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技術探索

AR / VR 傳輸網路技術探討與研究

工研院資通所  林坤毅 吳俊民 彭家洪

AR/VR能讓使用者在演唱會、球賽等大型場域,更貼近表演者、更具沉浸感,但數量眾多AR/VR裝置,對於現場的傳輸網路將是一大挑戰

AR/VR能讓使用者在演唱會、球賽等大型場域,更貼近表演者、更具沉浸感,但數量眾多AR/VR裝置,對於現場的傳輸網路將是一大挑戰

隨著資通訊產業的發展,網路應用反應訊息傳播的重要性。而無線行動網路技術的開發,更強調了更大傳輸頻寬的使用與更多樣化的應用服務,尤其是影音串流(Video Streaming)。無線行動網路影音串流通訊技術服務將語音、資料、影像等多媒體資訊透過寬頻通道來傳輸,除了得因應用戶數的增加,更必須要因應網路多媒體的傳輸需求與通訊品質的要求才可以達到隨時隨地透過任何網路獲取所需的資料。串流技術則是利用網路上的封包傳輸方式,快速將資料傳送給使用者,降低了對於網路流量的負荷。

隨著數位影音播放設備的進步,無線影音串流的技術規格必須標準化,目前3GPP已針對所支援之影像與聲音檔格式加以標準規範。至於在傳輸模式上,影音串流服務則是將內容透過串流伺服器傳送至手機。未來無線影音串流技術在行動網路的應用將是可以預期的趨勢。

虛擬實境(Virtual Reality,VR)與擴增實境(Augmented Reality,AR)的影音串流是很重要的創新技術應用之一。有鑒於AR/VR無線傳輸應用必須提升對高速無線連結方案的需求、無線傳輸的速度和穩定度,下一節我們將針對AR/VR傳輸與群播廣播技術加以說明,此外也將於第三與第四節中分別對於AR/VR新應用及技術發展趨勢對通訊技術研發所帶來的機會與未來應用,與AR/VR網路群播與干擾管理技術加以探討。

AR / VR網路傳輸技術探索

未來AR/VR傳輸勢必將採用無線網路傳輸技術,且AR/VR傳輸的實現將有賴於群播(multicast)/廣播(broadcast)技術的發展,因此在本章節中,我們將針對無線網路傳輸技術與群播廣播技術進一步說明。

無線網路傳輸技術
在802.11的無線網路傳輸架構主要以Infrastructure Network為主,其架構包括工作站(Station, STA)、擷取點(Access Point, AP)與分散系統(Distribution System, DS)。而STA之間藉由無線傳輸媒介,在工作站的發射功率所及的涵蓋範圍來收送資訊。而工作站的功率涵蓋範圍即稱之為無線區域網路的基本服務集合(Basic Service Set,BSS)。

AP本身具有橋接器(Bridge)的功能,其發射功率所及的區域便形成了一個基本服務集合且擁有唯一的基本服務集合ID。AP能夠將工作站的資訊透過無線媒介取得,並將其資訊轉送至分散系統,且亦能從分散系統取得的資訊,藉由無線媒介轉送至工作站。所以工作站收送資訊範圍不再被侷限於自己所在的基本服務集合內,而是藉由AP和分散系統把收送資訊範圍給擴展開來。多台AP經分散系統相連接後,在一基本服務集合內的STA便可與其它基本服務集合的工作站進行訊息交換,所以這些基本服務集合便形成了一個較大的服務集合,稱為延展服務區(Extended Service Set,ESS)。藉著Infrastructure Network的架構發展,除了可將無線區域網路與目前現有的有線網路作連結,也讓WiFi 802.11網路標準蓬勃發展。下列我們針對目前無線網路發展近況,主要包括WiFi 802.11ac與WiGig 802.11ad分別進行重點式的說明。

WiFi 802.11ac採用5GHz做為傳輸訊號的頻段,主要原因是WiFi目前使用到的2.4GHz頻段已經有太多的標準(如HomeRF、Bluetooth等)以致訊號容易被干擾。另外,採用正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)為調變技術,可以有效改善多重路徑衰減等問題並提升頻道的使用率,現在已有許多WiFi AP皆已支援802.11ac標準規格。表1為單一空間流802.11ac不同頻寬與調變的理論傳輸速率,最高可達到約867Mb/s。

表1. 單一空間流802.11ac不同頻寬與調變的理論傳輸速率

表1. 單一空間流802.11ac不同頻寬與調變的理論傳輸速率

對於高畫質AR/VR影音串流技術對畫面運算和處理的要求極高,GPU是AR/VR裝置中關鍵之零組件,其運算能力優劣對處理畫面的即時渲染(Real-time Rendering)有決定性影響。此外在AR/VR遊戲進行中,因畫面延遲(Latency)而造成的暈眩感為需要排除的問題。因此顯示器更新率(Refresh Rate)與GPU運算能力愈高,愈可有效降低畫面延遲並提升AR/VR體驗的舒適感。要實現較佳的虛擬現實體驗,AR/VR應用對頻寬和時延要求是苛刻的,需要至少數百Mbps的終端速率,數十毫秒以下的低時延,這是因為AR/VR的視角遠遠大於手機,眼睛需要很高的解析度,加之雙眼立體視覺,這需要無處不在的超寬頻、零等待、極致體驗的網路進行支持。

目前用電纜線傳輸影音串流或AR/VR畫面傳輸,是以HDMI電纜為主流,但更讓人期待的是無線傳輸的使用情境。根據不同畫質解析度,VR視訊內容資料產生量可能高達Gb/s等級的速度,也讓人直接聯想到WiGig的應用。WiGig通訊使用60GHz頻率,資料傳輸速率最高達數Gb/s,由於60GHz電磁波的傳播特性,WiGig裝置最適合在較短距離的範圍內工作(例如在一個房間內),這使其非常適合用來將資料串流傳到行動裝置完成傳送HD視訊內容現實用戶體驗AR/VR系統的應用。它能與現有的WiFi通道一起工作,從而提升WiFi傳遞能力。

WiGig已被納入IEEE 802.11ad的標準,目前已有廠商推出三頻段的路由器產品,來解決頻段壅塞的情況。因為傳輸速度夠快、延遲時間小於100毫秒,且在射頻上具備空間多樣設計,讓裝置在不同的擺放角度或手握位置時,都能維持多Gbps的連線速度。因此WiGig非常適合AR/VR應用,能讓HD解析度在90Hz甚至4K解析度在120Hz下順利運作,賦予玩家免接線的沉浸式體驗。而WiFi聯盟已開始認證WiGig 802.11ad標準。當這種技術趨於成熟時,未來可預期的高端VR設備將可以實現無線傳輸,利用WiGig無線化頭戴裝置也將成為趨勢。

WiGig有別於現今成熟的2.4GHz/5GHz的WiFi技術。WiGig為Wireless Gigabit Alliance所推廣,可在60GHz免執照頻段上的四個2.16GHz頻寬的通道上運作,有別於WiFi使用MIMO等技術而是使用相位陣列天線(Phased-array Antenna;PAA)實現的波束成形技術以提高訊號強度,實現距離超過10公尺距離的通訊。單載波WiGig最高傳輸速度可高達4.6Gb/s,而OFDM WiGig最高可高達6.76Gb/s,是現行WiFi產品的數倍。可滿足當今與未來雲端應用、社群媒體、視訊串流與虛擬實境等需要更寬的資料傳輸需求。

WiGig主要優勢在於相較於2.4GHz和5GHz頻段,60GHz頻段具有更寬的可用頻譜,頻寬範圍在7GHz和9GHz之間,而不同地理區域的可用頻率和頻寬則有所變化。在多使用者的情境下WiGig也與目前2.4GHz和5GHz頻段WiFi的分享頻寬設計有所不同,WiGig採用類似分時多工的方式,針對每個使用者是維持頻寬但分配時間區間,針對個別使用者個別做相位陣列天線的波束成形。因此WiGig具有可實現超高頻寬、低延遲、高能效及訊號不受干擾的特性。

目前市面上的WiGig裝置還不多,在實測成對的TPLINK AD7200 AP,在僅開啟60GHz WiGig模式下做WDS橋接,並兩台AP各自連接RJ45網路線至傳輸速率測試用NB,進行無(Line-of-Sight,LOS)距離與傳輸速率測試,圖1為測試的結果,在5m以內傳輸速率並無太大差異,但令人意外的是傳輸速率在超過5m後雖然趨勢是降低的,但並非隨距離增加就一定下降,但在傳輸速率不佳時旋轉AP的發射角度可得到較佳的傳輸速率後,就明瞭在距離拉遠後,AP在做相位陣列天線的波束成形的角度並未能穩定調整成最佳角度,因此會有距離相對較短傳輸速率卻沒有較佳的情況發生。

圖1 TPLINK AD7200 AP距離與連線速度測試

圖1 TPLINK AD7200 AP距離與連線速度測試

針對AR/VR對畫面運算和處理的高要求,需要高寬頻、低延遲網絡的支持,WiGig技術在寬頻、延遲上規格確實可提供高水準傳輸,但只能在近距離才能維持穩定的高寬頻、低延遲傳輸,且在WiGig技術在較遠距離的相位陣列天線的波束成形的角度並未能非常穩定的調成最佳角度,未來對於WiGig技術,雖然可提供Gbps的傳輸速度,但其傳輸距離以及陣列天線狹窄的波束場型,如何同時服務範圍內的更多玩家是未來想應用WiGig技術提供AR/VR廣播群播服務很重要的課題。

群播廣播技術簡介
在WiFi多媒體廣播群播技術發展上,現行的WiFi AP多半都已經有支援群播廣播技術。利用廣播(Broadcast)機制,可以讓網域上的一個節點(node)傳送訊息給位於此網域的所有節點,而路由器(Router)預設是不允許通過廣播封包,因此廣播通常僅限於子網域上的所有節點。目前IPv6已經取消廣播機制,若要一次傳送訊息給多個節點,則必須使用群播(Multicast)機制,群播和廣播相當類似,兩者皆使用UDP協定,差異在於群播機制中,一個節點必須先加入群體(Group)後才能收到群播訊息。在設計上一個群體(Multicast Group)須由一個Class D的IP及一個port來組成。Class D IP位址的範圍介於224.0.0.0~239.255.255.255之間,其中224.0.0.0為保留的IP。

而在4G LTE多媒體廣播群播技術發展方面,LTE的群播與廣播服務稱為多媒體廣播群播服務(Multimedia Broadcast and Multicast Service, MBMS)。LTE多媒體廣播群播服務主要是使用群播或廣播通道,提供用戶無線影音串流等服務以有效的利用頻譜資源。由於相同MBS下的不同用戶間通道特性的差異極大,因此,如何最佳化提供MBS的無線資源之使用效率將是一件極為艱難的事情。一般而言,除了可以從網路層面,如選擇WLAN、UMTS等不同的網路來提供相同的服務;或是服務架構層面,如使用專屬通道、共享通道,或者是群播通道來載送廣播資料;或是無線資源管理,如採用適應性調變及編碼、功率控制、互助式轉送等技術,來進行頻譜使用的最佳化設計。互助式網路技術為目前應用在4G網路系統的重要設計,互助網路技術可使處於相同或不同無線網路的各個用戶或節點,透過分散式傳輸的方式來共享網路資源,以期提供用戶隨處可得的高速多媒體服務。

AR / VR群播廣播技術機會與運用

AR/VR帶給使用者十足的臨場感,在演唱會、球賽等大型場域,絕大多數觀眾在現場無法近距離看見表演者或球員,透過AR/VR將可讓觀眾更貼近表演者、更具沉浸感,豐富用戶的娛樂享受體驗,讓觀眾更有參與感。然而在大型場域中,數量眾多的觀眾帶來大量的AR/VR裝置,對於現場的傳輸網路將是一大挑戰,特別是VR裝置需要大量傳輸頻寬,點對點的網路傳輸方式將需要巨量傳輸頻寬並造成傳輸延遲,為了讓大量的AR/VR裝置能同時收到VR內容,網路廣播群播技術可實現此一目標。

然而目前標準的無線網路廣播系統包含LTE與WiFi系統,無法滿足VR應用如100Mbps的高廣播傳輸頻寬需求。因此在演唱會VR廣播應用中,首先要處理的問題是如何滿足VR廣播所需的頻寬,我們將考慮以WiFi系統提出可行的解決方案,其次是提升廣播網路的封包傳輸可靠性;而在大型場域中,為了讓廣播網路涵蓋整個場地,必須布建多個WiFi AP,如下圖的演唱會場地示意圖,在大型的場域中,將存在多個提供VR服務的信號發射源,如圖中的多個WiFi AP,如何避免這些現場布建提供AR/VR服務的WiFi AP間干擾,包括這些AP與現場觀眾個人WiFi熱點間的干擾是VR網路廣播必須處理的問題,我們將於下一節中提出用於演唱會、球賽等大型場域的WiFi廣播群播系統解決方案,滿足大型場域VR應用所需廣播傳輸頻寬,並對廣播網路封包的可靠性及WiFi系統間干擾提出改善方案。

圖2 演唱會場域AR / VR WiFi AP佈建示意圖

圖2 演唱會場域AR / VR WiFi AP佈建示意圖


WiFi群播廣播問題

與點對點(unicast)傳輸方式比較,群播/廣播傳輸可將封包資料一次傳送給多個終端裝置,節省傳輸時間,然而傳統的群播/廣播為單向傳輸,接收端並不會回傳acknowledgement,傳送端無法得知封包是否正確傳到終端裝置,錯誤的封包不會進行重傳,在不可靠的網路傳輸環境中,無法確保封包是否正確到達終端裝置,造成使用者體驗不佳,因此如何提升群播/廣播封包傳輸的可靠性是需要改善的問題。

提升群播/廣播封包傳輸可靠性的方法之一為加入回傳機制,例如可像點對點傳輸方式一樣,讓接收端在收到封包後回傳acknowledgement,但是群播/廣播的傳輸同時會有多個接收終端,若每個終端裝置在收到資料封包後都回傳acknowledgement給傳送端,將引起大量的回傳封包,這些回傳封包無法同時回傳給傳送端,必須分別傳送,特別是WiFi系統資料的傳輸必須透過競爭方式取得通道存取權,當終端裝置數量很大時,將產生嚴重碰撞,造成傳送失敗,封包不斷重傳,降低網路傳輸效率,甚至重傳失敗。

為了提高WiFi群播/廣播資料傳輸的可靠性,且避免大量的回傳封包,研究上有人提出在群組中加入某個特定終端裝置用以負責回覆群播/廣播封包的acknowledgement,此傳輸方式利用WiFi系統標準群播/廣播傳輸機制,傳送端將封包目的地位址填入群播/廣播地址,群組內的成員在收到封包後,便會依照WiFi標準流程進行後續封包處理,但是群組中的特定終端裝置必須修改MAC(media access control)層才有辦法回覆群播/廣播封包的acknowledgement,其次WiFi在進行群播/廣播封包傳輸時,為了讓區域內的終端裝置有較高的封包接收正確率,實體層在傳輸時僅使用低調變編碼(Modulation and Coding Scheme;MCS)的基本傳輸率(basic rate),因此標準的WiFi系統群播/廣播傳輸率無法達到和點對點傳輸率一樣高的資料傳輸率。

WiFi Pseudo-broadcast傳輸技術

由於點對點傳輸具有相對可靠的傳輸特性,並且可使用較高的傳輸率,即有人提出基於點對點傳輸的Pseudo-broadcast傳輸方式,傳送端在傳送廣播封包資料時,會將封包目的地網路位址填入點對點接收端位址,以點對點傳輸方式傳給單一接收機,利用無線傳輸本身即是一種廣播的形式,在同區域範圍內的其餘接收機同樣會聽到該封包,只是在點對點傳輸下,標準WiFi作業流程會將該封包丟棄,為了讓其餘接收機有能力處理該封包,其餘接收機必須設為promiscuous模式,在promiscuous模式下,所有封包都會被收下,交由系統進行處理,藉由點對點的方式傳輸廣播封包資料,傳送端可預期在封包成功傳送後收到acknowledgement,若失敗,傳送端將進行封包重傳,使錯誤的廣播封包有機會再次傳送。

與群播/廣播傳輸不同,點對點傳輸會依據目的地接收機的通道情況與信號品質選擇適合的傳輸編碼,在信號品質良好時,傳送端會較積極的使用高調變編碼獲取較高的傳輸率,但是並非所有群組內的接收機都有相同良好的信號品質,其餘信號品質不夠好的接收機在高調變編碼傳輸時將發生較高的錯誤率,因此在Pseudo-broadcast傳輸下,必須適當地選擇目的地接收機以確保群組內成員的接受品質。

目的地接收機的選擇方式上,有人提出利用IEEE 802.11k的量測回報,選擇封包錯誤率最低的接收機作為目的地接收機,此方式的缺點為每當群組內有新的成員加入或離開時就必須重選目的地接收機。而在演唱會VR應用中,我們可透過在布建WiFi AP時同時布建相對應的目的地接收機,作為VR廣播網路其中之一的基礎硬體設施,透過預先布置目的地接收機,我們可事先選擇目的地接收機位置獲得相對應的信號強度,以確保VR廣播網路可在我們希望的網路傳輸率,因為WiFi AP會根據目的地接收機的信號品質調整實體層傳輸率,而其餘VR裝置只要在WiFi AP與目的地接收機之間範圍內,將可某種程度獲得相同服務品質。

WiFi干擾問題改善方案
除了可靠性問題外,WiFi網路群播另一個需要處理的是干擾問題,在大型場域中,無法只用一個WiFi AP涵蓋整個範圍,當有多個WiFi AP同時存在,就可能面臨干擾問題。提供AR/VR應用服務的WiFi廣播網路干擾包含業者佈建用來提供AR/VR應用服務的WiFi AP間干擾,以及現場民眾私人WiFi熱點造成的干擾,針對這兩種類型的干擾,我們提出2種改善方法:改善第一類型AR/VR服務用的WiFi AP間干擾,可錯開相鄰WiFi AP的頻率,透過適當的頻率規劃,避免相鄰WiFi AP同頻干擾,考量AR/VR應用所需的資料傳輸率,傳輸頻寬考慮為40MHz,在傳輸頻率選擇上,5GHz比2.4GHz有較大的傳播路徑損失,在相同發射功率下可有較小的同頻干擾,其中在5GHz頻段又有部份通道需進行動態頻率選擇及傳輸功率控制,以避免干擾雷達系統,此類型通道就不適合用於避免同頻干擾的頻率規劃上,考量上述原因,我們可在5GHz頻段找到4個40MHz通道,如圖3。

AR / VR網路群播廣播與干擾管理技術探討

圖3 AR/VR服務用WiFi AP頻率規劃

圖3 AR/VR服務用WiFi AP頻率規劃

而要改善場域上提供AR/VR廣播服務用所佈健的WiFi AP與民眾WiFi熱點間的干擾,則無法透過事前的頻率規劃來避免,但可透過修改WiFi競爭通道的方式,取得較高的通道存取優先權。標準WiFi在競爭通道時會根據分散式協調功能(distributed coordination function;DCF)規則,等待DIFS(Distributed Inter-frame Spacing)時間再加上一contention window內的隨機時間,為了取得通道存取最高優先權,可修改提供AR/VR應用服務的WiFi AP,使其在等待DIFS時間後即進行資料傳送,現場民眾的WiFi熱點在聽到有裝置進行資料傳送,便不會傳送資料並等待下一次傳輸機會,由於標準DCF作法需多等待一contention window內的隨機時間,而提供AR/VR應用服務的WiFi AP總是於DIFS時間後立刻傳送資料,如此即可避免提供AR/VR應用服務的WiFi AP被民眾的WiFi熱點干擾,此一概念的實現除了修改WiFi裝置的MAC層外,亦可使用支援IEEE 802.11e EDCF功能的WiFi設備作為替代方案,根據QoS設定給予不同的通道競爭優勢,惟其最短的資料傳輸時間為DFIS加上2個time slot,其餘WiFi干擾源仍有機會取得通道存取權,但機會相對較小,仍可達到某種程度上的干擾改善。

本文針對演唱會、球場等大型場域要提供AR/VR廣播群播服務應用提供可能的系統解決方案,對於VR應用可能需要100Mbps的高廣播傳輸頻寬,我們提出基於WiFi系統的Pseudo-broadcast方式來滿足VR應用所需的廣播傳輸頻寬與改善廣播網路可靠性,其次對於提供AR/VR服務應用的WiFi AP可能遭遇干擾問題,我們分別規劃4個5GHz頻段頻寬40MHz的通道避免提供AR/VR服務應用的WiFi AP間同頻干擾,以及調整WiFi AP的contention window時間以獲得高通道存取優先權,避免受到現場觀眾個人WiFi熱點的干擾。對於WiGig技術,雖然可提供Gigabit等級的傳輸速度,但其傳輸距離以及陣列天線狹窄的波束場型,如何同時服務範圍內觀眾是未來想應用WiGig技術提供AR/VR廣播群播服務需要改善的問題。

作者介紹

林坤毅(工研院資訊與通訊研究所高速行動寬頻系統整合技術部工程師)
吳俊民(工研院資訊與通訊研究所高速行動寬頻系統整合技術部工程師)

參考文獻

[1]J. M. Vella and S. Zammit, "A Survey of Multicasting over Wireless Access Networks," in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 15, no. 2, pp. 718-753, Second Quarter 2013.
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[4]zh.wikipedia.org/wiki/WiGig
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[6]www.digitimes.com.tw/iot/article.asp?cat=130&id=496977
[7]www.readhouse.net/articles/20409546/
[8]press.trendforce.com.tw/press/20160428-3300.html

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