5GXR及多媒體增強技術分析

史曉楠，熊春山，倪慧，王丹

5GXR及多媒體增強技術分析

史曉楠1，熊春山2，倪慧3，王丹1

（1. 中國移動通信有限公司研究院，北京 100053；2. 中信科移動通信技術股份有限公司，北京 100083；3. 華為技術有限公司，北京 100085）

5G XR（extended reality，擴展現實）及多媒體增強是5G-Advanced網絡中非常重要的業務場景，隨著用戶對新興的新媒體服務的需求逐漸增長，網絡需要針對XR等多媒體業務做出相應的增強。主要介紹了XR及增強多媒體的主要業務場景，包括沉浸式虛擬現實、增強現實、基于混合現實的遠程遙控技術、虛擬工廠、遠程無人機控制等。針對XR的典型業務場景，在已有的國際標準對XR技術的研究和支持的基礎上，針對5G XR及多媒體增強，仍然需要在QoS機制設計、網絡和應用的相互感知和傳輸協同、大規模XR業務流的同步傳輸以及節能等方面進行針對性設計，從而實現5G網絡對XR及多媒體增強業務更好的支持。

XR；多媒體增強；多流協同；5G架構增強

0 引言

擴展現實（extended reality，XR）是指通過計算機技術和可穿戴設備產生的一個真實與虛擬結合、可人機交互的環境。當前的XR產業發展形式以虛擬現實（virtual reality，VR）和增強現實（augmented reality，AR）為主。VR在20世紀60年代初首次被提出，指借助計算機系統及傳感器技術生成一個三維環境，創造一種嶄新的人機交互狀態，通過調動用戶所有的感官（視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等），帶來更加真實的、身臨其境的體驗。AR指生成現實中不存在的物體并與現實世界融合在一起的圖像，并與其交互，通過投射裝置，將手機或電腦上的影像投影到其他介質上。

近年來，XR技術得到較快的發展，并被認為是元宇宙初級階段的關鍵技術，吸引國內外科技巨頭紛紛入場。2021 年 10 月，Facebook 正式更名為“Meta”，通過前期不斷收購VR硬件和內容公司，積累了豐富的VR/AR內容和技術，在消費級場景深入布局；早在 2010 年，微軟就進行了 AR 領域的探索，目前在 AR 硬件市場份額全球領先，并通過不斷豐富XR內容和硬件設備，在企業元宇宙和游戲方面已經擁有先發優勢；作為底層技術核心供應商，英偉達創建元宇宙數字化虛擬空間的技術平臺底座，技術平臺目前已廣泛應用在傳媒娛樂、自動駕駛、工業機器人等六大領域。國內互聯網巨頭，如騰訊、阿里巴巴、字節跳動和百度等，雖在硬件和底層技術端相較國外優勢不足，但也積極在AR、VR、數字人這些領域進行布局，在元宇宙內容和用戶側的優勢不斷顯現[1]。

在近期舉行的北京冬奧會上，XR技術更是成為助力高科技體育的關鍵技術，在賽事中得到了廣泛應用。如針對專業運動員的訓練，通過VR訓練模擬器，為運動員模擬鋼架雪山訓練系統、越野滑雪訓練系統等，提高運動員訓練的真實感受。在場館內通過VR技術為運動員、觀眾和工作人員帶來了基于三維空間重建技術的虛擬導覽系統，從而為他們提供場景展示、設施說明、自助導覽等服務。

雖然VR/AR技術在過去10年得到了長足發展，內容場景不斷豐富，但是當前仍然存在一些技術瓶頸，主要集中在GPU的運算能力、屏幕的分辨率、刷新速率、視角、時延、傳感器等方面。其中，最關鍵也是最直觀影響體驗的當屬分辨率、刷新速率與時延。分辨率越高，畫面質量越好，需要傳輸的數據就越多；刷新率越高，畫面更靈動和舒適，傳輸壓力也更大；時延越低（MTP（motion to photons）需低于20 ms），人眼感覺更舒服，交互性更好，但對系統穩定性要求更高。基于云平臺渲染的XR業務，通過將計算能力和能耗更高的渲染功能部署在云平臺上，使得終端側可以聚焦在顯示和用戶交互等功能上，從而在有效提升用戶體驗的同時，降低用戶側設備能力的復雜性。

基于云平臺渲染的XR業務將成為未來XR業務的重要實現方式。但這一實現方式也提出了對網絡傳輸帶寬、時延和可靠性的嚴苛需求。

隨著無線通信技術的發展，3GPP在2015年啟動了第五代移動通信技術的標準研究工作，其中，支持XR業務成為5G系統設計的關鍵場景之一。根據ITU對5G的指標要求，其最大帶寬可達到10 Gbit/s，最低極致時延為1 ms，被認為是解決XR業務極致傳輸要求的有效通信手段。結合近年不斷成熟的云計算、邊緣計算等技術，XR業務有望將復雜的處理渲染功能在云端實現，進一步降低終端能力要求，依靠5G的極致傳輸，實現實時交互。

從3GPP Release 15（Rel-15）開始，5G基礎網絡架構設計完成了，到3GPP Rel-16支持URLLC和mMTC，5G能力逐步豐富，再到3GPP Rel-17，5G面向工業互聯網、支持以太數據的確定性傳輸。但是，對于XR業務的承載，5G系統處于采用一套QoS流機制對音/視頻頻流、觸覺信號流、傳感器信號進行傳輸，并沒有考慮各種XR流的特征以及業務屬性，導致5G無法支持大密度XR業務接入情況下的一致性體驗。此外，XR終端的能耗成為限制其商業應用的一個關鍵，如何降低終端功耗、延長待機時間，也成為5G需要研究的重要方向。

1 5G XR及多媒體增強的主要用例及場景

1.1 沉浸式虛擬現實

VR通過構建 3D 虛擬環境，使用戶在佩戴VR眼鏡的情況下可以看到在虛擬空間中與物體進行交互的場景，從而創造身臨其境的體驗。通常VR體驗的數據類型涉及視頻和音頻，然而，為了獲得更好的沉浸式體驗，有些VR設備會提供更多維度的感知方式（例如觸覺、嗅覺等）。VR設備以及VR應用為用戶創建虛擬環境的真實程度，體現在其讓用戶達到的沉浸程度，由于人類感官非常的敏銳，虛擬環境下一些非常細微的問題都會被發現，從而影響VR體驗。沉浸式虛擬現實應用可廣泛應用于游戲、教育、培訓等多個領域[2]。

1.2 增強現實

AR可以提供在真實場景中形成虛擬物品的能力，使用戶可以通過AR眼鏡、頭盔、手機等看到虛擬物體，從而提供特殊的用戶體驗。通過掃描房間并在空間中定位，物理物品可以通過虛擬貼片呈現在遠程AR設備中。這樣，遠端用戶就可以在AR設備中體驗虛擬物品在實際場景中的出現。在這個過程中，需要在本地和遠程進行空間掃描和初始定位，同時在兩端傳輸音視頻數據，提供基于手勢、觸摸或鍵盤輸入的交互體驗。

1.3 基于混合現實的遠程遙控技術

混合現實（mixed reality，MR）技術是虛擬現實技術的進一步發展，通過在現實場景呈現虛擬場景信息，在現實世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路，以增強用戶體驗的真實感。在一些特殊場景中，當不適合人類活動或者希望提供遠端操作時，可以通過混合現實技術遙控機器人進行操作[3]。通過現場視頻、音頻、觸覺等多路信號反饋并在視覺上疊加真實場景而呈現，遙控機器人的操作人員會根據情況作出適當的反應，使遙控機器人完成相應的動作行為。遙控機器人的應用場景非常豐富，包括遠程養老、遠程引爆、遠程操作、設施遠程維護、遠程消防等。

1.4 虛擬工廠

虛擬工廠是工業4.0的重要場景，它為用戶提供了一種輕松訪問遠程工廠的方法。基于傳輸工廠視頻和音頻以及工廠設備的運動信號，可以通過VR或AR在遠端完成虛擬工廠的模擬。虛擬工廠可以支持對實際工廠真實場景的沉浸式監控，并提供生產線的規劃以及對實際生產過程的模擬調整和分析。此外，當需要結合多個工廠的能力制造復雜的設備時，可以將具有多個模塊的生產線虛擬組合成一條生產線，從而提供一種管理分布式真實工廠的方法[4]。

1.5 遠程沉浸式無人機控制

通常，無人機是由飛行員一邊操作手柄一邊觀察其飛行姿態來控制的。隨著無人機技術的發展和無人機飛行場景的擴展，出現了需要飛行員一邊觀看無人機回傳的無人機視角視頻、一邊調整無人機控制手柄的場景。例如，在非視距場景中，飛行員無法直接看到無人機的飛行狀態，需要通過機載攝像頭的視頻回傳來監控無人機周圍的環境。在這種場景下，通過無人機的第一視角飛行視頻，可以讓更多人體驗身臨其境的飛行體驗。在這個過程中，無人機、控制手柄、頭戴式顯示器與高清視頻是同時使用的。無人機飛行員需要佩戴頭戴式顯示器，根據回傳的高清視頻控制無人機飛行。

2 面向XR業務的5G網絡架構演進

2.1 面向XR業務的5GQoS機制設計

傳統移動通信網絡對數據業務采用通用的基于業務流粒度的差異化QoS控制機制。這種控制機制具有很強的普適性，但應用于5G XR業務時，由于未能考慮XR業務流內部報文的差異性，導致網絡容量和傳輸效率較低，因此，有必要針對5G XR業務，設計專用QoS的傳輸框架和機制，提升流量傳輸效能，從而利用有限的空口資源支持更多的XR用戶接入[5]。

SA1在3GPP TS 22.261及3GPP TS 22.263定義了5G XR所包含的各類業務的KPI參數集，這些KPI參數集將為3GPP的各個工作組研究目前的QoS機制是否能夠有效地支持這些5G XR業務提供基礎。根據SA2、RAN及SA4的研究工作，目前的5G QoS架構是基于QoS Flow粒度的。但考慮XR業務流內的不同報文對用戶體驗貢獻的差異性，QoS Flow粒度對于XR業務流來說，仍然不夠細致。針對5G XR業務，需要研究對同一個QoS Flow中不同媒體單元的數據包進行不同的QoS處理。這就對現有的QoS架構和機制提出了增強的需求。

在兼容原有5G QoS架構的基礎上，針對5G XR業務，QoS架構還需要能夠識別XR應用流的報文特性，如XR視頻流中的不同幀類型及其各自的流量特征（例如幀數據包大小、時間周期特性等）。同時，QoS架構需要對同一XR數據流下的不同的媒體單元進行識別、標記與QoS處理，這將涉及是否定義并使用新的標記、新的5QI（5G QoS identifier）以及定義和使用新的QoS參數（例如抖動等）。

2.2 基于XR流量感知的5G傳輸調度

提升XR業務QoS調度的關鍵是網絡感知業務能力的增強。與傳統的傳輸調度機制相比，基于XR流量感知的5G傳輸調度，要求5G網絡能夠識別XR應用流中不同的媒體單元，并根據這些不同的媒體單元進行不同的QoS處理。現有的QoS架構只有一個QoS控制級別，即QoS Flow級別，而新的QoS架構是在不同的媒體單元級別進行的不同的QoS控制，例如這些不同級別的媒體單元可以是圖片組（group of picture，GOP）級，也可以是幀級，還可以是幀內的不同的slice（圖條）或tile（圖片）[6]。

當XR應用的數據流沒有加密，5G核心網絡可以通過視頻編碼規則識別不同級別的媒體單元。當XR應用的數據流是加密的，則需要第三方XR應用通過一些機制（如RTP頭信息）來指示這些不同的級別的媒體單元，并與網絡進行相應的交互。這也需要對現有的網絡架構和QoS機制進行增強。

網絡架構和QoS機制需要定義可靠的方法來快速指示和識別這些不同級別的媒體單元，如通過控制面的帶外方式或者通過用戶面的帶內方式。在此基礎上，基站可以根據指示的媒體單元的不同QoS需求對傳輸進行針對性的優化，從而提升空口資源利用效率和用戶容量。

2.3 XR業網傳輸協同

由于5G XR業務通常需要非常高的傳輸帶寬，因此，很有可能引起或快速加重無線網絡的擁塞概率。XR業網傳輸協同機制，通過網絡傳輸資源狀態和媒體層之間的實時協同，實現端到端業務與網絡的快速自適應流量調整，從而避免卡頓，提升用戶的業務體驗[7]。當無線網絡出現擁塞時，業務層需要迅速獲取網絡狀態并調整業務層編解碼和傳輸流量模型，從而適應無線網絡的狀態，避免無線網絡擁塞的進一步惡化從而保證時延等關鍵指標。可適性視頻編碼可在將不重要數據包丟棄的同時還能幫助XR應用適應網絡狀態并為用戶提供更好的QoE。5G系統需要將部分網絡信息實時開放給應用，讓XR業務可以根據網絡狀態進行快速的編解碼調整及根據數據包的重要性進行打標[8]。

2.4 大規模XR業務流同步傳輸

虛擬世界往往需要支持多個用戶間的互操作，而對于同一虛擬事件，多個用戶的感知需要保持同步，以保證用戶體驗。對于同一用戶的不同感官信號，往往也會通過不同業務流進行同步傳輸。因此，5G網絡需要支持大規模的同類型和異類型的XR業務流之間的協同，以確保它們在到達UE時，不同流之間保持一個合理的時間差，從而避免用戶感知不同流之間明顯的時延。例如，當用戶在玩沉浸式 VR 游戲時，會看到隊友的動作，聽到隊友的聲音，同時感受到相應動作反饋的觸覺，這三者之間需要維持在相對同步的狀態下，防止出現聲音、圖像和觸感之間的斷層，影響用戶體驗。在XR及多媒體增強服務中對于同步的要求主要包括：

● 對于多條具有同步性要求的數據流，需要進行傳輸的協同，以及使用相應的QoS要求，從而使他們可以同步到達特定的終端；

● 當同一個業務下存在多個UE共同參與或者處于同一個網絡切片中的情況，對不同UE上承載的數據流需要進行協同。

2.5 節能傳輸

由于XR業務對數據傳輸以及數據實時處理的要求非常高，在終端、網絡側都需要非常高的計算和功耗要求。為了提升終端的電池使用壽命、降低終端能耗、減小終端體積重量等目的，需要考慮如何充分利用XR業務的流量特征（如XR業務的周期性傳輸與終端的非連續周期接收之間的協調），從而實現節能傳輸。

3 3GPP XR標準化進展

3.1 3GPP XR工作概述

3GPP是制訂無線通信標準的國際標準化組織，其關于XR及多媒體部分的研究從3GPP Rel-15就已經啟動，主要圍繞場景需求、編解碼方式、部分QoS增強等。隨著XR業務的發展，新增的需求不斷涌現，3GPP決定在3GPP Rel-18全面啟動端到端系統架構和網絡機制的研究，涉及RAN1、RAN2、RAN3、SA1、SA2、SA4等多個工作組。5G XR的網絡增強被廣泛地認為是3GPP Rel-18的重要標準工作。2021年下半年，3GPP啟動5G Rel-18立項，多家中國公司率先在SA2提出基于XR業務的5G網絡架構增強，在SA全會的立項排名中名列第一，同時RAN側的5G XR項目也獲得非常多公司的支持。本文將通過分析5G XR立項的背景以及業務需求，對5G XR的關鍵技術展開介紹。

3.2 SA1工作組

3GPP SA1工作組，主要制訂通信業務需求及KPI，為3GPP后續的工作組明確典型場景和業務訴求。SA1為XR業務定義了基本的業務需求KPI參數集。

SA1在2019年5月確定了網絡控制的交互式業務需求[9]并寫入3GPP TS 22.261[4]標準，并被統一地命名為高數據率和低時延業務，同時給出了3個VR/AR類業務的具體KPI參數集。KPI參數集包含最大允許的端到端時延、業務速率、可靠性及影響因子（用戶數、用戶的移動速率和業務服務區域）。高數據速率和低時延服務的KPI見表1。

SA1在2019年下半年開始了3GPP Rel-17的3GPP TS 22.263[10]中分別為低時延的視頻業務、低時延周期的確定性語音業務、專業級低時延周期的確定性語音業務定義了端到端時延、數據包的周期性、上行與下行帶寬、上行與下行數據包的可靠性的KPI參數集。

在3GPP Rel-18階段，SA1在2021年開始了觸感通信及多模態傳輸的研究工作，并將相關需求（如沉浸式VR的KPI需求（見表2）、觸感信號傳輸要求、網絡支持多流協同等）寫入3GPP TS 22.261[4]標準。

3.3 SA4工作組

3GPP SA4工作組主要制訂各種媒體的編解碼技術。

SA4最早從2016年上半年就開始3GPP支持VR媒體業務研究工作，并在2017年下半年完成，輸出研究報告3GPP TR 26.918[11]。基于這個研究報告針對5G VR流應用的配置標準工作就在3GPP TS 26.118[12]開啟了。在這個3GPP TS 26.118[12]標準中，定義了基于DASH的5G VR流交互的架構，3種Video操作點參數集與一種音頻操作點參數集。

2018年下半年，5G XR的研究開始了[13-15]，在3GPP TR 26.928[16]中記錄的 5G XR研究期間，收集了包括云游戲在內的XR服務的幾個初步考慮因素。具體來說，包括下行和上行比特率、數據包時延預算、錯誤率和往返時間等參數。

表1 高數據速率和低時延服務的KPI

表2 沉浸式VR的KPI需求

SA4在2021年提出并通過的XR立項SP-210043[17]主要研究XR業務的業務特性，包括收集和記錄流量特征、上下行數據速率范圍、最大包時延預算、最大數據包錯誤率、最長往返時間、數據包大小、IP 級別的流量特征等。另一個重要的研究是確定現有 5QI/PQI 對此類服務的適用性，并可能確定對新 5QI/PQI 或QoS相關參數的要求。

3.4 SA2工作組

SA2于2019年通過高級交互式業務的5G系統增強標準立項SP-190564[18]，通過5G架構及關鍵技術增強支持VR/AR、云游戲等高速率低時延業務。此標準輸出包括引入了4個新的5QI來支持不同場景的AR、VR、云游戲業務，同時也將這些業務流的周期信息作為QoS參數的一部分提供給RAN，從而讓RAN更加有效地進行無線資源的調度。

SA2在3GPP Rel-18階段通過FS_XRM SP-211646[19]立項，進一步開展5G網絡架構增強研究，以更好地支持移動媒體服務、云AR/VR、云游戲、基于視頻的機器或無人機遠程控制等5G XR業務。當前5GS 使用通用的QoS機制來處理媒體流業務和其他數據服務，沒有充分利用媒體業務的特征。3GPP Rel-18將考慮充分應用這些媒體的特性信息（如I/B/P幀、slice/tile等）構建新的QoS保障機制，并將媒體特征傳遞給無線網絡，讓5G網絡更好地感知5G XR應用，以有利于5G網絡更好地進行無線資源的分配與調試，實現不同QoS需要的應用數據包的差別化處理，從而提升用戶的QoE。另外，為了幫助應用感知網絡狀態并對業務進行適時調整，5GC需要將網絡信息開放給應用，讓5G XR業務根據網絡狀態進行快速的編解碼調整，從而緩解無線網絡的擁塞情況。此外，5G XR 媒體流量具有高吞吐量、低時延、高可靠性要求的特點，網絡的時延抖動對用戶的體驗會造成一定的影響，需要研究減少時延抖動的機制與策略；由于高吞吐量需要終端側的高功耗，因此需要開展終端節電的研究，如支持連接狀態下擴展的非連續性接收（connected mode extended discontinuous reception，CDRX[20]）。

為了提升XR業務的沉浸式體驗，手柄、手套等新的XR終端不斷涌現，可以傳遞包括觸覺信息、身體3DoF姿態、語音指令等信息。這些信息存在著特定的關聯關系，必須在特定的時間范圍內到達接收端。因此5G 系統需要在流控機制上增強支持多流間的傳輸協同，以確保最佳服務體驗。

3.5 RAN工作組

無線電接入網作為XR業務的主要瓶頸點，需要進一步在上下行帶寬、時延、抖動、丟包率、網絡擁塞、節電方面有所提升。

在3GPP Rel-17階段，3GPP RAN1工作組于2020年開始XR的業務模型、仿真方法與KPI性能評估工作3GPP TR 38.838[21]，為后續定義支持XR業務的空口傳輸規范設立基礎。3GPP RAN3工作組對XR業務（包括視頻流、AR、VR等）進行QoE的管理與優化研究，并輸出到3GPP TR38.890[22]。

在3GPP Rel-18階段，RAN全會在2021年12月確定面向無線電接入網的XRM立項RP- 213587[23]），包括gNB感知XR流特征（如周期性、多流、抖動、時延、可靠性等），從而進行QoS調整及資源配置。針對XR業務開展終端節電研究[24]，包括C-DRX增強及PDCCH監視增強。此外還包括提升5G網絡對XR業務的容量，進行更加有效的資源分配與調度。

4 結束語

XR作為一種提供高度沉浸體驗的技術手段為用戶提供了更高的用戶體驗，元宇宙概念的出現加速了產業界對于XR業務的期望。與4G網絡相比，5G網絡提供的大帶寬、低時延為XR、元宇宙等新業務提供了新的技術引擎，將極大地加速XR、元宇宙業務的發展與普及。與此同時，用戶對XR業務服務質量的需求也在逐漸提高，更清晰的畫面、更低的時延、與觸感等其他感知維度的結合等都為網絡提出了更高的要求。更大帶寬、更低時延、更高可靠性、確定性傳輸等需求對現有的5G網絡提出了非常大的挑戰[25]。與此同時，XR業務本身也在快速的發展和演進中，新的業務形式層出不窮，也為網絡進一步增強帶來了持續的驅動力。例如，目前的XR業務主要還是基于PGC（平臺產生內容），若是基于UGC（用戶產生內容）來創建XR業務內容，則將對5G的上行造成巨大的挑戰。隨著XR業務商業化部署及5G無線網絡的潛在挑戰的進一步顯現，5G系統也將相應地持續演進和增強。面向這些新增的需求和挑戰，3GPP Rel-18標準將通過網絡與業務的深層協同，提升5G網絡對XR業務的支持能力，使得5G網絡不僅提供底層的網絡通道支持，而且提供針對XR業務的網絡增強和服務質量提升。

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Analysis on 5G XR and enhancement on media service

SHI Xiaonan1, XIONG Chunshan2, NI Hui3, WANG Dan1

1. China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China 2. CICT Mobile Communications Technology Co., Ltd, Beijing100083, China 3. Huawei Technologies Co., Ltd., Beijing100085, China

5G XR and enhancement on media service are very important business scenarios in 5G-Advanced network. With the increasing user demands for emerging new media services, 5G network needs to make corresponding enhancements for media services such as XR. The main business scenarios of XR and augmented multimedia were mainly introduced, including immersive virtual reality, augmented reality, remote control technology based on mixed reality, virtual factory, remote unmanned aerial vehicle control, etc. For the typical business scenarios of XR, there were already some specifications and on-going studies in 3GPP. Based on these existing activities, 5G network need further enhancements including 5G QoS framework for XR service, coordination between network and application, synchronization of flows of multi-user and multi-stream, power saving of terminals and network etc., so that the 5G network could provide better support to 5G XR and enhanced media services leveraging the above enablers.

XR, enhancement on media service, coordinated dataflow, enhancement on 5G architecture

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022053

2022?01?10；

2022?03?10

史曉楠（1993? ），女，現就職于中國移動通信有限公司研究院，主要研究方向為后5G及6G前沿網絡技術，包括增強多媒體、移動算力網絡、綠色低碳等。

熊春山（1972? ），男，博士，現就職于中信科移動通信技術股份有限公司，主要從事無線網絡架構、IP互聯網技術、移動視頻方面的研究與標準化工作。

倪慧（1980? ），男，博士，現就職于華為技術有限公司，主要研究方向為移動網絡架構和標準化。

王丹（1988? ），女，現就職于中國移動通信有限公司研究院，主要研究方向為5G網絡架構及關鍵技術、后5G及6G前沿網絡技術等。