中国移动 5G 联合创新中心创新研究报告 5G 云 XR 云网架构与 解决方案研究报告 （ 2020 年） 2020 年 8 月 创新 研究报告 2 中国移动 5G 联合创新中心创新研究报告 5G 云 XR 云网架构与解决方案研究报告 摘 要 为了促进云 XR 业务的发展，在 5G 云 XR 端到端能力需求研究报告的基础上，中国移动 5G 联创中心联合产业伙伴发布本研究报告。 本报告基于云 XR 业务需求和面临的挑战，梳理了三类业务的逻辑架构，并详细描述了云侧、网络侧、边缘侧、端侧为满足三类业务所提供的解决方案和关键能力。 本报告适用于指导电信运营商部署 5G 云网架构，实现云 XR 业务的规模发展。 创新 研究报告 3 中国移动 5G 联合创新中心创新研究报告 5G 云 XR 云网架构与解决方案研究报告 目 录 1. 云 XR 业务需求与挑战 . 5 1.1 云 XR 业务需求指标 . 5 1.2 云 XR 业务对 5G 云网的挑战 . 6 1.2.1 5G 云网协同的整体挑战 . 6 1.2.2 网络侧挑战 . 7 1.2.3 边侧挑战 . 8 1.2.4 云侧挑战 . 8 1.2.5 终端侧挑战 . 9 2. 云网协同的部署架构 . 10 2.1 端到端逻辑总体架构 . 10 2.2 三类业务端到端架构 . 11 2.2.1 弱交互云 VR 业务架构 . 11 2.2.2 强交互云 VR 业务架构 . 12 2.2.3 云 AR 业务架构 . 13 2.3 云网架构关键能力清单 . 14 3. 云 XR 端到端服务能力和关键技术 . 17 3.1 云 XR 5G 网络服务能力 . 17 3.1.1 5G 对云 XR 的 SLA 保障能力 . 17 3.1.2 5G RAN 的 SLA 能力和关键技术 . 22 3.1.3 5G Core 对 XR 的 SLA 能力 . 26 3.1.4 5G 承载对 XR 的 SLA 能力 . 31 3.2 云 XR 边缘云服务能力 . 32 3.2.1 边缘云总体架构 . 32 3.2.2 边缘云 IaaS 层关键服务能力 . 33 3.2.3 边缘云 PaaS 层服务能力 . 38 3.2.4CDN 部署与调度能力 . 48 创新 研究报告 4 中国移动 5G 联合创新中心创新研究报告 5G 云 XR 云网架构与解决方案研究报告 3.2.5 第三方应用敏捷部署能力 . 51 3.3 云 XR 中心云服务能力 . 52 3.3.1 中心云总体架构 . 52 3.3.2 中心云 IaaS 层服务能力 . 53 3.3.3 中心云 PaaS 层服务能力 . 56 3.3.4 中心云 SaaS 层服务能力 . 59 3.4 云 XR 中终端与芯片服务力 . 61 3.4.1 终端能力要求 . 61 3.4.2XR 芯片发展趋势 . 65 3.5 关键技术小结 . 66 4. 总结与展望 . 68 4.1 基于业务发展的 5G 网络能力与建设预测 . 68 4.1.1 业务发展预测 . 68 4.1.2 5G 云网建设预测 . 69 4.2 产业发展倡议 . 72 4.2.1 标准推动 . 72 4.2.2 测试孵化 . 73 4.2.3 产业落地 . 74 参考文献 . 74 联合编写单位及作者 . 75 创新 研究报告 5 中国移动 5G 联合创新中心创新研究报告 5G 云 XR 云网架构与解决方案研究报告 1. 云 XR 业务需求与挑战 1.1 云 XR 业务需求指标 云 XR 业务，包括弱交互云 VR、强交互云 VR 及云 AR 业务，是指云端实现业务的计算机图形渲染、编码和计算，并输出视频流到终端，终端解码显示的新型业务模式，本文中所提到的 XR 业务非特殊说明时均指云 XR 业务。云 XR云网需求指标如下表所示。关于三类业务的详细描述，请参考 5G 云 XR 端到端能力需求研究报告。 表 1-1 云 XR 业务云网需求指标 阶段 5G 起步阶段 (2020-2021) 5G 进阶阶段 (2022-2025) 业务类型 弱交互云 VR 强交互云 VR 云 AR 弱交互云 VR 强交互云 VR 云 AR 典型场景 FOV 视频 3D 游戏 多人协作 FOV 视频 3D 游戏 多人协作 内容分辨率 双眼 4K 双眼 4K 1080P 双眼 8K 双眼 8K 2K 帧率 30 60 30 30-60 90 90 编码 H.264/AVS2 H.264/AVS2 H.264/AVS2 H.265/AVS3 H.265/AVS3 H.265/AVS3 传输方式 FOV FOV FOV FOV FOV FOV 传输协议 TCP/UDP+ UDP+ UDP+ TCP/UDP+ UDP+ UDP+ 上行码率 35Mbps(live) - 10Mbps 120Mbps(live) - 20Mbps 下行码率 17-35Mbps 23-47Mbps 6-12Mbps 84-120Mbps 120-130Mbps 19-28Mbps 上行带宽 1.4 倍码率 - 1.4 倍码率 1.4 倍码率 - 1.6 倍码率 下行带宽 1.2 倍码率 1.4 倍码率 1.4 倍码率 1.4 倍码率 1.6 倍码率 1.6 倍码率 业务 RTT 200ms 80-100ms 130-150ms 200ms 80-100ms 130-150ms 网络 RTT 100ms 30ms 50ms 100ms 30ms 50ms 云端时延 50ms 30ms 50ms 50ms 30ms 50ms 终端时延 50ms 20ms 30ms 50ms 20ms 30ms 确定性 毫秒级 毫秒级 毫秒级 毫秒级 毫秒级 毫秒级 注： 1. FOV 视频均指冗余 FOV； 2. UDP+是指在 UDP 协议基础上再增加应用层协议如 FEC， QUIC 等； 3. 云 -管 -端时延分配可以根据实际能力灵活配置，满足业务 RTT 即可。 创新 研究报告 6 中国移动 5G 联合创新中心创新研究报告 5G 云 XR 云网架构与解决方案研究报告 1.2 云 XR 业务对 5G 云网的挑战 1.2.1 5G 云网协同的整体挑战 图 1-1 云网协同整体挑战 由于终端限制，云 XR业务计算机图形渲染、编码和计算等能力部署在云侧，为了满足业务 “零时延 ”诉求， 5G网络要满足确定性带宽及传输时延，云侧要满足确定性渲染计算能力及处理时延，这对 5G云网架构提出了新的挑战： 时延挑战： 强交互云 VR业务要求端到端时延不能超过 80ms。不包括终端时延，云网侧端到端时延不能超过 60ms； 带宽挑战： 强交互云 VR业务要求下行带宽达到 70Mbps，弱交互云 VR直播业务要求上行带宽达到 50Mbps，同时均要求上下行带宽保持毫秒级稳定性； 算力挑战： 三类业务的渲染、编码和计算需要大量 GPU资源，如 CG类渲染 +编码 (H.264)时延要求小于 30ms，对 ROI(Return of Investment)带来巨大挑战；另外，业务弹性要求云端渲染和计算能力随业务需求动态可调； 业务确定性挑战： 对于强交互云 VR业务及云 AR业务，内容在云侧实时渲染和计算，终端零缓存，对网络和计算带来了确定性挑战，如强交互云 VR业务端到端时延要求稳定在毫秒级，一旦时延波动超过若干毫秒，就会对用户体验带来影响； 创新 研究报告 7 中国移动 5G 联合创新中心创新研究报告 5G 云 XR 云网架构与解决方案研究报告 业务连续性挑战： 5G网络不可避免存在空口干扰，覆盖不足等问题，如何保障覆盖区域内业务连续性存在挑战； 成本 挑战： 要满足三类业务的带宽，时延，算力等指标，在当前技术能力下，对 5G云网建设成本带来巨大挑战。 1.2.2 网络侧挑战 除了 上述带宽和时延方面的挑战 ， XR业务还存 在不同场景差异化SLA(Service Level Agreement)和安全隔离的需求，这要求网络具备灵活的网络切片能力，可以根据 5G XR不同 场景需求 定制网络切片提供相应的 SLA和安全隔离特性。 无线网挑战 在 XR 业务云、 网 、边、端的整体架构中，无线网络属于业务传输的“管道”中最重要的一环，是 XR业务无线化的最基础支撑，如 满足 强交互云 VR业务 30ms的网络时延、 70Mbps 带宽的网络需求。同时多用户接入时，无线网络 按需 保障网络高可靠，保障业务毫秒级 SLA，完成云、网、端的实时协同处理，保证多用户多业务的体验。 核心网挑战 XR 业务接入核心网后，如果核心网不是分布式的，需要统一经过集中的服务平台来转发处理，当用户处于较偏远的乡镇时， 时延 很大。 提升用户面转发性能，从组网架构层面看，首先要求核心网是分布式。核心网按需部署多级 平台 ，相对中心平台而言，边缘或接入 平台 更靠近用户，控制面的信令仍然会上传到中心 平台 处理，而用户面数据则在边缘或接入 平台 直接处理和分发，减少端到端传输路径，降低传输 时延 。 用户面端到端性能的提升，除了架构层面变化，还需提升核心网中各个转发处理节点的性能。核心网 NFV(Network Functions Virtualization)后，用户面网元基于通用 CPU 服务器部署，性能无法媲美专用硬件，需增强用户面达到兼顾强转发和强计算的能力。 创新 研究报告 8 中国移动 5G 联合创新中心创新研究报告 5G 云 XR 云网架构与解决方案研究报告 承载网络挑战 XR 业务应用和内容将会通过下沉 到边缘 的方式，减小传送时延以保障用户体验，并降低骨干承载网络带宽压力和云计算中心的计算压力。 XR 业务应用和内容在不同云计算平台以及终端之间的分布和处 理方式因应用类型而存在差异。这对承载网络的灵活性、自动化、智能化提出了更高的要求。 XR 业务在带宽、时延、丢包等性能要求方面对承载网络的质量提出了新的挑战，不仅要求承载网络具备针对 XR 业务特性提供相应 SLA 通道的能力，还要求承载网络具备对承载通道的 SLA 状态进行检测、定位和优化的能力。 XR 在不同 场景 下存在差异化 SLA 和安全隔离的需求，这要求承载网络具备灵活的网络切片能力，可以根据 XR 不同需求定制网络切片 ， 提供相应的 SLA和安全隔离特性。 1.2.3 边侧挑战 当云计算平台部署到汇聚节点以下的位臵，我们称之为边缘云或者 边侧。为了满足强交互云 VR 和云 AR 业务对端到端时延毫秒级的严苛要求，计算机图形渲染和计算等能力需要部署在边侧。弱交互云 VR 业务中的直播场景中，视频采集端的 3D 拼接功能也需要部署在边侧。 云 XR 业务需要消耗 GPU 资源来实现实时图形渲染 、 并行计算等能力。边侧 IaaS 层成本主要是 GPU 成本，对于需要大量渲染和计算能力的 XR 业务，如何通过 GPU 虚拟化提升 GPU 使用效率是业务规模发展的重大挑战。 1.2.4 云侧挑战 编解码能力挑战 为了满足用户对画面质量的要求， VR业务分辨率不断提升，其巨大的数据量给编解码带来巨大的挑战，尤其弱 /强交互云 VR直播业务需要支持实时转码，但当前基于通用视频的编解码技术效率相对较低。另外，为了 促进 VR业务的普及，从网络的视角也需要更加高效的编解码技术，例如当前 8K VR直播，即使采用 FOV(Field of View)传输方案，单用户下行也需要 100Mbps以上的带宽，如果云创新 研究报告 9 中国移动 5G 联合创新中心创新研究报告 5G 云 XR 云网架构与解决方案研究报告 VR平台可以提供高清低码的服务，不降低用户体验的前提下，带宽可以节约 50%，这将大大推动云 VR产业的发展。因此当前 VR业务的编解码技术的提升方向是结合网络传输和渲染等技 术，综合考虑用户体验和网络能力，探索出实时高效的编解码新技术。 互操作及异构架构挑战 当 云侧和边侧 分别 由不同厂家提供时 ， 需要满足互操作性 。 同时由于异构架构，如何对不同硬件厂家的 GPU或其他类型的硬件资源进行统一的虚拟化和动态调度，也是需要解决的难题。 1.2.5 终端侧挑战 XR业务以体验为卖点，在 2B和 2C市场面临着传统大屏 TV和手机的激烈竞争，终端是 XR业务面向消费者的载体，重要性不言而喻。目前，从市场占有率和发展速度来看， XR终端还面临着巨大的挑战，如下： 体验离用户差距较大： 视觉体验上， VR终端的清晰度，眩晕 ，视觉疲劳等问题尚未很好解决， AR终端的清晰度较差，视场角有限，虚拟物体和真实环境之间存在差距；穿戴体验上， VR终端需双手操作才能佩戴和摘取，对近视用户不友好，一体机太重产生较大的面部压力，环境隔离带来的幽闭感尚未解决；交互体验上， XR终端用 手柄操作对普通用户门槛较高，尚不支持语音或手势操作等； 终端价格居高不下： 市场 4K分辨率和 6DOF的 VR一体机价格超过 3000元，分体式眼镜也超过 2500元，离用户所期望的千元机尚有较大的差距； 不同终端需平台适配： 各种设备上传动作和姿态等感知信息，无论在类别和格式都有一定的差异，即使同种终端，例如 VR一体机，每个厂家从物理形式上，例如手柄数量和按键位臵和定义以及动作和姿态信息获取接口和格式上都有差异，需要云平台进行逐个终端的适配和信息的归一化处理。 创新 研究报告 10 中国移动 5G 联合创新中心创新研究报告 5G 云 XR 云网架构与解决方案研究报告 2. 云网协同的部署架构 2.1 端到端逻辑总体架构 图 2-1 云 XR 业务逻辑架构 云 XR业务架构由 5G网络、边缘云、中心云、终端四个部分组成，如上图所示。 5G云网端到端逻辑架构取决于业务需求以及部署成本。由于 强交互云 VR和云 AR业务的实时性 ，计算机图形 渲染 、编码和计算等能力尽可能部署到靠近用户的边缘，提供 给用户的体验等效于在终端本地处理的体验。基于投资节奏 ， 5G网络和边缘云将逐步建设，用户体验随基础设施的完善逐步提升。 1) 网络侧 5G 系统构建的传输网络包括 RAN、承载和 Core。 5G RAN 需要综合考虑信号的覆盖、容量、接入性、移动性、稳定性； 5G Core 需要 UPF(User Plane Function)下沉到更低位臵，节省传输路径和环数，来减少时延。无论在强交互云 VR、弱交互云 VR 还是云 AR 中，网络侧通过构建端到端单独的切片，并借助切片资源隔离和差异化 SLA 保障满足不同 XR 业务的带宽需要。通过 UPF 下沉，节省传输路径和环数，来减少时延。同时，管侧还有不同类型的设备满足特殊场景覆盖，软切片 L3 VPN 流量的灵活调度和用于保障业务连续性的冗余 N3 隧道传输，以及降低时延的转发功能硬件加速。 2) 边缘云 XR 业务中，边缘云需要部署 CPU、 GPU、存储等基础资源，使能渲染、编解码、 3D 拼接、 CDN 和感知（ CV: Computer Vision、 SLAM: Simultaneous Localization And Mapping）能力，并提供第三方应用的敏捷使能。