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元宇宙是當(dāng)下科技領(lǐng)域最熱門的話題之一，目前業(yè)界對元宇宙的定義還不明確，各類技術(shù)似乎都可以將其裝進(jìn)元宇宙這個(gè)“筐”里面。
不過，比較明確的是，元宇宙確實(shí)整合了多種新技術(shù)，形成新型虛實(shí)相融的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和社會(huì)形態(tài)。而這些新技術(shù)中，無線通信技術(shù)是必不可少的，因此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(shí)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(jìn)步為其打下了一定基礎(chǔ)。
不過，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(jìn)。這篇文章，筆者將從5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)角度，與各位讀者一起探頭無線通信技術(shù)對元宇宙的支持。
元宇宙對無線通信提出要求，成為5G標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)的重要方向
在眾多對元宇宙的概念定義中，作為“元宇宙第一股”的 Roblox公司給出了元宇宙的八大要素被業(yè)界廣泛認(rèn)可，即獨(dú)立身份、社交好友、沉浸感、低延遲、多元化、隨時(shí)隨地、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、文明。我們不難發(fā)現(xiàn)，多個(gè)要素的實(shí)現(xiàn)需要通信技術(shù)的進(jìn)步，尤其是沉浸感、低延遲、隨時(shí)隨地這三個(gè)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社交、游戲、購物、辦公等場景體驗(yàn)。
具體來說，沉浸感要求虛擬世界具備對現(xiàn)實(shí)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(shí)的屏障，讓人們在元宇宙中實(shí)現(xiàn)沉浸式體驗(yàn)。沉浸感的實(shí)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(shí)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(shí)時(shí)、流暢的完美體驗(yàn)，而現(xiàn)實(shí)和虛擬世界之間的鏡像或?qū)\生通過通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)同步，這一要素也正是5G的重要特點(diǎn)。5G uRLLC場景對于空口時(shí)延要求達(dá)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(shí)隨地要求人們在未來能實(shí)現(xiàn)擺脫時(shí)空限制，隨時(shí)隨地進(jìn)入元宇宙的愿景。要實(shí)現(xiàn)這一愿景，不僅各類元宇宙終端設(shè)備要具備隨時(shí)隨地?cái)y帶的特點(diǎn)，設(shè)備還具備隨時(shí)隨地接入網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，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(shí)隨地接入的能力。
5G標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)，已考慮到元宇宙的特殊需求
5G標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)，通過提升多個(gè)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(jìn)中大部分內(nèi)容對元宇宙形成支撐，大帶寬、低時(shí)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(jìn)對很多細(xì)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(shí)相融世界的多個(gè)痛點(diǎn)。
5G標(biāo)準(zhǔn)中對XR的研究始于2年前，在2019年12月9日到12日期間，3GPP RAN第86次全會(huì)在西班牙的Sitges召開，3GPP標(biāo)準(zhǔn)專家對5G演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)R17進(jìn)行了規(guī)劃和布局，圍繞“網(wǎng)絡(luò)智慧化、能力精細(xì)化、業(yè)務(wù)外延化”三大方向共設(shè)立23個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)。
其中，高通牽頭提出了基于5G NR支持XR的評估研究項(xiàng)目，是R17中新增的“從0到1”新研究的項(xiàng)目。XR指的是擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)，其中包括AR、VR和MR，這正是元宇宙虛實(shí)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(shí)延高可靠的同時(shí)保證大帶寬，這對5G網(wǎng)絡(luò)提出了新的挑戰(zhàn)，運(yùn)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(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)具備大規(guī)模支撐XR的能力。
5G采用邊緣計(jì)算讓云端的計(jì)算、存儲(chǔ)能力和內(nèi)容更接近用戶側(cè)，使網(wǎng)絡(luò)時(shí)延更低，用戶體驗(yàn)更極致，使能AR、VR和MR等應(yīng)用。同時(shí)，得益于5G低時(shí)延、大帶寬能力，終端側(cè)的計(jì)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(dòng)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(shí)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(xiàng)目，在2021年12月形成一份編號(hào)為TR 38.838的技術(shù)報(bào)告。
在這份長達(dá)270多頁的技術(shù)報(bào)告中，3GPP的專家全面研究了5G對XR支持的多個(gè)方面，包括在5G NR環(huán)境下，AR、VR、MR的容量、功耗、覆蓋、移動(dòng)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(xiàng)，在這些立項(xiàng)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(diǎn)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(qiáng)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(yuǎn)程控制和機(jī)器人協(xié)作。
根據(jù)中國移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)專家的介紹，5G R18開始要加強(qiáng)針對XR業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)策略控制，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)滿足業(yè)務(wù)需求的超低時(shí)延、低抖動(dòng)、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(dòng)人機(jī)交互、數(shù)字孿生的應(yīng)用。
XR增強(qiáng)的課題，是R18最重要的研究方向之一，這一項(xiàng)目在3GPP第94次全會(huì)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(qiáng)網(wǎng)絡(luò)開放，針對XR服務(wù)和媒體服務(wù)傳輸進(jìn)行服務(wù)質(zhì)量保證和策略增強(qiáng)，流量模式進(jìn)行增強(qiáng)，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(yàn)。
其中，針對XR的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，3GPP在R18啟動(dòng)了新興沉浸式媒體、XR服務(wù)、媒體分發(fā)增強(qiáng)的研究，主要考慮XR業(yè)務(wù)端到端的體驗(yàn)，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(shí)時(shí)交互)方向就面向XR、全息進(jìn)行研究，也是3GPP R18中XR增強(qiáng)的重要輸入內(nèi)容。
6G時(shí)代，無線通信“為元宇宙而生”
元宇宙成熟是一個(gè)長期演進(jìn)的過程，與其相伴的是無線通信技術(shù)的長期演進(jìn)。5G并不能完全滿足元宇宙對無線通信的需求，未來6G時(shí)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(jìn)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(jìn)行系統(tǒng)闡述，提出面向2030年及未來，6G網(wǎng)絡(luò)將助力實(shí)現(xiàn)真實(shí)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(dòng)XR技術(shù)進(jìn)入全面沉浸化時(shí)代。云化XR系統(tǒng)將與新一代網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)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(jìn)入元宇宙場景。而云化XR系統(tǒng)將實(shí)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(shí)延與超高帶寬才能為用戶帶來極致體驗(yàn)?，F(xiàn)有的云VR系統(tǒng)對頭動(dòng)響應(yīng)時(shí)延的要求不高于20毫秒，而現(xiàn)有端到端時(shí)延則達(dá)到了70毫秒。面向2030年及未來，基于云化XR的總時(shí)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(shí)現(xiàn)人、物及其周邊環(huán)境的三維動(dòng)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(shí)現(xiàn)大尺寸、高分辨率的全息顯示方面，實(shí)時(shí)交互需要峰值吞吐量約為近150Gbps，按照壓縮比100計(jì)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(shí)承載上千個(gè)并發(fā)數(shù)據(jù)流，由此推斷用戶吞吐量則需要至少達(dá)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(shí)現(xiàn)情感思維的互通互動(dòng)，傳輸時(shí)延要小于1毫秒，用戶體驗(yàn)速率將大于10Gbps，可靠性在很多情況下甚至要達(dá)到99.99999%；數(shù)字孿生要實(shí)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(shí)延要求，以及Tbps的傳輸速率以保證精準(zhǔn)的建模和仿真驗(yàn)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(qiáng)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(shí)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(shí)現(xiàn)的核心底層技術(shù)。
(原標(biāo)題：5G，向元宇宙演進(jìn)；6G，為元宇宙而生？）
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