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《产业元宇宙》第5章|产业元宇宙的关键技术(3.通信网络：正在向元宇宙演进)

物联网智库

共 4169字，需浏览 9分钟

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2022-03-16 17:40

作者：彭昭（物联网智库创始人&云和资本合伙人）

物联网智库 原创


导读

元宇宙，这个词诞生的意义可能大于一切，大于任何对她的解读。元宇宙，无疑是颠覆式创新的集大成者，我很希望元宇宙能够遍地开花，扎扎实实的在各行各业展现她的魅力。于是，我开始了这本以元宇宙为主题的书籍的写作，和以往不同的是，这次你可以一起加入，方式详见文末。

通信网络：正在向元宇宙演进

产业元宇宙所涉及的新技术中，无线通信技术是必不可少的。5G技术毫无疑问将被纳入元宇宙技术体系中，针对虚实结合VR、AR、MR、数字孪生等形态，5G无线通信技术的进步为其打下了一定基础。当前5G对元宇宙的支持并非已经就绪，而是根据场景需求不断演进。可以说，5G正向元宇宙演进；6G是为元宇宙而生。


产业元宇宙对无线通信提出要求，成为5G标准演进的重要方向。产业元宇宙中多个要素的实现需要通信技术的进步，尤其是沉浸感、低延迟、随时随地这三个要素，对于无线通信网络提出较高要求，在高性能通信网络加持下，才能提升虚拟空间中的研发、巡检、质检、操作等场景体验。具体来说，沉浸感要求虚拟世界具备对现实世界的替代性，通过VR、AR、MR等设备打开虚拟世界大门，并打破虚拟和现实的屏障，让人们在元宇宙中实现沉浸式体验。沉浸感的实现，需要设备性能的提升，而设备和云端或边缘之间的通信需要通过无线形式实现，也就对当前5G网络提出明确要求。元宇宙要求高同步低延迟，从而用户可以获得实时、流畅的完美体验，而现实和虚拟世界之间的镜像或孪生通过通信网络实现同步，这一要素也正是5G的重要特点。5G极可靠低延迟通信uRLLC场景对于空口时延要求达到毫秒级，在空口侧能够基本满足元宇宙低延迟要求。随时随地要求人们在未来能实现摆脱时空限制，随时随地进入元宇宙的愿景。要实现这一愿景，不仅各类元宇宙终端设备要具备随时随地携带的特点，设备还具备随时随地接入网络的特点，这也和无线通信向着空天地一体化发展的愿景吻合，给元宇宙各类应用场景提供随时随地接入的能力。


5G标准演进，已考虑到元宇宙的特殊需求。5G标准的演进，通过提升多个方面性能以及满足更多行业场景，满足业界对无线通信的需求。元宇宙广泛的场景和多样化技术融合，使5G标准演进中大部分内容对元宇宙形成支撑，大带宽、低时延高可靠、低功耗大连接等都是元宇宙所需要的能力。值得关注的是，5G标准演进对很多细分领域做了大量研究和标准化工作，从一定程度上解决了元宇宙的一些具体问题，其中最为典型的是5G标准对XR的专门研究和标准化工作，直接面对的是虚实相融世界的多个痛点。

5G标准中对XR的研究始于两年前，在2019年12月9日到12日期间，3GPP RAN第86次全会在西班牙召开，3GPP标准专家对5G演进标准R17进行了规划和布局，围绕“网络智慧化、能力精细化、业务外延化”三大方向共设立23个标准立项。其中，高通牵头提出了基于5G NR支持XR的评估研究项目，是R17中新增的“从0到1”新研究的项目。XR指的是扩展现实，其中包括AR、VR和MR，这正是元宇宙虚实融合的核心交互界面。XR作为新兴业务，要求在支持低时延高可靠的同时保证大带宽，这对5G网络提出了新的挑战，运营商需要联合产业寻求更多的网络优化手段，以保证运营商网络具备大规模支撑XR的能力。5G采用边缘计算让云端的计算、存储能力和内容更接近用户侧，使网络时延更低，用户体验更极致，使能AR、VR和MR等应用。

同时，得益于5G低时延、大带宽能力，终端侧的计算能力还可以上移到边缘云，使得VR头盔等终端更轻量化、更省电、更低成本。这种“轻终端+宽管道+边缘云”的模式将砍掉昂贵的终端的门槛，摆脱有线的束缚，从而推动XR应用普及。R17将评估这种边缘云+轻量化终端的分布式架构，并优化网络时延、处理能力和功耗等。3GPP在R17中提出的5G NR支持XR的评估研究项目，在2021年12月形成一份技术报告。

在这份长达270多页的技术报告中，3GPP的专家全面研究了5G对XR支持的多个方面，包括在5G NR环境下，AR、VR、MR的容量、功耗、覆盖、移动性等性能的评估，并在不同流量模型和无线电频谱范围条件下各种性能的评估。2021年12月，3GPP R18确定了第一批立项，在这些立项中，我们又看到了XR的身影，即“XR Enhancements for NR”的课题，在这一课题中，重点研究的是无线接入网侧XR业务感知、XR相关节能技术以及XR相关的容量提升技术。

除了无线接入工作组外，3GPP SA1相关工作组也牵头完成了增强多媒体和触感网络的工作，主要针对的应用场景是沉浸式VR、远程控制和机器人协作。根据中国移动标准专家的介绍，5G R18开始要加强针对XR业务的网络策略控制，目标是实现满足业务需求的超低时延、低抖动、服务质量控制和多流协同。未来将走向元宇宙阶段，推动人机交互、数字孪生的应用。XR增强的课题，是R18最重要的研究方向之一，这一项目在3GPP第94次全会排序中名列第一，获得国内外83家公司的支持。主要的研究方向包括支持XR及触感业务（如手、肘、膝等多部位）的多流协同传输，增强网络开放，针对XR服务和媒体服务传输进行服务质量保证和策略增强，流量模式进行增强，网络需要得到终端电量，从而调整网络向终端发包的大小和频率，以保证端到端体验。其中，针对XR的业务体验，3GPP在R18启动了新兴沉浸式媒体、XR服务、媒体分发增强的研究，主要考虑XR业务端到端的体验，并提出相应的研究方向。此前，华为提出5.5G愿景中，其中RTBC（宽带实时交互）方向就面向XR、全息进行研究，也是3GPP R18中XR增强的重要输入内容。


6G时代，无线通信“为元宇宙而生”。元宇宙成熟是一个长期演进的过程，与其相伴的是无线通信技术的长期演进。5G并不能完全满足元宇宙对无线通信的需求，未来6G时代，无线通信将在很大程度上针对元宇宙的愿景形成底层数字底座。2021年6月，IMT2030（6G）推进组发布了《6G总体愿景与潜在关键技术白皮书》，这一白皮书对6G的应用场景进行系统阐述，提出面向2030年及未来，6G网络将助力实现真实物理世界与虚拟数字世界的深度融合，构建万物智联、数字孪生的全新世界，主要包括以下场景：

  • 沉浸式云XR
  • 全息通信
  • 感官互联
  • 智慧交互
  • 通信感知
  • 普惠智能
  • 数字孪生
  • 全域覆盖

可以看出，6G满足的大部分场景正是元宇宙规划的未来场景，这些场景也提出了全面超越5G的通信性能要求，需要6G确定升级的标准来满足，6G似乎已经成为“为元宇宙而生”的技术。以沉浸式云XR为例，白皮书提到，面向2030年及未来，网络及XR终端能力的提升将推动XR技术进入全面沉浸化时代。云化XR系统将与新一代网络、云计算、大数据、人工智能等技术相结合，赋能于商业、工业生产、文化娱乐、教育培训、医疗健康等领域进入元宇宙场景。而云化XR系统将实现用户和环境的语音交互、手势交互、头部交互、眼球交互等复杂业务，需要在相对确定的系统环境下，满足超低时延与超高带宽才能为用户带来极致体验。现有的云VR系统对头动响应时延的要求不高于20毫秒，而现有端到端时延则达到了70毫秒。面向2030年及未来，基于云化XR的总时延将至少低于10ms。

再以全息通信为例，未来的全息信息传递将通过自然逼真的视觉还原，实现人、物及其周边环境的三维动态交互，极大满足人类对于人与人、人与物、人与环境之间的沟通需求。而全息通信将对信息通信系统提出更高要求，白皮书提到，在实现大尺寸、高分辨率的全息显示方面，实时交互需要峰值吞吐量约为近150Gbps，按照压缩比100计算，平均吞吐量需求约为1.5 Gbps。由于用户在全方位、多角度的全息交互中需要同时承载上千个并发数据流，由此推断用户吞吐量则需要至少达到Tbps量级。

其他场景也都对通信技术提出极高要求，如智慧交互要实现情感思维的互通互动，传输时延要小于1毫秒，用户体验速率将大于10Gbps，可靠性在很多情况下甚至要达到99.99999%；数字孪生要实现物理世界的数字镜像，需要网络拥有万亿级的设备连接能力并满足亚毫秒级的时延要求，以及Tbps的传输速率以保证精准的建模和仿真验证的数据量要求。面对这些要求，未来6G通过内生智能新型网络、增强型空口技术、新型物理维度无线传输技术、太赫兹、空天地一体化等技术，实现无线网络能力的显著提升，这也正是未来元宇宙场景实现的核心底层技术。

如何和我一起“写书”？

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