注:本文作者系新英体育现场团驻伦敦记者芦曦,文章出自新英体育网驻英记者专栏

日渐成熟的VR(虚拟现实)技术正被运用到体育领域,电视机前的观众们可以体会到身临其境的视听享受。

然而传统VR是否有进一步的提升空间呢?

1.VR画面不再仅仅是电视机的转播画面。而是每个球员的第一人称视角,球场任意视角,甚至任意个性化自定义的视角,都可以被投射到VR载具上。

2.观众不再限于电视机前。身在现场的观众,在观赏现场比赛的同时,也可以通过VR眼镜也可以看到上述画面,感受到梅西C罗们进球时的脉动。        

3.数据的传输将不仅限于视频信号的传输。通过Tactile(触感网络),包括愉悦、紧张、心跳、疼痛、激动等几乎所有生理数据,也可以被复制到观众的接收端。[1]

全面模拟足球比赛的VR或者AR技术,我们的团队称之为Ultimate VR(终极虚拟现实)或者Ultimate AR(终极增强现实)。  

梦想已达,技术未满

关于Ultimate VR,首先要解决的技术难题包括:

1.网络的传输速率。数万人同时接收不同的数据,每人接收的数据除了高清视频信号,还包括各类生理数据如触觉、味觉、痛觉等。如此物联网级别的数据要求,目前的授权网络比如3G甚至4G(LTE)都无法达到;[2]

2.信号传输的稳定性。Ultimate VR就是要让身在现场的人,能看到球员们看到的、感受到球员们感受到的,如果通信的稳定性无法保证,那么再高速的数据传输也没有意义。非授权网络Wi-Fi,甚至下一代更高速的Wi-Fi(如60GHz的WiGig)[3]在稳定性方面的表现,远远不及3G、LTE等授权网络。有关授权和非授权的概念将在下一节展开讨论;

3.性价比以及实用性。即便未来的5G网络,在信号传输速率达到Ultimate VR的要求,同时在稳定性方面又因为其授权网络的特性而有更好表现;那么将珍贵的授权频段(比如德国电信为了获得10MHz的频段花费了77亿美元,算下来1MHz相当于24吨黄金)、有限的流量以及对应的基站建设,全部部署在大型足球场附近,有比赛使用没有比赛不使用,如此策略的性价比和实用性又要重新评估。

综上所述,不论是授权网络还是非授权网络,想要实现Ultimate VR都“心有余而力不足”。

授权和非授权频段

授权频段:国际电信联盟将指定的频段授权给不同地区的各大运营商,再由他们将频段划分成不同的频道供用户使用。打个比方,在中国大陆地区,中国电信占用了1、2两个频道,中国移动就不能再用1、2这两个频道,而如果中国移动选择了3、4两个频道,那中国联通就无法再选择1、2、3、4这几个频道。

由此可见,

1.授权频段是非常珍贵的资源,一经划分就是某国或者某公司的固有资源,而频段的宽度又直接决定了在该频段上的可操作用户数以及最大传输速率等等;

2.授权频段的特点包括,指定性高、安全性高、稳定性强等。

非授权频段:国际电信联盟将除了上述的授权频段余下的频段作为非授权频段,而在这些频段中就包括了Wi-Fi。所谓非授权,即频段不是独占,而是不同地区不同网络均可共享此频段。举例来说,登陆某Wi-Fi热点,不论用户使用的是电信移动还是联通,甚至不插SIM卡都可以成功连接。另外,用户可以随意登入登出,而如果网络管理员对本热点加密,那用户只要有密码也可以登入。[4]

综上,

1.与授权频段相比,非授权频段的资源充沛许多;

2.非授权频段具备共享性高、接入性高等特点。

载波聚合

有关该技术的细节设计不在本文的讨论范围。简单来说,该技术就是将不同频段的频段,比如授权频段和非授权频段聚合。

比如一条双车道的高速公路,车辆增多公路可能会发生拥堵;可如果将车道拓展为四车道,车辆增多时司机会有更多选择,发生拥堵的概率将大大减小,车辆的行驶速度也会大大加快。

载波聚合(Carrie Aggregation)即是利用如上原理,让新网络具备超高速传输、低延时、安全以及稳定等多重特性。[5]

5G-U

根据电磁波传播公式,

其中,λ为波长,f为频率,在电磁波传播速度即光速c不变的前提下,波长和频率成反比。由于毫米波的波长远远短于4G以及3G的载波,毫米波的频率也就更高,所以毫米波又被称为极高频。然而随着特高频频段资源的日益紧缺,学术界和工业界都已将毫米波作为下一代移动通信的载波频段。[3, 6]

毫米波通信具有如下几个主要特性:

1.频段宽,可以携带的信息量大。此处可被理解为网速更快;

2.频段划分宽松。相对于分米波、厘米波所处的频段,毫米波频段还有大量尚未被划分的频段,潜力巨大;

3.传播距离短。由于其较短的波长,衍射、多普勒效应等会更加明显,穿透能力大大降低。

2017年5月,来自英国伦敦国王学院的Xi Lu及其所属科研团队,在德国德累斯顿举办的欧洲无线通信会议European Wireless 2017上发表讲话,并首次提出5G-U的概念,即5G on Unlicensed Band(非授权频段的5G);

会上首次向学术界展示了5G-U的框架和下行链路传输速率,证明其巨大的科研以及商业前景;

同时明确表示此技术将会被投放到大型体育场馆(新近翻修的斯坦福桥)、演唱会、剧院等,结合前文提到的Ultimate VR,为观众提供不仅限于360°视觉,同时还包括听觉、触觉、嗅觉、生理状态等的全感官体验。[7, 8]

5G-U将使用两段载波:首级载波(Primary Carrier)为28GHz的授权频段,最有潜力成为未来商用5G的频段;次级载波(Secondary Carrier)为60GHz的非授权频段,已被国际电子电气工程师学会IEEE定义为最新的Wi-Fi频段,IEEE802.11ad又被称为WiGig。

5G-U将采用补偿型下行链路(Supplemental Downlink):上行链路使用28GHz授权频段,保证其传输的安全性和可靠性;下行链路则聚合授权频段和非授权频段,主要任务为提高其传输速率。                    

仿真结果表明:

1.5G-U将显著提高数据传输速率,在不结合MIMO(多输入多输出)等其他技术的前提下,基本速率可以达到接近10Gbps,为LTE的数十倍,远远超过多数固网,亦超过单导光纤;

2.同时,5G-U对其他同频段的非授权网络的干扰,不超过30%。当然随着后续研究的进行,干扰还会被我们进一步减小。

体育和科技的终极碰撞

坐在伯纳乌或者老特拉福德的“山顶”,没看到C罗伊布们的进球?

以5G-U和Ultimate VR为技术前提,以布置在体育场内的飞行基站为传输载体,体育场内的物联已经离我们不再遥远。

未来,我们将可以自定义回放不同角度的精彩进球,体验视听触嗅的全感官刺激,

甚至回味C罗踢出电梯球时的心跳、享受伊布倒钩瞬间的肌肉紧绷、亲临梅西连过六人后的舒畅。

昨天的奇幻

今天的梦想

明天的现实

参考文献

[1]Simsek, M., et al., 5G-enabled tactile internet. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2016. 34(3): p. 460-473.

[2]Alonso-Zarate, J. and M. Dohler, M2M Communications in 5G, in 5G Mobile Communications. 2017, Springer. p. 361-379.

[3]Gustafson, C., 60 GHz Wireless Propagation Channels: Characterization, Modeling and Evaluation. Vol. 69. 2014.

[4]Jiang, M., et al., Radio Resource Sharing as a service in 5G: A software-defined networking approach. Computer Communications, 2017. 107: p. 13-29.

[5]4GAmericas, LTE Aggregation&Unlicensed Spectrum. 2015.

[6]Deng, S., M.K. Samimi, and T.S. Rappaport. 28 GHz and 73 GHz millimeter-wave indoor propagation measurements and path loss models. in Communication Workshop (ICCW), 2015 IEEE International Conference on. 2015. IEEE.

[7]Qualcomm, The Prospect of LTE and Wi-Fi Sharing Unlicensed Spectrum - SRG White Paper. 2015, Qualcomm Technologies.

[8]Lu, X., et al., Downlink Data Rate Analysis of 5G-U (5G on Unlicensed Band): Coexistence for 3GPP 5G and IEEE802.11ad WiGig, in European Wireless 2017. 2017, VDE VERLAG GMBH: Dresden, Germany. p. 149-154.

作者简介:芦曦,来自湖北武汉,自号君子,极好球!新英体育驻英特约记者,欧洲时报特约撰稿,伦敦国王学院通信博士,英足总持牌教练。主要研究领域:首创非授权频段的5G-U,以及基于5G-U的终极VR在体育领域的应用等。