[논문 리뷰] Design of a 5G Ready and Reliable Architecture for the Smart Factory of the Future

Mathias Strufe, Michael Gundall외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 13.

Digital Transformation in Industry참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 스마트 팩토리에 적합한 통합형 5G 대응 아키텍처인 TACNET 4.0 아키텍처를 제안한다. 이 아키텍처는 5G, TSN, SDN 및 산업용 이더넷을 통합하여 초고신뢰성·저지연 통신을 가능하게 하며, 다중 도메인 관리자와 함께 모듈형 다중 평면 설계를 통해 산업 네트워크와 모바일 네트워크 간의 원활한 상호운용성을 실현한다. 이는 자동화된 이동 장치 및 예측 정비와 같은 다양한 사용 사례에 대해 종단 간 QoS 보장을 지원한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 산업 4.0를 위한 5G를 기존 산업 네트워크와 통합하는 확장 가능하고 상호운용성 있는 산업 통신 아키텍처를 설계하기 위해.
• 초고신뢰성·저지연 통신(URLLC) 및 대량 기계 유형 연결(mMTC)을 요구하는 핵심 산업 사용 사례를 지원하기 위해.
• 오픈 인터페이스와 네트워크 간 적응 메커니즘을 통해 5G와 기존 산업 통신 시스템 간의 원활한 통합을 가능하게 하기 위해.
• 모듈성과 확장성 덕분에 대기업뿐 아니라 중소기업(SMEs)도 활용할 수 있도록 아키텍처를 설계하기 위해.
• 이질적인 네트워크 전반에 걸쳐 종단 간 품질보증(QoS)을 지원하는 통합적이고 미래 지향적인 통신 프레임워크를 개발하기 위해.

제안 방법

• 아키텍처는 사용 사례 식별, 기능 컴포onent 정의, 메시지 시퀀스 차트(MSC) 모델링, 반복적 개선의 네 단계 설계 과정을 통해 개발되었다.
• TACNET 4.0 아키텍처는 다섯 개의 평면으로 구성된다: 사용자 및 제어 평면, 관리 및 오케스트레이션 평면, 서비스 및 애플리케이션 평면, 보안 평면, 그리고 기반 5G 및 산업 네트워크 인fra구조.
• 정적 지연 보장이 가능한 저지연 통신을 위해 5G 라디오 접근 네트워크(RAN), 3GPP 코어 네트워크(CN), 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN), 시간 민감성 네트워킹(TSN), 산업용 이더넷(IE)을 통합한다.
• 다중 네트워크 도메인에 걸쳐 장치 등록, 구성 및 QoS 제공을 관리하기 위해 다중 도메인 관리자 및 오케스트레이터를 도입한다.
• 5G와 기존 산업 프로토콜 간의 상호운용성을 지원하기 위해 오픈 인터페이스를 갖춘 계층적이고 모듈형 설계를 채택한다(예: oneM2M 및 IIRA 원칙을 통한).
• 모든 계층에서 장치/사용자 인증, 암호화된 통신, 안전한 로그 저장을 보장하기 위해 전용 보안 평면을 통해 보안을 강화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 산업 통신 네트워크와 5G 무선 기술을 어떻게 원활하게 통합하여 실시간으로 안정적인 팩토리 자동화를 지원할 수 있는가?
• RQ2 이질적인 네트워크 환경에서 산업 현장에서 종단 간 품질보증(QoS)을 보장하기 위해 필요한 아키텍처 컴포넌트와 추상화는 무엇인가?
• RQ3 대규모 산업 공장과 중소기업(SMEs)을 모두 수용할 수 있는 통합적이고 확장 가능하며 유연한 아키텍처를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ4 5G 기반 스마트 팩토리에서 다중 도메인 관리자가 네트워크 간 통신 및 서비스 제공을 오케스트레이션하는 데 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ5 통합된 산업 통신 아키텍처에서 보안, 신뢰성, 상호운용성을 동시에 확보하기 위한 방법은 무엇인가?

주요 결과

• TACNET 4.0 아키텍처는 스마트 팩토리에 적합한 단일 모듈형 및 확장 가능한 프레임워크로 5G, TSN, SDN 및 산업용 이더넷을 성공적으로 통합하였다.
• 아키텍처는 원격 제어 드론, AGV 조율, 예측 정비와 같은 핵심 산업 사용 사례를 종단 간 지연 5ms 이내, 고신뢰성으로 지원한다.
• 다중 도메인 관리자는 5G 및 산업 네트워크 도메인 전반에 걸쳐 장치 및 네트워크 기능의 중앙 집중식 오케스트레이션을 가능하게 하여 일관된 QoS를 보장한다.
• 전용 보안 평면의 도입으로 아키텍처의 모든 계층에서 인증, 암호화된 통신 및 안전한 로깅이 보장된다.
• 모듈성 덕분에 기술 교체가 용이하고 SMEs의 경우 복잡성이 감소하는 등 확장 가능하고 적응 가능한 아키텍처로 설계되었다.
• SWOT 분석 결과, 강력한 시장 선도 잠재력이 확인되었으며, 학계 및 산업계 파트너의 균형 잡힌 컨sortium가 신기술 및 경쟁 위험을 완화하고 있다.