5G 打开元宇宙的大门

■ 文/许 浩

近来，“元宇宙”这一概念，犹如一声春雷，引起了包括科技、经济、政治等各界人士的热议。各行各业纷纷响应，如春笋破土一般，越来越多的企业和组织参与到元宇宙的研究中。2021年12 月，上海市经济和信息化委员会印发《上海市电子信息产业发展“十四五”规划》提出，要加强元宇宙底层核心技术基础能力的前瞻研发。

5G 作为新一代移动通信技术的代表，以大带宽、低时延、高可靠、广连接等特性，将在元宇宙的推广和发展中发挥巨大的作用，打开人们进入元宇宙的大门。当然，10 年后的6G 或许可以更好地满足元宇宙的通信需求。

元宇宙需要5G 技术

未来，元宇宙有三大特征：与现实世界平行、反作用于现实世界、多种高技术综合。这是一个属于未来的虚拟世界，同时也与现实紧密联系在一起。在这个连接的通道中，以5G 为代表的移动通信将发挥重要的作用。

●元宇宙的到来是需求侧和供给侧的结合

目前，元宇宙离我们还很遥远，我们可以接触到的沉浸式游戏只是有了一些元宇宙的概念，远未是真正的元宇宙。无论是从技术还是从内容、产业等各方面来看，元宇宙都需要有一个较长的过程推进到成熟阶段。可以说，元宇宙是属于未来的。

然而，元宇宙离我们又不太遥远。互联网、移动互联网发展到今天，人们基本都有了两个身份，一个属于现实世界，一个属于虚拟世界。随着多媒体内容的丰富、以扩展现实（XR）为代表的沉浸式技术的快速发展，人们有了对真实的、沉浸式的虚拟世界的向往。从需求导向和技术发展来看，元宇宙会在不久的将来成为真实的世界。

回首过去的几十年，世界进入信息时代，细化来看，其中最典型的是互联网时代和移动互联网时代。这两个时代的到来，既有通信、计算机、芯片、多媒体等众多新技术大发展的原因，也是来自人类对实时信息交互和随时随地上网的实际需求。可以说，这是供给侧和需求侧的完美结合。

如何看待新技术对人类的影响？以21 世纪到来的移动互联网时代为例，在3G 刚来临的时候，人们对3G 的憧憬最初是想解决视频电话的需求。对于通过手机上网，有不少观点认为是没有多大作用的。到2010 年左右，智能手机开始普及，人们开始陆续接受微博、微信等应用，但对于手机支付还是质疑重重。当然，那时候受限于3G 系统是一个自干扰系统，单基站的容量是一个瓶颈。在部分用户聚集的区域，有信号但无法上网的问题暂缓了手机支付的推广。随后，紧跟着到来的4G 技术极大地解决了移动网络的容量问题，从而使手机支付成为人们日常的生活方式，直接影响了今天的社会和经济模式。因此，我们要以积极的态度来面对元宇宙的到来。

元宇宙可能成为下一个新的技术时代，可能我们今天对它的认识只是一个不成熟的设想，或者还只是一种美好的憧憬。相比于互联网，元宇宙的概念还是各个公司各自为战，缺乏像互联网一样的一些国际公认的标准。因此，从人类的需求和技术的供给结合来看，在不远的将来，元宇宙的“大门”必将打开。

●元宇宙是一个与现实世界相连接的虚拟世界

元宇宙是一个虚拟的数字世界，在这个世界里，人们可以使用虚拟的身份、虚拟的货币进行社会化的活动。人们可以进行独立于真实世界以外的虚拟生活，也可以进行与现实相联系的真实活动。例如，元宇宙可以通过虚拟世界进行社交、游戏，也可以进行跨越虚实世界的真实交易行为。

具体而言，元宇宙会有很多维度的描述，其中将包括虚实融合、随需接入、安全可靠、远近一体等特点。

特点一：虚实融合。元宇宙是一个与真实世界密切相关的虚拟世界。通过沉浸式的感知，元宇宙的生活在看似与世隔绝的同时，实际上作为参与主体的人是生活在真实世界里的。那么，虚拟世界中多维的图像、视频、交易等信息如何与现实中的人进行交互？这就需要超大带宽、超高可靠性的通信方式。

特点二：随需接入。正如现在的移动互联网可以满足人们随时随地接入的需求，在元宇宙的信息交互中也有类似的需求。相比于现在普遍使用的直播、观看视频，元宇宙沉浸式的、高清晰的多维视频对带宽、时延、可靠性等要求将有一到两个数量级的提升。

特点三：安全可靠。元宇宙必将是一个有显著经济属性的世界，虚拟世界内部、现实和虚拟世界之间将充满着经济行为。“现实—虚拟—现实—虚拟……”这样循环往复的控制关系将随处不在，两个世界的行为相互远程实时操控。就像远程驾驶、远程手术一样，元宇宙实时的安全可靠操作将无处不在。

特点四：远近一体。在元宇宙时代，增强现实（AR）/虚拟现实（VR）技术可以将现实的人带入虚拟世界，全息影像又可以把虚拟的世界投射到现实中。在互联网时代，距离不再是人类沟通的障碍。那么，在元宇宙时代，距离可能将不再是人类感知的障碍。

根据以上特性，不难看出，以5G 为代表的新一代移动通信将成为现实中的人们打开虚拟世界大门的“钥匙”，从而沟通虚实两个世界。

5G 技术助推元宇宙的发展

从5G 的特性来看，5G 可以满足元宇宙的众多需求:一方面有赖于5G 自身具备的大带宽、低时延、高可靠、广连接等特性；另一方面有赖于5G 和云计算、人工智能（AI）、区块链、大视频等新技术的有机结合。

●5G 是面向未来的通信技术

5G 已经走入了现实，同时5G 技术正在发展和演进中。具体可以从5G 的几个基本特点来看：

（1）大带宽

5G 给人的第一印象往往就是速度快，按照标准设计，5G 的速率相比于4G 高一个数量级，峰值速率可达20 Gbit/s，用户普遍感知速率可达100 Mbit/s。120 帧/7 680×4 320 分辨率的真8K 视频，可以清晰地看到人身上的每一个毛孔，在现有的编码技术下，真8K 对网络的带宽需求为100 Mbit/s，5G 可以普遍满足。对于沉浸式需要的真8K 的VR 技术，预计对带宽的要求会超过1 Gbit/s，5G 的峰值速率也可以满足。

相比于光纤，5G 随时随地可达的便捷性将是虚实融合的最好途径。5G 在频谱上将引入更高的带宽，在毫米波频段可以提供400 MHz 的频宽给每个用户使用，如果有需要5G 以后会进一步进行载波聚合，成倍扩大带宽。在天线技术上，大规模多进多出（MIMO）技术引入，可以实现天线能量集中在用户的方向，让用户使用更高效的网络能力。在信道编码方面，LDPC 和Polar 码都已经逼近香农极限。在多址技术方面，正交频分多址（OFDMA）有很强的抗衰弱、抗干扰、高利用率等特点，适合大带宽下的高速数据传输。

（2）低时延

5G 的最低时延可达1 ms，典型的端到端时延为5 ～10 ms，这个单位远超过人类的感知需求。在沉浸式虚拟现实中，如果时延超过20 ms，会使人产生眩晕感。速度120 km/h 的汽车10 ms 的行驶距离是33 cm，无人驾驶将对时延有很高的要求。远程医疗对超声和触觉反应的要求在10 ms 左右。5G 的低时延在设计之初并不只是针对人类的反应，而是力争满足机器反应。

5G 低时延是一个端到端的概念，在每一个环节都有新技术的引入。在无线接口方面，无线帧结构发生了变化，最小调度时长进一步减小，从4G 的1 ms 降低到1/32 ms，而且引入了自包含帧、导频前置、上行免授权等机制，可以在小流量的控制信号进一步降低时延。核心网转发功能下沉，本来需要到核心网上去运行的业务数据，可以在就近的网络节点上处理或者转发，大幅节省业务时延。车联网等应用还将引入点对点通信，终端和终端之间可以直接通信，进一步降低时延。在承载方面，网络切片、资源预留等技术可以帮低时延业务预留好业务通道，提升高优先级业务对资源的占有能力，就像救护车在应急车道快速通行一样。

（3）高可靠

5G 在自动驾驶、远程操作、自动化工厂等方面都有99.999%以上的可靠性指标要求，可以算得上“万无一失”。随着AI 技术的发展，自动化、无人化会逐步在很多行业中成为趋势，高效和安全是这些趋势发展过程中的前置条件。在元宇宙中，经济活动将是一种基本活动，时延就是生产力，可靠就是竞争力。5G 时代将把很多基于光纤的生产和活动逐步实现随时、随地、随需的便捷化发展。

5G 高可靠的突破点主要在无线方面，其核心技术之一是引入了分集技术，通过频率、空间、时隙等维度的分集，加强数据传输的可靠性。例如：在频率方面，发送端将数据复制，然后将两个数据包发送到两个独立频率的逻辑信道传输，实现频率分集增益；在空间方面，使用不同的天线口、发送相同的数据分组或者控制分组，实现空间分集增益。另外，5G 支持高可靠业务通过更小负载的编码设置，从而降低一些控制信道的编码率，进而降低解码误码率。

（4）广连接

5G 的连接密度可达100 万个/km2，可以实现海量机器通信，打造真正万物互联的未来。在打造数字家居、数字城市、数字工厂等的新一代数字环境中，5G 可以使每个数字终端联网互动。在智慧城市的建设中，无处不在的5G 和城市数字采集设备好像给城市披上了一张皮肤，可以时刻感知外部世界。当人们沉浸在虚拟世界中，需要很多传感器实现“虚实互动”，5G 在这方面也可以发挥很大作用。

5G 可以根据不同的物联网设备需求，选择不同的网络接入技术：可以有低功耗的设备，以天或者小时为周期，传输一个小数据包，做到低能耗；也可以实现低吞吐量、长连接的业务。在多址技术方面，5G 引入了非正交多址接入（NOMA）技术，可以利用不同路径损耗的差异来对多路发射信号进行叠加，从而提高信号增益，移动设备都能获得最大的可接入带宽。

●“5G+”将推动元宇宙的技术发展

5G 不仅仅是一个纯粹的网络接入技术，而应该被看作以5G 技术为主体，与其他新技术密切联系的技术集。技术融合是当下推动数字技术发展的关键举措。

（1）“5G+XR”

AR/VR/MR 是目前人们可想到的沉浸式感受的主要方式。此外，全息投影、8K 视频都是元宇宙感知的方式。5G 标准组织已经对XR 开展专门研究和标准化工作，直接面对虚实相融世界的多个痛点，将对XR 的容量、功耗、覆盖、移动性等性能进行评估，并在不同流量模型和无线电频谱范围条件下进行各种性能的评估。目前，增强多媒体和触感网络的工作已经完成，用于沉浸式VR、远程控制和机器人协作等场景。当前，5G 标准组织正在研究包括支持XR及触感业务（如手、肘、膝等部位）的多流协同传输，实现满足业务需求的超低时延、低抖动、服务质量控制，以保证端到端体验。

（2）“5G+云计算”

连接力和算力将是元宇宙发展的两个重要的能力资源。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。元宇宙的终端应该是“轻便”的，依靠5G低时延、大带宽能力，终端侧的计算能力可以下移到边缘云，从而使VR 头盔等终端更轻量化、更省电、更低成本。5G 标准组织正在评估这种“边缘云+轻量化终端”的分布式架构，以优化网络时延、处理能力和功耗等。这种模式将大幅降低终端的价格，摆脱有线的束缚，让元宇宙和互联网一样可以走入每一个人的生活。

（3）“5G+安全”

5G 是一种业务的基础连接能力，安全是业务的基础保障能力。目前的安全技术很多，如区块链、量子加密等。在区块链方面，5G 可以大幅度提升区块链系统的交易速度和稳定性，提升元宇宙金融交易的安全性，万物互联的终端可以给区块链带来更多上链数据。在量子加密方面，与5G 的结合，可以提升元宇宙中点对点通信的安全私密性。此外，5G 自身也采用了全面的安全性技术，从用户和信息两个维度进行了加密和完整性保护，成为元宇宙一个安全的信息通道。

6G 将真正走入元宇宙时代

● 6G 是为元宇宙而设计的

2021 年3 月，被称为元宇宙第一股的Roblox 公司正式上市，给出了元宇宙包含的八大要素：身份、朋友、沉浸感、低延迟、多元化、随时随地、经济系统和文明。

同年6 月，中国IMT2030 推进组发布了《6G 总体愿景与潜在关键技术白皮书》，对6G 的应用场景进行系统阐述，提出面向2030 年及未来6G 网络将助力实现完全沉浸式交互、多维感知与普惠智能融合共生、虚拟与现实深度融合的业务场景。业务场景主要包括沉浸式云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。

由此可见，6G 满足的大部分场景正是元宇宙规划的未来场景。可以说，6G 是为元宇宙而设计的。

● 6G 的性能全面助力元宇宙发展

IMT2030 等6G 研究组织的研究显示6G 预计可以达到的部分指标如图1 所示，相比于5G 会有一到两个数量级的提升。

图1 6G 指标预期

基于上述指标，6G 可以紧密贴合元宇宙的需求实现一些功能。一是网络无处不在，空天地一体的网络使得连接无处不在。二是元宇宙的入口无处不在，安全内生能力通过内嵌安全能力，实现主动防御、安全可信、安全智能化等内生安全需求，满足不同业务场景的差异化安全需求。三是算力无处不在，形成云、边、端分级的算力网络，实现对算力随时随地、随心随愿的调用能力。四是沉浸多维感知，通过视觉、听觉、触觉乃至嗅觉、味觉的全方位感知，产生对于语义、情感的及时捕获，形成面向感知互通的网络。

基于6G，可以打造4 张互联网：第一张网是形成面向全球、全域、全频谱的一张移动互联网；第二张网是通过沉浸式的XR、全息通信感知互通形成的一张感知互联网；第三张网是通过无处不在的算力、人工智能与网络的深度融合形成的一张智能互联网；第四张网是通过万物互联、数字孪生形成一张机器互联网。这些“网”的交织可以成为元宇宙的基础设施。

元宇宙将是一个新的世界、一个新的时代，而以5G 为代表的新一代移动通信技术将成为进入云宇宙的新型基础设施。5G 也将为人类打开“元宇宙”的大门。