[論文レビュー] A Novel IoT Architecture based on 5G-IoT and Next Generation Technologies

Hamed Rahimi, Ali Zibaeenejad+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2018

IoT and Edge/Fog Computing被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、5G-IoT、MEC、WNFV、WSDN、D2D、mmWave、HetNet、および高度なスケーリング共有技術を統合した、革新的でモジュラーなIoTアーキテクチャを提案している。これらの次世代技術の統合により、次世代IoTアプリケーションが求めるスケーラビリティ、低遅延、および高データ量要件を満たす、応答性が高く、柔軟性があり、スケーラブルなシステムが実現可能となり、将来的な産業およびスマートサービスの実行を強化されたパフォーマンスと信頼性でサポートできる。

ABSTRACT

The Internet of Things (IoT) is a crucial component of Industry 4.0. Due to growing demands of customers, the current IoT architecture will not be reliable and responsive for next generation IoT applications and upcoming services. In this paper, the next generation IoT architecture based on new technologies is proposed in which the requirements of future applications, services, and generated data are addressed. Particularly, this architecture consists of Nano-chip, millimeter Wave (mmWave), Heterogeneous Networks (HetNet), device-todevice (D2D) communication, 5G-IoT, Machine-Type Communication (MTC), Wireless Network Function virtualization (WNFV), Wireless Software Defined Networks (WSDN), Advanced Spectrum Sharing and Interference Management (Advanced SSIM), Mobile Edge Computing (MEC), Mobile Cloud Computing (MCC), Data Analytics and Big Data. This combination of technologies is able to satisfy requirements of new applications. The proposed novel architecture is modular, efficient, agile, scalable, simple, and it is able to satisfy the high amount of data and application demands.

研究の動機と目的

• 現在のIoTアーキテクチャが、次世代アプリケーションの高データ量、低遅延、スケーラビリティ要件を満たす上で抱える制限を解消すること。
• インダストリー4.0における新興サービスを支援できる、モジュラーで柔軟性があり、スケーラブルなIoTフレームワークを設計すること。
• 5G-IoT、MEC、WNFV、WSDN、およびD2D通信などの先進技術を統合し、パフォーマンスを向上させること。
• 密度の高いIoT展開環境における効率的なスケール利用と干渉管理を確保すること。
• IoTエコシステムにおける知的意思決定を可能にする、リアルタイムのデータ分析とビッグデータ処理を支援すること。

提案手法

• 高容量接続を実現するため、5G-IoT、ミリ波（mmWave）、および異種ネットワーク（HetNet）を統合した多層型IoTアーキテクチャを提案する。
• 密度の高いIoT環境におけるバックホール負荷低減と遅延改善を目的に、デバイス間通信（D2D）を統合する。
• 低遅延かつ局所的なデータ処理を可能にするために、モバイルエッジコンピューティング（MEC）とモバイルクラウドコンピューティング（MCC）を採用する。
• 動的かつプログラマブルなネットワーク制御を実現するため、無線ネットワーク機能仮想化（WNFV）と無線ソフトウェア定義ネットワーキング（WSDN）を統合する。
• スルーレット効率の向上と干渉低減を目的に、高度なスケーリング共有と干渉管理（Advanced SSIM）を採用する。
• 統合されたデータ管理モジュールを通じて、リアルタイムのデータ分析とビッグデータ処理を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 次世代IoTアーキテクチャをどのように設計すれば、将来のアプリケーションのスケーラビリティと応答性要件を満たすことができるか？
• RQ2 5Gと新興技術をどのように組み合わせれば、IoTシステムにおける高データ量および低遅延要件を効果的に満たすことができるか？
• RQ3 密度が高く異種性のあるIoT環境では、スケーリング効率と干渉をどのように管理することができるか？
• RQ4 エッジコンピューティングとクラウドコンピューティングをどのように統合すれば、IoTネットワークにおける遅延と処理を最適化できるか？
• RQ5 MEC、WNFV、およびWSDNの統合により、IoTアーキテクチャの柔軟性とスケーラビリティはどのように向上するか？

主な発見

• 5G-IoT、MEC、およびD2D通信の統合により、遅延低減とデータ処理の向上を実現し、提案アーキテクチャがスケーラビリティと応答性を向上させたことが示された。
• WNFVとWSDNの統合により、動的かつソフトウェア定義のネットワーク制御が可能となり、ネットワークの柔軟性とリソース効率が向上した。
• 高度なスケーリング共有と干渉管理技術は、密度の高いIoT展開環境におけるスルーレット効率を顕著に向上させた。
• モジュラー設計により、多様なアプリケーション要件への柔軟な適応が可能となり、将来の要件にも対応可能なIoTサービスを実現した。
• 高容量のデータ生成とリアルタイム分析を効果的にサポートし、産業用IoT環境における知的意思決定を可能にした。
• mmWaveとHetNetの組み合わせにより、ネットワーク容量が向上し、高帯域幅を要するIoTアプリケーションを効果的にサポートした。