Mecanismos de scheduling para la integración de redes 5g y tsn en entornos de la industria 4.0

Resumen

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.