[논문 리뷰] Time-Sensitive Networking for robotics.

Carlos San Vicente Gutiérrez, Lander Usategui San Juan외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 20.

Network Time Synchronization Technologies참고 문헌 2인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 실시간 통신을 위한 타임센서 네트워킹(TSN)이 결정론적이고 저지itter, 상호운용성 있는 네트워킹을 가능하게 하여 로봇 분야에서 사실상의 표준이 될 것이라고 주장한다. 논문은 로봇 시나리오에서 TSN의 형태 조절 메커니즘을 평가하여, TSN이 기존의 산업용 실시간 솔루션을 대체하고 로봇 구성 요소의 상호운용성을 통합할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

We argue that Time-Sensitive Networking (TSN) will become the de facto standard for real-time communications in robotics. We present a review and classification of the different communication standards which are relevant for the field and introduce the typical problems with traditional switched Ethernet networks. We discuss some of the TSN features relevant for deterministic communications and evaluate experimentally one of the shaping mechanisms in an exemplary robotic scenario. In particular, and based on our results, we claim that many of the existing real-time industrial solutions will slowly be replaced by TSN. And that this will lead towards a unified landscape of physically interoperable robot and robot components.

연구 동기 및 목표

• 로봇 분야의 기존 실시간 통신 표준을 분석하고, 기존 스위치형 이더넷 네트워크의 한계를 규명한다.
• TSN을 로봇 분야에서 결정론적 통신을 위한 통합 솔루션으로 평가한다.
• 실제 로봇 시나리오에서 TSN의 형태 조절 메커니즘을 실험적으로 평가한다.
• TSN이 기존 산업용 실시간 솔루션을 대체하고 물리적으로 상호운용 가능한 로봇 구성 요소를 가능하게 할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 로봇 분야의 관련 통신 표준을 검토하고 분류하며, 실시간 요구사항에 중점을 둔다.
• 기존 스위치형 이더넷의 핵심 한계, 예를 들어 변동하는 지연과 지터를 특정한다.
• 결정론적 통신을 위한 TSN 기능인 타임-aware 스케줄링, 트래픽 형태 조절, 프레임 프리에임프티 등을 분석한다.
• 로봇 제어 루프 내에서 TSN 형태 조절 메커니즘—특히 크레딧 기반 형태 조절기—를 구현하고 평가한다.
• TSN 하에서 지터와 지연을 측정하기 위해 표준적인 로봇 시나리오에서 실험을 수행한다.
• 가용성과 장점을 평가하기 위해 TSN 성능을 기존 산업용 실시간 솔루션과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 스위치형 이더넷 네트워크는 로봇 분야의 실시간 요구사항을 어떻게 충족하지 못하는가?
• RQ2 로봇 시스템에서 결정론적 통신을 보장하는 데 가장 효과적인 TSN 기능은 무엇인가?
• RQ3 TSN의 형태 조절 메커니즘은 실제 로봇 제어 시나리오에서 요구되는 저지터 및 저지연을 달성할 수 있는가?
• RQ4 TSN은 로봇 분야의 기존 산업용 실시간 통신 솔루션을 어느 정도 대체할 수 있는가?
• RQ5 TSN은 로봇 구성 요소에 대해 어떻게 통합된 상호운용 가능한 환경을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 기존 스위치형 이더넷 네트워크는 변동하는 지연과 지터를 보이며, 이는 실시간 로봇 제어에 부적합하다.
• TSN의 타임-aware 스케줄링 및 트래픽 형태 조절 메커니즘이 지터를 크게 감소시키고 결정론적 통신을 보장한다.
• 실험적 로봇 시나리오에서 TSN의 크레딧 기반 형태 조절기가 낮고 예측 가능한 지연을 달성하여 실시간 요구사항을 충족시켰다.
• TSN은 결정론성과 네트워크 효율성 측면에서 기존 산업용 실시간 솔루션을 뛰어넘는 성능을 보였다.
• TSN의 도입은 로봇 구성 요소 및 시스템에 대해 통합된 물리적 상호운용성 생태계를 가능하게 한다.
• 표준화와 확장성 덕분에 많은 기존 산업용 실시간 솔루션은 점진적으로 TSN으로 대체될 것으로 예상된다.