陳雷 李雙雙

[摘 要]文章針對5G無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸公安沉浸式3D視頻這類大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)帶來的大頻譜資源占用量及高時(shí)延問題，構(gòu)建MBS-SBS雙層網(wǎng)絡(luò)多播/單播傳輸架構(gòu)，研究基于流量卸載的MBS協(xié)作多播/SBS單播聯(lián)合傳輸方案，以及基于DIBR的視角差異化緩存-計(jì)算卸載策略，探討雙層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的3D視頻傳輸?shù)膽?yīng)用機(jī)制，進(jìn)而提升用戶體驗(yàn)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]5G網(wǎng)絡(luò);公安;3D視頻;應(yīng)用機(jī)制

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2021.26.118

5G通信技術(shù)向超高可靠性、超低時(shí)延、移動(dòng)增強(qiáng)寬帶的數(shù)據(jù)傳輸目標(biāo)不斷邁進(jìn)，為沉浸式體驗(yàn)的發(fā)展提供了技術(shù)支持。以華為、高通及電信運(yùn)營商為代表的公司，自2017年以來，相繼提出對無線網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR/AR）應(yīng)用的設(shè)想，為沉浸式體驗(yàn)融入日常生活提供了指導(dǎo)方向。不難看出，沉浸式數(shù)據(jù)體驗(yàn)具有廣闊的應(yīng)用前景。例如應(yīng)用到公安實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)中，可以通過VR技術(shù)建立“一對一”個(gè)性化實(shí)景教學(xué)模式、實(shí)現(xiàn)多警種聯(lián)合模擬作戰(zhàn)等。通過VR技術(shù)特點(diǎn)，可以根據(jù)公安實(shí)戰(zhàn)環(huán)境設(shè)計(jì)出不同的案發(fā)場所，例如室內(nèi)的刑事案件、道路上的交通事故、公共場所的群體性事件等?；?G網(wǎng)絡(luò)的VR/AR技術(shù)應(yīng)用于公安實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)，可以克服傳統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)中場地、人員、設(shè)備和教學(xué)內(nèi)容不斷更新的限制。

1 公安沉浸式3D視頻無線傳輸面臨的問題

在公安實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)中，利用VR技術(shù)和AR技術(shù)，由沉浸式體驗(yàn)帶來的視覺盛宴，離不開3D-Video的可靠傳輸。3D-Video數(shù)據(jù)的有線傳輸技術(shù)已有了長足的發(fā)展，但在推動(dòng)快速普及的無線傳輸方面，其對網(wǎng)絡(luò)資源要求較高。行業(yè)報(bào)告顯示：具備沉浸式體驗(yàn)的下一代3D-Video寬帶需求量高達(dá)600Mbps，而時(shí)延則要求不高于20ms。有限的無線網(wǎng)絡(luò)資源承載目前業(yè)務(wù)量已十分龐大，未來沉浸式體驗(yàn)帶來的巨大3D-Video業(yè)務(wù)量，更加重了有限網(wǎng)絡(luò)資源的數(shù)據(jù)傳輸壓力。

與此同時(shí)，基于深度圖像的渲染技術(shù)（DIBR）在低清晰度全視角碼流傳輸過程中，從縮小全視角必備視角量的角度，減少3D-Video的頻譜資源占用，基于DIBR的3D-Video多播傳輸方案可緩解無線傳輸壓力。但隨著3D-Video業(yè)務(wù)需求的不斷增長，低清晰度全視角碼流需占用時(shí)頻資源總量依然較大，這將成為未來無線通信不得不面臨的一大挑戰(zhàn)，因此，即便是基于DIBR的低清晰度全視角碼流單播傳輸也仍需直面頻譜資源受限帶來的挑戰(zhàn)。并且多用戶請求相同3D-Video業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)，即便用戶身處相同的視覺環(huán)境下，但由人眼視物機(jī)理可知，環(huán)境映入、聚焦視物的視覺特點(diǎn)導(dǎo)致各用戶捕捉到的特定興趣可視區(qū)域不同，且清晰度要求高。當(dāng)多用戶同時(shí)沉浸相同的視覺環(huán)境時(shí)，高質(zhì)量可視區(qū)域個(gè)性化數(shù)據(jù)傳輸需求差異明顯、變化迅速、偶發(fā)性強(qiáng)。尤其對于覆蓋范圍廣的MBS而言，可接入用戶數(shù)多，在承擔(dān)3D-Video背景數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯?，不同高質(zhì)量、高偶發(fā)、變化快的可視區(qū)域數(shù)據(jù)的同時(shí)請求將會(huì)給MBS帶來巨大的傳輸負(fù)擔(dān)。

2 解決沉浸式3D視頻傳輸?shù)碾p層網(wǎng)絡(luò)傳輸方案

考慮到3D-Video視覺獲取過程中，通常僅關(guān)注當(dāng)前視野部分，當(dāng)前視野之外的部分并沒有真正用到。采用低清晰度全視角加高清晰度主視角的碼流傳輸過程可以減少無線資源占用。以華為公司提出的低質(zhì)量全視角加高質(zhì)量可視區(qū)域傳輸方案為代表，Tile Wise方案根據(jù)用戶的視覺特點(diǎn)，提取了3D-Video不同清晰度數(shù)據(jù)傳輸需要，低質(zhì)量全視角加高質(zhì)量可視區(qū)域，為進(jìn)一步減小頻譜資源占用、降低服務(wù)時(shí)延的研究指明了方向。

受3D-Video業(yè)務(wù)中高清晰度主視請求頻發(fā)/偶發(fā)性，以及其高數(shù)據(jù)量、需求量的影響，鏈路負(fù)載量依然較大，給單層網(wǎng)絡(luò)造成了巨大的傳輸壓力，而由鏈路大負(fù)載量引發(fā)的擁塞問題也是具有低時(shí)延要求的3D-Video不能容忍的。因此在由宏小區(qū)/小小區(qū)組成的密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)這一未來主流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，對3D-Video的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行研究，可大大降低運(yùn)營成本、提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

3D-Video的宏基站/小基站（MBS/SBS）雙層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以充分利用SBS覆蓋區(qū)域小、組網(wǎng)密集的特點(diǎn)，在MBS滿足標(biāo)清全視角數(shù)據(jù)大請求量傳輸?shù)耐瑫r(shí)，結(jié)合SBS覆蓋特點(diǎn)：覆蓋范圍小、覆蓋用戶數(shù)少、收發(fā)端較小的路徑損耗帶來的信號增益明顯且SBS部署密度大，使用戶頻發(fā)/偶發(fā)的高清主視角數(shù)據(jù)請求接入SBS，便可靈活高效地分流鏈路負(fù)載，減小擁塞概率，滿足3D-Video業(yè)務(wù)低時(shí)延、高數(shù)據(jù)量傳輸要求。

3 3D視頻的MBS/SBS雙層網(wǎng)絡(luò)多播/單播傳輸架構(gòu)

根據(jù)人眼聚焦視物、環(huán)境映入特點(diǎn)，針對3D-Video大數(shù)據(jù)帶來的無線鏈路傳輸壓力，利用MBS覆蓋范圍廣、服務(wù)用戶多，而 SBS覆蓋區(qū)域小、服務(wù)用戶少、部署密集的互補(bǔ)性，分析MBS、SBS覆蓋范圍內(nèi)用戶數(shù)據(jù)請求分布，提出一種雙層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的3D-Video數(shù)據(jù)分發(fā)機(jī)制：在MBS滿足標(biāo)清全視角（SDFVs）數(shù)據(jù)大請求量傳輸?shù)耐瑫r(shí)，使用戶頻發(fā)/偶發(fā)的高清主視角 （HDPV）數(shù)據(jù)請求接入SBS，設(shè)計(jì)多播/單播聯(lián)合傳輸方案，實(shí)現(xiàn)SDFVs及HDPV的數(shù)據(jù)傳輸。

雙層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的3D-Video數(shù)據(jù)分發(fā)過程中，通過MBS協(xié)作多播傳輸用戶視野范圍內(nèi)的SDFVs背景數(shù)據(jù)，通過SBS單播傳輸用戶可視區(qū)域的HDPV目標(biāo)數(shù)據(jù)。首先，考慮到在MBS下的SDFVs被多用戶請求概率大，兼顧到多播組用戶的差異化信道條件，采用多播傳輸方式使得同一頻譜資源同時(shí)滿足多用戶對3D-Video較低清晰度背景數(shù)據(jù)的請求。其次，由于用戶同時(shí)存在不同的HDPV請求，且SBS下被單用戶請求概率高，被多用戶請求概率低，采用SBS單播傳輸方式，利用用戶與SBS之間信道的小路徑損耗特性，滿足單用戶對可視區(qū)域的高清目標(biāo)數(shù)據(jù)請求。最后，在MBS-SBS雙層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，以優(yōu)化3D-Video數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)無線異構(gòu)頻譜資源的合理調(diào)度，從而靈活高效地分流鏈路負(fù)載，減小擁塞概率，提高頻譜利用率，達(dá)到3D-Video業(yè)務(wù)低時(shí)延、高速率傳輸要求。