[논문 리뷰] Realizing the Metaverse with Edge Intelligence: A Match Made in Heaven

Wei Yang Bryan Lim, Zehui Xiong외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 05.

Virtual Reality Applications and Impacts인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 메타버스를 실현하기 위한 기초 인프라로 엣지 인텔리전스를 제안하며, 인공지능 기반 엣지 컴퓨팅을 가상 세계 시스템과 통합하여 저지연, 확장성 있고 프라이버시를 보장하는 몰입형 경험을 가능하게 한다. 이는 공동 가상 도시 개발 사례 연구를 통해 입증되며, 예약 및 온디맨드 계획 간 비용 최적화 자원 할당을 위한 이중 단계 스토하스틱 정수 프로그래밍 모델을 제시한다.

ABSTRACT

Dubbed "the successor to the mobile Internet", the concept of the Metaverse has recently exploded in popularity. While there exists lite versions of the Metaverse today, we are still far from realizing the vision of a seamless, shardless, and interoperable Metaverse given the stringent sensing, communication, and computation requirements. Moreover, the birth of the Metaverse comes amid growing privacy concerns among users. In this article, we begin by providing a preliminary definition of the Metaverse. We discuss the architecture of the Metaverse and mainly focus on motivating the convergence of edge intelligence and the infrastructure layer of the Metaverse. We present major edge-based technological developments and their integration to support the Metaverse engine. Then, we present our research attempts through a case study of virtual city development in the Metaverse. Finally, we discuss the open research issues.

연구 동기 및 목표

• 무료, 지속적이고 상호운용 가능한 가상 생태계를 지원하는 통합 아키텍처를 구축하기 위해.
• 메타버스의 인프라 레이어에서 엣지 인텔리전스(즉, AI를 위한 엣지와 엣지에서의 AI)의 융합을 촉진하여 엄격한 실시간 및 확장성 요구사항을 충족하기 위해.
• 공동 가상 도시 개발에 대한 사례 연구를 통해 엣지 인텔리전스가 복잡한 가상 세계 응용 프로그램을 지원하는 가능성과 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 엣지 기반 메타버스 환경에서 사용자 QoE, B5G 통신, 상호운용성, 프라이버시 및 경제학 분야의 열린 과제를 규명하고 해결하기 위해.

제안 방법

• 사용자 수요의 불확실성을 고려하여 운영 비용을 최소화하는 목적으로, 메타버스에서 예약 및 온디맨드 계획 간 자원 할당을 최적화하기 위한 이중 단계 스토하스틱 정수 프로그래밍(SIP) 수식을 제안한다.
• 센서 측정, 통신 및 계산 이송에 대한 실시간 의사결정을 위해 AI를 활용함으로써 엣지 인텔리전스를 메타버스 엔진에 통합한다.
• SIP 모델의 확률 분포를 정의하기 위해 역사적 사용자 수요 데이터를 활용하여 사전적이고 비용 효율적인 자원 제공를 가능하게 한다.
• 메타버스에서 공동 작업이 가능하고 확장성 있고 저지연 렌더링 및 상호작용을 가능하게 하는 엣지 기반 프레임워크를 설계한다.
• 눈동자 추적 데이터를 기반으로 주의 집중 영역을 우선순위화함으로써 인간의 시각 인지에 부합하는 고해상도로 렌더링하는 포커스 렌더링 기법을 활용하여 계산 부담을 줄인다.
• 데이터 전송률이 아닌 정보의 가치(Value of Information, VoI)를 우선시하는 의미 기반, 목표 지향적 커뮤니케이션 모델을 제안한다.

Figure 1: The Metaverse architecture features the immersive and real-time physical-virtual world interaction supported by the Metaverse engine. The supporting infrastructure ensures that the Metaverse is scalable, shardless, enables ubiquitous access, and is trustworthy for users.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 엣지 인텔리전스는 메타버스의 인프라 레이어에 어떻게 체계적으로 통합되어 실시간, 확장성 있고 저지연의 가상 경험을 지원할 수 있는가?
• RQ2 사용자 수요의 불확실성 하에서 메타버스의 가상 서비스 제공자(VSP)가 운영 비용을 최소화하기 위해 어떤 자원 할당 전략을 채택할 수 있는가?
• RQ3 메타버스의 분산형, 다중 플랫폼 가상 세계 간의 상호운용성과 신뢰를 어떻게 확보할 수 있는가?
• RQ4 기존 네트워크 지표를 초월하여 메타버스 응용 프로그램의 몰입감과 인지적 요구사항을 반영하기 위해 어떤 새로운 QoE 지표가 필요한가?
• RQ5 블록체인과 AI와 같은 신규 기술을 어떻게 활용하여 메타버스에서 보안과 프라이버시를 확보하면서도 새로운 경제 모델을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 역사적 수요 데이터를 활용하여 사용자 부하를 예측함으로써 비확률적 기법보다 유의미하게 낮은 운영 비용을 달성하는 이중 단계 스토하스틱 정수 프로그래밍 모델을 제안한다.
• 엣지 인텔리전스의 통합은 AI 추론 및 렌더링 작업의 효율적 이송을 가능하게 하여 몰입형 가상 환경에서 지연을 줄이고 반응성을 향상시킨다.
• 눈동자 추적 데이터를 기반으로 한 포커스 렌더링은 인간의 시각 인지에 부합하는 고집중 영역만 고해상도로 렌더링함으로써 계산 부담을 줄인다.
• 메타버스는 기존 QoE 지표에서 인간의 시각 인지 기반 지표로의 전환을 필요로 하며, 예를 들어 인간의 시각 인지에 대한 13ms 임계값과 같은 지표가 네트워크 설계를 안내해야 한다.
• B5G 네트워크는 단순히 데이터 전송률을 넘어서 정보의 가치(VoI)를 우선시하는 의미 기반, 목표 지향적 커뮤니케이션 모델로 진화해야 한다.
• 상호운용성 표준은 사용자 생성 콘텐츠와 플랫폼 간 상호작용을 가능하게 하며, 그 부재는 원활한 메타버스를 위한 주요 장애물이다.

Figure 2: Applications of Edge Intelligence for the Metaverse.