[論文レビュー] 5G for the Factory of the Future: Wireless Communication in an Industrial Environment

Florian Voigtländer, Ali Ramadan Ali+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2019

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 3被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、実際の産業工場環境において5Gを活用した移動型ロボットプラットフォームを実証し、異種センサーのデータを無線で送信し、クラウドベースの遠隔制御を超低遅延で実現することを示している。5Gを介してセンシング、作動、計算リソースを分離することで、動的で柔軟な生産が可能となり、安全を要する通信（例：ProfiSafe）と高スループットのデータストリームをサポートする。性能は『未来の工場』の3GPPリリース16ユース・ケースと一致しており、超低遅延通信が実現されている。

ABSTRACT

In this paper, the application of 5G communication technology in an industrial environment is discussed. It acts as an enabler for the separation of sensors/actors and resources, like memory and computational power. 5G offers characteristics essential for the proposed approach like robustness, ultra-low latency, high data rates and massive number of devices. A demonstrator of a production line was used as an test environment for 5G in a real-world industrial application. A wide variety of heterogeneous sensor systems is used by a mobile robot platform. The collected data is transmitted via a 5G network to various Cloud systems. The product is treated as a cyber-physical system with a RFID tag in conjunction with the product memory system. The dynamic production flow approach is discussed centered around the robot which is used for transportation and inspection of products. This inspection is performed during the transportation and influences the production flow directly. This is desirable in the scope of Industry 4.0 to have an efficient production down to batch size 1.

研究の動機と目的

• 5Gを用いてセンサー、アクチュエータ、計算リソースを分離することで、産業環境における柔軟で動的な生産フローの実現を目的とする。
• 実際の工場環境において、複数のセンサーとシステムからの異種でリアルタイムなデータストリームを5Gがどのようにサポートできるかを評価することを目的とする。
• 5Gが安全を要する産業用通信（例：ProfiSafeを介した無線緊急停止）に実現可能であるかを検証することを目的とする。
• プロトタイプの性能が、特に3GPPリリース16ユース・ケース5.3.6「未来の工場」にどの程度適合しているかを評価することを目的とする。
• 5Gを介して計算とメモリをリモートシステムにオフロードすることで、スケーラブルなクラウドベースのロボティクスを実証することを目的とする。

提案手法

• ホロノミックドライブを備えた移動型ロボットプラットフォームに、赤外線、レーザーレンジファインダー、RFID、360°ビデオなど複数の異種センサーを搭載し、実際の産業生産ラインに導入した。
• センサーとアクチュエータを5G NR（ニュー・レディオ）インfrastrucureに無線接続し、複数のクラウドシステムへのデータ送信を可能にした。
• 5Gのスロットベーススケジューリングとミニスロット（2、4、または7 OFDMシンボル）を用いて超低遅延を実現し、ターゲットの往復遅延を1msに設定した。
• ロボット内でのローカル安全対策（例：レーザーレンジファインダー）に加え、5GベースのProfiSafeメッセージ伝送を組み合わせた多層的安全性アーキテクチャを実装した。
• 帯域幅部（BWP）と柔軟な数値的モロロジー（P-OFDM/F-OFDMを介して）を用いて、異なるデータストリームのQoSプロファイルをサポートした。
• 20m × 20mの産業エリアでネットワーク性能を測定し、非安全ストリームのデータレートは最大5.97 Mbit/s、ジタは15ms未満を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5Gは、実際の産業環境において、安全を要する通信（URLLC）と異種センサーからの高スループットデータストリームの共存を実現できるか？
• RQ2 5Gベースの無線システムは、移動型産業用ロボティクスにおいて、知覚、行動、計算の分離をどの程度可能にするか？
• RQ3 プロトタイプの性能は、3GPPリリース16ユース・ケース5.3.6「未来の工場」の要件とどの程度一致しているか？
• RQ4 実際の工場環境において、安全を要するおよび非安全を要するデータストリームのエンドツーエンド遅延とジタは、それぞれどの程度達成可能か？
• RQ5 5Gは産業自動化において、必要な信頼性と安全性を維持したまま、有線通信を置き換えることができるか？

主な発見

• 5Gシステムは、安全を要する通信においてエンドツーエンド遅延が12ms未満、ジタが6ms未満を達成し、ユース・ケース5.3.6の目標を満たした。
• すべてのサービスの合計データレートは5.97 Mbit/sに達し、3GPPユース・ケースで要件とされた5 Mbit/sを上回り、高帯域幅アプリケーションのサポートを示した。
• ProfiSafeメッセージが5Gを介して正常に送信され、低遅延かつ高信頼性な無線緊急停止機能が実現した。
• 5Gネットワークは、1つの20m × 20mのエリア内で、超信頼性低遅延制御と高スループットのビデオストリーミングを含む、複数の通信プロファイルの共存をサポートした。
• プロトタイプは、クラウドベースの処理とストレージがロボット制御およびデータ分析に効果的に活用できることを示した。これにより、ロボットのローカルな計算とエネルギー消費が軽減された。
• 可用性、遅延、ジタといったパフォーマンス指標は、産業自動化において許容可能な範囲内にあったが、完全な99.9999999％の可用性は達成されなかった。