劉 煒

(廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州 511400)

0 引言

社會科技的進步帶動了我國大數(shù)據(jù)、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是一種部署在云端可通過無線通信網(wǎng)絡(luò)為人們提供各種服務(wù)的先進手段,因虛擬現(xiàn)實內(nèi)容有著較高的分辨率和幀率,所以對無線網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬有著嚴格的要求。 為了全面提升虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)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(xiàn)實的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)進行了大力的研究。

1 虛擬現(xiàn)實的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)

虛擬現(xiàn)實即采用計算機、大數(shù)據(jù)等技術(shù)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(huán)境。 借助輸入或輸出設(shè)備,人們便能實現(xiàn)與虛擬環(huán)境的交互、影響,還能使其獲得極佳的環(huán)境體驗效果。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由多部分組成,包括輸入設(shè)備、輸出設(shè)備以及計算機。 隨著我國科技水平的提升,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)也逐漸向互聯(lián)網(wǎng)、集成化方向發(fā)展。 圖1 是基于網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、終端等構(gòu)成的系統(tǒng)架構(gòu)。 虛擬現(xiàn)實包含了兩大內(nèi)容,即虛擬現(xiàn)實三維環(huán)境與真實全景視頻。

圖1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)架構(gòu)

健全的虛擬現(xiàn)實視頻無線網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)包含了5部分。 第一部分借助全景攝像機拍攝虛擬現(xiàn)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(nèi)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(lián)網(wǎng)技術(shù)將視頻傳輸?shù)饺藗兪掷?。為了提升視頻體驗效果,無線網(wǎng)絡(luò)傳輸效率有了新的挑戰(zhàn)[1]。

2 虛擬現(xiàn)實無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)要求

2.1 提高虛擬現(xiàn)實無線網(wǎng)絡(luò)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(yōu)化算法并全面提升虛擬現(xiàn)實無線網(wǎng)絡(luò)傳輸效率,同時也取得了極佳成果。 在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中,不管是游戲角色還是交互界面都以三維模型為基礎(chǔ),為了全面發(fā)揮虛擬現(xiàn)實無線網(wǎng)絡(luò)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(lián)系,所以若表面發(fā)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(shù)據(jù),并提升三維模型網(wǎng)絡(luò)傳輸速度,紋理圖像壓縮算法得到落實,應(yīng)用期間也取得了極大的成效。 隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展,基于數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議優(yōu)化

如今,用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議以及傳輸控制協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中得到了普遍運用,與無連接UDP 相比,連接TCP的數(shù)據(jù)更加統(tǒng)一,但因TCP 接收數(shù)據(jù)包要確認機制,一旦數(shù)據(jù)包丟失就要重新上傳數(shù)據(jù)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(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化協(xié)議被提出,其中包括分布式共享傳輸協(xié)議以及分布式虛擬世界傳輸和通信協(xié)議等。

2.3 提高虛擬現(xiàn)實的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬

虛擬現(xiàn)實內(nèi)容擁有較高的幀率和分辨率,所以龐大的數(shù)據(jù)量對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膸捘芰μ岢隽诵碌囊?。為了防止延遲問題造成人們的眩暈和不適,虛擬現(xiàn)實的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)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(jīng)過百倍壓縮,網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬要達到960 Mbit·s-1,這無疑是對當(dāng)下網(wǎng)絡(luò),尤其是對無線通信網(wǎng)絡(luò)提出了更嚴峻的挑戰(zhàn)[3]。 不過隨著5G 移動通信技術(shù)的發(fā)展,在設(shè)計環(huán)節(jié)綜合分析了虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)承載需求。 結(jié)合ITU 發(fā)布的報告來看,5G 移動通信技術(shù)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(shù)的發(fā)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(xiàn)實的用戶體驗效果。 為了實現(xiàn)這一點,5G 在很多技術(shù)領(lǐng)域都取得了極佳的科研進展,如大規(guī)模天線和超密集組網(wǎng)等技術(shù)。

其中,大規(guī)模天線技術(shù)就是以已有天線為基礎(chǔ)并逐步擴大天線數(shù)量,通過增加多用戶復(fù)用增益進而提高高頻譜效能。 使用大規(guī)模天線技術(shù)不但能優(yōu)化系統(tǒng)容量,還可不斷提高傳輸速率,同時有效解決小區(qū)內(nèi)部出現(xiàn)的干擾問題[4]。 據(jù)了解,如今個別地區(qū)已在熱點覆蓋區(qū)域增加了小區(qū)數(shù)量,或?qū)⒏餍^(qū)使用的多天線轉(zhuǎn)變成大規(guī)模陣列天線,從而構(gòu)建出大規(guī)模協(xié)作無線通信環(huán)境。 超密集組網(wǎng)是利用增加基站密度來優(yōu)化系統(tǒng)容量并提高用戶效率的。 如今,大多數(shù)企業(yè)均將注意力和工作重點放在了超密集組網(wǎng)上,并將其視為5G滿足數(shù)千倍流量增長需求的關(guān)鍵技術(shù)。 為了滿足更多無線通信服務(wù)需求,除了提升頻譜帶寬與利用率外,加大小區(qū)部署密度并優(yōu)化空間復(fù)用度方法等來優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量。 為了解決超密集組網(wǎng)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(shù)的研究力度,并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建出更系統(tǒng)、全面的5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),如圖2 所示。

圖2 5G 超密集組網(wǎng)場景架構(gòu)

多網(wǎng)融合借助5G 多網(wǎng)共存技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸效率的提升,全面利用網(wǎng)絡(luò)資源,在此背景下大幅降低無線網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)、運維費用;網(wǎng)絡(luò)容量的優(yōu)化能有效滿足數(shù)據(jù)洪流需求,還能最大限度地降低網(wǎng)絡(luò)開銷;IT 化與虛擬化借助IT 技術(shù)平臺合理替代現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點,再借助軟件定義網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)便能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的集中控制,這不僅能促進網(wǎng)絡(luò)計算、資源存儲的虛擬化,還能增強網(wǎng)絡(luò)功能的定制化能力。 網(wǎng)絡(luò)接入智能化演變包含了業(yè)務(wù)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(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的過程中,為了全面滿足低延遲、大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸需求,以SDN 架構(gòu)為基礎(chǔ)的5G 小蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)的傳輸速率并對系統(tǒng)容量進行優(yōu)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(shù)框架中,低頻段與高頻段能借助混合組網(wǎng)的形式進行工作。

3 虛擬現(xiàn)實的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢與面臨的挑戰(zhàn)

3.1 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢

如今,國家信息通信研究院已明確虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)要向著低時延、多業(yè)務(wù)隔離以及大帶寬方向發(fā)展,而虛擬現(xiàn)實關(guān)系著數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)、編碼壓縮以及接入網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù),將用戶體驗作為發(fā)展并滿足虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)實接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,WiFi,5G 和大容量無源光纖網(wǎng)絡(luò)都成為主要發(fā)展趨勢。 而新型WiFi技術(shù)的研發(fā)與普及也最大限度地實現(xiàn)了10 Gbit·s-1速率的家庭無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。不僅如此,要想實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實頭顯無線化,就要以60 GHz WiFi 技術(shù)為基礎(chǔ)。 隨著大容量無源光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展部署,無線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究,并期望能全面滿足虛擬現(xiàn)實業(yè)務(wù)的承載需求。 結(jié)合5G 移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù),要想確保虛擬現(xiàn)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(nèi),而無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延也要控制在ms 量級。 5G 技術(shù)在虛擬現(xiàn)實商用領(lǐng)域全面運用。

此外,架構(gòu)簡化與網(wǎng)絡(luò)隔離等流程也將成為虛擬現(xiàn)實承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展主流。 根據(jù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)、業(yè)務(wù)的時延要求,合理規(guī)劃承載網(wǎng)絡(luò)能最大限度地滿足無線網(wǎng)絡(luò)帶寬需求。 舉例說明,承載網(wǎng)絡(luò)要在10 ms級粒度內(nèi)才能滿足虛擬現(xiàn)實的大流量傳輸需求。 因為虛擬現(xiàn)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(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層次和結(jié)構(gòu),促進網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的扁平化就能全面提高承載網(wǎng)的傳輸效率。 如今,虛擬現(xiàn)實業(yè)務(wù)的視覺體驗功能是借助昂貴的GPU 實現(xiàn)的,在不久的將來,虛擬現(xiàn)實本地計算能力會處于云化形態(tài),在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心將會部署更為復(fù)雜的計算功能,這樣就會形成更大數(shù)據(jù)流規(guī)模和降低服務(wù)時延的要求。 基于此,隨著計算功能的云化發(fā)展,低延遲數(shù)據(jù)中心將是其發(fā)展的重點目標(biāo)。 當(dāng)下,虛擬現(xiàn)實編碼形式以高效視頻編碼為主。 結(jié)合動態(tài)圖像專家組的研究進展,新一代編碼技術(shù)的壓縮效率會大幅提升30%。

3.2 研究面臨的挑戰(zhàn)

結(jié)合我國5G 通信產(chǎn)業(yè)具備的技術(shù)優(yōu)勢,虛擬現(xiàn)實成了5G 通信技術(shù)的主要應(yīng)用場景。 和通信產(chǎn)業(yè)一樣,虛擬現(xiàn)實不論是在市場準(zhǔn)備,還是在技術(shù)研究以及產(chǎn)業(yè)構(gòu)建等方面,都擁有著極大的合作創(chuàng)新發(fā)展空間。虛擬現(xiàn)實的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)是業(yè)務(wù)領(lǐng)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(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的發(fā)展。 隨著承載網(wǎng)技術(shù)的進步、更迭,其也可提升無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的敏捷性與開放性,同時還可實現(xiàn)多業(yè)務(wù)隔離承載等運營形式。

對虛擬現(xiàn)實的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的研究也面臨著許多挑戰(zhàn),如為了在有限帶寬基礎(chǔ)上傳輸更高品質(zhì)的虛擬現(xiàn)實視頻,我國可注重對虛擬現(xiàn)實視頻處理技術(shù)以及傳輸架構(gòu)等技術(shù)的研究。 為了全面提升虛擬現(xiàn)實的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸效率,科研人員可結(jié)合現(xiàn)有壓縮傳輸算法并不斷優(yōu)化、升級,從而創(chuàng)作出更先進、精準(zhǔn)的傳輸算法。 為了不斷提高虛擬現(xiàn)實無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬,研究人員可加大對5G 以及超密集組網(wǎng)等技術(shù)的研究力度。

4 結(jié)語

總之,隨著社會經(jīng)濟、科技水平的提升,無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在我國得到了持續(xù)的發(fā)展。 在該技術(shù)的帶動下,虛擬現(xiàn)實技術(shù)在我國網(wǎng)絡(luò)上得到了普遍運用,這也致使基于虛擬現(xiàn)實的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)有著更大的研究價值。 分析無線網(wǎng)絡(luò)傳輸效率的提高過程以及對網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的優(yōu)化,它不僅提出了更多能解決虛擬現(xiàn)實無線網(wǎng)絡(luò)傳送要求的技術(shù)手段,而且通過分析虛擬現(xiàn)實無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的發(fā)展情況,更能確定今后研究工作的重心與目標(biāo)。 科研人員要站在實際應(yīng)用角度分析虛擬現(xiàn)實視頻處理與傳輸技術(shù)問題,再進一步分析視頻業(yè)務(wù)發(fā)展對承載網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)要求,如此便能開發(fā)更多高效率的視頻壓縮編碼,至于低時延這類新技術(shù)也能得到更廣泛的運用。