[论文解读] Wireless Access to Ultimate Virtual Reality 360-Degree Video At Home

Huanle Zhang, Ahmed Elmokashfi+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2018

Image and Video Quality Assessment参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文评估了当前无线技术——5G、IEEE 802.11ac 和 IEEE 802.11ad——是否能够支持家庭环境下的终极 VR 360 视频，其定义为下行链路 1.5 Gbps 和上行链路 6.6 Gbps，且往返时延（RTT）小于 8.3 ms。研究发现，仅 IEEE 802.11ac 支持单用户观看，而 IEEE 802.11ad 在延迟改进后可能支持；但均无法支持直播广播或多用户场景。

ABSTRACT

Virtual reality 360-degree videos will become the first prosperous online VR application. VR 360 videos are data-hungry and latency-sensitive that pose unique challenges to the networking infrastructure. In this paper, we focus on the ultimate VR 360 that satisfies human eye fidelity. The ultimate VR 360 requires downlink 1.5 Gbps for viewing and uplink 6.6 Gbps for live broadcasting, with round-trip time of less than 8.3 ms. On the other hand, wireless access to VR 360 services is preferred over wire-line transmission because of the better user experience and the safety concern (e.g., tripping hazard). We explore in this paper whether the most advanced wireless technologies from both cellular communications and WiFi communications support the ultimate VR 360. Specifically, we consider 5G in cellular communications, IEEE 802.11ac (operating in 5GHz) and IEEE 802.11ad (operating in 60GHz) in WiFi communications. According to their performance specified in their standards and/or empirical measurements, we have the following findings: (1) Only 5G has the potential to support both the the ultimate VR 360 viewing and live broadcasting. However, it is difficult for 5G to support multiple users of the ultimate VR live broadcasting at home; (2) IEEE 802.11ac supports the ultimate VR 360 viewing but fails to support the ultimate VR 360 live broadcasting because it does not meet the data rate requirement of the ultimate VR 360 live broadcasting; (3) IEEE 802.11ad fails to support the ultimate VR 360, because its current implementation incurs very high latency. Our preliminary results indicate that more advanced wireless technologies are needed to fully support multiple ultimate VR 360 users at home.

研究动机与目标

• 评估现有无线技术是否能够满足家庭环境中终极 VR 360 视频的极端网络需求。
• 识别无线接入超高清保真度 VR 360 内容时的关键性能瓶颈——数据速率与延迟。
• 评估 5G、IEEE 802.11ac 和 IEEE 802.11ad 在支持终极 VR 360 视频观看与直播广播方面的可行性。
• 强调迫切需要下一代无线技术，以实现多用户、低延迟、高吞吐量的 VR 体验。

提出的方法

• 基于标准规范和实际测量的数据速率与 RTT，评估 5G、IEEE 802.11ac 和 IEEE 802.11ad。
• 通过近距离设备间的 ping 测试测量 RTT，以评估真实环境下延迟性能。
• 分析三种技术在上行和下行链路上的理论与实际数据速率。
• 评估 IEEE 802.11ad 中波束成形与波束跟踪延迟作为高 RTT 的主要成因。
• 将性能与目标需求进行对比：下行链路 1.5 Gbps、上行链路 6.6 Gbps，且 120 FPS 时 RTT < 8.3 ms。
• 评估实现增强（如波束跟踪优化）对提升 IEEE 802.11ad 性能的潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 5G 是否能够支持终极 VR 360 所需的 1.5 Gbps 下行链路与 6.6 Gbps 上行链路？
• RQ2 IEEE 802.11ac 是否能够在家庭环境中支持单用户观看与直播广播终极 VR 360？
• RQ3 IEEE 802.11ad 是否能够以可接受的延迟支持单用户终极 VR 360 视频观看？其主要延迟来源是什么？
• RQ4 当前任何无线技术是否能够支持多个用户同时访问终极 VR 360 内容？
• RQ5 哪些关键性能差距亟需下一代无线技术的发展来弥补？

主要发现

• 尽管理论性能表现良好，5G 因用户数据速率不足，无法支持终极 VR 360。
• IEEE 802.11ac 可支持单用户终极 VR 360 视频观看，实测 RTT 为 2.3 ms，客户端数据速率达 3.5 Gbps。
• IEEE 802.11ac 因上行链路吞吐量不足（需 6.6 Gbps，未达到）而无法支持直播广播。
• IEEE 802.11ad 理论下行链路与上行链路速率分别为 6.8 Gbps 和 4.6 Gbps，但因波束跟踪延迟导致 RTT 高达 62.7 ms。
• 通过实现增强（尤其是波束成形与波束跟踪优化），IEEE 802.11ad 有可能支持单用户观看。
• 由于上行链路容量不足与延迟约束，当前任何无线技术均无法完全支持多个用户同时访问终极 VR 360 内容。