doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2023.01.004
引用格式：卫敏，雷波，赵倩颖.元宇宙的信息基础设施发展挑战与建议[J].无线电通信技术,2023,49(1):31-36. [WEI Min,LEI Bo,ZHAO Qianying.Challenges and Suggestions of Information Infrastructure in Metaverse[J].Radio Communica-tions Technology,2023,49(1):31-36.]
元宇宙的信息基础设施发展挑战与建议
卫㊀敏，雷㊀波，赵倩颖
(中国电信股份有限公司研究院，北京102209)
摘㊀要：在介绍元宇宙发展阶段㊁主要特征及其多领域应用的基础上，围绕算力㊁网络㊁资源一体化对元宇宙的信息基础设施需求及挑战进行了深入分析㊂提出构建异构泛在多级的算力体系㊁立足F5G /5G 打造元宇宙就绪型网络㊁布局通感算融合的元宇宙信息基础设施方案，为建设满足云宇宙需求的算网基础设施提供解决方案；并结合算网融合的算力网络技术架构，指出算力网络可提升资源编排效率，促进数据和算力的流动 ㊂
关键词：元宇宙；信息基础设施；通感算融合；算力网络中图分类号:TN919.23㊀㊀㊀
文献标志码:A㊀㊀㊀
开放科学(资源服务)标识码(OSID):
文章编号:1003-3114(2023)01-0031-06
Challenges and Suggestions of Information Infrastructure in Metaverse
WEI Min,LEI Bo,ZHAO Qianying
(Research Institute of China Telecom Co.,Ltd.,Beijing 102209,China)
Abstract :Based on the introduction of development stage,main features and multi-domain applications of the metaverse,we deeply
analyze the requirement and challenges of information infrastructure of metaverse in terms of computing power,network and the integra-tion of multiple sources,then put forward constructing heterogeneous ubiquitous multistage computing power system,build metaverse-ready network based on F5G /5G,layout information infrastructure scheme based on the integration of communication,sensing and com-puting.Our work provides solutions for the construction of computing network infrastructure to meet the needs of metaverse,and point out that computing power network can improve the efficiency of resource arrangement and promote the flow of data and computing power
combined with the architecture of computing power network based on the integration of computing power and network.
加密存储
Keywords :metaverse;information infrastructure;Integration of communication,sensing and computing;computing power network
收稿日期:2022-10-29
基金项目：国家重点研发计划(2021YFB2900200)
Foundation Item :National Key Research and Development Program of
China (2021YFB2900200)
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㊂2021年，在聚效应的影响下，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㊂
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㊂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㊂
随着人工智能㊁数字孪生㊁实时渲染㊁区块链等技术的加速成熟，元宇宙的构想逐步走向现实㊂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1ʒ1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㊂
学术界已从不同角度对元宇宙开展了深入研究㊂Tang 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㊂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㊂Dim-itrios 等人[4]从交互技术切入，阐述如何将6G 与触
觉㊁听觉㊁嗅觉㊁视觉结合，为用户带来逼近真实的感官体验㊂Yang 等人[5]认为元宇宙将融合下一代网络催生新的计算平台㊂除此之外，研究者对元宇宙在智慧城市[6]㊁广电媒体[7]㊁高等教育[8]等垂直领域的应用也有一定的探讨㊂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㊂
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㊂
1㊀元宇宙概述
1.1㊀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㊁数字原生和虚实共生㊂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㊁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㊁制造㊁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㊁算力和运力都提出极高要求
㊂
图1㊀元宇宙的发展阶段Fig.1㊀Metaverse development phases
1.2㊀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㊁去中心化㊁持续运行㊁用户创造性4个方面进行概括描述㊂1.2.1全沉浸性
全沉浸性主要体现在感官沉浸性和情境沉浸性㊂首先，元宇宙将交互模式从二维迁移到多维，融入视觉㊁听觉㊁触觉㊁嗅觉㊁味觉和意识，创造无限接近真实感知的全新数字体验㊂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㊂1.2.2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㊂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㊁协作和交易更加透明化和确定化㊂1.2.3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㊂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㊂动机归因理论
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㊂在元宇宙中，人们的作品可以像真实世界一样吸引目标人获取收益，这是元宇宙经济体系形成的基础㊂1.3㊀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㊁游戏领域，蔓延到各行各业，诞生了办公元宇宙㊁教育元宇宙㊁工业元宇宙等垂直领域的应用㊂
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㊁调整创作场景，从 游戏即服务 转变到 游戏即平台 ㊂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㊁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㊂教育元宇宙让学生身临其境观察行星㊁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㊂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㊂
2㊀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㊁带宽㊁时延㊁确定性传输及资源一体化协同方面的挑战㊂
2.1㊀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㊂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㊂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㊂
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㊂当前，在气象预报㊁航空航天㊁生命科学等领域，模拟仿真已经发挥了极大的作用㊂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㊂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㊂
同时，为了更加高效地实现元宇宙的数据重建㊁生成和渲染，人工智能技术必不可少㊂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㊂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㊂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㊁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㊂
我国名画家张善子擅长画什么据英特尔测算，元宇宙需要每秒10千万亿次的浮点计算能力提供支撑㊂这远远超出了当前互联网的整体计算能力㊂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㊂2.2㊀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㊂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㊂一旦网络发生堵塞，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㊂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16K[9]㊂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㊂
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㊂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70ms[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20ms㊂以现有的网络配置很难满足这一条件㊂
2.3㊀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㊂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㊂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㊂如何在保障元宇宙所需的超高算力和网络高带宽㊁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㊂
2.4㊀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㊂一方面，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㊂当前，泛在计算技术，如云计算㊁边缘计算㊁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]㊂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㊂
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㊂
3㊀元宇宙的基础设施发展建议
第六套儿童广播体操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㊁增加网络覆盖面基础上，还可以从以下三方面推进建设㊂
3.1㊀构建异构化㊁泛在化㊁多级化的算力体系
当前，数字化业务场景的日渐丰富㊁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GPU㊁ASIC㊁ASIC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㊁类脑计算的前沿算力㊂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㊁人工智能算法训练等领域㊂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㊂
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㊁多级化的算力体系㊂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㊁存储设备㊁网络产品㊁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㊂然而，云计算重点聚焦在非实时㊁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㊂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㊁实时渲染㊁自动驾驶等时延敏感型场景㊂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㊁模型训练㊁数据管理过程中的安全风险㊂
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㊂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㊁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
㊂
图2㊀云边端多级算力体系
Fig.2㊀Cloud-Edge-End computing system
3.2㊀立足F 5G /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㊂
近年来，将F5G /5G 作为元宇宙网络基座的呼声越来越高㊂F5G 是以10G PON㊁WiFi6㊁OTN 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eFBB㊁面向高密度连接的FCC 以及面向确定性网络性能保障的GRE㊂据统计,2021年我国千兆及以上接入速率的宽带用户数为3456万户，仅占
总用户数的6.4%㊂由此可见，当前资源禀赋还不能支撑元宇宙未来个人㊁家庭㊁娱乐㊁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
epo
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]㊂
和4G 面向公众用户不同,5G 增加了对垂直行
业的考量㊂EMBB 场景下10Gbit /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;塞勒姆
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/km 2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㊂另外,5G 移动网络大带宽㊁低
时延㊁高可靠㊁广连接的特性，还可适用于AI 辅助㊁社交网络等基础元宇宙应用场景㊂而对于感官互联㊁全息影像㊁沉浸式XR 等数据密集型应用，还需要带宽㊁时延㊁连接密度更好的6G 来实现㊂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1Tbit /s 的峰值速
率和3THz 带宽，在带宽㊁时延㊁可靠性㊁连接密度等指标维度上实现全面提升[15]㊂6G 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㊁网元维护㊁信道建模㊁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㊂
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㊂
3.3㊀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㊁大算力㊁高移动性和潮汐性的算力需求㊂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㊁道路环境㊁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㊂而在办公元宇宙中,
潮汐性的算力需求是其
关注的重点㊂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㊁视频㊁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㊂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㊂
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㊂
通感算赋能的算力网络便是关键使能技术之
一㊂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㊁算力供给与需求不匹配㊁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㊂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㊁通信资源的有效整合㊂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㊁不同架构㊁不同规
模的计算㊁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]㊂
在算力网络中，算力感知是实现资源按需分配
的前提㊂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㊁通信网络的可用资源㊁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㊂
图3体现了通感算赋能的算力网络架构，由算网
资源层㊁资源感知层㊁编排管理层和应用服务层构
成[18]㊂其中，算网资源层负责提供上述提到的5G/ F5G㊁6G㊁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㊁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㊁算力交易等功能㊂算力网络内嵌了通信㊁感知㊁计算能力，通过资源服务化方式，促进数据㊁算力在元宇宙场景下的高效流动
㊂
图3㊀通感算融合的算力网络架构
Fig.3㊀Cloud-Edge-End computing system
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㊁数字孪生㊁实时渲染㊁区块链等信息技术的综合应用场景㊂在推动元宇宙落地成熟的过程中，构建高算力㊁低时延㊁大带宽㊁确定性的一体化信息基础设施将具有重要意义㊂本文首先对元宇宙做了概述，从元宇宙的发展阶段㊁特征㊁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㊁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㊂
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59.
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