Cloud VR業(yè)務(wù)感知評(píng)估與優(yōu)化

劉宏嘉 趙 偉 谷俊江 王鑫炎

1.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信浙江省分公司；2.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信江蘇省分公司

0 引言

突如其來(lái)的新冠疫情對(duì)人們的工作、學(xué)習(xí)、生活和娛樂(lè)方式都帶來(lái)了巨大的改變，多種辦公、學(xué)習(xí)和生活的移動(dòng)應(yīng)用離不開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的支持，用戶(hù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴(lài)性進(jìn)一步增強(qiáng)，預(yù)計(jì)在接下去的時(shí)間內(nèi)，相關(guān)移動(dòng)業(yè)務(wù)應(yīng)用還將進(jìn)一步蓬勃發(fā)展。VR是一個(gè)業(yè)務(wù)體驗(yàn)處于不斷優(yōu)化中的產(chǎn)品，延遲、分辨率、設(shè)備重是巨大的挑戰(zhàn)，2018年以來(lái)，隨著5G技術(shù)不斷成熟和推廣，大帶寬和邊緣計(jì)算能力使得VR業(yè)務(wù)對(duì)終端（頭盔）的要求得以降低，VR業(yè)務(wù)重新以Cloud VR出現(xiàn)在人們面前。

Cloud VR業(yè)務(wù)體驗(yàn)對(duì)云管端各環(huán)節(jié)要求都非常高。從管道角度來(lái)看， Cloud VR業(yè)務(wù)對(duì)丟包、時(shí)延、帶寬要求非常苛刻，終端、空口、承載、云服務(wù)端路徑長(zhǎng)，當(dāng)前還缺少問(wèn)題定界、定位工具和有效的優(yōu)化保障方案。為了后期做好Cloud VR業(yè)務(wù)感知保障，有必要提前開(kāi)展Cloud VR感知保障的研究。

1 Cloud VR感知指標(biāo)

1.1 VR業(yè)務(wù)簡(jiǎn)介

VR技術(shù)（Virtual Reality），即虛擬現(xiàn)實(shí)，是綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和各種現(xiàn)實(shí)及控制等接口設(shè)備，在計(jì)算機(jī)上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺(jué)的技術(shù)，具有沉浸性、交互性、想象性、多傳感性等特點(diǎn)。由于新冠疫情的影響，影院觀影、傳統(tǒng)旅游的模式極有可能進(jìn)行改變，VR電影、虛擬旅游將有進(jìn)一步的發(fā)展空間。今后可能比較火熱的應(yīng)用包括三方向（見(jiàn)圖1）：

圖1 Cloud VR主要應(yīng)用示例

（1）360全景視頻：典型應(yīng)用有巨幕影院、VR全景視頻；（2）VR全景視頻（FOV）：典型應(yīng)用包括VR音樂(lè)、VR旅游；（3）Cloud VR（異步渲染）：典型應(yīng)用包括VR游戲、VR教育。

1.2 Cloud VR感知保障要求

Cloud VR業(yè)務(wù)端到端技術(shù)趨于成熟，預(yù)計(jì)市場(chǎng)后期發(fā)展迅速，建立Cloud VR的業(yè)務(wù)指標(biāo)監(jiān)控及評(píng)判體系極為關(guān)鍵。

針對(duì)360全景視頻、VR全景視頻（FOV）、Cloud VR（異步渲染）三大主流業(yè)務(wù)感知保障要求進(jìn)行對(duì)比分析，由于Cloud VR應(yīng)用需要用戶(hù)與虛擬場(chǎng)景之間進(jìn)行互動(dòng)，更多地使用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、動(dòng)捕系統(tǒng)、數(shù)據(jù)頭盔等，Cloud VR對(duì)于實(shí)時(shí)交互、異步渲染、對(duì)時(shí)延及丟包敏感（ms級(jí)時(shí)延要求）的要求非常高。

（1）360全景視頻

視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)一般采用TCP傳送方式，影響視頻體驗(yàn)的關(guān)鍵是每用戶(hù)的TCP吞吐量，而網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時(shí)延和丟包率對(duì)TCP吞吐量都會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。VR全景視頻業(yè)務(wù)無(wú)交互的實(shí)時(shí)響應(yīng)需求，多樣的視頻傳輸緩存機(jī)制：如X秒緩存，多TCP傳輸鏈路等，導(dǎo)致最終主要由碼率決定帶寬需求，帶寬是影響緩沖時(shí)延與卡頓的根本，因此，VR視頻業(yè)務(wù)可被認(rèn)為是一種速率敏感型的業(yè)務(wù)。

（2）VR全景視頻（FOV）、Cloud VR（異步渲染）

VR全景視頻（FOV）和Cloud VR（異步渲染）不但對(duì)速率帶寬有要求，也對(duì)交互的實(shí)時(shí)響應(yīng)有要求。體驗(yàn)MTP是終端頭動(dòng)到畫(huà)面顯示時(shí)間，E2E MTP時(shí)延，是指終端發(fā)出某一個(gè)動(dòng)作幀（可提前發(fā)出來(lái)），到該動(dòng)作幀對(duì)應(yīng)的畫(huà)面顯示出來(lái)的全流程時(shí)延，包含終端解碼、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)、服務(wù)器渲染等多個(gè)處理流程時(shí)延。為了縮短體驗(yàn)MTP，一般會(huì)增加終端預(yù)測(cè)功能，開(kāi)展異步渲染。E2E MTP時(shí)延與Cloud VR Game體驗(yàn)的關(guān)系：E2E MTP時(shí)延＜80ms才能保障良好體驗(yàn)。如表1所示。

表1 Cloud VR主流業(yè)務(wù)感知保障要求

1.3 感知保障系統(tǒng)

用戶(hù)感知提升是優(yōu)化工作的終極目標(biāo)，因此Cloud VR的用戶(hù)感知保障體系必須圍繞用戶(hù)感知開(kāi)展。以用戶(hù)感知為總起點(diǎn)，推導(dǎo)影響用戶(hù)感知的網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，建立評(píng)估體系和監(jiān)控體系，具體包括：完成用戶(hù)感知量化，即形成關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)（KQI），實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)方案制定和實(shí)施。建設(shè)感知保障系統(tǒng)的主要思路為“兩個(gè)起點(diǎn)、三個(gè)閉環(huán)”。如圖2所示。

圖2 感知保障系統(tǒng)的主要思路

1.4 KQI指標(biāo)與KPI指標(biāo)的映射

VR業(yè)務(wù)感知是圍繞沉浸感開(kāi)展的，主要有兩個(gè)方面的要求：

（1）視覺(jué)/聽(tīng)覺(jué)：重點(diǎn)關(guān)聯(lián)媒體質(zhì)量（MQI）和呈現(xiàn)質(zhì)量（PQI），主要KQI指標(biāo)包括分辨率、幀率、流暢度（卡頓、停頓、跳幀、花屏），并做到聽(tīng)覺(jué)與視覺(jué)同步。

（2）交互體驗(yàn)：重點(diǎn)關(guān)聯(lián)交互質(zhì)量（IQI），主要KQI指標(biāo)包括運(yùn)動(dòng)與聲音的時(shí)延、運(yùn)動(dòng)與畫(huà)面的時(shí)延、加載時(shí)延、位置精度，并避免眩暈感。

Cloud VR業(yè)務(wù)感知保障中，呈現(xiàn)質(zhì)量（PQI）不但與網(wǎng)絡(luò)能提供的速率性能有關(guān)系，還與丟包性能、時(shí)延性能有關(guān)系；媒體質(zhì)量（MQI）主要與速率性能有關(guān)系；交互質(zhì)量（IQI）與時(shí)延性能有關(guān)系。具體KQI與KPI指標(biāo)映射關(guān)系如圖3所示。

圖3 Cloud VR業(yè)務(wù)KQI與KPI指標(biāo)映射關(guān)系

2 端到端定界方法

2.1 感知指標(biāo)的獲取方法

感知建模分析的前提條件是能夠獲取感知指標(biāo)，根據(jù)目前的情況，業(yè)務(wù)體驗(yàn)建議優(yōu)先選用SDK（軟件開(kāi)發(fā)工具包）上報(bào)KQI指標(biāo)，次選智能管道DPI建模（通過(guò)運(yùn)營(yíng)商數(shù)據(jù)對(duì)感知進(jìn)行模擬推測(cè)）。SDK涉及用戶(hù)隱私問(wèn)題，雖然具有精準(zhǔn)、有效的優(yōu)勢(shì)，但在獲取上存在巨大困難；智能管道DPI建模主要有三種方法：針對(duì)特定VR業(yè)務(wù)的感知建模（基于已有知識(shí)庫(kù)）、針對(duì)特征明顯的VR采用二次識(shí)別方式（內(nèi)容服務(wù)器IP地址+統(tǒng)一資源定位器Url關(guān)鍵字）和針對(duì)加密VR的業(yè)務(wù)特征識(shí)別。

2.2 影響感知的因素

（1）應(yīng)用差異性。不同應(yīng)用對(duì)于視頻的播放下載行為都有很大的差異，例如YouTube的視頻下載沒(méi)有限速行為，但是優(yōu)酷的測(cè)試會(huì)有限速，優(yōu)酷視頻當(dāng)播放器緩存了一定可播放數(shù)據(jù)量后會(huì)減緩視頻的下載。

（2）終端差異性。優(yōu)選內(nèi)存較大的手機(jī)，手機(jī)內(nèi)存會(huì)直接應(yīng)用視頻的接收窗口大小，從而影響視頻的下載速率。

（3）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)。無(wú)線(xiàn)傳輸時(shí)延是視頻下載過(guò)程中端到端RTT的主要時(shí)延組成部分，而空口環(huán)境、帶寬、產(chǎn)品特性都決定的空口的傳輸速率，對(duì)空口的RTT起到了決定性影響。

（4）傳輸承載網(wǎng)。接入傳輸過(guò)程中的丟包、亂序會(huì)導(dǎo)致傳輸時(shí)延的增加，引起TCP層速率的下降，骨干網(wǎng)的路由節(jié)點(diǎn)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致時(shí)延增加，并且會(huì)增加丟包、亂序的傳輸問(wèn)題，進(jìn)一步增加傳輸時(shí)延，卡頓的概率也會(huì)大幅度增加。

（5）核心網(wǎng)。核心網(wǎng)的關(guān)鍵特性：如TCP代理、視頻加速可直接提升TCP層速率，保障視頻體驗(yàn)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加傳輸時(shí)延。

（6）視頻服務(wù)器。視頻服務(wù)器部署地理位置：針對(duì)視頻業(yè)務(wù)測(cè)試，本地服務(wù)器和外地服務(wù)器的時(shí)延一般相差幾十毫秒，如果是海外服務(wù)器則時(shí)延更長(zhǎng)。如果用戶(hù)訪問(wèn)量大，會(huì)導(dǎo)致視頻服務(wù)器的處理時(shí)延長(zhǎng)，導(dǎo)致初緩時(shí)延過(guò)長(zhǎng)。

2.3 定界方法

基于物理探針，采用定界聚類(lèi)分析方法，可以針對(duì)不同業(yè)務(wù)實(shí)施端到端分段定界，并通過(guò)接口以上時(shí)延、接口以下時(shí)延、接口以上大時(shí)延比例、接口以下大時(shí)延比例、服務(wù)器側(cè)丟包率、用戶(hù)側(cè)丟包率等指標(biāo)進(jìn)行聚類(lèi)分析，找到問(wèn)題所在。如圖4所示。

圖4 Cloud VR業(yè)務(wù)云管端結(jié)構(gòu)圖

定界方法如下：①統(tǒng)計(jì)管道側(cè)丟包和時(shí)延進(jìn)行探針采集點(diǎn)接口上下隔離定界；②通過(guò)承載網(wǎng)監(jiān)測(cè)方案隔段定界無(wú)線(xiàn)和核心網(wǎng)之間的承載丟包時(shí)延問(wèn)題；③通過(guò)路測(cè)以及無(wú)線(xiàn)TCP環(huán)回測(cè)試、承載抓包、話(huà)統(tǒng)判斷丟包時(shí)延；④通過(guò)核心網(wǎng)監(jiān)測(cè)方案監(jiān)測(cè)PGW以及到服務(wù)器是否有丟包。

3 VR業(yè)務(wù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化方案

3.1 基礎(chǔ)優(yōu)化

運(yùn)營(yíng)商VR優(yōu)化的重點(diǎn)在于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，主要項(xiàng)目為提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。其中，提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋的手段包括：新建基站、RF優(yōu)化（Missive MIMO權(quán)值優(yōu)化）、天饋整改（更換天線(xiàn)、調(diào)整位置）、功率優(yōu)化、切換/重選/駐留優(yōu)化、互操作優(yōu)化；提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的手段包括：RF優(yōu)化（Missive MIMO權(quán)值優(yōu)化）、天饋整改（更換天線(xiàn)、調(diào)整位置）、功率優(yōu)化、切換/重選/駐留優(yōu)化、互操作優(yōu)化、干擾排查、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容、上行分流。由于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)優(yōu)各種關(guān)鍵指標(biāo)之間存在關(guān)聯(lián)，需要系統(tǒng)性考慮優(yōu)化方案，確保優(yōu)化效益最大化。

3.2 系統(tǒng)性?xún)?yōu)化

除了常規(guī)的優(yōu)化手段外，為了快速提升VR感知，可以采用差異化感知保障方案和專(zhuān)項(xiàng)保障方案。

（1）差異化感知保障方案

利用QOS保障機(jī)制，聯(lián)合SP開(kāi)展VR業(yè)務(wù)定向加速，通過(guò)加速平臺(tái)功能，在VR業(yè)務(wù)啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)業(yè)務(wù)識(shí)別或SP推動(dòng)，為VR用戶(hù)建立專(zhuān)用承載，實(shí)現(xiàn)VR業(yè)務(wù)差異化保障。典型Cloud VR的5QI配置如下：5QI=3，上行GBR=80Mbps，AM模式，PDCP無(wú)限定時(shí)長(zhǎng)，MBR=120Mbps； ARP=1，承載資源搶占能力=enable，承載資源被強(qiáng)占能力=disable。切片技術(shù)成熟后，將對(duì)VR提供定制化的感知保障方案。如圖5所示。

（2）上行預(yù)調(diào)度

一般情況下，基站需要收到UE發(fā)送的SR請(qǐng)求，才能分配上行資源，但在弱覆蓋區(qū)域，由于上行信號(hào)差，UE發(fā)送的SR消息，基站沒(méi)有能夠及時(shí)收到，這樣會(huì)導(dǎo)致基站不會(huì)調(diào)度資源給相關(guān)UE，造成時(shí)延加大。基于5QI的上行預(yù)調(diào)度功能改善這種現(xiàn)象，通過(guò)增加基站主動(dòng)調(diào)度UE的次數(shù)，來(lái)降低上行數(shù)據(jù)包在UE緩存的時(shí)長(zhǎng)，提高響應(yīng)UE業(yè)務(wù)的速度，提升UE的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。即降低上行時(shí)延；提升下行吞吐率：由于上行減少了反饋時(shí)延，下行FTP吞吐率會(huì)有提升，所以當(dāng)打開(kāi)預(yù)調(diào)度時(shí)可以提升用戶(hù)下行吞吐率和下行頻譜效率。如圖6所示。

圖6 上行預(yù)調(diào)度方案

（3）BLER優(yōu)化

誤塊率BLER（block error rate）是指在初傳時(shí)出錯(cuò)的塊在所有發(fā)送塊中的百分比，當(dāng)BLER不超過(guò)設(shè)定值時(shí)，UE將向基站上報(bào)能解碼的最高M(jìn)CS，當(dāng)BLER超過(guò)設(shè)定值時(shí)，通過(guò)重傳來(lái)降低最終的BLER值，但會(huì)引入時(shí)延。降低上行BLER Target（BLER目標(biāo)值），會(huì)降低VR用戶(hù)的上行MCS選階降低，可以減少誤碼和重傳，從而縮短時(shí)延、降低丟包率，但會(huì)犧牲速率。可以根據(jù)覆蓋對(duì)象網(wǎng)絡(luò)環(huán)境分析，采用基于5QI 設(shè)置上下行iBLER。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前浙江聯(lián)通日均實(shí)際VR在線(xiàn)用戶(hù)僅為300個(gè)，說(shuō)明VR應(yīng)用仍處于培育階段。移動(dòng)通信技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展是相輔相成、互相促進(jìn)的，在社交模式逐步變化的情況下，未來(lái)VR將有進(jìn)一步發(fā)展，鑒于其對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求較高，需要不斷探索和研究VR的感知監(jiān)控、分析和問(wèn)題定位、優(yōu)化。