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47页华为VR白皮书:数据大象流对网络架构发起挑战 MR才是产业的未来

Fourteen头条 智能内参2016/11/12

VR巨大的信息量对网络架构带来新的要求和挑战,更多的计算在云端完成,这就要求网络要能提供更低的时延更高的带宽,要求网络和云更加协调和融合。

智东西(公众号:zhidxcom)
编 | 十四

作为下一代计算平台的有力候选,VR成为非常多的科技从业者的重要业务战略。VR巨大的信息量对网络架构带来新的要求和挑战 , 更多的计算在云端完成,这就要求网络要能提供更低的时延更高的带宽,特别是上行带宽,VR还要求网络和云更加协调和融合,成为按需的具备存储、计算和信息传递的“智能管道” 。

也就是说,VR 需要一个大带宽、低时延、高能效的网络,要求网络具备按需分配的能力。基础通信技术的进步,及SDN/NFV等架构大力发展,为打造面向 VR 体验的承载网奠定了坚实的基础。本期的智能内参,我们推荐来自华为的VR网络架构分析报告,如果想收藏本文的报告全文,可以在 智东西(公众号:zhidxcom)回复关键词“nc103”下载。

以下为智能内参整理呈现的干货:

VR 的概念覆盖了很多种关键技术,包括360 全景视频、自由视角技术(Freeview-point)、计算机图形学(Computer Graphics)、光场技术(Light Field ) 等,也衍生出了很多应用形态。根据 VR 的三要素:立体、交互、实时,无论是哪一种 VR 应用,在变为网络在线应用时都涉及海量信息的实时连接和流动。VR 必将和 AR(增强现实)一起,逐步走向融合——MR。AR 和 MR对网络会带来新的要求和挑战。

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线上VR的第一金矿是360视频

根据高盛2016年发布的 VR/AR 产业报告,基于360全景技术的VR事件直播和VR视频娱乐,到2020年将拥有5200万用户,其中事件直播2400 万,视频娱乐2800 万,占VR应用领域全部预期用户(1亿3千万)的40%,而到了2025年,VR 360 视频的用户群将达到1亿7千4百万,其中事件直播9500万,视频娱乐7900万。结合对用户、技术、硬件、内容、标准等产业要素的分析,我们认为在VR 的诸多关键 技术和应用形态中,基于全景视频(Panoramas)技术的VR 360 视频将成为最先繁荣的在线VR应用。

 

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近一年来的在线 VR 360 视频内容源增长迅速。Youtube 360 视频专区新上传 的VR 360视频达8000多部;为Samsung Gear和Oculus CV1提供内容的Oculus 360 Video 市场片源数量已达 1000 部以上;Vrideo为 HTC Vive、 Oculus和Samsung Gear的4K 360 视频已达 400 多部,占其总量的 70%;国内的优酷、乐视和爱奇艺也已设置 360视频专区,专注于内容生态的建设;Next VR的在线业务包括VR 360直播/回放、VR 360电影和纪录片点播, 已成功地为NBA、美国高尔夫球公开赛、 国际冠军杯等知名赛事进行了高质量的VR 360直播。

VR 360视频消费同样飞速增长。VR视频的用户群和点击量也颇为可观,特别是热门视频。Youtube TOP N的热门360视频日均点击可达 20.5 万,优酷VR频道热门360视频日均可达点击 4 万,Samsung Gear 也已拥有100万月活跃用户。

结合2016 年互联网女皇玛丽·米克尔发布的《互联网趋势》报告和高盛报告给出的 VR  360 视频用户数预测,我们预计2020年和2025 年的用户渗透率为:

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在2016年现有的VR技术下,由于终端和内容的体验问题,用户单次观看时长很难超过20分钟。在VR 360视频普及的过渡期,业界会采用传统终端和HMD 互补的折衷方案。而随着终端和内容的体验的改善,用户单次观看时长也在不断增加。 我们预测到2020年,用户单次观看时长最长可达到 60分钟,到2025年,用户单次观 看时长最长可达到120分钟以上,与现在的传统长视频观看习惯相仿。

VR 360视频的几个技术难点

1、VR面临的体验问题可分为感官体验问题和生理体验问题,目前生理体验主要有四类问题:

视觉信息质量:过低的画面质量引发的视觉疲劳会带来眩晕感。业界近几年的重点努力方向是VR 360视频的内容质量优化,提升分辨率和画质效果。

头动和视野延迟(MTP):业界的主流观点认为, MTP延迟不能超过20ms。 目前领先的VR终端厂商如 Oculus、 HTC Vive已经通过提升端到端软硬件性能,从传感追踪元件、显示屏技术、GPU入手,已 经将MTP本地化削减至了20ms。

运动感知冲突:运动反馈输出缺失,将导致人的身体运动与眼睛看到的虚拟信息不匹配。要解决这个问题,需要业界丰富VR终端的多感知性, 提供包括视觉、听觉、触觉和动作反馈的融合能力,充分发挥 VR 新媒体的作用。

视觉辐辏调节冲突:由于屏幕发出的光线并没有深度信息,眼睛的焦点就定在屏幕上,眼睛的焦点调节与视觉景深不匹配,即调焦冲突。这需要通过光场记录和投影技术,记录并还原光从空间立体中的点发射的强度和角度,让人眼的视觉辐辏和焦点匹配。

2、迫切需要投影、编码技术减少画质失真,提高压缩效率

投影技术和编码技术决定了VR 360视频的媒体文件以何种格式生产和组织,及其包含的媒体信息量。这对量化达到某个用户体验要满足的网络要求至关重要。目前,等角投影是当前VR 360视频主流格式,但画质存在失真,压缩效率存在瓶颈。国外 Youtube、 Oculus、 Samsung Gear, 国内优酷、爱奇艺均采用此种投影格式生产VR 360媒体文件。

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多面体投影是业界关注的新方向,具有失真小、压缩效率高的特点。它利用了另一大类经典的地图投影思想,按相等经差与纬差的经纬线将球 面划分为许多球面梯形,投影到某种多面体上。在2016年5月的 MPEG 会议上,Samsung 提交了关于PSP投影格式的提案。

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VR 360 视频可以采用普通视频的编码技术进行压缩。目前应用最多的视频编码技术是H.264,业界公认的下一代编码技术是HEVC和VP9,压缩效率提升30%左右。HEVC的下一代编码技术(H.266)的压缩效率最多能比HEVC再提升 30%。

从无压缩的信息量上看,由于3D左右眼内容具有较高的相关性,达到同等的画面质量,压缩效率可以进一步的提升。根据业界的测试结果显示,使用相同的编码技术版本,3D VR 360视频压缩效率最多可以比2D再提升25%。

3、传输技术路线有待优化

VR 360 视频的在线传输有两种主要的技术路线:全视角传输方案和 FOV 传输方案。目前业界还没有形成统一的FOV标准。所谓的全视角传输方案就是将 360 度环绕的画面都传输给终端, 当用户头部转动需要切 换画面时,所有的处理都在终端本地完成,避免网络资源浪费。而 FOV 传输方案则主要传输当前视角中的可见画面。这种方案也存在不足,就是所有视角的视 频文件大小总和是原始文件的 6 倍, 在服务器上会占用比较多的存储空间, 但相对来说, 带宽资源更加宝贵。

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Facebook 在 2016 年初公布了一种基于金字塔投影的 FOV 传输方案,可减小媒体文件的平均码率到 ERP投影原画质的20%,同时牺牲部分画质体验来降低对 E2E 20ms 交互的要求。在传输技术上,Facebook 使用与现有技术兼容的网络传输技术以存储换时延,并牺牲部分画质体验保证交互体验。

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VR 360 视频的发展以体验为主线,是画质不断提升,信息量不断增大的过程。传输技 术和网络技术的匹配度决定了画质体验和交互体验能达到的程度。 我们认为,VR 360 视频体验的演进可经历如下阶段:发展早期阶段,入门体验阶段, 进阶体验阶段和极致体验阶段。当前发展阶段属于 VR 发展早期阶段。

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注 1:PPD,也即 Pix per Degree,普通人视网膜能达到 60 个 PPD 的分辨度

注 2:压缩分别基于 H.264、HEVC 和 H.266 发展的经验值计算, 3D 左右眼内容的相关 性很高,可以做大比例的压缩而不会损失太多质量

注 3:典型网络带宽,点播按照码率的 1.5 倍估算

注 4:网络时延与丢包,先确定目标时延值,根据网络带宽,由 TCP 吞吐量公式计算得 到丢包

注 5:快速转动头部时,突发带宽可能需要 2.35Gbps,1Gbps 智能满足正常流畅播放。

VR 视频网络承载达 需要超Gbit 的入户带宽

普通宽带上网,一般峰值(短暂)在 20M~30M 就可以获得相当好的上网体验,但对于高清视频、4K/8K视频,要获得良好 的体验, 就必须有持续的30M~100M带宽保证, 而对于VR 视频, 要获得极佳使用验, 就需要超Gbit 的入户带宽。要到达极致的 VR 体验,整个产业链需要一个持续的、缓慢的 爬坡过程,无论是终端、网络、内容,还是潜在用户的培养。

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1、当前家庭Wi-Fi 网络载承VR业务存在的问题包括:

超大带宽无法满足:

当前家用的Wi-Fi大部分为 802.11n,不能满足要求,需要新的Wi-Fi标准设备。如当前已经商用的802.11ac(空口带宽可达1-1.3G);未来的802.11ac Wave2(空口速率可达 6.93G),或者 802.11ad(又称 WiGig,吞吐量可达7G)或者 802.11ax,甚至标准还在制定中的 802.11ay;

不同业务相互影响:

这就需要根据各种业务特征,选择合适的频段、SSID,即按业务区分承载;

信号覆盖问题:

家中各种物体都会对 Wi-Fi 信号造成一定的衰减,尤其是承重墙和 金属。为了在家庭内任何地点能达到理想的连接速度,需要家庭部署多个 Wi-Fi 接入点(即 AP,分布式 Wi-Fi 方案),满足家庭不同终端在任意位置的多样需求;

信道拥堵和干扰:

在城市中,住宅楼内当前普遍使用的 2.4G 频段存在太多的信号 源。解决途径主要有两个方面,一是信道的选择,与当前环境中其他 AP 已经使用的信道不要相同;二是家用电器,特别是容易造成干扰的电器和Wi-Fi源保持一定距离,同时家中不使用未经EMI 认证的电器。

支持 DMS(Directed Multicast Service)和 GCR(Groupcast with Retries),也可以在 Wi-Fi 环境下更好的传输组播数据。

目前,接入技术主要有两种,铜线接入 FTTB/C 和光纤接入 FTTH,铜线技术细分为 ADSL、VDSL2、Vectoring、Super Vectoring、G.fast,光纤接入 分为 GPON 和 EPON 接入。 虽然利用现有铜线可以降低成本,但是长期来看, 在未来带宽要求比较高的 VR 业务网络中,不再适合部署铜线接入技术。

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另外,VR大象流的业务特征会导致城域网的流量呈十倍、百倍、甚至千倍的激增。同时由于视频业务自身持续时间长的特点,导致 整个网络上下行收敛比的下降。流量急剧增长和收敛模型的改变,以及 VR、4K 等视频对带宽、时延、丢包率都有很高的要求,使传统的高汇聚、高收敛网络面临承载的挑战:网络效率低,用户体验变差。因此,首先需要对传统网络的层次和网络结构进行简化:

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由于上面的 CR 容量是根据每 CR 下挂 10 个 BNG 算出来的,当前现网不少城市都只有 两个 CR 连到骨干网,互为备份和分担,按照这种网络模型计算的话,500 万人口的城 市,在 VR 极致体验阶段,考虑 到实际使用时为了避免拥塞丢包, 链路利用率要保持在70%以下, 也就是说需要处理能力在 Pbit 量级的超级路由器。

针对配套的网络点播和直播方案,华为也给出了相应的参考:

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2、华为建议推出服务可定制的网络

当前互联网应用越来越多,不同的应用由其自身的特点, 决定其需要不同的网络能力来匹配。在众多的应用中,视频类应用在互联网流量中所占比重已经超过 70%,并且未来还将越来越大。

从目前看,简单地按照流量收费无法增加运营商的收入,并且对所有OTT 业务按照流量统一收费会制约互联网的创新, 影响到整个互联网生态圈的蓬勃发展。

据调查, 85%的用户愿意为更好的业务体验支付最高 25%溢价。也就是说,如果运营商可以为某 些用户提供更好的服务质量,那么,得到高质量服务的用户愿意支付相关费用。2014年,Netflix 同意向美国运营商 Comcast 付费,确保其用户获得更快的网速。所以,运营商应该把拥有的宝贵网络资源变为真正可运营的商品,而不是无差别的单一管道。

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承载网络为了适应 VR 业务的大潮汐现象,必须考虑一种新的方案来满足业务要求,降低网络的 CAPEX 和OPEX。 即根据资源动态申请方式和时机的差异,对应潮汐动态性的网络动态自适应技术,可以有三种方案:

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3、OTT内容提供商的两难抉择有解了

对于OTT 内容提供商而言,更多在线用户,就意味着更多的收入(包括用户付费和广告等), 为了保证高峰期的用户体验,OTT 内容 提供商必须按照热点事件的最大在线用户数向运营商购买网络出口带宽。当然,有的OTT 提供商,为了增加在线用户的最大容量,在热点事件来临时,降低了业务的码流,但这也降低用户的观看体验,对长期的用户发展是不利的。

对此,SAMF(Shared Adaptive Multicast Framework)是一个可行的解决方案。从原理上讲很简单,就是将单播承载 的直播业务流,在网络上传播时,转成组播来承载,以降低对网络带宽的占用。从组播 角度来讲,带宽占用与在线用户数没有关系,只与组播频道数目相关,同时由于热点事 件相对集中,直播频道数目反而是不多的。

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从前面描述可以看出,VR 业务的发展,对网络产生了显著的影响,网络架构也要随之做出相应的改变,这些变化主要体现在这几方面: 超大带宽;网络容量动态自适应 ;网络能力进一步灵活开放(组播等);与业务协同(按需服务定制、差异化传输),网络对业务不再是黑盒。

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可以看出,现有产品能提供的VR体验还是比较粗糙的,存在画质失真、刷新率过低、延时等诸多问题,且未来发展的在线视频点播、直播业务,乃至在线VR游戏、会议等等对于实时的,可交互的VR应用提出了较高的网络带宽要求。目前主要的解决方法是优化Wi-Fi标准,采用智能化的VR数据流分配,提高数据,尤其是3D数据的压缩效率等。

智东西认为,当前阶段的 VR 产品,从某种意义上来说快速培养了用户习惯,普及了消费者对 VR 业务的认知,对产业发展有一定的积极作用,但同时,VR产品体验对于网络架构的革新要求也显得非常迫切,延时、丢包问题急需解决。一个基于体验的标准化评估体系有利于推动 VR 产品的成熟,也能够帮助引导产业从内容、配套产品、承载网络等各个环节快速弥补短板,加快 VR 应用的普及。

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