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          《產(chǎn)業(yè)元宇宙》第5章|產(chǎn)業(yè)元宇宙的關(guān)鍵技術(shù)(3.通信網(wǎng)絡(luò)：正在向元宇宙演進)
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          2022-03-16 17:40
          
            
          作者：彭昭（物聯(lián)網(wǎng)智庫創(chuàng)始人&云和資本合伙人）
          物聯(lián)網(wǎng)智庫 原創(chuàng)

          導(dǎo)讀
          元宇宙，這個詞誕生的意義可能大于一切，大于任何對她的解讀。元宇宙，無疑是顛覆式創(chuàng)新的集大成者，我很希望元宇宙能夠遍地開花，扎扎實實的在各行各業(yè)展現(xiàn)她的魅力。于是，我開始了這本以元宇宙為主題的書籍的寫作，和以往不同的是，這次你可以一起加入，方式詳見文末。
          通信網(wǎng)絡(luò)：正在向元宇宙演進
          產(chǎn)業(yè)元宇宙所涉及的新技術(shù)中，無線通信技術(shù)是必不可少的。5G技術(shù)毫無疑問將被納入元宇宙技術(shù)體系中，針對虛實結(jié)合VR、AR、MR、數(shù)字孿生等形態(tài)，5G無線通信技術(shù)的進步為其打下了一定基礎(chǔ)。當(dāng)前5G對元宇宙的支持并非已經(jīng)就緒，而是根據(jù)場景需求不斷演進。可以說，5G正向元宇宙演進；6G是為元宇宙而生。

          產(chǎn)業(yè)元宇宙對無線通信提出要求，成為5G標(biāo)準(zhǔn)演進的重要方向。產(chǎn)業(yè)元宇宙中多個要素的實現(xiàn)需要通信技術(shù)的進步，尤其是沉浸感、低延遲、隨時隨地這三個要素，對于無線通信網(wǎng)絡(luò)提出較高要求，在高性能通信網(wǎng)絡(luò)加持下，才能提升虛擬空間中的研發(fā)、巡檢、質(zhì)檢、操作等場景體驗。具體來說，沉浸感要求虛擬世界具備對現(xiàn)實世界的替代性，通過VR、AR、MR等設(shè)備打開虛擬世界大門，并打破虛擬和現(xiàn)實的屏障，讓人們在元宇宙中實現(xiàn)沉浸式體驗。沉浸感的實現(xiàn)，需要設(shè)備性能的提升，而設(shè)備和云端或邊緣之間的通信需要通過無線形式實現(xiàn)，也就對當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)提出明確要求。元宇宙要求高同步低延遲，從而用戶可以獲得實時、流暢的完美體驗，而現(xiàn)實和虛擬世界之間的鏡像或?qū)\生通過通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)同步，這一要素也正是5G的重要特點。5G極可靠低延遲通信uRLLC場景對于空口時延要求達到毫秒級，在空口側(cè)能夠基本滿足元宇宙低延遲要求。隨時隨地要求人們在未來能實現(xiàn)擺脫時空限制，隨時隨地進入元宇宙的愿景。要實現(xiàn)這一愿景，不僅各類元宇宙終端設(shè)備要具備隨時隨地攜帶的特點，設(shè)備還具備隨時隨地接入網(wǎng)絡(luò)的特點，這也和無線通信向著空天地一體化發(fā)展的愿景吻合，給元宇宙各類應(yīng)用場景提供隨時隨地接入的能力。

          5G標(biāo)準(zhǔn)演進，已考慮到元宇宙的特殊需求。5G標(biāo)準(zhǔn)的演進，通過提升多個方面性能以及滿足更多行業(yè)場景，滿足業(yè)界對無線通信的需求。元宇宙廣泛的場景和多樣化技術(shù)融合，使5G標(biāo)準(zhǔn)演進中大部分內(nèi)容對元宇宙形成支撐，大帶寬、低時延高可靠、低功耗大連接等都是元宇宙所需要的能力。值得關(guān)注的是，5G標(biāo)準(zhǔn)演進對很多細分領(lǐng)域做了大量研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作，從一定程度上解決了元宇宙的一些具體問題，其中最為典型的是5G標(biāo)準(zhǔn)對XR的專門研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作，直接面對的是虛實相融世界的多個痛點。

          5G標(biāo)準(zhǔn)中對XR的研究始于兩年前，在2019年12月9日到12日期間，3GPP RAN第86次全會在西班牙召開，3GPP標(biāo)準(zhǔn)專家對5G演進標(biāo)準(zhǔn)R17進行了規(guī)劃和布局，圍繞“網(wǎng)絡(luò)智慧化、能力精細化、業(yè)務(wù)外延化”三大方向共設(shè)立23個標(biāo)準(zhǔn)立項。其中，高通牽頭提出了基于5G NR支持XR的評估研究項目，是R17中新增的“從0到1”新研究的項目。XR指的是擴展現(xiàn)實，其中包括AR、VR和MR，這正是元宇宙虛實融合的核心交互界面。XR作為新興業(yè)務(wù)，要求在支持低時延高可靠的同時保證大帶寬，這對5G網(wǎng)絡(luò)提出了新的挑戰(zhàn)，運營商需要聯(lián)合產(chǎn)業(yè)尋求更多的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化手段，以保證運營商網(wǎng)絡(luò)具備大規(guī)模支撐XR的能力。5G采用邊緣計算讓云端的計算、存儲能力和內(nèi)容更接近用戶側(cè)，使網(wǎng)絡(luò)時延更低，用戶體驗更極致，使能AR、VR和MR等應(yīng)用。

          同時，得益于5G低時延、大帶寬能力，終端側(cè)的計算能力還可以上移到邊緣云，使得VR頭盔等終端更輕量化、更省電、更低成本。這種“輕終端+寬管道+邊緣云”的模式將砍掉昂貴的終端的門檻，擺脫有線的束縛，從而推動XR應(yīng)用普及。R17將評估這種邊緣云+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。3GPP在R17中提出的5G NR支持XR的評估研究項目，在2021年12月形成一份技術(shù)報告。

          在這份長達270多頁的技術(shù)報告中，3GPP的專家全面研究了5G對XR支持的多個方面，包括在5G NR環(huán)境下，AR、VR、MR的容量、功耗、覆蓋、移動性等性能的評估，并在不同流量模型和無線電頻譜范圍條件下各種性能的評估。2021年12月，3GPP R18確定了第一批立項，在這些立項中，我們又看到了XR的身影，即“XR Enhancements for NR”的課題，在這一課題中，重點研究的是無線接入網(wǎng)側(cè)XR業(yè)務(wù)感知、XR相關(guān)節(jié)能技術(shù)以及XR相關(guān)的容量提升技術(shù)。

          除了無線接入工作組外，3GPP SA1相關(guān)工作組也牽頭完成了增強多媒體和觸感網(wǎng)絡(luò)的工作，主要針對的應(yīng)用場景是沉浸式VR、遠程控制和機器人協(xié)作。根據(jù)中國移動標(biāo)準(zhǔn)專家的介紹，5G R18開始要加強針對XR業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)策略控制，目標(biāo)是實現(xiàn)滿足業(yè)務(wù)需求的超低時延、低抖動、服務(wù)質(zhì)量控制和多流協(xié)同。未來將走向元宇宙階段，推動人機交互、數(shù)字孿生的應(yīng)用。XR增強的課題，是R18最重要的研究方向之一，這一項目在3GPP第94次全會排序中名列第一，獲得國內(nèi)外83家公司的支持。主要的研究方向包括支持XR及觸感業(yè)務(wù)（如手、肘、膝等多部位）的多流協(xié)同傳輸，增強網(wǎng)絡(luò)開放，針對XR服務(wù)和媒體服務(wù)傳輸進行服務(wù)質(zhì)量保證和策略增強，流量模式進行增強，網(wǎng)絡(luò)需要得到終端電量，從而調(diào)整網(wǎng)絡(luò)向終端發(fā)包的大小和頻率，以保證端到端體驗。其中，針對XR的業(yè)務(wù)體驗，3GPP在R18啟動了新興沉浸式媒體、XR服務(wù)、媒體分發(fā)增強的研究，主要考慮XR業(yè)務(wù)端到端的體驗，并提出相應(yīng)的研究方向。此前，華為提出5.5G愿景中，其中RTBC（寬帶實時交互）方向就面向XR、全息進行研究，也是3GPP R18中XR增強的重要輸入內(nèi)容。


          6G時代，無線通信“為元宇宙而生”。元宇宙成熟是一個長期演進的過程，與其相伴的是無線通信技術(shù)的長期演進。5G并不能完全滿足元宇宙對無線通信的需求，未來6G時代，無線通信將在很大程度上針對元宇宙的愿景形成底層數(shù)字底座。2021年6月，IMT2030（6G）推進組發(fā)布了《6G總體愿景與潛在關(guān)鍵技術(shù)白皮書》，這一白皮書對6G的應(yīng)用場景進行系統(tǒng)闡述，提出面向2030年及未來，6G網(wǎng)絡(luò)將助力實現(xiàn)真實物理世界與虛擬數(shù)字世界的深度融合，構(gòu)建萬物智聯(lián)、數(shù)字孿生的全新世界，主要包括以下場景：

          • 沉浸式云XR
          • 全息通信
          • 感官互聯(lián)
          • 智慧交互
          • 通信感知
          • 普惠智能
          • 數(shù)字孿生
          • 全域覆蓋

          可以看出，6G滿足的大部分場景正是元宇宙規(guī)劃的未來場景，這些場景也提出了全面超越5G的通信性能要求，需要6G確定升級的標(biāo)準(zhǔn)來滿足，6G似乎已經(jīng)成為“為元宇宙而生”的技術(shù)。以沉浸式云XR為例，白皮書提到，面向2030年及未來，網(wǎng)絡(luò)及XR終端能力的提升將推動XR技術(shù)進入全面沉浸化時代。云化XR系統(tǒng)將與新一代網(wǎng)絡(luò)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)相結(jié)合，賦能于商業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)、文化娛樂、教育培訓(xùn)、醫(yī)療健康等領(lǐng)域進入元宇宙場景。而云化XR系統(tǒng)將實現(xiàn)用戶和環(huán)境的語音交互、手勢交互、頭部交互、眼球交互等復(fù)雜業(yè)務(wù)，需要在相對確定的系統(tǒng)環(huán)境下，滿足超低時延與超高帶寬才能為用戶帶來極致體驗?，F(xiàn)有的云VR系統(tǒng)對頭動響應(yīng)時延的要求不高于20毫秒，而現(xiàn)有端到端時延則達到了70毫秒。面向2030年及未來，基于云化XR的總時延將至少低于10ms。

          再以全息通信為例，未來的全息信息傳遞將通過自然逼真的視覺還原，實現(xiàn)人、物及其周邊環(huán)境的三維動態(tài)交互，極大滿足人類對于人與人、人與物、人與環(huán)境之間的溝通需求。而全息通信將對信息通信系統(tǒng)提出更高要求，白皮書提到，在實現(xiàn)大尺寸、高分辨率的全息顯示方面，實時交互需要峰值吞吐量約為近150Gbps，按照壓縮比100計算，平均吞吐量需求約為1.5 Gbps。由于用戶在全方位、多角度的全息交互中需要同時承載上千個并發(fā)數(shù)據(jù)流，由此推斷用戶吞吐量則需要至少達到Tbps量級。

          其他場景也都對通信技術(shù)提出極高要求，如智慧交互要實現(xiàn)情感思維的互通互動，傳輸時延要小于1毫秒，用戶體驗速率將大于10Gbps，可靠性在很多情況下甚至要達到99.99999%；數(shù)字孿生要實現(xiàn)物理世界的數(shù)字鏡像，需要網(wǎng)絡(luò)擁有萬億級的設(shè)備連接能力并滿足亞毫秒級的時延要求，以及Tbps的傳輸速率以保證精準(zhǔn)的建模和仿真驗證的數(shù)據(jù)量要求。面對這些要求，未來6G通過內(nèi)生智能新型網(wǎng)絡(luò)、增強型空口技術(shù)、新型物理維度無線傳輸技術(shù)、太赫茲、空天地一體化等技術(shù)，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)能力的顯著提升，這也正是未來元宇宙場景實現(xiàn)的核心底層技術(shù)。

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