JP2021512525A - モノのインターネット環境におけるフォグコンピューティングアーキテクチャ - Google Patents

モノのインターネット環境におけるフォグコンピューティングアーキテクチャ Download PDF

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Abstract

本発明は、モノのインターネットに基づく環境におけるフォグコンピューティングアーキテクチャを開示しており、本技術案は、ローカル無線信号処理能力を十分に活用し、無線リソース管理及びエッジデバイスにおける分散型ストレージ能力を統合して、適切な伝送モードの選択によりフォグコンピューティングアーキテクチャを構成することで、フロントエンドの負荷を低減する効果が達されるため、より高いシステム容量及び処理速度が得られる。具体的な態様として、フォグコンピューティング無線アクセスネットワークには、グローバル集中通信及びストレージクラウド、集中制御クラウド、分散型論理通信クラウド及び分散型論理ストレージクラウドとなる4つのクラウドが定義され、これらのクラウドは、それぞれ通信、ストレージ、制御及び信号処理を担う。ユーザーデバイスがフォグコンピューティング体系モノのインターネットにアクセスしてきた場合、ユーザーデバイスの移動速度、通信距離、位置、サービス品質(QoS)要求、処理及び高速キャッシュ能力に応じて、D2D及び中継モード、局所分散型協調モード、グローバルC−RANモード及びHPNモードから伝送モードを選択することで、より高い効率が得られる。

Description

本発明は、モノのインターネット環境におけるフォグコンピューティングアーキテクチャに関し、主に第5世代移動通信システム(5G)に適用され、モノのインターネット(Internet of Things;IoT)及びクラウドコンピューティングの分野に属する。
第4世代無線通信システム(4G)に比べて、第5世代無線通信システム(5G)は、システム容量が少なくとも1000倍増長し、且つエネルギー伝送効率が少なくとも10倍増加する。これらの目標を実現するために、クラウドコンピューティングアーキテクチャは、分散型基地局で大量のデータを集中的に処理しなければならない。そのため、このアーキテクチャに高帯域幅及び低待ち時間の相互接続フロントエンドを持たせるという前提条件が必要となる。しかしながら、既存のフロントエンド伝送は、容量及び時間遅延によって制約を受けることが多く、そのスペクトル効率及びエネルギー効率でのパフォーマンスが規格の要求から遥かに遠くなっている。ロケーションベースのソーシャルアプリケーションが普及するにつれて、フロントエンドのトラフィックデータが急増し、大量の冗余情報が発生している一方で、事業者は、ピーク時の容量要求を満たすために、大量の基地局を展開する必要があるが、トラフィック配信量が十分でない場合、重大な無駄を引き起こしてしまう。
既存技術における課題を解決するために、本発明の目的は、フォグコンピューティングアーキテクチャの概念を導入して、エッジデバイスの処理能力及びストレージ能力を十分に活用することにより、フロントエンド及び分散型基地局への負担を軽減することにある。
フォグコンピューティングは、伝送の需要を満たすために、集中型クラウドストレージ及びチャネル確立を使用するのではなく、従来のクラウドコンピューティングモデルをネットワークのエッジまで拡張して、ネットワーク上に多数のストレージ、通信、制御、構成、測定及び管理用のデバイスを提供することを容易にする。フォグコンピューティングによれば、協調無線信号処理は、クラウドコンピューティングセンターサーバーで実行できるだけでなく、分散型基地局及びスマートデバイスにてホスティングされることもできる。このようなリアルタイムの連携無線信号処理及び柔軟な連携無線リソース管理により、フォグコンピューティングアーキテクチャは、無線環境における高速且つスケーラブルなフロントエンドの負担を好適に負うことができる。また、フォグコンピューティングは、デバイス・ツー・デバイス(D2D)、無線中継、分散型協調及び大規模な集中連携の間の適応技術を通じて、ユーザー中心の目標を達成することができる。
その技術案は、以下の通りである。
モノのインターネット環境におけるフォグコンピューティングアーキテクチャであって、グローバル集中通信及びストレージクラウド、集中制御クラウド、分散型論理通信クラウド、分散型論理ストレージクラウド及びモノのインターネットアプリケーション層となる「4つのクラウド+アプリケーション層」型レイアウトと、D2D中継モード、局所分散型協調モード、グローバルクラウド伝送モード及びHPNモードとなる4つの伝送モードとを含む。前記分散型論理通信クラウドは、複数の分散型基地局で構成され、複数の分散型基地局間の協調処理により、前段リンクの過負荷を解消し、キューイング及び伝送待ち時間を軽減する効果を達成し、分散型論理ストレージクラウドは、フォグコンピューティングアーキテクチャにアクセスしてきた被制御ユーザーデバイスで構成され、集中制御クラウドは、モノのインターネット監視ノードに位置し、グローバル集中通信及びストレージクラウドは、クラウドコンピューティング中央サーバーで構成され、分散型論理通信クラウドは、フロントRF(Radio Frequency)だけでなく、ローカル分散型連携無線信号処理及び連携無線リソース管理技術機能も統合しており、分散型論理ストレージクラウドは、エッジデバイスにおけるローカルストレージ及び高速キャッシュを担い、集中制御クラウドは、制御プラットフォームとして機能するものであり、下位クラウドに制御シグナリングを発行し、グローバル集中通信及びストレージクラウドは、従来のクラウドコンピューティングにおけるクラウドコンピューティングセンターサーバーと類似しており、ユーザーデバイス及び分散型基地局とのデータの伝送及びやり取りを担い、集中ストレージ及び集中通信機能を担当し、最終的に、クラウドコンピューティングセンターサーバーは、需要に応じて、受け取ったデータをモノのインターネットアプリケーション層内のユーザーに選択的に提供し、ターミナル層、ネットワークアクセス層、クラウドコンピューティング層及びフォグコンピューティング層を更に含む。
フォグコンピューティング層は、分散型基地局から進化したフォグコンピューティングアクセスポイント、ターミナル層及びネットワークアクセス層におけるスマートデバイスによって定められ、ターミナル層において、デバイスは、分散型基地局から進化したフォグコンピューティングアクセスポイントの助けを必要とせずに、D2Dモードで隣接するデバイスと直接通信し、もし潜在的にペアリングする2つのデバイスの通信距離がD2D距離閾値を超えると、これら2つのデバイス間の通信を提供するために、サードパーティデバイスに基づく中継モードをトリガーし、ネットワークアクセス層には、モノのインターネット監視ノード及びフォグコンピューティングアクセスポイントとなる2種類のエッジ通信エンティティがあり、モノのインターネット監視ノードは、全体的な制御シグナリングを伝達するとともに、高速移動するデバイスに、基本ビットレートを持つシームレスなカバレッジを提供するものであり、クラウドコンピューティング層は、ソフトウェアで定義された、集中型コンピューティング及びキャッシュの属性であり、全ての信号処理ユニットは、大型の物理ベースバンドユニットプール内で協働して、フォグコンピューティング全体のシグナリング、トラフィックデータ及びチャネル状態情報を共有し、被制御ユーザーデバイスは、フォグコンピューティング無線ネットワークに適応的にアクセスし、且つ、ユーザーデバイスの移動速度、通信距離、位置、サービス品質要求、処理及び高速キャッシュ能力に応じて、D2D中継モード、局所分散型協調モード、グローバルクラウド伝送モード及びHPNモードから伝送モードを選択する。
D2D中継モードにおいて、2つのユーザーデバイスは、D2D又はスマートデバイスに基づく無線中継技術を介して互いに通信し、ローカル分散型協調モードとは、被制御ユーザーデバイスが隣接する分散型基地局にアクセスし、且つ通信がそこで終了し、伝送結果のみがフィードバックされてアップロードされることを意味し、グローバルクラウド伝送モードとは、全てのローカル分散型連携無線信号処理及び連携無線リソース管理技術機能が分散型基地局に集中的に実装され、高い移動速度を持つか若しくは分散型論理通信クラウドのカバレッジホール内にある被制御ユーザーデバイスが、HPNモードで表されるモノのインターネット監視ノードにアクセスしなければならないことを意味する。
有益な効果は、以下の通りである。本発明は、モノのインターネット環境におけるフォグコンピューティングアーキテクチャを設計しており、そのコア思想として、ローカル無線信号処理を十分に活用し、無線リソース管理及びエッジデバイスにおける分散型ストレージ能力を統合して、フロントエンドの重い負荷を低減することで、より高いシステム容量及び処理速度を得て、第5世代無線通信システム(5G)の需要を満たすようにする。モバイルアプリケーションの観点から見ると、伝送がローカルで発生する場合、又は同じコンテンツが隣接する分散型基地局に格納されている場合、ユーザーデバイスがクラウドコンピューティングセンターサーバーのベースバンドユニットに接続してダウンロードする必要がなくなる。それに、フォグコンピューティングは、従来のクラウドコンピューティングモデルをネットワークのエッジまで拡張し、協調無線信号処理は、クラウドコンピューティングセンターサーバーで実行できるだけでなく、分散型基地局及びスマートデバイスにてホスティングされることもできる。また、フォグコンピューティングは、デバイス・ツー・デバイス(D2D)、無線中継、分散型協調及び大規模な集中連携の間の適応技術を通じて、ユーザー中心の目標を達成し、最終的に、モバイル伝送の発展の需要に適合することができる。
本発明に係るモノのインターネット環境におけるフォグコンピューティングアーキテクチャのシステム構造図である。 本発明に係るモノのインターネット環境におけるフォグコンピューティングアーキテクチャのモード選択擬似コードである。
以下、図面及び具体的な実施例を元に、本発明を更に詳しく説明する。
提案されたF−RAN(Fog Radio Access Network)は、クラウドコンピューティング、ヘテロジニアスネットワーク及びフォグコンピューティングの融合を十分に活用しており、グローバル集中通信及びストレージクラウド、集中制御クラウド、分散型論理通信クラウド及び分散型論理ストレージクラウドとなる4つのクラウドを定義している。分散型論理通信クラウドは、フロントRFだけでなく、ローカル分散型連携無線信号処理及び連携無線リソース管理技術機能も統合している一方で、分散型論理ストレージクラウドは、エッジデバイスにおけるローカルストレージ及び高速キャッシュを担う。集中制御クラウドは、制御プラットフォームとして機能するものであり、下位クラウドに制御シグナリングを発行する。グローバル集中通信及びストレージクラウドは、従来のクラウドコンピューティングにおけるクラウドコンピューティングセンターサーバーと類似しており、ユーザーデバイス(UE)及び分散型基地局とのデータの伝送及びやり取りを担い、集中ストレージ及び集中通信機能を担当する。
図1には、提案されたフォグコンピューティングアーキテクチャを実現するためのシステムモデルが示されている。このシステムモデルには、ターミナル層、ネットワークアクセス層、クラウドコンピューティング層及びフォグコンピューティング層が含まれる。
フォグコンピューティング層は、分散型基地局から進化したフォグコンピューティングアクセスポイント、ターミナル層及びネットワークアクセス層におけるスマートデバイスによって定められるものである。
ターミナル層において、隣接する被制御ユーザーデバイスは、D2Dモード、又は分散型基地局に基づく中継モードを介して互いに通信可能である。例えば、デバイス3とデバイス1とは、デバイス2の助けを借りて互いに通信可能であり、デバイス2は、移動中継と見なすことができる。デバイス1とデバイス2との間で直接送信される何らかのデータが有れば、D2Dモードが使用される。
ネットワークアクセス層は、分散型基地局から進化したフォグコンピューティングアクセスポイント及びモノのインターネット監視ノードで構成される。全ての通信デバイスは、モノのインターネット監視ノードにアクセスすることで、システム情報に関する全てのシグナリングを得るようにしており、これらのシグナリングは、制御プラットフォームとして機能する。また、分散型基地局から進化したフォグコンピューティングアクセスポイントは、受信されたデータの転送及び処理に用いられる。フォグコンピューティングアクセスポイントは、フロントエンドリンクを介してクラウドコンピューティング層におけるクラウドコンピューティングセンターサーバーのベースバンドユニットに繋がる一方で、バックホールリンクを介してクラウドコンピューティングセンターサーバーのベースバンドユニットにアクセスして、フロントエンドリンクにおける信号を、大規模処理のためにクラウドコンピューティングサーバーに送信する。多くの連携無線信号処理及び連携無線リソース管理機能が、分散型基地局から進化したフォグコンピューティングアクセスポイント及びスマートデバイスに移されるため、フロントエンド及びクラウドコンピューティングセンターサーバーのベースバンドユニットの負担が軽減される。また、モノのインターネット監視ポイント及びスマートデバイスにおけるリミテッド高速キャッシュは、一部のパケットサービスを、クラウドコンピューティングセンターサーバーで集中的にキャッシュする代わりに、エッジデバイスに割り当てることができる。
エッジデバイスにフォグコンピューティングを導入するために、従来のRRHは、一定のキャッシュ、CRSP及びCRRM能力を持たせることで、フォグコンピューティングに基づくアクセスポイントに進化する。分散型基地局から進化したフォグコンピューティングアクセスポイントは、主に、アクセスしてきたデバイスのためにローカル連携無線信号処理及び連携無線リソース管理を行い、D2D伝送モードで動作するデバイスに干渉抑制及びスペクトル共有を提供し、且つ、フロントエンドを介して、受信された情報を圧縮してクラウドコンピューティングセンターサーバーのベースバンドユニットに転送するものである。フォグコンピューティングアクセスポイントは、フロントRFだけでなく、ローカル分散型連携無線信号処理及び簡単な連携無線リソース管理機能も統合している。複数の隣接するフォグコンピューティングアクセスポイント間の協調処理により、フロントエンドリンクの過負荷が解放されるとともに、キューイング及び伝送待ち時間を低減できる。全ての連携無線信号処理及び連携無線リソース管理機能がクラウドコンピューティングセンターサーバーのベースバンドユニットに移されると、フォグコンピューティングアクセスポイントは、従来の分散型基地局に退化する。
トラフィック負荷が低い場合、一部のアイドル状態の分散型基地局から進化したフォグコンピューティングアクセスポイントは、スリープモードに入る。ある特殊なエリアでトラフィック負荷が巨大になると、フォグコンピューティングアクセスポイント及びモノのインターネット監視ポイントは、アクティブになり、高容量の伝送通信業務を遂行することなり、更に、D2D又は中継モードをトリガーして巨大な容量要求を満たすことも可能である。
上記の三者は、互いに協働してフォグコンピューティング層を構成している。以下では、モノのインターネット環境におけるフォグコンピューティングアーキテクチャの階層化構造における残り部分について説明する。
ターミナル層において、デバイスは、分散型基地局から進化したフォグコンピューティングアクセスポイントの助けを必要とせずに、D2Dモードで隣接するデバイスと直接通信可能であり、モノのインターネット監視ノードは、D2Dペアリングしたデバイスに全体的な制御シグナリングを伝達するものである。フォグコンピューティングアクセスポイントに接続されたデバイスで、同じ無線リソースを繰り返して利用することにより、D2Dモードは、高速データ伝送の需要を満たすのに特に有利となり、また、全体的なスループットを向上させることもできる。しかしながら、D2Dモードは、通信距離及びフォグコンピューティングアクセスポイントの能力によって厳しく制限されており、D2Dモードをサポートしない従来のデバイスサービスを提供できない。もし潜在的にペアリングする2つのデバイスの通信距離がD2D距離閾値を超えると、これら2つのデバイスに通信を提供するために、サードパーティデバイスに基づく中継モードをトリガーする。
ネットワークアクセス層には、モノのインターネット監視ノード及びフォグコンピューティングアクセスポイントとなる2種類のエッジ通信エンティティがあり、モノのインターネット監視ノードは、主に、全体的な制御シグナリングを伝達するとともに、高速移動するデバイスに、基本ビットレートを持つシームレスなカバレッジを提供するものである。大規模な複数入力複数出力(MIMO)を持つモノのインターネット監視ノードは、フォグコンピューティングアーキテクチャと既存の無線システムの後方互換性の鍵である。フォグコンピューティングアーキテクチャの全体的な制御チャネルオーバーヘッド及びセル固有参照信号は、モノのインターネット監視ノードによって伝達されるため、フォグコンピューティングは、不要なハンドオーバーを低減し、同期の制約を緩和することができる。もし連携無線信号処理及び連携無線リソース管理機能がフォグコンピューティングアクセスポイントで終了可能であれば、それらは、セル基地局と同じ機能を持つことになり、協調マルチポイント送受信(CoMP)と類似した分散型干渉協調を用いて層内及び層間の干渉を抑える。
クラウドコンピューティング層は、ソフトウェアで定義されるものであり、集中型コンピューティング及びキャッシュの属性を特徴としている。全ての信号処理ユニットは、大型の物理ベースバンドユニットプール内で協働して、フォグコンピューティング全体のシグナリング、トラフィックデータ及びチャネル状態情報を共有する。ネットワークの負荷が増加した場合、事業者は、ベースバンドユニットプールをアップグレードするだけで、容量の増加に対応することができる。
図2に示すように、本技術案は、適応モード選択を提案し、これら4つのモードを十分に活用している。
かかるモノのインターネット環境における无コンピューティングアーキテクチャ内の被制御ユーザーデバイスは、フォグコンピューティング無線ネットワークに適応的にアクセスし、且つ、ユーザーデバイスの移動速度、通信距離、位置、サービス品質要求、処理及び高速キャッシュ能力に応じて、D2D中継モード、局所分散型協調モード、グローバルクラウド伝送モード及びHPNモードから伝送モードを選択する。
D2D及び中継モードにおいて、2つのデバイスは、D2D又はサードパーティデバイスに基づく無線中継技術を介して互いに通信可能である。ローカル分散型協調モードとは、デバイスが隣接する分散型基地局にアクセスし、且つ通信がそこで終了することを意味する。グローバルクラウド伝送モードとは、全てのローカル分散型連携無線信号処理及び連携無線リソース管理技術機能が分散型基地局に集中的に実装され、高い移動速度を持つか若しくは分散型論理通信クラウドのカバレッジホール内にある被制御ユーザーデバイスが、HPNモードで表されるモノのインターネット監視ノードにアクセスしなければならないことを意味する。
伝送される制御シグナリングが全てのデバイスによって周期的に監視されることに加え、モノのインターネット監視ノードの監視の下で、アクセスしてきたデバイスによって最適な伝送モードが選択される。それぞれのデバイスの最適な伝送モードを決定するために、まず、モノのインターネット監視ノードからのパイロットチャネルに基づいて、デバイスの移動速度及び残りの別デバイスとの距離が推定される。デバイスが高速移動状態にある場合、又はリアルタイム音声通信サービスを提供する必要がある場合、高い優先度でHPNモードがトリガーされる。互いに通信する2つのデバイスの相対移動速度が遅く、且つそれらの距離が閾値D1を超えていない場合、D2Dモードがトリガーされる。そうでなければ、それらの距離がD1よりも大きくD2未満であり、且つこれら2つのデバイス間の中継通信に用いることが可能な第三者のデバイスとして、隣接するデバイスが存在する場合、第三者のデバイスに基づく中継モードがトリガーされることにより、他のモードよりも良好な性能が実現される。また、2つの所望のF−UE(Fog Computing User Equipment)の移動が遅く、且つそれらの距離がD2よりも大きくD3未満であるか、それらの距離がD2以下であるが、少なくとも一方のデバイスがD2D及び中継モードをサポートしていない場合、ローカル分散型協調モードが採用される。ローカル分散型協調モードによって期待の性能が提供されることができない場合、又は2つの所望のF−UE間の距離がD3よりも大きい場合、又は伝送されるコンテンツがクラウドサーバーからのものである場合、グローバルクラウド伝送モードがトリガーされる。

Claims (2)

  1. モノのインターネット環境におけるフォグコンピューティングアーキテクチャであって、
    グローバル集中通信及びストレージクラウド、集中制御クラウド、分散型論理通信クラウド、分散型論理ストレージクラウド及びモノのインターネットアプリケーション層となる「4つのクラウド+アプリケーション層」型レイアウトと、
    D2D中継モード、局所分散型協調モード、グローバルクラウド伝送モード及びHPNモードとなる4つの伝送モードとを含み、
    前記分散型論理通信クラウドは、複数の分散型基地局で構成され、複数の分散型基地局間の協調処理により、前段リンクの過負荷を解消し、キューイング及び伝送待ち時間を軽減する効果を達成し、
    分散型論理ストレージクラウドは、フォグコンピューティングアーキテクチャにアクセスしてきた被制御ユーザーデバイスで構成され、集中制御クラウドは、モノのインターネット監視ノードに位置し、グローバル集中通信及びストレージクラウドは、クラウドコンピューティング中央サーバーで構成され、
    分散型論理通信クラウドは、フロントRFだけでなく、ローカル分散型連携無線信号処理及び連携無線リソース管理技術機能も統合しており、分散型論理ストレージクラウドは、エッジデバイスにおけるローカルストレージ及び高速キャッシュを担い、集中制御クラウドは、制御プラットフォームとして機能するものであり、下位クラウドに制御シグナリングを発行し、
    グローバル集中通信及びストレージクラウドは、従来のクラウドコンピューティングにおけるクラウドコンピューティングセンターサーバーと類似しており、ユーザーデバイス及び分散型基地局とのデータの伝送及びやり取りを担い、集中ストレージ及び集中通信機能を担当し、
    最終的に、クラウドコンピューティングセンターサーバーは、需要に応じて、受け取ったデータをモノのインターネットアプリケーション層内のユーザーに選択的に提供し、
    ターミナル層、ネットワークアクセス層、クラウドコンピューティング層及びフォグコンピューティング層を更に含み、
    フォグコンピューティング層は、分散型基地局から進化したフォグコンピューティングアクセスポイント、ターミナル層及びネットワークアクセス層におけるスマートデバイスによって定められ、ターミナル層において、デバイスは、分散型基地局から進化したフォグコンピューティングアクセスポイントの助けを必要とせずに、D2Dモードで隣接するデバイスと直接通信し、もし潜在的にペアリングする2つのデバイスの通信距離がD2D距離閾値を超えると、これら2つのデバイス間の通信を提供するために、サードパーティデバイスに基づく中継モードをトリガーし、
    ネットワークアクセス層には、モノのインターネット監視ノード及びフォグコンピューティングアクセスポイントとなる2種類のエッジ通信エンティティがあり、モノのインターネット監視ノードは、全体的な制御シグナリングを伝達するとともに、高速移動するデバイスに、基本ビットレートを持つシームレスなカバレッジを提供するものであり、クラウドコンピューティング層は、ソフトウェアで定義された、集中型コンピューティング及びキャッシュの属性であり、
    全ての信号処理ユニットは、大型の物理ベースバンドユニットプール内で協働して、フォグコンピューティング全体のシグナリング、トラフィックデータ及びチャネル状態情報を共有し、
    被制御ユーザーデバイスは、フォグコンピューティング無線ネットワークに適応的にアクセスし、且つ、ユーザーデバイスの移動速度、通信距離、位置、サービス品質要求、処理及び高速キャッシュ能力に応じて、D2D中継モード、局所分散型協調モード、グローバルクラウド伝送モード及びHPNモードから伝送モードを選択する
    ことを特徴とするフォグコンピューティングアーキテクチャ。
  2. D2D中継モードにおいて、2つのユーザーデバイスは、D2D又はスマートデバイスに基づく無線中継技術を介して互いに通信し、ローカル分散型協調モードとは、被制御ユーザーデバイスが隣接する分散型基地局にアクセスし、且つ通信がそこで終了し、伝送結果のみがフィードバックされてアップロードされることを意味し、グローバルクラウド伝送モードとは、全てのローカル分散型連携無線信号処理及び連携無線リソース管理技術機能が分散型基地局に集中的に実装され、高い移動速度を持つか若しくは分散型論理通信クラウドのカバレッジホール内にある被制御ユーザーデバイスが、HPNモードで表されるモノのインターネット監視ノードにアクセスしなければならないことを意味する
    ことを特徴とする請求項1に記載のフォグコンピューティングアーキテクチャ。
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