5G向元宇宙演進,6G為元宇宙而生?

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編者按:本文來自微信公眾號 “物聯網智庫”(ID:iot101),作者:趙小飛,36氪經授權發布。

導讀

元宇宙是當下科技領域最熱門的話題之一,目前業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”裡面。這篇文章,筆者將從5G技術標准演進角度,與各位讀者一起探頭無線通信技術對元宇宙的支持。

元宇宙是當下科技領域最熱門的話題之一,目前業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”裡面。

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、數字孿生等形態,5G無線通信技術的進步為其打下了一定基礎。

不過,5G對元宇宙的支持並非已經就緒,而是根據場景需求不斷演進。這篇文章,筆者將從5G技術標准演進角度,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標准演進的重要方向

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,對於無線通信網絡提出較高要求,在高性能通信網絡加持下,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實世界的替代性,通過VR、AR、MR等設備打開虛擬世界大門,並打破虛擬和現實的屏障,讓人們在元宇宙中實現沉浸式體驗。沉浸感的實現,需要設備性能的提升,而設備和雲端或邊緣之間的通信需要通過無線形式實現,也就對當前5G網絡提出明確要求。

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,而現實和虛擬世界之間的鏡像或孿生通過通信網絡實現同步,這一要素也正是5G的重要特點。5G uRLLC場景對於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擺脫時空限制,隨時隨地進入元宇宙的願景。要實現這一願景,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願景吻合,給元宇宙各類應用場景提供隨時隨地接入的能力。

5G標准演進,已考慮到元宇宙的特殊需求

5G標准的演進,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標准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標准演進對很多細分領域做了大量研究和標准化工作,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標准對XR的專門研究和標准化工作,直接面對的是虛實相融世界的多個痛點。

5G標准中對XR的研究始於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標准專家對5G演進標准R17進行了規劃和佈局,圍繞“網絡智慧化、能力精細化、業務外延化”三大方向共設立23個標准立項。

其中,高通牽頭提出了基於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作為新興業務,要求在支持低時延高可靠的同時保證大帶寬,這對5G網絡提出了新的挑戰,運營商需要聯合產業尋求更多的網絡優化手段,以保證運營商網絡具備大規模支撐XR的能力。

5G採用邊緣計算讓雲端的計算、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,得益於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雲,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+邊緣雲”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將評估這種邊緣雲+輕量化終端的分佈式架構,並優化網絡時延、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環境下,AR、VR、MR的容量、功耗、覆蓋、移動性等性能的評估,並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側XR業務感知、XR相關節能技術以及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作。

根據中國移動標准專家的介紹,5G R18開始要加強針對XR業務的網絡策略控制,目標是實現滿足業務需求的超低時延、低抖動、服務質量控制和多流協同。未來將走向元宇宙階段,推動人機交互、數字孿生的應用。

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,獲得國內外83家公司的支持。主要的研究方向包括支持XR及觸感業務(如手、肘、膝等多部位)的多流協同傳輸,增強網絡開放,針對XR服務和媒體服務傳輸進行服務質量保證和策略增強,流量模式進行增強,網絡需要得到終端電量,從而調整網絡向終端發包的大小和頻率,以保證端到端體驗。

其中,針對XR的業務體驗,3GPP在R18啟動了新興沉浸式媒體、XR服務、媒體分發增強的研究,主要考慮XR業務端到端的體驗,並提出相應的研究方向。

此前,華為提出5.5G願景中,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並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願景形成底層數字底座。

2021年6月,IMT2030(6G)推進組發布了《6G總體願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闡述,提出面向2030年及未來,6G網絡將助力實現真實物理世界與虛擬數字世界的深度融合,構建萬物智聯、數字孿生的全新世界,主要包括以下場景:

沉浸式雲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確定升級的標准來滿足,6G似乎已經成為“為元宇宙而生”的技術。

沉浸式雲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。雲化XR系統將與新一代網絡、雲計算、大數據、人工智能等技術相結合,賦能於商業、工業生產、文化娛樂、教育培訓、醫療健康等領域進入元宇宙場景。而云化XR系統將實現用戶和環境的語音交互、手勢交互、頭部交互、眼球交互等復雜業務,需要在相對確定的系統環境下,滿足超低時延與超高帶寬才能為用戶帶來極致體驗。現有的雲VR系統對頭動響應時延的要求不高於20毫秒,而現有端到端時延則達到了70毫秒。面向2030年及未來,基於雲化XR的總時延將至少低於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,實現人、物及其周邊環境的三維動態交互,極大滿足人類對於人與人、人與物、人與環境之間的溝通需求。而全息通信將對信息通信系統提出更高要求,白皮書提到,在實現大尺寸、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。由於用戶在全方位、多角度的全息交互中需要同時承載上千個並發數據流,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,如智慧交互要實現情感思維的互通互動,傳輸時延要小於1毫秒,用戶體驗速率將大於10Gbps,可靠性在很多情況下甚至要達到99.99999%;數字孿生要實現物理世界的數字鏡像,需要網絡擁有萬億級的設備連接能力並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據量要求。

面對這些要求,未來6G通過內生智能新型網絡、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,實現無線網絡能力的顯著提升,這也正是未來元宇宙場景實現的核心底層技術。

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