[논문 리뷰] Fog Computing in IoT Aided Smart Grid Transition- Requirements, Prospects, Status Quos and Challenges

Md. Muzakkir Hussain, Mohammad Saad Alam외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 06.

IoT and Edge/Fog Computing참고 문헌 17인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 사물인터넷(IoT) 기반 스마트 그라이드에서 저지연, 실시간 서비스를 구현하기 위해 클라우드 컴퓨팅의 보완 철학으로서 nees 컴퓨팅을 조사한다. 기존 클라우드 아키텍처가 스마트 그라이드 생태계의 동적이고 시간에 민감한 수요를 충족시키는 데에 한계가 있음을 분석하고, 탈중앙화된 에너지 관리 시스템에서의 반응성, 확장성, 신뢰성을 향상시키기 위해 포그 기반 아키텍처를 제안한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 현대 스마트 그라이드 시스템의 실시간, 탈중앙화, 자원에 민감한 수요를 충족시키는 데에 클라우드 컴퓨팅의 한계를 평가하는 것.
• 지연과 대역폭 제약으로 인해 포그 컴퓨팅의 이점을 얻는 스마트 그라이드의 특정 하위 도메인과 서비스를 식별하는 것.
• 스마트 그라이드 운영의 반응성과 신뢰성을 향상시키기 위해 포그-클라우드 하이브리드 아키텍처를 제안하는 것.
• 스마트 그라이드 전환 과정에서 포그 컴퓨팅 도입과 관련된 기회와 과제를 분석하는 것.
• 확장성 있고 안전하며 효율적인 포그 기반 스마트 그라이드 구현을 위한 연구 격차와 향후 방향을 부각하는 것.

제안 방법

• 스마트 그라이드 워크로드의 맥락에서 클라우드 중심 모델과 포그 기반 컴퓨팅 모델 간의 비교 분석을 수행하는 것.
• 고장 탐지 및 로드 밸런싱과 같은 저지연 처리가 필요한 임무 핵심 스마트 그라이드 애플리케이션을 식별하는 것.
• 엣지 장치, 포그 노드, 중심화된 클라우드를 통합한 계층적 포그-클라우드 아키텍처를 제안하여 분산 데이터 처리를 구현하는 것.
• 모니터링, 제어, 분석과 같은 스마트 그라이드 서비스의 기능적 요구사항을 적절한 포그 컴퓨팅 계층에 매핑하는 것.
• 개념적 모델링과 사례 기반 추론을 활용하여 지연, 대역폭 사용량, 장애 내성 측면에서 시스템 성능의 트레이드오프를 평가하는 것.
• 스마트 그라이드 사용 사례와 인프라 제약 조건에 부합하기 위해 포그 컴퓨팅 서비스 및 배포 모델의 분류 체계를 활용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 클라우드 컴퓨팅은 얼마나 동적이고 시간에 민감한 스마트 그라이드 생태계의 실시간 및 저지연 요구사항을 충족시킬 수 있는가?
• RQ2 어느 특정 스마트 그라이드 서비스와 하위 도메인이 그들의 시간에 민감하고 탈중앙화된 성격으로 인해 포그 컴퓨팅의 이점을 가장 크게 얻는가?
• RQ3 포그-클라우드 하이브리드 아키텍처는 IoT 기반 스마트 그라이드 운영의 반응성과 확장성 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 스마트 그라이드 전환을 위한 포그 컴퓨팅 배포 과정에서 발생하는 주요 기술적 및 아키텍처적 과제는 무엇인가?
• RQ5 포그 기반 스마트 그라이드 시스템의 실현 가능성과 보안을 확보하기 위해 필요한 연구 방향은 무엇인가?

주요 결과

• 고장 탐지 및 실시간 로드 밸런싱과 같은 시간에 민감한 스마트 그라이드 애플리케이션의 저지연성과 고신뢰성 요구사항을 충족시키는 데에 기존 클라우드 컴퓨팅이 실패한다.
• 포그 컴퓨팅은 데이터를 소스에 가까이 처리함으로써 종단 간 지연을 크게 감소시켜 분산 그라이드 운영에서 더 빠른 의사결정을 가능하게 한다.
• 포그 컴퓨팅과 IoT의 통합은 계산 워크로드를 탈중앙화함으로써 스마트 그라이드 인프라의 확장성과 장애 내성 향상에 기여한다.
• 포그 기반 아키텍처는 특히 고밀도 센서 네트워크에서 클라우드로 전송되는 데이터의 양을 줄여 대역폭 효율성을 향상시킨다.
• 논문은 성보, 상호운용성, 동적 자원 할당과 같은 핵심 과제를 특정하여 스마트 그라이드에서의 포그 배포 성공을 위해 반드시 해결되어야 할 사항으로 지목한다.
• 제안된 포그-클라우드 하이브리드 모델은 특히 탈중앙화되고 동적인 환경에서 실시간, 지연 없는 스마트 그라이드 서비스를 위한 실현 가능한 길을 제시한다.