5G-A沉浸式通信新能力推動元宇宙邁向新階段

人們對未來生活的美好愿景驅(qū)動著通信業(yè)務發(fā)展和技術(shù)演進，從1G時代的IP話音，到2G時代的語音通話、文本短信，從3G時代的音視頻通話，到4G時代的移動互聯(lián)網(wǎng)，再到5G時代的萬物互聯(lián)，每一代通信技術(shù)的演進與迭代都給人們的生產(chǎn)生活方式帶來了革命性變化。

隨著超高清視頻渲染能力和終端顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，以及5G-A技術(shù)的日益成熟，通信業(yè)務也向著高沉浸、強交互、多維多模態(tài)的方向演進，進一步實現(xiàn)人與人、人與物的三維動態(tài)感知與交互，激發(fā)了人們對元宇宙等未來生活方式的追求向往，以及一系列超高清沉浸式的業(yè)務應用，例如XR（擴展現(xiàn)實）。

XR作為元宇宙的初級核心載體，隨著5G網(wǎng)絡、AI、邊緣計算、云計算等基礎設施建設不斷完善，內(nèi)容生態(tài)也越來越豐富，給人們的生產(chǎn)生活方式注入全新活力，成為帶動消費升級的重要載體。

1、沉浸式業(yè)務端到端挑戰(zhàn)

XR沉浸式業(yè)務具有高沉浸、強交互、多維多模態(tài)等特征，對于端到端產(chǎn)業(yè)提出了諸多挑戰(zhàn)，涉及頭顯設備、業(yè)務內(nèi)容、網(wǎng)絡傳輸、體驗評估等。

在頭顯設備方面，受限于光學方案和電池等因素，目前頭顯設備仍然較為笨重，影響用戶佩戴的舒適性。VR（虛擬現(xiàn)實）/MR（混合現(xiàn)實）頭顯一般采用菲涅爾透鏡光學方案，成像距離遠、光學元件厚，而新產(chǎn)品逐步采用Pancake（折疊光路）方案，有助于縮短成像距離，并通過電池后置、電池外置等方式將電池移出主機，避免增加主機重量。雖然Pancake方案和電池外置為頭顯設備進行了“瘦身”，但是目前主流頭顯設備的重量仍達到400g~600g，續(xù)航時間僅2至3小時，此外屏幕、高性能芯片功耗較高，需要進一步開展技術(shù)攻關。

在業(yè)務內(nèi)容方面，當前XR的內(nèi)容生態(tài)聚焦于視頻、游戲、社交場景，其他領域內(nèi)容涉及較少。由于制作成本高、周期長，以及XR市場本身規(guī)模不大，大廠仍處于觀望狀態(tài)，導致XR內(nèi)容占比不高，難以激發(fā)消費者購買欲望。

在網(wǎng)絡連接方面，以4K VR業(yè)務為例，在單用戶場景下需要網(wǎng)絡提供百兆bit/s的傳輸速率、穩(wěn)定的20ms網(wǎng)絡傳輸時延以及70ms的MTP（運動響應時延），是典型的兼顧大帶寬和低時延的業(yè)務。此外，大空間XR業(yè)務存在移動性要求，需要基于5G-A技術(shù)保障多用戶并發(fā)場景下流暢的業(yè)務體驗。

在體驗評估方面，對于如何評價XR業(yè)務的用戶體驗，業(yè)界尚未形成客觀、量化的方法，而且不同頭顯、云平臺、網(wǎng)絡廠家的指標統(tǒng)計方法存在差異，難以橫向?qū)Ρ?。因此，業(yè)界迫切需要建立完善的評估標準和指標體系，明確通信網(wǎng)絡指標與影響業(yè)務體驗指標的映射模型和評估標準，統(tǒng)一XR業(yè)務的幀級時延、速率、時延抖動等指標的定義，以及數(shù)據(jù)采集、測量上報和統(tǒng)計方法，用于問題定位定界。

2、5G-A沉浸式通信技術(shù)體系

針對上述挑戰(zhàn)，中國移動基于XR業(yè)務特征，以“信息跨層共享、連接多維增強、感知量化評估”為核心理念，提出毫秒級業(yè)務感知保障技術(shù)、幀級多維連接增強技術(shù)、面向XR沉浸式體驗的5G指標體系等技術(shù)方案，構(gòu)建面向XR業(yè)務的5G-A沉浸式通信技術(shù)體系。

2.1 網(wǎng)業(yè)跨層感知及協(xié)同技術(shù)

針對網(wǎng)絡對業(yè)務信息感知，目前標準方案為業(yè)務服務器通過RTP（實時傳輸協(xié)議）擴展頭攜帶業(yè)務幀級信息并傳遞給核心網(wǎng)UPF（用戶平面功能），再由UPF通過GTP-U（用戶數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議）接口傳遞給RAN（無線接入網(wǎng)）側(cè)。在此基礎上，當業(yè)務服務器不支持業(yè)務信息共享時，基站可啟動業(yè)務幀級特征精細感知方案，結(jié)合基站智能化能力，根據(jù)業(yè)務數(shù)據(jù)的來包特征進行關系識別，獲取業(yè)務的幀周期、幀大小、幀重要性等信息，并針對幀級數(shù)據(jù)進行精細化調(diào)度。與此同時，針對業(yè)務對網(wǎng)絡狀態(tài)的感知，該方案可以基于空口狀態(tài)的業(yè)務自適應調(diào)整技術(shù)，通過將擁塞等網(wǎng)絡狀態(tài)信息開放給應用層，觸發(fā)應用層動態(tài)調(diào)整編碼速率，從而使得應用速率不斷適配網(wǎng)絡狀態(tài)。

2.2 幀級多維連接增強技術(shù)

針對時延、容量、移動性等影響XR用戶體驗的三大關鍵指標，中國移動開展了多維度的連接能力增強，提出幀時延調(diào)度方案（如圖1所示），在調(diào)度算法中引入幀時延約束，依據(jù)數(shù)據(jù)包的幀時延余量調(diào)整調(diào)度優(yōu)化級，保障在約束時間內(nèi)完成一幀所有數(shù)據(jù)包的調(diào)度；還提出幀完整性調(diào)度方案，在多用戶時引入當前傳輸幀的已傳數(shù)據(jù)比例，比例越高，該幀剩余包調(diào)度優(yōu)先級越高；提出基于幀邊界的切換控制方案（如圖2所示），在兩幀傳輸?shù)拈g隔發(fā)起切換，降低切換中斷對一幀完整傳輸?shù)挠绊憽?/p>

2.3 面向XR沉浸式體驗的5G網(wǎng)絡指標體系

針對尚無面向XR業(yè)務的網(wǎng)絡性能評測標準，中國移動提出面向XR業(yè)務體驗的幀級網(wǎng)絡指標體系、測試方法及設備要求，形成幀級網(wǎng)絡KPI指標定義及其統(tǒng)計方法，包含幀級上行/下行網(wǎng)絡傳輸時延、幀級上行/下行空口傳輸時延、幀級上行/下行時延分布、幀級上行/下行時延抖動、幀級切換中斷時延、幀級上行/下行網(wǎng)絡傳輸吞吐率和幀級上行/下行空口傳輸吞吐率等，建立網(wǎng)絡指標與影響業(yè)務體驗指標的映射模型，實現(xiàn)用戶體驗量化感知，并在CCSA（中國通信標準化協(xié)會）中主導推進相關行業(yè)標準項目，引導產(chǎn)業(yè)形成共識。

3、5G-A沉浸式通信應用新范例

為保障關鍵技術(shù)方案可應用可落地，中國移動牽頭完成多種站型的原型樣機開發(fā)，主導開展實驗室及外場測試，面向文體娛樂等應用場景，加速沉浸式業(yè)務5G應用的試點落地，打造應用示范標桿。

在北京工人體育場，中國移動開展了基于5G-A網(wǎng)業(yè)融合新技術(shù)的應用試點，采用新型的云網(wǎng)算一體化部署架構(gòu)，創(chuàng)新應用5G-A基站業(yè)務感知功能、靈活資源管理能力、端邊協(xié)同渲染方案等，實現(xiàn)實時百兆bit/s體驗速率以及低于20ms的幀級網(wǎng)絡傳輸時延，充分滿足了4K分辨率、90fps的沉浸式高交互XR業(yè)務對網(wǎng)絡傳輸能力的需求，使用戶能夠在虛擬空間中流暢體驗足球比賽，為工體觀眾提供基于中國移動5G網(wǎng)絡的元宇宙數(shù)實融合新體驗。

在首鋼高爐科幻樂園，中國移動開展了室內(nèi)超密集沉浸式場景下的XR競技游戲應用試點，基于5G-A網(wǎng)絡提供的大帶寬和低時延能力，以及“免背包”“去線纜”的分離式渲染方案，可同時提供數(shù)十個用戶的實時百兆bit/s的體驗速率和低于10ms的平均空口下行傳輸時延，滿足XR業(yè)務將背包中本地渲染數(shù)據(jù)上移至云端渲染的網(wǎng)絡傳輸需求和“零卡頓”體驗的移動性需求，在1000平方米的空間內(nèi)，用戶可以“輕裝上陣”，體驗更加沉浸的無邊界虛擬世界。

在杭州亞運會期間，中國移動開展了面向杭州亞運會高清沉浸業(yè)務的5G-A新技術(shù)應用，打造VR電競、VR賽事直播、裸眼3D看亞運等新業(yè)務，采用5G業(yè)務特征感知、幀級調(diào)度優(yōu)化、多流精細化保障、精準切換控制等技術(shù)，實現(xiàn)多用戶多業(yè)務并發(fā)場景下20ms業(yè)務幀級無線傳輸時延以及125Mbit/s幀級保障速率，有效保障多種類型高清強交互3D云化業(yè)務的流暢體驗，為觀眾重新定義賽事的“現(xiàn)場”體驗，感受“沉浸、精彩、互動”的元宇宙亞運會。

展望未來，隨著網(wǎng)絡傳輸能力和頭顯終端性能的不斷提升，XR業(yè)務也將進入全面沉浸、虛實融合的時代，業(yè)務與網(wǎng)絡的相互感知、相互協(xié)同、相互融合也將愈加緊密。中國移動將致力于推動5G-A技術(shù)全面發(fā)展，探索5G-A承載元宇宙的技術(shù)路徑，更好地支撐數(shù)字化中國建設，盡全力滿足未來人們對精神生活和物質(zhì)生活的全方位需求。

作者：張弘骉 孔露婷 金晨光 徐婧文 江天明 曹蕾

單位：中國移動研究院無線與終端技術(shù)研究所