[論文レビュー] An Interoperable Realization of Smart Cities with Plug and Play based Device Management

Prasant Misra, Vasanth Rajaraman+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2015

Mobile Crowdsensing and Crowdsourcing参考文献 3被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、IEEE 1451の自己記述型TEDSを活用して、スマートシティIoTシステムにおけるクロスベンダーフレンドリーな相互運用性を実現する、プラグアンドプレイ型のサービス層SNaaS（センサー／ネットワーク as a Service）を提案する。中央集権的なLDAPバックエンドのTEDSリポジトリとNCAPベースのディスカバリを用いることで、キャッシュ済みの場合の平均遅延4.6ms、LDAPから取得する場合900msの性能を達成し、大規模都市展開における実現可能性を示している。

ABSTRACT

The primal problem with Internet of Things (IoT) solutions for smart cities is the lack of interoperability at various levels, and more predominately at the device level. While there exist multitude of platforms from multiple manufacturers, the existing ecosystem still remains highly closed. In this paper, we propose SNaaS or Sensor/Network as a Service: a service layer that enables the creation of the plug-n-play infrastructure, across platforms from multiple vendors, necessary for interoperability and successful deployment of large-scale city wide systems. In order to correctly position the new service layer, we present a high level reference IoT architecture for smart city implementations, and follow it up with the workflow details of SNaaS along with preliminary microbenchmarks.

研究の動機と目的

• 現在のスマートシティIoTエコシステムにおいて、特許管理されたプラットフォームによるスクリーン化と閉鎖的状態が続く中、デバイスレベルの相互運用性の欠如という深刻な課題に対処する。
• 都市規模の展開において、複数ベンダーおよび通信プロトコルにまたがる異種センサー統合の課題を克服する。
• センサーおよびネットワーク機能を標準化されたサービス層によって抽象化することで、都市全体のIoTシステムに向けたプラグアンドプレイインfraを実現する。
• スケーラブルで持続可能かつベンダーに依存しないスマートシティアプリケーションを支援する、実用的で標準に基づいたソリューションを開発する。

提案手法

• TEDSサービス（TEDS作成者および生成者を含む）、永続的ストレージ用のLDAPディレクトリ、NCAP（ネットワーク対応アプリケーションプロセッサ）、TIM（トランスダクタインターフェースモジュール）から成る4部構成のSNaaSアーキテクチャを設計する。
• IEEE 1451のタイプ・長さ・値（TLV）エンコードされたTEDSを活用して、自己記述型センサーメタデータを生成し、自動的なデバイス識別および設定を可能にする。
• NCAPがまずローカルキャッシュにTEDSを確認し、利用不可の場合にLDAPサーバーに問い合わせる階層的ディスカバリメカニズムを実装する。
• デバイスのUUIDをキーとしてLDAPディレクトリにTEDSを格納・取得することで、スケーラブルかつ分散型のデバイス管理を実現する。
• AndroidおよびLinuxベースのNCAPにSNaaSレイヤーを統合し、多様なプラットフォームにおける実世界展開を支援する。
• デバイスディスカバリおよび設定のエンドツーエンド遅延を測定するためのマイクロベンチマークを実施し、キャッシュ済みおよびキャッシュなしの2つのシナリオを想定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スマートシティ展開における異種で多ベンダーのIoTプラットフォーム間で、どのようにデバイスレベルの相互運用性を達成できるか？
• RQ2 都市規模のセンサーネットワークに真のプラグアンドプレイインfraを実現するために、どのようなアーキテクチャ的およびプロトコル的コンponentsが必要か？
• RQ3 集中型LDAPサーバーからのリモートTEDS取得は、ローカルキャッシュと比較して、どの程度のパフォーマンスオーバーヘッドを引き起こすか？
• RQ4 IEEE 1451のような既存の標準は、大規模かつリアルタイム対応のスマートシティアプリケーションをサポートするために、どの程度適合可能か？
• RQ5 SNaaSのようなサービス層抽象化は、統合の複雑さを軽減し、都市IoTエコシステムにおける持続可能で競争力のある市場ダイナミクスを実現できるか？

主な発見

• TEDSバイナリが事前にローカルキャッシュされている場合、SNaaSサービス層は合計4,600 μsのエンドツーエンド遅延を達成し、最適な条件下での効率的なデバイス統合を示している。
• TEDSがキャッシュされていない場合、合計遅延は900,000 μsに増加し、そのうち897,000 μsがLDAPクエリに起因しており、リモート取得のパフォーマンスコストが顕著に現れている。
• パケットデコードおよびUUID処理ステージはそれぞれ1,300 μsおよび2 μsと極めて低い遅延を示しており、これらのコンponentsが計算的に軽量であることが示されている。
• ローカルキャッシュは、リモートLDAP照会と比較して遅延を89％削減しており、スケーラブルな展開におけるキャッシュ戦略の重要性を裏付けている。
• 本システムは、AndroidおよびLinux NCAPプラットフォーム上で、BLEベースのCC2540 CheepおよびUSB接続型Arduino TIMを含む異種デバイスを正常にサポートしている。
• TLVエンコードを用いたIEEE 1451 TEDSの使用により、標準化された自己記述型デバイスメタデータが実現され、ベンダーに依存しないセンサー管理の基盤が構築された。