Mecanismos de scheduling para la integración de redes 5G y TSN en entornos de la Industria 4.0

Abstract

La Industria 4.0 busca la digitalización y la automatización de las fábricas convencionales para poder ofrecer sistemas de fabricación más personalizados, eficientes y sin defectos. Este nuevo paradigma requiere de redes de comunicaciones flexibles y con capacidad de adaptación y reconfiguración, capaces de adaptarse de manera eficiente a las cambiantes demandas de producción. Además, las aplicaciones industriales emergentes requerirán de comunicaciones con baja latencia y muy alta fiabilidad, y con un alto grado de determinismo. Time Sensitive Networking (TSN) se está convirtiendo en la tecnología estándar basada en Ethernet para dar soporte a servicios con requisitos deterministas y ultra fiables. A pesar de las ventajas que ofrece, TSN presenta limitaciones en cuanto a su flexibilidad, capacidad de adaptación y compatibilidad con nodos móviles, requisitos indispensables para dar soporte a las industrias del futuro. La red móvil de 5ª generación (5G) ha sido diseñada para proporcionar comunicaciones de muy baja latencia y alta fiabilidad. Sin embargo, 5G no puede garantizar el determinismo que proporciona una red cableada. Es por ello, que la integración de las redes 5G y TSN será clave para lograr el nivel de determinismo y flexibilidad demandado por los entornos de la Industria 4.0.

La investigación sobre las redes 5G-TSN integradas se encuentra en etapas tempranas y aún queda trabajo por hacer para integrar adecuadamente ambas redes de manera que satisfagan plenamente los requisitos de la Industria 4.0. Un aspecto crítico para lograr la integración de ambas redes es la coordinación de sus schedulers. En este contexto, en esta tesis se han estudiado y propuesto esquemas de scheduling para garantizar la coordinación entre las redes 5G y TSN. El objetivo de la tesis es avanzar hacia la integración eficiente y efectiva de ambas redes 5G y TSN.

Para ello, en esta tesis se ha realizado en primer lugar un análisis sobre la topología de la red integrada 5G-TSN, así como de los requisitos de los distintos flujos de datos a transmitir. Utilizando esta información, la red TSN decide la ruta y el scheduling para cada flujo TSN. El esquema de scheduling de 5G debe coordinar su decisión con el scheduling de TSN para garantizar los requisitos de latencia y determinismo end-to-end. Para ello, en esta tesis se han propuesto nuevos esquemas de scheduling para garantizar la transmisión de tráfico TSN determinista y periódico en redes 5G. Los esquemas de scheduling propuestos están basados en el mecanismo Configured Grant (CG) definido en 5G New Radio (NR) que asigna recursos radio periódicos a los usuarios (UE o User Equipment). Los esquemas propuestos consideran la gestión de múltiples flujos TSN con diferentes periodicidades. El objetivo de estos esquemas de scheduling es garantizar los requisitos de latencia y determinismo para todos los flujos TSN en la red 5G y minimizar la latencia experimentada por dichos flujos TSN. En esta tesis se han desarrollado dos esquemas de scheduling para la red 5G basados en optimización y en un algoritmo heurístico, respectivamente. Los resultados concluyen que los esquemas propuestos mejoran significativamente la cantidad de flujos TSN que pueden ser atendidos en la red 5G-TSN integrada en comparación con esquemas de scheduling comúnmente utilizados. La propuesta basada en un algoritmo heurístico es capaz de alcanzar un rendimiento similar a la propuesta que utiliza técnicas de optimización, al mismo tiempo que disminuye considerablemente el coste computacional.

Los esquemas de scheduling propuestos buscan la mejor solución posible, lo que puede dar lugar a que el número de configuraciones CG que pueden ser asignados a un UE supere el máximo permitido por el estándar de Third Generation Partnership Project (3GPP). Para solucionar este problema, esta tesis define y propone el uso de un vector de activación que indica la configuración CG que está activa para la transmisión de cada paquete de un flujo TSN. Este vector se introduce en el mecanismo que está definido en los estándares de 3GPP para identificar los recursos radio asignados para la transmisión de cada paquete. Es importante señalar que las configuraciones CG asignadas a un flujo TSN pueden ser activadas y desactivadas por el Next Generation Node B (gNB) durante una sesión. Por lo tanto, el uso de este vector evita el intercambio de mensajes entre el UE y el gNB para habilitar y deshabilitar las diferentes configuraciones CG asignadas a un flujo TSN. Este vector se utiliza para coordinar el acceso de los UEs a los recursos radio y evitar los conflictos de scheduling (la asignación de los mismos recursos radio para transmitir diferentes paquetes) que pueden producirse con los esquemas de scheduling comúnmente utilizados. En esta tesis se ha propuesto un nuevo esquema de scheduling que considera el uso de este vector de activación. Al igual que las propuestas anteriores, este nuevo esquema pretende garantizar los requisitos de latencia de extremo a extremo para todos los flujos TSN en la red 5G-TSN integrada. Los resultados muestran que este scheduler garantiza la transmisión del mismo número de flujos que el scheduler heurístico propuesto anteriormente, pero cumpliendo con la cantidad de configuraciones CG que se pueden crear según los estándares de 3GPP.

Finalmente, como parte de esta tesis, también se ha llevado a cabo la preparación del simulador ns-3 5G-LENA para comunicaciones de baja latencia. En particular, se ha implementado el mecanismo de CG en 5G-LENA. Para modelar con precisión la flexibilidad de 5G NR, también se ha mejorado la implementación del modo de acceso Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) en 5G-LENA, y se han implementado diferentes políticas de scheduling para escenarios de la Industria 4.0. Los desarrollos anteriores se han validado mediante la comparación de las latencias obtenidas en el simulador con las latencias obtenidas en distintos estudios analíticos.

Industry 4.0 seeks to digitize and automate conventional factories in order to provide more personalized, efficient, and zero-defect manufacturing systems. This new paradigm requires flexible, adaptive, and reconfigurable communications networks, capable to efficiently adapt to the changing production demands. In addition, emerging industrial applications will require communications with low latency and high reliability, and with a high degree of determinism. Time Sensitive Networking (TSN) is becoming the standard Ethernet-based technology to support services with deterministic and ultra-reliable requirements. Despite its advantages, TSN has limitations in terms of flexibility, adaptability, and support for mobile nodes, which are essential for future industries. The 5th generation mobile network (5G) has been designed to provide ultra-reliable and lowlatency communications. However, 5G cannot guarantee the determinism that a wired network offers. Hence, the integration of 5G and TSN networks will be key to achieve the determinism and flexibility demanded by Industry 4.0. Research on integrated 5G-TSN networks is in early stages, and there is still work to be done to achieve the integration of 5G and TSN networks to fully meet the requirements of Industry 4.0. One critical aspect to achieve the integration of both networks is the coordination of their schedulers. In this context, this thesis focuses on the study and proposal of novel scheduling schemes to guarantee the coordination of 5G and TSN networks. The aim of the thesis is to advance towards the efficient and effective integration of 5G and TSN networks. For this purpose, this thesis has first analyzed the topology of the integrated 5G-TSN network, as well as the requirements of the different data flows to be transmitted. Using this information, the TSN network decides the path and the scheduling for each TSN flow. The 5G scheduling scheme must coordinate its decision with TSN scheduling to ensure end-to-end latency and determinism requirements. To achieve this, this thesis proposes novel scheduling schemes for the support of periodic deterministic TSN traffic in 5G networks. The proposed scheduling schemes are based on Configured Grant (CG) scheduling defined in 5G New Radio (NR) that pre-allocates periodic radio resources to each User Equipment (UE). The proposed schemes consider the management of multiple TSN flows with different periodicities. The objective of these scheduling schemes is to guarantee the latency and determinism requirements for all TSN flows in the 5G network and to minimize the latency experienced by these TSN flows. This thesis proposes two scheduling schemes based on optimization and heuristic approaches, respectively. The results conclude that the proposed schemes outperform the state-of-the-art in the capacity to support multiple TSN flows with different periodicities. The proposal based on a heuristic algorithm is able to achieve similar performance as the one based on the use of optimization techniques while considerably decreasing the computational cost. The proposed scheduling schemes aim to find the best possible solution, which can result in the number of configured grants assigned to a TSN flow exceeding the maximum allowed by the Third Generation Partnership Project (3GPP) standard. To address this, this thesis defines and proposes the use of an activation vector that indicates the configured grant that is active for the transmission of each packet of a TSN flow. This vector is introduced in the mechanism defined in the 3GPP standards to identify the radio resources allocated for the transmission of each packet. It is important to note that the configured grants assigned to a TSN flow can be enabled and disabled by the Next Generation Node B (gNB) during a session. The use of this activation vector then avoids the exchange of messages between the UE and the gNB to enable and disable the different configured grants allocated to a TSN flow. This vector is used to coordinate the access of UEs to the radio resources and avoid scheduling conflicts (the allocation of the same radio resources to transmit different packets) that can happen with state-of-the-art scheduling schemes. This thesis then proposes a new scheduling scheme that considers the use of this activation vector. Similar to the previous proposals, this scheme aims to guarantee the end-to-end latency requirements for all the TSN flows in the integrated 5G-TSN network. The results show that this scheduler guarantees the transmission of the same number of flows as the previously proposed heuristic scheduler while complying with the number of configured grants that can be established according to 3GPP standards.Finally, as part of this thesis, the preparation of the ns-3 5G-LENA simulator for lowlatency communications has also been carried out. In particular, the CG mechanism has been implemented in 5G-LENA. To accurately model the flexibility of 5G NR, the implementation of Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) in 5GLENA has also been improved, and different scheduling policies for Industry 4.0 scenarios have been implemented. The previous developments have been validated by comparing the latencies obtained in the simulator with the latencies obtained in different analytical studies.