[论文解读] 5G for the Factory of the Future: Wireless Communication in an Industrial Environment

Florian Voigtländer, Ali Ramadan Ali+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2019

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 3被引用 11

一句话总结

本论文在真实工业工厂环境中展示了基于5G的移动机器人平台，实现了异构传感器数据的无线传输以及远程云控的超低延迟通信。通过5G解耦传感、执行与计算资源，系统实现了动态灵活的生产，支持安全关键通信（如 ProfiSafe）和高吞吐量数据流，性能与3GPP Release 16中‘未来工厂’用例高度一致。

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.

研究动机与目标

• 通过5G解耦传感器、执行器和计算资源，实现在工业环境中灵活、动态的生产流程。
• 评估5G在真实工厂环境中支持多传感器和多系统异构实时数据流的能力。
• 验证5G在安全关键工业通信中的可行性，包括通过ProfiSafe实现无线紧急停止。
• 评估原型性能与即将发布的3GPP 5G标准（特别是3GPP Release 16用例5.3.6 '未来工厂'）的契合度。
• 通过5G将计算与存储卸载至远程系统，展示可扩展的云基机器人技术。

提出的方法

• 在真实工业产线中部署了一款具备全向驱动和多种异构传感器（红外、激光测距仪、RFID、360°视频）的移动机器人平台。
• 传感器和执行器通过5G NR（新空口）基础设施实现无线连接，支持向多个云系统传输数据。
• 利用5G的时隙调度机制和极小时隙（2、4或7 OFDM符号）实现超低延迟，目标往返时延为1ms。
• 实施多层安全机制，结合本地机器人安全措施（如激光测距仪）与基于5G的ProfiSafe消息传输。
• 采用带宽部分（BWP）和灵活的子载波间隔（通过P-OFDM/F-OFDM实现），以支持不同数据流的多样化QoS配置。
• 在20m×20m的工业区域内测量网络性能，非安全数据流的速率最高达5.97 Mbit/s，抖动低于15ms。

实验结果

研究问题

• RQ1 5G能否在真实工业环境中同时支持安全功能的超可靠低延迟通信（URLLC）和来自多种传感器的高吞吐量数据流？
• RQ2 基于5G的无线系统在多移动工业机器人中，能在多大程度上实现感知、动作与计算的分离？
• RQ3 该原型的性能与3GPP Release 16用例5.3.6 '未来工厂'的要求契合度如何？
• RQ4 在真实工厂环境中，安全关键与非安全关键数据流的端到端延迟和抖动可达到何种水平？
• RQ5 5G能否在保持所需可靠性和安全水平的前提下，替代工业自动化中的有线通信？

主要发现

• 5G系统在安全关键通信中实现了小于12ms的端到端延迟和低于6ms的抖动，满足用例5.3.6的目标要求。
• 所有服务的总数据速率达到5.97 Mbit/s，超过3GPP用例中5 Mbit/s的要求，证明了对高带宽应用的支持能力。
• 系统成功通过5G传输了ProfiSafe消息，实现了低延迟、高可靠性的无线紧急停止功能。
• 5G网络在单一20m×20m区域内成功实现了多种通信配置的共存，包括超可靠低延迟控制和高吞吐量视频流传输。
• 原型验证了可有效利用基于云的处理与存储进行机器人控制和数据分析，显著降低了机器人本地的计算与能耗负载。
• 性能指标如可用性、延迟和抖动均处于工业自动化可接受范围内，尽管未实现99.9999999%的可用性。