[논문 리뷰] A Novel IoT Architecture based on 5G-IoT and Next Generation Technologies

Hamed Rahimi, Ali Zibaeenejad외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 09.

IoT and Edge/Fog Computing인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 차세대 IoT 응용 프로그램의 확장성, 저지연, 고용량 데이터 요구 사항을 해결하기 위해 5G-IoT, MEC, WNFV, WSDN, D2d, mmWave, HetNet 및 고급 스펙트럼 공유를 통합한 혁신적이고 모듈식인 IoT 아키텍처를 제안한다. 이러한 차세대 기술의 통합은 향상된 성능와 신뢰성으로 향후 산업 및 스마트 서비스를 지원할 수 있는 반응성 있고 민첩하며 확장 가능한 시스템을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 현재의 IoT 아키텍처가 차세대 응용 프로그램의 고용량 데이터, 저지연 및 확장성 요구 사항을 처리하는 데에 한계가 있음을 해결하기 위해.
• 산업 4.0의 신규 서비스를 지원할 수 있는 모듈식, 민첩하고 확장 가능한 IoT 프레임워크를 설계하기 위해.
• 성능 향상을 위해 5G-IoT, MEC, WNFV, WSDN 및 D2D 통신과 같은 고급 기술을 통합하기 위해.
• 밀집된 IoT 배포 환경에서 스펙트럼 효율성과 간섭 관리를 보장하기 위해.
• IoT 생태계에서 지능적인 의사결정을 위한 실시간 데이터 분석 및 빅데이터 처리를 지원하기 위해.

제안 방법

• 고대역폭 연결성을 위해 5G-IoT, 밀리미터 웨이브(mmWave) 및 이질적 네트워크(HetNet)를 통합한 다층 IoT 아키텍처를 제안한다.
• 밀집된 IoT 환경에서 백홀 부하를 줄이고 지연을 향상시키기 위해 기기 간 통신(D2D)을 통합한다.
• 저지연, 국지적 데이터 처리를 가능하게 하기 위해 모바일 엣지 컴퓨팅(MEC)과 모바일 클라우드 컴퓨팅(MCC)을 활용한다.
• 동적이고 프로그래밍 가능한 네트워크 제어를 위해 무선 네트워크 기능 가상화(WNFV)와 무선 소프트웨어 정의 네트워킹(WSDN)을 통합한다.
• 스펙트럼 효율성을 향상시키고 간섭을 줄이기 위해 고급 스펙트럼 공유 및 간섭 관리(Advanced SSIM) 기법을 활용한다.
• 통합된 데이터 관리 모듈을 통해 실시간 데이터 분석 및 빅데이터 처리를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 향후 응용 프로그램의 확장성과 반응성 요구 사항을 충족시키기 위해 차세대 IoT 아키텍처는 어떻게 설계될 수 있는가?
• RQ2 5G와 신기술의 어떤 조합이 IoT 시스템에서 고용량 및 저지연 요구 사항을 효과적으로 지원할 수 있는가?
• RQ3 밀집된 이질적 IoT 환경에서 스펙트럼 효율성과 간섭은 어떻게 관리될 수 있는가?
• RQ4 엣지 및 클라우드 컴퓨팅은 IoT 네트워크에서 지연과 처리를 최적화하기 위해 어떻게 통합될 수 있는가?
• RQ5 MEC, WNFV 및 WSDN의 통합은 IoT 아키텍처의 민첩성과 확장성에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 제안된 아키텍처는 5G-IoT, MEC 및 D2D 통신을 통합함으로써 지연 감소와 데이터 처리 향상으로 인해 확장성과 반응성이 향상됨을 입증하였다.
• WNFV와 WSDN의 통합은 동적이고 소프트웨어 기반의 네트워크 제어를 가능하게 하여 네트워크의 민첩성과 자원 효율성을 증가시켰다.
• 고급 스펙트럼 공유 및 간섭 관리 기법은 밀집된 IoT 배포 환경에서 스펙트럼 효율성을 크게 향상시켰다.
• 모듈식 설계는 다양한 응용 요구 사항에 대한 탄력적인 적응을 가능하게 하여 미래 지향적인 IoT 서비스를 지원한다.
• 이 아키텍처는 고용량 데이터 생성과 실시간 분석을 효과적으로 지원하여 산업용 IoT 환경에서 지능적인 의사결정을 가능하게 한다.
• mmWave와 HetNet의 조합은 네트워크 용량을 향상시키고 고대역폭 IoT 응용 프로그램을 지원한다.