虛擬現實的無線網絡傳輸技術研究進展

劉 煒

(廣州番禺職業技術學院,廣東 廣州 511400)

0 引言

社會科技的進步帶動了我國大數據、通信網絡等技術的發展,虛擬現實系統是一種部署在云端可通過無線通信網絡為人們提供各種服務的先進手段,因虛擬現實內容有著較高的分辨率和幀率,所以對無線網絡傳輸帶寬有著嚴格的要求。 為了全面提升虛擬現實系統的實時性、交互性,并為人們提供良好的視覺體驗,我國與其他國家的科研人員均對虛擬現實的無線網絡傳輸技術進行了大力的研究。

1 虛擬現實的無線網絡傳輸架構

虛擬現實即采用計算機、大數據等技術模擬出一種能給人們帶來視覺、聽覺感官體驗的三度空間虛擬環境。 借助輸入或輸出設備,人們便能實現與虛擬環境的交互、影響,還能使其獲得極佳的環境體驗效果。虛擬現實系統由多部分組成,包括輸入設備、輸出設備以及計算機。 隨著我國科技水平的提升,虛擬現實系統也逐漸向互聯網、集成化方向發展。 圖1 是基于網絡傳輸系統、終端等構成的系統架構。 虛擬現實包含了兩大內容,即虛擬現實三維環境與真實全景視頻。

圖1 虛擬現實系統架構

健全的虛擬現實視頻無線網絡傳輸架構包含了5部分。 第一部分借助全景攝像機拍攝虛擬現實視頻,第二部分將多段視頻整合成一個全景視頻,這樣便能為人們帶來更真實的VR 視頻體驗,第三部分是為了便于存儲和壓縮編碼將視頻內容幾何映射在平面上,第四部分是通過壓縮編碼消除視頻存在的冗余信息,第五部分則是使用互聯網技術將視頻傳輸到人們手里。為了提升視頻體驗效果,無線網絡傳輸效率有了新的挑戰[1]。

2 虛擬現實無線網絡傳輸技術要求

2.1 提高虛擬現實無線網絡傳輸效率

自1990 年后,我國與其他國家的科研人員開始研究怎樣優化算法并全面提升虛擬現實無線網絡傳輸效率,同時也取得了極佳成果。 在虛擬現實系統中,不管是游戲角色還是交互界面都以三維模型為基礎,為了全面發揮虛擬現實無線網絡傳輸效用,我國還要不斷壓縮傳輸三維模型。 近些年來,很多傳輸算法被提出,如三維建模漸進壓縮傳輸算法,但該算法并不適用于所有的傳輸過程,由于模型頂點刪除和表面有著某種聯系,所以若表面發生變化,模型原始記錄便會失效。此外,為了壓縮模型中的大量數據,并提升三維模型網絡傳輸速度,紋理圖像壓縮算法得到落實,應用期間也取得了極大的成效。 隨著大數據技術的發展,基于數據類型轉換的點云快速有損壓縮算法不僅有效滿足三維模型的傳輸需求,還起到了極佳的壓縮效果。

2.2 網絡通信協議優化

如今,用戶數據包協議以及傳輸控制協議在網絡系統中得到了普遍運用,與無連接UDP 相比,連接TCP的數據更加統一,但因TCP 接收數據包要確認機制,一旦數據包丟失就要重新上傳數據包,所以TCP 的實時性要遠落后于UDP[2]。 不僅如此,為了解決實時性、可靠性間的矛盾,更多虛擬現實網絡通信優化協議被提出,其中包括分布式共享傳輸協議以及分布式虛擬世界傳輸和通信協議等。

2.3 提高虛擬現實的無線網絡傳輸帶寬

虛擬現實內容擁有較高的幀率和分辨率,所以龐大的數據量對網絡傳輸的帶寬能力提出了新的要求。為了防止延遲問題造成人們的眩暈和不適,虛擬現實的無線網絡傳輸系統必須對延時進行合理掌控,最佳要控制在10 ms 級。 而因分辨率等要素的不同,故其對網絡傳輸帶寬的要求也不相同,舉例說明,分辨率為8K 3D 的無壓縮視頻的傳輸速率在100 Gbit·s-1左右,經過百倍壓縮,網絡傳輸帶寬要達到960 Mbit·s-1,這無疑是對當下網絡,尤其是對無線通信網絡提出了更嚴峻的挑戰[3]。 不過隨著5G 移動通信技術的發展,在設計環節綜合分析了虛擬現實網絡承載需求。 結合ITU 發布的報告來看,5G 移動通信技術適用于高可靠、低時延通信與增強型移動帶寬通信。 隨著5G 技術的發展,其致力于為人們提供1Gbit.s-1的體驗速率。 這在很大程度上能增強虛擬現實的用戶體驗效果。 為了實現這一點,5G 在很多技術領域都取得了極佳的科研進展,如大規模天線和超密集組網等技術。

其中,大規模天線技術就是以已有天線為基礎并逐步擴大天線數量,通過增加多用戶復用增益進而提高高頻譜效能。 使用大規模天線技術不但能優化系統容量,還可不斷提高傳輸速率,同時有效解決小區內部出現的干擾問題[4]。 據了解,如今個別地區已在熱點覆蓋區域增加了小區數量,或將各小區使用的多天線轉變成大規模陣列天線,從而構建出大規模協作無線通信環境。 超密集組網是利用增加基站密度來優化系統容量并提高用戶效率的。 如今,大多數企業均將注意力和工作重點放在了超密集組網上,并將其視為5G滿足數千倍流量增長需求的關鍵技術。 為了滿足更多無線通信服務需求,除了提升頻譜帶寬與利用率外,加大小區部署密度并優化空間復用度方法等來優化無線網絡系統容量。 為了解決超密集組網存在的容量與覆蓋性問題,科研人員還要加大對控制承載分離技術的研究力度,并以此為基礎構建出更系統、全面的5G 網絡架構,如圖2 所示。

圖2 5G 超密集組網場景架構

多網融合借助5G 多網共存技術實現網絡傳輸效率的提升,全面利用網絡資源,在此背景下大幅降低無線網絡的布設、運維費用;網絡容量的優化能有效滿足數據洪流需求,還能最大限度地降低網絡開銷;IT 化與虛擬化借助IT 技術平臺合理替代現有網絡設備節點,再借助軟件定義網絡及網絡功能虛擬化技術便能實現網絡的集中控制,這不僅能促進網絡計算、資源存儲的虛擬化,還能增強網絡功能的定制化能力。 網絡接入智能化演變包含了業務感知、靈活部署等事項。 這一過程不但能降低成本,還能促進用戶體驗的一致性[6]。

在應用虛擬現實技術的過程中,為了全面滿足低延遲、大規模數據傳輸需求,以SDN 架構為基礎的5G 小蜂窩網絡解決方案被提出。

全頻譜接入是通過利用各種移動通信頻譜資源來不斷提高用戶數據的傳輸速率并對系統容量進行優化。通常情況下,全頻譜接入分為低頻段與高頻段兩種[7]。

低頻段由于擁有良好的信道傳播特點,所以是5G 通信的最佳頻段,高頻段因空閑頻譜資源十分豐富,所以可起到輔助5G 通信的作用。 在全頻譜接入技術框架中,低頻段與高頻段能借助混合組網的形式進行工作。

3 虛擬現實的無線網絡傳輸技術的發展趨勢與面臨的挑戰

3.1 無線網絡傳輸技術的發展趨勢

如今,國家信息通信研究院已明確虛擬現實網絡傳輸技術要向著低時延、多業務隔離以及大帶寬方向發展,而虛擬現實關系著數據中心網絡、編碼壓縮以及接入網等網絡傳輸技術,將用戶體驗作為發展并滿足虛擬現實網絡傳輸需求的前提,用戶的沉浸感也能隨之增強[8]。 隨著虛擬現實接入網絡技術的發展,WiFi,5G 和大容量無源光纖網絡都成為主要發展趨勢。 而新型WiFi技術的研發與普及也最大限度地實現了10 Gbit·s-1速率的家庭無線網絡覆蓋。不僅如此,要想實現虛擬現實頭顯無線化,就要以60 GHz WiFi 技術為基礎。 隨著大容量無源光纖網絡技術的發展部署,無線網絡傳輸帶寬也會增強10 倍以上。 如今,各國已開始落實“10G+”速率的大容量無源光纖網絡技術的研究,并期望能全面滿足虛擬現實業務的承載需求。 結合5G 移動網絡技術,要想確保虛擬現實的完全式沉浸體驗,用戶體驗速率就要在100～1 000 Mbit·s-1范圍內,而無線網絡的傳輸時延也要控制在ms 量級。 5G 技術在虛擬現實商用領域全面運用。

此外,架構簡化與網絡隔離等流程也將成為虛擬現實承載網絡技術的發展主流。 根據虛擬現實技術、業務的時延要求,合理規劃承載網絡能最大限度地滿足無線網絡帶寬需求。 舉例說明,承載網絡要在10 ms級粒度內才能滿足虛擬現實的大流量傳輸需求。 因為虛擬現實視頻對丟包率、帶寬等都提出了更高要求,所以要不斷簡化傳統的網絡層次和結構,促進網絡架構的扁平化就能全面提高承載網的傳輸效率。 如今,虛擬現實業務的視覺體驗功能是借助昂貴的GPU 實現的,在不久的將來,虛擬現實本地計算能力會處于云化形態,在網絡數據中心將會部署更為復雜的計算功能,這樣就會形成更大數據流規模和降低服務時延的要求。 基于此,隨著計算功能的云化發展,低延遲數據中心將是其發展的重點目標。 當下,虛擬現實編碼形式以高效視頻編碼為主。 結合動態圖像專家組的研究進展,新一代編碼技術的壓縮效率會大幅提升30%。

3.2 研究面臨的挑戰

結合我國5G 通信產業具備的技術優勢,虛擬現實成了5G 通信技術的主要應用場景。 和通信產業一樣,虛擬現實不論是在市場準備,還是在技術研究以及產業構建等方面,都擁有著極大的合作創新發展空間。虛擬現實的無線網絡傳輸技術是業務領域在帶寬、移動性與時延等方面的實際需求,它能全面帶動我國無線網絡傳輸技術的發展。 隨著承載網技術的進步、更迭,其也可提升無線網絡技術的敏捷性與開放性,同時還可實現多業務隔離承載等運營形式。

對虛擬現實的無線網絡傳輸技術的研究也面臨著許多挑戰,如為了在有限帶寬基礎上傳輸更高品質的虛擬現實視頻,我國可注重對虛擬現實視頻處理技術以及傳輸架構等技術的研究。 為了全面提升虛擬現實的無線網絡傳輸效率,科研人員可結合現有壓縮傳輸算法并不斷優化、升級,從而創作出更先進、精準的傳輸算法。 為了不斷提高虛擬現實無線網絡的傳輸帶寬,研究人員可加大對5G 以及超密集組網等技術的研究力度。

4 結語

總之,隨著社會經濟、科技水平的提升,無線網絡技術在我國得到了持續的發展。 在該技術的帶動下,虛擬現實技術在我國網絡上得到了普遍運用,這也致使基于虛擬現實的無線網絡傳輸技術有著更大的研究價值。 分析無線網絡傳輸效率的提高過程以及對網絡通信協議的優化,它不僅提出了更多能解決虛擬現實無線網絡傳送要求的技術手段,而且通過分析虛擬現實無線網絡傳輸技術的發展情況,更能確定今后研究工作的重心與目標。 科研人員要站在實際應用角度分析虛擬現實視頻處理與傳輸技術問題,再進一步分析視頻業務發展對承載網絡的技術要求,如此便能開發更多高效率的視頻壓縮編碼,至于低時延這類新技術也能得到更廣泛的運用。