[논문 리뷰] 5G for the Factory of the Future: Wireless Communication in an Industrial Environment

Florian Voigtländer, Ali Ramadan Ali외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 14.

IoT and Edge/Fog Computing참고 문헌 3인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 실존하는 산업 공장 환경에서 5G를 활용한 이동형 로봇 플랫폼을 구현하여 이질적 센서 데이터의 무선 전송과 초저지연 원격 클라우드 기반 제어를 가능하게 한다. 5G를 통해 센서, 액추에이터 및 계산 자원을 분리함으로써 동적이고 유연한 생산을 실현하며, 안전 중심 통신(예: ProfiSafe)과 고대역폭 데이터 스트림을 지원한다. 성능은 '미래의 공장'을 위한 3GPP 릴리스 16 사용 사례와 매우 유사하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 5G를 활용해 센서, 액추에이터 및 계산 자원을 분리함으로써 산업 환경에서의 융통성 있고 동적인 생산 흐름을 가능하게 한다.
• 실제 공장 환경에서 다양한 센서와 시스템으로부터의 이질적 실시간 데이터 스트림을 5G가 얼마나 잘 지원할 수 있는지 평가한다.
• 무선 비상 정지 기능을 통해 ProfiSafe를 활용한 안전 중심 산업 통신에 대해 5G의 실현 가능성을 검증한다.
• 프로토타입의 성능이 향후 3GPP 5G 표준, 특히 3GPP 릴리스 16 사용 사례 5.3.6 '미래의 공장'과 얼마나 부합하는지 평가한다.
• 5G를 통해 원격 시스템에 계산 및 메모리 자원을 오프로드함으로써 확장 가능한 클라우드 기반 로봇 기술을 구현한다.

제안 방법

• 홀로노믹 드라이브를 갖춘 이동형 로봇 플랫폼에 적외선, 레이저 거리 측정기, RFID, 360° 비디오 등 다양한 이질적 센서를 탑재하여 실제 산업 생산 라인에 구현하였다.
• 센서 및 액추에이터가 5G NR(뉴 레디오) 인fra구처에 무선 연결되어 다수의 클라우드 시스템으로 데이터 전송이 가능하도록 하였다.
• 초저지연을 달성하기 위해 5G의 슬롯 기반 스케줄링 및 마이크로슬롯(2, 4 또는 7 OFDM 기호)을 사용하였으며, 목표로 하는 왕복 시간은 1ms였다.
• 다층 안전 전략을 구현하여 레이저 거리 측정기 등 로봇 내부 기반 안전 기능과 5G 기반 ProfiSafe 메시지 전송을 조합하였다.
• 다양한 QoS 프로파일을 지원하기 위해 밴드위드 파트(BWP)와 유연한 숫자론(프리프레임 기반 P-OFDM/F-OFDM)을 사용하였다.
• 20m × 20m 산업 구역에서 네트워크 성능을 측정하였으며, 비안전 스트림에 대해 최대 데이터 전송 속도는 5.97 Mbit/s, 지터는 15ms 이하를 기록하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 산업 환경에서 5G는 안전 기능에 대한 초신뢰성·초저지연 통신(URLLC)과 이질적 센서로부터의 고대역폭 데이터 스트림 간 공존을 지원할 수 있는가?
• RQ2 5G 기반 무선 시스템은 이동형 산업 로봇에서 인지, 행동, 계산의 분리에 얼마나 효과적으로 기여하는가?
• RQ3 프로토타입의 성능은 3GPP 릴리스 16 사용 사례 5.3.6 '미래의 공장'의 요구사항과 얼마나 부합하는가?
• RQ4 실제 공장 환경에서 안전 중심 및 비안전 중심 데이터 스트림에 대해 도달 가능한 종단 간 지터와 지터는 얼마인가?
• RQ5 5G는 산업 자동화에서 요구되는 신뢰성과 안전 수준을 유지하면서도 유선 통신을 대체할 수 있는가?

주요 결과

• 5G 시스템은 안전 중심 통신에 대해 종단 간 지터가 12ms 이하, 지터가 6ms 이하로 구현되어 사용 사례 5.3.6의 목표를 충족시켰다.
• 모든 서비스의 총 데이터 전송 속도는 5.97 Mbit/s에 도달하여 3GPP 사용 사례에서 요구하는 5 Mbit/s를 초과하여 고대역폭 응용 프로그램 지원 가능성을 입증하였다.
• 시스템은 5G를 통해 ProfiSafe 메시지를 성공적으로 전송하여 저지연성과 고신뢰성으로 무선 비상 정지 기능을 실현하였다.
• 5G 네트워크는 단일 20m × 20m 영역 내에서 초신뢰성·초저지연 제어와 고대역폭 비디오 스트리밍을 포함한 다수의 통신 프로파일 공존을 지원하였다.
• 프로토타입은 클라우드 기반 처리 및 스토리지가 로봇 제어 및 데이터 분석에 효과적으로 활용될 수 있음을 입증하였으며, 로봇의 현지 계산 및 에너지 소모를 감소시켰다.
• 가용성, 지터, 지터 등의 성능 지표는 산업 자동화에 적합한 범위 내에 있었지만, 완전한 99.9999999% 가용성은 달성하지 못하였다.