2020年9月,SpaceX表示其卫星互联网服务Starlink的延迟时间不到20毫秒,与地面宽带相当。使用Ookla的Speedtest.net服务进行的两项基准测试显示,Starlink的下载速率为102至103Mbps,上传速率为40至42Mbps,延迟为18至19ms。

根据Speedtest.net的数据,在美国固定宽带的平均延迟为25毫秒,而移动网络的平均延迟为48毫秒。通常来看,传统网络中,电缆延迟介于18ms至24ms之间,光纤延迟介于5ms至12ms之间,而DSL位于27ms至55ms之间。传统卫星网络大多位于地球静止轨道,时延为600ms左右,其中HughesNet为728ms,Exede为643ms。

此外,FCC规定,将100ms以上网络的运营商归为高延迟提供商,低于100ms阈值意味着可以与其他互联网提供商一起竞标RDOF农村宽带计划的资金。由此可见,目前Starlink将卫星网络延迟大幅缩短,可与传统地面网络相匹敌,乃至与正在逐步推进商用的5G网络相较高下。

那么,Starlink能够实现的网络延迟能力具有哪些应用前景?本文梳理了车联网、远程医疗、VR游戏/视频、工业互联网、联网无人机、云游戏六大低延迟网络用例。

一、车联网——自动驾驶

一、车联网介绍

1、内涵:车辆上的车载设备通过无线通信技术,对信息网络平台中的所有车辆动态信息进行有效利用,在车辆运行中提供不同的功能服务。

2、特征:

(1)能够为车与车之间的间距提供保障,降低车辆发生碰撞事故的几率

(2)可以帮助车主实时导航,并通过与其它车辆和网络系统的通信,提高交通运行的效率。

3、各种网络连接

(1)车与云平台:车辆通过卫星无线通信或移动蜂窝等无线通信技术实现与车联网服务平台的信息传输,接受平台下达的控制指令,实时共享车辆数据。

(2)车与车:车辆与车辆之间实现信息交流与信息共享,包括车辆位置、行驶速度等车辆状态信息,可用于判断道路车流状况。

(3)车与路:借助地面道路固定通信设施实现车辆与道路间的信息交流,用于监测道路路面状况,引导车辆选择最佳行驶路径。

(4)车与人:用户可以通过Wi-Fi、蓝牙、蜂窝等无线通信手段与车辆进行信息沟通,使用户能通过对应的移动终端设备监测并控制车辆。

(5)车内设备间:车辆内部各设备间的信息数据传输,用于对设备状态的实时检测与运行控制,建立数字化的车内控制系统。

4、与网络有关的关键技术

(1)传感网络技术:车辆服务需要大量数据的支持,这些数据的原始来源正是由各类传感器进行采集。不同的传感器或大量的传感器通过采集系统组成一个庞大的数据采集系统,动态采集一切车联网服务所需要的原始数据,例如车辆位置、状态参数、交通信息等。当前传感器已由单个或几个传感器演化为由大量传感器组成的传感器网络,并且通能够根据不同的业务进行处性化定制。为服务器提供数据源,经过分析处理后作为各项业务数据为车辆提供优质服务。

(2)无线通信技术:传感网络采集的少量处理需要通信系统传输出云才能得到及时的处理和分析,分析后的数据也要经过通信网络的传输才能到达车辆终端设备。考虑到车辆的移动特性,车联网技术只能采用无线通信技术来进行数据传输,因此无线通信技术是车联网技术的核心组成部分之一。在各种无线传输技术的支持下,数据可以在服务器的控制下进行交换,实现业务数据的实时传输,并通过指令的传输实现对网内车辆的实时监测和控制。

二、网络延迟的相关信息

1、需求:智能交通领域涌现的新型业务需求,如为了解决避让、车辆变换车道控制、安全辅助驾驶等问题,一般要求网络传输延迟在50毫秒以下,有些应用要求在10毫秒,甚至3毫秒以下,传统网络技术无法克服网络延迟问题。

2、测试:在测试条件下,自动驾驶汽车时速60公里时,如果时延为60毫秒,指令紧急制动距离约为一米;时延达到5毫秒,制动距离只需要8.5厘米。

3、自动驾驶典型用例与延迟需求

用例延迟需求
软件升级50ms
实时路况<100ms
人车通信100ms
群组启动10ms
协同驾驶<10ms
远程取消5ms
十字路口交叉通过10ms
远程自动泊车100ms
用例延迟需求
软件升级50ms
实时路况<100ms
人车通信100ms
群组启动10ms
协同驾驶<10ms
远程取消5ms
十字路口交叉通过10ms
远程自动泊车100ms

三、Starlink相关进展

1、前景:对于特斯拉而言,Starlink服务最重要的用途可能是用于互联车辆技术,该技术可使公司的车辆与其他车辆通信,具有基础设施并连接到云。

2、进展:2020.11,马斯克(Elon Musk)声称特斯拉即将实现5级自动驾驶。这些高度先进的无人驾驶特斯拉汽车需要连接到云,在特斯拉车队和支持自动驾驶的强大AI驱动处理器之间传输TB级数据。这需要低延迟,超快速的连接,SpaceX Starlink基于卫星的宽带互联网网络可以提供这种连接。

3、特斯拉使用Starlink服务的用途

(1)网络连接:将卫星接收器添加到Tesla车辆中,因此每种Tesla车型都可以直接连接到Starlink网络。目前的联网汽车主要依靠蜂窝网络发送和接收数据。

(2) 将无线(OTA)软件更新推送到其车辆:特斯拉可以通过Starlink一次向其整个全球车队推送更新,而不是使用蜂窝网络更新车辆。

二、远程医疗

一、远程医疗介绍

1、内涵:通过计算机技术、遥感、遥测、遥控技术为依托,充分发挥大医院或专科医疗中心的医疗技术和医疗设备优势,对医疗条件较差的边远地区、海岛或舰船上的伤病员进行远距离诊断、治疗和咨询。

2、特征:

(1)在恰当的场所和家庭医疗保健中使用远程医疗可以极大地降低运送病人的时间和成本。

(2)可以良好地管理和分配偏远地区的紧急医疗服务,这可以通过将照片传送到关键的医务中心来实现。

(3)可以使医生突破地理范围的限制,共享病人的病历和诊断照片,从而有利于临床研究的发展。

(4)可以为偏远地区的医务人员提供更好的医学教育。

3、主要应用领域

(1)以检查诊断为目的的远程医疗诊断系统:主要配置各种数字化医疗仪器和相应的通信接口,并且主要在医院内部的局域网上运行。终端用户设备包括电子扫描仪、数字摄像机以及话筒、扬声器等。

(2)以咨询会诊为目的的远程医疗会诊系统:主要是采用视频会议方式在宽带网上运行。

(3)以教学培训为目的的远程医疗教育系统:主要是采用视频会议方式在宽带网上运行。

(4)以家庭病床为目的的远程病床监护系统

4、与网络有关的关键技术

(1) 网络接口。不同的远程医疗需求和通信环境,对通信网络的选择也是多种多样的,因此网络接口速率也有高低区别。

(2)络协议。在远程医疗系统中广泛采用ATM(异步转移模式)互联协议。在电话网上传输医学图像可以采用H.324视频会议协议。TCP/IP协议可用于局域网和广域网接口,用它接入医学图像和远端的医疗信息源。

(3) 视频传输。根据不同的远程医疗需求,视频传输速率也是不同的,大致可以分为低速率和高速率传输两类,前者用于视频会议,后者则用于诊断视频的传输。

(4) 音频传输。在远程医疗系统内除了视频外,还有音频传输,它也可分为低速率和高速率传输两类,前者用于咨询会诊,后者则用于诊断病情。

(5)静态图像(片)传输。通常静态图像(片)的传输是单向通信,传输速率以单幅来计算,并且流量具有突发性。

(6)病历档案。它也是单向传输,并且主要是文本信息,因此传输带宽要求不高。

(7)骨干网络。作为远程医疗的骨干网络可有多种选择,但随着网络的扩大,有必要通过网桥或路由器将各个局域网互联成为广域网。

二、网络延迟的相关信息

1、目前的时延情况

时间距离网络医疗内容延时
2018.11数公里的急救车5G远程急救0.001ms
2019.560公里5G临床会诊数毫秒
2019.6986公里左右(天津和嘉兴)5G机器人手术20ms
2019.9中国和新加坡中新(重庆)国际互联网数据专用通道子宫肌瘤的聚焦超声消融手术80ms

2、要求

用例延时抖动
交互式视频通信的远程诊断200-300ms30ms
交互式语音传输的远程诊断200-300ms50ms
远程机器人手术250ms10ms

来源:researchgate.net/publication/221912841_QoS_in_Telemedicine

注:“抖动”是指在网络上连续传输的数据包即便使用相同的路径,也会有不同的延时。每个数据包之间的这种延时不一致称为抖动。对于实时通信而言,这可能是一个相当大的问题,包括IP电话,视频会议和虚拟桌面基础架构。

三、Starlink相关进展

1、背景:数十年来,美国的农村地区医疗保健服务水平很低,医生日益短缺,医疗保健职业倦怠也呈现上升趋势。远程医疗的兴起可能是解决此问题的一种可能的解决方案。

2、挑战:可靠且高速的Internet连接,这是支持稳定的远程医疗应用程序和平台所必需的。

3、进展:2020.12,与一家加拿大小型IT公司合作,将,Starlink互联网服务带入一个土著部落,其3,000名成员已经能够访问从医疗保健服务到教育和企业的所有内容

4、未来可能的发展:

(1)火星医疗

①背景:马斯克实现火星殖民,需要在火星上建立全民医疗保健,由于居民的数量要少得多,医学专家的人数将很少而且相距甚远,可能需要依靠与地球上熟练技术人员的咨询。

②通信时延难点:由于通信信号以光速传播,因此可能需要3-22分钟,这取决于在任何给定时间火星与地球之间的距离,以使信息在两个行星之间传播。考虑到文本或电子邮件的回复至少需要6分钟,因此无法选择来自地球专家的实时反馈。

(2)地球上的远程医疗

①背景:至少有一半的世界人口无法获得基本卫生保健,问题并不仅限于缺少医疗保健专业人员,还在于质量。

②starlink进展:从理论上讲,卫星星座的成功完成将意味着在未来几年中,当前无法使用有线互联网访问的世界农村地区可能会有机会直接通过卫星联网。

三、VR游戏和视频

一、VR介绍

1、内涵:是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统,它利用计算机生成一种模拟环境,使用户沉浸到该环境中。虚拟现实技术就是利用现实生活中的数据,通过计算机技术产生的电子信号,将其与各种输出设备结合使其转化为能够让人们感受到的现象

2、特征

(1)沉浸性::让用户成为并感受到自己是计算机系统所创造环境中的一部分,当使用者感知到虚拟世界的刺激时,包括触觉、味觉、嗅觉、运动感知等,便会产生思维共鸣,造成心理沉浸,感觉如同进入真实世界。

(2)交互性:用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度,使用者进入虚拟空间,相应的技术让使用者跟环境产生相互作用,当使用者进行某种操作时,周围的环境也会做出某种反应。

(3)多感知性:目前大多数虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、触觉、运动等几种。

(4)构想性:使用者进入虚拟空间,根据自己的感觉与认知能力吸收知识,发散拓宽思维,创立新的概念和环境。

(5)自主性:是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。如当受到力的推动时,物体会向力的方向移动、或翻倒、或从桌面落到地面等。

二、网络延迟的相关信息

1、最低延迟标准:20ms。根据研究,这个延迟只有控制在20ms以内,人体才不会有排斥反应。同时超过20ms也不一定就会造成晕眩恶心,就像有些人晕车有的人不晕,每个人的体质对延迟的敏感度和排斥反应的大小不同。

2、理想的延迟:理想情况下,VR的延迟将不会超过7 ms(如果不是零的话)。

3、延迟的具体组成:

(1)传感器以及信号传输造成延迟

(2)显示带来的延迟:LDC屏幕显示10ms左右,OLED的像素转化在1ms以内

(3)图像处理造成的延迟:需要依靠图像处理算法的优化

因此对数据传输的延迟需减去(2)(3)的时间

4、现有情况

(1)Huawei VR:20ms(2016年)

(2)英特尔WiGig无线解决方案:7ms(2017年),主要通过WiGig技术在60GHz频段上传输数据,而延迟不超过7毫秒(足够实现流畅的VR体验)。

三、Starlink相关进展

2018.9,SpaceX宣布日本亿万富翁企业家前泽友作(Yusaku Maezawa)成为SpaceX绕月飞行任务的第一位付费乘客,计划于2023年进行绕月飞行,旅程将进行高清VR直播。马斯克表示,到那时Starlink应该会活跃起来,SpaceX会使用中继卫星来处理月球远端的通信死角。

四、工业互联网

一、工业互联网介绍

1、内涵:本质是通过开放的、全球化的工业级网络平台把设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户紧密地连接和融合起来,高效共享工业经济中的各种要素资源,从而通过自动化、智能化的生产方式降低成本、增加效率,帮助制造业延长产业链,推动制造业转型发展。

2、构成

(1)智能机器:以崭新的方法将现实世界中的机器、设备、团队和网络通过先进的传感器、控制器和软件应用程序连接起来。

(2)高级分析:使用基于物理的分析法、预测算法、自动化和材料科学,电气工程及其他关键学科的深厚专业知识来理解机器与大型系统的运作方式。

(3)工作人员:建立员工之间的实时连接,连接各种工作场所的人员,以支持更为智能的设计、操作、维护以及高质量的服务与安全保障。

3、特征

(1)工业数据的特点:传统的工业企业数据不仅在企业与企业间产生割据状态,同一企业的生产、设计、研发、管理、运营等环节都存在割据的状态。所谓工业互联网,是基于各种网络互联技术,从工业设计、工艺、生产、管理、服务等涉及企业从创立到结束的全生命周期串联起来。将赋能整个工业系统使其拥有描述、诊断、预测、决策、控制的智能化功能。

(2)工业分析能力有改变:传统的“端-管-云”模式难以应对日益增长的工业物联网终端,无法保证工业生产控制的实时性和可靠性。未来的工业分析能力将是“云计算+边缘计算”,云计算聚焦非实时、长周期数据的大数据分析,支撑周期性维护以及业务决策,边缘计算聚焦实时、短周期数据分析,支撑本地业务的实时智能化处理与执行。

(3)工业价值的变化:立足工业数据,工业设备厂商的营利点将会从“以产品售卖、维修保养为主”向“以提供基于数据的多维度生产性服务为主”转变。

(4)产品生命周期管理的变化:基于工业互联网技术获得的工业数据,数字孪生技术成为发展重点。未来产品从研发、生产到使用都会从传统产品生命周期管理转变为数字孪生应用场景,实现产品全生命周期的虚拟世界映像,提升全生命周期管理能力。

(5)产品供应链的变革:传统供应链管理限于流程性关联,缺少数据驱动带来的整体价值传递和增值服务,导致企业同质化利润率下降、供应链协同效率低、核心业务流程受到职能管理的制约、信息共享较差等瓶颈出现。工业互联网可实现产品实时数据的采集与管理,基于实时数据实现供需双方精准的匹配,实现供应链的有效动态管控。

二、网络延迟的相关信息

1、不同场景对延迟需求不同:有的场景,可能并没有太多移动性要求,使用光纤甚至网线就可以了。也有的场景,可能对带宽和时延没有太大要求,使用LTE或NB-IoT就可以了。还有的场景,客户可能不希望数据进入运营商网络,或者考虑到成本的因素,想要用Wi-Fi甚至LoRa这样的私有网络技术,也不一定不行。

注:工业互联网的精髓不在于连接,而是计算。工业互联网的操作系统、平台、数据、应用,才是最关键的部分。

2、时延要求

(1)工厂内控制类业务:端到端时延毫秒级,抖动微秒级

(2)工厂外控制类业务:端到端几十毫秒级

注:其他类别业务对时延没有太大要求

五、联网无人机

一、联网无人机介绍

1、功能:

(1)超高清图视频传输(50-150Mbps)

(2)低时延控制(10-20ms)

(3)远程联网协作和自主飞行(100kbps,500ms)

注:括号内为5G能够实现的能力

2、应用场景:可应用于农药喷洒、森林防火、大气取样、地理测绘、环境监测、电力巡检、交通巡查、物流运输、演艺直播、消费娱乐等各种行业及个人服务领域

二、网络延迟的相关信息

1、ABC三类机载终端通信能力对网络延迟的需求

2、无人机具体应用场景网络指标(中国信通院:5G无人机应用白皮书http://www.199it.com/archives/780400.html

三、Starlink的相关进展

1、支持往返于农业无人机运营的数据传输:正在发射大量的小型卫星,这些卫星可以提供上传和下载功能,从而为地球上的任何一点提供大大改善的周转时间,以处理图像以及可能有一天获得实时结果。

2、对于农业无人机的图像,将有可能在四到五年内从静止的地方上传文件,然后将其传回需要的位置,然后再下载。要能够从移动的天线上获取数据,将花费七年甚至更长的时间。

3、Starlink,OneWeb和Telesat最有可能最先提供无人机联网服务

六、云游戏

一、云游戏介绍

1、内涵:云游戏是以云计算为基础的游戏方式,在云游戏的运行模式下,所有游戏都在服务器端运行,并将渲染完毕后的游戏画面压缩后通过网络传送给用户。在客户端,用户的游戏设备不需要任何高端处理器和显卡,只需要基本的视频解压能力就可以了。云计算(cloud computing),是一种基于互联网的计算方式,通过这种方式,共享的软硬件资源和信息可以按需提供给计算机和其他设备。提供资源的网络被称为“云”。

2、特征:

(1)对网络要求较高。面对国内不稳定的网络,各云游戏公司都采用了自动降画质以适应网络的算法,经了解目前2M以上可勉强体验,4M以上便可体验高清画质。

(2)由于云端服务器运算技术限制,目前云技术基本只应用于单机游戏,网络游戏还处在探究阶段。

(3)版权问题。游戏版权一直是众游戏开发商的心病,由于目前还没有专门为“云”开发的游戏,各云游戏公司都是通过汉化经典单机大作(主要是国外大作)来作为自己的产品,其中就存在未经游戏CP商合作授权的游戏。

3、关键技术

(1)云端完成游戏运行与画面渲染的云计算技术

(2)玩家终端与云端间的流媒体传输技术

二、网络延迟的相关信息

1、需求:游戏交互时延取决于网络通信延迟。与传统网络游戏仅需传输游戏状态数据相比,云游戏的多媒体传输对网络延迟更为敏感,当网络通信质量较差时,玩家会直接感受到从指令输入到画面更新间的延迟较高,从而显著降低玩家游戏体验质量。

2、时延组成:

(1)输入设备的延迟

(2)输入信号通过网络传输到云游戏服务器的时间

(3)游戏的消息循环相应延迟

(4)游戏的逻辑处理一帧的时间

(5)游戏的渲染处理一帧的时间

(6)游戏的画面编码成视频的时间

(7)网络传输的时间

(8)玩家设备解码视频的时间

(9)显示设备VSsync的时间

其中,网络传输时延占总时延的比例达70%以上。

3、目前云游戏相关的网络时延数据

(1)目前云游戏平台的平均时延为50ms

①2019.2 腾讯“腾讯即玩”云游戏平台时延低于40ms

②2019.6 微软xCloud云游戏平台时延为63-67ms

③2019.7 华为5G云游戏平台时延为12ms

④2020.8 google的Stadia时延稳定在100ms(在网络带宽、客户端路由等条件达到理想要求的情况下,在正常提供服务的环境下,Stadia 现在已经能在稳定的网络环境下保持低于 100 毫秒的延迟)

(2)5G可以实现云游戏平台的时延为12ms

(3)玩家可以接受的时延分界点:当前在主机上,30帧是游戏帧数下限,可以认为这是玩家可以接受的帧数下限,两帧之间有33ms的时间。如果云游戏一概限制为30帧运行,然后从操作到画面反馈的延迟小于33ms,应该就可以让玩家几乎感受不到延迟,即服务器延迟低于16ms,云游戏才玩得起,即延迟低于 1÷(游戏帧数×2) 。

三、Starlink相关信息

2020.10 微软宣布推出Azure Space云计算平台,与SpaceX Starlink的合作关系将为微软的云计算数据中心提供高速卫星宽带。利用Azure Orbital,卫星运营商可以安排与航天器的联系,并将数据直接下行传输到Azure中的虚拟网络(VNet)。

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