光纖寬帶的云VR業務家庭無線網絡承載方案研究

孫 凱

（上海城建職業學院科技處，上海201415）

0 引 言

隨著國家新基建戰略的實施，近2年運營商把5G和光纖寬帶雙千兆作為通信基礎設施建設的重點［1-3］。同時云計算、AI、終端智能化等新技術為信息化應用帶來了顛覆性的變革和發展機會。以VR為代表的xR業務成為產業鏈搶先進行商業探索的新興業務，比如5G商用領先的韓國運營商LG U+和SK，積極嘗試通過VR商用業務尋求5G網絡的變現，國內運營商則在2019年推出5G云VR業務［4］，探索面向個人和家庭的應用場景。業界VR業務主要分為本地VR和云VR兩種［5］。本地VR通過高性能終端實現圖像渲染，但存在終端價格昂貴，舒適性欠佳，且內容分散在多個廠商處，難以有效共享和運營的問題。運營商主推的云VR業務，借助運營商高速的網絡和強大的省級邊緣計算能力，實現內容、渲染的云化，大幅降低用戶側終端成本和輕量化體驗，同時在內容、生態方面聯合產業鏈合作伙伴協同發力、共同培育。為了讓云VR能夠達到與本地VR相同的體驗，運營商把時延和無線傳輸作為影響VR業務的關鍵挑戰和問題，并從以下兩方面開展技術方案研究和驗證。①研究VR業務端到端網絡承載方案［6］，提升平臺、承載網、邊緣節點、家庭無線網絡的承載能力，滿足大帶寬、低時延需求；②考慮5G網絡部署尚在完善中，運營商近期仍以基于光纖的家庭WiFi網絡作為云VR的承載基礎，因此需要研究家庭內高性能WiFi技術，解決終端在家庭內WiFi干擾、信號衰減等連接技術問題［7-8］。

本文重點研究運營商基于光纖寬帶開展家庭WiFi承載VR業務的網絡承載需求模型，并基于模型進行了平臺、承載網、家庭網絡的關鍵技術方案研究和驗證。

1 家庭無線網絡承載云VR業務需求

1.1 業務現狀

隨著VR終端智能化與VR內容的豐富，運營商云VR業務在2C2H場景方面進行了積極的探索。根據2019年7月觀研天下發布的《2019年中國虛擬現實（VR）行業分析報告》報告中的消費者需求洞察數據發現，消費者對VR內容與應用的需求偏好為巨幕電影80.1%、全景視頻76.8%、全景漫游36.4%、全景圖片28.8%、VR游戲27.9%［4］。

針對家庭用戶的特點，運營商目前主要開展的VR業務分為兩大類：① 弱互動類，如直播、點播等。②強互動類，如游戲、教育等。具體業務場景見表1。

從表1可以看到，目前VR業務重點以直播、游戲等視頻流承載為主，為了更好的用戶體驗，需要對各種業務場景下的家庭網絡承載能力進行業務質量方案制定和評測。

表1 家庭VR業務場景

1.2 業務質量需求

VR業務質量涉及端到端的質量保障，包括網絡傳輸、平臺視頻渲染與編碼、終端解碼和WiFi連接等環節。綜合國內光纖帶寬、平臺云化、終端性能、用戶體驗等指標，參考中國通信標準化協會2018年發布的《云化虛擬現實總體技術研究白皮書》中VR業務分為初級沉浸（起步階段）、部分沉浸（舒適體驗）、深度沉浸（進階體驗）、完全沉浸（極致體驗）4個階段［9］，國內現在處于部分沉浸階段（家庭帶寬區間100～300MB），用戶在舒適體驗下操作響應時延指標應在100 ms以內（參見《云化虛擬現實總體技術研究白皮書》）。在實際業務測試中，為給用戶提供更好的業務體驗，運營商將寬帶入戶側到云平臺的網絡端到端承載RTT時延目標控制在平均30ms，而家庭內AP的WiFi能力在一定干擾下，需要將時延控制在10 ms。

考慮到運營商目前重點發展500 MB和千兆帶寬業務，且家庭中同時要承載IPTV、上網等業務，因此本文中的方案將基于主流500 MB帶寬部分沉浸體驗的業務質量要求進行研究和驗證測試。根據目前家庭VR業務場景，本文根據4 K/8 K和2D/3D兩個維度，對VR視頻和游戲單業務的網絡承載要求進行了定義［10］，如表2所示。

表2 單業務網絡承載質量需求

家庭用戶在實際選擇VR業務組合時，可分為入門級場景、中級業務場景和高級業務場景，不同的業務場景也會對承載網和家庭WiFi能力指標有不同的需求，如表3所示。考慮到目前業務發展處于探索階段，本文的研究將基于單個家庭用戶開通一路8K 2D視頻和一路3K游戲為典型入門級場景，進行業務質量的技術方案研究和測試。

表3 單家庭用戶場景業務質量需求指標

2 家庭無線網絡承載云VR業務質量模型及關鍵技術方案

本文對運營商云VR涉及的相關網元的網絡承載能力進行業務質量模型構建，并針對現網實際部署中的關鍵技術問題進行分析和方案制定［11-13］。

2.1 家庭無線網絡承載業務質量模型

運營商云VR業務質量涉及的相關網元，包括家庭WiFi網絡、寬帶接入網（包括ONT和OLT）、城域網、云平臺（包括集約平臺和邊緣內容節點），如圖1所示。

圖1 業務質量涉及網元

由圖1所示，業務質量模型的主要影響因素包括關鍵質量指標體系及相應的網絡承載方案，業務質量模型公式如下：Qoe=f（｛Qs，Qi，Qv｝，Qt）。其中（Qs，Qi，Qv）分別代表影響業務質量的帶寬、時延、時延、丟包指標。Qt是基于該指標體系的網絡承載方案。相關指標描述如下（指標數據基于實驗室測試經驗數據）：

Qs是保障端到端的網絡帶寬指標，包括家庭內AP WiFi連接帶寬，家庭入戶接入帶寬（入戶ONT到BRAS）和接入網到云平臺的帶寬保障三部分。根據帶寬保障要求，滿足單個家庭用戶開通一路8K 2D視頻（80 Mb/s）和一路3K游戲（40 Mb/s）家庭帶寬需求，家庭內AP WiFi連接帶寬需＞120 Mb/s；家庭入戶接入帶寬需＞300 Mb/s（考慮接入帶寬實際速率）；接入網到云平臺（含邊緣節點和集約平臺）的帶寬測算依據為120 Mb/s×VR用戶數×并發率（根據實際網絡容量配置）。

Qi是保障用戶體驗無卡頓的平均時延指標（RTT）。家庭內APWiFi連接平均RTT需＜10 ms，抖動（影響用戶眩暈感指標）RTT＞20 ms的概率低于1%；從接入網到云平臺的平均RTT＜10 ms，最大RTT＜30 ms。

Qv是影響音視頻失真、間斷、噪音的丟包率指標，VR業務端到端丟包率需＜10-5。

Qt是基于業務質量指標設計的網絡承載方案，包括家庭內WiFi網絡、接入網、城域網、云平臺的組網方案。在設計網絡承載方案時，需要根據用戶發展數量，來評估分省建設邊緣節點和分地市建設邊緣節點的技術可行性。在圖1中可以看到，為用戶提供實際VR

視頻和游戲內容的平臺部署在邊緣節點，集約平臺只負責用戶認證和內容資源統一管理，因此端到端的業務質量只考慮用戶到邊緣節點部分。

2.2 關鍵技術方案

影響業務質量的網絡承載模型可以分為兩部分，一部分是家庭內部的WiFi連接時延控制在10 ms，一部分是從接入網（家庭入戶寬帶）到云平臺的網絡時延控制在20～30 ms。下面分別針對這兩部分進行關鍵技術方案的分析和建議。

（1）從接入網（家庭入戶寬帶）到云平臺的組網方案。在業務初期VR用戶較少的情況下，可以直接建設省級的邊緣節點，包含視頻CDN和游戲渲染節點，為本地用戶提供VR視頻和游戲業務，直播業務直接通過集約平臺提供。現以業務規模發展到10萬用戶的復雜場景為例（文中相應并發率、用戶訂購率等根據以往新業務發展經驗值設定），需要建設本地CDN節點，與省CDN節點、集約平臺形成三級分發架構，如圖2所示，相關技術要求包括。①接入網。VR業務占用普通上網通道，優選在10G-EPON/XG-PON OLT下開展VR業務，在PON口帶寬充足情況下，可暫不限制VR用戶數。OLT上聯端口建議2×10GE且OLT下VR用戶≤100個。②城域網。打通城域網核心交換機CR到CDN POP交換機，根據并發配置要求，提供負載均衡和冗余保護。開啟交換機與服務器之間的trunk功能，為交換機提供高帶寬數據傳輸保障。③地市POP交換機與省級POP交換機專線連接。帶寬訴求包括三部分，包括視頻直播、視頻點播回源省CDN、VR游戲。根據不同的并發模型，帶寬訴求計算方法示例（假設集約平臺連接省POP交換機是1 Gb/s直播流量可支持4頻道，VR和點播并發數根據新業務經驗值設定）：1 Gb/s直播+地市VR用戶數×10%并發×15%點播回源×90 Mb/s峰值速率+地市VR用戶數×2%游戲訂購率×5%并發。④省POP交換機與集約平臺為保障1 Gb/s直播，采用2×GE專線trunk捆綁接入POP交換機，實現負載分擔和冗余備份。省POP交換機與省游戲渲染平臺，根據10萬用戶模型，預估數據流量8 Gb/s（80 Mb/s×10萬用戶×2%購買百分比×5%并發），專線接入方式組trunk連接至POP交換機，采用2×10GE專線trunk捆綁接入POP交換機，實現負載分擔和冗余備份。

圖2 接入網到云平臺組網方案

（2）家庭內部WiFi組網方案。為保證家庭內VR終端的WiFi速率達到120 Mb，則入戶接入的帶寬不小于300 Mb/s。VR終端可直接通過方案1家庭網關自帶WiFI能力或方案2家庭網關下外接AP路由器的方式提供WiFi承載能力，家庭網絡拓撲圖如圖3所示。

圖3 家庭網絡拓撲結構

在該家庭網絡拓撲下，家庭網關、AP路由器的規格和WiFi配置需要滿足業務質量相關指標要求。其中，家庭網關的下行AP連接Lan口和AP路由器的上行Wan口應支持千兆GE口，且家庭網關的3層轉發能力＞500 Mb/s（時延不含WIFI平均小于2 ms）。家庭網關下行（LAN）千兆GE口與新增AP上行（WAN）千兆GE口間通過超五類或六類網線連接，VR終端WiFi連接家庭網關或AP路由器的可視距離＜5 m，中間無阻擋。家庭網關和AP路由器的WiFi的承載能力應滿足：①WiFi需支持千兆雙頻，支持5G WiFi（11ac及以上），2×2 MIMO（及以上），80 MHz頻寬。②需配置5G專用WiFi承載VR業務，不與其他家庭上網業

3 家庭無線網絡承載云VR業務的應力測試

基于以上業務質量模型和技術方案，在實驗室環境中進行了家庭用戶入門級VR業務應用場景下的驗證測試。

3.1 測試環境

實驗室測試環境包括測試區域和干擾區域。測試區域用于模擬家庭VR業務端到端的網絡承載環境，相關網元包括：VR視頻業務接入現網實驗節點服務器1，VR游戲業務分別接入實驗室同局域網內游戲服務器2和現網實驗節點服務器1，且考慮到兩服務節點的傳輸距離的差異，在測試過程中網絡損傷儀的配置上引入了2.5 ms的時延。干擾區域則用于模擬家庭內的WiFi干擾源，采用與承載VR業務無線熱點的同頻的WiFi 5G信號，相關參數要求包括：10 Mb/s下行速率、1 Mb/s上行速率、-75 dBm信號強度。實驗室VR測試環境網絡拓撲（見圖4）。

圖4 VR測試環境網絡拓撲結構

測試系統主要包括：VR終端、AP路由器、ONT、承載網絡交換機、VR視頻/游戲服務器、網損儀、Chariot服務器及客戶端分析工具［14-17］，相關測試工具和配置表（見表4和表5）。

表4 測試工具及資源配置表

表5 網絡損傷儀參數配置表

3.2 測試結論

測試人員在VR測試環境下對家庭用戶入門級VR業務中的VR視頻和VR云游戲兩類業務，分別從卡頓、馬賽克、花屏和畫面模糊、有無滯后、移動拖影等關鍵用戶體驗指標進行測試，得出的測試結果（見表6）。

表6 主流廠商WiFi5千兆雙頻路由對入門級VR業務承載能力的測試結果

綜上，在單家庭典型入門級場景業務承載需求的場景下，通過測試人員現場對兩種業務的用戶體驗關鍵指標進行測試，得出的結論是1路視頻和1路游戲業務并發情況下用戶體驗良好，進而得出業界主流廠商WiFi 5（1 200 Mb及以上規格）千兆雙頻路由器均可滿足家庭用戶入門級VR業務的承載能力要求。

4 結 語

2020年是運營商云VR的商用元年，大帶寬、低時延的業務體驗保障則是實現云VR規模推廣的重點技術工作。本文以用戶在舒適體驗下操作響應時延指標應在100 ms以內為目標，研究了主流500 Mb家庭光纖寬帶和WiFi網絡環境下，運營商在接入網、城域網、邊緣節點的端到端網絡部署能力，通過各網元間的時延要求，制定了關鍵技術部署方案和組網指標模型，并通過該部署方案把端到端時延指標實現到50 ms左右。通過實驗室測試和2020年的商用驗證來看，滿足了業務發展初期單個家庭用戶入門級場景的家庭網絡承載需求，對家庭用戶VR業務發展提供了技術依據。未來隨著千兆帶寬的普及，在大規模并發、多路VR業務復雜場景的家庭網絡承載方案和指標體系的構建方面，還需要通過增加多種維度視角來進一步細化模型，在后續的技術方案研究中實現進一步完善。