Development of a framework to evaluate the practicality of 5G for intralogistics use cases in standalone non-public networks
Date
2022-08
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: In the context of Industry 4.0, intralogistics is exposed to an increasingly complex and dynamic
environment, driven by a high level of product customisation and complex manufacturing processes.
One approach to deal with these changing conditions is the decentralised and intelligent connectivity
of intralogistics systems. However, wireless connectivity presents a major challenge in the industry,
due to strict requirements such as safety, security and real-time data transmission and processing.
Furthermore, this is becoming increasingly important with the mass adoption of technologies used
for time-critical applications, such as autonomous mobile robots.
The fifth generation of mobile communications (5G) is a promising telecommunication technique to
fill this gap and meet the requirements of safety-critical and time-critical applications. In addition,
5G offers the possibility of establishing private 5G networks. Private 5G networks, referred to as
standalone non-public networks, provide exclusive coverage for private organisations and offer high
intrinsic network control and data security through isolation from public networks and the dedicated
use of pure 5G components. However, at the present time 5G is still in the development process and
is being gradually introduced in a continuous series of releases. In this context, the release process of
5G lacks transparency regarding the performance of 5G in individual releases, complicating the
successful adoption of 5G as an industrial communication technique. Additionally, the evaluation of
5G against the specified target performance is insufficient due to the impact of the environment and
external interfering factors on 5G in the industrial environment.
The proposed framework takes a holistic approach to evaluate the practicality of 5G for intralogistics
use cases by considering two fundamental perspectives. The first of these considers the use case and
analyses technical parameters and characteristics of the use case to evaluate the feasibility of 5G. The
second perspective investigates the application’s environment, which has a substantial impact on the
practicality of 5G, for instance, the influence of surrounding materials. By adopting both perspectives,
a holistic conclusion on the practicality of 5G can be drawn. A case study validates the proposed
framework, in which an autonomous mobile robot use case is evaluated for the practicality of 5G.
Subsequently, empirical measurements and the integration into the 5G standalone non-public network
are carried out.
AFRIKAANS OPSOMMING: In die konteks van Industrie 4.0 word intralogistiek blootgestel aan ‘n toenemend komplekse en dinamiese omgewing. Hierdie word gedryf deur ‘n hoë vlak van produkaanpassing en komplekse vervaardigingsprosesse. Een benadering om hierdie veranderende toestande te hanteer, is die gedesentraliseerde en intelligente konnektiwiteit van intralogistieke stelsels. Draadlose konnektiwiteit bied egter ‘n groot uitdaging in industriële omgewings, as gevolg van die wisselwerking van streng vereistes soos veiligheid, sekuriteit en intydse data-oordrag en -verwerking. Verder word dit al hoe belangriker met die massa-opneming van tegnologieë wat vir tyd-kritiese toepassings gebruik word, soos outonome mobiele robotte. Die vyfde generasie van mobiele kommunikasie (5G) word gesien as ‘n belowende telekommunikasietegniek om hierdie gaping te vul en aan die vereistes van tyd-kritiese toepassings te voldoen. Boonop bied 5G ook die moontlikheid om private 5G netwerke te vestig. Private 5G netwerke, waarna verwys word as selfstandige en nie-openbare netwerke, bied eksklusiewe dekking vir private organisasies en bied hoë intrinsieke netwerkbeheer en datasekuriteit deur isolasie van publieke netwerke. Op die oomblik is 5G egter steeds in die ontwikkelingsproses en word geleidelik in vrystellings bekendgestel. In hierdie konteks het die vrystellingsproses van 5G nie deursigtigheid oor die prestasie van 5G in individuele vrystellings nie, wat dus die suksesvolle aanvaarding van 5G as ‘n industriële kommunikasie tegniek belemmer. Boonop is die evaluering van 5G teenoor die gespesifiseerde teikenprestasie onvoldoende as gevolg van die impak van die omgewing en eksterne steurende faktore op 5G. Die voorgestelde raamwerk neem ‘n holistiese benadering om die praktiese toepassing van 5G vir intralogistieke gebruiksgevalle te evalueer deur twee fundamentele perspektiewe te oorweeg. Die eerste perspektief beskou die gebruiksgeval en analiseer tegniese parameters en kenmerke van die gebruiksgeval om die praktiese toepassing van 5G te evalueer. Die tweede perspektief ondersoek die omgewing van die toepassing, wat ‘n wesenlike impak kan hê op die praktiese toepassing van 5G, byvoorbeeld soos deur materiale wat die kwaliteit van die sein belemmer. Deur beide perspektiewe te ondersoek, kan ‘n holistiese gevolgtrekking oor die praktiese toepassing van 5G as ‘n draadlose kommunikasie tegniek gemaak word. ‘n Outonome mobiele robotgevallestudie dien om die voorgestelde raamwerk te valideer, waarin die outonome mobiele robotgebruiksgeval eers geëvalueer word vir die praktiese toepassing van 5G, waarna empiriese metings en die integrasie in die 5Gselfstandige nie-openbare netwerk uitgevoer word.
AFRIKAANS OPSOMMING: In die konteks van Industrie 4.0 word intralogistiek blootgestel aan ‘n toenemend komplekse en dinamiese omgewing. Hierdie word gedryf deur ‘n hoë vlak van produkaanpassing en komplekse vervaardigingsprosesse. Een benadering om hierdie veranderende toestande te hanteer, is die gedesentraliseerde en intelligente konnektiwiteit van intralogistieke stelsels. Draadlose konnektiwiteit bied egter ‘n groot uitdaging in industriële omgewings, as gevolg van die wisselwerking van streng vereistes soos veiligheid, sekuriteit en intydse data-oordrag en -verwerking. Verder word dit al hoe belangriker met die massa-opneming van tegnologieë wat vir tyd-kritiese toepassings gebruik word, soos outonome mobiele robotte. Die vyfde generasie van mobiele kommunikasie (5G) word gesien as ‘n belowende telekommunikasietegniek om hierdie gaping te vul en aan die vereistes van tyd-kritiese toepassings te voldoen. Boonop bied 5G ook die moontlikheid om private 5G netwerke te vestig. Private 5G netwerke, waarna verwys word as selfstandige en nie-openbare netwerke, bied eksklusiewe dekking vir private organisasies en bied hoë intrinsieke netwerkbeheer en datasekuriteit deur isolasie van publieke netwerke. Op die oomblik is 5G egter steeds in die ontwikkelingsproses en word geleidelik in vrystellings bekendgestel. In hierdie konteks het die vrystellingsproses van 5G nie deursigtigheid oor die prestasie van 5G in individuele vrystellings nie, wat dus die suksesvolle aanvaarding van 5G as ‘n industriële kommunikasie tegniek belemmer. Boonop is die evaluering van 5G teenoor die gespesifiseerde teikenprestasie onvoldoende as gevolg van die impak van die omgewing en eksterne steurende faktore op 5G. Die voorgestelde raamwerk neem ‘n holistiese benadering om die praktiese toepassing van 5G vir intralogistieke gebruiksgevalle te evalueer deur twee fundamentele perspektiewe te oorweeg. Die eerste perspektief beskou die gebruiksgeval en analiseer tegniese parameters en kenmerke van die gebruiksgeval om die praktiese toepassing van 5G te evalueer. Die tweede perspektief ondersoek die omgewing van die toepassing, wat ‘n wesenlike impak kan hê op die praktiese toepassing van 5G, byvoorbeeld soos deur materiale wat die kwaliteit van die sein belemmer. Deur beide perspektiewe te ondersoek, kan ‘n holistiese gevolgtrekking oor die praktiese toepassing van 5G as ‘n draadlose kommunikasie tegniek gemaak word. ‘n Outonome mobiele robotgevallestudie dien om die voorgestelde raamwerk te valideer, waarin die outonome mobiele robotgebruiksgeval eers geëvalueer word vir die praktiese toepassing van 5G, waarna empiriese metings en die integrasie in die 5Gselfstandige nie-openbare netwerk uitgevoer word.
Description
Thesis (MEng) -- Stellenbosch University, 2022.
Keywords
5G mobile communication systems, Industry 4.0, Wireless communication systems, Intralogistics, UCTD