[논문 리뷰] A 5G Architecture for The Factory of the Future

Stephan Ludwig, Michael Karrenbauer외 19명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 25.

Telecommunications and Broadcasting Technologies참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 미래 공장에 적합한 5G 네트워크 아키텍처를 제안하며, 5G의 핵심 기능인 초고신뢰저지연통신(uRLLC), 대량 기계유형통신(mMTC), 향상된 이동통신대역폭(eMBB)을 네트워크 슬라이싱, 엣지 컴퓨팅, SDN 기반 라디오 관리와 통합한다. 이 아키텍처는 실제 5Gang 프로젝트의 시범 운영을 통해 검증되었으며, 산업용 사례 전반에서 융통성 있고 안전하며 저지연 연결을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Factory automation and production are currently undergoing massive changes, and 5G is considered being a key enabler. In this paper, we state uses cases for using 5G in the factory of the future, which are motivated by actual needs of the industry partners of the "5Gang" consortium. Based on these use cases and the ones by 3GPP, a 5G system architecture for the factory of the future is proposed. It is set in relation to existing architectural frameworks.

연구 동기 및 목표

• 산업 자동화 및 생산에 적합한 5G 네트워크 아키텍처를 설계하여 산업 4.0의 통신 요구사항을 충족시킨다.
• uRLLC, eMBB, mMTC와 같은 5G 기능을 하나의 융통성 있고 확장 가능한 네트워크 인fra로 통합하여 공장 환경에 적합하게 한다.
• 네트워크 슬라이싱과 엣지 클라우드 배포를 통해 임계 산업 응용 프로그램에 대한 저지연, 고신뢰성, 안전한 연결을 보장한다.
• 5G의 이동성 및 정위치 기능을 활용하여 이격된 시설 간의 원활한 연결과 이동식 작업물 운반 장치의 지원을 가능하게 한다.
• 5Gang 컨sortium의 산업 및 학술 파트너들과의 협업을 통해 실제 시범 운영을 통해 아키텍처를 검증한다.

제안 방법

• 5Gang 컨소소리의 용례 및 3GPP 표준을 기반으로 한 5G 시스템 아키텍처를 제안하며, uRLLC, eMBB, mMTC에 중점을 둔다.
• 다양한 산업 응용 프로그램의 요구되는 QoS를 보장하기 위해 각 용례별로 전용 자원을 할당하는 네트워크 슬라이싱을 통합한다.
• 공장 바닥면 근처에 컴퓨팅 및 제어 기능을 국소화하기 위해 엣지 클라우드(Edge Cloud, EC)와 네트워크 기능 가상화(Network Function Virtualization, NFV)를 구현한다.
• 중앙 집중식 SDN 컨트롤러와 SDN 기반 스위치(예: Open vSwitch)를 사용하여 동적 트래픽 라우팅 및 구성이 가능한 SDN 기반 네트워크 관리 시스템을 도입한다.
• 자기 조직화 네트워크(XO) 기법을 활용한 라디오 관리 시스템을 구현하여 무선 링크를 모니터링하고 최적화하며, 동적 채널 전환 및 다중 경로 전송을 가능하게 한다.
• 에너지 효율성을 극대화하기 위해 다중 무선 인터페이스(예: 이중 WiFi)를 통한 장치 수준의 연결을 지원하고, 온라인, 간격, 슬립의 세 가지 운영 모드를 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5G 네트워크는 산업 자동화, 특히 uRLLC 응용 프로그램을 위한 엄격한 지연 및 신뢰성 요구사항을 어떻게 충족시킬 수 있는가?
• RQ2 단일 5G 네트워크 내에서 고속 데이터 전송부터 대량 센서 연결에 이르기까지 다양한 산업 용례를 지원하기 위해 필요한 아키텍처 구성 요소는 무엇인가?
• RQ3 네트워크 슬라이싱과 엣지 컴퓨팅는 임계 생산 공정에 대해 저지연, 고신뢰성, 고립된 QoS를 보장하기 위해 어떻게 활용될 수 있는가?
• RQ4 SDN는 산업용 네트워크 트래픽과 무선 연결의 동적, 적응형, 안전한 관리를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ5 산업 환경에서 대량 기계유형통신(mMTC) 장치의 에너지 효율성과 장수명 배터리 수명(최대 10년)을 달성하기 위해선 어떻게 해야 하는가?

주요 결과

• 제안된 5G 아키텍처는 사용자 평면 지연이 1ms 이하로 유지되어 산업 자동화의 실시간 제어 요구사항을 충족한다.
• 네트워크 슬라이싱은 각 용례별로 전용이고 고립된 자원 할당을 가능하게 하여 로봇 제어 및 머신투머신 통신과 같은 임계 응용 프로그램에 대한 보장된 QoS를 제공한다.
• 엣지 클라우드 배포로 인해 생산 장비 근처에 컴퓨팅 기능을 국소화함으로써 지연을 감소시키고 반응성을 향상시켜 실시간 의사결정 능력을 강화한다.
• SDN 기반 제어는 네트워크 경로의 동적 재구성 가능성을 제공하며, 복수 경로 TCP와 병렬 중복 프rotocol(PR)을 활용한 무결성 있는 장애 복구 및 로드 밸런싱을 실현한다.
• 자기 조직화 기능을 갖춘 라디오 관리 시스템은 '사전 준비 후 전환' 방식을 사용하여 동적 채널 전환을 가능하게 하여 이동 중에도 연결이 끊기지 않도록 보장한다.
• 장치 운영 모드(온라인, 간격, 슬립)를 통해 에너지 효율적인 통신이 가능하며, 산업용 IoT 구현에서 mMTC 장치의 장수명 배터리 수명(최대 10년)을 지원한다.