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(1.中國(guó)信息通信科技集團(tuán)有限公司,武漢 430074; 2.光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430074;3.國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心,武漢 430074)

0 引 言

全息三維(3-Dimensional，3D)顯示也被稱為裸眼3D顯示，是下一代新型顯示技術(shù)，主要通過(guò)利用干涉和衍射等原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖形，用戶在無(wú)需佩戴任何輔助工具、360 °全視角和不限于特定人群的情況下觀看3D全息視頻或圖像信息，能給用戶帶來(lái)一種身臨其境的視覺(jué)沖擊體驗(yàn)。隨著第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(The Fifth Generation Mobile Communication System， 5G)移動(dòng)通信技術(shù)不斷向縱深發(fā)展，利用移動(dòng)終端在任何時(shí)間和地點(diǎn)都能欣賞全息視頻的手機(jī)裸眼3D技術(shù)躍然出現(xiàn)在用戶的眼前，以前只能在科幻電影中出現(xiàn)的場(chǎng)景有可能在未來(lái)成為現(xiàn)實(shí)。但是，由于受到現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的制約、連續(xù)可用頻譜的匱乏以及網(wǎng)絡(luò)計(jì)算存儲(chǔ)能力的限制，手機(jī)裸眼3D顯示應(yīng)用的發(fā)展任重道遠(yuǎn)。

后5G乃至第六代移動(dòng)通信系統(tǒng)(The Sixth Generation Mobile Communication System，6G)時(shí)代，以微納光場(chǎng)調(diào)控及超表面光學(xué)技術(shù)為代表的手機(jī)裸眼3D顯示應(yīng)用，有可能帶動(dòng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，像文獻(xiàn)[1]中描述的業(yè)務(wù)一樣，成為5G乃至6G網(wǎng)絡(luò)的“殺手級(jí)”應(yīng)用。毫米波、太赫茲和泛光通信(屬于6G光子學(xué)的范疇)等技術(shù)能夠讓通信峰值帶寬、連續(xù)頻譜帶寬、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和流量密度等網(wǎng)絡(luò)承載能力指標(biāo)得到飛躍性的提升。但是，為了給用戶呈現(xiàn)逼真的顯示效果，每秒3D高清視頻可能需要Gbit級(jí)以上的端到端流量，而不需要眼鏡輔助的全息3D立體圖像需要3～30億像素[1]，所產(chǎn)生的龐大的Tbit級(jí)數(shù)據(jù)對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)前所未有的壓力。因此，針對(duì)此類業(yè)務(wù)評(píng)估后繼的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)承載能力的安全邊際，顯得尤為重要。

本文首先研究了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織定義的全息類通信的幾個(gè)數(shù)據(jù)類型和場(chǎng)景，大致劃分出幾種三維通信的帶寬級(jí)別；并分析了手機(jī)裸眼3D應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)承載能力有哪幾個(gè)方面的需求，從全息三維圖像的有效像素和空間深度層等不同角度，定量闡述了全球研究機(jī)構(gòu)對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬和往返時(shí)延的不同要求；以3GPP標(biāo)準(zhǔn)給出的最大峰值數(shù)據(jù)速率的定義為基礎(chǔ)，厘清影響移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的幾個(gè)因素，并量化這些重要的參數(shù)，計(jì)算出不同場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)傳輸峰值速率，得出移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)承載能力的幾個(gè)安全邊際的重要參數(shù)，最后描述了未來(lái)裸眼3D應(yīng)用在移動(dòng)通信中仍然存在的幾個(gè)問(wèn)題。

1 三維顯示業(yè)務(wù)的未來(lái)前景

移動(dòng)通信的不斷演進(jìn)會(huì)使信息傳遞和顯示從高清向超高清、二維向三維的方向拓展，對(duì)網(wǎng)絡(luò)有更高要求的三維顯示應(yīng)用終將取代二維數(shù)據(jù)的傳輸和顯示。目前，各類顯示信息都是通過(guò)2D屏幕進(jìn)行傳播，對(duì)于較為年輕的用戶群體(20～39歲)來(lái)說(shuō)，接收到的信息處于過(guò)剩狀態(tài)，很難給用戶留下深刻印象。據(jù)英國(guó)尼爾森數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，71%的企業(yè)數(shù)字信息(如廣告、宣傳等)沒(méi)有受到關(guān)注，沒(méi)有起到應(yīng)有的效果；而3D數(shù)字信息的記憶度是2D的14倍以上，3D數(shù)字信息的關(guān)注度是2D的7倍以上，企業(yè)利用3D信息進(jìn)行宣傳帶來(lái)的投資回報(bào)率是2D的3.68倍以上。究其原因，首先裸眼3D應(yīng)用帶來(lái)前所未有的視覺(jué)沖擊，會(huì)對(duì)用戶產(chǎn)生強(qiáng)大的記憶度沖擊，使用戶印象深刻；其次，裸眼3D以其震撼的視覺(jué)效果為用戶帶來(lái)“沉浸式”的深度交互體驗(yàn)，能在短時(shí)間內(nèi)吸引用戶關(guān)注。

從市場(chǎng)發(fā)展的態(tài)勢(shì)看，三維顯示業(yè)務(wù)在技術(shù)、應(yīng)用場(chǎng)景、內(nèi)容制作和商業(yè)產(chǎn)品等多方面的生態(tài)系統(tǒng)已初具規(guī)模，用戶三維交互式體驗(yàn)需求的提升將不斷帶動(dòng)全息3D業(yè)務(wù)進(jìn)入迸發(fā)期。據(jù)賽諾市場(chǎng)咨詢機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2021年全球3D顯示器出貨量和市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到2.8億臺(tái)和830億美元，未來(lái)裸眼3D市場(chǎng)滲透率將達(dá)到50%以上。從全球技術(shù)角度看，美國(guó)有企業(yè)研發(fā)出了改進(jìn)后的裸眼3D多層顯示技術(shù)和立體顯示光學(xué)膜技術(shù)，前者是一種基于空間平面視角光場(chǎng)的顯示技術(shù)，在不需要任何輔助觀看設(shè)備的情況下，實(shí)現(xiàn)3D影像效果的文字和圖像；歐洲的3D顯示主流技術(shù)是光屏障式3D技術(shù)和柱狀透鏡技術(shù)，后者利用在液晶顯示面板的表層添加數(shù)組柱狀透鏡，在這層凸透鏡數(shù)組上形成影像；日本對(duì)裸眼3D技術(shù)的研究開(kāi)始較早，也擁有數(shù)量眾多的裸眼3D專利權(quán)；雖然近幾年歐洲和日本相關(guān)行業(yè)發(fā)展較為快速，但是與美國(guó)相比，相關(guān)生產(chǎn)商規(guī)模相對(duì)較小，而且美國(guó)企業(yè)依然掌握著裸眼3D核心技術(shù)；我國(guó)3D顯示產(chǎn)業(yè)自2015年開(kāi)始進(jìn)入快速增長(zhǎng)期，相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展迅速。國(guó)內(nèi)企業(yè)及科研高校依托3D聯(lián)盟平臺(tái)，正在建立覆蓋軟硬件、內(nèi)容分發(fā)制作和應(yīng)用服務(wù)等環(huán)節(jié)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。由此可見(jiàn)，全息3D顯示業(yè)務(wù)的未來(lái)前景值得各方期待。

2 三維顯示業(yè)務(wù)對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)承載能力的需求

由于人眼受輻輳反射和調(diào)節(jié)反射等生理因素的制約，所以觀看20 m左右的物體時(shí)眼球聚焦和發(fā)散的調(diào)節(jié)幅度一般小于1.6毫弧度(milliradians)。而傳統(tǒng)頭戴設(shè)備或偏光眼鏡的三維顯示業(yè)務(wù)(如：虛擬現(xiàn)實(shí) (Virtual Reality, VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality, AR)等)，難以完全滿足這樣的要求，很多類似交互式應(yīng)用使得用戶的眼睛感覺(jué)不適，這也是此類應(yīng)用一直不溫不火的主要原因，無(wú)需輔助工具的全息裸眼3D業(yè)務(wù)不存在這樣的問(wèn)題。然而，手機(jī)裸眼3D應(yīng)用卻給現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)異常沉重的流量負(fù)擔(dān)，對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的峰值速率、時(shí)延和存儲(chǔ)計(jì)算等技術(shù)指標(biāo)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。

因此，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ITU-T的“Network 2030” 焦點(diǎn)組提出一種全息類型通信(Holographic Type Communications, HTC)的概念[2]，利用多對(duì)多的網(wǎng)絡(luò)模型傳輸不同的交互式3D應(yīng)用數(shù)據(jù)類型，如圖1所示。利用傳統(tǒng)光學(xué)方式記錄真全息圖像和利用計(jì)算機(jī)生成全息圖像(Computer-Generated Holograms, CGH)都會(huì)產(chǎn)生非常龐大的數(shù)據(jù)流量，需要高達(dá)Tbit級(jí)別的端到端傳輸帶寬給予支持；子透鏡光場(chǎng)(Lenslet Light Field, LLF)3D顯示的方式，利用許多平行視圖來(lái)觀看3D對(duì)象也需要Gbit級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬；而佩戴外置顯示設(shè)備的高分辨率AR/VR應(yīng)用的帶寬只需達(dá)到100 Mbit/s即可。

圖1 HTC的3D數(shù)據(jù)傳輸類型[2]

2.1 移動(dòng)傳輸帶寬能力的需求

滿足手機(jī)裸眼3D應(yīng)用所需的端到端超高移動(dòng)傳輸帶寬是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和承載能力面臨的重要問(wèn)題。裸眼3D應(yīng)用所采集3D對(duì)象(3D Object)的全息原始數(shù)據(jù)非常龐大，現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的端到端傳輸帶寬必須提升十倍甚至百倍以上，達(dá)到Tbit級(jí)別；與3D高清VR/AR應(yīng)用相比，網(wǎng)絡(luò)所需帶寬需增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而這些將給移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)帶來(lái)前所未有的挑戰(zhàn)。例如：3D攝像機(jī)輸出1 080P圖像(1 920×1 080像素)，每個(gè)像素包含4個(gè)字節(jié)(32 bit)的RGB顏色數(shù)據(jù)，圖像深度分辨率為512×424，每個(gè)像素有2個(gè)字節(jié)的深度數(shù)據(jù)，在刷新頻率為30 fps的情況下播放每幀70.4 Mbit(8.8 M字節(jié))的原始3D對(duì)象數(shù)據(jù)，需要206 Gbit/s的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬[3]。由于3D對(duì)象數(shù)據(jù)之間高度離散，如果在傳輸之前能夠?qū)ζ溥M(jìn)行高壓縮比的數(shù)據(jù)壓縮，網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬有可能減少為2 Gbit/s左右。由于更多的3D攝像機(jī)或傳感器能夠采集更高的分辨率和刷新頻率的視頻，網(wǎng)絡(luò)帶寬的數(shù)量級(jí)會(huì)不斷增加，可能需要100 Gbit/s～1 Tbit/s超大帶寬的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)給予支持。

近年來(lái)，全球科研機(jī)構(gòu)對(duì)不同類型全息三維圖像的傳輸速率進(jìn)行了測(cè)試，針對(duì)不同的3D對(duì)象的大小、顏色、視差和刷新頻率等因素所產(chǎn)生的全息三維圖像進(jìn)行了對(duì)比，文獻(xiàn)[4]給出了全球不同研究小組的測(cè)試結(jié)果，如表1所示。由于不同研究機(jī)構(gòu)構(gòu)建3D對(duì)象的模型、3D數(shù)據(jù)處理和傳輸方式的不同，導(dǎo)致尺寸差別不大的3D圖像所需網(wǎng)絡(luò)帶寬卻有較大的差別。由表可知，在未考慮全息三維圖像有效像素的情況下，傳輸全息3D對(duì)象數(shù)據(jù)所需的帶寬越來(lái)越大，不斷逼近Tbit級(jí)別。由于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的要求是峰值速率為20 Gbit/s、用戶體驗(yàn)速率為1 Gbit/s，因此現(xiàn)有5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不能完全滿足手機(jī)裸眼3D應(yīng)用的需求(除非采用極高的壓縮算法)，同時(shí)也將會(huì)給5G網(wǎng)絡(luò)的承載能力帶來(lái)極大的負(fù)擔(dān)，即使使用視頻壓縮算法和用戶交互預(yù)測(cè)方案能夠稍微得到緩解和補(bǔ)償，但依然超出5G的承載能力范圍。為了支持HTC網(wǎng)絡(luò)，只有后5G乃至6G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)才能提供更高的可用傳輸帶寬，滿足手機(jī)裸眼3D應(yīng)用的需求。

表1 不同研究機(jī)構(gòu)給出的傳輸全息3D對(duì)象所需的網(wǎng)絡(luò)帶寬[4]

全息三維圖像的有效像素?cái)?shù)量(Effective Pixel Count, EPC)是衡量網(wǎng)絡(luò)帶寬承載能力的關(guān)鍵指標(biāo)之一。3D對(duì)象成像所具有的更大尺寸、更廣的可視角度、更豐富的色彩和更大的視差效果等因素都會(huì)增加每秒3D圖像幀數(shù)的有效像素?cái)?shù)量。我們可以將EPC、全息圖像的每秒傳輸幀數(shù)(Frames Per Second, FPS)和每個(gè)全息像素的位深度(Bit-Depth)三者的乘積定義為所需數(shù)據(jù)傳輸帶寬，簡(jiǎn)單表示為bandwidth=EPC×FPS×Bit-Depth。文獻(xiàn)[4]研究了EPC與網(wǎng)絡(luò)帶寬之間的關(guān)系，給出未來(lái)網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的發(fā)展趨勢(shì)，如圖2所示。其中，全息三維圖像的刷新頻率都設(shè)置為60 fps，黑白圖像的位深度為1 bit(實(shí)際上，真彩色3D圖像的RGB位深度為24或32 bit)。這組數(shù)據(jù)并未考慮在采集端對(duì)3D對(duì)象數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，隨著手機(jī)裸眼3D無(wú)損視頻壓縮算法的不斷發(fā)展，在理想情況下傳輸?shù)?D數(shù)據(jù)量有可能減少大約50%，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)帶寬所需的負(fù)荷會(huì)得到一定程度的緩解。但即便如此也可以預(yù)測(cè)，如果未來(lái)手機(jī)裸眼3D應(yīng)用得到廣泛普及，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)帶寬、流量密度和數(shù)據(jù)密度等指標(biāo)將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。

圖2 EPC與網(wǎng)絡(luò)帶寬之間的關(guān)系[4]

圖3 深度層合成3D圖像的示意圖

全息三維圖像深度層(Depth Layer)的數(shù)量也是評(píng)估3D對(duì)象數(shù)據(jù)規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)帶寬的重要因素之一。3D對(duì)象在空間被分割為100～1 000個(gè)深度層，每個(gè)深度層形成一副2D高清圖像，圖像中的像素也具有RGB顏色和位深度，將這些橫向或者縱向切片后的2D圖像按照一定的方式組合就能形成3D圖像，如圖3所示。利用這種成像方式，網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬很大程度上取決于深度層的數(shù)量和其對(duì)應(yīng)的每個(gè)切片的最小像素?cái)?shù)[5]，理論上對(duì)每一個(gè)切片的深度層進(jìn)行壓縮的比率一般不會(huì)超過(guò)50∶1，因此這種全息三維圖像的合成方式所需網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬比上述有效像素的方式要更大。文獻(xiàn)[5]給出了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬與深度層數(shù)之間關(guān)系的研究結(jié)果，如圖4所示，在25 fps的刷新頻率下對(duì)60 min的高清全息3D視頻進(jìn)行采樣計(jì)算，深度層的切割范圍在0～1 200，對(duì)應(yīng)的最小像素?cái)?shù)在0～20 G像素范圍內(nèi)，由此可知，網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬超過(guò)1 Tbit/s，最大達(dá)到1.4 Tbit/s的吞吐容量。當(dāng)切割的深度層在1 000層的時(shí)候，一個(gè)小時(shí)的未壓縮全息視頻需要500 TB的存儲(chǔ)容量和1.2 Tbit/s傳輸帶寬；當(dāng)深度層在100層的時(shí)候，需要50 TB的存儲(chǔ)容量和120 Gbit/s傳輸帶寬，兩者呈線性關(guān)系。即使使用了全息視頻壓縮算法進(jìn)行壓縮，一個(gè)小時(shí)的高清全息視頻仍所需數(shù)個(gè)TB存儲(chǔ)空間和數(shù)十Gbit/s網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬。

圖4 深度層與網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的關(guān)系[5]

由此可見(jiàn)，無(wú)論采取什么樣的全息三維圖像成像方式，要想使手機(jī)裸眼3D技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬建議滿足100 Gbit/s～1 Tbit/s以上的速率。

2.2 網(wǎng)絡(luò)承載能力的其他需求

網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延也是手機(jī)裸眼3D應(yīng)用需考慮的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。超低時(shí)延對(duì)于真正的交互式、沉浸式的應(yīng)用場(chǎng)景至關(guān)重要，依賴傳統(tǒng)頭戴設(shè)備的VR/AR應(yīng)用更是如此。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，用戶使用佩戴傳統(tǒng)頭戴設(shè)備體驗(yàn)高清VR/AR應(yīng)用的時(shí)候，如果網(wǎng)絡(luò)時(shí)延超過(guò)20 ms，用戶則能夠明顯感受到眩暈感，這會(huì)在很大程度上降低沉浸式體驗(yàn)。對(duì)于現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)而言，三大應(yīng)用場(chǎng)景中的高可靠性通信定義的最低往返時(shí)延為1 ms，理論上完全能夠滿足手機(jī)裸眼3D應(yīng)用的要求。但這種場(chǎng)景一般只適用于自動(dòng)駕駛、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等高可靠性應(yīng)用，而且大量的數(shù)據(jù)流在長(zhǎng)距離傳輸?shù)倪^(guò)程中，要實(shí)現(xiàn)這種超低時(shí)延也幾乎不可能，因此這種場(chǎng)景并不適合全息三維顯示應(yīng)用。其實(shí)，在5G 增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶應(yīng)用場(chǎng)景傳輸3D對(duì)象數(shù)據(jù)流時(shí)，5G標(biāo)準(zhǔn)定義的10～50 ms的時(shí)延可以滿足此類應(yīng)用的需求。但是，由于人眼關(guān)注突然出現(xiàn)物體的最快反應(yīng)時(shí)間為5 ms，在處理具有更復(fù)雜操作、更高刷新頻率的交互式3D視頻應(yīng)用時(shí)，現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)顯得有些力不從心。而后5G/6G網(wǎng)絡(luò)能夠提供更低的端到端雙向往返時(shí)延，給手機(jī)裸眼3D應(yīng)用帶來(lái)更平穩(wěn)和反饋更迅速的應(yīng)用環(huán)境。文獻(xiàn)[6]中提到一種全息三維快速視野轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，降低視差屏障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)延遲的敏感性，在將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延提高到20 ms左右時(shí)，能夠避免三維圖像的丟失和抖動(dòng)。這項(xiàng)研究也證實(shí)了現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延在某些情況下能滿足3D裸眼應(yīng)用的基本要求。

對(duì)于龐大的3D對(duì)象數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)壓縮技術(shù)縮小傳輸數(shù)據(jù)的規(guī)模顯得很有必要。當(dāng)然，壓縮/解壓的過(guò)程除了會(huì)付出一定的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)以外，也會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)雙向傳輸?shù)臅r(shí)延。因此，將計(jì)算處理的算力和延遲、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捄蜁r(shí)延等各種代價(jià)進(jìn)行權(quán)衡折中，此類應(yīng)用才具有工程實(shí)踐的意義。

除了網(wǎng)絡(luò)帶寬和時(shí)延的需求以外，全息3D顯示業(yè)務(wù)還必須考慮移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的同步性(Synchronization)、安全性(Security)、可靠性(Reliability)和計(jì)算能力(Computation)等多種需求。對(duì)于同步性而言，HTC網(wǎng)絡(luò)需要管理大量來(lái)自不同采集傳感器不同角度的3D對(duì)象數(shù)據(jù)和不同尺寸或體積的對(duì)象同步數(shù)據(jù)流，以及具有多個(gè)不同地理位置的傳輸路徑和數(shù)據(jù)流等，要使來(lái)自多源的數(shù)據(jù)能夠在有限到達(dá)時(shí)間差內(nèi)達(dá)到同步，通常此時(shí)限間隔在ms級(jí)別；未來(lái)很多實(shí)時(shí)裸眼3D應(yīng)用(例如：遠(yuǎn)程醫(yī)療手術(shù)等)，移動(dòng)傳輸網(wǎng)絡(luò)都必須在安全性和可靠性方面給予充分的保障，而且時(shí)延要求也會(huì)更低；全息三維成像合成需要很高的計(jì)算能力，通過(guò)計(jì)算生成全息技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行合成、渲染和重建，在全息采集端和終端的邊緣計(jì)算能力也是HTC網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵要求。

3 后5G網(wǎng)絡(luò)承載能力的技術(shù)指標(biāo)分析

影響移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)承載能力的另一類關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)峰值速率(吞吐量)和上下行往返時(shí)延。網(wǎng)絡(luò)的峰值數(shù)據(jù)速率是在理想條件下可達(dá)到的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，是衡量網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)最大承載能力的重要指標(biāo)之一。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP在標(biāo)準(zhǔn)文稿TS38.104中定義了5G 新空口(New Radio, NR)兩個(gè)頻段范圍，低于6 GHz頻段的FR1(450 ～6 000 MHz)和高于6 GHz頻段的FR2(24 250 ～52 600 MHz)。在此之后，3GPP在TS 38.306中定義了5G NR最大數(shù)據(jù)速率的公式[7]，公式中的幾個(gè)重要參數(shù)直接決定著手機(jī)終端在FR1和FR2頻段范圍的上下行最大數(shù)據(jù)傳輸速率。

由公式可知，J是影響峰值數(shù)據(jù)速率的主要變量之一，也就是頻帶和頻帶組合內(nèi)聚合的載波數(shù)目。載頻的最大信道帶寬越大，采用載波聚合技術(shù)能實(shí)現(xiàn)多載波數(shù)據(jù)流的數(shù)目也就越多，相應(yīng)的下行吞吐量也就越大，如圖5所示。根據(jù)3GPP的定義，網(wǎng)絡(luò)工作在FR1頻段范圍，子載波最大帶寬為100 MHz；在FR2頻段范圍，最大帶寬為400 MHz。在計(jì)算峰值數(shù)據(jù)速率時(shí)，400 MHz的頻譜帶寬可以看成是4個(gè)100 MHz的子載波聚合而成。

圖5 聚合載波形成的頻帶總帶寬示意圖

5G系統(tǒng)中的參數(shù)集μ由子載波間隔和循環(huán)前綴(Cyclic Prefix,CP)開(kāi)銷(xiāo)來(lái)定義。5G支持多種參數(shù)集，多種載波間隔是由基本的子載波間隔采用整數(shù)N比例擴(kuò)展而成，即2μ×15 kHz。對(duì)于FR2及以上的毫米波頻段范圍，子載波間隔可以設(shè)置為60、120和240 kHz，即μ的值可以設(shè)置為2、3和4。不同的業(yè)務(wù)類型μ的取值范圍有著不同的要求，比如對(duì)使用FR1較低頻段的5G增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶場(chǎng)景而言，μ取值為0(15 kHz)或1(30 kHz)的子載波間隔較為合適，而對(duì)于需要在FR2及以上載波頻率傳輸并且對(duì)時(shí)延要求較為敏感的全息3D顯示業(yè)務(wù)而言，取值為2(60 kHz)或3(120 kHz)的子載波間隔更為合適。CP的開(kāi)銷(xiāo)由特定幀結(jié)構(gòu)的全下行時(shí)隙D、全上行時(shí)隙U和上下行混合與保護(hù)時(shí)隙S三者之間的配置來(lái)決定，決定了參數(shù)f(j)的取值范圍。

以FR2(24 250 ～52 600 MHz)及以上的毫米波頻率范圍為分析對(duì)象，在不同參數(shù)配置的情況下，根據(jù)公式計(jì)算得出的網(wǎng)絡(luò)峰值數(shù)據(jù)速率的結(jié)果，如表2所示。

表2 不同配置下的網(wǎng)絡(luò)峰值數(shù)據(jù)速率的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，理論上要想滿足手機(jī)裸眼3D應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬要求，聚合的載波數(shù)目建議取4以上，也就是載頻帶寬應(yīng)該在4×100 MHz(FR1)或者1×400 MHz(FR2)以上；聚合的載波受到物理頻譜資源的限制，并不能無(wú)限增加，只能寄希望于擴(kuò)展無(wú)線頻譜范圍，充分利用高頻毫米波、太赫茲和泛光等100 GHz以上的空閑頻段，擴(kuò)充連續(xù)的可用頻譜帶寬。由于高頻產(chǎn)生的相位干擾噪聲也需要更寬的子載波間隔來(lái)抵御，120 kHz的子載波間隔也是很有必要的。然而子載波間隔擴(kuò)大(增加參數(shù)集μ)，對(duì)應(yīng)時(shí)域的OFDM符號(hào)會(huì)變短，也會(huì)增加1.0 m子幀或者0.5 m半幀所包含的符號(hào)數(shù)，雖然可以降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延但并不利于提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。正交振幅調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)方式的階數(shù)若能穩(wěn)定達(dá)到256也是滿足此類業(yè)務(wù)需要的因素之一。當(dāng)然，這些計(jì)算結(jié)果僅針對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言，未來(lái)更大突破的技術(shù)會(huì)使這些指標(biāo)發(fā)生較大的變化。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)時(shí)延而言，現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延指標(biāo)能夠基本滿足要求。通過(guò)使用30 kHz的子載波間隔，上行免調(diào)度以及兩個(gè)符號(hào)的微時(shí)隙的5G系統(tǒng)配置方案，可以達(dá)到低于雙向時(shí)延1 ms以下的要求。如果高頻通信工作在FR2范圍內(nèi)，使用120 kHz的子載波間隔，時(shí)延的要求可以更低。

因此，為了達(dá)到手機(jī)裸眼3D應(yīng)用所需要的網(wǎng)絡(luò)峰值數(shù)據(jù)速率為100 Gbit/s～1 Tbit/s安全邊際的需求，后5G乃至6G的網(wǎng)絡(luò)承載能力至少需滿足：有400 MHz以上連續(xù)頻譜帶寬信道、100 GHz以上的毫米波/太赫茲/泛光等傳輸頻段、16階以上的大規(guī)模天線陣列空間預(yù)編碼物理層鏈路，以及120 kHz的子載波信道間隔和256 QAM的調(diào)制方式等幾個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，如此才有可能實(shí)現(xiàn)全息3D顯示業(yè)務(wù)中的各類應(yīng)用。文獻(xiàn)[8]介紹了一種工作頻段在430和770 THz范圍的光保真技術(shù)(Light Fidelity, LiFi)的全息3D傳輸鏈路系統(tǒng)，在1.6 m的無(wú)線鏈路上，實(shí)現(xiàn)了15.7 Gbit/s的8級(jí)灰度的非實(shí)時(shí)全息數(shù)據(jù)傳輸，誤碼率低于3.8×10-3。該研究成果并沒(méi)有完全達(dá)到上述網(wǎng)絡(luò)承載能力的安全邊際要求，故還不能傳輸全彩色的3D實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

4 后5G網(wǎng)絡(luò)承載能力仍存在的挑戰(zhàn)

隨著全息三維顯示業(yè)務(wù)得到各界廣泛的關(guān)注，后5G乃至6G生命期有可能是數(shù)據(jù)“大爆炸”的時(shí)代。比如：傳輸分辨率為1 920×1 080×50、60 fps刷新頻率的24 bit彩色原始3D視頻數(shù)據(jù)，需要149.3 Gbit/s的網(wǎng)絡(luò)帶寬?？梢?jiàn)超大網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬是保障此類應(yīng)用得到廣泛普及的首要條件。但是，除了對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬有較大的要求以外，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)還存在其他幾個(gè)重要的挑戰(zhàn)。

首先是3D對(duì)象數(shù)據(jù)壓縮的挑戰(zhàn)。未來(lái)用戶對(duì)裸眼3D視頻質(zhì)量的追求將會(huì)越來(lái)越高，全息圖像和視頻的分辨率、刷新頻率、色彩度和深度層等所帶來(lái)的數(shù)據(jù)越來(lái)越龐大，如果不對(duì)這些在采集端和終端的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮/解壓，如此海量的數(shù)據(jù)流給端到端網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的承載負(fù)擔(dān)是不可想象的。全息視頻壓縮是降低網(wǎng)絡(luò)帶寬要求的最有效方法之一，幾乎適用于各種3D圖像和視頻生成技術(shù)。由于3D對(duì)象的像素被認(rèn)為是隨機(jī)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)之間為弱相關(guān)性，數(shù)據(jù)壓縮比將會(huì)比較大。為了保持全息3D圖像的分辨率，需對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)失真地高效壓縮，準(zhǔn)確地還原重構(gòu)數(shù)據(jù)，采用無(wú)損幀間編碼壓縮算法可能是一種有效的壓縮處理方式。目前，存在各種各樣的視頻壓縮算法，較好的算法平均能夠達(dá)到50%的壓縮比，但是這些算法并未根據(jù)3D對(duì)象的特性進(jìn)行壓縮，還有較大的完善空間和挖掘潛力。全息視頻還需要能夠進(jìn)行平滑回放的實(shí)時(shí)性壓縮，以超高速視頻傳輸率(如60 Gbit/s)解壓縮數(shù)據(jù)將會(huì)對(duì)端到端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟件和硬件帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。

其次是3D對(duì)象數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)挑戰(zhàn)。全息3D龐大的數(shù)據(jù)體量除了給網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)以外，同樣也會(huì)給網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)空間帶來(lái)很難承受的壓力?，F(xiàn)有計(jì)算存儲(chǔ)領(lǐng)域的技術(shù)都可以用到全息裸眼3D應(yīng)用中，但針對(duì)3D對(duì)象的海量實(shí)時(shí)光存儲(chǔ)的技術(shù)還沒(méi)有突破。光存儲(chǔ)國(guó)際會(huì)議(International Symposium on Optical Memory，ISOM)的光存儲(chǔ)路線圖曾提出一種面向10 TB和10 Gbit/s的全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，展示了未來(lái)基于3D全息電影或內(nèi)容分發(fā)的潛在應(yīng)用。

還有就是對(duì)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算能力的挑戰(zhàn)。目前網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能力還不足以應(yīng)付未來(lái)高分辨率和高碼率的全息3D視頻的合成、渲染和重建。在后5G乃至6G時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)全域協(xié)同計(jì)算(支撐大數(shù)據(jù))的能力會(huì)不斷增強(qiáng)，當(dāng)PFlops級(jí)的計(jì)算能力全面進(jìn)入PC領(lǐng)域的時(shí)候(超級(jí)計(jì)算正從后P級(jí)向E級(jí)邁進(jìn)，成為全球各科技強(qiáng)國(guó)競(jìng)相發(fā)展的目標(biāo))，在3D對(duì)象數(shù)據(jù)上利用CGH計(jì)算20 G像素的時(shí)間將從60 min左右減少到20 s左右。

5 結(jié)束語(yǔ)

在未來(lái)的后5G乃至6G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，以微納光場(chǎng)調(diào)控及超表面光學(xué)技術(shù)為代表的手機(jī)裸眼3D顯示應(yīng)用，有可能帶動(dòng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)跨越式的發(fā)展。為了滿足手機(jī)全息3D顯示業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)承載能力苛刻的要求，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建議滿足100 Gbit/s～1 Tbit/s以上的傳輸帶寬，往返時(shí)延優(yōu)于20 ms。為此，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)必須實(shí)現(xiàn)：有400 MHz以上連續(xù)頻譜帶寬信道、100 GHz以上的毫米波—太赫茲—泛光(屬于6G光子學(xué)的范疇)等頻譜資源、16階以上的大規(guī)模天線陣列空間預(yù)編碼物理層鏈路、120 kHz的子載波信道間隔和256QAM以上的調(diào)制方式等諸多要求(或者具有更優(yōu)指標(biāo)的其他技術(shù))。而現(xiàn)有5G移動(dòng)通信系統(tǒng)還不能完全賦予網(wǎng)絡(luò)具備此承載能力，只有依靠后繼演進(jìn)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)才能充分滿足網(wǎng)絡(luò)承載的安全邊際(指標(biāo)要求)，讓全息3D顯示業(yè)務(wù)在未來(lái)各種應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出無(wú)與倫比的吸引力，為用戶帶來(lái)五彩繽紛的3D視覺(jué)盛宴。