Industrie 4.0-angepasste Datenverkehrskonzepte für industrielle 5G-TSN-Netzwerke

Abstract

Trends und Weiterentwicklungen von Industrie 4.0 in Richtung einer ständig wandelbaren Fabrik führen zu mehr Mobilität und Flexibilität der einzelnen Teilnehmer in der Fabrikhalle. Dadurch steigen die Anforderungen an die drahtlose Kommunikation. Der entscheidende Faktor ist dabei eine hoch- zuverlässige Kommunikation mit geringer Latenz, wie sie z. B. Anwendungsfälle der kooperativen mobilen Robotik fordern. 5G-Mobilfunk bietet der industriellen Automatisierung eine alternative drahtlose Technologie zu Bluetooth und (Industrial) WLAN, bei der industrielle Anforderungen bereits in der Standardisierung berücksichtigt wurden. Time-Sensitive Networking (TSN) umfasst Mechanismen für Echtzeit und Determinismus über Ethernet. Die Kombination beider Technologien soll hybride kabelgebundene und drahtlose Netzwerke für cyber-physische Systeme (CPS) im Sinne von Industrie 4.0 ermöglichen. Um 5G in TSN zu integrieren, spezifizierte die globale Standardisierungsorganisation für Mobilfunk, 3rd Generation Partnership Project (3GPP), das Modell des 5G-Systems als virtuelle TSN-Bridge. Diese enthält TSN-Übersetzungsfunktionen, die Mechanismen zur Zeitsynchronisation und Steuerung der Dienstgüte, engl. Quality of Service (QoS), von TSN auf 5G abbilden. Allerdings sind 5G und TSN lediglich in Testumgebungen praktisch implementiert, da die Technologiereife bislang nicht für einen produktiven Einsatz ausreicht. Zudem sind viele Aspekte des Integrationskonzepts für 5G und TSN noch ungeklärt. Bislang liegt der Forschungsschwerpunkt auf der Zeitsynchronisation von TSN über 5G, was eine Grundvoraussetzung für die deterministische Datenübertragung bildet. Fundierte wissenschaftliche Untersuchungen zur Zuordnung der jeweiligen Parameter und Mechanismen für ein gemeinsames QoS-Modell bzw. Datenverkehrskonzept stehen weiterhin aus. Zur Lösung dieser Problemstellung gilt es die folgenden Fragen zu klären: Wie lassen sich TSN als kabelgebundene und 5G-Mobilfunk als drahtlose Kommunikationsstandards so kombinieren, dass ein für Industrie 4.0 geeignetes Datenverkehrskonzept entsteht? Nach welchen Anforderungen lassen sich Anwendungsfälle für die Integration von 5G in TSN im Kontext von Industrie 4.0 charakterisieren? Welche Faktoren spielen für eine einsatzfähige Lösung einer vollintegrierten industriellen 5G-TSN- Netzwerkarchitektur im Hinblick auf Industrie 4.0 eine Rolle? Wie sieht ein ganzheitliches Datenverkehrskonzept basierend auf den Kommunikations-anforderungen der Applikationen kombiniert mit der Netzwerkarchitektur aus? Inwiefern ist dieses Datenverkehrskonzept umsetzbar? Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit diesen Forschungsfragen aus der dafür notwendigen ganzheitlichen Sicht. Dafür werden einerseits Standards wie IEC/IEEE 60802 (TSN-Profil für die industrielle Automatisierung) sowie das 5G Bridge-Modell und das 5G QoS-Modell aus 3GPP herangezogen. Andererseits werden Informationen über repräsentativen Datenverkehr in industriellen Automatisierungsnetzwerken benötigt. In dieser Dissertation werden die Eigenschaften und Unterschiede von 5G und TSN beim Umgang mit QoS für bestimmten Datenverkehr analysiert und mögliche Lösungen aufgezeigt, um die jeweiligen QoS-Parameter aufeinander abzubilden. Aus der Analyse von Datenverkehrsmodellen wird ein Datenverkehrskonzept entwickelt, welches mehrere Konfigurationen mit unterschiedlicher Komplexität und Flexibilität umfasst. Die Validierung des Datenverkehrskonzepts erfolgt in drei Schritten anhand von Messungen an einem realen Versuchsaufbau, analytischen Berechnungen sowie Simulationen. Die Ergebnisse dieser Dissertation tragen zur Entwicklung eines 5G QoS-Modells für die Integration in TSN in Industrie 4.0 bei und dienen als Grundlage für die Konkretisierung der TSN- Übersetzungsfunktionen im 5G-System.

Trends and enhancements of Industry 4.0 towards a constantly adaptive factory lead to more mobility and flexibility on the factory floor. Consequently, requirements on wireless communication increase. The decisive factor is the demand for highly reliable communication with low latency, as required by cooperative mobile robotics use cases, for example. 5G mobile radio offers industrial automation an alternative wireless technology to Bluetooth and (Industrial) Wi-Fi, in which industrial requirements have already been taken into account in the standardization process. Time-Sensitive Networking (TSN) includes mechanisms for real-time and determinism via Ethernet. The combination of both technologies should enable hybrid wired and wireless networks for cyber-physical systems (CPS) in the sense of Industry 4.0. In order to integrate 5G into TSN, the global standardization organization for mobile radio communications, 3rd Generation Partnership Project (3GPP), specified the model of the 5G system as a virtual TSN bridge. This contains TSN translator functions that map mechanisms for time synchronization and Quality of Service (QoS) control from TSN to 5G. However, 5G and TSN have only been practically implemented in test environments, as the technological maturity is not yet sufficient for productive use. In addition, many aspects of the integration concept for 5G and TSN are still unclear. So far, research has focused on the time synchronization of TSN over 5G, which is a basic requirement for deterministic data transmission. Sound scientific studies on the assignment of the respective parameters and mechanisms for a common QoS model or data traffic concept are still pending. To solve this problem, the following questions need to be clarified: How can TSN as a wired communication standard and 5G mobile radio as a wireless communication standard be combined to create a data traffic concept suitable for Industry 4.0? What requirements can be used to characterize use cases for the integration of 5G in TSN in the context of Industry 4.0? What factors affect a viable solution for a fully integrated industrial 5G-TSN network architecture with regard to Industry 4.0? What does a holistic data traffic concept based on the communication requirements of the applications combined with the network architecture look like? To what extent can this data traffic concept be implemented? This doctoral thesis deals with these research questions from the necessary holistic perspective. On the one hand, standards such as IEC/IEEE 60802 (TSN profile for industrial automation) as well as the 3GPP bridge and QoS models for 5G are used. On the other hand, information on representative data traffic in industrial automation networks is required. This doctoral thesis analyzes the characteristics and differences of 5G and TSN when dealing with QoS for specific data traffic and identifies possible solutions to map the individual QoS parameters to each other. Based on the analysis of data traffic models, a data traffic concept is developed, which includes multiple configurations with different complexity and flexibility. The validation of the data traffic concept is carried out in three steps using measurements on a real test setup, analytical calculations and simulations. The results of this doctoral thesis contribute to the development of a 5G QoS model for integration into TSN in Industry 4.0 and serve as a basis for the concretization of the TSN translator functions in the 5G system.