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動著通信業(yè)務發(fā)展和技術演進，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時代的移動互聯網，再到5G時代的萬物互聯，每一代通信技術的演進與迭代都給人們的生產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的不斷發(fā)展，以及5G-A技術的日益成熟，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（擴展現實）。

XR作為元宇宙的初級核心載體，隨著5G網絡、AI、邊緣計算、云計算等基礎設施建設不斷完善，內容生態(tài)也越來越豐富，給人們的生產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，對于端到端產業(yè)提出了諸多挑戰(zhàn)，涉及頭顯設備、業(yè)務內容、網絡傳輸、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（虛擬現實）/MR（混合現實）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攻關。

在業(yè)務內容方面，當前XR的內容生態(tài)聚焦于視頻、游戲、社交場景，其他領域內容涉及較少。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內容占比不高，難以激發(fā)消費者購買欲望。

在網絡連接方面，以4K VR業(yè)務為例，在單用戶場景下需要網絡提供百兆bit/s的傳輸速率、穩(wěn)定的20ms網絡傳輸時延以及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、網絡廠家的指標統計方法存在差異，難以橫向對比。因此，業(yè)界迫切需要建立完善的評估標準和指標體系，明確通信網絡指標與影響業(yè)務體驗指標的映射模型和評估標準，統一XR業(yè)務的幀級時延、速率、時延抖動等指標的定義，以及數據采集、測量上報和統計方法，用于問題定位定界。

2、5G-A沉浸式通信技術體系

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、幀級多維連接增強技術、面向XR沉浸式體驗的5G指標體系等技術方案，構建面向XR業(yè)務的5G-A沉浸式通信技術體系。

2.1 網業(yè)跨層感知及協同技術

針對網絡對業(yè)務信息感知，目前標準方案為業(yè)務服務器通過RTP（實時傳輸協議）擴展頭攜帶業(yè)務幀級信息并傳遞給核心網UPF（用戶平面功能），再由UPF通過GTP-U（用戶數據傳輸協議）接口傳遞給RAN（無線接入網）側。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，結合基站智能化能力，根據業(yè)務數據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，并針對幀級數據進行精細化調度。與此同時，針對業(yè)務對網絡狀態(tài)的感知，該方案可以基于空口狀態(tài)的業(yè)務自適應調整技術，通過將擁塞等網絡狀態(tài)信息開放給應用層，觸發(fā)應用層動態(tài)調整編碼速率，從而使得應用速率不斷適配網絡狀態(tài)。

2.2 幀級多維連接增強技術

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，提出幀時延調度方案（如圖1所示），在調度算法中引入幀時延約束，依據數據包的幀時延余量調整調度優(yōu)化級，保障在約束時間內完成一幀所有數據包的調度；還提出幀完整性調度方案，在多用戶時引入當前傳輸幀的已傳數據比例，比例越高，該幀剩余包調度優(yōu)先級越高；提出基于幀邊界的切換控制方案（如圖2所示），在兩幀傳輸的間隔發(fā)起切換，降低切換中斷對一幀完整傳輸的影響。

2.3 面向XR沉浸式體驗的5G網絡指標體系

針對尚無面向XR業(yè)務的網絡性能評測標準，中國移動提出面向XR業(yè)務體驗的幀級網絡指標體系、測試方法及設備要求，形成幀級網絡KPI指標定義及其統計方法，包含幀級上行/下行網絡傳輸時延、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/下行網絡傳輸吞吐率和幀級上行/下行空口傳輸吞吐率等，建立網絡指標與影響業(yè)務體驗指標的映射模型，實現用戶體驗量化感知，并在CCSA（中國通信標準化協會）中主導推進相關行業(yè)標準項目，引導產業(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網業(yè)融合新技術的應用試點，采用新型的云網算一體化部署架構，創(chuàng)新應用5G-A基站業(yè)務感知功能、靈活資源管理能力、端邊協同渲染方案等，實現實時百兆bit/s體驗速率以及低于20ms的幀級網絡傳輸時延，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網絡的元宇宙數實融合新體驗。

在首鋼高爐科幻樂園，中國移動開展了室內超密集沉浸式場景下的XR競技游戲應用試點，基于5G-A網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據上移至云端渲染的網絡傳輸需求和“零卡頓”體驗的移動性需求，在1000平方米的空間內，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、幀級調度優(yōu)化、多流精細化保障、精準切換控制等技術，實現多用戶多業(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)務與網絡的相互感知、相互協同、相互融合也將愈加緊密。中國移動將致力于推動5G-A技術全面發(fā)展，探索5G-A承載元宇宙的技術路徑，更好地支撐數字化中國建設，盡全力滿足未來人們對精神生活和物質生活的全方位需求。

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研究所