JP2021512525A5

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Publication number: JP2021512525A5
Application number: JP2020537011A
Authority: JP
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2021-10-28
Anticipated expiration: 2039-03-20

Description

Fog computing architecture in IoT

本発明は、主として第五世代移動通信システム（５Ｇ）に適用されるＩｏＴにおけるフォグコンピューティングアーキテクチャに係り、ＩｏＴ及びクラウドコンピューティング分野に係る。 The present invention relates mainly to the fog computing architecture in IoT applied to the 5th generation mobile communication system (5G), and relates to the fields of IoT and cloud computing.

第５世代無線通信システム（５Ｇ）は、第４世代無線通信システム（４Ｇ）に比べてシステム容量が１０００倍以上に増加し、且つエネルギー伝送効率が１０倍以上に増加する。これらの目的を達成するために、クラウドコンピューティングアーキテクチャは、分散基地局において大量のデータを集中的に処理しなければならず、このアーキテクチャは、相互接続するフロントエンドで高いブロードバンドと短い待ち時間の２つの必須条件を満たすことを必要とする。しかしながら、既存のフロントエンド伝送は、しばしば、容量及び時間遅延に制約され、スペクトル効率及びエネルギー効率における表現は、規格上の要件に遠く及ばない。位置に基づく社会的アプリケーションが益々流行るにつれ、フロントエンドトラフィックデータは、急増し、冗長な情報を大量に生成する。一方、ピーク容量の要求を満たすためには、運用者は多数の基地局を設置する必要があるが、トラフィック量が多くない場合には、大きな無駄が生じる。 The 5th generation wireless communication system (5G) has a system capacity increased 1000 times or more and an energy transmission efficiency increased 10 times or more as compared with the 4th generation wireless communication system (4G). To achieve these goals, cloud computing architectures must centrally process large amounts of data in distributed base stations, which have high broadband and short latency on the interconnected front ends. It is necessary to meet two essential conditions. However, existing front-end transmissions are often constrained by capacitance and time delay, and representations in spectral and energy efficiency fall far short of standard requirements. As location-based social applications become more prevalent, front-end traffic data grows exponentially and produces large amounts of redundant information. On the other hand, in order to meet the demand for peak capacity, the operator needs to install a large number of base stations, but when the traffic volume is not large, a large amount of waste occurs.

従来技術の課題を解決するために、本発明の目的は、エッジデバイスの処理能力及び記憶能力を十分に活用して、フロントエンド及び分散基地局の負荷を軽減する、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することである。 In order to solve the problems of the prior art, an object of the present invention is to develop a concept of a fog computing architecture that fully utilizes the processing power and storage power of an edge device to reduce the load on the front end and distributed base stations. To introduce.

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ードをネットワークエッジに拡張し、ネットワークにおいて、集中型クラウドストレージ及びチャネルの構築よりも、伝送の要求を達成するために、記憶、通信、制御、構成、測定及び管理を行う多数の装置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基づく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内で実行されるだけでなく、分散基地局及びスマートデバイスにおいてホストされることもある。このリアルタイムの協調無線信号処理及び柔軟な協調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、無線環境下で迅速且つスケーラブルなフロントエンドロードを扱う系に適応できる。更に、フォグコンピューティングは、デバイス・ツー・デバイス（Ｄ２Ｄ）、ワイヤレス中継、分散協調及び大規模集中協力の間の適応技術によって、ユーザ中心の目標を達成することができる。 Fog computing extends traditional cloud computing modes to the edge of the network, storing, communicating, controlling, configuring, and measuring to meet transmission demands in the network rather than building centralized cloud storage and channels. And facilitate to provide a large number of devices for management. Coordinated radio signal processing based on fog computing is not only performed within the cloud computing center server, but may also be hosted at distributed base stations and smart devices. With this real-time coordinated radio signal processing and flexible coordinated radio resource management, the fog computing architecture can be adapted to systems that handle fast and scalable front-end loads in a wireless environment. In addition, fog computing can achieve user-centered goals with adaptive technologies between device-to-device (D2D), wireless relay, distributed coordination and large-scale centralized cooperation.

ＩｏＴ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、分散ロジック通信クラウド、並びに、分散ロジックストレージクラウドと、ＩｏＴアプリケーション層と、からなる「４種類のクラウド＋アプリケーション層」型レイアウトと、
Ｄ２Ｄ中継モード、ローカル分散協調モード、グローバルクラウド伝送モード、及び、ＨＰＮモードの４種類の伝送モードと、を含み、
前記分散ロジック通信クラウドは、複数の分散基地局からなり、複数の分散基地局間で連携して処理することにより、前段のリンクの過負荷を解放し、キューイングと伝送待ち時間を軽減する効果を達成し、
分散ロジック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する制御対象であるユーザ機器からなり、集中制御クラウドは、ＩｏＴ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センターサーバーによって構成され、
分散ロジック通信クラウドは、先行無線周波数だけでなく、ローカル分散協調無線信号処理及び協調無線リソース管理技術機能も統合し、分散ロジック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記憶及びキャッシュを担い、集中制御クラウドは、制御プラットフォームとして機能し、下位クラウドへの制御シグナリングの提供を担い、
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と同様であり、ユーザ機器及び分散基地局とのデータの伝送及びやり取りを担い、集中記憶及び集中通信機能を担い、
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、要求に応じて、受け取ったデータを選択的にＩｏＴアプリケーション層のユーザに提供し、
更に端末層、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含み、
フォグコンピューティング層は、分散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と、端末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と、によって策定され、
端末層では、機器は、分散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支援を必要とせずに、Ｄ２Ｄモードにおいて隣接機器と直接通信するが、２つの潜在的にペアリングされる機器の通信距離がＤ２Ｄ距離閾値を超える場合、第３者機器に基づく中継モードが作動されて、該２つの機器に通信を提供し、
ネットワークアクセス層では、ＩｏＴ監視ノードと、フォグコンピューティングアクセスポイントと、の２種類のエッジ通信エンティティが存在し、ＩｏＴ監視ノードは、全体的な制御シグナリングを伝達し、高速移動機器に基本ビットレートでシームレスなカバレッジを提供し、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、集中型計算及びキャッシュの属性を有し、
信号処理ユニットの全てが、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ために、大型物理ベースバンドユニットプールで一緒に動作し、
制御対象であるユーザ機器は、フォグコンピューティング無限ループに適応的にアクセスし、ユーザ機器の移動速度、通信距離、位置、サービス品質要件、処理能力及びキャッシュ能力に応じて、Ｄ２Ｄ中継モード、ローカル分散協調モード、グローバルクラウド伝送モード及びＨＰＮモードの４つの伝送モードを選択する。 Fog computing architecture in IoT
A "4 types of cloud + application layer" layout consisting of a global centralized communication and storage cloud, a centralized control cloud, a distributed logic communication cloud, a distributed logic storage cloud, and an IoT application layer.
Includes four types of transmission modes: D2D relay mode, local distributed cooperative mode, global cloud transmission mode, and HPN mode.
The distributed logic communication cloud is composed of a plurality of distributed base stations, and by processing in cooperation with the plurality of distributed base stations, the effect of releasing the overload of the link in the previous stage and reducing the queuing and transmission waiting time. Achieved,
The distributed logic storage cloud consists of user devices that are controlled to access the fog computing architecture, the centralized control cloud is located on the IoT monitoring node, and the global centralized communication and storage cloud is composed of the cloud computing center server. ,
The distributed logic communication cloud integrates not only the preceding radio frequency but also the local distributed coordinated radio signal processing and coordinated radio resource management technology functions, the distributed logic storage cloud is responsible for local storage and caching in edge devices, and the centralized control cloud is. , Acts as a control platform and is responsible for providing control signaling to the lower cloud,
The global centralized communication and storage cloud is similar to the cloud computing center server in conventional cloud computing, and is responsible for data transmission and exchange with user equipment and distributed base stations, and is responsible for centralized storage and centralized communication functions.
Ultimately, the cloud computing center server selectively provides the received data to the users of the IoT application layer upon request.
It also includes a terminal layer, a network access layer, a cloud computing layer and a fog computing layer.
The fog computing layer is defined by fog computing access points that evolved from distributed base stations and smart devices in the terminal layer and network access layer.
At the terminal layer, the device communicates directly with the adjacent device in D2D mode without the need for the assistance of fog computing access points that have evolved from distributed base stations, but the distance between the two potentially paired devices. Exceeds the D2D distance threshold, a relay mode based on a third party device is activated to provide communication to the two devices.
At the network access layer, there are two types of edge communication entities, an IoT monitoring node and a fog computing access point, and the IoT monitoring node transmits the overall control signaling to high-speed mobile devices at the basic bit rate. Providing seamless coverage, the cloud computing layer is software-defined and has centralized computing and caching attributes.
All of the signal processing units work together in a large physical baseband unit pool to share signaling, traffic data and channel state information throughout fog computing.
The controlled user equipment adaptively accesses the fog computing infinite loop, and depending on the movement speed, communication distance, position, service quality requirement, processing capacity and cache capacity of the user equipment, D2D relay mode, local distribution. Select four transmission modes: cooperative mode, global cloud transmission mode, and HPN mode.

Ｄ２Ｄ中継モードでは、２つのユーザ機器は、Ｄ２Ｄ又はスマートデバイスに基づく無線中継技術により互いに通信し、
ローカル分散協調モードは、制御対象であるユーザ機器が隣接する分散基地局にアクセスし、ここで通信が終了し、伝送結果のみをフィードバックしてアップロードするモードを意味し、
グローバルクラウド伝送モードは、ローカル分散協調無線信号処理及び協調無線リソース管理技術機能のすべてが分散基地局において集中的に実現され、高い移動速度を有するか、又は、分散ロジック通信クラウドのカバレッジホール内の制御対象であるユーザ機器が、ＨＰＮモードによって表されるＩｏＴ監視ノードにアクセスしなければならないモードを意味する。 In D2D relay mode, the two user devices communicate with each other by wireless relay technology based on D2D or smart devices.
The local distributed cooperative mode means a mode in which a user device to be controlled accesses an adjacent distributed base station, communication ends here, and only the transmission result is fed back and uploaded.
In the global cloud transmission mode, all of the local distributed coordinated radio signal processing and coordinated radio resource management technology functions are centrally realized in the distributed base station and have high movement speed, or in the coverage hole of the distributed logic communication cloud. It means a mode in which the user device to be controlled must access the IoT monitoring node represented by the HPN mode.

本発明は、第５世代無線通信システム（５Ｇ）の要求に応えるべく、ローカル無線信号処理を最大限に活用し、無線リソース管理とエッジデバイスの分散記憶容量を統合してフロントエンドの重負荷を軽減し、システム容量と処理速度を向上させることを中心とした、ＩｏＴにおけるフォグコンピューティングアーキテクチャを考案したものである。モバイルアプリケーションの観点から、伝送がローカルで行われるか、又は、同じコンテンツが隣接する分散基地局に記憶される場合、ユーザ機器は、ダウンロードのために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する必要はない。同時に、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ードをネットワークエッジまで拡張させ、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されるだけでなく、分散基地局及びスマートデバイスでホストされる。更に、フォグコンピューティングは、デバイス・ツー・デバイス（Ｄ２Ｄ）、ワイヤレス中継、分散協調及び大規模集中協力の間の適応技術によって、ユーザ中心の目標を達成することができ、最終的にモバイル伝送の発展のニーズに適応することができる。 The present invention maximizes local radio signal processing to meet the demands of 5th generation wireless communication systems (5G), integrates wireless resource management and distributed storage capacity of edge devices to reduce the load on the front end. It devised a fog computing architecture in IoT with a focus on mitigating and improving system capacity and processing speed. From the perspective of a mobile application, if the transmission takes place locally or the same content is stored in an adjacent distributed base station, the user equipment connects to the baseband unit of the cloud computing center server for download. No need. At the same time, fog computing extends traditional cloud computing modes to the edge of the network, and coordinated radio signal processing is hosted not only on cloud computing center servers, but also on distributed base stations and smart devices. In addition, fog computing can achieve user-centered goals with adaptive technology between device-to-device (D2D), wireless relay, distributed coordination and large-scale centralized cooperation, and ultimately for mobile transmission. Can adapt to development needs.

本発明のＩｏＴ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アーキテクチャ図である。It is a system architecture diagram of the fog computing architecture in IoT of this invention. 本発明のＩｏＴ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。It is a mode selection pseudo code of the fog computing architecture in IoT of this invention.

以下、本発明を図面及び具体的な実施例に基づいて更に詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the drawings and specific examples.

本実施の形態のＦ−ＲＡＮは、クラウドコンピューティング、ヘテロジー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利用する。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、分散ロジック通信クラウド及び分散ロジックストレージクラウドの４種類のクラウドが定義されている。分散ロジック通信クラウドは、先行無線周波数だけでなく、ローカル分散協調無線信号処理及び協調無線リソース管理技術機能も統合する。分散ロジック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記憶及びキャッシュを担う。集中制御クラウドは、制御プラットフォームとして機能し、制御シグナリングを下位のクラウドに提供する役割を果たす。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・サーバと同様であり、ユーザ機器及び分散基地局とのデータの伝送及びやり取りを担い、集中記憶及び集中通信機能を担う。 The F-RAN of this embodiment fully utilizes the fusion of cloud computing, heterogeneous network and fog computing. Four types of clouds are defined: global centralized communication and storage cloud, centralized control cloud, distributed logic communication cloud, and distributed logic storage cloud. The distributed logic communication cloud integrates not only the preceding radio frequency but also the local distributed coordinated radio signal processing and coordinated radio resource management technology functions. The distributed logic storage cloud is responsible for local storage and caching on edge devices. The centralized control cloud functions as a control platform and serves to provide control signaling to lower-level clouds. The global centralized communication and storage cloud are similar to the cloud computing center server in conventional cloud computing, and are responsible for data transmission and exchange with user devices and distributed base stations, and are responsible for centralized storage and centralized communication functions.

図１に示されるように、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提案される。それは、端末層、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含む。 As shown in FIG. 1, a system model for realizing a fog computing architecture is proposed. It includes a terminal layer, a network access layer, a cloud computing layer and a fog computing layer.

フォグコンピューティング層は、分散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と、端末層及びネットワークアクセス層のスマートデバイスと、によって策定される。 The fog computing layer is defined by fog computing access points that have evolved from distributed base stations and smart devices in the terminal layer and network access layer.

端末層において、隣接する制御対象のユーザ機器は、Ｄ２Ｄモード又は分散基地局に基づく中継モードにより互いに通信することができる。例えば、機器３と機器１は、モバイル中継として考えられる機器２を介して互いに通信する。機器１と機器２との間で直接送信されるべきいくつかのデータが存在する場合、Ｄ２Ｄモードが使用される。 At the terminal layer, adjacent controlled user devices can communicate with each other in D2D mode or relay mode based on distributed base stations. For example, the device 3 and the device 1 communicate with each other via the device 2 considered as a mobile relay. The D2D mode is used when there is some data to be transmitted directly between device 1 and device 2.

ネットワークアクセス層は、分散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と、ＩｏＴ監視ノードとからなる。すべての通信機器は、システム情報に関連するすべてのシグナリングを取得するために、ＩｏＴ監視ノードにアクセスし、これらのシグナリングにより、制御プラットフォームの機能を実現する。更に、分散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、受信データを転送及び処理するために使用される。フォグコンピューティングアクセスポイントは、クラウドコンピューティング層のクラウドコンピューティングセンターサーバのベースバンドユニットと、フロントエンドリンクを介してインターフェースで接続し、フォグコンピューティングアクセスポイントは、クラウドコンピューティングセンターサーバのベースバンドユニットに、バックホールリンクを介してアクセスし、フロントエンドリンク上の信号をクラウドコンピューティングサーバに送信して大規模に処理される。分散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やスマートデバイスに、協調無線信号処理や協調無線リソース管理機能が多く移行されるため、フロントエンドやクラウドコンピューティングセンターサーバのベースバンドユニットの負荷が軽減される。更に、ＩｏＴ監視ノード及びスマートデバイス内の限られたキャッシュについては、クラウドコンピューティングセンターサーバで集中的にキャッシュするのではなく、エッジデバイス内にいくつかのパケットサービスを割り当てることができる。 The network access layer consists of fog computing access points that have evolved from distributed base stations and IoT monitoring nodes. All communication devices access the IoT monitoring node to acquire all the signaling related to the system information, and these signalings realize the function of the control platform. In addition, fog computing access points, which have evolved from distributed base stations, are used to transfer and process received data. The fog computing access point is connected to the baseband unit of the cloud computing center server of the cloud computing layer by an interface via a front-end link, and the fog computing access point is the baseband unit of the cloud computing center server of the cloud computing center server. It is accessed via the backhaul link and the signal on the front-end link is sent to the cloud computing server for large-scale processing. Many coordinated radio signal processing and coordinated radio resource management functions will be migrated from distributed base stations to fog computing access points and smart devices, reducing the load on the baseband unit of the front end and cloud computing center server. NS. Furthermore, for the limited cache in the IoT monitoring node and smart device, some packet services can be allocated in the edge device instead of centrally caching in the cloud computing center server.

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の能力を更に備えることによって、フォグコンピューティングに基づくアクセスポイントとして進化している。分散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、アクセスのための機器のローカル協調無線信号処理及び協調無線リソース管理を行い、Ｄ２Ｄ伝送モードで動作する機器のための干渉抑制及びスペクトル共有を提供し、受信された情報を圧縮してフロントエンドを介してクラウドコンピューティングセンターサーバのベースバンドユニットに伝送するために使用される。フォグコンピューティングアクセスポイントは、先行無線周波数だけでなく、ローカル分散協調無線信号処理及び単純協調無線リソース管理機能も統合する。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で連携して処理することで、フロントエンドリンクの過負荷を解放しつつ、キューイングや伝送待ち時間を軽減することができる。すべての協調無線信号処理及び協調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動されると、フォグコンピューティングアクセスポイントは、従来の分散基地局に退化する。 To introduce fog computing to edge devices, traditional RRHs are evolving as fog computing-based access points with additional cache, CRSP and CRRM capabilities. Fog computing access points, which have evolved from distributed base stations, mainly perform local coordinated radio signal processing and coordinated radio resource management of devices for access, and interfere suppression and spectrum sharing for devices operating in D2D transmission mode. Is used to compress the received information and transmit it over the front end to the base band unit of the cloud computing center server. Fog computing access points integrate not only leading radio frequencies, but also locally distributed coordinated radio signal processing and simple coordinated radio resource management functions. By coordinating and processing between multiple adjacent fog computing access points, it is possible to reduce queuing and transmission latency while relieving the overload of the front end link. When all coordinated radio signal processing and coordinated radio resource management functions are moved to the baseband unit of the cloud computing center server, the fog computing access point degenerates into a traditional distributed base station.

トラフィック負荷が低いとき、いくつかのアイドル分散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、スリープモードに移行する。特定のエリア内のトラフィック負荷が膨大になると、高容量のトランスポート通信トラフィックを搬送するために、フォグコンピューティングアクセスポイント及びＩｏＴ監視ノードがアクティブになり、更に、Ｄ２Ｄ又は中継モードが、巨大な容量要件を満たすように作動される。 When the traffic load is low, fog computing access points that have evolved from some idle distributed base stations go into sleep mode. When the traffic load in a particular area becomes heavy, fog computing access points and IoT monitoring nodes are activated to carry high volume transport communication traffic, and D2D or relay mode has a huge capacity. Operated to meet requirements.

これら３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する。以下、ＩｏＴ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アーキテクチャの残りの部分を説明する。 These three parties cooperate with each other to form the fog computing layer. The rest of the hierarchical architecture of the fog computing architecture in IoT will be described below.

端末層において、機器は、分散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借りることなく、Ｄ２Ｄモードで隣接機器と直接通信することができ、ここで、ＩｏＴ監視ノードは、Ｄ２Ｄペアリングされた機器に全体的な制御シグナリングを配信するために使用される。Ｄ２Ｄモードは、特に、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る機器が同じ無線リソースを繰り返し使用することによって、データを高速で伝送する要求を満たすことを容易にし、また、全体のスループットを向上させることができる。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大きく制限され、Ｄ２Ｄモードをサポートしない従来機器ではサービスを提供することができない。２つの潜在的にペアリングされる機器の通信距離がＤ２Ｄ距離閾値を超える場合、通信を両方の機器に提供するために、第３者機器に基づく中継モードが作動される。 At the terminal layer, devices can communicate directly with neighboring devices in D2D mode without the help of fog computing access points evolved from distributed base stations, where IoT monitoring nodes are D2D paired. Used to deliver overall control signaling to the device. D2D mode makes it easier for devices connected to fog computing access points to meet the demand for high-speed transmission of data by repeatedly using the same radio resources, and also to improve overall throughput. Can be done. However, the D2D mode is greatly limited by the communication distance and the ability of the fog computing access point, and the conventional device that does not support the D2D mode cannot provide the service. If the communication distance between the two potentially paired devices exceeds the D2D distance threshold, a relay mode based on a third party device is activated to provide communication to both devices.

ネットワークアクセス層において、ＩｏＴ監視ノードと、フォグコンピューティングアクセスポイントと、の２種類のエッジ通信エンティティが存在する。ＩｏＴ監視ノードは、主に、全体的な制御シグナリングを伝達し、高速で移動する機器に基本的なビットレートでシームレスなカバレッジを提供するために使用される。大規模で多入力多出力（ＭＩＭＯ）を有するＩｏＴ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ワイヤレスシステムとの後方互換性を保証する鍵である。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のオーバーヘッド及びセル固有の基準信号は、ＩｏＴ監視ノードによって送達され、これにより、フォグコンピューティングは、不要なハンドオーバを低減し、同期制約を軽減する。フォグコンピューティングアクセスポイントが、協調無線信号処理と協調無線リソース管理機能を終了する場合、セル基地局の機能と同様に、レイヤ内干渉とレイヤ間干渉を抑制するために、ＣｏＭＰと同様の分散型干渉協調を採用する。 In the network access layer, there are two types of edge communication entities, an IoT monitoring node and a fog computing access point. IoT monitoring nodes are primarily used to carry overall control signaling and provide seamless coverage at basic bit rates for fast moving devices. Large-scale, multi-input, multi-output (MIMO) IoT monitoring nodes are the key to ensuring backward compatibility between fog computing architectures and existing wireless systems. The overall control channel overhead and cell-specific reference signals of the fog computing architecture are delivered by the IoT monitoring node, which allows fog computing to reduce unnecessary handovers and reduce synchronization constraints. When the fog computing access point terminates the coordinated radio signal processing and coordinated radio resource management functions, it is a distributed type similar to CoMP in order to suppress intra-layer interference and inter-layer interference as well as the function of the cell base station. Adopt interference coordination.

クラウドコンピューティング層は、集中計算及びキャッシュの属性によって特徴付けられるソフトウェアで定義されている。全ての信号処理ユニットは、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ために、大規模な物理ベースバンドユニットプールで一緒に動作する。ネットワーク負荷が増大すると、運用者は、増加した容量に対応するために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よい。 The cloud computing layer is defined by software characterized by centralized computation and cache attributes. All signal processing units operate together in a large physical baseband unit pool to share signaling, traffic data and channel state information throughout fog computing. As the network load increases, the operator only needs to upgrade the baseband unit pool to accommodate the increased capacity.

図２に示すように、本方式は、この４つのモードを充分に利用する適応モード選択を提案する。 As shown in FIG. 2, this method proposes an adaptive mode selection that fully utilizes these four modes.

前記のＩｏＴにおける非コンピューティングアーキテクチャの制御対象のユーザ機器は、フォグコンピューティング無限ネットワークに適応的にアクセスし、ユーザ機器の移動速度、通信距離、位置、サービス品質要件、処理能力及びキャッシュ能力に応じて、Ｄ２Ｄ中継モード、ローカル分散協調モード、グローバルクラウド伝送モード及びＨＰＮモードの４つの伝送モードのいずれかを選択する。 The controlled user equipment of the non-computing architecture in the IoT has adaptive access to the fog computing infinite network, depending on the moving speed, communication distance, location, service quality requirement, processing capacity and cache capacity of the user equipment. Then, one of four transmission modes, D2D relay mode, local distributed cooperative mode, global cloud transmission mode, and HPN mode, is selected.

Ｄ２Ｄと中継モードにおいて、２つの機器は、Ｄ２Ｄ又は第３者機器に基づく無線中継技術により互いに通信する。ローカル分散協調モードは、機器が隣接する分散基地局にアクセスし、ここで通信が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は、ローカル分散協調無線信号処理及び協調無線リソース管理技術機能のすべてが分散基地局において集中的に実現され、高い移動速度を有するか、又は、分散ロジック通信クラウドのカバレッジホール内の制御対象であるユーザ機器が、ＨＰＮモードによって表されるＩｏＴ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。 In D2D and relay mode, the two devices communicate with each other by wireless relay technology based on D2D or third party devices. The local distributed cooperative mode means that the device accesses the adjacent distributed base station and the communication ends here. In the global cloud transmission mode, all of the local distributed coordinated radio signal processing and coordinated radio resource management technology functions are centrally realized in the distributed base station and have high movement speed, or in the coverage hole of the distributed logic communication cloud. This means that the user equipment to be controlled must access the IoT monitoring node represented by the HPN mode.

すべての機器が、伝達された制御シグナリングを周期的に監視することに加えて、最適な伝送モードが、ＩｏＴ監視ノードの管理下で、アクセスされる機器によって選択される。各機器の最適な伝送モードを決定するために、まず、機器の移動速度及び残りの異なる機器との距離が、ＩｏＴ監視ノードからのパイロットチャネルに基づいて推定される。機器が高速移動状態であったり、リアルタイム音声通信サービスの提供を必要とする場合には、ＨＰＮモードが優先的に作動される。互いに通信している２つの機器がより遅い相対移動速度を有し、それらの距離が閾値Ｄ１より大きくない場合、Ｄ２Ｄモードが作動される。そうでない場合、それらの距離がＤ１より大きく、Ｄ２より小さい場合、及び、２つの機器のための第３の機器に基づく中継通信として隣接する機器が１つ存在する場合、第３の機器に基づく中継モードが作動され、それによって、他のモードよりも良好な性能が達成される。更に、ローカル分散協調モードは、２つの所望のＦ−ＵＥがゆっくりと移動し、それらの距離がＤ２より大きくＤ３より小さいか、又はそれらの距離がＤ２以下であるが、少なくとも１つの授受がＤ２Ｄ及び中継モードをサポートしない場合に採用される。ローカル分散協調モードが、所望の性能を提供できない場合、又は、２つの所望のＦ−ＵＥ間の距離がＤ３より大きい場合、又は、伝送されたコンテンツがクラウドサーバ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作動される。 In addition to all devices periodically monitoring the transmitted control signaling, the optimal transmission mode is selected by the device being accessed under the control of the IoT monitoring node. In order to determine the optimum transmission mode for each device, the moving speed of the device and the distance to the remaining different devices are first estimated based on the pilot channel from the IoT monitoring node. When the device is in a high-speed moving state or needs to provide a real-time voice communication service, the HPN mode is preferentially operated. If the two devices communicating with each other have slower relative moving speeds and their distance is not greater than the threshold D1, the D2D mode is activated. Otherwise, if their distance is greater than D1 and less than D2, and if there is one adjacent device as a relay communication based on the third device for the two devices, then based on the third device. The relay mode is activated, thereby achieving better performance than the other modes. Further, in the local distributed cooperative mode, two desired F-UEs move slowly and their distance is greater than D2 and less than D3, or their distance is less than or equal to D2, but at least one transfer is D2D. And it is adopted when the relay mode is not supported. If the local distributed coordination mode cannot provide the desired performance, or if the distance between the two desired F-UEs is greater than D3, or if the transmitted content is from a cloud server, then the global cloud The transmission mode is activated.

（付記）
（付記１）
ＩｏＴ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、分散ロジック通信クラウド、並びに、分散ロジックストレージクラウドと、ＩｏＴアプリケーション層と、からなる「４種類のクラウド＋アプリケーション層」型レイアウトと、
Ｄ２Ｄ中継モード、ローカル分散協調モード、グローバルクラウド伝送モード、及び、ＨＰＮモードの４種類の伝送モードと、を含み、
前記分散ロジック通信クラウドは、複数の分散基地局からなり、複数の分散基地局間で連携して処理することにより、前段のリンクの過負荷を解放し、キューイングと伝送待ち時間を軽減する効果を達成し、
分散ロジック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する制御対象であるユーザ機器からなり、集中制御クラウドは、ＩｏＴ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センターサーバーによって構成され、
分散ロジック通信クラウドは、先行無線周波数だけでなく、ローカル分散協調無線信号処理及び協調無線リソース管理技術機能も統合し、分散ロジック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記憶及びキャッシュを担い、集中制御クラウドは、制御プラットフォームとして機能し、下位クラウドへの制御シグナリングの提供を担い、
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と同様であり、ユーザ機器及び分散基地局とのデータの伝送及びやり取りを担い、集中記憶及び集中通信機能を担い、
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、要求に応じて、受け取ったデータを選択的にＩｏＴアプリケーション層のユーザに提供し、
更に端末層、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含み、
フォグコンピューティング層は、分散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と、端末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と、によって策定され、
端末層では、機器は、分散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支援を必要とせずに、Ｄ２Ｄモードにおいて隣接機器と直接通信するが、２つの潜在的にペアリングされる機器の通信距離がＤ２Ｄ距離閾値を超える場合、第３者機器に基づく中継モードが作動されて、該２つの機器に通信を提供し、
ネットワークアクセス層では、ＩｏＴ監視ノードと、フォグコンピューティングアクセスポイントと、の２種類のエッジ通信エンティティが存在し、ＩｏＴ監視ノードは、全体的な制御シグナリングを伝達し、高速移動機器に基本ビットレートでシームレスなカバレッジを提供し、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、集中型計算及びキャッシュの属性を有し、
信号処理ユニットの全てが、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ために、大型物理ベースバンドユニットプールで一緒に動作し、
制御対象であるユーザ機器は、フォグコンピューティング無限ループに適応的にアクセスし、ユーザ機器の移動速度、通信距離、位置、サービス品質要件、処理能力及びキャッシュ能力に応じて、Ｄ２Ｄ中継モード、ローカル分散協調モード、グローバルクラウド伝送モード及びＨＰＮモードの４つの伝送モードを選択することを特徴とするＩｏＴにおけるフォグコンピューティングアーキテクチャ。 (Additional note)
(Appendix 1)
Fog computing architecture in IoT
A "4 types of cloud + application layer" layout consisting of a global centralized communication and storage cloud, a centralized control cloud, a distributed logic communication cloud, a distributed logic storage cloud, and an IoT application layer.
Includes four types of transmission modes: D2D relay mode, local distributed cooperative mode, global cloud transmission mode, and HPN mode.
The distributed logic communication cloud is composed of a plurality of distributed base stations, and by processing in cooperation with the plurality of distributed base stations, the effect of releasing the overload of the link in the previous stage and reducing the queuing and transmission waiting time. Achieved,
The distributed logic storage cloud consists of user devices that are controlled to access the fog computing architecture, the centralized control cloud is located on the IoT monitoring node, and the global centralized communication and storage cloud is composed of the cloud computing center server. ,
The distributed logic communication cloud integrates not only the preceding radio frequency but also the local distributed coordinated radio signal processing and coordinated radio resource management technology functions, the distributed logic storage cloud is responsible for local storage and caching in edge devices, and the centralized control cloud is. , Acts as a control platform and is responsible for providing control signaling to the lower cloud,
The global centralized communication and storage cloud is similar to the cloud computing center server in conventional cloud computing, and is responsible for data transmission and exchange with user equipment and distributed base stations, and is responsible for centralized storage and centralized communication functions.
Ultimately, the cloud computing center server selectively provides the received data to the users of the IoT application layer upon request.
It also includes a terminal layer, a network access layer, a cloud computing layer and a fog computing layer.
The fog computing layer is defined by fog computing access points that evolved from distributed base stations and smart devices in the terminal layer and network access layer.
At the terminal layer, the device communicates directly with the adjacent device in D2D mode without the need for the assistance of fog computing access points that have evolved from distributed base stations, but the distance between the two potentially paired devices. Exceeds the D2D distance threshold, a relay mode based on a third party device is activated to provide communication to the two devices.
At the network access layer, there are two types of edge communication entities, an IoT monitoring node and a fog computing access point, and the IoT monitoring node transmits the overall control signaling to high-speed mobile devices at the basic bit rate. Providing seamless coverage, the cloud computing layer is software-defined and has centralized computing and caching attributes.
All of the signal processing units work together in a large physical baseband unit pool to share signaling, traffic data and channel state information throughout fog computing.
The controlled user equipment adaptively accesses the fog computing infinite loop, and depending on the movement speed, communication distance, location, service quality requirement, processing capacity and cache capacity of the user equipment, D2D relay mode, local distribution. A fog computing architecture in IoT characterized by selecting four transmission modes: cooperative mode, global cloud transmission mode and HPN mode.

（付記２）
Ｄ２Ｄ中継モードでは、２つのユーザ機器は、Ｄ２Ｄ又はスマートデバイスに基づく無線中継技術により互いに通信し、
ローカル分散協調モードは、制御対象であるユーザ機器が隣接する分散基地局にアクセスし、ここで通信が終了し、伝送結果のみをフィードバックしてアップロードするモードを意味し、
グローバルクラウド伝送モードは、ローカル分散協調無線信号処理及び協調無線リソース管理技術機能のすべてが分散基地局において集中的に実現され、高い移動速度を有するか、又は、分散ロジック通信クラウドのカバレッジホール内の制御対象であるユーザ機器が、ＨＰＮモードによって表されるＩｏＴ監視ノードにアクセスしなければならないモードを意味することを特徴とする付記１に記載のＩｏＴにおけるフォグコンピューティングアーキテクチャ。 (Appendix 2)
In D2D relay mode, the two user devices communicate with each other by wireless relay technology based on D2D or smart devices.
The local distributed cooperative mode means a mode in which a user device to be controlled accesses an adjacent distributed base station, communication ends here, and only the transmission result is fed back and uploaded.
In the global cloud transmission mode, all of the local distributed coordinated radio signal processing and coordinated radio resource management technology functions are centrally realized in the distributed base station and have high movement speed, or in the coverage hole of the distributed logic communication cloud. The fog computing architecture in IoT according to Appendix 1, wherein the user equipment to be controlled means a mode in which the user equipment to be controlled must access the IoT monitoring node represented by the HPN mode.

Claims

Fog computing architecture in IoT
A "4 types of cloud + application layer" layout consisting of a global centralized communication and storage cloud, a centralized control cloud, a distributed logic communication cloud, a distributed logic storage cloud, and an IoT application layer.
Includes four types of transmission modes: D2D relay mode, local distributed cooperative mode, global cloud transmission mode, and HPN mode.
The distributed logic communication cloud is composed of a plurality of distributed base stations, and by processing in cooperation with the plurality of distributed base stations, the effect of releasing the overload of the link in the previous stage and reducing the queuing and transmission waiting time. Achieved,
The distributed logic storage cloud consists of user devices that are controlled to access the fog computing architecture, the centralized control cloud is located on the IoT monitoring node, and the global centralized communication and storage cloud is composed of the cloud computing center server. ,
The distributed logic communication cloud integrates not only the preceding radio frequency but also the local distributed coordinated radio signal processing and coordinated radio resource management technology functions, the distributed logic storage cloud is responsible for local storage and caching in edge devices, and the centralized control cloud is. , Acts as a control platform and is responsible for providing control signaling to the lower cloud,
The global centralized communication and storage cloud is similar to the cloud computing center server in conventional cloud computing, and is responsible for data transmission and exchange with user equipment and distributed base stations, and is responsible for centralized storage and centralized communication functions.
Ultimately, the cloud computing center server selectively provides the received data to the users of the IoT application layer upon request.
It also includes a terminal layer, a network access layer, a cloud computing layer and a fog computing layer.
The fog computing layer is defined by fog computing access points that evolved from distributed base stations and smart devices in the terminal layer and network access layer.
At the terminal layer, the device communicates directly with the adjacent device in D2D mode without the need for the assistance of fog computing access points that have evolved from distributed base stations, but the distance between the two potentially paired devices. Exceeds the D2D distance threshold, a relay mode based on a third party device is activated to provide communication to the two devices.
At the network access layer, there are two types of edge communication entities, an IoT monitoring node and a fog computing access point, and the IoT monitoring node transmits the overall control signaling to high-speed mobile devices at the basic bit rate. Providing seamless coverage, the cloud computing layer is software-defined and has centralized computing and caching attributes.
All of the signal processing units work together in a large physical baseband unit pool to share signaling, traffic data and channel state information throughout fog computing.
The controlled user equipment adaptively accesses the fog computing infinite loop, and depending on the movement speed, communication distance, location, service quality requirement, processing capacity and cache capacity of the user equipment, D2D relay mode, local distribution. A fog computing architecture in IoT characterized by selecting four transmission modes: cooperative mode, global cloud transmission mode and HPN mode.

In D2D relay mode, the two user devices communicate with each other by wireless relay technology based on D2D or smart devices.
The local distributed cooperative mode means a mode in which a user device to be controlled accesses an adjacent distributed base station, communication ends here, and only the transmission result is fed back and uploaded.
In the global cloud transmission mode, all of the local distributed coordinated radio signal processing and coordinated radio resource management technology functions are centrally realized in the distributed base station and have high movement speed, or in the coverage hole of the distributed logic communication cloud. The fog computing architecture in IoT according to claim 1, wherein the user equipment to be controlled means a mode in which the user equipment to be controlled must access the IoT monitoring node represented by the HPN mode.