[论文解读] Towards a Decentralized Metaverse: Synchronized Orchestration of Digital Twins and Sub-Metaverses

Omar Hashash, Christina Chaccour+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2022

Modular Robots and Swarm Intelligence被引用 4

一句话总结

本文提出了一种去中心化的元宇宙框架，利用最优传输理论在无线边缘同步编排数字孪生（DT）与子元宇宙。通过联合分配计算与通信资源，该框架相比基于信噪比（SNR）的关联方式，将子同步时间减少了25.75%，实现了对物理环境及其自主系统的实时、高保真数字副本。

ABSTRACT

Accommodating digital twins (DTs) in the metaverse is essential to achieving digital reality. This need for integrating DTs into the metaverse while operating them at the network edge has increased the demand for a decentralized edge-enabled metaverse. Hence, to consolidate the fusion between real and digital entities, it is necessary to harmonize the interoperability between DTs and the metaverse at the edge. In this paper, a novel decentralized metaverse framework that incorporates DT operations at the wireless edge is presented. In particular, a system of autonomous physical twins (PTs) operating in a massively-sensed zone is replicated as cyber twins (CTs) at the mobile edge computing (MEC) servers. To render the CTs' digital environment, this zone is partitioned and teleported as distributed sub-metaverses to the MEC servers. To guarantee seamless synchronization of the sub-metaverses and their associated CTs with the dynamics of the real world and PTs, respectively, this joint synchronization problem is posed as an optimization problem whose goal is to minimize the average sub-synchronization time between the real and digital worlds, while meeting the DT synchronization intensity requirements. To solve this problem, a novel iterative algorithm for joint sub-metaverse and DT association at the MEC servers is proposed. This algorithm exploits the rigorous framework of optimal transport theory so as to efficiently distribute the sub-metaverses and DTs, while considering the computing and communication resource allocations. Simulation results show that the proposed solution can orchestrate the interplay between DTs and sub-metaverses to achieve a 25.75 % reduction in the sub-synchronization time in comparison to the signal-to-noise ratio-based association scheme.

研究动机与目标

• 为解决在去中心化、边缘计算支持的元宇宙架构中，同步真实物理孪生（PT）及其数字孪生（DT）与分布式子元宇宙的挑战。
• 在满足数字孪生同步强度约束的前提下，最小化物理区域与其数字副本之间的子同步时间。
• 联合优化子元宇宙与数字孪生（DT）与移动边缘计算（MEC）服务器的关联，同时考虑通信与计算资源的分配。
• 在可扩展、分布式的元宇宙环境中，实现自主物理系统与其数字对应物之间的无缝实时互操作性。

提出的方法

• 将物理区域建模为被划分为无穷小体积的三维空间，每个体积在MEC服务器上表示为一个子元宇宙。
• 在数字领域中将每个物理孪生（PT）表示为一个网络孪生（CT），其同步延迟建模为通信延迟与计算延迟之和。
• 将子元宇宙与数字孪生的联合关联问题形式化为优化任务，以最小化平均子同步时间。
• 应用最优传输理论，高效地将子元宇宙与数字孪生分配至MEC服务器，同时满足资源约束。
• 推导延迟模型：$ t^{ ext{sync}}_{q,b} = t^{ ext{com}}_{q,b} + t^{ ext{cmp}}_{q,b} $，结合数据传输与渲染时间。
• 基于最优传输设计迭代算法，求解在服务质量（QoS）与资源约束下的联合关联与资源分配问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在边缘服务器之间联合编排子元宇宙与数字孪生，以最小化去中心化元宇宙中的同步延迟？
• RQ2 如何最优分配子元宇宙与数字孪生至MEC服务器，以保持与物理系统的实时保真度？
• RQ3 如何联合分配通信与计算资源，以满足数字孪生的同步强度需求？
• RQ4 与传统关联方案相比，最优传输理论在多大程度上提升了子元宇宙与数字孪生分配的效率？
• RQ5 通过联合优化子元宇宙与数字孪生的部署，可在子同步时间方面实现多大的性能提升？

主要发现

• 与基于信噪比（SNR）的关联方案相比，所提出的框架将子同步时间减少了25.75%。
• 基于最优传输的子元宇宙与数字孪生联合关联方法通过负载均衡与端到端延迟最小化，实现了更优的同步性能。
• 该框架有效平衡了通信与计算延迟，确保了高强度数字孪生的实时同步。
• 该方法通过将工作负载分布至多个边缘服务器，支持了去中心化元宇宙的可扩展部署。
• 仿真结果证实，所提算法在不同网络与计算条件下均能保持同步保真度。
• 该解决方案在分布式的、原生边缘的元宇宙架构中，实现了自主物理系统与其数字孪生之间的无缝互操作性。