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?Labs 導讀

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《第三代伙伴計劃協議》，最初的目標是為了制定3G技術規范。其制定的3G和4G技術規范現在都是全球通用的標準，當前5G技術方案的研究制定正在進行中。

1背景篇

3GPP解決的是移動通信相關的問題，滿足傳輸內容和交互方式快速發展引入的新的網絡需求。3GPP制定的標準規范以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，目前已經發展到Rel-18。中國通信標準化協會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）

(資料圖片僅供參考)

移動通信端到端系統通常劃分為終端、無線接入網、核心網和業務等四個子系統，缺一不可。3GPP工作組分為三大TSG（技術規范組），包括RAN（無線接入網），SA（服務與系統），CT（核心網和終端），下設若干工作組（WG），具體參見表1。

表1 3GPP 工作組劃分（3GPP 官網）

3GPP中負責多媒體相關標準制定的是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。制定用于多媒體業務相關的語音、音頻、視頻、圖形和其他媒體類型的編解碼器的規范，定義單播、組播和廣播流的內容格式和傳輸協議，擴展云計算和邊緣計算架構，包括媒體API、媒體處理、體驗質量指標、流量特性的定義等。本文重點針對SA部分的相關規范，無線部分只做整體淺顯的解析。

當前3GPP的規劃的是5G相關的標準，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演進的第二輪創新，也就是5G-Advanced。

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

Rel-16是5G的完整標準，于2020年凍結，主要聚焦于eMBB的增強，低時延、高可靠能力的完善，關注垂直行業應用及整體系統的提升，如面向智能汽車交通領域的5G V2X、面向IIoT領域的時間敏感聯網等5G NR能力，以及定位、MIMO增強、功耗改進等系統性的提升與增強。

Rel-17是5G的增強標準，于2022年凍結，面向5G XR、新型物聯網等新業務需求，重點引入了許多全新的特性和技術，比如Redcap終端、上行覆蓋增強、動態頻譜共享、多播廣播業務、多卡技術、衛星5G網絡、衛星 NB-IoT物聯網、下行1024QAM、定位增強、MIMO技術進一步增強（FeMIMO）、節能增強、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范標準使能落地為強大的新移動通信環境，并在全球推廣。

當前Rel-18已經啟動，標志著5G進入第二階段5G-Advanced，當前首批課題成功立項。除了傳統的移動通信業務外，還包括工業和垂直服務相關的移動通信能力。Rel-18將考慮新技術和社會發展，例如環境要求、人工智能、XR等，繼續推進5G的發展。

圖2 3GPP 5G各階段示意圖[6]

XR內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容。下面我們一起了解3GPP XR相關規范的進展。

2標準篇

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

相比傳統的媒體業務XR有獨特幾個特性，首先作為可穿戴的移動設備要求外形輕薄且具有高續航能力，因此對能耗和算力有嚴格的限制，導致XR設備需要其他節點的協助，如邊緣計算。第二，XR服務需要協同一個/多個下行鏈路(DL)視頻流和上行鏈路(UL)中的運動/控制數據頻繁更新緊密同步。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：

虛擬現實（VR）：用戶完全沉浸在超越現實世界物理存在感的虛擬世界?，F代VR服務通常是通過優化的視口依賴的流媒體(VDS)來啟用的。VDS是一種自適應流媒體方案，它使用網絡狀態和用戶姿態信息來調整3D視頻的比特率和內容。

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

自由度的云游戲：云游戲是指在云服務器上執行的一個交互式游戲應用程序。服務器根據用戶設備發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個自由度運動數據。支持多個玩家可以參與同一個游戲環節。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/控制數據。

2.1 Rel-15 XR相關內容分析

3GPP Rel-15是對5G基礎功能的定義。因此XR業務場景涉及內容相對比較基礎，主要是以VR為代表的基本流媒體服務技術規范。?

VR流媒體服務的客戶端架構和API定義；一組操作關鍵點，涵蓋從 Carboards 到高端系列HMD頭顯的各種設備功能；媒體配置文件的定義，操作點到 DASH 交付的映射；添加系統元數據以支持在 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，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相關內容分析從Rel-16開始XR逐漸成為5G標準中的重要內容，包括媒體流架構、沉浸式語音及音頻編碼、XR業務、直播上行鏈路媒體流（LUS，Live Uplink Streaming）、用戶產生多媒體內容（例如多媒體消息業務MMS）等各方面持續研究和制定規范。本版本XR主要考慮的是業務應用場景的支持，在空口方面，復用原有支持時延敏感性業務的設施。VR產業發展整體比AR領先，因此在R16率先定義的是關于VR視頻流媒體相關的標準。為5G賦能XR做了詳細調研，梳理XR關鍵點、規范XR概念、梳理XR共性需求以及定義業務場景。

相關規范：

表2 Rel-16 SA XR相關主要規范列表

TR26.918主要包含VR音視頻內容制作流程、VR業務用例、VR音視頻質量評估、差距分析和備選解決方案等。TR26.891中描述了5G網絡上的3DoF/6DoF VR視頻、VR游戲和AR應用。360度全景VR的用例有：不同視角的事件現場廣播、VR點播/直播、社交VR、VR電話和在線教育等。TS26.118定義了VR 360流媒體服務的互操作點。VR DASH流媒體應用的客戶端參考體系結構等。TR26.928是XR通用業務的QoE、分發、渲染、編解碼、媒體格式等內容，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。主要內容總結見下圖。

圖5 TR26.928 內容簡介

這個標準更像調研報告，目標是梳理需求，實現在5G系統中交付XR，內容全面且豐富，參考價值很大，涵蓋了XR概念、關鍵技術、關鍵場景的梳理，以及提供了很多量化指標，其中對設備類型也做了詳細分類如下圖。

圖6 TR26.928 設備類型定義

圖7 TR26.928 XR設備云和邊緣的處理

2.2 Rel-17 XR相關內容分析

在VR領域在前一個版本的基礎上為提升用戶體驗，SA部分的規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（應用場景的探索）、SA2（QoS KPI探索定義）、SA4（媒體方面）、SA6（設施邊緣計算邊緣云） 模型 QoS 時延特性等。

針對XR業務場景，RAN設施在用原支持時延敏感性業務的基礎上，增加一些調度的增強，如調度增強、資源分配增強，采用基站預先分配一些資源等?；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應用普及。R17評估這種邊緣云+輕量化終端的分布式架構，并優化網絡時延、處理能力和功耗等。

下面先分析TSG SA組相關的內容。相關規范：

表3 Rel-16 SA XR相關主要規范列表

TR26.998AR/MR服務的設備外形尺寸應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 設備的媒體處理和通信能力，在某些情況下，需要設備將某些處理功能由綁定的主機設備/服務器提供。本報告解決了將此類新設備(5G Glass)集成到 5G 系統網絡中的問題，并確定了支持 AR 眼鏡和 5G 中的 AR/MR 體驗的規范的潛在需求。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。內容交付協議：UE和網絡之間交付媒體內容的容器格式和協議。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網絡并訪問功能和服務。媒體會話處理程序：設備上用于設置5G系統功能的通用功能。這可以設置邊緣功能、提供 QoS 支持、支持報告等。內容保護和解密：授權播放。

圖8 TR26.998 AR媒體訪問功能

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

圖9 TR26.998 AR 會話的基本工作流程

規范中還有很多編解碼、交互、會話等細節定義。

TR26.999內容是基于R16 TS26.118中的定義，提供了參考測試材料和測試結果，以提高TR26.118中技術的可用性。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等業務定義了Redcap終端場景，主要是為滿足可穿戴設備、工業無線傳感器、視頻監控等類業務，他們的網絡能力需求介于eMBB、uRLLC和mMTC能力之間的業務需求。XR業務相關設備如AR/VR眼鏡等就是典型的可穿戴設備場景。

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、低功耗的物聯網連接。

表4 RedCap 三類終端對網絡能力的需求[4]

但從上表不難發現，可穿戴設備、工業無線傳感器、視頻監控等用例的網絡能力需求介于eMBB、uRLLC和mMTC能力之間。因此，為了匹配對速率、設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設備的支持。

圖10 5G NR 技術演進示意圖[4]

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

2.3 Rel-18 XR相關內容分析

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，承擔著5G和6G之間過渡和銜接的作用。任務是進一步提升網絡的潛力，創造更大的社會和經濟價值。5G-Advanced的關鍵網絡特征為泛在萬兆體驗和千億聯接。當前R18 Stage1的工作已經凍結（Stage1業務需求，Stage2技術方案，Stage3接口規范）。

整體看是在ITU定義的5G三大標準場景eMBB、mMTC、uRLLC基礎上，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產業空間，更貼合數字經濟和產業數字化轉型的真實需求。

圖11 5G傳統場景升級[6]

在三大方向下，進一步細化出了多項關鍵技術。通過這些關鍵技術，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，以及感知、高精定位等超越連接的能力。

其中R18 SA 分組整體狀態見下圖。涉及到XR的領域除了SA4之外，SA2、SA5也有部分關聯內容。如SA2提到了下一代實時通信、觸覺和媒體服務。

圖12 Rel-18 SA狀態概覽（3GPP演示文稿）

和沉浸式媒體強相關的SA4分組將根據5G-advanced業務需求，增強5GMS服務和穩定性，并探索其商業特性，提供研發工具、軟件、中間件等多媒體技術部署。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相關業務研究，包括VR/AR/MR及云游戲業務，研究XR QoE、QoS指標、分布式計算以及通話業務增強等內容；通用媒體方面，媒體分發增強，作為5GMS服務擴展需求，開展網絡性能增強、上行流增強、邊緣計算、物聯網等媒體功能增強服務。

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

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

R18 RedCap的目標，是對標Cat.1/1bis，進一步降低終端復雜度，實現RedCap終端復雜度的極致簡化。RedCap這項技術，未來還有很長的路要走。此外還有為了滿足XR和工業互聯網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業務特性的研究，包括細化QoS區分和參數定義和應用層參數對基站可見的跨層優化；XR終端節能與容量研究。X-Layer跨層融通，一個專門為XR業務量身定制的技術，用于滿足XR業務的百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階段功能凍結計劃在2023年3月，第3階段凍結計劃在2023年12月。

圖14 3GPP后續版本規劃（來源3GPP）

3小結

XR設備和服務的應用和發展是未來無線通信系統發展的驅動力之一。除了前面提到的Rel-15~Rel-18內容之外，未來隨著無線網絡的發展，包括通過網絡定位和傳感技術增強用戶設備定位，以及采用人工智能和機器學習(AI/ML)來更好地適應時變XR流量。當前雖然最先進的5G網絡已經可以運行一些XR服務，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，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業務場景的基礎上，繼續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+網絡進入融合發展新階段。類比電氣時代的電網，元宇宙時代需要構筑一套算力網絡，“一種根據業務需求，在云、網、邊之間按需分配和靈活調度計算資源、存儲資源以及網絡資源的新型信息基礎設施”。實現 “算力泛在、算網共生、智能編排、一體服務”?？蓪崿F天地空網絡一體化， “一點接入、即取即用”的社會級服務，達成“網絡無所不達、算力無所不在、智能無所不及”的愿景。

圖15 算力網絡賦能生活場景[7]?

關鍵詞： 移動通信 相關內容 技術規范 應用程序 關鍵技術