元宇宙的信息基础设施发展挑战与建议

卫 敏，雷 波，赵倩颖

(中国电信股份有限公司研究院，北京 102209)

0 引言

自元宇宙的概念诞生以来，人们对虚拟世界的探索从未停止。2021年，在群聚效应的影响下，元宇宙成为新的风口，随之而来的是产学研各界的广泛讨论。

一般认为，网络游戏是元宇宙的雏形[1]，作为人们基于天马行空的想象构建的虚拟世界，其产品形态和元宇宙极为相近。但网络游戏并不等同于元宇宙，后者是互联网的高级形态，将深刻改变人们的生产生活方式。

随着人工智能、数字孪生、实时渲染、区块链等技术的加速成熟，元宇宙的构想逐步走向现实。人工智能提供自主演化的技术基础；数字孪生对真实的物理世界进行1∶1建模，将现实元素和运行法则投射到虚拟空间；实时渲染呈现高清晰度的视觉效果；区块链建立了可靠交易的互信机制，其去中心化的特点是元宇宙经济体系构建的必要条件。

学术界已从不同角度对元宇宙开展了深入研究。Tang等人[2]从元宇宙的使能技术出发，对元宇宙和6G的关系进行了阐述。文献[3]重点分析了区块链在元宇宙应用中的优势和挑战，认为区块链可推动元宇宙形成新的可信机制和协作模式。Dimitrios等人[4]从交互技术切入，阐述如何将6G与触觉、听觉、嗅觉、视觉结合，为用户带来逼近真实的感官体验。Yang等人[5]认为元宇宙将融合下一代网络催生新的计算平台。除此之外，研究者对元宇宙在智慧城市[6]、广电媒体[7]、高等教育[8]等垂直领域的应用也有一定的探讨。虽然现有文献对元宇宙的信息基础设施或多或少有所讨论，但仅限于基础性的介绍，并未对其进行系统研究。

本文从元宇宙的特征和应用场景出发，讨论信息基础设施面临的问题和挑战；系统介绍了元宇宙信息基础设施的建设思路，指出通感算赋能的算力网络技术可有效提高元宇宙的资源供给效率。

1 元宇宙概述

1.1 元宇宙的发展阶段

如图1所示，元宇宙的发展主要包含三个阶段：数字孪生、数字原生和虚实共生。第一阶段注重对物理世界的仿真模拟，从数据角度讲，经历数据采集、数据分析和数据重现，从而构建物理世界的数字孪生体；第二阶段在数字映射基础上，通过多元的用户创作内容，持续丰富元宇宙生态，并与物理世界相互影响，逐步推动现实世界的发展创新；第三阶段进入元宇宙成熟期，拥有超越现实的时空和场景，届时，各行各业都可以选择在元宇宙中从事研发设计活动，物理世界作为补充环节，承担生产、制造、流通等线下过程，这一阶段将在理解现实规律基础上，重塑其中的部分规则，“凭空”创造出大量数据，对信息基础设施的存力、算力和运力都提出极高要求。

图1 元宇宙的发展阶段

1.2 元宇宙的特征

目前元宇宙还处于发展的早期阶段，然而，成熟阶段的元宇宙所具备的特征已经成为普遍共识，本文从全沉浸性、去中心化、持续运行、用户创造性4个方面进行概括描述。

1.2.1 全沉浸性

全沉浸性主要体现在感官沉浸性和情境沉浸性。首先，元宇宙将交互模式从二维迁移到多维，融入视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉和意识，创造无限接近真实感知的全新数字体验。而情境沉浸性是依靠数字孪生技术全要素映射空间和事物发展规律，元宇宙中的每个人都可以和现实世界一样，从事经济生产和休闲活动，体验不到数字化带来的疏离感。

1.2.2 去中心化

现实世界的运行是基于高度中心化规则，人与人之间的联系需要具有公信力的中心化平台作为信誉背书和权利保障。而脱胎于真实世界的元宇宙，不存在集中控制节点，每个节点平等地享有对自身数据的管理权，使得用户间的互动、协作和交易更加透明化和确定化。

1.2.3 持续运行

持续运行主要体现在元宇宙的时间递增不会受用户行为影响，普通游戏会为离开的用户“冻结”游戏状态直到下次登录，而元宇宙不论用户是否在线，都会保持原有的演化规则。元宇宙中每个参与者都兼有用户和创作者双重身份，这是元宇宙可持续发展的前提。

1.2.4 用户创造性

用户创造性使得用户不仅可以在虚实映射的数字孪生体间自由活动，还可以发挥创新能力创造自己的作品，并根据自己的想法制定规则。在元宇宙中，人们的作品可以像真实世界一样吸引目标人群获取收益，这是元宇宙经济体系形成的基础。

1.3 元宇宙的典型应用

随着技术的成熟和应用场景的拓展，元宇宙已经从最初的科幻、游戏领域，蔓延到各行各业，诞生了办公元宇宙、教育元宇宙、工业元宇宙等垂直领域的应用。

相对于传统游戏用户要遵循既定规则不同，元宇宙游戏支持用户自由增删、调整创作场景，从“游戏即服务”转变到“游戏即平台”。办公元宇宙突破时空局限性，人们可以随时随地“面对面”开展工作，还可以通过高清摄像头、体感传感器获取对方的肢体语言和微表情，增加远程办公临场感。教育元宇宙让学生身临其境观察行星、恒星的演变和形成，记录生物的生长过程，促进教育模式升级和教育资源平衡。工业元宇宙不仅能帮助研发人员在线指导设计和测试，帮助管理人员精准掌握车间动态，及时调整生产策略，还能帮助运维人员远程访问设备装维信息，提高人机交互效率。

2 元宇宙的信息基础设施挑战

元宇宙的广泛应用离不开以算力和网络为代表的信息基础设施的有力支撑，本节基于上述应用场景，分析元宇宙在算力、带宽、时延、确定性传输及资源一体化协同方面的挑战。

2.1 超高算力挑战

海量的多模态数据是构建元宇宙的基础，这些数据通常是由对现实世界的采样和模拟而来。在建立起仿真的数字世界之后，再在仿真的基础上进行创造发展，从而构建出元宇宙中生生不息的各种世界。这一过程涉及到了两大关键技术——模拟仿真技术和人工智能技术。

模拟仿真是对物理世界的建模和数字化，是真实世界与数字世界之间的桥梁。当前，在气象预报、航空航天、生命科学等领域，模拟仿真已经发挥了极大的作用。而模拟仿真的精确程度在很大程度上依赖于算力的发展程度。要重构一个与真实世界相差无几的数字世界，其在模拟仿真时需要的算力量级将是难以想象的。

同时，为了更加高效地实现元宇宙的数据重建、生成和渲染，人工智能技术必不可少。但是，由于涉及到对海量图形数据的处理，应用于元宇宙中的人工智能技术同样需要大量的算力。在元宇宙渲染完成之后，由人工智能驱动的智能数字世界还需要将其内容有序地展现给用户，并实现用户之间的互连。为了丰富元宇宙生态，给予用户最大限度的自由，应用于元宇宙中的人工智能模型不能简单地停留于传统的状态机和决策树，而是要向更加复杂的强化学习、对抗学习的方向发展，这同样大大增加了元宇宙在算力方面的需求。

据英特尔测算，元宇宙需要每秒10千万亿次的浮点计算能力提供支撑。这远远超出了当前互联网的整体计算能力。在摩尔定律逐渐放缓的当下，如何满足如此庞大的算力需求无疑是一大挑战。

2.2 网络带宽及时延挑战

网络的带宽定义了网络在单位时间内传输数据的能力。元宇宙中同时在线的用户数量可达亿级，这必然造成通信网络数据量会达到前所未有的高度。一旦网络发生堵塞，元宇宙中的数字内容将很难完美地呈现在用户面前，严重影响用户体验。以XR技术为例，当前业界普遍认为要在视觉上达到沉浸式体验，应用图像的分辨率至少应为16 K[9]。如此情况下，元宇宙在呈现端的传输速率将会达到Gbit/s量级。

网络的时延决定了元宇宙中的用户能否及时地发送和接收信息。同样以VR和XR技术为例，现网实测的5G云VR业务模型时延达到了70 ms[10]，但如果想让人们在使用XR时不产生眩晕感，沉浸式XR的端到端时延必须低于20 ms。以现有的网络配置很难满足这一条件。

2.3 确定性挑战

作为一个与现实世界相差无几的虚拟世界，元宇宙具备持续运行的特征，这使得元宇宙对网络和算力的可靠性与稳定性有极高的需求。元宇宙中的每个用户都处在时刻变化的环境之中，毫秒级别的时延波动就会对用户的体验带来巨大的影响。在网络和算力的确定性得不到保障的条件下，元宇宙的服务质量将远远达不到预期。如何在保障元宇宙所需的超高算力和网络高带宽、低时延的前提下，进一步提升网络和算力的稳定性将是一大难题。

2.4 大规模一体化协同挑战

元宇宙中用户的在线方式具有分布式和大量并发的特点，这对分散的算网资源一体化提出了更高的要求。一方面，算力资源的多级部署和合理分配能够降低元宇宙对终端设备的需求，从而降低终端的成本和能量消耗；另一方面，边端节点的建设能够缩短用户侧到服务侧的传输距离，从而降低交互时延。当前，泛在计算技术，如云计算、边缘计算、智能计算等技术已经得到了一定程度上的发展，具备为元宇宙提供底层算力支持的潜力[3]。但是，传统的云网运营模式很难保证元宇宙中的模型构建与现实世界保持适用和同步，也很难保证元宇宙中各种高性能交互对算力的需求。

综上，尽管现有的算力和网络资源在一定程度上可满足元宇宙的初期建设运行要求，但要达到元宇宙所描绘的沉浸式数字化体验愿景，还需要建设更强大的信息基础设施。

3 元宇宙的基础设施发展建议

为解决元宇宙信息基础设施所面临的4个挑战，在简单扩大算力规模、增加网络覆盖面基础上，还可以从以下三方面推进建设。

3.1 构建异构化、泛在化、多级化的算力体系

当前，数字化业务场景的日渐丰富、业务需求差异化愈加凸显，催生丰富的算力形态，包括以CPU为核心的通用算力，基于GPU、ASIC、ASIC等加速芯片的智能算力，用于超级计算机的超算算力，以及用于量子计算、类脑计算的前沿算力。元宇宙丰富的计算场景对各类算力都有提出极高要求，尤其是以GPU为代表的智能算力，其多核并行的处理能力，将被广泛应用到元宇宙的图形图像渲染、人工智能算法训练等领域。因此，融合多元算力的异构计算将是应对元宇宙算力挑战的有效途径。

在算力异构化的基础上，要实现元宇宙“容纳亿级用户同时在线”的愿景，还要求具备泛在化、多级化的算力体系。云计算[11]是一种获取海量低成本算力的计算方式，通过KVM等虚拟化技术，将服务器、存储设备、网络产品、操作系统等转化为支持弹性伸缩和资源共享的IT资源池，可为元宇宙的实现提供强大的算力系统。然而，云计算重点聚焦在非实时、长周期数据的处理任务，对于元宇宙的实时渲染类业务，就需要借助边缘计算的处理能力。边缘计算将集中在云端的算力资源下沉到靠近用户的网络边缘侧，避免过多地向云端发送任务请求，从而改善网络时延，以及中心云带来的流量拥堵现象[12]，它主要用在工业控制、实时渲染、自动驾驶等时延敏感型场景。此外，边缘计算“数据不出场”的特点还能降低隐私数据在互联网环境中的暴露面，避免元宇宙在用户行为分析、模型训练、数据管理过程中的安全风险。

得益于智能芯片和算法的升级，元宇宙的硬件终端也愈加多样化，端计算在沉浸式体验中占据越来越重要的位置。相比于传统终端侧重于数据采集和传输，元宇宙终端设备更关注特征数据提取和数据预处理，未来，端侧算力还有望执行眼动追踪、面部捕捉等更复杂的计算任务，呈现云边端多级算力共存的局面，如图2所示。

图2 云边端多级算力体系

3.2 立足F5G/5G打造元宇宙就绪型网络

2022年初，Meta(脸书更名后)公司的连接业务负责人提出“元宇宙就绪型网络”一词，认为当前网络不足以支撑元宇宙大规模落地，需要在构建和部署方式上推动变革。

近年来，将F5G/5G作为元宇宙网络基座的呼声越来越高。F5G是以10G PON、WiFi6、OTN为代表的第五代固定网络[13]，以推动光纤到户迈向光联万物为技术愿景，包括了三个典型场景：面向带宽增强的eFBB、面向高密度连接的FCC以及面向确定性网络性能保障的GRE。据统计，2021年我国千兆及以上接入速率的宽带用户数为3 456万户，仅占总用户数的6.4%。由此可见，当前资源禀赋还不能支撑元宇宙未来个人、家庭、娱乐、游戏的大带宽应用，而F5G的10G PON已经形成比较完善的上下游产业链，可配合WiFi6技术的应用，从而实现全覆盖的千兆网络[13]，在传输速率和网络带宽赋能各行各业高效运转[14]。

和4G面向公众用户不同，5G增加了对垂直行业的考量。EMBB场景下10 Gbit/s的峰值传输速率，可有效提升AR/VR全景视频的分辨率及码率；uRLLC毫秒级的空口时延，基本满足元宇宙初期的空口接入时延要求；mMTC场景支持100万/km2以上的连接密度，在元宇宙物联网传感器的数据采集中将发挥巨大作用。另外，5G移动网络大带宽、低时延、高可靠、广连接的特性，还可适用于AI辅助、社交网络等基础元宇宙应用场景。而对于感官互联、全息影像、沉浸式XR等数据密集型应用，还需要带宽、时延、连接密度更好的6G来实现。

目前，6G尚处于研究的早期阶段，随着标准化和产业推进的深入，将有望达到1 Tbit/s的峰值速率和3 THz带宽，在带宽、时延、可靠性、连接密度等指标维度上实现全面提升[15]。6G还将与人工智能技术深度结合，以增强网络智能化程度，形成智慧内生的人机物互联网络，在资源调度、网元维护、信道建模、生产实践中都将迎来更丰富的应用场景，为元宇宙内虚拟世界秩序的维护带来强力的支持。

因此，基于F5G/5G的第五代通信技术基本满足元宇宙在建设初期的网络要求，但是，要真正实现虚实共生的元宇宙高级形态，还需在技术和架构上持续演进，以支撑复杂多样的元宇宙应用。

3.3 布局通感算融合的元宇宙信息基础设施

和物理世界一样，元宇宙也存在低时延、大算力、高移动性和潮汐性的算力需求。例如交通元宇宙的自动驾驶就是典型的移动性场景，随着车辆向前行驶，其气象条件、道路环境、地理位置等信息也会发生变化，为了保持用户和虚拟环境的交互，就要实时选择最佳算力节点提供及时的图像生成和渲染服务。而在办公元宇宙中，潮汐性的算力需求是其关注的重点。在工作时间段，人们以各自数字身份同时在线，会产生大量音频、视频、图像和文字数据，对数据的存储和处理将占据大量算力资源；而到了夜间，仅需要维护基本的环境信息，不用进行额外的数据处理。所以，办公元宇宙的算力需求呈周期性波动的趋势，相应的算力服务也要随业务需求周期性调整，才能达到资源最优化配置的目的。

根据元宇宙业务对算力服务的需求特点，需具有全网算力和通信资源的全局视图，将算力和通信资源协同调度，才能更好地支撑元宇宙复杂的应用场景。

通感算赋能的算力网络便是关键使能技术之一。算力网络的提出最早是为了解决云边端算力之间调度不灵活、算力供给与需求不匹配、计算资源综合利用率过低等问题，经过多年的技术演变，以及东数西算等政策的启动，这一信息通信领域的概念逐步成为各行各业数字化转型的基石。而元宇宙作为建立在海量数据之上的虚拟数字空间，自然离不开算力网络技术对其计算、通信资源的有效整合。通感算赋能的算力网络是实现云网边端统控的新型网络架构，是云网融合体系中的关键技术[16]，它以网络为中心，实现网络与不同归属、不同架构、不同规模的计算、存储资源的有效适配，按照实际业务需求编排和调度最佳的网络算力资源[17]。

在算力网络中，算力感知是实现资源按需分配的前提。算力感知具有两个层面的含义：一个是通过算力网络内生的泛在感知能力实时获取算力节点、通信网络的可用资源、运行状态等信息，结合监督学习技术，预测未来使用情况，为高优先级任务提前预留资源；另一个是对用户的原始业务需求进行处理，从而得到对算力和网络的具体需求，实现用户意图的自动感知。

图3体现了通感算赋能的算力网络架构，由算网资源层、资源感知层、编排管理层和应用服务层构成[18]。其中，算网资源层负责提供上述提到的5G/F5G、6G、云边端算力节点等基础的算力和网络资源；资源感知层实现通信、算力资源的协同感知，为资源的一体化编排提供整网拓扑；编排管理层负责算网资源的一体化编排，应用服务层则根据业务需求为应用提供封装的算力能力，支持对业务需求的感知，以及对用户需求的智能分析、算力交易等功能。算力网络内嵌了通信、感知、计算能力，通过资源服务化方式，促进数据、算力在元宇宙场景下的高效流动。

图3 通感算融合的算力网络架构

4 结束语

元宇宙是对物理世界的超越和虚拟世界的完美体验，也是人工智能、数字孪生、实时渲染、区块链等信息技术的综合应用场景。在推动元宇宙落地成熟的过程中，构建高算力、低时延、大带宽、确定性的一体化信息基础设施将具有重要意义。本文首先对元宇宙做了概述，从元宇宙的发展阶段、特征、应用场景出发，围绕算力和网络讨论了元宇宙所面临的4个挑战，提出了建设异构泛在多级算力体系、打造元宇宙就绪型网络等三点建议，并指出通感算融合的算力网络技术将提升元宇宙算网资源的配置效率，推动资源服务化和弹性化，进一步解决元宇宙的基础设施难题，为元宇宙大规模应用构建坚实的资源底座。