5G-A沉浸式通信新能力推动元宇宙迈向新阶段

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张弘骉、孔露婷等 中移智库

人们对未来生活的美好愿景驱动着通信业务发展和技术演进，从1G时代的IP话音，到2G时代的语音通话、文本短信，从3G时代的音视频通话，到4G时代的移动互联网，再到5G时代的万物互联，每一代通信技术的演进与迭代都给人们的生产生活方式带来了革命性变化。

随着超高清视频渲染能力和终端显示技术的不断发展，以及5G-A技术的日益成熟，通信业务也向着高沉浸、强交互、多维多模态的方向演进，进一步实现人与人、人与物的三维动态感知与交互，激发了人们对元宇宙等未来生活方式的追求向往，以及一系列超高清沉浸式的业务应用，例如XR（扩展现实）。XR作为元宇宙的初级核心载体，随着5G网络、AI、边缘计算、云计算等基础设施建设不断完善，内容生态也越来越丰富，给人们的生产生活方式注入全新活力，成为带动消费升级的重要载体。

沉浸式业务端到端挑战

XR沉浸式业务具有高沉浸、强交互、多维多模态等特征，对于端到端产业提出了诸多挑战，涉及头显设备、业务内容、网络传输、体验评估等。

在头显设备方面，受限于光学方案和电池等因素，目前头显设备仍然较为笨重，影响用户佩戴的舒适性。VR（虚拟现实）/MR（混合现实）头显一般采用菲涅尔透镜光学方案，成像距离远、光学元件厚，而新产品逐步采用Pancake（折叠光路）方案，有助于缩短成像距离，并通过电池后置、电池外置等方式将电池移出主机，避免增加主机重量。虽然Pancake方案和电池外置为头显设备进行了“瘦身”，但是目前主流头显设备的重量仍达到400g~600g，续航时间仅2至3小时，此外屏幕、高性能芯片功耗较高，需要进一步开展技术攻关。

在业务内容方面，当前XR的内容生态聚焦于视频、游戏、社交场景，其他领域内容涉及较少。由于制作成本高、周期长，以及XR市场本身规模不大，大厂仍处于观望状态，导致XR内容占比不高，难以激发消费者购买欲望。

在网络连接方面，以4K VR业务为例，在单用户场景下需要网络提供百兆bit/s的传输速率、稳定的20ms网络传输时延以及70ms的MTP（运动响应时延），是典型的兼顾大带宽和低时延的业务。此外，大空间XR业务存在移动性要求，需要基于5G-A技术保障多用户并发场景下流畅的业务体验。

在体验评估方面，对于如何评价XR业务的用户体验，业界尚未形成客观、量化的方法，而且不同头显、云平台、网络厂家的指标统计方法存在差异，难以横向对比。因此，业界迫切需要建立完善的评估标准和指标体系，明确通信网络指标与影响业务体验指标的映射模型和评估标准，统一XR业务的帧级时延、速率、时延抖动等指标的定义，以及数据采集、测量上报和统计方法，用于问题定位定界。

5G-A沉浸式通信技术体系

针对上述挑战，中国移动基于XR业务特征，以“信息跨层共享、连接多维增强、感知量化评估”为核心理念，提出毫秒级业务感知保障技术、帧级多维连接增强技术、面向XR沉浸式体验的5G指标体系等技术方案，构建面向XR业务的5G-A沉浸式通信技术体系。

网业跨层感知及协同技术

针对网络对业务信息感知，目前标准方案为业务服务器通过RTP（实时传输协议）扩展头携带业务帧级信息并传递给核心网UPF（用户平面功能），再由UPF通过GTP-U（用户数据传输协议）接口传递给RAN（无线接入网）侧。在此基础上，当业务服务器不支持业务信息共享时，基站可启动业务帧级特征精细感知方案，结合基站智能化能力，根据业务数据的来包特征进行关系识别，获取业务的帧周期、帧大小、帧重要性等信息，并针对帧级数据进行精细化调度。与此同时，针对业务对网络状态的感知，该方案可以基于空口状态的业务自适应调整技术，通过将拥塞等网络状态信息开放给应用层，触发应用层动态调整编码速率，从而使得应用速率不断适配网络状态。

帧级多维连接增强技术

针对时延、容量、移动性等影响XR用户体验的三大关键指标，中国移动开展了多维度的连接能力增强，提出帧时延调度方案（如图1所示），在调度算法中引入帧时延约束，依据数据包的帧时延余量调整调度优化级，保障在约束时间内完成一帧所有数据包的调度；还提出帧完整性调度方案，在多用户时引入当前传输帧的已传数据比例，比例越高，该帧剩余包调度优先级越高；提出基于帧边界的切换控制方案（如图2所示），在两帧传输的间隔发起切换，降低切换中断对一帧完整传输的影响。

面向XR沉浸式体验的5G网络指标体系

针对尚无面向XR业务的网络性能评测标准，中国移动提出面向XR业务体验的帧级网络指标体系、测试方法及设备要求，形成帧级网络KPI指标定义及其统计方法，包含帧级上行/下行网络传输时延、帧级上行/下行空口传输时延、帧级上行/下行时延分布、帧级上行/下行时延抖动、帧级切换中断时延、帧级上行/下行网络传输吞吐率和帧级上行/下行空口传输吞吐率等，建立网络指标与影响业务体验指标的映射模型，实现用户体验量化感知，并在CCSA（中国通信标准化协会）中主导推进相关行业标准项目，引导产业形成共识。

5G-A沉浸式通信应用新范例

为保障关键技术方案可应用可落地，中国移动牵头完成多种站型的原型样机开发，主导开展实验室及外场测试，面向文体娱乐等应用场景，加速沉浸式业务5G应用的试点落地，打造应用示范标杆。

在北京工人体育场，中国移动开展了基于5G-A网业融合新技术的应用试点，采用新型的云网算一体化部署架构，创新应用5G-A基站业务感知功能、灵活资源管理能力、端边协同渲染方案等，实现实时百兆bit/s体验速率以及低于20ms的帧级网络传输时延，充分满足了4K分辨率、90fps的沉浸式高交互XR业务对网络传输能力的需求，使用户能够在虚拟空间中流畅体验足球比赛，为工体观众提供基于中国移动5G网络的元宇宙数实融合新体验。

在首钢高炉科幻乐园，中国移动开展了室内超密集沉浸式场景下的XR竞技游戏应用试点，基于5G-A网络提供的大带宽和低时延能力，以及“免背包”“去线缆”的分离式渲染方案，可同时提供数十个用户的实时百兆bit/s的体验速率和低于10ms的平均空口下行传输时延，满足XR业务将背包中本地渲染数据上移至云端渲染的网络传输需求和“零卡顿”体验的移动性需求，在1000平方米的空间内，用户可以“轻装上阵”，体验更加沉浸的无边界虚拟世界。

在杭州亚运会期间，中国移动开展了面向杭州亚运会高清沉浸业务的5G-A新技术应用，打造VR电竞、VR赛事直播、裸眼3D看亚运等新业务，采用5G业务特征感知、帧级调度优化、多流精细化保障、精准切换控制等技术，实现多用户多业务并发场景下20ms业务帧级无线传输时延以及125Mbit/s帧级保障速率，有效保障多种类型高清强交互3D云化业务的流畅体验，为观众重新定义赛事的“现场”体验，感受“沉浸、精彩、互动”的元宇宙亚运会。

展望未来，随着网络传输能力和头显终端性能的不断提升，XR业务也将进入全面沉浸、虚实融合的时代，业务与网络的相互感知、相互协同、相互融合也将愈加紧密。中国移动将致力于推动5G-A技术全面发展，探索5G-A承载元宇宙的技术路径，更好地支撑数字化中国建设，尽全力满足未来人们对精神生活和物质生活的全方位需求。