XR技术在NR中的应用：深度解析
随着扩展现实（XR，Extended Reality）技术的快速发展，其对无线通信网络的需求日益凸显。XR服务要求高比特率与低延迟的结合，这对5G新无线技术（NR，New Radio）提出了全新的挑战。为了应对这些需求，3GPP（第三代合作伙伴计划）在Release 18（Rel-18）中引入了一系列增强机制。本文将深入解析XR技术在NR中的应用，探讨其技术要求、面临的挑战以及3GPP提出的解决方案，同时列出要点并提供扩展思路。
一、XR技术概述
1. XR的定义与类型
XR是“扩展现实”的统称，涵盖了虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）等多种技术：
- 虚拟现实（VR）：通过完全虚拟的环境，让用户感觉身临其境。
- 增强现实（AR）：在用户现实环境中叠加数字内容，如信息或图像。
- 混合现实（MR）：AR的进阶形式，允许用户与虚拟元素进行实时交互。
XR内容由XR引擎生成，这些引擎通常包括图形渲染引擎、音频引擎和物理引擎，用于模拟视觉、声音和物理规律。
2. XR的技术需求
为了提供良好的XR体验，需要满足以下条件：
- 帧率：最低60fps，沉浸式体验需90fps甚至120fps。
- 分辨率：每眼至少2K，理想情况下高达8K以消除像素感。
- 比特率：上述要求转化为几十Mbps的数据传输需求。
然而，用户设备（UE）受限于散热和电池续航，无法承载如此强大的XR引擎。因此，渲染过程通常采用分割渲染方式：UE通过上行链路发送实时传感器数据到云端，云端完成渲染后将多媒体数据通过下行链路传回UE显示。这种模式依赖NR承载高比特率的数据流。
二、XR对NR的挑战
1. 高比特率与低延迟的结合
XR服务对NR提出了独特的要求：
- 比特率：几十Mbps，用于支持高分辨率和高帧率内容。
- 延迟：运动到光子（motion-to-photon）延迟需控制在20ms以内，以确保沉浸式体验并减少运动病。
在分割渲染场景中，20ms的延迟预算包括：
- UE发送传感器数据到云端的上行时间。
- 核心网络的传输和处理延迟。
- 云端将多媒体数据传回UE的下行时间。
对于无线接入网络（RAN），这意味着上行和下行链路的延迟需控制在10-15ms以内。这种高比特率与低延迟的组合是NR面临的新挑战。
三、3GPP RAN增强机制
为了应对XR的需求，3GPP在Rel-18中引入了以下三大类RAN增强机制：
1. XR Awareness（XR感知）
XR感知通过优化无线资源使用来提升效率，主要依赖以下概念：
- PDU Set（协议数据单元集）：由SA2工作组定义，指应用程序作为一个单元处理的内容（如图像的一部分或音频帧）。
- Data Burst（数据突发）：描述数据传输的持续时间。
关键机制：
- PDU Set Integrated Handling Indication (PSIHI)：指示某个PDU Set中的所有PDU是否对应用层使用必需。若一个PDU丢失，RAN可停止传输该PDU Set以节省资源。
- PDU Set重要性标记：每个PDU Set可标记其相对重要性，RAN在网络拥塞时优先丢弃重要性较低的PDU Set。
这些机制使RAN能够更智能地管理XR数据流，提高资源利用率。
2. Power Saving（节能）
XR服务的高频数据传输对UE的功耗提出了挑战。Rel-18研究表明，节能的关键在于：
- DRX与XR流量的周期性对齐：XR帧率（如60、90、120fps）对应的周期（如16.66ms、11.11ms、8.33ms）为非整数，与传统整数周期不同，因此需引入新机制支持。
- PDCCH监控适应技术：
- 搜索空间集组（SSSG）切换：根据PDU Set信息调整PDCCH监控时间，适应XR数据到达的较大抖动。例如，新PDU准备传输时，从稀疏切换到密集监控。
- PDCCH跳过：数据突发结束后触发跳过，提前结束UE的DRX活动时间。
这些技术显著降低了UE的功耗，同时维持了XR服务的性能。
3. Capacity（容量）增强
XR服务的高比特率和低延迟要求RAN提升容量，以下是具体措施：
- 物理层（PHY）增强：
- 配置授权（CG）周期：为上行（UL）数据提供多个PUSCH机会，减少信令开销。
- 上行控制信息（UCI）：UE通过UCI指示未使用的PUSCH机会，gNB可将这些资源重新分配给其他用户，提升小区容量并节省能源。
- 下行（DL）：传统动态授权调度已足够灵活，无需额外PHY增强。
- 层2增强：
- 缓冲区状态报告（BSR）：增强BSR以减少量化误差，并报告缓冲数据的延迟信息，帮助gNB精确调整授权，减少填充和延迟。
这些增强措施提高了网络的整体容量和效率。
四、结论
NR技术此前能够为某些服务提供高比特率，为其他服务提供低延迟，但两者从未如此紧密结合。XR的出现改变了这一现状，其对几十Mbps比特率和10ms延迟的需求推动了NR的演进。本文回顾的RAN增强机制——XR感知、节能和容量提升——将使NR有效应对这些挑战。据估计，这些新功能可在节能和容量方面带来10~30%的性能提升，为XR服务的广泛应用奠定了基础。
五、文章要点总结
- XR概述
- 定义：VR、AR、MR的统称。
- 需求：高帧率（60-120fps）、高分辨率（每眼2K-8K）。
- 分割渲染：NR承载云端与UE间的高比特率数据。
- XR对NR的挑战
- 高比特率（几十Mbps）与低延迟（10-15ms）的组合。
- 运动到光子延迟需小于20ms。
- 3GPP RAN增强
- XR Awareness：PDU Set、Data Burst、PSIHI、重要性标记。
- Power Saving：DRX周期对齐、SSSG切换、PDCCH跳过。
- Capacity：CG周期、UCI、BSR增强。
- 结论
- NR面临的挑战及应对措施。
- 性能提升：节能与容量增益10~30%。
六、扩展思路
- XR技术发展趋势
- 未来XR可能追求更高分辨率（如16K）、更低延迟（如5ms），并扩展至全息显示等领域。
- 应用场景：游戏、教育、远程医疗、工业设计等。
- NR技术的演进
- 从Rel-15到Rel-18的演进历程，展望Rel-19可能支持的XR新特性。
- NR的优势（高带宽、低延迟）与局限（覆盖范围、成本）。
- XR与NR的融合
- XR对网络的具体需求：带宽、可靠性、QoS。
- NR如何通过边缘计算、AI优化等技术满足XR需求。
- 3GPP标准化的影响
- SA2、RAN1、RAN2在XR支持中的角色。
- 标准化对设备厂商、网络运营商和用户的意义。
- 节能与容量增强的意义
- 节能延长UE电池寿命，提升用户体验。
- 容量增强降低运营商成本，支持更多并发用户。
- 未来研究方向
- 更高效的视频编码（如AV1、VVC）在XR中的应用。
- 6G网络如何进一步优化XR体验，如超低延迟和超高带宽。
通过以上分析，我们可以看到XR技术与NR的深度融合不仅是技术挑战，也是推动无线通信发展的机遇。未来，随着标准化和技术的不断进步，XR有望在更多场景中实现普及，为用户带来前所未有的沉浸式体验。