[论文解读] Integrating Digital Twin and Advanced Intelligent Technologies to Realize the Metaverse

Moayad Aloqaily, Ouns Bouachir+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2022

Virtual Reality Applications and Impacts被引用 13

一句话总结

本文提出了一种集成框架，结合数字孪生（DT）、6G、区块链和人工智能（AI），以实现可扩展、安全且沉浸式的元宇宙服务。通过实时数据和基于人工智能的建模，实现物理实体与虚拟实体的同步，借助下一代基础设施和去中心化技术，确保端到端元宇宙服务的持续运行，同时提升可信度、降低延迟并实现高可扩展性。

ABSTRACT

The advances in Artificial Intelligence (AI) have led to technological advancements in a plethora of domains. Healthcare, education, and smart city services are now enriched with AI capabilities. These technological advancements would not have been realized without the assistance of fast, secure, and fault-tolerant communication media. Traditional processing, communication and storage technologies cannot maintain high levels of scalability and user experience for immersive services. The metaverse is an immersive three-dimensional (3D) virtual world that integrates fantasy and reality into a virtual environment using advanced virtual reality (VR) and augmented reality (AR) devices. Such an environment is still being developed and requires extensive research in order for it to be realized to its highest attainable levels. In this article, we discuss some of the key issues required in order to attain realization of metaverse services. We propose a framework that integrates digital twin (DT) with other advanced technologies such as the sixth generation (6G) communication network, blockchain, and AI, to maintain continuous end-to-end metaverse services. This article also outlines requirements for an integrated, DT-enabled metaverse framework and provides a look ahead into the evolving topic.

研究动机与目标

• 解决缺乏统一、可扩展的端到端元宇宙服务框架的问题，以支持实时同步与信任机制。
• 克服当前通信与处理基础设施在处理大规模异构数据以支持沉浸式元宇宙应用方面的局限性。
• 通过人工智能实现行为与结构保真度，使物理实体生命周期结束后其持久数字孪生体仍能独立演化。
• 通过与边缘和云系统集成的去中心化区块链解决方案，确保元宇宙中交易的真实性与数据完整性。
• 通过智能、分布式的先进技术统一核心需求：对象克隆、自主管理与信任机制，推动元宇宙生态系统发展。

提出的方法

• 提出一种多技术框架，集成数字孪生（DT）、6G网络、区块链和人工智能（包括联邦学习与PnP-AI），以实现端到端元宇宙服务交付。
• 利用实时数据流与人工智能驱动的建模，实现在时间与环境变化下，物理实体与其数字孪生体之间的持续演化同步。
• 采用6G支持的低延迟、高容量通信，以支持来自XR设备的异构感官与行为数据的大规模传输。
• 引入分层区块链架构，实现交易认证的去中心化并提升可扩展性，将边缘与云设备整合进共识过程。
• 应用边缘计算与分布式存储，降低延迟并增强全息渲染、传感器融合与会话管理的实时处理能力。
• 在XR与边缘设备上集成即插即用人工智能（PnP-AI），实现轻量级、自适应的AI推理，支持实时渲染与交互，同时避免网络过载。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何实现物理实体与数字孪生体在实时状态下的有效同步，以在元宇宙中实现持久的虚拟表征？
• RQ2 6G通信在支持沉浸式元宇宙体验所必需的低延迟、高吞吐量数据传输中发挥何种作用？
• RQ3 如何增强区块链以支持大规模元宇宙环境中可扩展、去中心化且安全的交易管理？
• RQ4 人工智能与联邦学习在提升分布式元宇宙系统中的自主管理、资源分配与实时决策能力方面有哪些作用？
• RQ5 为实现通信、存储、人工智能与信任机制的统一，端到端元宇宙服务提供所需的架构与技术集成有哪些？

主要发现

• 数字孪生与人工智能、6G的集成，可实现在物理实体生命周期结束后，其在元宇宙中仍能实现实时、同步的虚拟表征。
• 6G网络对于实现沉浸式元宇宙应用所必需的服务质量（QoS）与用户体验质量（QoE）至关重要，尤其在处理大规模异构数据流方面。
• 分层区块链架构提升了交易管理的可扩展性与去中心化程度，支持元宇宙中安全且可审计的基于加密货币的交互。
• 边缘计算与PnP-AI解决方案通过支持设备端AI推理，减轻网络负载与延迟，促进XR环境中实时全息渲染与交互。
• 该框架通过人工智能驱动的资源发现、会话管理与节能供应，实现元宇宙服务的自配置与自管理。
• 人工智能、数字孪生、6G、区块链与边缘技术的融合，是满足元宇宙中克隆、自主与信任核心需求的关键，为未来大规模部署铺平道路。