Techno-economic evaluation of 5G technology for latency-critical applications in production

Networked Control Systems (NCS) sind seit einigen Jahren im Fokus der Forschung, da sie eine Reihe von technischen Vorteilen für zukünftige Produktionssysteme bieten: Neben einer höheren Flexibilität ermöglichen NCS eine einfachere Integration neuer Anwendungen in bestehende Produktionssysteme, reduzieren den Verkabelungsaufwand und verhindern Kabelbrüche. Diese technischen Vorteile spiegeln sich in einer potenziellen Kostenreduktion wider. Die größte Herausforderung für NCS in der Produktion stellt das kabellose Kommunikationssystem dar. Es muss zuverlässig sein und insbesondere die Anforderungen an die maximale Übertragungslatenz erfüllen. Gerade letzteres stellt derzeit ein großes Hindernis für den Einsatz von NCS dar. Der 5G-Technologie wird das Potential vorausgesagt, der zukünftige Standard für NCS in der Produktion zu sein: Mit einer Latenzzeit von 1 ms sowie einer Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit von jeweils 99,999 % übertrifft die 5G-Technologie die derzeitigen drahtlosen Kommunikationstechnologien. Bis 2030 wird durch ihren Einsatz ein globaler Anstieg des BIP um 4 % (740 Mrd. USD) prognostiziert. Doch trotz des hohen wirtschaftlichen Potenzials planen derzeit 39 % der Produktionsunternehmen nicht, 5G in der Zukunft einzusetzen; nur 1 % hat 5G bereits eingeführt. Dies beruht auf zwei Hauptbedenken: Einerseits sind sie die Unternehmen nicht sicher, ob der Einsatz von 5G tatsächlich eine technologische Verbesserung der Prozesse zur Folge hat. Andererseits fehlt es an Use Cases, die das wirtschaftliche Potential nachweisen. Um diese Bedenken entgegenzuwirken, muss der Mehrwert der 5G-Technologie in der Produktion quantifiziert werden. Derzeit existiert jedoch kein Ansatz, der den Anforderungen an eine techno-ökonomische Bewertung gerecht wird. Dementsprechend lautete die Hauptforschungsfrage dieser Arbeit: Kann ein modellbasierter Ansatz die Bewertung des Potenzials der 5G-Technologie für latenzkritische Anwendungen in der Produktion ermöglichen? Das Ziel dieser Arbeit lag daher in der Konzeption, Entwicklung, Implementierung sowie Verifikation und Validierung eines techno-ökonomischen Bewertungsansatzes für den Einsatz von 5G in latenzkritische Anwendungen in der Produktion. Dies wurde in Form eines fünf-schrittigen Evaluierungsmodells erreicht. Im ersten Schritt wird die Anwendung spezifiziert. Im zweiten Schritt wählt der Modellanwender die zu quantifizierenden technischen und ökonomischen aus. Im dritten Schritt werden die latenzkritischen Steuerungsaufgaben des NCS konfiguriert. Im vierten Schritt gibt der Modellanwender die erforderlichen Evaluationsdaten, welche auf Basis der vorherigen Spezifikationen und Konfigurationen notwendig sind. Schließlich quantifiziert das Modell sowohl den technischen als auch den ökonomischen Nutzen des Einsatzes der 5G-Technologie für die betrachtete latenzkritische Anwendung. Das Modell wurde in ein browserbasiertes Tool überführt, um eine Anwendbarkeit sowie eine Verifizierung und Validierung zu ermöglichen. Diese wurde anhand von zwei Fallstudien (AGV, Fräsmaschine) und Expertenbefragungen durchgeführt und bildet die Grundlage für weitere Forschung im Kontext von 5G in der Produktion.

Networked control systems (NCS) have been and still are main research focus in academia as well as in industry, offering several technical advantages for future production systems: Besides higher flexibility, NCS enable an easier integration of new applications, reduce cabling efforts for large control systems, and mitigate cable breakage. These technical advantages result in cost reduction as material cost, installation, and maintenance efforts decrease, to only mention some. Key challenge for NCS in production is the communication network. It must be reliable and fulfill application’s requirements regarding maximum application-perceived latency. Especially the latter is a big obstacle to deploy NCS in production. 5G technology is predicted to have a significant impact on the deployment of NCS in the industrial connectivity landscape. With an over-the-air latencies of 1 ms, as well as an availability and reliability of 99.999%, 5G technology outperforms current in-dustrial wireless communication technologies. By 2030, a global GDP rise through 5G technology deployment of 4% ($740 billion) is predicted. However, despite the immense prospected economic potential, 39% of production companies worldwide are currently not at all planning to deploy 5G in the future; only 1% of production companies have fully deployed 5G yet. The two main concerns of production managers in terms of 5G deployment are the uncertainty regarding technical use case improvement and the lack of demonstrable economic potential. For both concerns, the added value of 5G technology must be somehow evaluated to release its prospected potential in production. As no approach exists covering the requirements for a techno-economic evaluation approach, the main research question of this thesis was: Does a model-based approach enable the evaluation of 5G technology potential for latency-critical applications in production? The goal of this thesis therefore lay in the conceptualization, development, implementation, as well as verification and validation of a techno-economic evaluation approach for the 5G deployment for latency-critical applications in production. This was achieved in form of a five-step evaluation model. In the first step, the model user specifies the production application to be as precise as possible within the evaluation. In the second step, model user selects the technical and economic performance goals to be quantified to evaluate the 5G deployment. In the third step, the model user configures the latency-critical control tasks of NCS. In the fourth step, the user enters the necessary evaluation data in accordance with the selected goals and configured control tasks of the previous steps. Finally, the model quantifies both the technical and economic benefits of 5G technology deployment for the considered latency-critical application. The model was then implemented in a browser-based tool to enable an applicability, as well as verification and validation. Verification and validation were executed based on two case studies (AGV, milling machine) and expert reviews - forming a basis for further research in the context of 5G technology in production.