5G網絡背景下面向公安沉浸式3D視頻傳輸的應用機制研究

陳雷 李雙雙

[摘 要]文章針對5G無線網絡中傳輸公安沉浸式3D視頻這類大數據量業務帶來的大頻譜資源占用量及高時延問題，構建MBS-SBS雙層網絡多播/單播傳輸架構，研究基于流量卸載的MBS協作多播/SBS單播聯合傳輸方案，以及基于DIBR的視角差異化緩存-計算卸載策略，探討雙層網絡架構下的3D視頻傳輸的應用機制，進而提升用戶體驗質量。

[關鍵詞]5G網絡;公安;3D視頻;應用機制

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2021.26.118

5G通信技術向超高可靠性、超低時延、移動增強寬帶的數據傳輸目標不斷邁進，為沉浸式體驗的發展提供了技術支持。以華為、高通及電信運營商為代表的公司，自2017年以來，相繼提出對無線網絡虛擬現實/增強現實（VR/AR）應用的設想，為沉浸式體驗融入日常生活提供了指導方向。不難看出，沉浸式數據體驗具有廣闊的應用前景。例如應用到公安實戰化教學中，可以通過VR技術建立“一對一”個性化實景教學模式、實現多警種聯合模擬作戰等。通過VR技術特點，可以根據公安實戰環境設計出不同的案發場所，例如室內的刑事案件、道路上的交通事故、公共場所的群體性事件等?；?G網絡的VR/AR技術應用于公安實戰化教學，可以克服傳統實戰化教學中場地、人員、設備和教學內容不斷更新的限制。

1 公安沉浸式3D視頻無線傳輸面臨的問題

在公安實戰化教學中，利用VR技術和AR技術，由沉浸式體驗帶來的視覺盛宴，離不開3D-Video的可靠傳輸。3D-Video數據的有線傳輸技術已有了長足的發展，但在推動快速普及的無線傳輸方面，其對網絡資源要求較高。行業報告顯示：具備沉浸式體驗的下一代3D-Video寬帶需求量高達600Mbps，而時延則要求不高于20ms。有限的無線網絡資源承載目前業務量已十分龐大，未來沉浸式體驗帶來的巨大3D-Video業務量，更加重了有限網絡資源的數據傳輸壓力。

與此同時，基于深度圖像的渲染技術（DIBR）在低清晰度全視角碼流傳輸過程中，從縮小全視角必備視角量的角度，減少3D-Video的頻譜資源占用，基于DIBR的3D-Video多播傳輸方案可緩解無線傳輸壓力。但隨著3D-Video業務需求的不斷增長，低清晰度全視角碼流需占用時頻資源總量依然較大，這將成為未來無線通信不得不面臨的一大挑戰，因此，即便是基于DIBR的低清晰度全視角碼流單播傳輸也仍需直面頻譜資源受限帶來的挑戰。并且多用戶請求相同3D-Video業務數據時，即便用戶身處相同的視覺環境下，但由人眼視物機理可知，環境映入、聚焦視物的視覺特點導致各用戶捕捉到的特定興趣可視區域不同，且清晰度要求高。當多用戶同時沉浸相同的視覺環境時，高質量可視區域個性化數據傳輸需求差異明顯、變化迅速、偶發性強。尤其對于覆蓋范圍廣的MBS而言，可接入用戶數多，在承擔3D-Video背景數據傳輸的前提下，不同高質量、高偶發、變化快的可視區域數據的同時請求將會給MBS帶來巨大的傳輸負擔。

2 解決沉浸式3D視頻傳輸的雙層網絡傳輸方案

考慮到3D-Video視覺獲取過程中，通常僅關注當前視野部分，當前視野之外的部分并沒有真正用到。采用低清晰度全視角加高清晰度主視角的碼流傳輸過程可以減少無線資源占用。以華為公司提出的低質量全視角加高質量可視區域傳輸方案為代表，Tile Wise方案根據用戶的視覺特點，提取了3D-Video不同清晰度數據傳輸需要，低質量全視角加高質量可視區域，為進一步減小頻譜資源占用、降低服務時延的研究指明了方向。

受3D-Video業務中高清晰度主視請求頻發/偶發性，以及其高數據量、需求量的影響，鏈路負載量依然較大，給單層網絡造成了巨大的傳輸壓力，而由鏈路大負載量引發的擁塞問題也是具有低時延要求的3D-Video不能容忍的。因此在由宏小區/小小區組成的密集異構網絡這一未來主流網絡結構中，對3D-Video的數據傳輸進行研究，可大大降低運營成本、提高蜂窩網絡吞吐量。

3D-Video的宏基站/小基站（MBS/SBS）雙層網絡架構可以充分利用SBS覆蓋區域小、組網密集的特點，在MBS滿足標清全視角數據大請求量傳輸的同時，結合SBS覆蓋特點：覆蓋范圍小、覆蓋用戶數少、收發端較小的路徑損耗帶來的信號增益明顯且SBS部署密度大，使用戶頻發/偶發的高清主視角數據請求接入SBS，便可靈活高效地分流鏈路負載，減小擁塞概率，滿足3D-Video業務低時延、高數據量傳輸要求。

3 3D視頻的MBS/SBS雙層網絡多播/單播傳輸架構

根據人眼聚焦視物、環境映入特點，針對3D-Video大數據帶來的無線鏈路傳輸壓力，利用MBS覆蓋范圍廣、服務用戶多，而 SBS覆蓋區域小、服務用戶少、部署密集的互補性，分析MBS、SBS覆蓋范圍內用戶數據請求分布，提出一種雙層網絡架構下的3D-Video數據分發機制：在MBS滿足標清全視角（SDFVs）數據大請求量傳輸的同時，使用戶頻發/偶發的高清主視角 （HDPV）數據請求接入SBS，設計多播/單播聯合傳輸方案，實現SDFVs及HDPV的數據傳輸。

雙層網絡架構下的3D-Video數據分發過程中，通過MBS協作多播傳輸用戶視野范圍內的SDFVs背景數據，通過SBS單播傳輸用戶可視區域的HDPV目標數據。首先，考慮到在MBS下的SDFVs被多用戶請求概率大，兼顧到多播組用戶的差異化信道條件，采用多播傳輸方式使得同一頻譜資源同時滿足多用戶對3D-Video較低清晰度背景數據的請求。其次，由于用戶同時存在不同的HDPV請求，且SBS下被單用戶請求概率高，被多用戶請求概率低，采用SBS單播傳輸方式，利用用戶與SBS之間信道的小路徑損耗特性，滿足單用戶對可視區域的高清目標數據請求。最后，在MBS-SBS雙層網絡架構下，以優化3D-Video數據傳輸時延為目標，實現無線異構頻譜資源的合理調度，從而靈活高效地分流鏈路負載，減小擁塞概率，提高頻譜利用率，達到3D-Video業務低時延、高速率傳輸要求。