)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器1，且考慮到兩服務(wù)節(jié)點(diǎn)的傳輸距離的差異，在測試過程中網(wǎng)絡(luò)損傷儀的配置上引入了2.5 ms的時延。干擾區(qū)域則用于模擬家庭內(nèi)的WiFi干擾源，采用與承載VR業(yè)務(wù)無線熱點(diǎn)的同頻的WiFi 5G信號，相關(guān)參數(shù)要求包括：10 Mb/s下行速率、1 Mb/s上行速率、-75 dBm信號強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)室VR測試環(huán)境網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ㄒ妶D4）。

圖4 VR測試環(huán)境網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

測試系統(tǒng)主要包括：VR終端、AP路由器、ONT、承載網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、VR視頻/游戲服務(wù)器、網(wǎng)損儀、Chariot服務(wù)器及客戶端分析工具［14-17］，相關(guān)測試工具和配置表（見表4和表5）。

表4 測試工具及資源配置表

表5 網(wǎng)絡(luò)損傷儀參數(shù)配置表

3.2 測試結(jié)論

測試人員在VR測試環(huán)境下對家庭用戶入門級VR業(yè)務(wù)中的VR視頻和VR云游戲兩類業(yè)務(wù)，分別從卡頓、馬賽克、花屏和畫面模糊、有無滯后、移動拖影等關(guān)鍵用戶體驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行測試，得出的測試結(jié)果（見表6）。

表6 主流廠商WiFi5千兆雙頻路由對入門級VR業(yè)務(wù)承載能力的測試結(jié)果

綜上，在單家庭典型入門級場景業(yè)務(wù)承載需求的場景下，通過測試人員現(xiàn)場對兩種業(yè)務(wù)的用戶體驗(yàn)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行測試，得出的結(jié)論是1路視頻和1路游戲業(yè)務(wù)并發(fā)情況下用戶體驗(yàn)良好，進(jìn)而得出業(yè)界主流廠商WiFi 5（1 200 Mb及以上規(guī)格）千兆雙頻路由器均可滿足家庭用戶入門級VR業(yè)務(wù)的承載能力要求。

4 結(jié) 語

2020年是運(yùn)營商云VR的商用元年，大帶寬、低時延的業(yè)務(wù)體驗(yàn)保障則是實(shí)現(xiàn)云VR規(guī)模推廣的重點(diǎn)技術(shù)工作。本文以用戶在舒適體驗(yàn)下操作響應(yīng)時延指標(biāo)應(yīng)在100 ms以內(nèi)為目標(biāo)，研究了主流500 Mb家庭光纖寬帶和WiFi網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，運(yùn)營商在接入網(wǎng)、城域網(wǎng)、邊緣節(jié)點(diǎn)的端到端網(wǎng)絡(luò)部署能力，通過各網(wǎng)元間的時延要求，制定了關(guān)鍵技術(shù)部署方案和組網(wǎng)指標(biāo)模型，并通過該部署方案把端到端時延指標(biāo)實(shí)現(xiàn)到50 ms左右。通過實(shí)驗(yàn)室測試和2020年的商用驗(yàn)證來看，滿足了業(yè)務(wù)發(fā)展初期單個家庭用戶入門級場景的家庭網(wǎng)絡(luò)承載需求，對家庭用戶VR業(yè)務(wù)發(fā)展提供了技術(shù)依據(jù)。未來隨著千兆帶寬的普及，在大規(guī)模并發(fā)、多路VR業(yè)務(wù)復(fù)雜場景的家庭網(wǎng)絡(luò)承載方案和指標(biāo)體系的構(gòu)建方面，還需要通過增加多種維度視角來進(jìn)一步細(xì)化模型，在后續(xù)的技術(shù)方案研究中實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步完善。