云宇宙总体框架和挑战研究

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2022.01.012云宇宙总体框架和挑战研究［刘晓军］摘要云宇宙具有各种互联网前沿技术的群聚效应，具备成为下一代互联网的潜质。尝试从技术角度，研究其总体架构和相关技术挑战，为相关科技人员全面研究和深度分析元宇宙的技术本质、选取研究方向提供了参考和借鉴。关键词：元宇宙 技术架构 扩展现实 虚实相融新技术刘晓军硕士，中国电信股份有限公司研究院，工程师，主要研究方向为云计算、互动媒体技术、应用虚拟化技术、虚拟现实等。·新业务·行业应1 引言云宇宙其英文名称“Metaverse”一词由前缀“meta”（意为超越）和词根“verse”（由”宇宙”反演而来）组成。从字面意思来看，元宇宙是多维、来源并超越现实宇宙的，这样就给其无限的可能性，使之具备囊括各种最新技术的聚合体。按照清华大学发布的相关白皮书，其给出了元宇宙如下的定义：“元宇宙是整合多种新技术而产生的新型虚实相融的互联网应用和社会生态，它基于扩展现实技术提供沉浸式体验，基于数字孪生技术生产现实世界的镜像，基于区块链技术搭建经济体系，将虚拟时间与现实世界在经济系统、社交体系、身份系统上密切融合，并且允许每个用户进行内容生产和世界编辑。”[1]因为云宇宙是新型的技术群聚体，从不同技术角度、业务维度，具有不同的解读，所以当前其内涵阐述也略有区别，但其虚实相融、沉浸式体验、开放式生态体系等业务特征业界是可以达成共识的，同时针对其囊括扩展现实、数子孪生、区块链、人工智能、大数据和通信技术等各种前沿技术也具有相同的观点。云宇宙博大精深，具有各种技术发展的可能性，同时也造成了其技术内涵把控的难度，本文作者基于多年以来对扩展现实（XR）技术的追踪和研究，尝试从技术角度全面分析元宇宙的总体架构，并针对其存在的技术挑战进行剖析，同时分析可能的技术出路，最后对其未来发展进行展望，分析技术走向和未来趋势。用2 云宇宙技术特征为了进一步分析元宇宙的技术内涵，需要首先针对其诞生意义、与现有互联网差异、用户体验飞跃等技术特征进行初步分析，从而对其具备总体概念。532022.01·广东通信技术Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.》新技术·新业务云宇宙的诞生具备同时满足技术、资本和用户体验三大要素的特征。首先技术方面，各种AI、5G/6G、数字孪生、大数据、区块链、云计算等技术逐步演进与成熟，造成各种技术之间的相互交融和联合创新成为可能，需要一个统摄性的场景提供共荣共生的舞台；资本角度，随着固有互联网模式的市场饱和，需要寻找场景式社交、虚拟物品、智能制造、情景交易等新型的互联网商业市场；用户体验角度，需要具备开放属性、高度沉浸社交、拟人式操控方式和创造性游玩的创新的智能操控、虚实交互和情感交互的场景。上述三大要素，直接促进了元宇宙概念的涌现，而且首先在资本方面随着Facebook、微软等巨头公司发力而率先爆发。新技术·新业务·行业应用云宇宙之所以产生如此广泛的关注，还在于当前互联网需要在打破现有巨头平台的垄断属性，走出现有互联网传播方式、交互方式和参与体验等方面的局限性。现就云宇宙与当前互联网的区别进行系统分析。首先在内容载体上，当前互联网依附于各大平台，并由其派生各种互联网服务；元宇宙是提供一个公共舞台和开放性规则，是虚实共生的机制，单一公司和平台只不过是其中众多服务的分支，永远无法占据主导。传播方式角度，当前互联网是利益驱动的规模化拓展；元宇宙是基于虚实融合生产生活需求的延伸，从人性化、便利化和个性化角度进行传播。互动方式角度，当前互联网是一种键鼠、触屏等具象的操控方式，元宇宙是一种融合各种动作、语言和情感的智能操控方式。参与体验角度，当前互联网是一种纯粹被动或者应用设定规则的参与方式；元宇宙是一种开放性的，以人为本，多人在公平、公正规则下共同构建的，使其成为来源现实，又超越现实的虚拟生活方式。云宇宙的出现，其根本的动力还是人类对现实世界改造的冲动性，但是基于时空环境和人类生理实体局限性，阻碍了人类思想的飞跃，首先诞生了文学、戏曲等多种文艺形式，后来随着影像技术的发展产生了电影、动画等表现形式，之后扩展现实带来沉浸式如临其境的体验，而元宇宙将是交融虚实又超越现实的具有沉浸感、参与感、补偿感和超越感的身临其境。云宇宙作为全新的虚实融生的舞台，从技术角度而言，[2]需要具有现实的立足点，整个发展过程很可能是首先做现实世界虚拟模拟的数字孪生，之后借助数字孪生底座进行虚拟世界的原创性原生，之后通过虚拟世界原生影响现实世界并达到虚拟与现实的融生的最终境界。3 元宇宙技术架构云宇宙作为各种创新技术群聚体，其发展具有很多不确定性，我们尝试对其整体技术架构进行分析和研究。按照算力、网络为基础，生态体系为核心，通过虚实界面交互，通过多种数据处理结果，得以运行各种多维应用的原则，获得总体技术架构如图1所示。图1 元宇宙技术架构图3.1 算力基础构建整体元宇宙的底层算力基础，提供庞大的逻辑运算、图形渲染以及AI处理等。（1）多核芯片技术：相对应各种虚拟化和容器等技术，能够实现满足不同用户或应用个性化具备独立性运算的需求。（2）分布式计算技术：不仅是当前大数据的分布式处理，还包括基于多服务器协同的分布式渲染、分布式AI处理等，依托服务器规模撑起元宇宙浩瀚的计算量。（3）量子计算技术：充分利用量子纠缠多态属性，能够呈现指数型计算能力提升的特征[3]，实现低投入的算力支撑。（4）云网算力融合技术：基于网元智能、边缘部署54Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.云宇宙总体框架和挑战研究和网络与业务能力融合机制，降低网络时延和数据传输体验。（5）脑联网计算技术：借助人类自身的大脑联网，实现低能耗的完成元宇宙的庞大的计算任务。共享模式的。3.4 虚实界面主要处理元宇宙相关的虚拟与现实交互接口以及服务呈现等功能。（1）扩展现实：包括VR全虚拟、AR虚实融合、MR虚实交融和全息投影等多种呈现方式。（2）智能机器人：以智能机器人作为虚实融合的承载体或者服务支撑者，面向用户提供元宇宙服务。（3）智能操控技术：融合各种肢体、声音、表情和情感等交互方式，同时辅以虚拟与现实交互互通，实现人性化交互。（4）人脑接口：通过植入式或携带式接口，实现人脑思维/成像与电脑互联互通，实现人类思维电脑指令输入、电脑数据人脑同步以及人脑刺激成像等[5]。（5）虚实交互：虚实交融的主要依据，实现基于虚拟场景的实际世界映射和改造，同时通过实际世界的改造而达到虚拟世界的重塑。新技术·新业务·行业应用3.2 网络基础为了满足虚拟与现实融合/实时交互，实现万物互联，人机互联和人人互联等。（1）5G/6G网络技术：移动蜂窝网络技术的提升和演进，为元宇宙提供无所不在、高速互联的高性能网络条件。（2）云间/云内互联技术：各个计算资源池之间需要具备实时的海量数据交互能力，同时计算资源池内部也需要跨越电口的数据通道，需要相关互联技术的提升。（3）物联网技术：基于万物互联机制，实现针对实际场景数据的实时获取和采集。（4）量子网络技术：基于量子安全和量子计算构建的新型网络，能够有效支持庞大的云宇宙。（5）脑联网技术：实现人类大脑的互联互通，为人脑联网计算和数据处理奠定基础。3.5 数据处理主要承担元宇宙海量现实世界和虚拟世界相关数据的采集、处理和AI协同等功能。（1）实时数据采集：在整个元宇宙的体系中，能够做到同时面向实际世界和虚拟空间的相关数据的实时采集，需要与现实世界各种实体建筑、实体交通工具、实体人和实体道路等各种采集器对接，并且同时具备在虚拟空间中各种生产、生活数据实时获取。（2）大数据处理：以实时采集的数据和以往固有数据集为基础，进行大数据分析和数据建模处理，其中针对海量的实时数据需要采用高效的时序数据处理机制。（3）AI智能处理：基于元宇宙大数据处理结果，并辅助各种AI算法，面向不同业务需求与场景提供人工智能预测与分析。（4）融合原生数据处理：在实际世界和虚拟空间两条路线数据外，还存在虚实交融以及基于元宇宙原生的各种应用相关的数据，其具有虚实叠加又高于现实的属性，有必要作为单独的数据处理路线。（5）人脑协同处理：借助人脑接口，实现电脑数据3.3 生态体系作为元宇宙公平、开放和平等的通用标准和协议的核心部分，主要提供整体元宇宙良性生态成长体系。（1）区块链溯源机制：基于区块链技术构建元宇宙的安全认证体系，包括鉴权、虚实财产交互、数据交互等，确保体系的安全可靠[4]。（2）开放式协议：需要形成类似于互联网机制的开放式、纯第三方并得到大众认可的元宇宙构建协议体系，从而构建云宇宙的标准基础底层。（3）开源基础架构：区别现有的基于单平台或单应用的架构，需要提供面向所有厂商、大众的，并且具有开放式编辑和完善的统一基础架构，确保元宇宙不会受制于个别巨头或团体势力。（4）去中心运作机制：需要打破中心化的丛林法则，建立人人平等，公平参与的去中心化以人为本的运作机制。（5）共享式服务机制：元宇宙整个生态体系都是公益的，避免出现私利化的封闭花园，其服务模式也必须是552022.01·广东通信技术Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.》新技术·新业务和人脑意识的联通，同时需要进行电脑与人脑之间数据的转译、数据分析、存储和AI处理等。上述预测是在未考虑元宇宙因素的情况得出，如果要实现元宇宙虚实融生，而且要超越现实的最终境界，其所需算力将是几何级增加，加上现有x86架构芯片底层物理构造达到生产极限，通过制造工艺节能的步伐将越来越慢甚至停止，依托现有成熟的计算方式未来基于元宇宙的能耗将出现管涌式爆发，很可能会影响人类碳中和的进程。为了应对上述挑战，有必要采用量子计算和人脑联网计算等新技术来规避。量子计算理论上相比x86的电子二进制架构具有大幅算力的提升，具有潜质在低能耗下提供庞大的算力，不过当前该项技术还处于逐步完善中，而且是生态体系建设也尚需时日完善。人脑联网计算，是指借助人脑作为计算基础，其好处是能耗低，难点在于脑机接口的技术突破以及伦理上的保护措施等，其技术还在逐步研发中，也是难以短时间内实现。从算力角度看，综合投入和碳中和的矛盾关系，个人认为当前元宇宙还处于概念炒作过程中，其算力底座尚未完备，而且需要数年甚至数十年的演进。3.6 多维应用依托元宇宙的技术底层，上层会演绎出千姿百态、多种维度的虚实融生应用场景。（1）场景社交：不同于当前信息或简单影像社交，构建基于情感交流、思维联通等特征，具有微表情展示和性格展现的超越现实世界的新型社交方式。（2）沉浸电商：打破现有被动信息获取购买方式，具有在线真实挑选、比对和试用结合的新型逛街方式。（3）超时空体验：打破现实世界和人体能力局限，以超越时空限制方式展现更多趣味性体验，当然其也可能新技术·新业务·行业应用引发与现实世界过分脱节的风险。（4）开放式编辑：实现在元宇宙中，人人都是世界的缔造者，人人都可以参与新型虚实融生世界的添加、修改等操作，人人都是世界的创造者和提供者。（5）原生智能生产：借助元宇宙的整体庞大体系，智能生产超越了单一工厂、单一公司的范畴，而是整个产业链或全体产业链基于虚实融生的智能协同，从而避免产品过剩或短缺等现象，提升全人类的效率。4.2 公益标准与投入元宇宙如果要实现基于公平、公正的原则，服务全人类的模式，需要构建以公益属性的生态体系，需要投入大量人力和物力，构建相关的开放协议栈以及开源并持续更4 元宇宙存在的技术挑战元宇宙从服务全人类的角度看，应该是构建一个全新互联网的通用、开放、偏平化、人人参与并决策，并由各种公开协议组成的标准体系。不过元宇宙其体系之庞大，与网络诞生之初相对单纯之诉求不可同日而语，这样就带来了很多的技术挑战和未知数，本章尝试分析其中部分的挑战。新的开发底座。相关联的协议包括虚实交互、脑机交互、虚实数据传输、基础网络、AI交互等全系列的标准，与互联网草创时期具有天壤之别，单一组织或机构无法独立承担其构建的工作，具有海量的任务同时也需要大量的资金投入。理想中的云宇宙公益标准的属性，趋利的资本很难有大的注资，导致其如何走向存在不确定性。当然还有一种可能就是互联网巨头在各自所属领域首先实现部分元宇宙功能，例如开放式游戏内容、场景式社交等，但商业趋利的本质会严重影响其公益的意愿性。个人觉得该项工作应该从国家层面通力合作承担，先从底层基础协议制定开始，在业务层面通过区域性的部分实现作为标杆，引领整体产业小步快跑实现。 4.1 算力与碳中和从全球角度看，随着云计算和大数据处理技术深耕到千行百业，同时带来数据中心能耗的占比提升。根据Andrae的调查报告，在全球范围内，数据中心成为全球能源使用规模最大的用户，将从2015年的0.9％上升到2025年的4.5％。相比之下，消费设备、固定接入有线服务、无线网络等行业领域在能源使用方面落后于数据中心[6]。同时据智研咨询预测，国内2025年数据中心能耗将占整体能耗的4.1%[7]。4.3 开放编辑与安全开放式编辑，是指在云宇宙是属于所有人，与现有互56Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.云宇宙总体框架和挑战研究联网巨头各领域烟囱并立、跑马圈地不同，是任何人都可以平等参与、共同规划和建设的公共舞台。从另外一个角度讲，就是整个元宇宙不存在设定的固有逻辑，成长路线和规划内收益等内容，这些刚好是当前互联网公司利用手头掌握的相应资源从而获利的手段。当然也并非说元宇宙中的服务不能获益，但更多是提供一个空间获得租赁费等合理的回报，而不是通过平台垄断获得高额的不合理回报。不过在现实中，不同的团体和个人所拥有的资源、技能千差万别，造成其参与开放编辑的能力也存在区别，而且针对开放式底层架构的存在的弊端和漏洞非法挖掘获利也会带来极大的不公平性。开放式的编辑，是公平性的底座，是需要以安全保障为前提进行。可以想象的到，云宇宙该方面的发展的过程是与其漏洞不断对抗和不断完善相辅相成的。不过元宇宙其来源现实并超越现实的属性，会具有更多的复杂性，也给未来对应安全技术带来全新的挑战。开放编辑与安全等技术挑战进行分析，并尝试给予初步解决方法。元宇宙当前还处于概念炒作阶段中，达到构建公平、公正的开放式标准底层尚需时日，通过本文针对元宇宙其总体架构和相关技术挑战的研究，希望能够为相关科技人员全面研究和深度分析元宇宙的技术本质、选取研究方向提供了参考和借鉴。参考文献1 清华大学新媒体研究中心.2020-2021年元宇宙发展研究报 告[R].2021.刘晓军，庞涛等.虚拟现实现状综述和关键技术研究[J].2 武娟，广东通信技术,2016,36(008):40-46.杨钊华，范桁，等.超导量子比特[J].大学物理,2021, 3 宿非凡，40(7):8.4 Yong Y , Wang F Y .区块链技术发展现状与展望[J].Zidonghua Xuebao/Acta Automatica Sinica,2016,42(4):481-494.5 陈小刚，李坤.基于增强现实脑机接口和计算机视觉的机械新技术·新业务·行业应用5 结束语本文简要概括了云宇宙基础概念、技术特征等相关内容；随后分析和研究了算力基础、网络基础、生态体系、虚实界面、数据处理和多维应用等六方面的总体技术架构；随后针对元宇宙存在的算力与碳中和、公益标准与投入、臂控制系统[J].生物医学工程学杂志,2021,38(3):9.的生命周期评估报告[R]. 6 Anders Andrae.消费者总功耗预测”2016.7 智研咨询.2020-2026年中国数据中心IT基础设施第三方服务行业市场竞争状况及投资风险预测报告[R].2019.（收稿日期：2021-12-24）（上接第52页）模块上报切回notification至控制端。无人机发起deregistration流程完成5G网络关闭，（9）随后完成5G模块电源关闭，以节省相应能源。（10）至此控制端与无人机指令交互由原来的物网物连接变更为了物物直联。为常见）。但在实际使用过程中，受到环境因素影响，比如地形起伏、城市楼宇、高压电线等，一般有效距离都在5 km范围内。当无人机无法解析控制端指令达到一定时间长度（一般为2秒）后，无人机飞控系统将接管无人机控制权并参考原飞行路径规划路线，控制无人机飞回最近记录的返航点。采用5G技术后，在到达极限距离之前，无人机可提前切换至5G网络，由于URLLC（切片）的5 总结现有消费级无人机的通讯主要依靠无线电方式，通讯距离比较短，控制指令极限距离小于10 km（以7 km最低时延特性，对操控性的影响较小。由此，可以大大扩展无人机的可操作范围。（收稿日期：2021-12-01）572022.01·广东通信技术Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. 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