【新智元導(dǎo)讀】愛爾蘭東南理工大學(xué)發(fā)表最新《人工智能和6G與元宇宙：基本原理、挑戰(zhàn)和未來研究趨勢》綜述，39頁PDF涵蓋263篇文獻(xiàn)。

自從Facebook被重新命名為Meta之后，關(guān)于什么是元宇宙（Metaverse），它是如何工作的，以及利用它的可能方法，大量的關(guān)注、辯論和探索都在加劇。

預(yù)計元宇宙將是一個快速出現(xiàn)的技術(shù)、用例、能力和體驗的連續(xù)體，將彌補互聯(lián)網(wǎng)的下一次演進(jìn)。

為此，來自愛爾蘭東南理工大學(xué)對AI、6G以及兩者在實現(xiàn)元宇宙的沉浸式體驗中的作用進(jìn)行全面和深入的綜述。

論文地址：https://arxiv.org/abs/2208.10921

首先，作者介紹了增強現(xiàn)實(AR)、虛擬現(xiàn)實(VR)、混合現(xiàn)實(MR)和空間計算的背景和進(jìn)展，然后介紹了AI和6G的技術(shù)方面。然后，作者通過回顧深度學(xué)習(xí)、計算機視覺和邊緣AI的最先進(jìn)技術(shù)調(diào)研了AI在元宇宙中的作用。

接下來，作者調(diào)研了B5G/6G對元宇宙有前景的服務(wù)，隨后確定了AI在6G網(wǎng)絡(luò)中的角色，以及AI在6G網(wǎng)絡(luò)中支持元宇宙應(yīng)用的角色。最后，作者描述了現(xiàn)有的和潛在的應(yīng)用、用例和項目來突出元宇宙中進(jìn)展的重要性。

此外，為了向研究人員提供潛在的研究方向，作者列舉了從上述技術(shù)的文獻(xiàn)綜述中發(fā)現(xiàn)的挑戰(zhàn)、研究差距和經(jīng)驗教訓(xùn)。

引言

2021年，元宇宙開始影響現(xiàn)實世界，原因有: i) 疫情的生活方式，以及 ii) Meta、亞馬遜、蘋果、Netflix和谷歌（MAANG）為他們的用戶發(fā)布了與元宇宙相關(guān)的功能和項目。

自那以后，元宇宙獲得了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的絕對關(guān)注。在當(dāng)前的時間點上，元宇宙可以被普遍視為一個擴展的現(xiàn)實(XR)空間池，其中人類和他們的數(shù)字對等體以完全沉浸式的方式交互[1]-[4]。

根據(jù)最近的一項調(diào)研，大多數(shù)技術(shù)專家認(rèn)為，到2040年，元宇宙的運行將更加完善和無縫，世界各地的人們將能夠充分參與到它的全沉浸式能力中，作為他們?nèi)粘Ｉ畹囊粋€組成部分。

從本質(zhì)上講，元宇宙預(yù)計將整合網(wǎng)絡(luò)空間或萬維網(wǎng)的所有重要方面，如B5G/6G、云計算和邊緣計算、社交媒體、在線游戲、增強現(xiàn)實(AR)、虛擬現(xiàn)實(VR)、加密貨幣以及人工智能(AI)/機器學(xué)習(xí)(ML)/深度學(xué)習(xí)(DL)平臺和應(yīng)用，讓用戶虛擬地進(jìn)行[1]、[5]-[8]交互。

元宇宙的一些早期應(yīng)用，如Roblox、VRChat、Zepeto或Second Life，已經(jīng)允許用戶生活在「不同的」或模擬的生活中，比如交朋友和與新的虛擬人物社交。這些平臺已經(jīng)將AR、VR和MR作為元宇宙的幾個元素。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用頭戴式顯示器（HMD）等各種軟件和通信設(shè)備，用計算機生成的數(shù)字場景取代用戶周圍的真實世界。而在AR中，虛擬世界與現(xiàn)實世界無縫連接，以創(chuàng)造新的互動體驗。最后，MR作為AR和VR及其底層技術(shù)的結(jié)合而出現(xiàn)。

值得注意的是，這些技術(shù)的普及使得AR和VR設(shè)備以合理的價格普及，同時不斷提高用戶體驗的質(zhì)量（QoE）[9]。

然而，為了達(dá)到VR服務(wù)所需的處理能力和通信速度，以提供流暢和沉浸式的體驗，大多數(shù)HMDs仍然要求用戶連接到PC或游戲控制臺。唯一能夠擺脫這種束縛的設(shè)備是Meta的Oculus Quest。在接下來的幾年里，隨著處理器變得更快，無線通信技術(shù)變得無延遲，視覺內(nèi)容和移動設(shè)備的無連接體驗將會有許多改進(jìn)。

特別是隨著5G的存在，連接到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備將會激增，這將對元宇宙[10]的增長產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。5G以低延遲實現(xiàn)了所有連接設(shè)備之間的實時通信和信息交換。

顯然，5G比4G提供更快的速度，但最重要的是，它提供了各種各樣的其他好處，超出速度[11]。具體來說，元宇宙開發(fā)者將能夠通過創(chuàng)建應(yīng)用，近實時地傳輸360?的內(nèi)容，從而受益于5G的低延遲。

元宇宙還將促進(jìn)以人為中心/數(shù)據(jù)為中心的智能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。這一趨勢對現(xiàn)有的5G通信系統(tǒng)造成了許多限制，使其效率降低，不可靠。

例如，考慮到基于觸覺的元宇宙應(yīng)用如隱形傳態(tài)或遙操作的0.1ms延遲要求，5G只能提供小于1ms的空中接口延遲，這對于[12]-[15]這樣的應(yīng)用來說是微不足道的。

此外，根據(jù)思科[16]，移動數(shù)據(jù)流量在過去5年增長了17倍，并有望繼續(xù)增長。特別是，到2022年，5G流量將占全球移動流量總量的12%。

5G網(wǎng)絡(luò)被設(shè)計成能夠覆蓋大范圍的頻譜，如毫米波(高達(dá)300 GHz)，因此可以處理大量的無線流量[17]-[20]。

由于元宇宙將帶來一些可能需要高于Tbps的數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用，而mmWave系統(tǒng)則不太可能出現(xiàn)這種情況，如全息臨場感(HT)、觸覺感覺通信、腦機接口(BCI)和XR[21] -[23]。因此，為了實現(xiàn)Tbps數(shù)據(jù)速率的目標(biāo)，研究人員開始探索太赫茲(THz)頻段(0.1-10 THz)。

6G通信系統(tǒng)有望提供1Tbps的數(shù)據(jù)速率，運行在3Thz的帶寬下，以支持在線游戲、高清視頻直播、全息內(nèi)容傳輸、實時化身互動[24]-[27]等數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用。6G還將提供無處不在的覆蓋和超低延遲(小于1ms)，并通過集成空間、空中、地面、海洋[28]-[30]網(wǎng)絡(luò)，支持約100公里/小時的機動能力。

然而，虛擬教育和培訓(xùn)、精確導(dǎo)航和定位、沉浸式游戲和遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用等元宇宙應(yīng)用都將通過AI和6G實現(xiàn)，使元宇宙更加成功。特別地，計算機視覺的尖端技術(shù)可以用來提供三維動畫人體模型或逼真的動畫人臉，甚至可以用來創(chuàng)建[31]-[33]全息圖。

然而，將3D內(nèi)容用于元宇宙服務(wù)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的可擴展性。因此，元宇宙的崛起使得開發(fā)關(guān)鍵工具和基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要，使元宇宙開發(fā)者能夠構(gòu)建更好、更可擴展的3D/AR/VR體驗，而不管平臺或目的。

原則上，研究人員需要從人工智能的監(jiān)督學(xué)習(xí)范式中邁出一步，采用強化學(xué)習(xí)和自監(jiān)督學(xué)習(xí)等多樣化的學(xué)習(xí)策略，以便在元宇宙環(huán)境中進(jìn)行擴展。此外，6G網(wǎng)絡(luò)的邊緣計算能力可以與AI相結(jié)合，提供邊緣智能，從而減少元宇宙[34]中增強的QoE的網(wǎng)絡(luò)延遲和隱私問題。

受現(xiàn)有技術(shù)和可預(yù)見的挑戰(zhàn)的驅(qū)動，作者在元世界的背景下調(diào)查了AI和6G的最先進(jìn)技術(shù)，以回答以下問題: 如何利用AI、6G和兩者之間的持續(xù)進(jìn)展提供更好和可持續(xù)的元世界體驗？

從上述討論可以清楚地看出，現(xiàn)有的一些調(diào)研集中在AI、6G和相關(guān)技術(shù)的非常狹隘的視角，而其他一些調(diào)研了元宇宙在社會、經(jīng)濟和數(shù)字價值方面的作用。與之相反，在本綜述中，作者提供了以下關(guān)鍵貢獻(xiàn):

作者描述了元宇宙的底層組件，即VR、MR、AR和空間計算。本文介紹了上述技術(shù)的詳細(xì)背景，以便讀者了解技術(shù)方面和最先進(jìn)的技術(shù)，從而實現(xiàn)完全沉浸式的元宇宙。

作者對人工智能的最先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了廣泛的綜述，并研究了人工智能在實現(xiàn)元宇宙中的作用。從本質(zhì)上講，作者定義了人工智能在元宇宙分層架構(gòu)中的角色，其次是計算機視覺應(yīng)用的最先進(jìn)技術(shù)，學(xué)習(xí)范式和元宇宙的邊緣人工智能。

作者通過首先回答以下關(guān)鍵問題來解釋B5G/6G在實現(xiàn)元世界中的作用: i) B5G/6G需要一個小時嗎? ii) B5G/6G能給元宇宙帶來哪些服務(wù)?接下來，通過專門考慮5G-NR、URLLC、mmWave、MEC、thzcomm及其相互作用，作者回顧了沉浸式體驗和無線全息遠(yuǎn)程呈現(xiàn)的最新技術(shù)。

作者還考慮AI和6G在實現(xiàn)元宇宙方面的綜合作用。原則上，作者研究了AI用于6G網(wǎng)絡(luò)和6G網(wǎng)絡(luò)用于AI支持元宇宙的潛力。接下來，作者將在前面提到的技術(shù)環(huán)境中調(diào)研元宇宙的可持續(xù)性，然后是潛在的應(yīng)用和用例以及正在進(jìn)行的項目。最后，作者提出了挑戰(zhàn)和未來的研究方向以及從這次調(diào)研中獲得的經(jīng)驗教訓(xùn)。

術(shù)語「Metaverse」是前綴「meta」（意思是「超越」)和后綴「verse」（「宇宙」的縮寫）的組合。因此，它指的是物質(zhì)世界之外的宇宙。這個「超越宇宙」暗指一個計算機生成的環(huán)境，而不是形而上學(xué)或神秘的概念領(lǐng)域超出物理現(xiàn)實[43]。

元宇宙是完全沉浸式的三維數(shù)字環(huán)境，與網(wǎng)絡(luò)空間不同，網(wǎng)絡(luò)空間指的是所有在線空間。