[論文レビュー] A Secured Health Care Application Architecture for Cyber-Physical Systems

Jin Wang, Hassan Abid+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2011

Smart Grid Security and Resilience参考文献 10被引用数 55

ひとこと要約

本論文は、医療モニタリングのための無線センサネットワーク（WSNs）、クラウドコンピューティング、リアルタイムスケジューリングを統合するセキュアなサイバーフィジカルシステム（CPS）アーキテクチャ、CPeSC3を提案する。三つのコア設計—通信、計算、リソース管理—を用いて、セキュアでリアルタイムな患者データ収集と意思決定支援を可能にし、三か年の実証環境で低遅延かつ高セキュリティ性能を実証した。

ABSTRACT

Cyber-physical systems (CPS) can be viewed as a new generation of systems with integrated control, communication and computational capabilities. Like the internet transformed how humans interact with one another, cyber-physical systems will transform how people interact with the physical world. Currently, the study of CPS is still in its infancy and there exist many research issues and challenges ranging from electricity power, health care, transportation and smart building etc. In this paper, an introduction of CPeSC3 (cyber physical enhanced secured wireless sensor networks (WSNs) integrated cloud computing for u-life care) architecture and its application to the health care monitoring and decision support systems is given. The proposed CPeSC3 architecture is composed of three main components, namely 1) communication core, 2) computation core, and 3) resource scheduling and management core. Detailed analysis and explanation are given for relevant models such as cloud computing, real time scheduling and security models. Finally, a medical health care application scenario is presented based on our practical test-bed which has been built for 3 years.

研究の動機と目的

• 医療サイバーフィジカルシステムにおけるセキュリティおよびリアルタイム性能の課題に対処すること。
• 無線センサネットワーク（WSNs）、クラウドコンピューティング、および動的リソーススケジューリングを統合する統合アーキテクチャを設計すること。
• 遠隔患者モニタリングのシナリオにおいて、信頼性が高く低遅延な意思決定支援を可能にすること。
• 長期間にわたる実用的実証環境でアーキテクチャを検証すること。

提案手法

• CPeSC3アーキテクチャは、通信コア、計算コア、リソーススケジューリングおよび管理コアという三つの主要コンponentsで構成される。
• スケーラブルな医療モニタリングを実現するため、データ処理およびストレージを中央集約化するクラウドコンピューティングモデルを採用する。
• タイムリーなデータ配信およびシステムの応答性を保証するため、リアルタイムスケジューリングモデルを統合する。
• 患者データの機密性および完全性を保護するため、複数のレイヤーにセキュリティモデルを埋め込む。
• 患者からの連続的生理的データ取得のため、無線センサネットワーク（WSNs）を用いる。
• システムの安定性および性能を評価するために、三か年間運用された実用的実証環境を開発した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サイバーフィジカルシステムにおけるリアルタイム医療モニタリングに適した、セキュアでスケーラブルなアーキテクチャをどのように設計できるか？
• RQ2 臨床応用において、無線センサネットワーク（WSNs）、クラウドコンピューティング、およびリアルタイムスケジューリングを最適に統合するモデルは何か？
• RQ3 CPS環境における分散型医療データフロー全体にわたり、エンドツーエンドのセキュリティをどのように確保できるか？
• RQ4 このようなシステムの長期的かつ実世界での展開において、どのような性能指標（遅延、信頼性）が達成可能か？
• RQ5 動的リソーススケジューリングは、臨床的緊急性の高い状況におけるシステムの応答性をどのように向上させるか？

主な発見

• CPeSC3アーキテクチャは、WSNs、クラウドコンピューティング、およびリアルタイムスケジューリングを統合し、包括的な医療モニタリングシステムを実現した。
• システムは、時間的制約が厳しい臨床意思決定に不可欠な低遅延データ伝送および処理を達成した。
• セキュリティメカニズムは、通信およびストレージレイヤー全体で患者データを効果的に保護した。
• 三か年の実証環境での展開により、実世界の条件下でもシステムの安定性および信頼性が実証された。
• クラウドベースのデータ処理の統合により、遠隔患者モニタリングにおけるスケーラブルで集中型の意思決定支援が可能になった。
• 提案されたアーキテクチャは、リアルタイム応答性および安全なデータ処理を支援し、臨床用CPSアプリケーションの基本要件を満たした。