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5G，向元宇宙演進；6G，為元宇宙而生
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元宇宙是當下科技領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，各類技術似乎都可以將其裝進元宇宙這個“筐”里面。
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(lián)網(wǎng)應用和社會形態(tài)。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(shù)字孿生等形態(tài)，5G無線通信技術的進步為其打下了一定基礎。
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。這篇文章，筆者將從5G技術標準演進角度，與各位讀者一起探頭無線通信技術對元宇宙的支持。
元宇宙對無線通信提出要求，成為5G標準演進的重要方向
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)界廣泛認可，即獨立身份、社交好友、沉浸感、低延遲、多元化、隨時隨地、經(jīng)濟系統(tǒng)、文明。我們不難發(fā)現(xiàn)，多個要素的實現(xiàn)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，對于無線通信網(wǎng)絡提出較高要求，在高性能通信網(wǎng)絡加持下，才能提升虛擬空間中的社交、游戲、購物、辦公等場景體驗。
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)，需要設備性能的提升，而設備和云端或邊緣之間的通信需要通過無線形式實現(xiàn)，也就對當前5G網(wǎng)絡提出明確要求。
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)絡實現(xiàn)同步，這一要素也正是5G的重要特點。5G uRLLC場景對于空口時延要求達到毫秒級，在空口側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(wǎng)絡的特點，這也和無線通信向著空天地一體化發(fā)展的愿景吻合，給元宇宙各類應用場景提供隨時隨地接入的能力。
5G標準演進，已考慮到元宇宙的特殊需求
5G標準的演進，通過提升多個方面性能以及滿足更多行業(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融合，使5G標準演進中大部分內(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次全會在西班牙的Sitges召開，3GPP標準專家對5G演進標準R17進行了規(guī)劃和布局，圍繞“網(wǎng)絡智慧化、能力精細化、業(yè)務外延化”三大方向共設立23個標準立項。
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，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)絡優(yōu)化手段，以保證運營商網(wǎng)絡具備大規(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，使網(wǎng)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(yōu)化網(wǎng)絡時延、處理能力和功耗等。
3GPP在R17中提出的5G NR支持XR的評估研究項目，在2021年12月形成一份編號為TR 38.838的技術報告。
在這份長達270多頁的技術報告中，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XR業(yè)務感知、XR相關節(jié)能技術以及XR相關的容量提升技術。除了無線接入工作組外，3GPP SA1相關工作組也牽頭完成了增強多媒體和觸感網(wǎng)絡的工作，主要針對的應用場景是沉浸式VR、遠程控制和機器人協(xié)作。
根據(jù)中國移動標準專家的介紹，5G R18開始要加強針對XR業(yè)務的網(wǎng)絡策略控制，目標是實現(xiàn)滿足業(yè)務需求的超低時延、低抖動、服務質(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(如手、肘、膝等多部位)的多流協(xié)同傳輸，增強網(wǎng)絡開放，針對XR服務和媒體服務傳輸進行服務質(zhì)量保證和策略增強，流量模式進行增強，網(wǎng)絡需要得到終端電量，從而調(diào)整網(wǎng)絡向終端發(fā)包的大小和頻率，以保證端到端體驗。
其中，針對XR的業(yè)務體驗，3GPP在R18啟動了新興沉浸式媒體、XR服務、媒體分發(fā)增強的研究，主要考慮XR業(yè)務端到端的體驗，并提出相應的研究方向。
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總體愿景與潛在關鍵技術白皮書》，這一白皮書對6G的應用場景進行系統(tǒng)闡述，提出面向2030年及未來，6G網(wǎng)絡將助力實現(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確定升級的標準來滿足，6G似乎已經(jīng)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(wǎng)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(tǒng)將與新一代網(wǎng)絡、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術相結合，賦能于商業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)、文化娛樂、教育培訓、醫(yī)療健康等領域進入元宇宙場景。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、眼球交互等復雜業(yè)務，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)絡擁有萬億級的設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、增強型空口技術、新型物理維度無線傳輸技術、太赫茲、空天地一體化等技術，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡能力的顯著提升，這也正是未來元宇宙場景實現(xiàn)的核心底層技術。
