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3GPP的全稱是3rd Generation Partnership Project，中文叫第三代合作伙伴計劃，成立于1998年12月，多個電信標準組織伙伴共同簽署了《第三代伙伴計劃協(xié)議》，最初的目標是為了制定3G技術(shù)規(guī)范。其制定的3G和4G技術(shù)規(guī)范現(xiàn)在都是全球通用的標準，當(dāng)前5G技術(shù)方案的研究制定正在進行中。

(資料圖片僅供參考)

1背景篇

3GPP解決的是移動通信相關(guān)的問題，滿足傳輸內(nèi)容和交互方式快速發(fā)展引入的新的網(wǎng)絡(luò)需求。3GPP制定的標準規(guī)范以Release作為版本進行管理，平均一到兩年就會完成一個版本的制定，目前已經(jīng)發(fā)展到Rel-18。中國通信標準化協(xié)會CCSA是其七個標準化組織成員之一。

圖1 3GPP 的簡介（3GPP演示文稿）

移動通信端到端系統(tǒng)通常劃分為終端、無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)和業(yè)務(wù)等四個子系統(tǒng)，缺一不可。3GPP工作組分為三大TSG（技術(shù)規(guī)范組），包括RAN（無線接入網(wǎng)），SA（服務(wù)與系統(tǒng)），CT（核心網(wǎng)和終端），下設(shè)若干工作組（WG），具體參見表1。

表1 3GPP 工作組劃分（3GPP 官網(wǎng)）

3GPP中負責(zé)多媒體相關(guān)標準制定的是TSG SA（Service and System Aspects）的第4個工作組（SA WG4 Codec），媒體和編解碼工作組，簡稱SA4。制定用于多媒體業(yè)務(wù)相關(guān)的語音、音頻、視頻、圖形和其他媒體類型的編解碼器的規(guī)范，定義單播、組播和廣播流的內(nèi)容格式和傳輸協(xié)議，擴展云計算和邊緣計算架構(gòu)，包括媒體API、媒體處理、體驗質(zhì)量指標、流量特性的定義等。本文重點針對SA部分的相關(guān)規(guī)范，無線部分只做整體淺顯的解析。

當(dāng)前3GPP的規(guī)劃的是5G相關(guān)的標準，整體看分為兩個大階段，R15/R16/R17這三個版本是5G演進的第一階段，之后的R18/R19/R20這三個版本是5G演進的第二輪創(chuàng)新，也就是5G-Advanced。

在5G演進的第一階段中，Rel-15是5G的基礎(chǔ)標準，于2019年凍結(jié)，重點滿足增強移動寬帶（eMBB）和基礎(chǔ)的低時延、高可靠（URLLC）應(yīng)用需求。

Rel-16是5G的完整標準，于2020年凍結(jié)，主要聚焦于eMBB的增強，低時延、高可靠能力的完善，關(guān)注垂直行業(yè)應(yīng)用及整體系統(tǒng)的提升，如面向智能汽車交通領(lǐng)域的5G V2X、面向IIoT領(lǐng)域的時間敏感聯(lián)網(wǎng)等5G NR能力，以及定位、MIMO增強、功耗改進等系統(tǒng)性的提升與增強。

Rel-17是5G的增強標準，于2022年凍結(jié)，面向5G XR、新型物聯(lián)網(wǎng)等新業(yè)務(wù)需求，重點引入了許多全新的特性和技術(shù)，比如Redcap終端、上行覆蓋增強、動態(tài)頻譜共享、多播廣播業(yè)務(wù)、多卡技術(shù)、衛(wèi)星5G網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星 NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)、下行1024QAM、定位增強、MIMO技術(shù)進一步增強（FeMIMO）、節(jié)能增強、URLLC增強、CA/DC增強、輔鏈路通信增強、無線切片增強等。在Rel-15到Rel-17，3GPP已將5G從一系列愿景和流行語通過規(guī)范標準使能落地為強大的新移動通信環(huán)境，并在全球推廣。

當(dāng)前Rel-18已經(jīng)啟動，標志著5G進入第二階段5G-Advanced，當(dāng)前首批課題成功立項。除了傳統(tǒng)的移動通信業(yè)務(wù)外，還包括工業(yè)和垂直服務(wù)相關(guān)的移動通信能力。Rel-18將考慮新技術(shù)和社會發(fā)展，例如環(huán)境要求、人工智能、XR等，繼續(xù)推進5G的發(fā)展。

圖2 3GPP 5G各階段示意圖[6]

XR內(nèi)容作為新的傳輸媒體和新的交互形式的代表，是3GPP新需求研究的重點內(nèi)容。下面我們一起了解3GPP XR相關(guān)規(guī)范的進展。

2標準篇

擴展現(xiàn)實（XR，eXtended Reality）是5G/5G-Advanced中需要引入的主要創(chuàng)新之一，XR包括AR（Augmented Reality，增強現(xiàn)實）、VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）和MR（Mixed reality，混合現(xiàn)實），應(yīng)用涵蓋了健康、教育、娛樂、工業(yè)等領(lǐng)域（進一步了解XR）。增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實和混合現(xiàn)實的結(jié)合，再輔以云游戲，重新定義了人類與計算機、與網(wǎng)絡(luò)以及人類彼此之間的互動方式。5G網(wǎng)絡(luò)具備大帶寬和低延時特性，將極大的促進業(yè)務(wù)的發(fā)展，然而對XR服務(wù)的有效支持給無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也帶來了新的挑戰(zhàn)。從5G的第一個版本版就開始考慮如何更好在5G中交付XR應(yīng)用。

相比傳統(tǒng)的媒體業(yè)務(wù)XR有獨特幾個特性，首先作為可穿戴的移動設(shè)備要求外形輕薄且具有高續(xù)航能力，因此對能耗和算力有嚴格的限制，導(dǎo)致XR設(shè)備需要其他節(jié)點的協(xié)助，如邊緣計算。第二，XR服務(wù)需要協(xié)同一個/多個下行鏈路(DL)視頻流和上行鏈路(UL)中的運動/控制數(shù)據(jù)頻繁更新緊密同步。最后，XR具有高流量和低延遲的特點。

圖3 3GPP XR 典型用例[8]

如上圖，3GPP XR 有三組典型場景：

虛擬現(xiàn)實（VR）：用戶完全沉浸在超越現(xiàn)實世界物理存在感的虛擬世界。現(xiàn)代VR服務(wù)通常是通過優(yōu)化的視口依賴的流媒體(VDS)來啟用的。VDS是一種自適應(yīng)流媒體方案，它使用網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和用戶姿態(tài)信息來調(diào)整3D視頻的比特率和內(nèi)容。

增強現(xiàn)實（AR）：AR是將虛擬對象與現(xiàn)實世界的實時三維視圖合并，為用戶提供虛實結(jié)合的交互環(huán)境。因而用戶位置和視角（FOV）的定位跟蹤很重要。當(dāng)前主流解決方案是Inside-out的方式，通過AR設(shè)備的攝像頭對慣性測量（IMU）設(shè)備的定位做補充。因此，AR需要將視頻連續(xù)上傳到XR服務(wù)器，通過IMU姿態(tài)跟蹤+同時定位和建圖(SLAM)來定位用戶，在此基礎(chǔ)上生成一個增強的3D場景，并渲染回傳到用戶設(shè)備。

自由度的云游戲：云游戲是指在云服務(wù)器上執(zhí)行的一個交互式游戲應(yīng)用程序。服務(wù)器根據(jù)用戶設(shè)備發(fā)送的控制命令生成一個2D/3D場景序列作為視頻流。對于XR云游戲，控制信號包括手持控制器輸入和3/6個自由度運動數(shù)據(jù)。支持多個玩家可以參與同一個游戲環(huán)節(jié)。云游戲中生成的視頻流依賴于用戶的操作，因此，需要在UL中頻繁更新運動/控制數(shù)據(jù)。

2.1 Rel-15 XR相關(guān)內(nèi)容分析

3GPP Rel-15是對5G基礎(chǔ)功能的定義。因此XR業(yè)務(wù)場景涉及內(nèi)容相對比較基礎(chǔ)，主要是以VR為代表的基本流媒體服務(wù)技術(shù)規(guī)范。?

VR流媒體服務(wù)的客戶端架構(gòu)和API定義；一組操作關(guān)鍵點，涵蓋從 Carboards 到高端系列HMD頭顯的各種設(shè)備功能；媒體配置文件的定義，操作點到 DASH 交付的映射；添加系統(tǒng)元數(shù)據(jù)以支持在 2D 屏幕上渲染 360 度體驗，包括沒有姿勢信息的渲染方面。

并給出了5G傳輸XR的參考架構(gòu)，見下圖，為R16的進一步研究做好了鋪墊。

圖4 Extended Reality over 5G- Reference architecture under consideration（3GPP演示文稿）

Rel-16 XR相關(guān)內(nèi)容分析從Rel-16開始XR逐漸成為5G標準中的重要內(nèi)容，包括媒體流架構(gòu)、沉浸式語音及音頻編碼、XR業(yè)務(wù)、直播上行鏈路媒體流（LUS，Live Uplink Streaming）、用戶產(chǎn)生多媒體內(nèi)容（例如多媒體消息業(yè)務(wù)MMS）等各方面持續(xù)研究和制定規(guī)范。本版本XR主要考慮的是業(yè)務(wù)應(yīng)用場景的支持，在空口方面，復(fù)用原有支持時延敏感性業(yè)務(wù)的設(shè)施。VR產(chǎn)業(yè)發(fā)展整體比AR領(lǐng)先，因此在R16率先定義的是關(guān)于VR視頻流媒體相關(guān)的標準。為5G賦能XR做了詳細調(diào)研，梳理XR關(guān)鍵點、規(guī)范XR概念、梳理XR共性需求以及定義業(yè)務(wù)場景。

相關(guān)規(guī)范：

表2 Rel-16 SA XR相關(guān)主要規(guī)范列表

TR26.918主要包含VR音視頻內(nèi)容制作流程、VR業(yè)務(wù)用例、VR音視頻質(zhì)量評估、差距分析和備選解決方案等。TR26.891中描述了5G網(wǎng)絡(luò)上的3DoF/6DoF VR視頻、VR游戲和AR應(yīng)用。360度全景VR的用例有：不同視角的事件現(xiàn)場廣播、VR點播/直播、社交VR、VR電話和在線教育等。TS26.118定義了VR 360流媒體服務(wù)的互操作點。VR DASH流媒體應(yīng)用的客戶端參考體系結(jié)構(gòu)等。TR26.928是XR通用業(yè)務(wù)的QoE、分發(fā)、渲染、編解碼、媒體格式等內(nèi)容，還詳細描述了23種XR用例，例如3D圖像消息、AR分享、沉浸式6DoF媒體流、實時3D通信、6DoF VR會議、在線VR游戲等。主要內(nèi)容總結(jié)見下圖。

圖5 TR26.928 內(nèi)容簡介

這個標準更像調(diào)研報告，目標是梳理需求，實現(xiàn)在5G系統(tǒng)中交付XR，內(nèi)容全面且豐富，參考價值很大，涵蓋了XR概念、關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵場景的梳理，以及提供了很多量化指標，其中對設(shè)備類型也做了詳細分類如下圖。

圖6 TR26.928 設(shè)備類型定義

圖7 TR26.928 XR設(shè)備云和邊緣的處理

2.2 Rel-17 XR相關(guān)內(nèi)容分析

在VR領(lǐng)域在前一個版本的基礎(chǔ)上為提升用戶體驗，SA部分的規(guī)范主要是在邊緣計算、沉浸式語音及音頻編碼方面進一步提升。SA1（應(yīng)用場景的探索）、SA2（QoS KPI探索定義）、SA4（媒體方面）、SA6（設(shè)施邊緣計算邊緣云） 模型 QoS 時延特性等。

針對XR業(yè)務(wù)場景，RAN設(shè)施在用原支持時延敏感性業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，增加一些調(diào)度的增強，如調(diào)度增強、資源分配增強，采用基站預(yù)先分配一些資源等?；凇拜p終端+寬管道+邊緣云”的模式降低VR/AR對移動終端配置要求的門檻，擺脫有線的束縛，推動XR應(yīng)用普及。R17評估這種邊緣云+輕量化終端的分布式架構(gòu)，并優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)時延、處理能力和功耗等。

下面先分析TSG SA組相關(guān)的內(nèi)容。相關(guān)規(guī)范：

表3 Rel-16 SA XR相關(guān)主要規(guī)范列表

TR26.998AR/MR服務(wù)的設(shè)備外形尺寸應(yīng)該更接近典型的眼鏡的體驗，與典型的智能手機相比組件的物理空間更小。這種物理限制降低了 AR/MR 設(shè)備的媒體處理和通信能力，在某些情況下，需要設(shè)備將某些處理功能由綁定的主機設(shè)備/服務(wù)器提供。本報告解決了將此類新設(shè)備(5G Glass)集成到 5G 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的問題，并確定了支持 AR 眼鏡和 5G 中的 AR/MR 體驗的規(guī)范的潛在需求。在此介紹其中媒體訪問功能和AR會話的通用流程。

媒體訪問功能支持AR UE訪問和流媒體。為此，如下圖所示的媒體訪問功能包括：編解碼器：用于壓縮和解壓縮富媒體。內(nèi)容交付協(xié)議：UE和網(wǎng)絡(luò)之間交付媒體內(nèi)容的容器格式和協(xié)議。包括計時、同步、可靠性、報告和其他功能。5G 連接：允許UE連接到5G網(wǎng)絡(luò)并訪問功能和服務(wù)。媒體會話處理程序：設(shè)備上用于設(shè)置5G系統(tǒng)功能的通用功能。這可以設(shè)置邊緣功能、提供 QoS 支持、支持報告等。內(nèi)容保護和解密：授權(quán)播放。

圖8 TR26.998 AR媒體訪問功能

規(guī)范還提供了AR會話的通用流程，如下圖所示。步驟摘要：應(yīng)用程序請求應(yīng)用服務(wù)提供者以獲取內(nèi)容的入口（如URL）；應(yīng)用程序初始化場景管理器；建立一個AR場景會話；場景管理器解析內(nèi)容并創(chuàng)建沉浸式場景...

圖9 TR26.998 AR 會話的基本工作流程

規(guī)范中還有很多編解碼、交互、會話等細節(jié)定義。

TR26.999內(nèi)容是基于R16 TS26.118中的定義，提供了參考測試材料和測試結(jié)果，以提高TR26.118中技術(shù)的可用性。涵蓋了VR全景視頻從采集到互動體驗全流程的重要參考信息。

在無線（RAN）方面，為了更好交付XR等業(yè)務(wù)定義了Redcap終端場景，主要是為滿足可穿戴設(shè)備、工業(yè)無線傳感器、視頻監(jiān)控等類業(yè)務(wù)，他們的網(wǎng)絡(luò)能力需求介于eMBB、uRLLC和mMTC能力之間的業(yè)務(wù)需求。XR業(yè)務(wù)相關(guān)設(shè)備如AR/VR眼鏡等就是典型的可穿戴設(shè)備場景。

眾所周知，5G eMBB支持載波帶寬100MHz以上，峰值速率可達10Gbps；uRLLC支持毫秒級時延和超高可靠性；而mMTC由4G時代的NB-IoT和eMTC演進而來，主要支持帶寬小于1.4MHz、速率低于1Mbps的低速率、低成本、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)連接。

表4 RedCap 三類終端對網(wǎng)絡(luò)能力的需求[4]

但從上表不難發(fā)現(xiàn)，可穿戴設(shè)備、工業(yè)無線傳感器、視頻監(jiān)控等用例的網(wǎng)絡(luò)能力需求介于eMBB、uRLLC和mMTC能力之間。因此，為了匹配對速率、設(shè)備成本和電池壽命等要求介于eMBB、uRLLC和mMTC之間的這些用例，3GPP在R17版本中定義了對RedCap NR設(shè)備的支持。

圖10 5G NR 技術(shù)演進示意圖[4]

2022年6月9日結(jié)束的3GPP RAN第96次會議上，3GPP R17標準宣布凍結(jié)，標志著5G第一階段的標準正式完成。

2.3 Rel-18 XR相關(guān)內(nèi)容分析

Rel-18開啟了5G標準的第二階段：5G-Advanced。它被認為是5G的升級版，承擔(dān)著5G和6G之間過渡和銜接的作用。任務(wù)是進一步提升網(wǎng)絡(luò)的潛力，創(chuàng)造更大的社會和經(jīng)濟價值。5G-Advanced的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)特征為泛在萬兆體驗和千億聯(lián)接。當(dāng)前R18 Stage1的工作已經(jīng)凍結(jié)（Stage1業(yè)務(wù)需求，Stage2技術(shù)方案，Stage3接口規(guī)范）。

整體看是在ITU定義的5G三大標準場景eMBB、mMTC、uRLLC基礎(chǔ)上，5G-Advanced進行了深入的增強和擴展，新增了三大新場景，即：UCBC（上行超寬帶）、RTBC（寬帶實時交互）和HCS（通信感知融合）。進行擴展后，5G-Advanced可以極大地豐富5G產(chǎn)業(yè)空間，更貼合數(shù)字經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的真實需求。

圖11 5G傳統(tǒng)場景升級[6]

在三大方向下，進一步細化出了多項關(guān)鍵技術(shù)。通過這些關(guān)鍵技術(shù)，5G-Advanced將支持下行萬兆（10Gbps）峰值速率、上行千兆（1Gbps）峰值速率、毫秒級時延、低成本千億物聯(lián)，以及感知、高精定位等超越連接的能力。

其中R18 SA 分組整體狀態(tài)見下圖。涉及到XR的領(lǐng)域除了SA4之外，SA2、SA5也有部分關(guān)聯(lián)內(nèi)容。如SA2提到了下一代實時通信、觸覺和媒體服務(wù)。

圖12 Rel-18 SA狀態(tài)概覽（3GPP演示文稿）

和沉浸式媒體強相關(guān)的SA4分組將根據(jù)5G-advanced業(yè)務(wù)需求，增強5GMS服務(wù)和穩(wěn)定性，并探索其商業(yè)特性，提供研發(fā)工具、軟件、中間件等多媒體技術(shù)部署。主要包括三個方面的工作：

定義沉浸式多媒體的類型和內(nèi)容格式，例如AR/MR新媒體格式、AI/ML模型或媒體、觸感通信等；XR相關(guān)業(yè)務(wù)研究，包括VR/AR/MR及云游戲業(yè)務(wù)，研究XR QoE、QoS指標、分布式計算以及通話業(yè)務(wù)增強等內(nèi)容；通用媒體方面，媒體分發(fā)增強，作為5GMS服務(wù)擴展需求，開展網(wǎng)絡(luò)性能增強、上行流增強、邊緣計算、物聯(lián)網(wǎng)等媒體功能增強服務(wù)。

此外無線方面，首先RedCap的標準化并沒有在R17徹底結(jié)束，3GPP R18 RedCap的標準化，已經(jīng)啟動了，計劃見下圖。

圖13 3GPP RedCap 標準化工作進程（來自5G RedCap 技術(shù)白皮書）

R18 RedCap的目標，是對標Cat.1/1bis，進一步降低終端復(fù)雜度，實現(xiàn)RedCap終端復(fù)雜度的極致簡化。RedCap這項技術(shù)，未來還有很長的路要走。此外還有為了滿足XR和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對低時延和上下行吞吐量的同時有較高要求而做的全雙工演進。以及專門針對XR場景的進一步研究，包括XR業(yè)務(wù)特性的研究，包括細化QoS區(qū)分和參數(shù)定義和應(yīng)用層參數(shù)對基站可見的跨層優(yōu)化；XR終端節(jié)能與容量研究。X-Layer跨層融通，一個專門為XR業(yè)務(wù)量身定制的技術(shù)，用于滿足XR業(yè)務(wù)的百Mbps和5ms時延，以及未來元宇宙高達10Gbps的速率和毫秒級低時延的需求等。

Rel-18計劃見下圖。第2階段功能凍結(jié)計劃在2023年3月，第3階段凍結(jié)計劃在2023年12月。

圖14 3GPP后續(xù)版本規(guī)劃（來源3GPP）

3小結(jié)

XR設(shè)備和服務(wù)的應(yīng)用和發(fā)展是未來無線通信系統(tǒng)發(fā)展的驅(qū)動力之一。除了前面提到的Rel-15~Rel-18內(nèi)容之外，未來隨著無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，包括通過網(wǎng)絡(luò)定位和傳感技術(shù)增強用戶設(shè)備定位，以及采用人工智能和機器學(xué)習(xí)(AI/ML)來更好地適應(yīng)時變XR流量。當(dāng)前雖然最先進的5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)可以運行一些XR服務(wù)，但更完善支持XR的標準化工作仍處于早期階段，對于5G-Advanced和6G系統(tǒng)，有許多開放的研究問題有待解決。

展望5G-Advanced以及6G的未來，在更好地滿足XR業(yè)務(wù)場景的基礎(chǔ)上，繼續(xù)滿足元宇宙其他更多場景的需求會變成重點。面向元宇宙場景進化，計算+網(wǎng)絡(luò)進入融合發(fā)展新階段。類比電氣時代的電網(wǎng)，元宇宙時代需要構(gòu)筑一套算力網(wǎng)絡(luò)，“一種根據(jù)業(yè)務(wù)需求，在云、網(wǎng)、邊之間按需分配和靈活調(diào)度計算資源、存儲資源以及網(wǎng)絡(luò)資源的新型信息基礎(chǔ)設(shè)施”。實現(xiàn) “算力泛在、算網(wǎng)共生、智能編排、一體服務(wù)”?？蓪崿F(xiàn)天地空網(wǎng)絡(luò)一體化， “一點接入、即取即用”的社會級服務(wù)，達成“網(wǎng)絡(luò)無所不達、算力無所不在、智能無所不及”的愿景。

圖15 算力網(wǎng)絡(luò)賦能生活場景[7]?

標簽： 3GPP 移動通信