[论文解读] Edge-enabled Metaverse: The Convergence of Metaverse and Mobile Edge Computing

Sahraoui Dhelim, Tahar Kechadi+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2022

IoT and Edge/Fog Computing被引用 9

一句话总结

本文提出了一种雾-边缘混合计算架构，将繁重的元宇宙工作负载（如3D物理模拟和碰撞检测）卸载至终端用户边缘设备，而非依赖集中式云服务器。通过将计算更靠近物理实体分布，该架构相比传统基于云的元宇宙系统将可视化延迟降低了50%，显著提升了实时性能和可扩展性。

ABSTRACT

The Metaverse is a virtual environment where users are represented by avatars to navigate a virtual world, which has strong links with the physical one. State-of-the-art Metaverse architectures rely on a cloud-based approach for avatar physics emulation and graphics rendering computation. Such centralized design is unfavorable as it suffers from several drawbacks caused by the long latency required for cloud access, such as low quality visualization. To solve this issue, in this paper, we propose a Fog-Edge hybrid computing architecture for Metaverse applications that leverage an edge-enabled distributed computing paradigm, which makes use of edge devices computing power to fulfil the required computational cost for heavy tasks such as collision detection in virtual universe and computation of 3D physics in virtual simulation. The computational cost related to an entity in the Metaverse such as collision detection or physics emulation are performed at the end-device of the associated physical entity. To prove the effectiveness of the proposed architecture, we simulate a distributed social metaverse application. Simulation results shows that the proposed architecture can reduce the latency by 50% when compared with the legacy cloud-based Metaverse applications.

研究动机与目标

• 解决基于云的元宇宙架构存在的高延迟和可扩展性限制，这些限制会妨碍沉浸式用户体验。
• 探索利用终端设备边缘资源进行虚拟环境中实时物理和碰撞模拟的可行性。
• 设计一种混合雾-边缘计算模型，将计算工作负载更靠近用户分布，以提升响应速度并减少对集中式云基础设施的依赖。
• 在分布式社交元宇宙用例中评估所提出架构的性能提升效果。

提出的方法

• 所提出的架构利用与物理实体（如用户的VR头显或本地服务器）关联的边缘设备执行物理模拟和碰撞检测等计算任务。
• 采用混合雾-边缘计算模型，将在边缘设备和雾节点之间分配计算负载，以实现负载均衡并最小化延迟。
• 直接将与化身相关的计算任务（如动量、质量及力的相互作用）卸载至相关物理用户的终端设备。
• 实现了一个仿真框架，用于在分布式社交元宇宙场景中评估该架构，将延迟和性能与集中式云模型进行对比。
• 仿真模型模拟了远距离化身之间的实时数据交换，处理决策基于空间和时间精度要求。

实验结果

研究问题

• RQ1 与集中式云架构相比，基于边缘的分布式计算是否能显著降低元宇宙应用的延迟？
• RQ2 将物理和碰撞检测卸载至终端用户边缘设备，对整体系统性能和用户体验有何影响？
• RQ3 在可扩展且低延迟的元宇宙渲染中，部署混合雾-边缘模型存在哪些架构权衡？
• RQ4 基于边缘的计算在多用户高密度虚拟世界中，能在多大程度上提升可扩展性？

主要发现

• 所提出的雾-边缘混合架构相比传统的基于云的元宇宙系统，将可视化延迟降低了50%。
• 将物理和碰撞检测卸载至边缘设备，显著提升了实时响应能力和系统可扩展性。
• 将计算更靠近终端用户分布，使得系统能够在不使中心服务器过载的情况下更好地处理高密度虚拟环境。
• 仿真结果证实，基于边缘的处理在保持高渲染质量的同时，显著降低了分布式社交元宇宙应用中的延迟。