支撑元宇宙发展的关键计算机网络技术研究

阚贝加KAN Bei-jia

（广东工业大学国际教育学院，广州 510006；

School of Electronics，Electrical Engineering and Computer Science，Queens University of Belfast，Belfast，BT7 1NN Northern Ireland）

0 引言

元宇宙的发展历程并不久远，但能在短时间内吸引社会大众，尤其是国内外互联网巨头的广泛关注。近两年新冠疫情的隔离政策减弱了人们在物理世界的联系，但加强了在虚拟世界的交互需求，导致全社会上网时长大幅增长，“宅经济”快速发展。自媒体平台、直播带货等新型娱乐及购物方式兴起并日渐火爆，但作为观众无法真正地参与其中，人们日益增长的交互需求仍无法得到满足。随着元宇宙概念的普及，人们看到了其社交、沉浸式等特性，因此对元宇宙带来的全新体验更加期待。

1 元宇宙的概念界定

“元宇宙”（Metaverse）是后现实的“宇宙”，是一个永久和持久的多用户环境，融合了物理现实和数字虚拟性，并且是基于能够与虚拟环境、数字物体和人进行多感官互动技术的融合，如虚拟现实（Virtual Reality，VR）和增强现实（Augmented Reality，AR）[1]。准确地说，元宇宙不是一个新的概念，它更像是一个经典概念的重生，是在数据传输、网络接口、人工智能、数字孪生、区块链等技术发展下的概念具化。元宇宙旨在开发一个沉浸式的虚拟世界，打破现实生活中的各种局限，用户可以在其中进行娱乐、社交、文化活动等，从而创造一种新的文明和共识。元宇宙的概念，可以从时空性、真实性、独立性、连接性四个方面来交叉解释。从时空性来看，元宇宙是一个空间维度上虚拟而时间维度上真实的数字世界；从真实性来看，元宇宙中既有现实世界的数字孪生体，也有虚拟世界的创造物；从独立性来看，元宇宙是一个与外部真实世界既紧密相连，又高度独立的平行空间；从连接性来看，元宇宙是一个把网络、硬件终端和用户囊括进来的一个永续的、广覆盖的虚拟现实系统。

2 元宇宙发展历程及热潮成因

2021 年下半年，“元宇宙”一词频繁登上各大媒体的头条，美国知名游戏平台罗布乐思（Roblox）在纽交所上市，随即，脸书（Facebook）首席执行官马克·扎克伯格将公司改名为“元”（Meta），并宣布公司将致力于在未来五年左右的时间里转型为一家元宇宙公司。微软（Microsoft）、苹果（Apple）、埃匹克（Epic）游戏等资本巨头也紧随其后，相继正式入局“元宇宙”的建设竞赛。国内方面，腾讯公司在持有埃匹克游戏股份的同时还投资了沙盒游戏平台罗布乐思，而VR 领域的小鸟看看（Pico）则被字节跳动公司以90 亿人民币的价格收购。元宇宙能成为当下的科技热点，一方面是因为时代的高速发展，随着互联网的不断升级，互联网形态也必然会引来新的改变，而元宇宙这一新兴概念的出现则是时代应运而生的产物。另一方面是前沿科技的加持，计算机网络技术例如网络传输（5G、6G）、交互接口（扩展现实、脑机接口）、人工智能、物联网、数字孪生、区块链等技术的突破为元宇宙发展提供了更多的可能。国外方面，被称为“元宇宙第一股”的美国游戏平台罗布乐思也为元宇宙的建设注入了许多新鲜血液，与传统游戏平台发行开发商的作品不同，罗布乐思并不自制游戏，而只是研发并为用户提供简单易上手的游戏开发引擎“罗布乐思工作室”以及可以展示创作内容的社区，使得个人开发变得更加容易。玩家可以在罗布乐思中参与其他人创建的游戏，或使用“罗布乐思编辑器（Roblox Studio）”创建可以进行交易的游戏和虚拟物品，比如衣服、身体部位和装备[2]，满足了广大玩家群体的社交需求，从而吸引了数千万的青少年用户群体，为元宇宙热潮奠定了庞大的用户基数基础。

3 元宇宙中的关键计算机网络技术

元宇宙中的关键计算机网络技术如图1 所示。

图1 元宇宙中的关键计算机网络技术

3.1 新一代网络传输技术——5G、6G

网络传输质量的提高是决定元宇宙沉浸式质量高低的关键。为了实现人机的深度交互，元宇宙与VR 联网需要消耗大量数据，因此针对数据传输的相关技术也非常重要，无论是远程执行计算量繁重的任务，或访问大型数据库，还是为用户群体提供高质量的共享体验，都离不开网络传输技术。5G 作为新一代信息化的基础设施，一直在不断优化和改善，为实时数据传输提供了必要的动力，使未来元宇宙的沉浸式体验不再遥不可及。库马尔和阿尔迈德于2021 年提出基于自适应神经模糊系统的5G 新空口技术中“低延迟通信”和“增强移动带宽”多路复用反应策略，能为“低延迟通信”的流量提供高优先级，同时保证了5G蜂窝网络场景中其他“增强移动带宽”流量的可靠性[3]。马利克等人提出一种干扰感知无线资源分配方法，该算法比传统的循环调度算法在链路可靠性和延迟降低方面有明显的改善[4]。布凯里等人在2018 年提出的混合重传策略，既能满足“低延迟通信”的需求，同时也使消耗的资源最小化[5]。

此外，将边缘计算技术与5G、6G 移动通信技术结合能够进一步降低数据传输的延迟，保证了虚拟空间中的高质量沉浸式体验。通过5G 或6G 获得的带宽增益将意味着VR 渲染可以在边缘设备上完成，再传输到用户的VR头显上，这预示着未来VR 头显的尺寸可能会因此缩小，让用户佩戴起来更轻便舒适。6G 作为5G 未来的必然发展方向，它将打破虚实世界的界限，助力实现人机物高效智能互联，为元宇宙的实现建立起更坚实稳定网络基础，为未来虚实世界的融合共生提供强大的驱动力。

3.2 新一代网络接口技术

3.2.1 扩展现实技术

扩展现实技术（Extended Reality，XR），包括虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）、增强现实技术（Augmented Reality，AR）和混合现实技术（Mixed Reality，MR），是元宇宙建设中必不可少的技术基础。从本质上讲，发展元宇宙的初衷是为了给用户提供沉浸式的虚拟体验，没有XR（VR，AR，MR）技术的支撑则无法将其实现。XR 技术的诞生，使人机交互从二维平面过渡到了三维立体，显著提高了用户的使用体验。虚拟现实技术VR 为元宇宙带来了身临其境的体验，它利用计算机模拟产生一个三维的虚拟空间，用户通过佩戴VR 设备，就能360°感受元宇宙的立体世界，让用户感觉自己置身于现实世界当中。尽管元宇宙和VR 是经常互换使用的术语，但它们之间仍存在着一些差异，体现在用户之间的交互性。元宇宙是完全基于VR互动体验的，例如VR 共享会议，而VR 中的单人电子游戏并不属于元宇宙的一部分。增强现实技术AR 将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到现实场景中，从而实现虚拟信息的实时交互。混合现实技术MR 是虚拟现实技术的进一步发展，VR 是纯虚拟数字画面，AR是虚拟数字画面加上裸眼现实，而MR 是数字化现实加上虚拟数字画面，它结合了VR 与AR 的优势，能够更好地将AR 技术体现出来。也许在不久的将来，元宇宙可以基于XR 扩展出更多具有未来感的技术。

3.2.2 脑机接口技术

脑机接口技术是构成元宇宙虚实空间融合的基石。虚实世界的交互，除了需要以扩展现实技术为硬件基础，还离不开脑机接口技术。脑机接口技术通过将大脑信号解码成计算机设备可识别的指令，将人类的神经世界和外部物理世界连接起来[6]，建立通路，并根据用户的意愿进行操作，如走路、写字等。其过程主要包括：脑电信号采集、脑信号处理、设备控制及信息反馈四个方面[7]。脑机接口技术目前已经有了不少可行的方法，阿比里等人综述了基于脑电图的脑机接口方法[8]，张翔等人基于人工智能算法对脑机接口进行了研究[9]。基于传感器和计算机设备的连接方式，可分为侵入式和非侵入式接口，但侵入式接口难免会对生物体造成损伤，且考虑到元宇宙的沉浸式体验，未来的研究将重点关注非侵入式接口，为元宇宙虚实空间的融合奠定基础。

3.3 数字孪生技术

在元宇宙环境下，数字孪生技术将是最具现实意义的核心技术。英伟达（Nvidia）实时仿真与协作平台“全宇宙”（Omniverse）的引擎实现了对现实世界的完全建模，而数字孪生技术则将这个虚拟空间的现实意义发挥到了极致。在虚拟引擎、数据分析、人工智能、传感器等综合技术的加持下，数字孪生技术能够将现实世界的镜像复制到虚拟三维空间中，即在元宇宙内建造包括人、物品、植物、建筑等要素在内的拟真数字孪生体，并且这些数字孪生体在元宇宙中都是动态的，即拥有与现实对象相同的生命周期。数字孪生实际上也是广义元宇宙建设进程的一部分，它早在21 世纪初就逐步进入应用阶段，与电力、医疗、机械制造、航空航天、交通运输、城市管理等领域息息相关，也与物联网、XR（VR、AR、MR）、云计算、大数据、人工智能等信息产业密切关联。现阶段，数字孪生技术的发展仍处于起步阶段，其虚拟对象是现实对象的映射，需要遵循现实的物理法则，功能上主要是虚拟仿真应用，力求实现“虚实融合，以虚控实”的核心目标[10]。而在“元宇宙”环境下，数字孪生技术无疑将是最具现实意义的核心技术，几乎世间万物都能在元宇宙中进行构建，并拥有自己的演化逻辑，具有超越现实的物理法则的自由度。

3.4 区块链技术

区块链技术有望成为元宇宙技术架构中最为底层的技术，在元宇宙建设中主要发挥着去中心化、不可篡改、可追溯性、开放性、匿名性和民主性的特征优势。区块链最早由中本聪在2008 年提出，作为全球首个基于去中心化密码学的数字货币比特币的基础技术[11]。区块链技术结合了密码学、经济学、社会学，通过对每个区块中的信息进行加密，保证区块中储存的信息数据不可伪造和篡改，并且无需任何第三方机构的审核，以一种去中心化和去信任的方式实现多方共同维护。根据其自身特性，大致可以分为身份标识和去中心化支撑这两个方面。区块链技术作为元宇宙最基础的信息安全保障，必须确保元宇宙中每个用户身份的唯一性，以防止被复制或盗用。这虽然是现阶段互联网难以实现的功能，但因为有区块链技术的支持，不可篡改和可追溯性使得区块链天生具备了“防复制”的特点，促进元宇宙安全平稳地发展。

4 总结与展望

元宇宙蕴含着广阔的发展前景，其意义并不止于创造出一个与现实世界平行的虚拟世界以供人们娱乐，还能作为与现实世界交互、反馈的拟真数字生态系统为人类社会的进步服务，产生更多的新兴产业和就业机会。当这样的互联网构建起来之后，网络空间将从现在这种只能通过屏幕阅读的、平面的、与主体相隔膜的他者空间，升级为沉浸式的、立体的、可感知的、与主体融为一体的具身性空间[12]。然而，在畅想元宇宙光明未来的同时，也须谨慎思考其中所包含的风险，诸如在元宇宙中的隐私及财产安全、资本操纵、过度沉迷等方面，以免它在发展的某个阶段反噬人类社会，带来不可预估的伤害。