面向全息通信的６Ｇ 智簡網絡架構

摘 要：全息通信作為一種全新的未來通信范式，通過再現真實物體細粒度畫面，向用戶提供三維沉浸式的交互體驗，克服了傳統媒體交互方式單一和場景臨場感不足的問題。然而，相對于傳統實時通信業務，全方位沉浸的真實全息通信對網絡，特別在帶寬、時延、安全性等多方面都提出了更為苛刻的要求。如何更好地擴展６Ｇ 概念與特征，實現高質量、高沉浸的全息新通信成為當前學術界面臨的一大挑戰。為解決上述問題，率先提出面向全息通信的６Ｇ 智簡網絡架構，旨在通過兩層網絡架構和三維動作模型合理調配６Ｇ 泛網資源，解決全息通信所面對的超高帶寬、超低時延、超大計算等挑戰，推動經濟社會高質量發展。

關鍵詞：６Ｇ；全息通信；智簡網絡架構

中圖分類號：ＴＮ９１９． ２３ 文獻標志碼：Ａ 開放科學（資源服務）標識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１１４（２０２４）０３－０４０７－０６

０ 引言

全息通信作為一種全新的未來通信模式，能夠提供沉浸式的三維交互體驗，使遠程溝通協作變得空前便利。它基于高度復雜的數據處理和傳輸技術實現空間中的三維圖像重建和實時交互。作為一種新興的通信技術，其定義超越了傳統視頻或單純圖像的二維傳輸，旨在實現遠程三維圖像的實時捕捉、傳輸和展示，為用戶提供深入沉浸式體驗。這種場景不僅允許通話雙方實時互動，而且能實現包括眼神、肢體動作在內的深度參與。這項技術為人與人的交流提供了全新的可能性，促進了智能通信、教育、遠程辦公、娛樂生活及醫療健康等服務的進一步發展。全息通信有效解決了傳統語音視頻通話交互方式單一和臨場感不足的問題，使通話雙方能夠以三維形態在特定空間中呈現［１］。Ｇｏｏｇｌｅ 于２０２１ 年推出了全息項目Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｓｔａｒｌｉｎｅ［２］，通過一臺家用電視大小的顯示設備即可裸眼實現在真實的三維空間中與其他人進行包含手勢、眼神的非純語言信息交流。這一通信應用在未來的私人聊天、線上會議、遠程醫療教育等場景中有著無窮潛力，可以為新時代用戶帶來全新通信和內容體驗。

傳統全息通信的過程基本可以分為數據采集、數據傳輸、數據再現三部分，對應的網絡分為采集側、傳輸側、接收側。采集側首先需要高效提取出源影像的視覺、聽覺、動作變化等關鍵全息特征數據。在數據采集環節完成后，數據傳輸到云端處理中心，在這里進行全息數據的深度處理，比如信號編碼、圖像初步渲染等。這一環節確保了全息圖像可以在不同的設備上正確展示，同時也負責將數據處理到適合傳輸的帶寬和格式。處理完成的數據隨后從云端傳回網絡，并傳輸到接收側的移動設備或者固定全息顯示設備。在接收側，數據被解碼和渲染，最終在顯示設備上展現出來［３］。

然而，全息通信對網絡的要求極為苛刻，同時在帶寬、時延、安全等多個方面對現有通信網絡提出了挑戰。為了傳輸高質量的全息圖像，采集側需要提取出投影對象的大量立體光學特征數據供數據接收端重建和渲染，由于全息圖像之中包含了幀率、視角傾斜度、空間相對位置等遠超傳統二維圖像的數據信息量，網絡的數據傳輸率需達到百Ｇｂｉｔ／ ｓ 乃至Ｔｂｉｔ／ ｓ 級別，同時為了保證圖像的實時性和交互的流暢性，網絡延遲需求必須低至微秒級。由于全息圖像被還原后可能包含人臉、聲音數據等敏感信息，網絡也必須有安全性的保障，而現有的端到端防護措施都會影響帶寬、提高時延，這與全息通信的高要求形成了矛盾［４］。通信網絡在近十年來的發展，雖然在速率和延遲上取得了顯著進步，但仍難以滿足全息通信對極高數據率和極低延遲的雙重要求。全息視頻通話預計需要１００ Ｇｂｉｔ／ ｓ 以上的數據傳輸速率才能實現高分辨率和三維深度信息的無縫傳輸，這遠遠超出了５Ｇ 網絡上限２０ Ｇｂｉｔ／ ｓ［５］。此外，全息通信對網絡的可靠性和連接密度也提出了更高要求。在全息通信場景下，任何數據丟失或延遲波動都可能導致用戶體驗嚴重下降，這要求網絡能確保幾乎任何場景下數據通信都能穩定維持進行。同時，為了支持大規模用戶同時進行全息通信（如體育賽事、音樂會、大型會議等使用場景），網絡的連接密度也需大幅提升，達到千萬臺／ ｋｍ２ 的水平［６］。

６Ｇ 技術的部署應用將成為滿足全息通信需求的關鍵。６Ｇ 網絡旨在性能上全面超越現有的５Ｇ 網絡，提供高達１ Ｔｂｉｔ／ ｓ 的峰值數據速率、微秒級別的延遲和完全可靠。６Ｇ 還計劃采用先進的通信技術，如太赫茲頻段傳輸［７］、先進的天線技術以及新一代網絡架構，以應對不斷增長的數據需求和日益復雜的網絡環境。此外，６Ｇ 還將深入探索衛星網絡和地面網絡整合的可能，以實現全球范圍內的無縫覆蓋［８］。

然而，如果繼續沿用現有的通信網絡架構，勢必需要引入更加復雜的設計和投入更大規模的通信、硬件資源來支持全息通信技術。而當前通信技術升級迭代的速度已經難以滿足全息通信的資源需求。如何在未來６Ｇ 網絡下支持高效的全息通信成為當前６Ｇ 網絡發展的迫切需求。因此，在這樣的背景下，本文探討并設計了面向全息通信的６Ｇ 智簡網絡架構。智簡網絡架構［９］，作為一種全新的未來網絡架構，其核心理念是“智慧內生、原生簡約”。通過人工智能和下一代通信技術的深度融合，智簡網絡架構持續探究和利用新的智能本原，利用語義通信、柔化鏈路等全新技術，實現內生簡約的高效網絡數據傳輸。因此，在未來６Ｇ 網絡下，構建全新的面向全息通信的智簡架構，對于實現大規模、高質量、公平可靠的全息通信具有重要意義。雖然智簡網絡架構為高質量的全息通信服務提供了行之有效的解決方案，如何實現面向全息通信服務的智簡架構，還面臨著一系列挑戰?，F有的智簡網絡主要關注于如何通過人工智能技術與通信技術的深度融合支持通信的語義解析，沒有關注全息通信服務的業務特性。在這一服務中，用戶之間多模態的交互機制，例如語音、動作甚至意念等都會影響到數據傳輸的效率［１０］。如何支持這一特性，需要深入分析全息通信業務特性，在智簡架構中融入用戶行為感知、認知設計，為智慧高效的全息通信提供認知基礎。

本文的主要貢獻包括：① 首先介紹了面向全新通信的智簡網絡架構，描述了智簡網絡下全息通信的設計原理；② 在此基礎上，介紹了智簡網絡通信架構的一系列關鍵技術；③ 討論了全新通信智簡架構未來的發展以及一系列開放性問題。通過上述研究，提出一種以智簡網絡架構為基礎、多維智慧化識別調度為延伸的支撐全息通信網絡的架構。該架構能夠應對多重通信要求，合理識別映射，調度云端與本地資源，最大程度地解放采集側和接收側兩方用戶的資源壓力，解決全息通信探索階段高帶寬、低時延帶來的網絡壓力［１１］，同時滿足我國下一代６Ｇ 網絡發展的迫切需求。

１ 面向全息通信的智簡網絡架構概述

在傳統全息通信網絡架構設計中，主要的數據處理傳輸流程都在云處理中心進行，這一方案過于集中化，對云端的處理計算能力提出了很高要求，如果云處理中心出現故障，整個全息通信服務可能會受到影響，這增加了系統的脆弱性。在采集側和接收側，用戶只是單純地申請業務、等待服務，這一架構無法提供泛用的全息通信服務。

針對現有網絡體系在支撐全息通信業務方面的局限，率先提出了一個創新的網絡架構解決方案，它基于“智簡”原則，實時感知環境、理解用戶需求，并根據環境特征和需求特征調節系統，通過接入需求、自主推理及網絡組織，最終實現自身的智慧內生、原生簡約［１２］。這一智簡網絡架構包含兩個核心層次：“智簡服務接口模塊”“全息通信業務智簡適配模塊”，并沿“智能識別”“智能響應”“智能決策”三個關鍵維度展開。其旨在將現有的集中式網絡架構轉化為分布式結構，將計算任務下沉至采集側，實現智簡。其大體的結構如圖１ 所示。

在６Ｇ 智簡架構中，承載網節點設計以本原信息論為理論基礎，優化整體熵減從而重塑通信與網絡。并且通過語義基（Ｓｅｂ）連接意圖和比特，實現超柔性鏈路設計，從而支持高效的全新通信服務智簡服務接口模塊收到全息通信業務請求：全息通信服務始于智簡服務接口模塊，它是用戶或應用程序提交全息通信業務請求的入口。該層的主要職責是作為用戶與全息通信系統之間的橋梁，接收來自各種終端和應用的請求，對請求進行初步的分析、識別和判斷，確定用戶需求的具體性質和范圍，包括的業務范圍有全息圖像的傳輸、全息視頻會議的建立，或是更加復雜的全息數據交互；與傳統的全息通信架構相比，智簡服務接口模塊強調結合過往歷史業務解讀用戶核心需求，從采集側開始減輕資源調度負擔。

全息通信業務智簡適配模塊進行解析映射后處理業務：一旦業務請求被識別和理解，就會被傳遞到全息通信業務智簡適配模塊。這一層的核心功能是將抽象的業務需求轉化為具體的技術操作。通過智能算法解析請求的本質，映射出所需的數據類型、處理流程和資源需求。這個過程包括識別需要哪些模態（如視覺、聽覺、觸覺等）的支持，以及如何最有效地結合這些模態以滿足請求。該層的智能化程度直接影響到系統的靈活性和效率，使得全息通信能夠適應多變的應用場景和需求［１３］。在全息通信中，資源管理的優化是一大關鍵，因為它需要大量的計算和數據傳輸能力做支撐，智簡方案通過更合理的資源分配和利用，化繁為簡，提高了系統的總體性能，同時通過提供便于用戶自主添加修改的系統組件，實現了更強的擴展性，以應對不斷變化的技術需求和市場需求。

２ 全息通信智簡架構關鍵技術

本節將重點介紹全新通信智簡架構的關鍵技術，該架構的詳細設計如圖２ 所示。

２． １ 智簡服務接口模塊

智簡服務接口模塊作為用戶和系統交互的第一接觸點，其職能在于接收用戶需求、解析這些需求并將其轉化為系統能夠理解和執行的指令［１４］。

感知智識：系統通過智簡服務接口模塊識別會議發起人作為請求發起者的身份信息，包括其用戶賬號、設備類型以及網絡狀態等。在會議參與人發起參加會議的請求時，也同樣按這套流程被系統標識，錄入對應的網絡信息。這些信息幫助系統確認請求的有效性和來源，為后續的服務定制提供基礎［１５］。

身份智鏈：系統分析其會議請求的具體要求，如會議時間、參與者名單、預期的互動功能等。這些行為動作信息將指導系統進行資源調配和技術選型，確保會議能夠按需順利進行。具體而言，智簡服務接口模塊需要在本維度找到請求人自身關于會議的質量水平的要求，如清晰度、時延要求、可互動程度等多方面的要求，為接下來的決策調度提供最基本的參考［１６］。

策略智核：基于累積的知識庫和優化策略，系統決定最佳的策略。在這層中系統需要選擇最符合用戶需求的數據壓縮格式，初步確定網絡傳輸路徑，并分配必要的計算和存儲資源，將這套會議的任務封裝后，轉交給全息通信業務智簡適配模塊［１７］。

２． ２ 全息通信業務智簡適配模塊

全息通信業務智簡適配模塊是全息通信架構中的關鍵層次，具體實現上層業務需求。以交互性強、需要多方參與和對等通信的全息會議為例，來解釋智簡適配模塊的設計。

智能解析：全息通信業務智簡適配模塊識別和處理來自智簡服務接口模塊的各種請求實體，包括用戶、設備、服務等。這一維度確保系統能夠準確識別請求的來源和性質，為進一步的處理和適配提供基礎。在本場景中，系統能夠通過實體標識識別出會議主持人、參與者，他們需要的服務質量，以及他們在傳輸網絡中存在的相對位置，從而做出針對性的適配決策。

智能映射：確定請求實體后全息通信業務智簡適配模塊在網絡層面對資源的請求進行映射，從信息層面確定節點關系。這意味著分析會議組網請求中包含的具體需求，如決定選取傳輸協議、調度路徑優化等方面［１８］。

智域調控：科學合理調度是全息通信業務智簡適配模塊的智能核心，它利用累積的知識庫和優化策略來指導適配過程。在全息會議的描述中，這一維度通過分析過往的會議數據、用戶行為和系統性能，不斷優化會議的技術方案。這包括動態調整網絡帶寬分配、優化數據壓縮比例、調節渲染質量等，以適應不同的會議規模和交互需求。通過智能化的策略調整，全息通信業務智簡適配模塊能夠提升全息會議的整體效率和用戶體驗，實現柔性的簡約網絡［１９］。

３ 未來發展與開放性問題

６Ｇ 智簡網絡架構為全息通信的發展描繪了一幅宏偉的藍圖，通過精心設計的兩層架構和智能自簡，提供了一種高效、靈活且安全的全息通信解決方案，為實現高度真實、互動的遠程交流提供了技術基礎。然而，在全息通信邁向廣泛應用的道路上，仍然面臨著一系列挑戰。

① 技術成熟度和成本：全息通信依賴于高度先進的技術，包括光場捕捉、高速數據傳輸、實時圖像渲染等，這些技術的研發和應用需要巨大的成本投入和長期的技術積累。而目前相對應的設備在集成度、精細度和成本方面都仍未達到可以投入商業化的水平。而不使用這類大型設備就必須使用傳統的佩戴式３Ｄ 設備，在聊天、遠程醫療等潛在場景中，全息通信的效果會大打折扣。

② 帶寬延遲要求：雖然智簡架構旨在優化資源使用和提高通信效率，但全息通信對網絡帶寬和傳輸延遲的要求依然極高，這對現有的網絡基礎設施提出了更高的要求。５Ｇ 時代能夠保證的全息通信仍然是低全息、２Ｄ 全息以及入門級全息，６Ｇ 的大規模部署，才能保證３Ｄ 的真全息［２０］。

③ 安全性和隱私保護：隨著通信內容的多樣化和復雜化，如何確保數據的安全傳輸和用戶隱私的保護成為了一個重要挑戰。全息通信中包含的個人身體隱私更多，必然會帶來更多的安全防護挑戰。

全息通信以其獨特的能力超越了傳統的平面通信形式，展示了一個全新的溝通世界。在未來，全息通信具有著廣闊的應用前景：可以提供沉浸式的學習體驗。通過全息通信，醫生可以遠程進行診斷和手術指導，極大提高醫療服務的可及性和效率。全息技術也為娛樂行業提供了全新的平臺，人們可以以全息通信參與虛擬演唱會、展覽會等活動，開啟新型娛樂方式。曾經科幻小說描繪的種種未來娛樂體驗，極有可能走進現實的生活。成熟的全息技術還有望使用于戰場模擬，使得軍事訓練能夠涵蓋更多戰術層面的演練，如城市戰、山地戰、夜戰等不同場景。

應用智簡網絡架構的全息通信技術雖然面臨著一系列挑戰，但其未來的應用前景無疑是廣闊的。隨著相關技術的不斷成熟和網絡基礎設施的改善，全息通信有望在教育、醫療、娛樂、國防等多個領域實現革命性的變革，為人類社會帶來前所未有的交流和互動體驗。

４ 結束語

習近平總書記在強調建設網絡強國的戰略部署時指出，這一發展方向應與“兩個一百年”奮斗目標同步推進。國家重大需求，如推進信息化與工業化深度融合、提升公共服務效能、保障國家安全等方面，都需要強大而先進的通信技術作為支撐，在這一戰略指引下，構建面向全息通信的６Ｇ 智簡網絡架構顯得尤為重要。全息通信技術不僅是科技創新的產物，更是國家戰略需求和民生改善的緊密結合體。全息通信技術的發展，可以幫助城鄉教育資源的平衡分配、提升基層醫療服務水平、提高國民文化軟實力。６Ｇ 智簡網絡架構的研究和部署，將在推動經濟高質量發展、保障國家安全、提高人民生活質量等方面，發揮出重大而深遠的影響。

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