Evaluation of Non-Standalone 5G Network for Remote Control of Social Service Robots in Nursing Homes

Abstract

Denne masteroppgaven undersøker mulighetene og begrensningene ved å bruke det eksisterende Non- Standalone (NSA) 5G-nettverk for fjernstyring av sosiale serviceroboter som skal brukes i sykehjem og private hjem. For dette formålet er det nødvendig med en pålitelig og sikker forbindelse mellom roboten og fjernenheten. Siden det ikke er mulig å garantere dekning, oppetid eller konfidensialitet i nettverkene som tilbys på sykehjem eller private hjem, undersøker denne oppgaven muligheten for en mobilforbindelse ved bruk av sosiale serviceroboter i sykehjem.

Hovedmålet var å undersøke muligheten og påliteligheten ved å operere en sosial servicerobot ved hjelp av et 5G-nettverk. Prosjektet innebar maskinvareoppgraderinger på KOMPAÎ Assist Service Robot og implementering av et testsystem. Dette inkluderte oppsett av en Raspberry Pi 4 som en fjernkontrol- lenhet, konfigurering av den til å kommunisere med roboten via en 5G-forbindelse, og utvikling av ulike ROS noder for å overvåke og administrere nettverkets ytelse. En grafisk brukergrensesnitt ble konfigurert for enkel gjennomføring av tester.

Forsøk ble utført for å måle forsinkelse og påliteligheten til 5G-forbindelsen under forskjellige forhold ved bruk av abonnementer fra to store mobilnettverksoperatører (MNOer), Telia og Telenor. Resultatene viste at Telia-nettverket presterte stabilt på grunn av utmerkede kanalforhold på teststedet. Målinger ut- ført med Telenor-abonnementet illustrerte noen av begrensningene og problematiske scenarier for trådløs kommunikasjon.

Resultatene viser lovende aspekter ved 5G-teknologi for å forbedre funksjonaliteten og påliteligheten til sosiale serviceroboter i helsetjenester. De understreker også behovet for nøye vurdering av nettverks- forhold og behovet for redundante forbindelser i den trådløse forbindelsen, inkludert bruk av dual-SIM- modemer for å sikre konsistent ytelse på tvers av forskjellige steder.

Arbeidet utført gir innsikt i praktiske anvendelser av 5G-nettverk innen robotikk, og viser hvordan denne teknologien baner vei for mer avanserte og pålitelige automatiseringsløsninger i fremtiden.

This Master’s thesis investigates the challenges and opportunities of using existing Non-Standalone (NSA) 5G networks for the remote operation of Social Service Robots to be used in nursing homes and private residents. To this end, a reliable and secure connection between the robot and the control unit is necessary. Since it is not possible to guarantee coverage, up-time, or confidentiality in the networks provided at nursing homes or private homes, this thesis investigates the feasibility of a cellular connection for the use of social service robots in nursing homes.

The primary objective was to investigate the feasibility and reliability of operating a social service robot using a 5G network. The project involved hardware upgrades on the KOMPAÎ Assist Service Robot and the implementation of a testing system. This included setting up a Raspberry Pi 4 as a remote control unit, configuring it to communicate with the robot via a 5G connection, and developing various ROS nodes and scripts to monitor and manage the network performance. A graphical user interface was configured for easy execution of the tests.

Experiments were conducted to measure the latency and reliability of the 5G connection under different conditions using subscriptions from two major Mobile Network Operators (MNOs), Telia and Telenor. The results showed that the Telia network performed stably due to the excellent channel conditions at the test location. Measurements conducted with the Telenor subscription illustrated some of the limitations and problematic scenarios for wireless communication.

The results of the experiments show the promise of 5G technology in enhancing the functionality and reliability of social service robots in healthcare settings. However, they also underscore the need for careful consideration of network conditions and the need for redundant connections in the wireless connection, including the use of dual-SIM modems to ensure consistent performance across different locations.

The work performed provides insights into the practical applications of 5G networks in the field of robotics, demonstrating how this technology paves the way for more advanced and reliable automation solutions in the future.