5G算网融合与元宇宙趋势浅析

周 晋，倪海峰，余 燕

（1.南京创芯慧联技术有限公司，江苏 南京 211899；2.中国国际金融股份有限公司，北京 100004）

0 引 言

当前，人类社会正在逐步走出新冠感染的阴影，“元宇宙”“虚拟人”“算力网络”等热门概念应运而生，它们作为一种新的生活方式有可能成为重振全球经济的希望，社会各界对此已有广泛关注和讨论。

本文尝试先从科技史和存在论角度初步论证“元宇宙”的历史必然性和哲学可能性，然后从低时延5G RedCap技术促进算力和网络融合的角度分析“元宇宙”的技术可行性，再设想了一种未来将流行的“元宇宙”入口设备及“云化终端”，以期初窥信息技术革命过程中很可能发生的又一个全新技术浪潮，为通信、物联网、互联网、互动娱乐和半导体等科技领域，以及社会学、金融学甚至哲学等人文领域的从业者和研究者提供参考[1]。

1 第三次工业革命的核心是算力

“算力”这个词看上去非常新潮，但它早就贯穿在以信息技术为基础的第三次工业革命过程的始终。

这个过程从时间轴上看大致经历了：中心计算、个人计算、移动计算、云计算、工业物联网和边缘计算共5个浪潮（如图1所示），而“算力”作为各个浪潮的核心动力始终如一，虽然其中有些阶段特别促进了“to B”的行业发展，比如中心计算、云计算和工业物联网；有些阶段更倾向于“to C”的消费应用，比如个人计算和移动计算[2-3]。

图1 第三次工业革命的六次浪潮

另一方面，“算力”又由不同场景下的不同设备承载，比如机房里的ENIAC大型计算机承载了中心计算、书桌上的苹果电脑承载了个人计算、人手一台的智能手机承载了移动计算、互联网公司的数据中心承载了云计算、各种工业物联网设备承载了边缘计算。

可见“算力”作为“内容”，在过往不同时间、不同场景的“形式”下呈现了不同的状态，每一次形式的升级都带来了一次技术浪潮。随着近年来中国5G无线网络的逐步深入部署和新的RedCap技术的定义，以及大规模云计算中心的普遍建设，一场可能同时颠覆以手机为代表的“to C”行业和以工业物联网为代表的“to B”行业的第六次技术浪潮及“算网融合”趋势即将到来。要想深入理解这个历史过程和未来趋势，有必要对“算力”进行由表及里的解构和分析[4]。

2 算力网络三个层次的形成与融合

首先，算力在云端和终端分别展开。

计算机作为一种算力设备，起初被用于军事，二战结束后这种30多吨“笨重”家伙的商业价值就开始被逐步挖掘出来。这个过程主要有大型化、集中化“to B”以及小型化、分布式“to C”两个路径，经过几十年的发展分别演化出了云端和终端两个行业，但其本质是同源的两端。

云端算力作为一种联网的中心处理设施，起始于20世纪40年代的ENIAC大型计算机，所有输入输出全靠人力支持；随着芯片集成度的提升、网络连接的普及和数据量的暴涨，“云”的称呼逐渐流行起来，这实际表达的是一种集中管理数字信息的服务器系统，可以是限制部署在一个工厂的车间内并连接局域网的私有云，也可以是集中部署在千岛湖供全世界用户远程调用的公有云[5]。

终端算力作为一种联网的分布式民用设备，起始于20世纪70年代后期家电和个人台式电脑，然后借助芯片集成度的提升和通信技术的发展其体积不断变小、性能不断变强，并能互联互通。所以日常生活中普遍部署的智能手机、共享单车、二维码扫码收款机、空气质量传感器和十字路口的高清摄像头等都属于这个类别。

其次，沟通云端和终端的通信网络技术也是一种算力，在同步展开。

通信网络作为数据搬移的工具分为有线和无线两个类别，虽然有线Internet网络促进了互联网行业的蓬勃发展，但宽带无线网络的普及才真正打破了算力接入网络的时间和空间限制。通信网络传输能力一般用“b/s，比特每秒”来标定，“速率”就是一种数据转发的算力。蜂窝无线网络各个代际之间的典型差别就在这里，比如2G及第二代移动通信的无线速率约300 Kb/s、3G达到数十Mb/s，约为2G的100倍、4G达到数百Mb/s，约为3G的10倍，对应承载这些数据转发流量的设备也是一种算力，它在过去30年的发展非常迅猛。

最后，云端、通信网络技术、终端三个层次的算力正在逐步融合到“算力网络”。

如果把云端和终端看作一个广义“网络”概念的一头一尾两个节点，那么通信网络就是“网络”节点间的链路。可以发现，“网络”成为一个统合信息技术三个层次的总体表达，表达的本质是“算力”，他们本来就是一体两面的存在，即“算力网络”。虽然在第一个浪潮中因为互联网技术的缺失而使各种“算力”在形式上分离，但是此后各种计算机设备普遍联网，各种“算力”随着网络技术尤其是蜂窝无线通信技术的不断进化而联系的愈发紧密，算力网络的云端、狭义的通信网络技术、终端三个层次将充分融合（如图2所示）。

图2 算力网络概念和它的端网云三个层次

以手机这种常见端侧算力承载设备为例，其产生发展的过程就是一个“算力网络”融合的过程。起初，“大哥大”只是点对点的通话工具，连可存储的通信录条目都非常有限，用户还要时常翻找电话本以获得对方号码；后来，功能机已经可以存储通信录、照片甚至视频，性能好一些的手机还可以运行“推箱子”“贪吃蛇”等单机游戏，其算力已经接近一台微型电脑，其终端应用和通信交流的算力达成了初步整合；当前，普遍使用的智能手机已然无所不能，其核心SoC芯片中的AP部分专门实现多媒体计算，modem部分专门负责移动通信算法计算。移动通信算力能力从1G到4G的提升过程就是一个数据流量爆发的过程，点对点、点对多点的大流量交流也被越来越多地承载到各种云端服务器上，比如微信聊天、淘宝购物、优酷看电影、腾讯视频会议等日常应用都搬上了云。云上理论无穷的算力反过来又催生了更多的终端互联网应用。当打开一个视频播放软件，在4G和WiFi这类大流量网络技术加持下，随意点开一部电影就可以及时观看，不用在意电影在“算力网络”三个层次的云端、网络、还是手机终端上。对比“算力网络”融合不彻底的10年前，需要用电驴或迅雷这样的软件工具事先把电影从云端服务器下载到个人电脑，然后用数据线转存到手机终端，最后拿起手机观看，如此繁琐[6-8]。

未来算力网络融合将在两个方面展开：重叠和聚焦。

重叠现象是一方面。随着5G超低时延网络的普及和对应终端芯片成本的下降，“算力网络”三层次有可能极致融合，以至于未来三者的功能发生重叠，及资源配置的重新优化和算力承载的重新部署将模糊原有的算力设备的定义。比如智能手机本身既有信息感知器件又有基本数字化处理能力和小规模数据存储资源，这和云端的信息处理和存储能力发生了重叠。

聚焦趋势是另一方面。算力重新部署的过程反而促成各种“算力”聚焦到其不可被替代的擅长领域：首先，云端因为能耗和体积的无限扩展性使其专司大数据存储、统计、计算甚至推理；其次，网络技术的本职工作是提供高效数据搬移能力；最后，端侧作为“数字世界”和“现实世界”相互作用的节点，将聚焦于把现实世界中人、物信息的数字化感知技术，以及基于数字化的信息反作用于“现实世界”的交互技术[9-10]。

由此可见，“算力网络”的融合发展将非常有可能产生全新的交互关系、全新的算力设备，甚至第三次工业革命的第六次技术浪潮。

3 “元宇宙”的哲学可能性

“存在论”是阐述“人”如何“存在”这个终极哲学问题的一门学问，马克思历史唯物主义是这个哲学领域最显耀的成就，它把“人的存在”解释为“现实的个人”：“这是一些现实的个人，是他们的活动和他们的物质生活条件，包括他们已有的和由他们自己的活动创造出来的物质生活条件。”这与马克思早期在《关于费尔巴哈的提纲》第八条提到的话语异曲同工：“社会生活在本质上是实践的。”

以此为工具可以有三个发现：

（1）整合所有“物质生活条件”的核心是“人的活动”及“实践”；

（2）“现实世界”或“自然界”和目前已有的过往数次技术浪潮创造的“算力网络”的总和都属于人类活动已有的“物质生活条件”，未来可能研发出来新的“算力网络”形式，属于未来人类自身活动将创造出来的新的“物质生活条件”；

（3）“人的活动”和“物质生活条件”之间是相互促进和依存的对象性关系，人类社会的存在和工业革命的出现都是这种关系的展开。工业革命中每一次新的浪潮都是以过往浪潮为基础的新的“人的活动”。只要有“人的活动”或“人类实践”在，过往数次技术浪潮就必定导致新浪潮的出现。

于是，“算力网络”不断、极致的融合过程，必定产生一种全新技术浪潮：它最大化算力的潜能，以至于可以把社会已有的“物质生活条件”全部数字化及“数字孪生”，又可以以此为基础在“人类实践”促进下构建全新的数字化的“物质生活条件”及“增强现实”“超现实”或“超元域”，在这之上进一步再创造前所未有的“物质生活条件”，如此循环推进的持续展开为新的生产、生活方式及社会组织形态。可以把这个趋势理解为“元宇宙”浪潮，及算网融合条件下的“元宇宙”趋势（如图3所示）。这里的“元”可以理解为初始之源头，以及不断迭代发展的起点，类比“元旦”“元月”等。

图3 马克思历史唯物主义哲学下的“元宇宙”框架

4 “元宇宙”的技术可行性

“元宇宙”技术基础很多，本文重点研讨“算力网络”和促进其融合的超低时延无线通信技术—5G，即第五代蜂窝移动通信技术。虽然6G是面向未来讨论中的新一代技术，在无线电频谱上扩展到太赫兹，在天线技术上可能引入“超表面”，但是其核心基础技术依然是OFDM（正交频分复用）和MIMO（大规模收发天线）等，对比5G并没有特别的颠覆，所以本文依然以已经大范围商用的5G技术为重点，研讨“元宇宙”的技术可行性。

蜂窝移动通信协议作为一种全球协作创新的技术理论规范，已经演进了40多年，其核心推进组织3GPP居功至伟，该协会集合了来自全球的通信技术专家，竭尽所能的研究提升通信效能的工程技术，R15和R16（第15和16次汇总发布的协议集合）作为5G商用协议的基本版本在全球特别是中国的广泛部署证明了5G技术的先进性，而近两年R17和R18正在积极研讨的RedCap版本5G技术则充分体现了3GPP组织实用化和产业化的一贯宗旨。

RedCap即“降低性能Reduced Capability”的缩写，对标5G基线版本的“增强移动宽带eMBB”，该技术首先保留5G低时延核心结构，并能够和5G基线版本在空口上兼容，然后积极探讨降低算力承载设备成本的方案，有利于排除5G技术在全球切实普及的主要阻碍—终端成本，以便满足无线网络的基本需求（如图4所示）。2021年支持eMBB能力的5G通信模组的售价是499元，这是4G的5倍以上，与一辆中档自行车的价格相当[11-13]。

图4 5G RedCap高速&低时延技术在无线网络基本需求中处于核心位置

首先，为把RedCap终端做到5G基线eMBB成本的30%～40%，专家们主要提出3点建议：

（1）最大频带宽度：在6 GHz以内频段，由100 MHz带宽降低到20 MHz，对应约80～160 Mb/s下载速率（R18中有提案选择5 MHz带宽，有利于降低成本，但不利于网络兼容，目前尚无定论）；在毫米波频段，由200 MHz带宽降低到100 MHz，对应约800 Mb/s下行速率。这样可以达成现有5G网络物理层的向下兼容，电信运营商只需做软件升级就可以平滑接入RedCap设备。

（2）最少接收通道：标准5G终端流行配置是2发射天线/4接收天线（2T4R），RedCap终端只需要做到一半，及1发射天线/2接收天线（1T2R）。

车66井区位于山东省滨州市套尔河下游，构造位置属济阳拗陷车镇凹陷大王北西次级洼陷（图1）。该区古近系沙三段下部发育有巨厚的烃源岩和碳酸盐岩砂砾岩体，预计蕴藏着丰富的油气资源。速扩边，分别部署了车661、车662、车663和车73等井，但产量均不理想。2007年在高产井车66和车660井之间部署一口开发准备井——车66-1井，在沙三下共钻遇油层3层，总厚度12.6m，压裂投产初期日产液12t，日产油10t，含水率为10.8%，但累产油仅为813.6t，因供液不足被迫关井。这种状况体现了车66井区砂砾岩体油气成藏控制因素的多变性和复杂性。

（3）最大下行调制阶数：标准5G要求至少256QAM，RedCap只需要64QAM，这一步对终端设备处理负荷有大规模缩减，非常有利于功耗控制和降低成本。

通过上述对频带宽度、天线数量和调制阶数等指标的缩减，RedCap有希望在兼容现有5G基线网络的前提下，把成本大幅下降，预期对应通信模组的价格可以做到一百多元人民币。

其次，借助当期超百万座5G宏基站网络的建设，和未来5G小基站深入场景的普遍部署，以及MIMO多天线、波束赋形、网络切片等新型技术的应用，比1 Gb/s极限下载速率对社会更有价值的百兆（100 Mb/s）接入将成为可能，即同一个5G发射机（基站）下大多用户都可以获得100 Mb/s下载速率，而4G网络只有信号极好的个别用户可以享受（如图5示意）。以1080P到8K不同分辨率图传码流为例，100 Mb/s可以覆盖1080P的全部和8K的部分H.265压缩码流配置，而日常应用的带宽需求基本都低于高清图传，所以该技术的性价比非常高（如图6示意）。

图5 单发射机下5G提供比4G更普遍的百兆速率接入的示意图

图6 高清图传不同配置下码流和5G RedCap不同配置下载速率对应关系

最后，最重要的是时延，5G RedCap可以保证空口5 ms的基本时延，这使得无线网络端到端应用时延有希望控制在100 ms以内。

端到端应用时延主要考虑网侧和端侧两部分：

第一部分，网侧时延又包括空口和传输两方面。其中无线网络空口接入时延按5G处理，发端5 ms和收端5 ms，而网络传输的时延平均约40 ms，总体为50 ms。如果对比4G最小15 ms空口时延或WiFi6平均25 ms空口时延计算，网侧总时延就会上涨到70 ms和90 ms；

第二部分，端侧时延主要是发端和收端的本地数据压缩、解压缩、渲染、计算、存储、交互等算力时延，分别是25 ms，总体50 ms，如果未来迁移部分算力到云端，该时延可以进一步下降。

合并网侧端侧两部分后，用户在5G网络下端到端应用时延在100 ms以内（如图7所示，4G和WiFi6分别是120 ms和140 ms以上）。而人类有意识的反应时延超过100 ms，也就是说100 ms以内的时延对人来说是“实时的感觉”，进一步合理的推论是“数字虚拟世界”和“自然世界”之间的距离不过是100 ms，突破这个极限它们都是“真实的”[14-16]。

图7 端到端时延分布示意图

综合来看，5G RedCap的广泛部署可以给算力网络融合提供“3个百”的高效低时延能力：百元终端算力成本、更普遍的百兆速率接入，以及百毫秒以内端到端时延。这就是“元宇宙”的通信技术底座。

5 一种5G算网融合下的“云化终端”设想

可以预见，在5G RedCap“3个百”赋能的算力网络中，终端算力将随着网络算力的提升而下降，端侧转移出的算力将融入云端，对应一种全新产品形态—“云化终端”可能是未来的流行趋势，它与当前“用户端重/云端轻”的智能手机形态恰好相反，即“用户端轻/云端重”。

核心的差别是在高效低时延数据流转技术5G RedCap的支持下，用户端除高清图传和基本交互之外的算力全部上交云端，而云端会根据付费情况为每一位用户部署专属的、弹性的、匹配的算力资源，以解决不同用户习惯下的算力和数据流量需求。用户端提供通用操作系统和常用社交功能后，云端可以为重度游戏玩家分配更多的GPU进行3D图形渲染；也可以为电影爱好者提供更多的解码器以播放高清电影；还可以为商务人士提供实时编码器来压缩摄像头拍摄的办公室空间信息，以顺利完成一场远程视频会议。上述场景对应的端/云之间5G数据流量也要做相应的匹配，比如包年无限流量套餐。如此这样“千人千面”的网络算力配置下用户端将各得其所。进一步，服务器采用中心管控逻辑，根据用户需求的变化灵活调度以达到软硬件资源的高效共享，集中处理数据需要的电能可以统一供应，产生的热量可以集中处理，这与“碳中和”及“东数西算”的战略构想不谋而合[17]。

更多的好处体现在用户端。比如一种“云化手机”：因为配置的简化，体积、成本、功耗大幅下降，用户利用减配手机通过无处不在的5G网络连接云端服务器就有可能获得超越旗舰配置手机的优异体验，因为云端算力理论的无限扩展性保证了这一点。用户端必要保证的硬件为2K以上高清晰的屏幕、高清解码和驱动屏幕芯片、连接网络的5G RedCap通信芯片和电池。

未来，更轻薄，拥有更高分辨率的XR（混合现实）云眼镜等“云化终端”完全可以提供给用户媲美真实世界的沉浸式虚拟世界体验，这类“元宇宙”的入口设备必将对智能手机的市场地位提出强有力的挑战（如图8所示）。当前流行的网易云游戏平台和咪咕快游等网站就是“元宇宙”入口的雏形[18]。

图8 “云化终端”演化过程的设想

“云化终端”在工业物联网领域也将大有可为：它的本体将聚焦现场环境的实时监测和大量信息的低时延高速回传，而大部分的数据分析和推理算力都可以转移到云端，使得终端成本大幅下降，而功耗也可以低到用电池供电而不是220 V市电，进一步再以太阳能和风能等自然动力长久驱动。如此发展就可实现无处不在的物联网设备部署，为“数字孪生”提供无穷尽的数据支撑。

有理由相信随着技术的优化、网络覆盖的改善和内容的丰富，各种“云化终端”将覆盖除游戏和工业物联网以外的人类工作和生活的每一个场景，并如图9所示成为“算力网络”的端侧核心。5G RedCap带来的算力网络重构将大力推进一个全新的技术浪潮，即算网融合和“元宇宙”趋势[19]。

图9 “云化终端”成为“算力网络”的端侧核心

6 结 语

算力网络融合发展的趋势是不可逆转的历史潮流：从上世纪初军事基地里的大型计算机，到小型家用电器和个人电脑，再到如今可装进衣兜口袋的智能手机，以及将来有可能出现的作为元宇宙入口的便携智能眼镜等轻便“云化终端”，承载算力网络的设备体积越来越小巧；从只能做单一的导弹轨迹计算，到高清3D在线游戏，再到能给工业物联网设备做预测性诊断和维护的云端AI技术，以及将来有可能把周遭世界都完全数字化的“超元域”，算力网络处理的能力越来越强大；从科研机构独享，到进入千家万户，再到人手一台，以及将来有可能像衣帽一样日常穿戴，算力网络与人类生活的关系将越来越紧密。

第三次工业革命及信息技术革命特别是5G及未来6G等无线通信技术具有的超低时延信息流转能力给算网融合潮流注入了核心动力：如果把计算机程序代码比作文字，数字化信息比作语言，算力网络不过是类似小说和戏剧的一种人类文明承载和彰显的新形式，故包含且不限于上述诸形式的广义的“元宇宙”在过往或未来必将展开和渗透到人类社会生活的各个领域，并成为人类文明不可或缺的积极部分源远流长。