Cloud VR業(yè)務(wù)感知評估與優(yōu)化

劉宏嘉 趙 偉 谷俊江 王鑫炎

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

0 引言

突如其來的新冠疫情對人們的工作、學(xué)習(xí)、生活和娛樂方式都帶來了巨大的改變，多種辦公、學(xué)習(xí)和生活的移動應(yīng)用離不開網(wǎng)絡(luò)的支持，用戶對網(wǎng)絡(luò)的依賴性進一步增強，預(yù)計在接下去的時間內(nèi)，相關(guān)移動業(yè)務(wù)應(yīng)用還將進一步蓬勃發(fā)展。VR是一個業(yè)務(wù)體驗處于不斷優(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，隨著5G技術(shù)不斷成熟和推廣，大帶寬和邊緣計算能力使得VR業(yè)務(wù)對終端（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)體驗對云管端各環(huán)節(jié)要求都非常高。從管道角度來看， Cloud VR業(yè)務(wù)對丟包、時延、帶寬要求非?？量?，終端、空口、承載、云服務(wù)端路徑長，當(dāng)前還缺少問題定界、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，有必要提前開展Cloud VR感知保障的研究。

1 Cloud VR感知指標

1.1 VR業(yè)務(wù)簡介

VR技術(shù)（Virtual Reality），即虛擬現(xiàn)實，是綜合利用計算機圖形系統(tǒng)和各種現(xiàn)實及控制等接口設(shè)備，在計算機上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺的技術(shù)，具有沉浸性、交互性、想象性、多傳感性等特點。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行改變，VR電影、虛擬旅游將有進一步的發(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、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)計市場后期發(fā)展迅速，建立Cloud VR的業(yè)務(wù)指標監(jiān)控及評判體系極為關(guān)鍵。

針對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)感知保障要求進行對比分析，由于Cloud VR應(yīng)用需要用戶與虛擬場景之間進行互動，更多地使用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、動捕系統(tǒng)、數(shù)據(jù)頭盔等，Cloud VR對于實時交互、異步渲染、對時延及丟包敏感（ms級時延要求）的要求非常高。

（1）360全景視頻

視頻點播業(yè)務(wù)一般采用TCP傳送方式，影響視頻體驗的關(guān)鍵是每用戶的TCP吞吐量，而網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時延和丟包率對TCP吞吐量都會產(chǎn)生明顯的影響。VR全景視頻業(yè)務(wù)無交互的實時響應(yīng)需求，多樣的視頻傳輸緩存機制：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，帶寬是影響緩沖時延與卡頓的根本，因此，VR視頻業(yè)務(wù)可被認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）不但對速率帶寬有要求，也對交互的實時響應(yīng)有要求。體驗MTP是終端頭動到畫面顯示時間，E2E MTP時延，是指終端發(fā)出某一個動作幀（可提前發(fā)出來），到該動作幀對應(yīng)的畫面顯示出來的全流程時延，包含終端解碼、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)、服務(wù)器渲染等多個處理流程時延。為了縮短體驗MTP，一般會增加終端預(yù)測功能，開展異步渲染。E2E MTP時延與Cloud VR Game體驗的關(guān)系：E2E MTP時延＜80ms才能保障良好體驗。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)

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

圖2 感知保障系統(tǒng)的主要思路

1.4 KQI指標與KPI指標的映射

VR業(yè)務(wù)感知是圍繞沉浸感開展的，主要有兩個方面的要求：

（1）視覺/聽覺：重點關(guān)聯(lián)媒體質(zhì)量（MQI）和呈現(xiàn)質(zhì)量（PQI），主要KQI指標包括分辨率、幀率、流暢度（卡頓、停頓、跳幀、花屏），并做到聽覺與視覺同步。

（2）交互體驗：重點關(guān)聯(lián)交互質(zhì)量（IQI），主要KQI指標包括運動與聲音的時延、運動與畫面的時延、加載時延、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）與時延性能有關(guān)系。具體KQI與KPI指標映射關(guān)系如圖3所示。

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

2 端到端定界方法

2.1 感知指標的獲取方法

感知建模分析的前提條件是能夠獲取感知指標，根據(jù)目前的情況，業(yè)務(wù)體驗建議優(yōu)先選用SDK（軟件開發(fā)工具包）上報KQI指標，次選智能管道DPI建模（通過運營商數(shù)據(jù)對感知進行模擬推測）。SDK涉及用戶隱私問題，雖然具有精準、有效的優(yōu)勢，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：針對特定VR業(yè)務(wù)的感知建模（基于已有知識庫）、針對特征明顯的VR采用二次識別方式（內(nèi)容服務(wù)器IP地址+統(tǒng)一資源定位器Url關(guān)鍵字）和針對加密VR的業(yè)務(wù)特征識別。

2.2 影響感知的因素

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

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

（3）無線網(wǎng)。無線傳輸時延是視頻下載過程中端到端RTT的主要時延組成部分，而空口環(huán)境、帶寬、產(chǎn)品特性都決定的空口的傳輸速率，對空口的RTT起到了決定性影響。

（4）傳輸承載網(wǎng)。接入傳輸過程中的丟包、亂序會導(dǎo)致傳輸時延的增加，引起TCP層速率的下降，骨干網(wǎng)的路由節(jié)點過多會導(dǎo)致時延增加，并且會增加丟包、亂序的傳輸問題，進一步增加傳輸時延，卡頓的概率也會大幅度增加。

（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，保障視頻體驗組網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加傳輸時延。

（6）視頻服務(wù)器。視頻服務(wù)器部署地理位置：針對視頻業(yè)務(wù)測試，本地服務(wù)器和外地服務(wù)器的時延一般相差幾十毫秒，如果是海外服務(wù)器則時延更長。如果用戶訪問量大，會導(dǎo)致視頻服務(wù)器的處理時延長，導(dǎo)致初緩時延過長。

2.3 定界方法

基于物理探針，采用定界聚類分析方法，可以針對不同業(yè)務(wù)實施端到端分段定界，并通過接口以上時延、接口以下時延、接口以上大時延比例、接口以下大時延比例、服務(wù)器側(cè)丟包率、用戶側(cè)丟包率等指標進行聚類分析，找到問題所在。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)計管道側(cè)丟包和時延進行探針采集點接口上下隔離定界；②通過承載網(wǎng)監(jiān)測方案隔段定界無線和核心網(wǎng)之間的承載丟包時延問題；③通過路測以及無線TCP環(huán)回測試、承載抓包、話統(tǒng)判斷丟包時延；④通過核心網(wǎng)監(jiān)測方案監(jiān)測PGW以及到服務(wù)器是否有丟包。

3 VR業(yè)務(wù)無線網(wǎng)優(yōu)化方案

3.1 基礎(chǔ)優(yōu)化

運營商VR優(yōu)化的重點在于無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，主要項目為提升網(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、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、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)擴容、上行分流。由于無線網(wǎng)優(yōu)各種關(guān)鍵指標之間存在關(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)性優(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項保障方案。

（1）差異化感知保障方案

利用QOS保障機制，聯(lián)合SP開展VR業(yè)務(wù)定向加速，通過加速平臺功能，在VR業(yè)務(wù)啟動時，通過業(yè)務(wù)識別或SP推動，為VR用戶建立專用承載，實現(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無限定時長，MBR=120Mbps； ARP=1，承載資源搶占能力=enable，承載資源被強占能力=disable。切片技術(shù)成熟后，將對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請求，才能分配上行資源，但在弱覆蓋區(qū)域，由于上行信號差，UE發(fā)送的SR消息，基站沒有能夠及時收到，這樣會導(dǎo)致基站不會調(diào)度資源給相關(guān)UE，造成時延加大?；?QI的上行預(yù)調(diào)度功能改善這種現(xiàn)象，通過增加基站主動調(diào)度UE的次數(shù)，來降低上行數(shù)據(jù)包在UE緩存的時長，提高響應(yīng)UE業(yè)務(wù)的速度，提升UE的業(yè)務(wù)體驗。即降低上行時延；提升下行吞吐率：由于上行減少了反饋時延，下行FTP吞吐率會有提升，所以當(dāng)打開預(yù)調(diào)度時可以提升用戶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）是指在初傳時出錯的塊在所有發(fā)送塊中的百分比，當(dāng)BLER不超過設(shè)定值時，UE將向基站上報能解碼的最高MCS，當(dāng)BLER超過設(shè)定值時，通過重傳來降低最終的BLER值，但會引入時延。降低上行BLER Target（BLER目標值），會降低VR用戶的上行MCS選階降低，可以減少誤碼和重傳，從而縮短時延、降低丟包率，但會犧牲速率?？梢愿鶕?jù)覆蓋對象網(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

根據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)前浙江聯(lián)通日均實際VR在線用戶僅為300個，說明VR應(yīng)用仍處于培育階段。移動通信技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展是相輔相成、互相促進的，在社交模式逐步變化的情況下，未來VR將有進一步發(fā)展，鑒于其對網(wǎng)絡(luò)要求較高，需要不斷探索和研究VR的感知監(jiān)控、分析和問題定位、優(yōu)化。