對(duì)5G與VR技術(shù)面向垂直行業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)踐研究

郭 帥

（中通服中睿科技有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

在運(yùn)用及發(fā)展虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)的過程中，5G網(wǎng)絡(luò)的新型架構(gòu)及其靈活的服務(wù)能力，具有重要的基礎(chǔ)奠定意義。5G時(shí)代背景下，有效突破傳統(tǒng)的限制問題，5G技術(shù)促使VR產(chǎn)業(yè)向垂直行業(yè)進(jìn)行縱深發(fā)展，增添了新鮮的活力。5G+VR發(fā)展模式使移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商推動(dòng)5G業(yè)務(wù)發(fā)展，整合產(chǎn)業(yè)面臨新的挑戰(zhàn)。

1 5G技術(shù)解決VR難題

VR采取先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，構(gòu)建起三維空間的虛擬世界，提供給用戶多樣化的感官模擬，達(dá)到身臨其境的感受，可以更有效地觀察了解三維空間中的各種事物。VR業(yè)務(wù)屬于大流量業(yè)務(wù)，為了帶給用戶更佳的體驗(yàn)感知效果，就必須要有更高要求標(biāo)準(zhǔn)的端到端的網(wǎng)絡(luò)帶寬和時(shí)延。4G時(shí)代單基站的帶寬最多大概為100 MHz，多用戶應(yīng)用時(shí)不能有效滿足對(duì)VR傳輸需要的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求。同時(shí)4G網(wǎng)絡(luò)為共享網(wǎng)絡(luò)，一條4G互聯(lián)網(wǎng)管道中具有很多的互聯(lián)網(wǎng)流量，會(huì)產(chǎn)生擁塞流量的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致時(shí)延加重。而且4G承載網(wǎng)不能確保流量的低時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)，會(huì)對(duì)體驗(yàn)感知VR應(yīng)用產(chǎn)生明顯的影響，不能符合移動(dòng)VR應(yīng)用的低時(shí)延需求[1-3]。

5G技術(shù)可以有效改善VR網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的難題。目前，5G應(yīng)用場(chǎng)景一共有3個(gè)，即增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶、低功耗大連接以及高可靠低時(shí)延。5G網(wǎng)絡(luò)為良好適應(yīng)5G應(yīng)用場(chǎng)景，引入一些性能指標(biāo)，其中時(shí)延和速率屬于緊密關(guān)聯(lián)于VR應(yīng)用的重要指標(biāo)。5G無線側(cè)中涉及到眾多技術(shù)，主要包括高頻通信、新型多址接入、大規(guī)模天線以及增強(qiáng)調(diào)制等，使得空口性能得到明顯提升。5G核心網(wǎng)中運(yùn)用到新型服務(wù)化架構(gòu)，可以讓用戶面分離開控制面，邊緣化地部署用戶面，減小網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。在5G+VR推廣應(yīng)用于不同行業(yè)的情況下，各種各樣的VR場(chǎng)景在時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)寬帶以及計(jì)算能力等具有不盡相同的要求標(biāo)準(zhǔn)，所以應(yīng)該予以網(wǎng)絡(luò)承載能力更高的細(xì)分要求。細(xì)化期間，主要遵循增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶、低功耗大連接以及高可靠低時(shí)延應(yīng)用場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)切片模式，使得符合多種VR應(yīng)用要求。網(wǎng)絡(luò)切片為采取網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化、軟件定義網(wǎng)絡(luò)，劃分物理網(wǎng)絡(luò)成不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)，各切片表示的是虛擬化通道，具有獨(dú)立性的特點(diǎn)。此外，采取5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)過程中，應(yīng)該加入進(jìn)移動(dòng)邊緣計(jì)算，減少數(shù)據(jù)傳輸以及處理的時(shí)間，減小計(jì)算成本[4-8]。

2 5G+VR統(tǒng)一運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 VR市場(chǎng)規(guī)模

近幾年來，VR虛擬現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)規(guī)模發(fā)展中，全球范圍之內(nèi)超過了7×1010元人民幣，VR整體市場(chǎng)和AR整體市場(chǎng)分別具有6×1010元以上的規(guī)模和超過1×1010元以上的規(guī)模。在2020年，全球虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過了2×1011元，VR市場(chǎng)、AR市場(chǎng)分別達(dá)到1.6×1011元、4.5×1010元。目前，我國(guó)的5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展速度不斷加快，促使VR產(chǎn)業(yè)獲得諸多變革，未來VR行業(yè)具有巨大的市場(chǎng)發(fā)展空間。在2019年的1月份，我國(guó)工信部提出了推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見，中國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)綜合實(shí)力預(yù)計(jì)在2025年會(huì)達(dá)到世界前列。

2.2 系統(tǒng)建設(shè)的需求分析

基于運(yùn)用5G技術(shù)基礎(chǔ)上，用戶應(yīng)用和體驗(yàn)VR的成效更好，行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模加快。但目前我國(guó)VR產(chǎn)業(yè)處于起步的環(huán)節(jié)，在規(guī)模化發(fā)展過程中的主要問題就是缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，所以不易達(dá)到互操作VR應(yīng)用的目標(biāo)。而且原有VR應(yīng)用系統(tǒng)封閉，采取的部署模式較零散化，制作硬件的成本較高，而且VR產(chǎn)業(yè)中的C端客戶中缺少得到VR內(nèi)容資源的入口，B端用戶中并無較強(qiáng)的計(jì)費(fèi)功能及靈活的運(yùn)營(yíng)能力，對(duì)于VR產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展產(chǎn)生一定的阻礙[9,10]。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案

通過分析以上幾方面的內(nèi)容，本方案提出一種建立在5G云網(wǎng)協(xié)同基礎(chǔ)設(shè)施面向垂直行業(yè)設(shè)計(jì)的XR云平臺(tái)整體解決方案。采取先進(jìn)的5G網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)彈性切片，確保符合VR應(yīng)用產(chǎn)生的超高帶寬及低時(shí)延需求。XR云平臺(tái)產(chǎn)生諸多統(tǒng)一運(yùn)營(yíng)能力，建立在云的基礎(chǔ)上，涵蓋了內(nèi)容、終端以及視頻等。平臺(tái)架構(gòu)屬于分布式的，可以滿足各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。平臺(tái)搭建中，涵蓋了用戶層、平臺(tái)層、網(wǎng)絡(luò)層以及終端接入層幾方面。5G+VR云網(wǎng)融合整體系統(tǒng)架構(gòu)方案如圖1所示。

圖1 5G+VR云網(wǎng)融合整體系統(tǒng)架構(gòu)方案

3 賦能垂直行業(yè)應(yīng)用與實(shí)踐

3.1 5G+VR探視應(yīng)用場(chǎng)景

通過運(yùn)用5G大帶寬的特性，同時(shí)采取視頻的拼接推流能力（4K/8K視頻、XR云平臺(tái)），可以讓探視隔離看護(hù)區(qū)具備移動(dòng)化及遠(yuǎn)程化的特點(diǎn)。比如，某醫(yī)院采取5G+VR探視項(xiàng)目向ICU患者提供隔離探視服務(wù)，基礎(chǔ)是XR云平臺(tái)。家屬通過佩戴VR眼鏡觀看了解患者的狀態(tài)，獲得虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，同時(shí)可以經(jīng)手機(jī)進(jìn)行探視，還能夠展開語(yǔ)音交流，具有全景且高清的隔離探視效果。一方面減少了患者和家屬的接觸，避免了交叉感染的問題，另一方面可以有效改善家屬的焦慮心情，促使醫(yī)患關(guān)系和諧發(fā)展。

3.2 5G+VR遺址重現(xiàn)應(yīng)用場(chǎng)景

建立在XR云平臺(tái)的基礎(chǔ)上，井岡山紅色旅游運(yùn)用5G+VR項(xiàng)目展示紅色革命文化、歷史文物以及人文風(fēng)光等。采取先進(jìn)的3D技術(shù)、VR技術(shù)以及AR技術(shù)等進(jìn)行重建，通過充分運(yùn)用5G網(wǎng)絡(luò)高帶寬及低時(shí)延的特性，使游客經(jīng)手機(jī)或者是智能穿戴等體會(huì)到身臨其境的效果。此外，采取5G技術(shù)模擬出遺址現(xiàn)狀和遺址原貌等，使得觀眾具有豐富的感官體驗(yàn)和享受，可以在虛擬空間中獲得對(duì)歷史文化知識(shí)的了解。

3.3 5G+VR雙師課堂應(yīng)用場(chǎng)景

目前，運(yùn)用5G+VR直播課的范圍在擴(kuò)大。比如，學(xué)校的物理科學(xué)探索課建立在5G高速率及低時(shí)延的技術(shù)運(yùn)用中，上課畫面展示在XR云平臺(tái)上面，通過4K/8K全景攝像機(jī)的順暢傳輸，平臺(tái)展開實(shí)時(shí)處理。學(xué)生佩戴VR頭顯從多視角上進(jìn)行觀看，通過遠(yuǎn)端教室的全景畫面，由兩個(gè)教師解答學(xué)生疑問，達(dá)到實(shí)時(shí)教學(xué)聯(lián)動(dòng)的效果。

3.4 5G+VR智慧教室應(yīng)用場(chǎng)景

5G網(wǎng)絡(luò)具有先進(jìn)的數(shù)據(jù)傳輸條件，即大連接、低時(shí)延以及高帶寬，可以跟很多的創(chuàng)新技術(shù)在課堂上進(jìn)行有效融入。XR云平臺(tái)教育行業(yè)架構(gòu)如圖2所示，構(gòu)建起智慧教學(xué)場(chǎng)景，促使教育現(xiàn)代化及信息化。云VR智慧課堂場(chǎng)景向VR終端發(fā)送平臺(tái)內(nèi)容，基于虛擬的多維空間讓學(xué)生深度學(xué)習(xí)、體驗(yàn)，加入到抽象、復(fù)雜化的學(xué)習(xí)場(chǎng)景中。

圖2 XR云平臺(tái)教育行業(yè)架構(gòu)

3.5 新型商業(yè)模式

5G+VR云網(wǎng)融合的云XR平臺(tái)支持跨終端的應(yīng)用，能夠?qū)?0%的VR終端產(chǎn)生支持。經(jīng)此平臺(tái)，引入學(xué)校、醫(yī)院以及終端廠商等，有效打通VR產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈。按照各異的業(yè)務(wù)形式，平臺(tái)適應(yīng)多樣化的商業(yè)模式運(yùn)營(yíng)，應(yīng)用平臺(tái)期間不斷產(chǎn)生迭代，提供的服務(wù)包括云計(jì)算、廣告以及會(huì)員等，達(dá)到共享VR資源的目標(biāo)。

4 結(jié) 論

5G網(wǎng)絡(luò)可以有效助推VR產(chǎn)業(yè)發(fā)展。當(dāng)前全新的5G發(fā)展時(shí)代中，VR市場(chǎng)處于快速發(fā)展的狀態(tài)。移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商需要充分認(rèn)知5G云網(wǎng)資源的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)充分發(fā)揮其運(yùn)用價(jià)值，不斷完善XR云平臺(tái)，做到科學(xué)運(yùn)用。合理整合VR產(chǎn)業(yè)鏈上下游資源，形成先進(jìn)的云VR生態(tài)，進(jìn)而促使VR產(chǎn)業(yè)的發(fā)展朝著規(guī)模化的方向邁進(jìn)，為諸多領(lǐng)域的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。