元宇宙相关支撑技术和发展瓶颈

元宇宙催生了现实世界与虚拟世界并存融合，对世界发展将产生重大影响，本文将着重探讨元宇宙概念及意义、相关支撑技术、发展面临的问题和未来挑战等。

 

元宇宙的概念及意义

元宇宙的历史起源可以追溯到《西游记》的诞生。《西游记》是中国文明对世界文明的一个非常大的贡献，这本书中提到了四个著名的能力：千里眼、顺风耳、筋斗云和七十二变。这四个能力不只是天马行空的想象，其实也是人类对期待的未来的描述。当代，除了七十二变，千里眼、顺风耳和飞毛腿都已经通过电视、电话和飞机等发明实现。随着技术的发展，在未来七十二变也是有可能实现的。1992年的科幻小说《雪崩》中描述了一个利用互联网技术和虚拟现实技术创造出来的、比地球还要大的元宇宙世界。到2021年，原Facebook公司更名为Meta（元宇宙），致力于实现虚拟世界与现实世界的融合。

早期互联网时代主要提供了基于人际关系的网络化社区，如交互和娱乐，这是元宇宙最早的雏形。移动互联网时代，网络通信与其他信息技术的快速迭代为元宇宙的发展奠定了技术基础。到今天的数字化时代，5G相比4G新增了广泛的接入和可靠的低时延连接，再加上物联网、人工智能、区块链、云计算、大数据、边缘计算等数字技术在经济社会各方面广泛拓展，使得元宇宙的诞生成为水到渠成的事（见图1）。

元宇宙的定义是虚实相生和人机合一，包含真体、孪体和虚体三种角色之间的互相切换、扮演和替换。真体是现实世界中的客观物体，孪体是现实世界数字化的孪生体，而虚体是不以现实世界为摹本创造的物体。用《西游记》中的例子来比喻，孙大圣本身是真体，拔出毫毛吹出的无数个跟自己一模一样的是他的孪体，他还可以变化成其他真实存在的或想象出来的任意的人和物，这就是虚体。元宇宙包括现实世界和虚拟世界。虚拟世界又分为代表孪体的镜像世界和代表虚体的拟像世界。真体、孪体和虚体之间有三种转换，包括真体和孪体之间的切换、孪体和虚体之间的替换，以及真体和虚体之间的扮演。这三种状态和互相转换所产生的商业价值构成了一个虚拟的社会经济系统。

发展元宇宙的重要性 

元宇宙催生了现实世界与虚拟世界并存且融合的新人类文明，是人类进化阶段的一个重要分水岭。元宇宙前所未有的连接将改变人类的生存方式，史无前例的融合将改变世界的发展规律，声势浩大的变化将改变普世价值的体系。从这些角度看，元宇宙将重塑世界发展趋势，关乎国家安全、经济繁荣和社会进步。

在国家安全方面，元宇宙可能会改变国际合作和竞争的范式，并催生出新型的国际政治意识形态。因此我们需要确保元宇宙意识形态和国家安全，掌握元宇宙话语权和标准制定权。从发展的角度来看，元宇宙一方面会给人类带来进步，另一方面也会带来一些潜在的危险。例如，元宇宙作为网络虚拟化进程的最终形态，成为人类文明演化进程中重要的历史性节点，同时元宇宙也可能会滑向虚拟化陷阱，成为人类依赖的数字空间。从经济繁荣的角度来看，元宇宙是以网络为基础，各类虚拟现实的应用为承载，融合新型的交互、数字孪生、人工智能、数字内容创作、区块链等多种技术构建的新型社会经济系统。如图2所示，不同于过去的规模经济中实体制造与知识产权分离，以及范围经济中线上支付与线下支付的分离，在未来的分布式经济阶段，将会出现数字资本与虚拟共创的融合。因此，元宇宙将推动实体经济与数字经济的深度融合，推动数字经济走向新阶段。

 

国外元宇宙技术简析

目前美国已经产生了元宇宙的产业生态，包括数字化的基础设施、针对各种元宇宙应用所生成的技术基座、金融支持的与美元锚定的可信虚拟支付，以及在此基础上发展出的各种元宇宙应用。元宇宙的基础设施在信息形态方面发生了巨大的变化，从传统互联网中的一维信息和移动互联网支持的二维图像和音视频，到未来的Web 3.0、脑机接口和自主智能体、算力网络、隐私计算、跨链计算等技术支撑的三维全景全方位感官空间，元宇宙将为用户提供更高的沉浸感和交互感。元宇宙的理想运行状态是大规模的用户持续在线，高沉浸感和高仿真，高效的内容生产，以及去中心化的信息存储和认证。这些技术联合起来构成了元宇宙的技术基座（见图3）。

在宏观意义上，Web 3.0是当前热议的元宇宙的底层网络架构。2014年，Web3基金会主席加文伍德（Gavin Wood）首次系统地提出Web 3.0概念，将其定义为在区块链等一系列技术的推动下，变得更加去中心化、更加可信、更加安全的互联网。Web 3.0的愿景是用户掌握自己身份数据资源、要素禀赋，从而实现自身经济价值的互联网。其价值在于打破平台垄断，推动广泛的、自下而上的创新，创造新业务模式和新市场，启动新全球数字经济系统。

从历史的发展来看，Web 1.0是中心化的阅读式的互联网，Web 2.0是中心化的双向可写可读的互联网，二者都是借助平台化的系统产生经济价值。Web 3.0的商务模式虽然还没有明确出现，但其特征一定是去中心化的，Web 3.0的出现可能会导致互联网寡头的终结。而元宇宙则是在Web 3.0之上的一个终极的应用生态系统，可信地承载个人的社交身份和资产，以及个人在该社会经济系统中的资源禀赋、价值创造和价值实现，支撑起新的虚拟社会的经济体。

从生态体系看，元宇宙与Web 3.0处于重合状态，即Web 3.0的网络生态非常匹配元宇宙的生态构建需求。从技术体系看，Web 3.0的技术特征需求补充了元宇宙生态的底层技术支撑基座的拼图。从演进历程看，随着Web 3.0技术双向渗透打破虚拟和现实的界限，以及用户身份跨越Web 2.0时代大平台中心生态的鸿沟，这将催生极富想象力和创造力的元宇宙系统。

 

我国发展元宇宙面临的问题

元宇宙代表着一种主流的互联网经济体验模式，预计很快能形成产业生态，是一个增量市场。但元宇宙涉及到国家的政治、经济、社会、文化、法律、意识形态、网络主权等核心利益，而目前国际社区基于纯软件协议构建的Web 3.0在可信、可管、可控方面存在隐患，其去中心化的核心思想给我国网络监管带来难题，基于美元的支付体系也会形成新的经济垄断。

国内元宇宙目前还处于初级发展阶段，亟须从顶层设计上进行整体性规划，是继续“借船出海”还是自主构建核心技术体系，是我们必须做出回答的战略问题。从基础设施上看，网络的可控性是国家的战略目标。刘鹤副***在中国工程院第十六次院士大会上提出了“加强网络信息技术研究，确保网络技术体系可控性，加强人工智能技术研发，重视区块链、数字货币等技术创新”的要求。我国必须主动开展元宇宙基础设施和关键核心技术攻关，避免出现我国成为全球最大的元宇宙数据生产国，而美国主导全球元宇宙技术标准和规则的局面。对此，我国需要进行以下几个方面的研究：

• 构建数据驱动的数字经济底层技术屏障

数据的所有权和主权等概念正在受到挑战，与其拥有数据，不如有权访问、控制和使用数据。

• 构建分布式扁平化元宇宙经济形态

分布式经济是由多个具有对等地位的行为主体共建的一个社会网，通过预设的激励机制和治理规则，自发地进行社会分工，形成良性的数据分享协同机制。问题是如何构成多样化的自组织，促进经济形态扁平化，打破网络资源天然垄断，同时确保可管可控，构建实体与虚拟深度融合的元宇宙经济体。Web 3.0打通了元宇宙虚拟世界和现实的桥梁，让虚拟世界变成了平行宇宙。区块链技术由于其天然的去中心化价值流转特征，将为元宇宙提供与网络虚拟空间无缝契合的支付和结算系统。

• 构建元宇宙经济数字支付体系

目前的数字人民币无法在区块链流通，无法被智能合约自动激活使用。数字人民币上链是解决以上问题的可能方案，但也带来了对区块链的定制化需求，给未来研究和系统实现带来挑战。

• 构建我国数字经济双循环格局

做强数据、算力等生产要素，畅通我国数字经济双循环，既不能全盘照搬国外公司内容主导的元宇宙，又要高度警惕隐形外国版元宇宙。只有构建中国自主可控的元宇宙技术标准体系，才有可能以安全的数据要素为核心，分享数据价值。

构建安全可控的Web 3.0元宇宙基础设施需要有四个层面的考虑。政治层面上，要严防渗透，维护国家意识形态和价值主张。经济层面上，要突破堵点，发展元宇宙数字新经济产业，推动现有制造业转型升级。科技层面上，要超前布局，打破欧美等国在元宇宙基础设施方面的技术垄断，掌握核心技术与话语权。网络安全层面上，要自主可控，保障网络空间安全与国家安全。因此，我国必须引领世界元宇宙科技发展前沿，打造完全自主可控的中国元宇宙基础设施与生态环境。

 

我国发展元宇宙的方向

相比于美国的元宇宙生态，我国元宇宙发展生态链的关键在于如何构建许可技术底座以及安全可控的许可支付体系。我国需要加快建设自主可控的Web 3.0技术体系，相比于可信Web 3.0技术，我们需要搭建许可Web 3.0技术。我国的元宇宙采用同国外一样的体系架构，也包括基础设施、技术基座、许可支付以及典型应用等（见图4）。

在通信网络方面，我国在5G时代确立了全球主导地位，且已经前瞻布局6G网络，形成了产学研用共同参与的完整的6G研发体系。在算力算法方面，我国科研机构构建的算力网络可以支撑“灵境泛在互联”的实时计算需求，实现通信、网络与计算的高度协同，实现去中心化和系统可控之间的平衡与转化，支撑国家内外双循环的大战略。在交互媒介与终端方面，我国在传统AR/VR接入设备方面已有长足的进步，在脑机接口等相关技术方面也具有国际领先水平，可以研究实现面向未来元宇宙需求的脑机接入解决方案。

我国战略科学家钱学森先生在20世纪90年代就对虚拟现实有过展望，起了个中国味特浓的名字——灵境，他认为灵境技术能扩展人脑直觉，预见到人机深度结合将对人类社会带来深层变革。“灵境”一词给我们构建中国式元宇宙带来了启示，“灵（genie）”就是智能体，包括人类分身和人机融生智能，它能够适应、改造甚至创造环境，属于能够理解人类意图的高级智能体。“境”则是代表数字孪生或认知孪生的物理世界，数据的探测、传输和存储在其中进行，在未来将成为人类生活、工作和成长的空间（见图5）。基于此，中国版的元宇宙技术基座是感、通、算、控一体化构建的（见图6）。我们将这个技术基座称为“Intelligent-concise”。

在可信感知方面，进行泛在环境和人、机、物、灵全面感知，最终做到人类五感、脑机、机器视觉、自然语言处理等可信、实时的智能感知技术。在可信传输方面，关键技术是对可信身份的认证和可信传输方案的认证。在算/控方面，我们将在隐私保护元宇宙的“灵”学习和“灵”管理方面进行研究，例如，分布式的元宇宙入口设备、联邦学习的空中计算、智能的边缘计算、区块链传输，以及云服务集群和去中心化的网络。在这个方向上，我在2019年第1期《通信学报》发表的文章中阐述了对6G技术的展望：6G不仅包含5G涉及的人类社会、信息空间、物理世界（人机物）这三个核心元素，还包含第四维元素——灵。人机物灵的互通，可为用户提供实时虚拟业务场景，并代理用户实现相应的需求。

 

建议及总结

以“灵境泛在互联”为抓手，构建演进版元宇宙的核心问题在于基础理论研究、核心技术和重大应用三个方面：基础理论研究中迫切需要新理论的突破，解决“灵”如何表征预处理、意识如何分解等引领国际的基础前沿重大问题。核心技术攻关中，需要打通虚拟与现实域界，支撑虚拟世界的智能体（灵）和人机物（境）的交互与沟通，打造演进版元宇宙的技术基座。重大示范应用方面，需要主导形成元宇宙系列国际/行业标准，建立产业联盟，同时以城市社会治理、智能制造、健康、大数据、智慧应用等产业为先导，结合数字孪生、人工智能等其他相关技术，推动元宇宙的产业落地，助力国家经济发展双循环战略。

元宇宙是中国式现代化、新发展理念的核心内容，关乎国家安全、经济繁荣、社会进步，自主可控的中国式元宇宙是非建不可的，且时机已经成熟。研发中国式元宇宙，掌握系列核心技术，助力中华民族伟大复兴，未来可期！

（本文根据CNCC2022特邀报告整理而成）

作者：

张平

中国工程院院士，北京邮电大学教授。IEEE Fellow。网络与交换技术国家重点实验室主任，鹏城实验室宽带通信部主任。长期致力于移动通信理论研究和技术创新，目前主要研究方向为语义通信和语用达意网络。

编辑：黄飞