一种用于元宇宙的计算方法及系统与流程

本发明涉及元宇宙计算，特别涉及一种用于元宇宙的计算方法及系统。

背景技术：

1、元宇宙作为一个新生的概念引起了用户和市场的极大的关注，被普遍认为是下一代互联网的形态。但是目前关于元宇宙的工作十分有限，大多只停留于新闻、博客对元宇宙未来的畅想。也有一部分学者指出了元宇宙涉及的关键技术，并为未来的元宇宙层次结构指明了方向。未来的元宇宙具有几个重要特点，这些特点将使其与现有的应用或游戏有着本质的区别：

2、(1)元宇宙的数据量将会是巨大的。无论是计算、带宽还是存储，都将远远超出目前任何一个应用或游戏的量级。这意味着未来元宇宙将需要庞大的计算资源来处理和分析海量数据，以及高速的带宽来支持实时的数据传输和交互，同时还需要巨大的存储空间来存储用户生成的内容和数据。

3、(2)元宇宙的服务应该是普遍的、易接入的。用户应当可以方便地接入元宇宙的服务，并且能够在其中体验到高度沉浸感的虚拟体验。目前普遍认为，虚拟现实(vr)、增强现实(ar)等技术将是未来元宇宙体验的首选方式，因为它们能够提供更加逼真和沉浸式的体验，使用户能够身临其境地感受到元宇宙的丰富内容和多样体验。

4、(3)元宇宙具有数据的连续性。用户在元宇宙中创造的数字资产应该得到认可，并且可以在元宇宙中进行流动、交易和转移。这意味着用户可以在元宇宙中拥有自己的数字身份和数字资产，并且能够与他人进行交互、分享和交易，从而形成一个真正开放和流动的数字生态系统。

5、考虑到元宇宙概念尚处于发展初期，业界对于其开放模式或架构设计的描述还比较简单，目前仍缺少分层明确的元宇宙架构，仅存在简单的模型，开发和实现过程中缺乏统一的标准和规范，在实现元宇宙的各项功能和要求上仍然存在挑战。此外，由于元宇宙对算力等资源的高要求，用户在体验元宇宙时可能会面临成本高、空间约束大等问题，急需解决。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种用于元宇宙的计算方法及系统，能够解决用户需求和边缘节点资源的分配问题，使用户以较低的成本获得较好的元宇宙体验。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种用于元宇宙的计算方法，其中，包括：

3、确定元宇宙的架构，收集用户服务的需求。

4、进行边缘资源的调查和评估，确定可用的边缘资源。

5、基于用户服务的需求和可用的边缘资源，建立静态边缘资源分配模型。

6、对于所述静态边缘资源分配模型制定优化目标。

7、求解所述优化目标下的静态边缘资源分配模型，得到边缘服务器的最优配置。

8、结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述元宇宙的架构包括：

9、用户层，基于区块链技术为每个用户生成唯一标识，用于在元宇宙中进行身份认证。

10、边缘服务器，位于用户所在地区或距离用户比元宇宙服务器更近的地方，用于处理与用户直接相关的请求和数据。

11、元宇宙服务器，位于中心位置，用于处理全局性的逻辑、存储核心数据、管理用户身份和权限。

12、网络层，用于定义从元宇宙服务交互到用户处所经过的全路径。

13、算力层，用于提供所述边缘服务器所需的硬件和软件支持，为所述边边缘服务器提供运行环境，并管理资源的分配和调度。

14、元宇宙服务层，用于为用户提供虚拟场景中的交互体验。

15、其技术效果在于：提供了一个明确的元宇宙架构，包括用户层、边缘服务器、元宇宙服务器、网络层、算力层和元宇宙服务层，实现了优化数据传输路径、提升用户体验、加强资源分配和管理的高效性以及实现全球范围内的服务支持，实现了身份认证和安全性增强。

16、结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述用户服务的需求包括：

17、用户数量和地理分布，用于根据用户的地理位置分配边缘服务器资源，满足不同的带宽和延迟需求。

18、访问模式，用于根据用户的访问模式，确定系统的负载和资源需求。

19、数据处理需求，用于根据需求的类型和规模分配边缘服务器资源，得到不同规模的计算资源和存储资源。

20、实时交互需求，用于满足多人的实时交互。

21、身份认证与安全需求，用于对用户的身份和权限进行认证和管理。

22、其技术效果在于：通过考虑用户数量和地理分布，以及实时交互需求，可以更准确地确定边缘服务器资源的分配方式，根据用户地理位置分配边缘服务器资源，可以降低数据传输的延迟，提升用户体验，满足实时交互需求，保证系统能够处理多人同时进行的实时交互，提高了系统的并发处理能力；考虑到访问模式和数据处理需求的变化，系统可以根据实际负载情况进行资源的动态调整，以应对高峰期和低峰期的访问量差异；针对身份认证与安全需求，系统提供可靠的身份认证机制和数据加密技术，保障用户数据的安全性和隐私保护，可以有效防止未经授权的访问和数据泄露，提高了系统的安全性和可靠性；通过更细化的用户服务需求考量，系统可以更好地满足用户的个性化需求，提升用户体验。

23、结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述进行边缘资源的调查和评估，确定可用的边缘资源包括：

24、识别并确定用于部署边缘服务的潜在边缘节点，包括物理位置上距离用户较近的服务器、边缘计算设备和边缘节点提供商。

25、对已识别的边缘节点进行评估，包括计算性能、存储容量、网络带宽和延迟中的至少一种指标。

26、根据边缘节点的地理位置和覆盖范围，确定它们与用户之间的距离和网络连通性。

27、分析边缘节点的容量和可用性，包括当前的资源利用情况、负载情况和可能存在的限制与约束中的至少一种服务能力。

28、分析边缘节点之间的网络连接情况和带宽容量。

29、其技术效果在于：通过识别并确定用于部署边缘服务的潜在边缘节点，系统可以有效地利用边缘资源，将服务部署在距离用户较近的服务器或边缘计算设备上，减少数据传输的延迟，提高服务的响应速度和质量；通过对边缘节点进行评估，包括计算性能、存储容量、网络带宽和延迟等指标的评估，系统可以选择性能较好的边缘节点部署服务，提升服务的性能和质量，满足用户对于带宽和延迟的需求；通过分析边缘节点的容量和可用性，系统可以确定每个边缘节点能够提供的资源量和服务能力，避免资源过度利用或者资源浪费，保证系统的稳定性和可靠性；通过分析边缘节点之间的网络连接情况和带宽容量，系统可以确保边缘节点之间可以进行数据交换和协作，满足用户服务请求的带宽需求，提高系统的整体性能和网络通信效率。

30、结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述基于用户服务的需求和可用的边缘资源，建立静态边缘资源分配模型包括：

31、设置在指定时间段内，收集总数为m的用户的所有服务需求，分别放置到对应的n个边缘服务器的条件，其中放置矩阵为

32、xij表示将用户i的元宇宙服务需求放置到边缘节点j上，xij＝1表示用户i的服务需求放置到边缘节点j上，xij＝0表示用户i的服务需求不放置到边缘节点j上。

33、所述放置矩阵的约束条件包括每个用户的服务需求必须被分配到一个边缘节点上边缘节点的资源容量不能超过其承载能力其中ri为用户i的服务需求所需的资源量，rj为边缘节点j的资源容量。

34、其技术效果在于：过建立静态边缘资源分配模型，能够实现最优资源配置、服务质量保障、系统稳定性和可扩展性，提高了系统的稳定性和可靠性，保持系统的高效运行和持续发展。

35、结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述对于所述静态边缘资源分配模型制定优化目标包括：

36、对于所述放置矩阵制定最小化边缘服务器资源浪费的优化目标，

37、对于所述放置矩阵制定最小化边缘服务器能耗的优化目标，其中ej为边缘服务器j的能耗，pj为边缘服务器j的平均功率消耗，t为服务周期。

38、对于所述放置矩阵制定最小化用户延迟的优化目标，其中用户的总延迟时间为用户i发送指令到元宇宙服务器的延迟，为元宇宙服务器发送更新指令到边缘节点j的延迟，dijk为边缘节点j处理用户j的场景k所需渲染的时间，dij为边缘节点j将画面传输给用户i的延迟。

39、其技术效果在于：通过制定最小化边缘服务器资源浪费的优化目标，在资源分配过程中尽量减少资源的浪费，确保资源得到最大化的利用；通过制定最小化边缘服务器能耗的优化目标，在资源分配过程中考虑边缘服务器的能耗情况，尽量降低能源的消耗；通过制定最小化用户延迟的优化目标，在资源分配过程中优先考虑用户的体验，尽量降低用户的延迟时间。

40、结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述求解所述优化目标下的静态边缘资源分配模型，得到边缘服务器的最优配置包括：

41、初始化种群，随机生成一组初始解作为种群，每个个体代表一种边缘资源分配方案，表示为一个二维的放置矩阵x。

42、对于每个个体x，计算其适应度值，即目标函数值，目标函数包括

43、

44、

45、

46、根据个体的适应度值，使用选择算子选择一部分个体作为下一代的父代。

47、从父代中选取一对个体，使用交叉算子产生新的子代。

48、对产生的子代进行变异操作，以引入新的基因信息。

49、根据选择、交叉和变异操作产生的子代，更新当前种群。

50、重复进行选择、交叉和变异操作，直到满足停止条件。

51、其技术效果在于：遗传算法通过选择、交叉和变异等操作，能够在较短的时间内对大规模的搜索空间进行高效的优化，有助于快速求解静态边缘资源分配模型的优化目标，提高了响应速度和处理效率；能够产生新的个体，从而增加了种群的多样性，有助于避免陷入局部最优解。

52、第二方面，本发明实施例还提供了一种用于元宇宙的计算系统，其中，包括：

53、需求收集模块，用于确定元宇宙的架构，收集用户服务的需求。

54、资源确认模块，用于进行边缘资源的调查和评估，确定可用的边缘资源。

55、模型建立模块，用于基于用户服务的需求和可用的边缘资源，建立静态边缘资源分配模型。

56、优化目标制定模块，用于对于所述静态边缘资源分配模型制定优化目标。

57、模型求解模块，用于求解所述优化目标下的静态边缘资源分配模型，得到边缘服务器的最优配置。

58、结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述元宇宙的架构包括：

59、用户层，基于区块链技术为每个用户生成唯一标识，用于在元宇宙中进行身份认证。

60、边缘服务器，位于用户所在地区或距离用户比元宇宙服务器更近的地方，用于处理与用户直接相关的请求和数据。

61、元宇宙服务器，位于中心位置，用于处理全局性的逻辑、存储核心数据、管理用户身份和权限。

62、网络层，用于定义从元宇宙服务交互到用户处所经过的全路径。

63、算力层，用于提供所述边缘服务器所需的硬件和软件支持，为所述边边缘服务器提供运行环境，并管理资源的分配和调度。

64、元宇宙服务层，用于为用户提供虚拟场景中的交互体验。

65、第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如前任一项所述的用于元宇宙的计算方法。

66、本发明实施例的有益效果是：

67、本发明的用于元宇宙的计算方法及系统，针对元宇宙场景下的放置问题进行了详细建模，充分考虑了用户延迟、服务商的成本(资源浪费率，服务器能耗)等多个优化因素，通过边缘计算降低用户延迟，利用智能算法优化资源的分配，针对元宇宙服务交付模型中的用户资源分配问题，使用改进的遗传算法求解，解决了多目标优化问题，实现了良好的用户体验。

68、本发明通过明确的元宇宙架构，包括用户层、边缘服务器、元宇宙服务器等组成部分，为元宇宙的开发和部署提供了清晰的指导，有助于构建完善的元宇宙生态系统。

69、本发明通过建立静态边缘资源分配模型和制定优化目标，能够合理分配边缘服务器资源，最大限度地减少资源浪费，提高资源利用率，通过最小化边缘服务器能耗的优化目标，能够有效降低边缘服务器的能耗成本，节约能源资源。

70、本发明通过最小化用户延迟的优化目标，能够减少用户在访问元宇宙服务时的等待时间，提升用户的交互体验和满意度。通过对边缘资源进行调查和评估，能够及时发现可用的边缘资源，为元宇宙系统的扩展和升级提供了技术支持，增强了系统的灵活性和可扩展性。