[論文レビュー] Fog Computing in IoT Aided Smart Grid Transition- Requirements, Prospects, Status Quos and Challenges

Md. Muzakkir Hussain, Mohammad Saad Alam+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2018

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 17被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、IoTを活用したスマートグリッドにおける低遅延・リアルタイムサービスの実現を目的として、クラウドコンピューティングの補完的パラダイムとしてのミストコンピューティングの可能性を調査する。スマートグリッドエコシステムの動的で時間的に重要な要件を満たすために、従来のクラウドアーキテクチャの限界を分析し、分散型エネルギー管理システムにおける応答性・スケーラビリティ・信頼性の向上を図るミスト対応アーキテクチャを提案する。

ABSTRACT

Due to unfolded developments in both the IT sectors viz. Intelligent Transportation and Information Technology contemporary Smart Grid (SG) systems are leveraged with smart devices and entities. Such infrastructures when bestowed with the Internet of Things (IoT) and sensor network make a universe of objects active and online. The traditional cloud deployment succumbs to meet the analytics and computational exigencies decentralized, dynamic cum resource-time critical SG ecosystems. This paper synoptically inspects to what extent the cloud computing utilities can satisfy the mission-critical requirements of SG ecosystems and which subdomains and services call for fog based computing archetypes. The objective of this work is to comprehend the applicability of fog computing algorithms to interplay with the core centered cloud computing support, thus enabling to come up with a new breed of real-time and latency free SG services. The work also highlights the opportunities brought by fog based SG deployments. Correspondingly, we also highlight the challenges and research thrusts elucidated towards the viability of fog computing for successful SG Transition.

研究の動機と目的

• 現代のスマートグリッドシステムが求めるリアルタイム性・分散型・リソースが限られた要件を満たすために、クラウドコンピューティングの限界を評価すること。
• 遅延および帯域幅制限の観点から、ミストコンピューティングの利点を享受するスマートグリッド内の特定のサブドメインおよびサービスを同定すること。
• スマートグリッド運用における応答性と信頼性の向上を図る、ハイブリッドミスト・クラウドアーキテクチャを提案すること。
• スマートグリッド移行に伴うミストコンピューティング導入に関連する機会と課題を分析すること。
• スケーラブルで安全かつ効率的なミスト対応スマートグリッド展開を実現するための研究ギャップと今後の方向性を強調すること。

提案手法

• スマートグリッドワークロードの文脈において、クラウド中心型とミスト対応型コンピューティングモデルの比較分析を実施する。
• 故障検出や負荷分散など、低遅延処理を要するミッションクリティカルなスマートグリッドアプリケーションを特定する。
• エッジデバイス、ミストノード、集中型クラウドを統合した階層的ミスト・クラウドアーキテクチャを提案し、分散型データ処理を実現する。
• スマートグリッドサービス（例：モニタリング、制御、分析）の機能要件を、適切なミストコンピューティングレイヤーにマッピングする。
• 概念的モデリングと事例ベース推論を用いて、遅延、帯域幅使用量、障害耐性の観点からシステム性能のトレードオフを評価する。
• スマートグリッドユースケースとインfraストラクチャ制約に適合するため、ミストコンピューティングサービスおよび展開モデルの分類体系を活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のクラウドコンピューティングは、動的で時間的に重要なスマートグリッドエコシステムのリアルタイム性および低遅延要件をどの程度満たせるか？
• RQ2 時間的に重要な性質と分散型特性を持つために、どの具体的なスマートグリッドサービスおよびサブドメインがミストコンピューティングの恩恵を最も受けるか？
• RQ3 ハイブリッドミスト・クラウドアーキテクチャは、IoT支援スマートグリッド運用における応答性とスケーラビリティをどのように向上させるか？
• RQ4 スマートグリッド移行に向けたミストコンピューティング導入における主な技術的およびアーキテクチャ的課題は何か？
• RQ5 ミスト対応スマートグリッドシステムの実現可能性とセキュリティを確保するためには、どのような研究分野の推進が不可欠か？

主な発見

• 故障検出やリアルタイム負荷分散といった時間的に重要なスマートグリッドアプリケーションに対して、従来のクラウドコンピューティングは低遅延性と高信頼性の要件を満たせない。
• データを発生源に近い場所で処理することで、ミストコンピューティングはエンドツーエンドの遅延を顕著に低減し、分散グリッド運用における迅速な意思決定を可能にする。
• IoTとミストコンピューティングを統合することで、計算ワークロードの分散化により、スマートグリッドインfraストラクチャのスケーラビリティと障害耐性が向上する。
• ミストベースのアーキテクチャは、特に高密度センサーネットワークにおいて、クラウドへのデータ送信量を削減することで帯域幅効率を改善する。
• 本稿では、セキュリティ、相互運用性、動的リソース割り当てといった、ミスト展開に向けた重要な課題を特定し、それらの解決が不可欠であると指摘する。
• 提案されたミスト・クラウドハイブリッドモデルは、特に分散型かつ動的環境において、リアルタイム性に欠かず、遅延のないスマートグリッドサービス実現への実用的道筋を示している。