Integración de 5G y TSN en redes privadas industriales. Network Slicing en redes de transporte TSN asíncrono

Abstract

La revolución industrial ha provocado la aparición de nuevos tipos de servicios que requieren las calidades de servicio propias de las comunicaciones cableadas, pero con la posibilidad de movilidad de los dispositivos de la red. Unas de las finalidades de la creación de las redes inalámbricas de quinta generación (5G) es satisfacer estos nuevos servicios. A pesar de su utilización en la industria, un sistema 5G no es capaz de cumplir con la alta fiabilidad y el bajo retardo exigidos. Sin embargo, la tecnología cableada de capa 2 Time-Sensitive Network (TSN) si proporciona estos requerimientos de fiabilidad y latencia. Por tanto, una solución al problema de la Industria 4.0 es la integración de las redes 5G y TSN, tema tratado por numerosas investigaciones. Existe ya un modelo estandarizado por el 3rd Generation Partnership Project (3GPP) para su integración, donde el sistema 5G se convierte en un puente TSN. Este modelo no contempla la posibilidad de desarrollar la funcionalidad de network slicing de los sistemas 5G, siendo una característica fundamental para incrementar la utilización de la red. Además, considera que la industria previamente tiene implementada una red TSN, pero puede suceder que este desarrollada por una red 5G. Por lo que en este proyecto se trata de encontrar la solución para soportar network slicing en las redes 5G industriales, donde se utiliza una red TSN asíncrona para la implementación de la red de transporte. Con la integración de TSN asíncrono en la red de transporte se origina el problema de asignación de flujos a las distintas slices de la red. Este problema se resuelve con el desarrollo de un optimizador que minimiza la probabilidad de rechazo global de la red, gracias a las herramientas CVX y MOSEK en Matlab. Finalmente, se implementa el optimizador en un simulador de una red TSN asíncrona con la funcionalidad de network slicing. Se lleva a cabo diversos experimentos para estudiar la granularidad en términos de número de slices adecuada para dar servicio a los diferentes servicios de la Industria 4.0, cuyas características también se ha definido en este proyecto.

The industrial revolution has caused the appearance of new types of services that require the qualities of service suitable to the wiring communication, but with the possibility of movement of the network devices. One of the purposes of the creation of the wireless network of the fifth generation (5G) is to satisfy these new services. In spite of its use in the industry, a 5G system is not able to fulfill with the high reliability and the low needed delay. However, the wiring technology of layer 2 Time-Sensitive Network (TSN) can supply these requirements of reliability and latency. Therefore, one solution to the problem of the 4.0 Industry is the integration of the 5G and TSN networks, this theme is dealt by numerous investigations. There is already a standardized model by the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) for its integration, where the 5G system is converted into a TSN bridge. This model does not contemplate the possibility to develop the functionality of network slicing of the 5G systems, being one of the fundamental characteristic to increase the use of the network. Besides, it is considered that the industry has previously implemented a TSN network, but it is also possible that it can be developed by a 5G network. So, this project wants to find a solution to support network slicing in the 5G industrial networks, where it is used an asynchronous TSN network to the implementation of the transport network. The integration of asynchronous TSN in the transport network causes the problem of the assignment of flows to the different slices of the network. This problem is solved with the development of an optimizer that minimize the probability of global rejection in the network, thanks to the CVX and MOSEK tools in Matlab. Finally, the optimizer is implemented in a simulator of an asynchronous TSN network with the functionality of network slicing. Some experiments are carried out in order to study the granularity in terms of numbers of correct slices to give service to the different services of the 4.0 Industry, whose characteristics have also been defined in this project.