[논문 리뷰] Towards 5G Enabled Tactile Robotic Telesurgery

Qi Zhang, Jianhui Liu외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 09.

Wireless Body Area Networks참고 문헌 10인용 수 87

한 줄 요약

본 논문은 로봇 원격 수술에서 다중 모드 데이터의 QoS 요구를 분석하고, haptic 피드백과 3D 비디오에 필요한 초저지연 및 높은 신뢰성을 충족하기 위해 MEC, 네트워크 슬라이싱, AI가 포함된 5G 지원 에지-클라우드 아키텍처를 제안합니다.

ABSTRACT

Robotic telesurgery has a potential to provide extreme and urgent health care services and bring unprecedented opportunities to deliver highly specialized skills globally. It has a significant societal impact and is regarded as one of the appealing use cases of Tactile Internet and 5G applications. However, the performance of robotic telesurgery largely depends on the network performance in terms of latency, jitter and packet loss, especially when telesurgical system is equipped with haptic feedback. This imposes significant challenges to design a reliable and secure but cost-effective communication solution. This article aims to give a better understanding of the characteristics of robotic telesurgical system, and the limiting factors, the possible telesurgery services and the communication quality of service (QoS) requirements of the multi-modal sensory data. Based on this, a viable network architecture enabled by the converged edge and core cloud is presented and the relevant research challenges, open issues and enabling technologies in the 5G communication system are discussed.

연구 동기 및 목표

• 원격 수술 시스템의 제약 요인과 다중 모드 감각 데이터의 QoS 필요성을 식별한다.
• 원격 수술 서비스를 분류하고 개발 로드맵을 개략한다.
• 필요 QoS를 지원하기 위해 에지-코어 클라우드의 수렴 네트워크 아키텍처를 제시한다.
• 도전 과제를 해결하기 위해 5G 기술(MEC, 네트워크 슬라이싱, SDN, AI)을 강조한다.
• 개방형 연구 이슈와 비용 효율적이고 안전한 솔루션의 가능성을 논의한다.

제안 방법

• 원격 수술 시스템 아키텍처와 다중 모드 데이터의 QoS 요구를 조사한다.
• D-RAN/C-RAN, SDN, MEC를 갖춘 수렴된 에지-클라우드 네트워크 아키텍처를 제시한다.
• 감각 스트림을 위한 데이터 압축, 확장 가능한 코딩, 다중화 접근법을 개략한다.
• QoS를 충족하기 위한 5G 기술(PHY/무선 인터페이스, MEC, 네트워크 슬라이싱, AI)을 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 로봇 원격 수술에서 다중 모드 감각 데이터의 QoS 요구사항(지연, 지터, 패킷 손실, 데이터 속도)은 무엇인가?
• RQ2 이 QoS 요구를 5G 지원 환경에서 충족할 수 있는 네트워크 아키텍처는 무엇인가?
• RQ3 5G 기술(MEC, 네트워크 슬라이싱, SDN, AI)이 촉각 원격 수술의 도전 과제를 어떻게 해결할 수 있는가?
• RQ4 광범위한 배치를 위한 개방형 연구 이슈 및 잠재적 보안/비용 제약은 무엇인가?

주요 결과

• 다중 모드 데이터는 엄격한 지연, 지터 및 신뢰성이 필요하며, 일반적인 목표는 2D/3D 비디오에 대해 <150 ms 지연 및 비디오 스트림에 대해 <10^-3의 패킷 손실을 포함한다.
• 촉각 데이터는 매우 낮은 지연(<10 ms)과 초저손실(<10^-4) 및 데이터 속도 128-400 Kbps를 요구한다.
• MEC 및 SDN 지원 네트워크 슬라이싱을 갖춘 융합 에지-클라우드 아키텍처가 서로 다른 모달리티에 대해 다양한 QoS를 충족할 수 있다.
• 5G PHY 개선(짧은 TTIs, 분할된 서브프레임) 및 MEC가 엔드투엔드 지연을 줄이고 실시간 AI 기반 지원을 가능하게 한다.
• 네트워크 슬라이싱과 SDN은 격리, 동적 자원 할당 및 사설 네트워크에 비해 비용 절감의 가능성을 제공한다。