Desenvolvimento e análise de um modelo de simulação para arquiteturas 5G industriais

Abstract

A quinta geração de rede móvel (5G) permite atingir uma baixa latência ao mesmo tempo em que se oferece uma alta confiabilidade. Essas características atendem muito bem aplicações industriais e possibilitam a integração de um framework sem fio sem comprometer o determinismo requerido por redes industriais. Empregar os padrões TSN (Time-Sensitive Networking) na arquitetura 5G é a melhor solução, hoje, para que se mantenha a compatibilidade com as implementações industriais existentes e para tornar a rede móvel capaz de oferecer a sincronização e a baixa latência requerida. No entanto, não existem muitas pesquisas que exploram os elementos quantitativos por trás desse tipo de arquitetura, o que é essencial para se projetar e gerenciar tais redes. O presente trabalho propôs um estudo experimental do comportamento de redes 5G no qual foram exploradas a influência da numerologia, tamanho da payload, distância e tipo de cenário industrial em redes 5G através de simulações no software 5G-LENA e análises gráficas. Os resultados demonstraram que as antenas de acesso e UE (User Equipment) precisam estar mais elevadas no ambiente industrial para que o nível do sinal sofra menos perdas e alcance distâncias maiores e, no caso da frequência de 28 GHz, precisa ser utilizado um nível de potência superior a 25 dBm. Numerologias maiores acarretaram em menor tempo de latência, sendo o fator determinante para se atender o limite de 1 ms. Largura de banda não influenciou nos valores de latência dos pacotes de 100 bytes, porém impactou nos valores de jitter nas numerologias iguais e superiores a 1, dado que maior banda provocou um jitter menor. Já para pacotes maiores (acima de 250 bytes), maiores bandas diminuíram o tempo de latência. Bandas de 100 MHz ou maiores e numerologias iguais ou acima de 2 devem ser empregadas para manter a latência abaixo de 1 ms, sendo que numerologias iguais ou acima de 3 são mais indicadas por oferecer maior margem para atrasos, e, portanto, mais confiáveis para pacotes maiores do que 250 bytes.

Abstract: The fifth generation of mobile networks (5G) allows achieving low latency while providing high reliability. These characteristics serve very well industrial applications and enable the integration of a wireless framework without compromising the determinism required by industrial networks. Employing Time-Sensitive Networking (TSN) standards in the 5G architecture is currently the best solution to maintain compatibility with existing industrial implementations and to make the mobile network capable of providing the required synchronization and low latency. However, there are not many researches that explore the quantitative elements behind this type of architecture, which is essential for designing and managing such networks. This work proposed an experimental study of the behavior of 5G networks in which the influence of numerology, payload size, distance, and type of industrial scenario on 5G networks was explored through simulations in the 5G-LENA software and graphical analyses. The results showed that the access and User Equipment (UE) antennas need to be higher in the industrial environment so that the signal level suffers less loss and reaches greater distances and, in the case of the 28 GHz frequency, a power level higher than 25 dBm must be used. Larger numerologies resulted in lower latency, being the determining factor to meet the 1 ms requirement. Bandwidth did not influence the latency values of 100 bytes packets, but did affect the jitter values in numerologies equal to or above 1, since larger bandwidth caused lower jitter. For larger packets (above 250 bytes), larger bandwidth decreased latency. Bandwidths of 100 MHz or larger and numerologies equal to or above 2 should be used to keep latency below 1 ms, with numerologies equal to or above 3 being more indicated for offering a greater margin for delays and therefore being more reliable for packets larger than 250 bytes.