高階實境傳輸有解　5G解鎖元宇宙成功條件

元宇宙(Metaverse)可說是目前最熱門的話題之一，很少人沒聽過。不過，如果想要實現元宇宙的全部潛能，就需要搞清楚5G和元宇宙的關係。本文將探討5G支援的創新應用，例如元宇宙VR、元宇宙XR，並瞭解元宇宙將如何幫助實現Web 3.0。

或許你已經接觸過元宇宙了。Minecraft玩過了嗎？或者Fortnite？還有Pokémon Go以及Roblox？正在閱讀本文的資深元宇宙玩家想必經常光顧Decentraland，甚至可能已經舉辦過自己的同質化代幣(NFT)藝術展。

第一段就出現了這麼多新名詞，是否有點眼花撩亂？讓我們步步深入，了解這些新名詞背後的含意，以及它們如何與另一項新興技術「5G」相融合。

元宇宙定義

元宇宙這個詞誕生於尼爾·斯蒂芬森(Neal Stephenson)1992年出版的科幻小說《雪崩(Snow Crash)》。這個詞幾十年來未曾引人重視，直到Facebook宣布大力發展以VR驅動的元宇宙虛擬實境。市值上兆美元的Facebook甚至為此改名為Meta。此後，網路、設備製造商和電信商都興奮起來(圖1)。

元宇宙的概念當然不單單屬於Meta。對於不同的人，元宇宙有不同的意義。在此提及元宇宙的幾種正式定義，但更重要的是關注這些定義背後蘊含的三個關鍵要素。

首先，也是最重要的一點，元宇宙具有社交要素。元宇宙不只是一個虛擬空間，可以在上面獨自或和朋友消磨時間(花費金錢)。元宇宙企圖在虛擬世界中打造人類社會獨特的社交機制。在這個虛擬世界中，你和/或你的虛擬化身可以與其他人互動，包括眼神交流、肢體溝通，甚至是握手和擁抱。

其次，元宇宙有很強的虛擬敘事性。對一些人來說，元宇宙是純粹的虛擬世界，可以使用VR眼鏡進入那個世界遊覽。舉例來說，Fortnite便可使用VR眼鏡進行。對於另一些人來說，元宇宙在現實世界也有重要的意義，可透過擴增實境(AR)或更具互動能力的混合實境(MR)技術，將數位內容交疊至現實世界中。Pokémon Go便可透過手機或AR眼鏡進行遊戲。無論如何，隨著虛擬內容不斷增加，我們的體驗以及社交方式同樣得到增強。訪問虛擬世界、得到觸覺回饋，這些都離不開3D擴增實境設備，以及作為過渡期使用的WebXR技術2D螢幕。

其三，元宇宙擁有新技術加持，例如Web 3.0、區塊鏈、NFT、5G、數位分身、人工智慧和XR設備。沒有這些技術，元宇宙也能存在，但是要想升級和擴展就非常困難。後文將提供更多範例，不過首先，要深入探討元宇宙的組成要件。

元宇宙和Web 3.0

先來深入探究一個概念：Web 3.0，其經常出現在元宇宙相關的討論之中。這個詞已經用得過於頻繁，但實際上，Web 3.0所指為利用區塊鏈技術發展起來的新型去中心化網路。

Web 3.0的重要性體現在「所有權」。當前的網路應用(如社群平台)皆為集中擁有。無論是金錢交易、程式更新和關閉決策，都繞不開應用擁有者(應用開發公司)。

Web 3.0去中心化，歸功於區塊鏈的去中心化屬性，所有權分散。這種新模式對營運效率和能源效率提出巨大挑戰，但也為新型網路及經濟體系提供新的機會，讓使用者成為網路的中心。它還能為應用提供互操作性，就像IP能為網路和設備提供互操作性一樣。這一點將在下文進一步解釋。 去中心化的Web 3.0如同過去的中心化Web 2.0正在快速發展。與此同時，各類軟體也正快速發展，例如Filecoin或IFPS(相當於Dropbox)、Brave(相當於Chrome)、Metamask(相當於PayPal)和DTube(相當於YouTube)。Web 2.0應用由Windows或macOS等作業系統驅動，而Web 3.0應用則由去中心化作業系統驅動，例如乙太坊(Ethereum)。

Web 3.0作業系統也被稱作基礎設施層，支援分散式應用，或稱dApp。乙太坊是最流行的Web 3.0作業系統，但其並非唯一，其他區塊鏈技術還包括Solana、Polygon、Tron、Cardano和EOS。

這些基礎設施區塊鏈支援一種或多種有價代幣(Value Token)。例如，比特幣區塊鏈僅支援一種有價代幣，即比特幣。乙太坊支援多種有價代幣，每種代幣自成生態。在乙太坊上所使用，並且與元宇宙相關的有價代幣有SAND、MANA、AXS和GALA。使用這些代幣，就可以在虛擬世界進行交易。這一層通常稱為代幣層。

再看到元宇宙。我們也可以使用這些代幣進行固定資產或動態資產的交易，因此這層也稱為資產層。例如在元宇宙平台Decentraland，可以使用MANA購買、出售或租借土地，而透過OpenSea平台，可以購買數位藝術品並放置於Decentraland的土地。之所以能這樣做，是因為Decentraland和Opensea互通，兩者皆運行於乙太坊作業系統上。

整合上述Web 3.0內容，將發現一個相當於OSI的堆疊正在興起，運行在傳統的網路上。為了實現高效能運行新興OSI，底層網路技術必須無縫銜接。這時，無線連網的5G技術就像及時雨。

元宇宙VR/AR設備

在談論5G和網路之前，我們先來聊聊設備，可以把它們想像成現實世界與元宇宙相連的代理伺服器或傳送點。現階段，我們要用鍵盤和觸控螢幕來進行互動，而且還需要先學會如何操作相關介面。從使用者體驗的角度來看，新型的元宇宙設備，可讓使用者進行更符合直覺的互動，進而更輕鬆地使用數位內容和資訊。

作為連接兩個世界的代理伺服器，這些設備要把現實世界的訊息翻譯給虛擬世界，同時也要把虛擬世界的訊息翻譯給現實世界。

把現實世界的訊息翻譯給虛擬世界，即感知現實環境，透過大規模感測器生態系統實現，也塑造了物聯網。對元宇宙來說，物聯網技術依賴雷射雷達、攝影鏡頭、3D運動捕捉設備、觸覺感知服飾和手套、神經手環甚至類似Neuralink的設備。

把虛擬世界的訊息翻譯給現實世界，即取用元宇宙中的內容，則由大規模VR、AR和MR(三者加上觸覺和其他知覺的交互技術常統稱為XR)生態系統實現(圖2)。此外，還有全息投影設備。

VR是指空間隔離的電腦所生成的3D環境，人們可以使用頭戴顯示器(HMD)和遊戲控制器與其進行即時互動。VR設備在企業市場和消費者市場都有實質增長，熱門產品包括Oculus Quest 2、Varjo VR-3、Playstation VR、Valve Index和HP Reverb G2。

與之相對，AR是在現實世界的基礎上，觀看疊加上去的虛擬內容。熱門AR裝備包括平時使用的智慧型手機，使用帶AR濾鏡的應用程式就能實現AR功能，這類應用包括Instagram、Snapchat和TikTok。專用AR設備有HoloLens 2、ThinkReality和Nreal。此外，還包括Mojo Vision和InWith，可能用於AR隱形眼鏡。AR的未來看起來觸手可及。

MR則是將虛擬內容疊加至現實世界，並能進行即時互動。我們甚至可以想像，在未來，人們在虛擬世界中的動作可以透過致動器「重新程式設計」現實世界。愛立信(Ericsson)6G研究團隊已經構思出一幅未來藍圖，那是一個可程式設計的世界，一個虛擬與現實融為一體的時空。

AR和MR需要空間一致性。如果用戶在現實世界中移動，那麼虛擬疊加內容應錨定於現實世界。例如，某位AR/MR使用者從現實世界的一張桌子離開，那麼放在虛擬世界桌子上的花瓶，就應當遵守近大遠小的原則。

VR率先出現是因為它只需要有限的電腦運算，就能以可控的方式渲染(Rendering)環境。現在，電腦運算和光學技術都有所提升，AR/MR技術也會緊跟而上。這些是目前用來支援元宇宙社交要素最好的技術。

最後，全息投影技術近年也逐漸升溫，儘管目前仍無法確定其是否可能完全實現。傳統VR和AR是在2D表面渲染3D世界，而更高級的立體AR還能給觀眾帶來全息般的體驗。真正的全息影像技術是利用光的相位差重建3D世界。這種圖像會更清晰、更3D化，不過，生產商用級相位同調光學設備目前來說非常困難。

上述所有設備都需要具備佩戴舒適、重量輕便且價格合理等特性，尤其需要高性能、可靠而安全的網路，目的為將控制和運算任務從設備轉移到邊緣。設備需要盡可能降低延遲，而邊緣伺服器需要能夠即時渲染圖形，接著將資料回傳至頭戴設備。

儘管設備生態系統仍在萌芽階段，XR生態系統已經有所行動，使用Boundless XR和CloudXR技術。這些多存取邊緣運算(Multi-access Edge Computing, MEC)技術幫助提升沉浸式使用者體驗。VR眼鏡可以展示更高細節等級(Level of Detail, LOD)的內容，而AR眼鏡可以支援更複雜的現實世界互動。當然，這些都有其代價。

值得注意的是，AR/VR設備與邊緣雲端伺服器間的資料傳輸需要在毫秒之間完成，最好有確定的延遲，且資料傳輸率高。因此，可靠、安全且低延遲的無線網路對於XR設備至關重要，而目前唯一能夠實現這種無線連網的技術就是5G。

網路要求：5G全力支援元宇宙

總體而言，5G的發展時間不短。過去的電信業僅須考慮連網問題，而這些年來，電信生態系統多樣發展，各種廠商、營運商、原始設備製造商、公有雲端服務商和應用開發商紛至沓來，因為「無線連網」精妙而迷人。

在元宇宙的背景下，很多連網以外的功能和需求都要列入考量，可參考表1，包括隨時隨地存取、商用級XR設備、邊緣雲端功能、相關標準以及開發社群易用性。接下來將詳細討論各個要點。

說到隨時隨地存取，目前已有多種無線連網技術。最流行的如藍牙、Wi-Fi和行動技術。藍牙的局限在於傳輸範圍、速率和可靠性。當前版本的Wi-Fi可提供所需的高速率，但會遇到訊號壅塞的情況，多個XR設備同時連接會產生很高的延遲。Wi-Fi 7將解決壅塞問題，但是在傳輸範圍和全球覆蓋率方面遠不及行動技術。同時，Wi-Fi 7不提供服務等級協定(SLA)保證，但5G的網路切片可以提供SLA，這對於許多企業應用是必要條件。

5G帶來的好處，不限於傳輸速率、範圍、可靠性和延遲。實際上，目前5G的平均下行/上行速率是每位使用者200Mbps/30Mbps。根據調度器、無線承載配置和無線條件的選擇，可實現的延遲在頻率範圍1(FR1，即低於6GHz)的10ms和FR2(高於24GHz，如毫米波段)的5ms之間。如今5G的可靠性可以達到99.99%，未來幾年，可以達到小數點後五到六個9的可靠性。

5G對XR來說夠用嗎？

讓我們試想一下：如果使用者使用VR時移動頭部，新的沉浸式影像需要在20毫秒(理想情況下應低於10毫秒)內進行投影，以避免眩暈發生。對於AR來說，延遲要低於30毫秒，才能確保單人體驗時，虛擬物件能夠錨定在環境中，多人體驗時，延遲要求更加嚴格。設備本身的智慧處理技術，例如異步時間扭曲(Asynchronous Time Warp, ATW)，在頭部位置發生變化後，重用舊內容，有助將延遲要求降低1.5到3倍。

根據邊緣雲端XR處理的速率要求，可區分為3類場景，即XR任務處理轉移的低、中、高3種情況。

在純VR場景，最理想的目標是將大部分(甚至是全部)內容轉移到邊緣雲端進行處理。這種高轉移情況需要較高的下行速率，與渲染環境的解析度成正比。根據最新的GSMA研究，2K H.264編碼資料流需要30Mbps，而8K H.266編碼資料流需要高達800Mbps的速率。上行速率無關緊要，只需不到2Mbps，因為傳輸的資料只有頭戴設備方向資訊，以及一些由觸覺手套生成的控制資訊。

對於AR場景，一些空間感知任務需要由系統進行處理，由此產生三種轉移情況，如圖3所示。下行速率要在20~80Mbps，上行速率則為10~40Mbps，取決於轉移到邊緣雲端的任務類型。

說到延遲需求，GSMA研究根據XR互動的頻率進行區分：弱互動(如廣播)的延遲要求僅為10~20秒；中度互動(如XR視訊會議)需要200毫秒；強互動(線上遊戲或可互動的體育遊戲)則需要低於20毫秒的延遲。

隨著更多任務轉移到邊緣雲端處理，超輕量級且容易取用的XR設備成為可能。毫無疑問，轉移至邊緣的任務越多，對設備處理能力和電池的要求就越低，有助於優化產品外觀，讓設備重量更輕，價格也能更加實惠。

根據愛立信進行的相關測試，在工作負載低度轉移的場景下，設備能耗可以降至原來的三分之一；中度轉移場景下，降至原來的四分之一；高度轉移場景下，降到七分之一甚至更低。這種降幅非常可觀，可直接提升使用者體驗。

邊緣雲端的支援對於擴展XR非常重要，其為實現元宇宙的基礎技術之一。有了邊緣雲端的支援，設備可以更實惠、重量更輕，能力卻依然強大，並且電量充足，能夠長時間保持連接。邊緣雲端的挑戰是任務轉移的量，不僅要盡可能支援更多的任務轉移，還要保證應用的關鍵性能表現，提供可接受的QoE，無論使用者是普通遊戲玩家，還是打造下一代元宇宙產品的企業使用者。如圖4所示，為了應對上述挑戰，未來營運商網路將出現更多邊緣雲端類型的解決方案，使用具備本地卸載功能的UPF，讓任務內容距離核心網路更近，能夠更快進行處理。

隨著元宇宙生態系統日益複雜，訂立相關標準和開發標準化介面有助於確保元宇宙中各要素的互操作性。但是，僅讓元宇宙運行於一個共同的區塊鏈作業系統(如乙太坊)並不足以滿足這點。互操作性需要跨越區塊鏈、跨越現實與虛擬世界，還要相容於各種元宇宙所需的技術和產品，例如觸覺設備。

因此，IEEE Haptic Codecs標準化小組在P1918.1.1開發出體感和觸覺訊號的編解碼器(Codec)，通常稱為「觸覺的MPEG(MPEG of Touch)」。IEEE根據通用硬體和軟體參考設計，為觸覺編解碼器技術制定準則，如此便能避免供應商鎖定(Lock-in)，長遠來看，有利於觸覺設備的大規模推廣。

新型全息投影技術和XR也需要制定類似標準，以避免供應商鎖定技術，確保互操作性。目前已有多種標準誕生，如MPEG(ISO/IEC)、3GPP、ETSI ARF、VR-IF、OpenXR和Open AR Cloud。最重要的一點是確保虛擬世界的互操作性。這種從多個元宇宙向單一元宇宙發展的過渡期，不亞於當年從多個區域網路(LAN)向如今網際網路發展的過渡期。

針對開發者存取難易度而言，重要的是確保全球性大型內容開發者社群可以輕鬆將進階XR功能整合至商業級和企業級應用中。這就需要使用5G原生API，最好根據不同的開發者社群，將API嵌入SDK。這些API將幫助開發者提高他們的XR應用使用者體驗。

其中一項例子就是網路切片API。開發者希望使用直觀、操作上熟悉的API。儘管很多功能都可以由第三方提供，但仍有些存取5G數據機的功能，需要對底層作業系統進行調整，這時就需要依靠設備平台提供者。更廣泛的生態系統有機會攜手合作，打造更好的API提供給開發者。為此，需要盡早獲取開發者社群的回饋。

開放帶來安全挑戰

儘管上述新技術的發展振奮人心，但有一個重要的問題擺在我們面前，是元宇宙走向成熟繞不開的門檻：隱私問題。儘管很多隱私問題已經能透過電信標準進行規避，卻尚且無法達到應用級別的隱私保護。試想一下元宇宙帶來的隱私問題，誰來保護未來的孩子不受有害內容或有害沉浸式體驗侵害？誰能保證使用者的真實身份不被洩露？又有誰能保證使用者不會被無窮無盡的廣告侵擾？

此外，還有許多技術解決不了的問題。例如，元宇宙技術的快速發展超過相關標準制定的速度，除了電信標準，還急需觸覺、XR、編解碼器和元宇宙互操作性的標準。另外，元宇宙內容的缺失也會構成問題，而與此相關的，就是生態系統，需要各路玩家不斷提供虛擬化身、非同質化代幣、教育素材等各類內容。其他問題則圍繞商業模式、法律規範和網路中立。

最後，如果希望元宇宙能夠反映出真實世界的社交要素，就需要在虛擬世界裡制定一套道德法則。使用者需要接受該社會規約，並由去中心化的體系負責監督。此外，也需要確保安全性，保護個人隱私，避免元宇宙被拿來當武器，助長民族和國家衝突。

新興元宇宙應用和服務

儘管元宇宙面臨重重挑戰，但在接下來的幾年甚至可能每隔幾個月時間，5G的覆蓋範圍將不斷提升，讓XR愛好者隨時隨地連入元宇宙，享用新奇的應用和服務。

為了避免未來元宇宙XR資料壅塞，需要更進階的網路服務。這是電信商創造營收的好機會，例如，電信商可以收取專用的元宇宙網路切片費用，或者收取基於位置的服務(LBS)費用，也可以打造自己的元宇宙生態系統。

一旦實施，5G基礎設施就將支撐進階的商用級和企業級元宇宙應用。想像一下，到2025年，這一切發生在你的元宇宙中：你的下一次商務會議，可以在全沉浸式虛擬空間中展開，會議結束，你「走出」會議室，使用加密貨幣訂購一份披薩。

在元宇宙中做買賣需要元宇宙基礎設施完全上線，XR設備廣泛採用，無線網路暢通，經濟要素準備就緒，例如加密貨幣交易。完成這些準備，客人就能來你的店裡進行消費。

元宇宙中的商用級應用是什麼？元宇宙會打造出下一個網路嗎？儘管元宇宙生態系統仍處於萌芽階段，可以肯定的是，促成元宇宙的關鍵應用一定是遊戲。有些人認為，現在遊戲開發商對於元宇宙的貢獻，就好比幾十年前網頁開發者對於網路的貢獻。鑒於目前Roblox和Minecraft的全球每日活躍用戶已經高出Facebook和Twitter十倍，可以期待它們為元宇宙帶來新面貌。

5G成為元宇宙背後推力 

元宇宙需要高可靠度、高傳輸量和確定延遲的網路，只靠當今的行動網路遠遠不夠。5G已經整裝以待，但仍面臨一些問題，如網路密度、頻譜可用性、室內/室外網路容量增強，以及廣域行動寬頻(MBB)、任務關鍵型通訊(MCC)和XR服務的共存問題。

愛立信目前的5G核心網路產品組合可以有效推進元宇宙的發展，包含各類軟體組合，例如時間關鍵型通訊(Time-Critical Communication)，以及出色的硬體設備，來保障確定性延遲、高可靠度的即時服務(如XR)。目前這些產品已可實現許多功能，而隨著3GPP標準的推進，愛立信將推出更多服務，幫助元宇宙發展。

只提供高品質網路並不足夠，所有生態系統中的玩家都需要加入，攜手制定相關研發和標準化的藍圖。如果沒有緊密的合作，元宇宙就不可能在幾年內成形，甚至無法順利發展。愛立信正在生態系統中發揮其作用，透過提供5G網路(最終將升級為6G網路)支援元宇宙的發展。

(免責聲明：本文內容由台灣愛立信授權新通訊雜誌刊載，部分內容來自愛立信白皮書What is the metaverse and why does it need 5G to succeed? The metaverse 5G relationship explained。本文由愛立信專家針對5G和元宇宙概況提出綜合評析，不代表愛立信對任何單一市場的看法。)