[論文レビュー] Network Slicing for Ultra-Reliable Low Latency Communication in Industry 4.0 Scenarios

Anders E. Kalør, René Guillaume+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2017

Software-Defined Networks and 5G参考文献 8被引用数 19

ひとこと要約

本稿は、産業4.0向けのネットワークスライシングフレームワークを提案する。このフレームワークは、下位の物理的技術から決定論的およびパケットスイッチド産業プロトコルを分離することで、ネットワークカルキュラスを用いてエンドツーエンドの信頼性および遅延保証を実現する。実際のトラフィック負荷下でも、オーバーライトスライシングにより高い信頼性（1−10⁻⁶）と低遅延（≤1 ms）を達成でき、優先キューイングとトラフィックシェーピングにより隔離が維持されることが示された。

ABSTRACT

An important novelty of 5G is its role in transforming the industrial production into Industry 4.0. Specifically, Ultra-Reliable Low Latency Communications (URLLC) will, in many cases, enable replacement of cables with wireless connections and bring freedom in designing and operating interconnected machines, robots, and devices. However, not all industrial links will be of URLLC type; e.g. some applications will require high data rates. Furthermore, these industrial networks will be highly heterogeneous, featuring various communication technologies. We consider network slicing as a mechanism to handle the diverse set of requirements to the network. We present methods for slicing deterministic and packet-switched industrial communication protocols at an abstraction level that is decoupled from the specific implementation of the underlying technologies. Finally, we show how network calculus can be used to assess the end-to-end properties of the network slices.

研究の動機と目的

• 産業ネットワークにおける、超信頼性低遅延制御、高データレートのアップデート、大量機器接続といった、多様で共存する通信要件を満たす課題に対処すること。
• 特定の下位技術（例：URLLC、TSN、レガシープロトコル）に依存しないネットワークスライシングを可能とし、抽象化されたプロトコル特性に焦点を当てる。
• 決定論的ネットワークカルキュラス（DNC）を用いて、産業ネットワークスライスのエンドツーエンド遅延および信頼性保証を提供すること。
• 混合された決定論的およびスイッチドトラフィックにおける、スループット、信頼性、隔離のトレードオフをスライシング方式で評価すること。

提案手法

• 著者らは、物理層実装から分離された抽象化レベルで産業通信プロトコルをモデル化し、サイクル時間、フレームサイズ、送信パターンに注目する。
• 2つのスライシング方式を提案：オーバーライト方式（予約済みタイムスロットを再利用）と優先キューイング方式（優先キューを用いてトラフィックを隔離）。
• エンドツーエンド遅延および故障率の上限を、サービスカーブとアラウンダーカーブを考慮した決定論的ネットワークカルキュラス（DNC）を用いて計算する。
• 決定論的（サイクル型）およびパケットスイッチド（例：IPベース）トラフィックの両方をモデル化し、異種産業ネットワークにおける解析を可能にする。
• トークンバケッ卜または予約済みリソース制限を用いたトラフィックシェーピングにより、低優先度フレームの数を制限し、遅延制約を維持する。
• 個人向け医療製造システムを事例に、制御、アラーム、患者データ要求の実世界のトラフィックプロファイルを用いて手法を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの産業ネットワーク内で、URLLC、eMBB、mMTC要件を同時に満たすネットワークスライシングはどのように設計できるか？
• RQ2 決定論的およびパケットスイッチド産業プロトコルをスライスする際、スループット、信頼性、隔離のトレードオフはどのようなものか？
• RQ3 ネットワークカルキュラスは、異種通信技術をカバーするネットワークスライスのエンドツーエンド遅延および信頼性上限を正確に提供できるか？
• RQ4 優先キューイングは、工場ネットワークにおける高優先度および低優先度トラフィック間の遅延隔離にどのように影響するか？
• RQ5 アラームトラフィックのバースト性は、スライスされた産業ネットワークにおけるエンドツーエンド遅延および信頼性にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• オーバーライトスライシング方式では、制御トラフィックの故障率が1−10⁻⁶に達し、60秒の間隔で到着する場合に十分な信頼性を満たす。リソース使用率は100%に達する。
• アラームトラフィックの到着率が低い場合、遅延は1 msに近づくが、アラーム頻度が高くなるとシリアル化遅延により増加する。
• アラームトラフィック負荷が高くなると、患者情報要求の遅延も増加し、アラーム遅延よりも急峻な勾配を示す。これはDNCにおける保守的なアフィン境界によるものである。
• 優先キューイングは限定的な隔離をもたらす。高優先度トラフィックが、低優先度フローのキューイング遅延を増加させる。特に複数の優先度レベルが存在する場合顕著である。
• 1サイクルあたりのアラームフレーム最大数は、予約済み制御フレーム容量（例：1または4フレーム）によって制限され、これはトラフィックシェーピングを強制し、遅延境界を維持するために利用可能である。
• ネットワークカルキュラスは、混合された決定論的およびパケットスイッチドネットワークの正確なエンドツーエンド解析を可能とし、信頼性が高く低遅延な産業スライスの設計を支援する。