虚拟现实的无线网络传输技术研究进展

刘 炜

(广州番禺职业技术学院,广东 广州 511400)

0 引言

社会科技的进步带动了我国大数据、通信网络等技术的发展,虚拟现实系统是一种部署在云端可通过无线通信网络为人们提供各种服务的先进手段,因虚拟现实内容有着较高的分辨率和帧率,所以对无线网络传输带宽有着严格的要求。 为了全面提升虚拟现实系统的实时性、交互性,并为人们提供良好的视觉体验,我国与其他国家的科研人员均对虚拟现实的无线网络传输技术进行了大力的研究。

1 虚拟现实的无线网络传输架构

虚拟现实即采用计算机、大数据等技术模拟出一种能给人们带来视觉、听觉感官体验的三度空间虚拟环境。 借助输入或输出设备,人们便能实现与虚拟环境的交互、影响,还能使其获得极佳的环境体验效果。虚拟现实系统由多部分组成,包括输入设备、输出设备以及计算机。 随着我国科技水平的提升,虚拟现实系统也逐渐向互联网、集成化方向发展。 图1 是基于网络传输系统、终端等构成的系统架构。 虚拟现实包含了两大内容,即虚拟现实三维环境与真实全景视频。

图1 虚拟现实系统架构

健全的虚拟现实视频无线网络传输架构包含了5部分。 第一部分借助全景摄像机拍摄虚拟现实视频,第二部分将多段视频整合成一个全景视频,这样便能为人们带来更真实的VR 视频体验,第三部分是为了便于存储和压缩编码将视频内容几何映射在平面上,第四部分是通过压缩编码消除视频存在的冗余信息,第五部分则是使用互联网技术将视频传输到人们手里。为了提升视频体验效果,无线网络传输效率有了新的挑战[1]。

2 虚拟现实无线网络传输技术要求

2.1 提高虚拟现实无线网络传输效率

自1990 年后,我国与其他国家的科研人员开始研究怎样优化算法并全面提升虚拟现实无线网络传输效率,同时也取得了极佳成果。 在虚拟现实系统中,不管是游戏角色还是交互界面都以三维模型为基础,为了全面发挥虚拟现实无线网络传输效用,我国还要不断压缩传输三维模型。 近些年来,很多传输算法被提出,如三维建模渐进压缩传输算法,但该算法并不适用于所有的传输过程,由于模型顶点删除和表面有着某种联系,所以若表面发生变化,模型原始记录便会失效。此外,为了压缩模型中的大量数据,并提升三维模型网络传输速度,纹理图像压缩算法得到落实,应用期间也取得了极大的成效。 随着大数据技术的发展,基于数据类型转换的点云快速有损压缩算法不仅有效满足三维模型的传输需求,还起到了极佳的压缩效果。

2.2 网络通信协议优化

如今,用户数据包协议以及传输控制协议在网络系统中得到了普遍运用,与无连接UDP 相比,连接TCP的数据更加统一,但因TCP 接收数据包要确认机制,一旦数据包丢失就要重新上传数据包,所以TCP 的实时性要远落后于UDP[2]。 不仅如此,为了解决实时性、可靠性间的矛盾,更多虚拟现实网络通信优化协议被提出,其中包括分布式共享传输协议以及分布式虚拟世界传输和通信协议等。

2.3 提高虚拟现实的无线网络传输带宽

虚拟现实内容拥有较高的帧率和分辨率,所以庞大的数据量对网络传输的带宽能力提出了新的要求。为了防止延迟问题造成人们的眩晕和不适,虚拟现实的无线网络传输系统必须对延时进行合理掌控,最佳要控制在10 ms 级。 而因分辨率等要素的不同,故其对网络传输带宽的要求也不相同,举例说明,分辨率为8K 3D 的无压缩视频的传输速率在100 Gbit·s-1左右,经过百倍压缩,网络传输带宽要达到960 Mbit·s-1,这无疑是对当下网络,尤其是对无线通信网络提出了更严峻的挑战[3]。 不过随着5G 移动通信技术的发展,在设计环节综合分析了虚拟现实网络承载需求。 结合ITU 发布的报告来看,5G 移动通信技术适用于高可靠、低时延通信与增强型移动带宽通信。 随着5G 技术的发展,其致力于为人们提供1Gbit.s-1的体验速率。 这在很大程度上能增强虚拟现实的用户体验效果。 为了实现这一点,5G 在很多技术领域都取得了极佳的科研进展,如大规模天线和超密集组网等技术。

其中,大规模天线技术就是以已有天线为基础并逐步扩大天线数量,通过增加多用户复用增益进而提高高频谱效能。 使用大规模天线技术不但能优化系统容量,还可不断提高传输速率,同时有效解决小区内部出现的干扰问题[4]。 据了解,如今个别地区已在热点覆盖区域增加了小区数量,或将各小区使用的多天线转变成大规模阵列天线,从而构建出大规模协作无线通信环境。 超密集组网是利用增加基站密度来优化系统容量并提高用户效率的。 如今,大多数企业均将注意力和工作重点放在了超密集组网上,并将其视为5G满足数千倍流量增长需求的关键技术。 为了满足更多无线通信服务需求,除了提升频谱带宽与利用率外,加大小区部署密度并优化空间复用度方法等来优化无线网络系统容量。 为了解决超密集组网存在的容量与覆盖性问题,科研人员还要加大对控制承载分离技术的研究力度,并以此为基础构建出更系统、全面的5G 网络架构,如图2 所示。

图2 5G 超密集组网场景架构

多网融合借助5G 多网共存技术实现网络传输效率的提升,全面利用网络资源,在此背景下大幅降低无线网络的布设、运维费用;网络容量的优化能有效满足数据洪流需求,还能最大限度地降低网络开销;IT 化与虚拟化借助IT 技术平台合理替代现有网络设备节点,再借助软件定义网络及网络功能虚拟化技术便能实现网络的集中控制,这不仅能促进网络计算、资源存储的虚拟化,还能增强网络功能的定制化能力。 网络接入智能化演变包含了业务感知、灵活部署等事项。 这一过程不但能降低成本,还能促进用户体验的一致性[6]。

在应用虚拟现实技术的过程中,为了全面满足低延迟、大规模数据传输需求,以SDN 架构为基础的5G 小蜂窝网络解决方案被提出。

全频谱接入是通过利用各种移动通信频谱资源来不断提高用户数据的传输速率并对系统容量进行优化。通常情况下,全频谱接入分为低频段与高频段两种[7]。

低频段由于拥有良好的信道传播特点,所以是5G 通信的最佳频段,高频段因空闲频谱资源十分丰富,所以可起到辅助5G 通信的作用。 在全频谱接入技术框架中,低频段与高频段能借助混合组网的形式进行工作。

3 虚拟现实的无线网络传输技术的发展趋势与面临的挑战

3.1 无线网络传输技术的发展趋势

如今,国家信息通信研究院已明确虚拟现实网络传输技术要向着低时延、多业务隔离以及大带宽方向发展,而虚拟现实关系着数据中心网络、编码压缩以及接入网等网络传输技术,将用户体验作为发展并满足虚拟现实网络传输需求的前提,用户的沉浸感也能随之增强[8]。 随着虚拟现实接入网络技术的发展,WiFi,5G 和大容量无源光纤网络都成为主要发展趋势。 而新型WiFi技术的研发与普及也最大限度地实现了10 Gbit·s-1速率的家庭无线网络覆盖。不仅如此,要想实现虚拟现实头显无线化,就要以60 GHz WiFi 技术为基础。 随着大容量无源光纤网络技术的发展部署,无线网络传输带宽也会增强10 倍以上。 如今,各国已开始落实“10G+”速率的大容量无源光纤网络技术的研究,并期望能全面满足虚拟现实业务的承载需求。 结合5G 移动网络技术,要想确保虚拟现实的完全式沉浸体验,用户体验速率就要在100～1 000 Mbit·s-1范围内,而无线网络的传输时延也要控制在ms 量级。 5G 技术在虚拟现实商用领域全面运用。

此外,架构简化与网络隔离等流程也将成为虚拟现实承载网络技术的发展主流。 根据虚拟现实技术、业务的时延要求,合理规划承载网络能最大限度地满足无线网络带宽需求。 举例说明,承载网络要在10 ms级粒度内才能满足虚拟现实的大流量传输需求。 因为虚拟现实视频对丢包率、带宽等都提出了更高要求,所以要不断简化传统的网络层次和结构,促进网络架构的扁平化就能全面提高承载网的传输效率。 如今,虚拟现实业务的视觉体验功能是借助昂贵的GPU 实现的,在不久的将来,虚拟现实本地计算能力会处于云化形态,在网络数据中心将会部署更为复杂的计算功能,这样就会形成更大数据流规模和降低服务时延的要求。 基于此,随着计算功能的云化发展,低延迟数据中心将是其发展的重点目标。 当下,虚拟现实编码形式以高效视频编码为主。 结合动态图像专家组的研究进展,新一代编码技术的压缩效率会大幅提升30%。

3.2 研究面临的挑战

结合我国5G 通信产业具备的技术优势,虚拟现实成了5G 通信技术的主要应用场景。 和通信产业一样,虚拟现实不论是在市场准备,还是在技术研究以及产业构建等方面,都拥有着极大的合作创新发展空间。虚拟现实的无线网络传输技术是业务领域在带宽、移动性与时延等方面的实际需求,它能全面带动我国无线网络传输技术的发展。 随着承载网技术的进步、更迭,其也可提升无线网络技术的敏捷性与开放性,同时还可实现多业务隔离承载等运营形式。

对虚拟现实的无线网络传输技术的研究也面临着许多挑战,如为了在有限带宽基础上传输更高品质的虚拟现实视频,我国可注重对虚拟现实视频处理技术以及传输架构等技术的研究。 为了全面提升虚拟现实的无线网络传输效率,科研人员可结合现有压缩传输算法并不断优化、升级,从而创作出更先进、精准的传输算法。 为了不断提高虚拟现实无线网络的传输带宽,研究人员可加大对5G 以及超密集组网等技术的研究力度。

4 结语

总之,随着社会经济、科技水平的提升,无线网络技术在我国得到了持续的发展。 在该技术的带动下,虚拟现实技术在我国网络上得到了普遍运用,这也致使基于虚拟现实的无线网络传输技术有着更大的研究价值。 分析无线网络传输效率的提高过程以及对网络通信协议的优化,它不仅提出了更多能解决虚拟现实无线网络传送要求的技术手段,而且通过分析虚拟现实无线网络传输技术的发展情况,更能确定今后研究工作的重心与目标。 科研人员要站在实际应用角度分析虚拟现实视频处理与传输技术问题,再进一步分析视频业务发展对承载网络的技术要求,如此便能开发更多高效率的视频压缩编码,至于低时延这类新技术也能得到更广泛的运用。