产业元宇宙的关键技术(通信网络:正在向元宇宙演进)
作者 | Ivy2022-03-17

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。

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。

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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。

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