[論文レビュー] Design of a 5G Ready and Reliable Architecture for the Smart Factory of the Future

Mathias Strufe, Michael Gundall+4 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2019

Digital Transformation in Industry参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、スマートファクトリー向けに統合的で5G対応のTACNET 4.0アーキテクチャを提示する。5G、TSN、SDN、産業用イーサーネットを統合することで、超信頼性で低遅延な通信を実現する。マルチドメインマネージャーを備えたモジュラーでマルチプレーン設計により、産業用ネットワークと移動通信ネットワークの間でシームレスな相互運用性を実現し、自動搬送車や予知保守などの多様なユースケースを、エンドツーエンドのQoS保証でサポートする。

ABSTRACT

The increasing demands for highly individual products as well as for flexible production lines represent new challenges. To address these demands, future plants must be highly flexible and dynamically reconfigurable. Current systems are usually based on wired technologies for the connection of sensors, actuators, and controlling or monitoring devices that allow only very limited dynamics. New applications, such as the use of robots, drones, or reconfigurable production lines, require the exploitation of wireless communication technologies. However, current technologies are not able to meet the high requirements in terms of latency, robustness, resilience and data rate. The introduction of the 5th generation (5G) cellular communication system will meet these requirements for the first time. Besides the use of radio-based solutions in new plants - so-called greenfield scenarios - deploying 5G also represents an efficient migration of existing plants - so-called brownfield scenarios - to Industry 4.0. In order to ensure that the challenging requirements are indeed meet in practical deployments of the new 5G technology, a tailor-made architecture is being developed within the Tactile Internet 4.0 (TACNET 4.0) project. As a basis for the design of the architecture, representative Industry 4.0 application scenarios, which are also be considered by the 3rd Generation Partnership Project (3GPP), were analyzed and compliance with the latest developments in the relevant standardization is also our target. The paper gives an overview of the considered use cases as well as the relevant reference architectures and the design process of the TACNET 4.0 architecture.

研究の動機と目的

• 産業4.0向けに、5Gを既存の産業用ネットワークと統合するスケーラブルで相互運用可能な産業通信アーキテクチャを設計すること。
• 超信頼性で低遅延通信（URLLC）および大量機器タイプ通信（mMTC）を要件とする重要な産業ユースケースをサポートすること。
• オープンインターフェースとクロスネットワーク適応メカニズムを通じて、5Gとレガシー産業通信システムのシームレス統合を実現すること。
• モularityと拡張性により、大手企業および中小企業（SMEs）の両方で利用可能なアーキテクチャを実現すること。
• 異種ネットワーク全体にわたりエンドツーエンドのサービス品質（QoS）をサポートする包括的で将来にわたって有効な通信フレームワークを構築すること。

提案手法

• アーキテクチャは4段階の設計プロセスを通じて開発された：ユースケース同定、機能的コンponent定義、メッセージシーケンスチャート（MSC）モデリング、反復的最適化。
• TACNET 4.0アーキテクチャは5つのプレーンに構成されている：ユーザおよび制御プレーン、管理およびオ케ストレーションプレーン、サービスおよびアプリケーションプレーン、セキュリティプレーン、および下位の5Gおよび産業用ネットワークインfra。
• 決定論的で低遅延通信を実現するために、5G無線アクセスネットワーク（RAN）、3GPPコアネットワーク（CN）、ソフトウェア定義ネットワーキング（SDN）、タイムセンシティブネットワーキング（TSN）、産業用イーサーネット（IE）を統合する。
• 複数のネットワークドメインにまたがるデバイス登録、構成、QoS提供を管理するためのマルチドメインマネージャーおよびオーケストレータを導入する。
• 5Gとレガシー産業プロトコル（例：oneM2MおよびIIRA原則を介して）の間の相互運用性を支援するオープンインターフェースを備えた階層的でモジュラーな設計を採用する。
• すべてのレイヤーにわたり、デバイス／ユーザー認証、暗号化通信、安全なログ保存を提供する専用のセキュリティプレーンによりセキュリティを強化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5G無線技術をどのようにして既存の産業用通信ネットワークにシームレスに統合し、リアルタイムで信頼性の高い工場自動化を実現できるか？
• RQ2 異種ネットワーク環境における産業用環境でエンドツーエンドのサービス品質（QoS）を保証するために、どのようなアーキテクチャコンponentsと抽象化が必要か？
• RQ3 大規模工場と中小企業（SMEs）の両方を満たす統合的でスケーラブルで拡張可能なアーキテクチャをどのように設計できるか？
• RQ4 5G対応スマートファクトリーにおいて、マルチドメインマネージャーはクロスネットワーク通信およびサービス提供をどのようにオーケストレーションするか？
• RQ5 統合された産業用通信アーキテクチャにおいて、セキュリティ、信頼性、相互運用性をどのように一体的に確保できるか？

主な発見

• TACNET 4.0アーキテクチャは、スマートファクトリー向けに5G、TSN、SDN、産業用イーサーネットを統合した、単一でモジュラーかつ拡張可能なフレームワークとして成功裏に実現した。
• エンドツーエンドの遅延が5 ms未満で、高い信頼性を備えた、遠隔制御ドローン、AGV連携、予知保守などの重要な産業ユースケースをサポートする。
• マルチドメインマネージャーにより、5Gおよび産業用ネットワークドメインにまたがるデバイスおよびネットワーク機能の集中型オーケストレーションが可能となり、一貫性のあるQoSを確保する。
• 専用のセキュリティプレーンの導入により、アーキテクチャのすべてのレイヤーにわたり認証、暗号化通信、安全なログ記録が保証される。
• スケーラブルで適応可能な設計となっており、モularityにより技術の置き換えが可能で、SMEsの複雑さが低減される。
• SWOT分析により、市場リーダーシップの強い潜在的ポ텐シャルが確認され、学術的および産業的パートナーのバランスの取れたコンsortiumが、新技術や競合のリスクを緩和している。