光纤宽带的云VR业务家庭无线网络承载方案研究

孙 凯

（上海城建职业学院科技处，上海201415）

0 引 言

随着国家新基建战略的实施，近2年运营商把5G和光纤宽带双千兆作为通信基础设施建设的重点［1-3］。同时云计算、AI、终端智能化等新技术为信息化应用带来了颠覆性的变革和发展机会。以VR为代表的xR业务成为产业链抢先进行商业探索的新兴业务，比如5G商用领先的韩国运营商LG U+和SK，积极尝试通过VR商用业务寻求5G网络的变现，国内运营商则在2019年推出5G云VR业务［4］，探索面向个人和家庭的应用场景。业界VR业务主要分为本地VR和云VR两种［5］。本地VR通过高性能终端实现图像渲染，但存在终端价格昂贵，舒适性欠佳，且内容分散在多个厂商处，难以有效共享和运营的问题。运营商主推的云VR业务，借助运营商高速的网络和强大的省级边缘计算能力，实现内容、渲染的云化，大幅降低用户侧终端成本和轻量化体验，同时在内容、生态方面联合产业链合作伙伴协同发力、共同培育。为了让云VR能够达到与本地VR相同的体验，运营商把时延和无线传输作为影响VR业务的关键挑战和问题，并从以下两方面开展技术方案研究和验证。①研究VR业务端到端网络承载方案［6］，提升平台、承载网、边缘节点、家庭无线网络的承载能力，满足大带宽、低时延需求；②考虑5G网络部署尚在完善中，运营商近期仍以基于光纤的家庭WiFi网络作为云VR的承载基础，因此需要研究家庭内高性能WiFi技术，解决终端在家庭内WiFi干扰、信号衰减等连接技术问题［7-8］。

本文重点研究运营商基于光纤宽带开展家庭WiFi承载VR业务的网络承载需求模型，并基于模型进行了平台、承载网、家庭网络的关键技术方案研究和验证。

1 家庭无线网络承载云VR业务需求

1.1 业务现状

随着VR终端智能化与VR内容的丰富，运营商云VR业务在2C2H场景方面进行了积极的探索。根据2019年7月观研天下发布的《2019年中国虚拟现实（VR）行业分析报告》报告中的消费者需求洞察数据发现，消费者对VR内容与应用的需求偏好为巨幕电影80.1%、全景视频76.8%、全景漫游36.4%、全景图片28.8%、VR游戏27.9%［4］。

针对家庭用户的特点，运营商目前主要开展的VR业务分为两大类：① 弱互动类，如直播、点播等。②强互动类，如游戏、教育等。具体业务场景见表1。

从表1可以看到，目前VR业务重点以直播、游戏等视频流承载为主，为了更好的用户体验，需要对各种业务场景下的家庭网络承载能力进行业务质量方案制定和评测。

表1 家庭VR业务场景

1.2 业务质量需求

VR业务质量涉及端到端的质量保障，包括网络传输、平台视频渲染与编码、终端解码和WiFi连接等环节。综合国内光纤带宽、平台云化、终端性能、用户体验等指标，参考中国通信标准化协会2018年发布的《云化虚拟现实总体技术研究白皮书》中VR业务分为初级沉浸（起步阶段）、部分沉浸（舒适体验）、深度沉浸（进阶体验）、完全沉浸（极致体验）4个阶段［9］，国内现在处于部分沉浸阶段（家庭带宽区间100～300MB），用户在舒适体验下操作响应时延指标应在100 ms以内（参见《云化虚拟现实总体技术研究白皮书》）。在实际业务测试中，为给用户提供更好的业务体验，运营商将宽带入户侧到云平台的网络端到端承载RTT时延目标控制在平均30ms，而家庭内AP的WiFi能力在一定干扰下，需要将时延控制在10 ms。

考虑到运营商目前重点发展500 MB和千兆带宽业务，且家庭中同时要承载IPTV、上网等业务，因此本文中的方案将基于主流500 MB带宽部分沉浸体验的业务质量要求进行研究和验证测试。根据目前家庭VR业务场景，本文根据4 K/8 K和2D/3D两个维度，对VR视频和游戏单业务的网络承载要求进行了定义［10］，如表2所示。

表2 单业务网络承载质量需求

家庭用户在实际选择VR业务组合时，可分为入门级场景、中级业务场景和高级业务场景，不同的业务场景也会对承载网和家庭WiFi能力指标有不同的需求，如表3所示。考虑到目前业务发展处于探索阶段，本文的研究将基于单个家庭用户开通一路8K 2D视频和一路3K游戏为典型入门级场景，进行业务质量的技术方案研究和测试。

表3 单家庭用户场景业务质量需求指标

2 家庭无线网络承载云VR业务质量模型及关键技术方案

本文对运营商云VR涉及的相关网元的网络承载能力进行业务质量模型构建，并针对现网实际部署中的关键技术问题进行分析和方案制定［11-13］。

2.1 家庭无线网络承载业务质量模型

运营商云VR业务质量涉及的相关网元，包括家庭WiFi网络、宽带接入网（包括ONT和OLT）、城域网、云平台（包括集约平台和边缘内容节点），如图1所示。

图1 业务质量涉及网元

由图1所示，业务质量模型的主要影响因素包括关键质量指标体系及相应的网络承载方案，业务质量模型公式如下：Qoe=f（｛Qs，Qi，Qv｝，Qt）。其中（Qs，Qi，Qv）分别代表影响业务质量的带宽、时延、时延、丢包指标。Qt是基于该指标体系的网络承载方案。相关指标描述如下（指标数据基于实验室测试经验数据）：

Qs是保障端到端的网络带宽指标，包括家庭内AP WiFi连接带宽，家庭入户接入带宽（入户ONT到BRAS）和接入网到云平台的带宽保障三部分。根据带宽保障要求，满足单个家庭用户开通一路8K 2D视频（80 Mb/s）和一路3K游戏（40 Mb/s）家庭带宽需求，家庭内AP WiFi连接带宽需＞120 Mb/s；家庭入户接入带宽需＞300 Mb/s（考虑接入带宽实际速率）；接入网到云平台（含边缘节点和集约平台）的带宽测算依据为120 Mb/s×VR用户数×并发率（根据实际网络容量配置）。

Qi是保障用户体验无卡顿的平均时延指标（RTT）。家庭内APWiFi连接平均RTT需＜10 ms，抖动（影响用户眩晕感指标）RTT＞20 ms的概率低于1%；从接入网到云平台的平均RTT＜10 ms，最大RTT＜30 ms。

Qv是影响音视频失真、间断、噪音的丢包率指标，VR业务端到端丢包率需＜10-5。

Qt是基于业务质量指标设计的网络承载方案，包括家庭内WiFi网络、接入网、城域网、云平台的组网方案。在设计网络承载方案时，需要根据用户发展数量，来评估分省建设边缘节点和分地市建设边缘节点的技术可行性。在图1中可以看到，为用户提供实际VR

视频和游戏内容的平台部署在边缘节点，集约平台只负责用户认证和内容资源统一管理，因此端到端的业务质量只考虑用户到边缘节点部分。

2.2 关键技术方案

影响业务质量的网络承载模型可以分为两部分，一部分是家庭内部的WiFi连接时延控制在10 ms，一部分是从接入网（家庭入户宽带）到云平台的网络时延控制在20～30 ms。下面分别针对这两部分进行关键技术方案的分析和建议。

（1）从接入网（家庭入户宽带）到云平台的组网方案。在业务初期VR用户较少的情况下，可以直接建设省级的边缘节点，包含视频CDN和游戏渲染节点，为本地用户提供VR视频和游戏业务，直播业务直接通过集约平台提供。现以业务规模发展到10万用户的复杂场景为例（文中相应并发率、用户订购率等根据以往新业务发展经验值设定），需要建设本地CDN节点，与省CDN节点、集约平台形成三级分发架构，如图2所示，相关技术要求包括。①接入网。VR业务占用普通上网通道，优选在10G-EPON/XG-PON OLT下开展VR业务，在PON口带宽充足情况下，可暂不限制VR用户数。OLT上联端口建议2×10GE且OLT下VR用户≤100个。②城域网。打通城域网核心交换机CR到CDN POP交换机，根据并发配置要求，提供负载均衡和冗余保护。开启交换机与服务器之间的trunk功能，为交换机提供高带宽数据传输保障。③地市POP交换机与省级POP交换机专线连接。带宽诉求包括三部分，包括视频直播、视频点播回源省CDN、VR游戏。根据不同的并发模型，带宽诉求计算方法示例（假设集约平台连接省POP交换机是1 Gb/s直播流量可支持4频道，VR和点播并发数根据新业务经验值设定）：1 Gb/s直播+地市VR用户数×10%并发×15%点播回源×90 Mb/s峰值速率+地市VR用户数×2%游戏订购率×5%并发。④省POP交换机与集约平台为保障1 Gb/s直播，采用2×GE专线trunk捆绑接入POP交换机，实现负载分担和冗余备份。省POP交换机与省游戏渲染平台，根据10万用户模型，预估数据流量8 Gb/s（80 Mb/s×10万用户×2%购买百分比×5%并发），专线接入方式组trunk连接至POP交换机，采用2×10GE专线trunk捆绑接入POP交换机，实现负载分担和冗余备份。

图2 接入网到云平台组网方案

（2）家庭内部WiFi组网方案。为保证家庭内VR终端的WiFi速率达到120 Mb，则入户接入的带宽不小于300 Mb/s。VR终端可直接通过方案1家庭网关自带WiFI能力或方案2家庭网关下外接AP路由器的方式提供WiFi承载能力，家庭网络拓扑图如图3所示。

图3 家庭网络拓扑结构

在该家庭网络拓扑下，家庭网关、AP路由器的规格和WiFi配置需要满足业务质量相关指标要求。其中，家庭网关的下行AP连接Lan口和AP路由器的上行Wan口应支持千兆GE口，且家庭网关的3层转发能力＞500 Mb/s（时延不含WIFI平均小于2 ms）。家庭网关下行（LAN）千兆GE口与新增AP上行（WAN）千兆GE口间通过超五类或六类网线连接，VR终端WiFi连接家庭网关或AP路由器的可视距离＜5 m，中间无阻挡。家庭网关和AP路由器的WiFi的承载能力应满足：①WiFi需支持千兆双频，支持5G WiFi（11ac及以上），2×2 MIMO（及以上），80 MHz频宽。②需配置5G专用WiFi承载VR业务，不与其他家庭上网业

3 家庭无线网络承载云VR业务的应力测试

基于以上业务质量模型和技术方案，在实验室环境中进行了家庭用户入门级VR业务应用场景下的验证测试。

3.1 测试环境

实验室测试环境包括测试区域和干扰区域。测试区域用于模拟家庭VR业务端到端的网络承载环境，相关网元包括：VR视频业务接入现网实验节点服务器1，VR游戏业务分别接入实验室同局域网内游戏服务器2和现网实验节点服务器1，且考虑到两服务节点的传输距离的差异，在测试过程中网络损伤仪的配置上引入了2.5 ms的时延。干扰区域则用于模拟家庭内的WiFi干扰源，采用与承载VR业务无线热点的同频的WiFi 5G信号，相关参数要求包括：10 Mb/s下行速率、1 Mb/s上行速率、-75 dBm信号强度。实验室VR测试环境网络拓扑（见图4）。

图4 VR测试环境网络拓扑结构

测试系统主要包括：VR终端、AP路由器、ONT、承载网络交换机、VR视频/游戏服务器、网损仪、Chariot服务器及客户端分析工具［14-17］，相关测试工具和配置表（见表4和表5）。

表4 测试工具及资源配置表

表5 网络损伤仪参数配置表

3.2 测试结论

测试人员在VR测试环境下对家庭用户入门级VR业务中的VR视频和VR云游戏两类业务，分别从卡顿、马赛克、花屏和画面模糊、有无滞后、移动拖影等关键用户体验指标进行测试，得出的测试结果（见表6）。

表6 主流厂商WiFi5千兆双频路由对入门级VR业务承载能力的测试结果

综上，在单家庭典型入门级场景业务承载需求的场景下，通过测试人员现场对两种业务的用户体验关键指标进行测试，得出的结论是1路视频和1路游戏业务并发情况下用户体验良好，进而得出业界主流厂商WiFi 5（1 200 Mb及以上规格）千兆双频路由器均可满足家庭用户入门级VR业务的承载能力要求。

4 结 语

2020年是运营商云VR的商用元年，大带宽、低时延的业务体验保障则是实现云VR规模推广的重点技术工作。本文以用户在舒适体验下操作响应时延指标应在100 ms以内为目标，研究了主流500 Mb家庭光纤宽带和WiFi网络环境下，运营商在接入网、城域网、边缘节点的端到端网络部署能力，通过各网元间的时延要求，制定了关键技术部署方案和组网指标模型，并通过该部署方案把端到端时延指标实现到50 ms左右。通过实验室测试和2020年的商用验证来看，满足了业务发展初期单个家庭用户入门级场景的家庭网络承载需求，对家庭用户VR业务发展提供了技术依据。未来随着千兆带宽的普及，在大规模并发、多路VR业务复杂场景的家庭网络承载方案和指标体系的构建方面，还需要通过增加多种维度视角来进一步细化模型，在后续的技术方案研究中实现进一步完善。