XR 与 3GPP 演进下(XR 关键推动因素)

XR 将成为决定我们当今和未来几年与数字世界关系的下一代计算平台。XR 将影响人们娱乐、工作和联系的方式。XR 将影响消费者生活、工业和制造业垂直领域、教育、应急响应和医疗保健的方方面面。

5. XR 关键推动因素

5.1 分离式计算/渲染架构

虽然元宇宙的长期愿景是直接连接到云的 5G AR 眼镜（图 13.1），但近期的解决方案是通过支持 5G 的手机或笔记本电脑与云通信的连接 Wi-Fi 的 AR 眼镜（图 13.2）。未来，5G AR 眼镜可能会使用可用的 5G 或 Wi-Fi（图 13.3），无线电接入技术 (Radio Access Technologies, RAT) 之间的无缝体验是最佳用户体验的首选。实现低功耗调制解调器的一种选择是通过第 17 版缩减容量 (RedCap) 功能，将带宽限制为 20MHz，将天线数量限制为两个也是一种选择。

图 13.1： 直接连接

图 13.2： 手机到眼镜

图 13.3： 使用 5G 或 Wi-Fi 的 5G AR 眼镜

在图 13.2 的“边缘-手机-眼镜” AR 系统中，眼镜通过 Wi-Fi 与手机通信，手机通过 5G 与服务器通信。在分离式 XR 架构中，用户的姿势和视频信息从眼镜流向手机，再到服务器。服务器处理数据并通过手机发送回编码图形以显示在眼镜上。分离式 XR 系统利用边缘计算服务器的计算能力进行图形渲染。整个过程的往返时间 (RTT) 称为运动到渲染到光子延迟 (Motion to Render to Photon, M2R2P)，如图 14 所示。Wi-Fi 和 5G RTT 是此 M2R2P 的关键组成部分。这个 5G 往返包括在服务器到设备之间传输完整视频帧和位姿信息所需的时间，以及核心网络中的调度、排队延迟和传播延迟。

图 14： 具有 M2R2P 延迟的分离式 XR 架构 = 5G RTT + 设备处理 + 服务器处理

不同的 XR 设备可能在承载 5G Uu 调制解调器的设备和 XR 设备之间的网络共享、5G Uu 调制解调器的放置、XR 引擎和本地化支持、电源和典型的最大可用功率方面有所不同。传感器放置在所有设备类型上。XR 引擎可大致分为：

外部：设备仅支持显示。任何场景识别（如果可用）都不在设备上。
分离：设备执行视口预渲染和后渲染。通过分离式渲染，服务器和设备之间的计算可以提供真正沉浸式的增强体验。不同类型的分离式架构因 XR 服务器和 XR 设备之间主要任务的功能分离而异。通过分离计算/渲染，网络功能运行 XR 引擎以支持沉浸式场景的处理和预渲染，并将交付分离为多个连接，例如分离式渲染、边缘计算等。延迟和交互要求取决于用例和架构实现。
XR 设备：在设备中完全渲染视口的设备。

5.2 边缘计算

5G NR 多接入边缘计算 (multi-access edge computing, MEC) 使应用程序、存储、交换和控制功能更靠近需要它们的位置，从而改进数据处理并减少延迟。将设备上的处理转移到云端可以加快响应时间并降低电池使用量，从而有可能改变制造、运输、娱乐等行业。通过边缘计算，用户设备 (User Equipment, UE) 可以访问靠近服务基站 (Base Station, BS) 托管的服务。较低的延迟可以改善最终用户体验，而减少回程传输要求可以提高网络效率。靠近服务 BS 托管服务意味着在地理上靠近服务 BS 的位置处存在用户平面功能（User Plane Function, UPF）和局域网（Local Area Data Network, LADN）的数据网络（Data Network, DN）。UPF 和 DN/LADN 可以与基站位于同一位置，或者它们可以与传输网络中的路由器位于同一位置。

图 15： 云和边缘处理

边缘计算作为网络架构的作用是实现 XR 和 CG 的重要考虑因素。例如，博物馆可以使用 AR 在参观者参观场地时为他们提供额外信息。边缘计算应用程序可以在本地服务器上运行，该服务器可以识别和跟踪访问者的位置并提供相关的位置信息。因此，边缘计算可以提供几个好处，例如更低的延迟、更高的带宽和减少的回程流量。

SA6 支持边缘应用程序架构的研究定义了对 5G 系统架构的必要修改，以增强边缘计算。XR 边缘应用程序有望利用 5G 和边缘网络架构支持的低延迟来减少端到端应用程序级延迟。

此外，3GPP TR 23.758 和 3GPP TS 23.558 确定了一组新的边缘计算应用层接口，这些接口可能对边缘计算的集成有用。具体来说，这些接口将启用边缘应用程序服务器的应用层发现、向边缘应用程序服务器公开功能，以及边缘应用程序的引导、注册和生命周期管理程序。

5.3 频谱考虑

良好的 XR 用户体验需要同时具有高数据速率、高可靠性和低/超低延迟。尽管 FR1 可靠且非常适合移动性，但由于带宽有限，FR1 存在容量限制。毫米波和亚太赫兹频段可以满足数据速率和延迟要求，但范围和移动性有限。利用 AI 和 ML 技术克服频谱挑战以带来高可靠性和数据速率对于整体消费者体验至关重要。

图 16： 展示频谱容量与覆盖考虑因素

6. 3GPP 标准中的 XR

XR 是 URLLC 和 eMBB 之间的服务，需要在 KPI 之间取得平衡，包括高可靠性、低延迟、低功耗和高容量。3GPP 在 Rel-15 引入了 5G NR，主要针对 eMBB，部分支持 URLLC。XR 可以利用 5G NR 作为进一步 XR 特定增强的基础。以下部分概述了 3GPP 版本中的 XR。

6.1 Rel-15/Rel-16 中的 XR

Rel-15/Rel-16 引入了 URLLC 和节能功能，可提供更高的可靠性、更低的延迟和更大的节能效果，但这些功能并未专门针对 XR 进行设计和优化。例如，这些功能不考虑 XR 的周期性流量，这些流量以较大的突发大小出现。此外，某些功能可能会以可靠性和延迟换取吞吐量。因此，这会降低网络容量和可以可靠服务的 XR 用户数量。Rel-17 XR Study Item (SI) 和当前的 Rel-18 以 XR 特定的增强为目标，但一些支持低延迟和/或节能的 Rel-15 和 Rel-16 功能可能是 XR 的基准功能。Rel-15 增强功能，例如微时隙传输、下行链路抢占、免授权传输和前置解调参考信号（Demodulation Reference Signals, DMRS）可实现低延迟，对 XR 应用非常有用。

在物理层，提供更高可靠性和更低延迟的增强功能包括支持新的下行链路控制信息 (Downlink Control Information, DCI) 格式：DCI format 0_2、DCI format 1_2 和 DCI format 2_4。此外，旧版 DCI 格式包含新字段。优先级指示符是一位指示符，用于指示高优先级或低优先级，以促进 UE 内优先级划分以解决流量冲突。鉴于严格的延迟要求以及需要优先考虑低延迟 XR 流量以满足延迟预算，XR 应用程序可能会从这些功能中受益。

通过 Rel-16 中引入的动态功率提升，具有增强功率控制的 UE 可以在 eMBB 上得到提升，即发送低延迟业务传输功率。Rel-16 还引入了上行链路取消功能，允许 UE 获得用于延迟敏感服务的上行链路资源，这些服务可能先前已分配给另一个 UE。所有这些特性都有利于需要低延迟的 XR 服务。

XR 设备外形小巧，可能受益于较低的功耗以延长电池寿命。Rel16 引入了增强功能以节省 UE 功率，这可能被视为 XR 设备的基线方案。

关键特性包括物理下行链路控制信道 (Physical Downlink Control Channel, PDCCH) 唤醒信号 (wake–up signal, PDCCH-WUS)，它向 UE 指示 PDCCH 是否要在连接模式不连续接收 (Connected Mode Discontinuous Reception, CDRX) OnDuration 中传输。如果没有指示，UE 可以通过 CDRX OnDuration 继续休眠并节省电池电量。

对 XR 调度有用的一些功能可能是使用上行链路配置授权 (uplink configured grant, ULCG) 进行 UL XR 视频数据传输。与动态授权 (dynamic grant, DG) 相比，ULCG 减少了调度 DCI 的开销。此外，UE 不需要发送调度请求(Scheduling Request, SR)、监视 PDCCH 以获取 UL 授权、发送缓冲器状态报告(Buffer Status Report, BSR)，然后最终发送 UL 数据。这减少了延迟并允许 UL 数据包传输满足 PDB。然而，ULCG 的资源分配配置是半静态的，增强可能需要适应可变的数据包大小。

UE 可以使用 UE 辅助信息 (UE Assistance Information, UAI) 来指示其首选的节能参数，例如提供对 CDRX 配置参数的偏好。这允许 UE 适应不同的应用程序和带宽，从而节省更多功率。此外，还可以基于 UAI 适配 MIMO 层的最大数量、最大聚合带宽和分量载波的最大数量。

XR 的具体工作在 Rel-16 中启动，其中 SA4 WG 通过提供定义、核心技术支持和设备外形因素的总结来引入 XR。它进一步确定了支持 XR 用例的相关客户端和网络架构、API 和媒体处理功能。此外，还确定了提供此类体验所需的媒体格式，包括音频和视频、可访问性功能以及客户端和网络之间的接口。还考虑了相关 XR 服务的关键性能指标和 QoE 指标。

虽然 XR 服务可以建立在 5G NR 的基础上，但 3GPP 已经认识到一些关键问题作为 Rel-17 中“NR 的 XR 增强研究”的一部分，并且 5G 系统有望通过 Rel-18 及以上的演进来解决这些问题。接下来的部分提供了 5G 演进的系统级概述，以更好地支持 XR。

6.2 Rel-17 中的 XR

本节概述了 Rel-17 中的 XR 研究，“研究 NR 的 XR 增强功能”。表 2 总结了 XR 背景下的相关 3GPP Rel-17 工作。

表 2： XR Rel-17 研究项目和工作项目

RAN1 中的 Rel-17 SI 与 SA4 协调，采用的下行链路和上行链路 CG/AR/VR 流量统计流量模型如表 3 和表 4 所示。假设视频帧大小由截断高斯生成平均数据率 [10.5%、50%、150%] 的 [标准差、最小值、最大值] 的分布。帧到达 5G 系统的抖动也被假定为截断高斯抖动，[标准偏差，最小值，最大值] 为 [2，-4，4] 毫秒。在上行链路上，所有 XR 服务都包含上行链路流，这些上行链路流携带频繁的小控制数据包，例如来自 HMD 的 UL 姿态/控制。此类流的延迟界限很小（10 毫秒）。SI 考虑了容量、功率、覆盖范围和移动性的评估方法。就这些方面提出了性能评估。该研究产生了技术报告 (TR) 38.838。

表 3： 用于评估 DL 方向的 XR 应用的流量模型和 QoS 约束

表 4： 用于评估 UL 方向的 XR 应用的流量模型和 QoS 约束

SI TR 38.838 包括潜在增强功能以及增加 XR 容量和降低功耗的评估结果。评估基于多电池系统级模拟。评估方法包括 XR 流量模型、部署场景、UE 配置、BS 配置、TDD UL-DL 时隙格式模式等。此外，还同意对 UE 功率和容量进行联合评估，以避免采用任何可能导致容量降低的功率增强。XR 最主要的问题和设计挑战将在以下部分讨论。

节能增强： 功耗研究旨在了解 XR 应用的 NR UE 功耗性能，并确定可能有助于理解当前 NR 系统在支持 XR 应用方面的局限性的任何问题和性能差距，以及必要的潜在方向未来的改进，以提高电源效率。主要的节能问题是：

CDRX 周期和 XR 流量周期之间的不匹配： Rel-15 和 Rel16 CDRX 周期值与 XR DL 帧到达周期之间存在节奏不匹配。典型的 XR DL 帧速率为 60、120 fps，其中帧周期为 16.67ms、8.33ms，而可配置的 Rel-15/Rel-16 CDRX 长周期值为 10、20、32、40ms 等，短周期值有 2、3、5、6、7、8、10、14、16、20、30、32、35ms 等。由于 CDRX 周期值只支持 1ms 的整数倍，无论哪个从 38.331 的当前可用周期中选择的值，它都不能与 DL 帧到达时间完全对齐。下图说明了 60fps 与 16ms 和 17ms 的 CDRX 周期之间的不匹配。由于更大的延迟和/或更大的 UE 功耗以保持相同的延迟性能，这种不匹配将导致 XR 容量损失。目前正在 Rel-18 中讨论处理不匹配问题。可能的解决方案包括允许多个 CDRX 配置、非整数周期、配置周期模式和用于调整起始偏移的动态指示。
PDCCH 监测周期与 XR 流量周期不匹配： 与上述 CDRX 问题类似，由于频繁的 PDCCH 监测，时间上的不对齐导致容量损失或消耗额外功率。
抖动处理： XR DL 流量到达具有抖动，这使得即使在速度不匹配问题得到解决之后，准确的帧到达时间仍然是随机的。例如，如果 DL 突发到达时间晚于预期到达时间（其中可能配置了 CDRX 开启持续时间开始），如图 18 所示，UE 应等待 DL 突发到达，同时执行不必要的 PDCCH 监视。这种不必要的 PDCCH 监视增加了 UE 功耗。可变 XR 帧大小也会导致高功耗，因为配置效率低下并且通常基于最大数据包大小。

图 17： XR DL 流量 (60fps) 与 R15/16 CDRX 周期之间的不匹配

图 18： 相对于预期到达时间具有正抖动的延迟 DL 数据包（突发）到达

容量节省增强： 与节能增强类似，容量研究的目的是了解 NR 系统在 XR 应用中的性能，并确定限制当前 NR 系统支持 XR 应用的任何问题和性能差距。此外，此类研究为未来必要的增强功能提供了潜在方向，以更好地支持 XR。

增强半持久调度：由于 XR 应用产生的流量是准周期的，适合使用 ULCG 进行 UL XR 视频数据传输。与 DG 相比，ULCG 减少了调度 DCI 的开销。此外，UE 不需要发送 SR、监视用于 UL 授权的 PDCCH、发送 BSR 然后最终发送 UL 数据。这减少了延迟并允许 UL 数据包传输满足 PDB。CG 的资源分配配置是半静态的。因此，ULCG 配置无法适应 XR 流量数据包大小。此外，Rel-16/Rel17 半持久调度 (Semi-Persistent Scheduling, SPS)/ULCG 周期值与 XR UL/DL 帧到达周期之间存在节奏不匹配。典型的 XR 流量周期为每秒 60、120 帧 (fps) 或 Hz；帧周期为 16.67ms 和 8.33ms。由于 ULCG/SPS 周期值仅支持时隙的整数倍，因此无论从 TS 38.331 的当前可用值中选择哪个周期，它都不能与 UL/DL 流量到达时间精确对齐。图 19 说明了 60fps XR 流量与 15kHz SCS 中 16 个时隙和 17 个时隙的 ULCG/SPS 周期之间的 XR 周期性不匹配。由于 ULCG/SPS 资源与实际 XR 流量之间的时间差异导致的数据包延迟，这将导致 XR 容量损失。当前在 Rel-18 中的讨论包括考虑使用半静态或动态方法增强 SPS/ULCG。

图 19： XR UL/DL 流量 (60fps) 与 Rel-16/Rel-17 ULCG/SPS 周期（16 个时隙或 17 个时隙）之间的不匹配

对 XR 容量有用的其他增强包括（但不限于）：延迟感知调度、使用单个 DCI、WUS 对多 PDSCH/PUSCH 调度的增强、混合自动重复请求 (Hybrid Automatic Repeat Request, HARQ-ACK) 增强以及对测量间隙的增强。此外，考虑到较大的传输块大小和允许多次 HARQ 重传的 PDB，基于码块组 (Code Block Group, CBG) 的 HARQ 可能对 XR 用例有益，因为当前的链路适配机制和相应的 UE CQI 反馈设计对于基于 CBG 的传输来说不是最优的。

RAN 的 XR 感知： 5G 系统中的延迟和可靠性 QoS 参数是根据“数据包”（例如，PDB、PER）为流量指定的。在下行链路上，数据包对应于 N6 接口上向 UPF 入站的数据包数据单元。这些数据包数据单元通常是 IP 数据包，因此数据包对应于 IP 负载。

然而，下行链路上的 XR（和 CG）应用流量通常由编码视频或场景信息组成。通常，应用程序需要在下一级处理开始之前在客户端提供特定最小粒度的应用程序数据。例如，在某些配置中，仅当视频帧的所有比特或特定百分比的比特可用时，应用程序客户端处理才能开始。尽管此信息被打包到 IP 负载中，但应用程序客户端流量消耗的最小粒度将要求在下一级处理开始之前有一定的最小 IP 数据包集可用。我们将给定应用所需的这种最小信息粒度称为分组数据单元集“PDU 集”。

XR（和 CG）流量由可以携带一个或多个 PDU 集的突发流量组成，其中 PDU 集由一个或多个 PDU 组成，这些 PDU 携带在应用层生成的一个信息单元（例如，帧或视频切片）。

数据包中指定的 QoS 参数不能充分捕获应用程序要求，通常是根据 PDU 集。首先，应用程序可以有一定的 PDU 集错误率 PS-ER 要求，其中 PS-ER 是指定测量窗口中错误的 PDU 集的百分比。指定 PER 并不能充分指定 PS-ER。如果一个 PDU Set 中的多个 IP 数据包出错，那么系统可以在满足 PER 但不满足 PS-ER 的点上运行。因此，观察到将 PS-ER 指定为 5G 系统作为 QoS 参数可能是有益的。

其次，应用程序可能对 PDU 集有一定的延迟要求，但不能充分转化为数据包延迟预算要求。例如，如果 PDU 集延迟预算（PDU Set delay budget, PSDB）为 10ms，那么只有当 PDU 集的所有数据包同时到达 5G 系统时，才可以将 PDB 设置为 10ms。如果数据包分散开来，则根据 PDU 集合的第一个数据包或 PDU 集合的最后一个数据包的到达来衡量 PDU 集合延迟预算。在任一情况下，给定的 PSDB 将导致对 PDU 集的不同数据包的不同 PDB 要求。据观察，将 PSDB 指定给 5G 系统可能是有益的。因此，基于控制平面上的 PDU 集发送新的 5G QoS 标识符 (5QI) 属性（延迟预算、错误率等）是很有用的。在用户平面上，应用服务器可以标记 IP 数据包以区分属于同一集合和/或突发的数据包。

第三，并非 PDU 集中的所有位都同等重要。例如，如果应用实现了应用级纠错，那么应用客户端只消耗 PDU 集的一部分比特，其余的比特不需要传输以提高容量。如果应用程序实施了错误隐藏技术，它可以容忍 PDU 集合中一定百分比的错误位。某些视频编码器配置可能会消耗 PDU 设置的所有位，直到第一个位出现错误。第一个错误位之后的所有后续位都可以被丢弃，因为相应的解码器无法使用它。可以通过称为 PDU 集内容策略的 QoS 参数指定 PDU 集内的位处理。将此内容策略指定为 5G 系统作为 QoS 参数可能是有益的。

除了 PDU 集感知之外，5G 系统还可以从构成多个 PDU 集的突发的感知中获益。例如，如果 5G 系统知道突发结束，则它可以确保 UE 可以进入睡眠状态，而无需实施不活动定时器，从而进一步节省电量。

其他可能对 5G 系统有用且当前作为 Rel-18 SI 的一部分进行讨论的有用属性可能包括（并且可能不限于）：PDU 集周期性、优先级、大小或 PDU 集中的 PDU 数量、抖动特性等。

6.3 Rel-18 中的 XR

5G-Advanced 标准化目前处于早期阶段，第 18 版工作于 2022 年春季在 RAN 中开始，并在 3GPP Rel-19 和 Rel-20 中进一步发展。表 5 总结了 Rel-18 中与 3GPP 相关的 XR SI 和工作项 (WI)。

表 5： XR Rel-17 SI/WI

2021 年 12 月，批准了一个新的研究项目“NR 的 XR 增强研究”。图 20 显示了 RAN1 #109-e 中讨论的商定时间表。从 RAN 的角度来看，两个重要的里程碑是规定 2022 年 9 月在 RAN#97 上发布 TR 供参考，并在 2022 年 12 月在 RAN#98 上提供 TR 以供批准。任务是让 RAN1 和 RAN2 在 2022 年 11 月完成工作。Rel-18 中的研究是基于 Rel-17 TR 38.838、SA430 的相应 Rel-17 工作以及 SA231 的 Rel-18 工作。目标概括为 XR 意识、XR 特定的节能和 XR 特定的容量改进。主要改进包括第 5.2 节中描述的那些。

图 20：Rel-18 跨工作组的 XR TU

6.4 Rel-19 中的 XR

为了支持 XR KPI 要求，预测或快速适应 RF 条件变化至关重要。在毫米波和更高频率的系统中尤其如此，这些系统会经历更高的传播损耗并且更容易受到阻塞。需要高速旋转和运动的用例加剧了这些通道条件。感知辅助波束选择对于此类场景/用例很有用。

SA1 在研究项目描述 (Study Item Description, SID) 中批准了一项关于本地化移动元宇宙服务的研究。这些元宇宙服务将涉及协调来自不同用户设备（例如传感器和相机）的输入感知/传感数据，以及协调输出数据到不同目的地的不同设备以支持相同的应用程序。

本研究将调查 5GS 支持增强型 XR 服务的具体用例和服务要求。基于 XR 的服务是本研究中考虑的“元宇宙”服务的重要组成部分，以及可能提供本地内容和服务的共享和交互式用户体验的其他功能，由附近或远程的用户访问。具体而言，将研究以下领域：

支持在单个位置的多个用户之间共享交互式 XR 媒体
性能方面；例如，延迟、吞吐量、连接密度
单个位置大量用户的效率和可扩展性方面
用户标识和在元宇宙服务中交互的实体的其他数字表示
获取、使用和公开本地（物理和数字）信息以支持元宇宙服务
获取本地空间/环境信息和用户/UE 信息（包括视角、位置和方向）
向第 3 方公开本地获取的空间、环境和用户/UE 信息以启用元宇宙服务。

结论

数字孪生、人工智能/机器学习、物联网是 XR 发展和实施不可或缺的组成部分。数字孪生通过保证复杂物理资产的端到端数字化将现实与元宇宙联系起来。人工智能和机器学习将几乎所有行业与 XR 服务联系起来，并通过无线接入提供必要的服务。此外，使用具有边缘计算能力的物联网设备和传感器将使预先的决策维护成为可能。垂直行业可以从更智能的物联网生态系统中受益，同时鼓励可持续性。垂直行业包括但不限于企业、公共安全、NFT、消费者垂直行业和制造业。

VR 以其将屏幕受限的视频游戏转变为完全沉浸式体验的能力而闻名。尽管 AR 和 VR 在我们的日常生活中共享共同的虚拟组件，但 AR 用虚拟组件补充了我们的日常生活，而不是让用户沉浸在虚拟世界中。

XR 服务特性和交付要求包含 5G 服务，如 eMBB、mMTC 和 URLLC。5G NR MEC 使应用程序、存储、交换和控制功能更靠近需要的地方，从而改进数据处理并减少延迟。提高效率可以缩短响应时间并降低电池使用量，从而有可能改变制造、运输、娱乐等行业。边缘计算的某些方面有助于改善最终用户体验和网络效率。本文还讨论了分离渲染/架构对于手机到眼镜拓扑的作用。

3GPP 正在考虑对 XR 的支持进行各种增强，包括增强 Rel-17 和 Rel-18 中的节能、容量和 XR 感知。最后，本文讨论了 3GPP 在 Rel-19 中针对 XR 特定增强的一些未来方向。

除了光学、投影仪、显示系统、图形、音频、跟踪和人工智能等技术的进步；从通信的角度来看，本文讨论和推荐的标准增强和设计方面以及分离渲染/计算架构使得它更有可能实现 XR 承诺的好处，例如低功耗、低延迟、高可靠性和可在广阔区域提供 XR 服务的小型设备。未来，光束感知、机器学习和人工智能的进步可以进一步带来好处，使 XR 梦想成为现实。3GPP 和不断发展的 5G 移动无线行业生态系统正在进入 5G 创新的新时代，并应继续合作，专注于本白皮书中所述的关键领域，以推动 XR 发挥其全部潜力，因为它会影响我们的生活方式，娱乐和工作。