5G算網融合與元宇宙趨勢淺析

周 晉，倪海峰，余 燕

（1.南京創芯慧聯技術有限公司，江蘇 南京 211899；2.中國國際金融股份有限公司，北京 100004）

0 引 言

當前，人類社會正在逐步走出新冠感染的陰影，“元宇宙”“虛擬人”“算力網絡”等熱門概念應運而生，它們作為一種新的生活方式有可能成為重振全球經濟的希望，社會各界對此已有廣泛關注和討論。

本文嘗試先從科技史和存在論角度初步論證“元宇宙”的歷史必然性和哲學可能性，然后從低時延5G RedCap技術促進算力和網絡融合的角度分析“元宇宙”的技術可行性，再設想了一種未來將流行的“元宇宙”入口設備及“云化終端”，以期初窺信息技術革命過程中很可能發生的又一個全新技術浪潮，為通信、物聯網、互聯網、互動娛樂和半導體等科技領域，以及社會學、金融學甚至哲學等人文領域的從業者和研究者提供參考[1]。

1 第三次工業革命的核心是算力

“算力”這個詞看上去非常新潮，但它早就貫穿在以信息技術為基礎的第三次工業革命過程的始終。

這個過程從時間軸上看大致經歷了：中心計算、個人計算、移動計算、云計算、工業物聯網和邊緣計算共5個浪潮（如圖1所示），而“算力”作為各個浪潮的核心動力始終如一，雖然其中有些階段特別促進了“to B”的行業發展，比如中心計算、云計算和工業物聯網；有些階段更傾向于“to C”的消費應用，比如個人計算和移動計算[2-3]。

圖1 第三次工業革命的六次浪潮

另一方面，“算力”又由不同場景下的不同設備承載，比如機房里的ENIAC大型計算機承載了中心計算、書桌上的蘋果電腦承載了個人計算、人手一臺的智能手機承載了移動計算、互聯網公司的數據中心承載了云計算、各種工業物聯網設備承載了邊緣計算。

可見“算力”作為“內容”，在過往不同時間、不同場景的“形式”下呈現了不同的狀態，每一次形式的升級都帶來了一次技術浪潮。隨著近年來中國5G無線網絡的逐步深入部署和新的RedCap技術的定義，以及大規模云計算中心的普遍建設，一場可能同時顛覆以手機為代表的“to C”行業和以工業物聯網為代表的“to B”行業的第六次技術浪潮及“算網融合”趨勢即將到來。要想深入理解這個歷史過程和未來趨勢，有必要對“算力”進行由表及里的解構和分析[4]。

2 算力網絡三個層次的形成與融合

首先，算力在云端和終端分別展開。

計算機作為一種算力設備，起初被用于軍事，二戰結束后這種30多噸“笨重”家伙的商業價值就開始被逐步挖掘出來。這個過程主要有大型化、集中化“to B”以及小型化、分布式“to C”兩個路徑，經過幾十年的發展分別演化出了云端和終端兩個行業，但其本質是同源的兩端。

云端算力作為一種聯網的中心處理設施，起始于20世紀40年代的ENIAC大型計算機，所有輸入輸出全靠人力支持；隨著芯片集成度的提升、網絡連接的普及和數據量的暴漲，“云”的稱呼逐漸流行起來，這實際表達的是一種集中管理數字信息的服務器系統，可以是限制部署在一個工廠的車間內并連接局域網的私有云，也可以是集中部署在千島湖供全世界用戶遠程調用的公有云[5]。

終端算力作為一種聯網的分布式民用設備，起始于20世紀70年代后期家電和個人臺式電腦，然后借助芯片集成度的提升和通信技術的發展其體積不斷變小、性能不斷變強，并能互聯互通。所以日常生活中普遍部署的智能手機、共享單車、二維碼掃碼收款機、空氣質量傳感器和十字路口的高清攝像頭等都屬于這個類別。

其次，溝通云端和終端的通信網絡技術也是一種算力，在同步展開。

通信網絡作為數據搬移的工具分為有線和無線兩個類別，雖然有線Internet網絡促進了互聯網行業的蓬勃發展，但寬帶無線網絡的普及才真正打破了算力接入網絡的時間和空間限制。通信網絡傳輸能力一般用“b/s，比特每秒”來標定，“速率”就是一種數據轉發的算力。蜂窩無線網絡各個代際之間的典型差別就在這里，比如2G及第二代移動通信的無線速率約300 Kb/s、3G達到數十Mb/s，約為2G的100倍、4G達到數百Mb/s，約為3G的10倍，對應承載這些數據轉發流量的設備也是一種算力，它在過去30年的發展非常迅猛。

最后，云端、通信網絡技術、終端三個層次的算力正在逐步融合到“算力網絡”。

如果把云端和終端看作一個廣義“網絡”概念的一頭一尾兩個節點，那么通信網絡就是“網絡”節點間的鏈路。可以發現，“網絡”成為一個統合信息技術三個層次的總體表達，表達的本質是“算力”，他們本來就是一體兩面的存在，即“算力網絡”。雖然在第一個浪潮中因為互聯網技術的缺失而使各種“算力”在形式上分離，但是此后各種計算機設備普遍聯網，各種“算力”隨著網絡技術尤其是蜂窩無線通信技術的不斷進化而聯系的愈發緊密，算力網絡的云端、狹義的通信網絡技術、終端三個層次將充分融合（如圖2所示）。

圖2 算力網絡概念和它的端網云三個層次

以手機這種常見端側算力承載設備為例，其產生發展的過程就是一個“算力網絡”融合的過程。起初，“大哥大”只是點對點的通話工具，連可存儲的通信錄條目都非常有限，用戶還要時常翻找電話本以獲得對方號碼；后來，功能機已經可以存儲通信錄、照片甚至視頻，性能好一些的手機還可以運行“推箱子”“貪吃蛇”等單機游戲，其算力已經接近一臺微型電腦，其終端應用和通信交流的算力達成了初步整合；當前，普遍使用的智能手機已然無所不能，其核心SoC芯片中的AP部分專門實現多媒體計算，modem部分專門負責移動通信算法計算。移動通信算力能力從1G到4G的提升過程就是一個數據流量爆發的過程，點對點、點對多點的大流量交流也被越來越多地承載到各種云端服務器上，比如微信聊天、淘寶購物、優酷看電影、騰訊視頻會議等日常應用都搬上了云。云上理論無窮的算力反過來又催生了更多的終端互聯網應用。當打開一個視頻播放軟件，在4G和WiFi這類大流量網絡技術加持下，隨意點開一部電影就可以及時觀看，不用在意電影在“算力網絡”三個層次的云端、網絡、還是手機終端上。對比“算力網絡”融合不徹底的10年前，需要用電驢或迅雷這樣的軟件工具事先把電影從云端服務器下載到個人電腦，然后用數據線轉存到手機終端，最后拿起手機觀看，如此繁瑣[6-8]。

未來算力網絡融合將在兩個方面展開：重疊和聚焦。

重疊現象是一方面。隨著5G超低時延網絡的普及和對應終端芯片成本的下降，“算力網絡”三層次有可能極致融合，以至于未來三者的功能發生重疊，及資源配置的重新優化和算力承載的重新部署將模糊原有的算力設備的定義。比如智能手機本身既有信息感知器件又有基本數字化處理能力和小規模數據存儲資源，這和云端的信息處理和存儲能力發生了重疊。

聚焦趨勢是另一方面。算力重新部署的過程反而促成各種“算力”聚焦到其不可被替代的擅長領域：首先，云端因為能耗和體積的無限擴展性使其專司大數據存儲、統計、計算甚至推理；其次，網絡技術的本職工作是提供高效數據搬移能力；最后，端側作為“數字世界”和“現實世界”相互作用的節點，將聚焦于把現實世界中人、物信息的數字化感知技術，以及基于數字化的信息反作用于“現實世界”的交互技術[9-10]。

由此可見，“算力網絡”的融合發展將非常有可能產生全新的交互關系、全新的算力設備，甚至第三次工業革命的第六次技術浪潮。

3 “元宇宙”的哲學可能性

“存在論”是闡述“人”如何“存在”這個終極哲學問題的一門學問，馬克思歷史唯物主義是這個哲學領域最顯耀的成就，它把“人的存在”解釋為“現實的個人”：“這是一些現實的個人，是他們的活動和他們的物質生活條件，包括他們已有的和由他們自己的活動創造出來的物質生活條件。”這與馬克思早期在《關于費爾巴哈的提綱》第八條提到的話語異曲同工：“社會生活在本質上是實踐的。”

以此為工具可以有三個發現：

（1）整合所有“物質生活條件”的核心是“人的活動”及“實踐”；

（2）“現實世界”或“自然界”和目前已有的過往數次技術浪潮創造的“算力網絡”的總和都屬于人類活動已有的“物質生活條件”，未來可能研發出來新的“算力網絡”形式，屬于未來人類自身活動將創造出來的新的“物質生活條件”；

（3）“人的活動”和“物質生活條件”之間是相互促進和依存的對象性關系，人類社會的存在和工業革命的出現都是這種關系的展開。工業革命中每一次新的浪潮都是以過往浪潮為基礎的新的“人的活動”。只要有“人的活動”或“人類實踐”在，過往數次技術浪潮就必定導致新浪潮的出現。

于是，“算力網絡”不斷、極致的融合過程，必定產生一種全新技術浪潮：它最大化算力的潛能，以至于可以把社會已有的“物質生活條件”全部數字化及“數字孿生”，又可以以此為基礎在“人類實踐”促進下構建全新的數字化的“物質生活條件”及“增強現實”“超現實”或“超元域”，在這之上進一步再創造前所未有的“物質生活條件”，如此循環推進的持續展開為新的生產、生活方式及社會組織形態。可以把這個趨勢理解為“元宇宙”浪潮，及算網融合條件下的“元宇宙”趨勢（如圖3所示）。這里的“元”可以理解為初始之源頭，以及不斷迭代發展的起點，類比“元旦”“元月”等。

圖3 馬克思歷史唯物主義哲學下的“元宇宙”框架

4 “元宇宙”的技術可行性

“元宇宙”技術基礎很多，本文重點研討“算力網絡”和促進其融合的超低時延無線通信技術—5G，即第五代蜂窩移動通信技術。雖然6G是面向未來討論中的新一代技術，在無線電頻譜上擴展到太赫茲，在天線技術上可能引入“超表面”，但是其核心基礎技術依然是OFDM（正交頻分復用）和MIMO（大規模收發天線）等，對比5G并沒有特別的顛覆，所以本文依然以已經大范圍商用的5G技術為重點，研討“元宇宙”的技術可行性。

蜂窩移動通信協議作為一種全球協作創新的技術理論規范，已經演進了40多年，其核心推進組織3GPP居功至偉，該協會集合了來自全球的通信技術專家，竭盡所能的研究提升通信效能的工程技術，R15和R16（第15和16次匯總發布的協議集合）作為5G商用協議的基本版本在全球特別是中國的廣泛部署證明了5G技術的先進性，而近兩年R17和R18正在積極研討的RedCap版本5G技術則充分體現了3GPP組織實用化和產業化的一貫宗旨。

RedCap即“降低性能Reduced Capability”的縮寫，對標5G基線版本的“增強移動寬帶eMBB”，該技術首先保留5G低時延核心結構，并能夠和5G基線版本在空口上兼容，然后積極探討降低算力承載設備成本的方案，有利于排除5G技術在全球切實普及的主要阻礙—終端成本，以便滿足無線網絡的基本需求（如圖4所示）。2021年支持eMBB能力的5G通信模組的售價是499元，這是4G的5倍以上，與一輛中檔自行車的價格相當[11-13]。

圖4 5G RedCap高速&低時延技術在無線網絡基本需求中處于核心位置

首先，為把RedCap終端做到5G基線eMBB成本的30%～40%，專家們主要提出3點建議：

（1）最大頻帶寬度：在6 GHz以內頻段，由100 MHz帶寬降低到20 MHz，對應約80～160 Mb/s下載速率（R18中有提案選擇5 MHz帶寬，有利于降低成本，但不利于網絡兼容，目前尚無定論）；在毫米波頻段，由200 MHz帶寬降低到100 MHz，對應約800 Mb/s下行速率。這樣可以達成現有5G網絡物理層的向下兼容，電信運營商只需做軟件升級就可以平滑接入RedCap設備。

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

車66井區位于山東省濱州市套爾河下游，構造位置屬濟陽拗陷車鎮凹陷大王北西次級洼陷（圖1）。該區古近系沙三段下部發育有巨厚的烴源巖和碳酸鹽巖砂礫巖體，預計蘊藏著豐富的油氣資源。速擴邊，分別部署了車661、車662、車663和車73等井，但產量均不理想。2007年在高產井車66和車660井之間部署一口開發準備井——車66-1井，在沙三下共鉆遇油層3層，總厚度12.6m，壓裂投產初期日產液12t，日產油10t，含水率為10.8%，但累產油僅為813.6t，因供液不足被迫關井。這種狀況體現了車66井區砂礫巖體油氣成藏控制因素的多變性和復雜性。

（3）最大下行調制階數：標準5G要求至少256QAM，RedCap只需要64QAM，這一步對終端設備處理負荷有大規模縮減，非常有利于功耗控制和降低成本。

通過上述對頻帶寬度、天線數量和調制階數等指標的縮減，RedCap有希望在兼容現有5G基線網絡的前提下，把成本大幅下降，預期對應通信模組的價格可以做到一百多元人民幣。

其次，借助當期超百萬座5G宏基站網絡的建設，和未來5G小基站深入場景的普遍部署，以及MIMO多天線、波束賦形、網絡切片等新型技術的應用，比1 Gb/s極限下載速率對社會更有價值的百兆（100 Mb/s）接入將成為可能，即同一個5G發射機（基站）下大多用戶都可以獲得100 Mb/s下載速率，而4G網絡只有信號極好的個別用戶可以享受（如圖5示意）。以1080P到8K不同分辨率圖傳碼流為例，100 Mb/s可以覆蓋1080P的全部和8K的部分H.265壓縮碼流配置，而日常應用的帶寬需求基本都低于高清圖傳，所以該技術的性價比非常高（如圖6示意）。

圖5 單發射機下5G提供比4G更普遍的百兆速率接入的示意圖

圖6 高清圖傳不同配置下碼流和5G RedCap不同配置下載速率對應關系

最后，最重要的是時延，5G RedCap可以保證空口5 ms的基本時延，這使得無線網絡端到端應用時延有希望控制在100 ms以內。

端到端應用時延主要考慮網側和端側兩部分：

第一部分，網側時延又包括空口和傳輸兩方面。其中無線網絡空口接入時延按5G處理，發端5 ms和收端5 ms，而網絡傳輸的時延平均約40 ms，總體為50 ms。如果對比4G最小15 ms空口時延或WiFi6平均25 ms空口時延計算，網側總時延就會上漲到70 ms和90 ms；

第二部分，端側時延主要是發端和收端的本地數據壓縮、解壓縮、渲染、計算、存儲、交互等算力時延，分別是25 ms，總體50 ms，如果未來遷移部分算力到云端，該時延可以進一步下降。

合并網側端側兩部分后，用戶在5G網絡下端到端應用時延在100 ms以內（如圖7所示，4G和WiFi6分別是120 ms和140 ms以上）。而人類有意識的反應時延超過100 ms，也就是說100 ms以內的時延對人來說是“實時的感覺”，進一步合理的推論是“數字虛擬世界”和“自然世界”之間的距離不過是100 ms，突破這個極限它們都是“真實的”[14-16]。

圖7 端到端時延分布示意圖

綜合來看，5G RedCap的廣泛部署可以給算力網絡融合提供“3個百”的高效低時延能力：百元終端算力成本、更普遍的百兆速率接入，以及百毫秒以內端到端時延。這就是“元宇宙”的通信技術底座。

5 一種5G算網融合下的“云化終端”設想

可以預見，在5G RedCap“3個百”賦能的算力網絡中，終端算力將隨著網絡算力的提升而下降，端側轉移出的算力將融入云端，對應一種全新產品形態—“云化終端”可能是未來的流行趨勢，它與當前“用戶端重/云端輕”的智能手機形態恰好相反，即“用戶端輕/云端重”。

核心的差別是在高效低時延數據流轉技術5G RedCap的支持下，用戶端除高清圖傳和基本交互之外的算力全部上交云端，而云端會根據付費情況為每一位用戶部署專屬的、彈性的、匹配的算力資源，以解決不同用戶習慣下的算力和數據流量需求。用戶端提供通用操作系統和常用社交功能后，云端可以為重度游戲玩家分配更多的GPU進行3D圖形渲染；也可以為電影愛好者提供更多的解碼器以播放高清電影；還可以為商務人士提供實時編碼器來壓縮攝像頭拍攝的辦公室空間信息，以順利完成一場遠程視頻會議。上述場景對應的端/云之間5G數據流量也要做相應的匹配，比如包年無限流量套餐。如此這樣“千人千面”的網絡算力配置下用戶端將各得其所。進一步，服務器采用中心管控邏輯，根據用戶需求的變化靈活調度以達到軟硬件資源的高效共享，集中處理數據需要的電能可以統一供應，產生的熱量可以集中處理，這與“碳中和”及“東數西算”的戰略構想不謀而合[17]。

更多的好處體現在用戶端。比如一種“云化手機”：因為配置的簡化，體積、成本、功耗大幅下降，用戶利用減配手機通過無處不在的5G網絡連接云端服務器就有可能獲得超越旗艦配置手機的優異體驗，因為云端算力理論的無限擴展性保證了這一點。用戶端必要保證的硬件為2K以上高清晰的屏幕、高清解碼和驅動屏幕芯片、連接網絡的5G RedCap通信芯片和電池。

未來，更輕薄，擁有更高分辨率的XR（混合現實）云眼鏡等“云化終端”完全可以提供給用戶媲美真實世界的沉浸式虛擬世界體驗，這類“元宇宙”的入口設備必將對智能手機的市場地位提出強有力的挑戰（如圖8所示）。當前流行的網易云游戲平臺和咪咕快游等網站就是“元宇宙”入口的雛形[18]。

圖8 “云化終端”演化過程的設想

“云化終端”在工業物聯網領域也將大有可為：它的本體將聚焦現場環境的實時監測和大量信息的低時延高速回傳，而大部分的數據分析和推理算力都可以轉移到云端，使得終端成本大幅下降，而功耗也可以低到用電池供電而不是220 V市電，進一步再以太陽能和風能等自然動力長久驅動。如此發展就可實現無處不在的物聯網設備部署，為“數字孿生”提供無窮盡的數據支撐。

有理由相信隨著技術的優化、網絡覆蓋的改善和內容的豐富，各種“云化終端”將覆蓋除游戲和工業物聯網以外的人類工作和生活的每一個場景，并如圖9所示成為“算力網絡”的端側核心。5G RedCap帶來的算力網絡重構將大力推進一個全新的技術浪潮，即算網融合和“元宇宙”趨勢[19]。

圖9 “云化終端”成為“算力網絡”的端側核心

6 結 語

算力網絡融合發展的趨勢是不可逆轉的歷史潮流：從上世紀初軍事基地里的大型計算機，到小型家用電器和個人電腦，再到如今可裝進衣兜口袋的智能手機，以及將來有可能出現的作為元宇宙入口的便攜智能眼鏡等輕便“云化終端”，承載算力網絡的設備體積越來越小巧；從只能做單一的導彈軌跡計算，到高清3D在線游戲，再到能給工業物聯網設備做預測性診斷和維護的云端AI技術，以及將來有可能把周遭世界都完全數字化的“超元域”，算力網絡處理的能力越來越強大；從科研機構獨享，到進入千家萬戶，再到人手一臺，以及將來有可能像衣帽一樣日常穿戴，算力網絡與人類生活的關系將越來越緊密。

第三次工業革命及信息技術革命特別是5G及未來6G等無線通信技術具有的超低時延信息流轉能力給算網融合潮流注入了核心動力：如果把計算機程序代碼比作文字，數字化信息比作語言，算力網絡不過是類似小說和戲劇的一種人類文明承載和彰顯的新形式，故包含且不限于上述諸形式的廣義的“元宇宙”在過往或未來必將展開和滲透到人類社會生活的各個領域，并成為人類文明不可或缺的積極部分源遠流長。