云化沉浸式業務5G網絡部署方案研究

［唐勇 劉曉軍］

1 引言

國內IMT-2030（6G）推進組發布的《6G 總體愿景與潛在關鍵技術白皮書》，預測未來6G業務將呈現出沉浸化、智慧化、全域化等新發展趨勢。其將沉浸式業務作為6G時代主要的業務需求之一，必將成為未來發展的主要方向。

與此同時隨著國內外社交巨頭的助推，元宇宙的概念空前火爆，其中VR/AR/MR 等（下文統稱XR）因其沉浸式業務屬性、虛實融合等業務特點普遍被認為是元宇宙主要的技術底座之一。

傳統XR，即基于XR/AR 終端本地運行模式，存在終端成本較高、渲染處理能力不足和應用適配難度大等痛點。主要由于XR/AR 終端對海量數據計算及實時性要求高，GPU、CPU 等器件運算壓力大，導致高質量的XR/AR 終端成本過高、硬件復雜高、操控碎片化、設備沉重及發熱嚴重等問題。

為了解決上述問題，降低XR 相關業務門檻，沉浸式業務上云成為主要趨勢，通過基于云端運行模式，能夠具備有效降低終端的運行要求，消除終端硬件本身的差異性，降低沉浸式內容適配難度，提升業務覆蓋范圍等優勢。隨著而來的是對網絡部署的要求提升，需要采用創新的部署方式，提供具有高通道、低時延和高保障等服務質量，以便滿足超高清3D 流化、遠程無縫銜接操控以及幻境夢想空間構建。

本文重點聚焦云化沉浸式業務的的網絡部署技術，下文將分別從云化沉浸式業務特點、網絡部署要求及網絡部署實際案例等方面分別進行闡述。

2 云化沉浸式業務及部署特征

云化沉浸式業務技術是將云計算、云渲染等理念引入到XR 行業場景中，利用云網融合渲染、邊緣計算將云端的顯示輸出和聲音輸出等經過編碼壓縮流化后傳輸到用戶的終端設備，實現XR 業務由本地計算至云側計算的算力轉移。

2.1 業務特征

按照《5G XR 技術與應用》書籍披露有關XR 等云化沉浸式業務，主要包括立體高清代入、遠程平滑操控、幻境空間擴展等屬性等業務特點：

（1）立體高清代入：采用360 度全景、8K 以上高清、10 bit 以上色深，具備接近或超過人眼辨識度的圖像細節，加以虛實融合能夠達到混淆真實與虛擬的界限，使得使用者完全沉浸在一個新的世界中。

（2）遠程平滑操控：沉浸式業務云化，需要兩個層面的遠程交互方式，一是終端針對云端的操控需要近乎無縫銜接，避免出現延遲等情況；一是多用戶間的互動過程中，需要將彼此的操作指令實時同步，避免出現多人交互過程中不穩定等情況，確保整體操控平滑體驗。

（3）幻境空間擴展：幻境空間，是指通過沉浸式體驗能夠無限延伸人類的感官，包括視覺、嗅覺、味覺、觸覺和聽覺等，能夠帶來擴展的想象空間，滿足人類感官能力的延伸。通過幻境空間的擴展，在一定程度上實現“即想即所得”的美好愿望。

上述三大業務特點屬于沉浸式業務基本特征，針對云化沉浸式業務部署角度而言，根據ITU 在研標準《Requirements and reference framework for cloud virtual reality system》披露同時存在終端普適性和管控便利性等特征。

（1）終端普適性：通過沉浸式業務上云，能夠有效降低終端層面的運行壓力，擴大準入終端規模，有效緩解沉浸式專業終端成本較高對業務規模化部署帶來的嚴峻挑戰等問題。

（2）管控便利性：通過云端的統一管控，能夠有效避免基于分散終端運行存在的盜版、盜號和數字財產欺詐等現象，對于統一的知識產權保護具有顯著的提升作用，有利于相關的業務的有序化、可持續增長。

2.2 部署特征

沉浸式業務上云以后，同時也帶來了網絡高通量、傳輸距離遠和云網屬性高等特點，需要采用較為靈活的5G部署。

（1）網絡高通量：為了滿足360度全景、8K以上高清、10 bit以上色深超高清流化數據傳輸，需要接近700 Mbit/s帶寬；24K 以上的超高清，甚至需要8 Gbit/s 帶寬，需要6G 以上網絡方可滿足業務需求。

（2）傳輸距離遠：相比本地化運行的沉浸式業務，上云以后需要增加終端到云端的長距雙向傳輸及不同用戶之間的長距傳輸。針對不同的沉浸式業務類型而言，帶來了各異的挑戰，尤其是針對遠程醫療等相關業務盡量縮短光纖距離將不得不為之的關鍵措施。

（3）云網屬性高：云化沉浸式業務，因其與網絡傳輸緊密相關，無法采用傳統的集中式的數據中心部署模式提供服務，需要基于云網融合數據傳輸、網絡保障和網元算力融合，才能提供相關高質量的服務。

正因為云化沉浸式業務存在上述特征，相比其他業務對于網絡具有更高的要求，需要采用云網融合的部署方式。下文將重點分析云化沉浸式業務5G 網絡部署要求，并針對提出相關的5G 網絡部署方案。

3 云化沉浸式業務5G 部署指標與框架

針對云化沉浸式業務進行5G 網絡部署相關的研究，首選需要明確其5G 網絡相關指標要求，之后根據其相應的指標引申出相關的網絡部署保障。

3.1 網絡指標要求

云化沉浸式業務，當前主要部署業務為云VR，根據文獻2 中所闡述，對應的云VR 相關的網絡指標要求如表1 所示。

表1 云VR 服務質量與網絡要求匯總

同時參考ITU 在研相關的標準，根據文獻3 中所闡述，對應的云VR 相關技術指標要求如表2 所示。

表2 云VR 網絡時延要求

對比和總結上述兩個表，可知作為云化沉浸式業務的云VR 針對網絡傳輸的要求相對其他業務要相對苛刻，尤其是針對帶寬和時延方面而言。帶寬方面，針對24K 階段的服務，5G 網絡也難以達到要求，需要采用6G 等下一代網絡技術實現；時延方面，由于考慮到網絡端到端時延需要控制在20 ms 以內，按照iTU 在研標準指出其傳輸距離要求<600 km，需要采用邊緣部署模式方可滿足業務部署要求。

3.2 網絡部署框架

云化沉浸式業務（圖1 中以云XR 表述），基于5G 網絡環境部署，需要融合5G 網絡、邊緣計算節點、中心云和XR 終端等四大環節，其總體網絡部署架構如圖1 所示。

圖1 云化沉浸式業務網絡部署框架

該功能架構充分考慮云邊協同、云網融合等屬性，兼容邊緣計算就近服務的高帶寬、低時延特性及中心云服務范圍的補充覆蓋，因此邊緣計算節點和中心云需要同時具備支持云XR 業務的運行能力。

（1）5G 網絡

5G 網絡包括接入網、承載/核心網（5GC）兩部分組成。其中接入網需要滿足信號覆蓋、通信容量、網絡接入、基站（gNB）切換、網絡穩定等方面要求。

通過5GC UDP 網元下沉到邊緣數據中心，減少云XR 傳輸鏈路，確保低時延的服務體驗。同時對接5G 網絡切片能力，采用切片資源隔離和差異化 SLA 保障滿足不同云XR 業務的帶寬容量、穩定保障等確定性網絡需求。為了滿足云XR 不同業務需求，5GC 提供靈活的QoS 網絡保障策略以及網絡加速服務等。

（2）邊緣計算節點

依托統一的邊緣計算管控平臺，構建相關的云XR MEC 算力，基于CPU、GPU、存儲等基礎資源，采用容器等虛擬化機制，對接云XR 服務能力，提供就近服務的云XR 虛擬承載、渲染、編解碼、流化處理、CDN、業務交互等功能；同時對接5G 網絡能力，獲得訪問鑒權、路由轉發、負載均衡、限流流控等網絡服務。

其中所提及的邊緣計算節點，包括根據業務部署需求，下沉到地市級的邊緣節點及5G 接入網的現場級邊緣計算節點等多種情況。其中地市級邊緣節點，較為適合ToC 的云XR 游戲、視頻等場景；5G 接入網現場級邊緣計算節點，更加適合ToB 的工業制造、數字演藝、商圈服務等場景。

（3）中心云

中心云具備統一的業務管理、資源調度、應用部署及CDN 等功能；同時需要填補部分區域邊緣計算節點的空缺，需要具備云端渲染、視頻編解碼和流化處理等云XR服務能力。

（4）XR 終端

XR 終端內置云XR APP 等用戶前端，提供云XR 業務服務和網絡能力對接等功能。

其中云XR 業務服務，需要具備視頻解碼、顯示呈現、ATW、操控指令采集/上傳等功能，其中操控相關指令包括操控設備（手柄、鍵鼠、語音/手勢等）相關指令、XR設備姿態感知/運動軌跡（含3DoF 和6DoF）預測等。

網絡能力對接，是指需要與5G 網絡、云邊處理能力對接，具備業務體驗監控和服務保障能力，便于提供網絡切片和網絡保障等功能。

4 云化沉浸式業務5G 部署案例

在云化沉浸式業務實際部署過程中，必須考慮到業務的部署成本和5G 網絡環境完備性等因素。就業務部署成本而言，隨著部署節點下沉到用戶側，在降低了網絡服務時延及大網高通量的承載壓力外，同時帶來了相應的運營和維護成本的上升、覆蓋用戶數量規模較少等限制；就5G 網絡環境完備性而言，主要集中于當前5G 網絡有關邊緣計算、網絡切片等能力還需進一步完善，處于不斷成熟中，短期內無法有效支撐現網的業務部署。

考慮到存在的上述問題，就云化沉浸式業務本身而言，需要首先梳理其所需的不同業務類型的相關需求，采用較為靈活的部署方式以便適應當前的5G 環境情況。

針對面向公眾用戶提供的云化沉浸式業務，例如游戲、視頻等，適度放寬網絡時延屬性，對業務服務總體質量影響相對可控，因此可不必將業務部署在5G 接入網等極度邊緣節點，只需采用中心云+地市級計算中心模式，其中中心云進行統一的服務管控、內容推送和計算中心協同等；地市級計算中心，主要面向其所在省市以及相應周邊省市提供業務服務能力。以云化沉浸式游戲業務為例，其現網實際部署如圖2 所示。

圖2 5G 云化沉浸式游戲業務現網部署圖

圖2所示中心云-南京作為全國管理中心，華北-天津、華東-南京、西北-西安、華南-佛山和西南-成都等分別作為華北片區、華東片區、西北片區、華南片區、西南片區相對應的大區級部署節點，同時為了提升用戶密集型區域的服務質量分別在北京、上海、南京、杭州、貴陽、長沙、重慶和烏魯木齊等地部署補充節點，實現面向除了臺灣之外的全國服務開通和業務覆蓋。

經過實際業務測試，在總體帶寬具有保證的情況下整體時延（包括云端處理、網絡和終端處理）能夠控制在150 ms 以內，其中網絡時延能夠控制在30 ms 內，總體上能夠滿足現網應用需求。

不過針對云化沉浸式業務中，例如工業制造、在線醫療等行業應用，其網絡端到端時延要求需要縮短到個位數，就必須結合5G 網絡接入網邊緣計算，通過園區級的時延敏感組網方案才能滿足業務需求。該種業務還需等待5G網絡相關的環境的完備，方可進行規模化部署。

5 結束語

本文針對性地分析云化沉浸式業務特點，并根據其業務特點延伸出相關的網絡需求和網絡部署框架，最后通過游戲現網部署的實際案例說明在5G 網絡環境尚不完備情況下實施情況和效果；針對需要極速互動和超低時延的云化沉浸式行業應用，還需5G 網絡成熟后，與接入網邊緣計算等云網能力融合，方能提供高質量的服務。