元宇宙是當(dang)下科技(ji)領域(yu)最熱門的(de)話(hua)題之一(yi)，目前(qian)業(ye)界對元宇(yu)宙的(de)定義還(huan)不明(ming)確，各類技(ji)術似乎(hu)都可以將其裝進元宇(yu)宙這(zhe)個“筐”里(li)面。這(zhe)篇文章，筆者將從5G技(ji)術標(biao)準演進角度，與(yu)各位讀者一(yi)起探(tan)頭無線通信(xin)技(ji)術對元宇(yu)宙的(de)支持。
元(yuan)宇(yu)宙是當下科技領域最熱門的話題之一，目(mu)前業界對元(yuan)宇(yu)宙的定義(yi)還不明確(que)，各類技術似乎都可以將其裝(zhuang)進元(yuan)宇(yu)宙這個“筐”里(li)面。
不過，比較明確的是，元宇宙確實整合了多種新技術，形成新型虛實相融的互聯網應用和社會形態。而這些新技術中，無線通信技術是必不可少的，因此5G技術毫無疑問將被納入元宇宙技術體系中，針對虛實結合VR、AR、MR、數字孿生等形(xing)態(tai)，5G無線通(tong)信技術的進步為其打下了一定(ding)基(ji)礎(chu)。
不過(guo)，5G對(dui)元宇宙(zhou)的(de)支(zhi)持并非已經就(jiu)緒，而是根據場景需求不斷演(yan)(yan)進。這篇文章，筆(bi)者將從5G技(ji)術(shu)標準演(yan)(yan)進角度，與各(ge)位讀者一起探頭無線通信技(ji)術(shu)對(dui)元宇宙(zhou)的(de)支(zhi)持。
元(yuan)宇宙對無線通(tong)信提(ti)出(chu)要(yao)求，成為5G標(biao)準演進的重要(yao)方向(xiang)
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界廣泛認可，即獨立身份、社交好友、沉浸感、低延遲、多元化、隨時隨地、經濟系統、文明。我們不難發現，多個要素的實現需要通信技術的進步，尤其是沉浸感、低延遲、隨時隨地這三個要素，對(dui)于(yu)無(wu)線通信(xin)網(wang)絡提出較高要求，在高性能通信(xin)網(wang)絡加持下(xia)，才能提升(sheng)虛擬(ni)空(kong)間中的社交、游戲、購物、辦公等場(chang)景體驗。
具(ju)體來說，沉(chen)浸感要(yao)求虛擬(ni)世(shi)界(jie)具(ju)備(bei)對現(xian)實世(shi)界(jie)的(de)替代性(xing)，通(tong)過(guo)VR、AR、MR等設備(bei)打開虛擬(ni)世(shi)界(jie)大門，并打破虛擬(ni)和現(xian)實的(de)屏障，讓(rang)人們在元宇宙中實現(xian)沉(chen)浸式體驗。沉(chen)浸感的(de)實現(xian)，需(xu)要(yao)設備(bei)性(xing)能的(de)提升，而設備(bei)和云端或邊緣之間的(de)通(tong)信需(xu)要(yao)通(tong)過(guo)無線形式實現(xian)，也就對當(dang)前5G網絡提出明確要(yao)求。
元宇(yu)宙要(yao)求(qiu)(qiu)高同步(bu)低延(yan)遲(chi)，從而用戶可以獲得實(shi)(shi)時(shi)、流暢的(de)完(wan)美體驗，而現實(shi)(shi)和虛擬世界之間的(de)鏡像或孿生通(tong)過通(tong)信網絡(luo)實(shi)(shi)現同步(bu)，這一(yi)要(yao)素也正是(shi)5G的(de)重要(yao)特點。5G uRLLC場景對于(yu)空(kong)口時(shi)延(yan)要(yao)求(qiu)(qiu)達到毫秒級，在空(kong)口側能夠基本滿足(zu)元宇(yu)宙低延(yan)遲(chi)要(yao)求(qiu)(qiu)。
隨時隨地要求人們在未來能實現擺脫時空限制，隨時隨地進入元宇宙的愿景。要實現這一愿景，不僅各類元宇宙終端設備要具備隨時隨地攜帶的特點，設備還具備隨時隨地接入網絡的特點，這也和無線通信向著空天地一體化發展的愿景吻合，給元(yuan)宇宙各(ge)類應(ying)用場景(jing)提(ti)供(gong)隨時隨地接(jie)入的能力。
5G標準演進，已(yi)考慮(lv)到(dao)元宇(yu)宙的特殊需(xu)求
5G標準的演進，通過提升多個方面性能以及滿足更多行業場景，滿足業界對無線通信的需求。元宇宙廣泛的場景和多樣化技術融合，使5G標準演進中大部分內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。值得關注的是，5G標準演進對很多細分領域做了大量研究和標準化工作，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標準對XR的專門研究和標準化工作，直接面對的是虛實相融世界的多個痛點。
5G標準(zhun)(zhun)中對XR的(de)研究(jiu)始(shi)于2年前，在(zai)2019年12月9日到12日期(qi)間，3GPP RAN第(di)86次(ci)全(quan)會在(zai)西(xi)班牙(ya)的(de)Sitges召開，3GPP標準(zhun)(zhun)專家對5G演進標準(zhun)(zhun)R17進行了規劃(hua)和(he)布局，圍繞“網(wang)絡智慧(hui)化(hua)、能力精細(xi)化(hua)、業務外(wai)延(yan)化(hua)”三大方向共設(she)立23個標準(zhun)(zhun)立項(xiang)。
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(de)是(shi)擴展現(xian)實，其中包括AR、VR和(he)MR，這(zhe)(zhe)正是(shi)元宇宙(zhou)虛(xu)實融合的(de)核心交互界面。XR作為(wei)新興(xing)業(ye)務，要求在支持低時(shi)延高可靠的(de)同時(shi)保證大帶寬(kuan)，這(zhe)(zhe)對5G網絡(luo)提(ti)出了(le)新的(de)挑戰(zhan)，運營商(shang)(shang)需要聯合產業(ye)尋求更多的(de)網絡(luo)優化手(shou)段，以保證運營商(shang)(shang)網絡(luo)具備(bei)大規模支撐XR的(de)能力。
5G采用邊緣計算讓云端的計算、存儲能力和內容更接近用戶側，使網絡時延更低，用戶體驗更極致，使能AR、VR和MR等應用。同時，得益于5G低時延、大帶寬能力，終端側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應用普及。R17將評估這種邊緣云+輕量化終端的分布式架構，并優化網絡時延、處理能力和功耗等。
3GPP在R17中提出的5G NR支持XR的評估(gu)研究項目，在2021年12月形成一(yi)份編(bian)號為TR 38.838的技術報(bao)告。
在(zai)(zai)(zai)這(zhe)份(fen)長(chang)達270多(duo)頁的(de)技術報告中，3GPP的(de)專家全面(mian)研究了5G對XR支持的(de)多(duo)個(ge)方面(mian)，包括在(zai)(zai)(zai)5G NR環境(jing)下(xia)，AR、VR、MR的(de)容量(liang)、功耗、覆蓋、移動性等性能(neng)的(de)評估，并在(zai)(zai)(zai)不(bu)同流(liu)量(liang)模型和(he)無線(xian)電頻(pin)譜范圍條件下(xia)各種性能(neng)的(de)評估。
2021年12月(yue)，3GPP R18確(que)定了(le)第一批立項，在這些立項中，我們又看到(dao)了(le)XR的(de)(de)身影，即“XR Enhancements for NR”的(de)(de)課題(ti)(ti)，在這一課題(ti)(ti)中，重點研究的(de)(de)是(shi)無線(xian)接(jie)(jie)入(ru)網(wang)側(ce)XR業務感知、XR相關(guan)節能技術(shu)以(yi)及XR相關(guan)的(de)(de)容量(liang)提升技術(shu)。除(chu)了(le)無線(xian)接(jie)(jie)入(ru)工作組外(wai)，3GPP SA1相關(guan)工作組也(ye)牽頭完成了(le)增強多媒(mei)體和(he)觸感網(wang)絡的(de)(de)工作，主(zhu)要針對的(de)(de)應用場景是(shi)沉浸式(shi)VR、遠程(cheng)控制和(he)機器人協作。
根(gen)據中(zhong)國移動(dong)標準專家的(de)介紹，5G R18開始要加強針對XR業務的(de)網絡策略控(kong)制(zhi)，目標是(shi)實現滿足(zu)業務需(xu)求的(de)超低時延、低抖動(dong)、服務質量(liang)控(kong)制(zhi)和(he)多流協同。未來將走向元(yuan)宇宙(zhou)階(jie)段，推動(dong)人機交互、數(shu)字孿生的(de)應用(yong)。
XR增(zeng)(zeng)強(qiang)的課題，是R18最(zui)重要(yao)的研究(jiu)方(fang)向(xiang)之一，這一項目在3GPP第94次全(quan)會排序中名列第一，獲得(de)國內(nei)外83家公司的支持(chi)。主(zhu)要(yao)的研究(jiu)方(fang)向(xiang)包(bao)括支持(chi)XR及觸感業務(wu)（如手、肘、膝等多(duo)部位）的多(duo)流(liu)協同傳輸，增(zeng)(zeng)強(qiang)網絡(luo)開放，針對XR服務(wu)和(he)(he)媒體服務(wu)傳輸進行服務(wu)質(zhi)量保證和(he)(he)策略(lve)增(zeng)(zeng)強(qiang)，流(liu)量模式(shi)進行增(zeng)(zeng)強(qiang)，網絡(luo)需(xu)要(yao)得(de)到(dao)終端電(dian)量，從而調整網絡(luo)向(xiang)終端發包(bao)的大小和(he)(he)頻率，以保證端到(dao)端體驗。
其中，針對XR的業(ye)務體(ti)(ti)驗(yan)，3GPP在R18啟(qi)動了新興沉浸式媒(mei)體(ti)(ti)、XR服務、媒(mei)體(ti)(ti)分(fen)發增(zeng)強的研究(jiu)，主要考慮XR業(ye)務端到(dao)端的體(ti)(ti)驗(yan)，并提(ti)出相應的研究(jiu)方向(xiang)。
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增強的重要輸入內容。
6G時(shi)代，無線通信(xin)“為元(yuan)宇(yu)宙而生”
元(yuan)宇(yu)宙成熟(shu)是一個長(chang)期(qi)演(yan)進(jin)的(de)過(guo)程(cheng)(cheng)，與(yu)其相(xiang)伴的(de)是無(wu)(wu)線通信技術的(de)長(chang)期(qi)演(yan)進(jin)。5G并不能完全滿足元(yuan)宇(yu)宙對(dui)無(wu)(wu)線通信的(de)需求，未來6G時(shi)代，無(wu)(wu)線通信將在很大程(cheng)(cheng)度上(shang)針對(dui)元(yuan)宇(yu)宙的(de)愿景形成底(di)層(ceng)數字底(di)座。
2021年(nian)6月，IMT2030（6G）推進組發布了(le)《6G總體愿景與潛(qian)在關鍵技術白皮(pi)書》，這一白皮(pi)書對6G的應用(yong)場景進行(xing)系統(tong)闡述，提出面向(xiang)2030年(nian)及未來，6G網絡將助力實現(xian)真實物理世界與虛擬數字(zi)世界的深(shen)度融合，構建萬物智聯、數字(zi)孿生的全新世界，主要包括(kuo)以下(xia)場景：
沉浸式云XR
全息通信
感官互聯
智慧交互
通信感知
普惠智能
數字孿生
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確定升級的標準來滿足，6G似乎已經成為“為元宇宙而生”的技術。
以沉浸式云XR為例，白皮書提到，面向2030年及未來，網絡及XR終端能力的提升將推動XR技術進入全面沉浸化時代。云化XR系統將與新一代網絡、云計算、大數據、人工智能等技(ji)術相結合，賦能于商業、工業生產、文化(hua)娛樂(le)、教育(yu)培訓、醫療(liao)健康(kang)等領域(yu)進(jin)入元宇(yu)宙場景。而云化(hua)XR系(xi)(xi)統(tong)將實現(xian)用(yong)戶(hu)和環境的(de)語(yu)音交(jiao)互、手(shou)勢交(jiao)互、頭(tou)部交(jiao)互、眼球交(jiao)互等復雜業務，需要在相對確定的(de)系(xi)(xi)統(tong)環境下，滿足(zu)超(chao)低(di)時(shi)延與超(chao)高帶寬才能為用(yong)戶(hu)帶來極致體驗。現(xian)有的(de)云VR系(xi)(xi)統(tong)對頭(tou)動響應時(shi)延的(de)要求(qiu)不高于20毫秒(miao)(miao)，而現(xian)有端到端時(shi)延則達到了70毫秒(miao)(miao)。面向2030年及未(wei)來，基(ji)于云化(hua)XR的(de)總時(shi)延將至少(shao)低(di)于10ms。
再以全息通信為(wei)例(li)，未來的(de)(de)全(quan)(quan)息(xi)(xi)信息(xi)(xi)傳遞將(jiang)通(tong)過自然逼真的(de)(de)視覺(jue)還原，實(shi)(shi)現人、物(wu)及其(qi)周邊環境的(de)(de)三維(wei)動態交互(hu)，極大滿足人類對于人與(yu)人、人與(yu)物(wu)、人與(yu)環境之(zhi)間(jian)的(de)(de)溝通(tong)需求。而全(quan)(quan)息(xi)(xi)通(tong)信將(jiang)對信息(xi)(xi)通(tong)信系統提出更高要(yao)(yao)求，白皮書提到，在實(shi)(shi)現大尺寸(cun)、高分辨率的(de)(de)全(quan)(quan)息(xi)(xi)顯示(shi)方面，實(shi)(shi)時(shi)交互(hu)需要(yao)(yao)峰值吞吐(tu)量(liang)約為(wei)近150Gbps，按照壓縮(suo)比100計算，平均吞吐(tu)量(liang)需求約為(wei)1.5 Gbps。由于用(yong)戶在全(quan)(quan)方位(wei)、多角度的(de)(de)全(quan)(quan)息(xi)(xi)交互(hu)中(zhong)需要(yao)(yao)同(tong)時(shi)承載上(shang)千個(ge)并發數據(ju)流，由此推斷用(yong)戶吞吐(tu)量(liang)則需要(yao)(yao)至少達到Tbps量(liang)級。
其他場景也都對通信技術提出極高要求，如智慧交互要實現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%；數字孿生要(yao)實現物理世界的(de)數字鏡像，需要(yao)網(wang)絡(luo)擁有萬億級的(de)設備連接能力并滿足亞毫(hao)秒級的(de)時延要(yao)求(qiu)，以(yi)及Tbps的(de)傳輸速率以(yi)保證精準的(de)建模和仿真(zhen)驗(yan)證的(de)數據量要(yao)求(qiu)。
面對(dui)這些要求，未來6G通過(guo)內(nei)生智能(neng)新型網(wang)絡(luo)、增強型空口(kou)技(ji)術(shu)、新型物理維度無(wu)線傳(chuan)輸技(ji)術(shu)、太赫茲、空天地(di)一體化等(deng)技(ji)術(shu)，實(shi)現(xian)無(wu)線網(wang)絡(luo)能(neng)力的顯(xian)著提升，這也正是(shi)未來元宇宙場景(jing)實(shi)現(xian)的核心底(di)層技(ji)術(shu)。
