5G 셀룰러 연결은 산업 자동화 분야에 흥미로운 가능성을 가져다준다. 이 논문은 가까운 미래에 산업 통신에 어떤 향상을 기대할 수 있는지, 그리고 6G와 같은 장기적으로 무엇을 기대할 수 있는지에 대한 질문에 답하려고 노력하고 있다. 이 논문은 또한 기술이 이러한 솔루션을 채택할 것으로 예상할 수 있을 때 단기적이고 장기적인 것이 무엇인지 이해하고, 이 기술이 사용되는 시기와 이유가 바뀌는 가장 중요한 정치적 및 시장적 기초를 정의하려고 노력한다. 우리는 또한 현재 이 변화에 저항하는 세력이 무엇인지, 그리고 누가 현재 혜택을 받고 있는지에 대한 이해를 유도하기 위해 5G 솔루션의 현재 상태를 살펴볼 것이다.

 

이 논문은 2020 ODVA 컨퍼런스 “5G-더 이상 휴대폰에만 국한되지 않음”의 데이비드 브랜트(David Brandt)과 스콧 그리피스(Scott Griffiths) 논문을 보완한 것이다.

 

산업용 5G 기술을 제공하는 3GPP를 지원하는 보조 기구인 5G-ACIA에 의해 산업 현장에서 5G를 위한 특정한 길은 ACIA의 설립 이후 비교적 긴 대기 기간을 보내고 있다. 우리는 5G 출시와 산업 네트워크, 차기 기술인 6G 기술에서 과연 무엇을 기대할 수 있을까?

 

 

릴리스 16

 

추가 사용 사례를 적용할 수 있도록 URLLC 사양의 유연성을 높이거나, 특히 산업 공간의 주요 기술인 릴리스 16에서 상당한 변화가 있었다. 릴리스 15에서는 URLLC의 신뢰성(99.9999% 또는 69's)및 지연 시간(1~2ms) 요구사항이 릴리스 16 내에서 달성될 수 있도록 기본 기반이 추가되었다. 다중 SCS 및 대역폭 유연성을 사용, 동적으로 배열된 그랜트를 생성하여 트래픽 스케줄을 허용했다. 이를 통해 단위별 셀 기반(UE당) 스케줄링 대신 트래픽 스케줄링당 상태 업데이트를 수행할 수 있다. 또한 트래픽 스케줄링당 트래픽 유형도 세그먼트화된다.

 

이 솔루션 내에서는 동일한 리소스를 공유하는 시간, 민감 데이터 대 비시간 민감 날짜에 대한 리소스 할당 문제가 있다. 이 문제는 릴리스 16에서 전송할 리소스 및 사용 가능한 데이터의 정규화된 사용을 통해 우선 순위를 해결하는 것과 같이 우선 순위를 생성하여 해결되었다. 신뢰성에 있어서는 릴리스 15의 제약 조건에서 IP 또는 전송계층을 압축하지 않는 새로운 압축 알고리즘으로 해결되어 산업네트워크가 이더넷 프레임을 적절하게 사용할 수 있게 되었다. 복원력을 해결하기 위해 패킷 복제를 통해 여러 gnB(antennas)에 대해 한 번에 노드를 해결할 수 있게 되었다.

 

1. 스케줄링 향상

4G LTE 솔루션과 달리 5G는 업링크 및 다운링크 방식의 스케줄링에서 훨씬 더 높은 유연성과 확장성을 허용하여 왕복 시간, 즉 RTT를 줄인다. 하나의 채널이 있는 시스템에 직접 연결하는 대신 시스템은 전용 일정으로 시스템 내의 여러 지점에 연결할 수 있으므로 전체 네트워크를 최적화할 수 있다.

 

2. PDCCH(Downlink transmission) 모니터링 대역폭 증가

릴리스 15에서, 하향링크 전송 채널은 슬롯에 의해서만 모니터링 될 수 있다. 이것은 OFDM을 사용하는 서브-슬롯 사용으로 인한 정확한 모니터링을 금지하는 것이다. 모니터링 오류가 발생할 수 있고, 이는 지연 시간 및 신뢰성 가능성을 증가시킬 수 있다. 릴리스 16은 상이한 방식으로 하향링크 전송을 모니터링 한다. 하향링크 전송은 슬롯 심볼당 모니터링 되고, 하향링크 전송 주파수의 수는 제한되며, 이는 전송 데이터가 지속적으로 적용됨을 의미한다.

 

3. 지속적인 과제

지금까지 5G의 현재 상태를 살펴보았고, 이제 5G를 통해 산업 네트워크를 실행하는 문제와 중요한 개선 사항에 대한 타임라인을 살펴보기로 하자. 관심 있는 주제 중 하나는 5G와 같은 IP 라우팅 가능한 네트워크를 사용할 수 있도록 보장하는 것이다. 계층2 구현을 기반으로 하는 DLR과 같은 여러 프로토콜이 있으며 IP 프레임이 없으므로 5G 네트워크에서 라우팅 할 수 없다.

 

또한 비 LLDP 장치는 UDP/IP를 사용하는 디스커버리 프로토콜을 사용하고 프로토콜은 IP 라우팅 가능한 IP 브로드캐스트를 사용한다. 한 IP 멀티캐스트 프레임은 IP 네트워크에서 라우팅 할 수 있지만 특수한 구성을 가진 라우터가 필요하다. 이러한 기능의 대부분은 모든 응용 프로그램에서 필요한 것은 아니므로 컨트롤러 또는 장치에서 무시하거나 변경 할 수가 있다. 이는 대부분의 장치에 고유한 기본 옵션인 DLR 및 디스커버리로 인해 문제가 발생할 수 있다.

 

DLR과 디스커버리가 모두 발생할 수 있는 한 가지 옵션은 이더넷 PDU(Packet Data Units)를 사용하는 것이다. PDU는 비교적 오래된 기술이지만 이더넷 계층(Layer 2)서의 사용은 이 기술에 대한 새로운 해석이며 아직 시장에서 일반적으로 사용되지 않는다. 또한 브로드캐스트 프로토콜을 크게 사용하면 셀 룰러 연결이 포화될 수 있다.

 

또한 LAN 스위치는 일반적으로 가입된 IP 가입자로 멀티캐스트 프레임을 제한하여 과도한 패킷 혼잡을 처리하기 위해 IGMP 스누핑을 구현한다. IGMP는 IETF(Internet Engineering Task Force)인 프로토콜이다. IEEE(Institute of Electric and Electronic Engineers) IGMP를 피처 세트로 제공하지 않는다. IEEE는 현재의 셀룰러 네트워크 기술을 체계화하고 표준화하는 조직인 3GPP(3rd Generation Partnership Project)로부터 표준화 기관의 파트너로 인정받고 있다. 따라서 IGMP는 통신 업계에서 채택한 프로토콜로 간주되지 않을 수 있으므로 셀룰러 네트워크에서 지원되지 않을 수 있다.

 

고려해야 할 한 가지 해결책은 EtherNet/IP를 구현하는 5G 네트워크의 장치에서 터널링을 사용하는 것이다. 이는 브로드캐스트 메시지뿐만 아니라 모든 계층2 프로토콜을 사용할 수 있도록 한다. 이는 또한 가상 확장성 로컬 영역 네트워크 구현 또는 일반 라우팅 캡슐화(GRE)에 의해 수행될 수 있다. 이로 인해 지금까지 사용할 수 없었던 확장성과 상당한 세그먼트화 구현을 제공하게 되었다.

 

이 구현에는 몇 가지 문제가 있다. VXLAN에는 64비트 헤더가 필요하므로 더 많은 오버레이와 처리가 이루어지지만, 고급 QoS 구현은 이로 인해 결정성이 저하되는 정도를 낮춰준다. 5G 네트워크의 VXLAN 동작이 연구되었다. 또한 VXLAN은 IETF 표준 프로토콜이므로 IEEE에서는 VXLAN 기술 표준화를 조사하지 않았다. 일반적으로 3GPP는 IEEE를 인터넷 기술을 조정하는 사실상의 조직으로 간주했다.

 

4. TSN 활성화

TSN뿐만 아니라 1588의 활성화는 공장 바닥에서 5G의 활용도를 향상시키는 중요한 기능이다. 5G-ACIA 백서 “산업 통신을 위한 시간 민감 네트워크와의 5G 통합”에 요약되어 있다. 릴리스 16에는 IEEE 1588 작동을 허용하는 [g]PTP 동기화가 추가되었다. 높은 노드 수와 알 수 없는 간섭과 같은 많은 불일치 변수가 CNC 및 반도체 제조 프로세스와 같은 고도로 결정적인 응용 프로그램에 존재하지 않기 때문에 모션 응용 프로그램은 5G 사용에 이상적이다.

 

릴리스 17

 

1. 레드 캡의 향상된 기능

레드 캡(RedCap), 즉 용량 감소는 URLLC 요구사항의 결정성이 필요하지 않은 솔루션을 위해 만들어졌다. 일반적으로 비용이 크게 증가하지 않고 데이터 처리량이 증가한다. 이는 진동, 압력 및 온도를 모니터링 하는 5G 웨어러블 장치와 동력 산업용 센서의 가능성을 열어준다. 이러한 유형의 센서는 높은 대기 시간이 필요하지 않지만 레드 캡이 효율적으로 제공할 수 있는 높은 신뢰성을 필요로 한다. 레드 캡 사양은 이질적인 5G 솔루션이 이용 가능하도록 보장하기 위해 고안되었다.

 

레드 캡의 중요한 장점 중 하나는 배터리 전력을 허용하기 위해 5G를 더 전력 효율적인 솔루션으로 설계하는 것이다. 빠른 업로드와 다운로드 속도는 전력에 상당한 부담을 만든다. 따라서 프로세서의 부하를 줄이거나 프로세서를 더 낮은 스타일의 버전으로 완전히 바꾸는 창의력이 도출될 수 있다.

 

또한 레드 캡은 비결정론적 응용 프로그램을 위해 더 높은 대기 시간을 제공하므로 기존 5G 솔루션보다 더 유연하고 다양한 용도로 사용할 수 있다. 물론 대기 시간 감소 허용은 다양한 사양 변화의 부산물이다. 이렇게 완화된 대기 시간은 대역폭을 절반으로 줄여 반 이중을 허용하고, 쿼드러쳐 진폭변조 채널의 수를 제한하며, 송수신 채널의 수를 제한한다.

 

레드 캡의 또 다른 중요한 장점은 비용 효율성이다. eMBB 요구사항은 다른 프로세서 향상 중 게이팅과 클럭 속도 증가를 요구하는 비디오 업로드 및 다운로드 시간에 높은 비용을 부과한다. 웨어러블 장치는 상당한 할인 혜택을 제공한다. 현재 시장 가격을 맞추기 위해서는 칩 비용 자체가 5~6배 더 저렴해야 한다. 이는 더 저렴한 웨어러블 장치와 센서를 개발하려는 기업들에게 매력적인 옵션이 된다.

 

2. mmWave의 향상

릴리스17은 52.6~71GHz 범위를 사용하기 위해 FR2-2라고 하는 24GHz~300GHz 범위인 mm웨이브[mmWave] 스펙트럼을 향상시킨다. mmWave 스펙트럼은 더 높은 주파수 대역에 위치해 있어, 사용 범위가 가까운 거리로 제한된다. 빔포밍 기술을 사용함으로써, 범위 용량이 표준 3.5GHz 대역에 비해 크게 증가한다. 빔포밍은 커버리지 개선, 네트워크 효율성 향상, 간섭 감소 등 여러 방식으로 사용될 수 있어, 5G 네트워크를 이전보다 더욱 신뢰할 수 있게 만든다.

 

FR2-2 업데이트는 새로운 대역폭에 거의 18GHz를 추가하여 상당히 증가시켰다. 그리고 대역폭은 사용 가능한 고주파 범위 내에 있기 때문에 경기장, 부두, 기차 기지 및 대규모 공장 바닥과 같은 곳에 적합하다.

 

FR2-2 5G NR 규격은 초저지연 및 초고속 데이터 전송을 요구하는 사용 사례를 위해 향상된 기능을 제공한다. 이는 주파수 분할 듀플렉스(FDD) 및 시분할 듀플렉스(TDD) 운용, 대규모 MIMO(다중 입력 다중 출력) 안테나 배열 지원, 빔포밍 및 빔 추적과 같은 기능을 포함한다.

 

또한 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 및 NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access) 같은 다중액세스 기술도 지원한다. 더 높은 mm웨이브 스펙트럼 기술의 가장 흥미로운 사용 사례 중 하나는 AGV(Autonomous Guided Vehicle)다. AGV는 차량 자체에서 수행되는 제어 양으로 인해 엔지니어링, 커미션 및 유지 관리에 많은 노력이 필요하다. 지연 시간이 짧은 데이터에 대한 경로를 생성함으로써 많은 제어를 외부에서 수행할 수 있으므로 AGV가 더 민첩하고 비용 효율적이다. AGV가 가는 거리는 일반적으로 mm웨이브 안테나의 범위 내에 있으며 장거리 전환을 허용하도록 전환을 조정할 수 있다.

 

릴리스 18

 

Release 18은 연구 릴리스로 간주할 수 있으며, 이는 많은 공장 자동화 요구 사항, 검증, 테스트 또는 사례 연구가 적용되기보다는 고려되고 연구된다는 것을 의미한다. 현재 고려 중인 중요한 연구들이 있다. 공장 자동화에서의 사용을 위한 위치 측정의 증가는 “수직 도메인에서의 사이버 물리적 제어 응용을 위한 서비스 요구사항”이라는 기술사양 그룹 서비스 및 시스템 측면에서 실질적으로 고려되고 있다. 이 요구사항 문서는 공장 자동화 및 프로세스 산업에 대한 추가 사양 조정을 위해 중요하다.

 

1. 주변 사물인터넷

차세대 저전력/무전력 센서와 솔루션은 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)으로 알려진 다양한 소스의 전력을 사용할 것이다. 응용을 위한 다양한 고려사항이 고려된다. 이 기술에서는 감지, 위치 지정 및 IO뿐만 아니라 인트라 로지스틱스와 자동차 재고 추적을 모두 고려할 수 있다. 저비용의 저전력/무전력 솔루션은 대규모 센서 어레이를 가능하게 할 것이다. 일반적으로 RFID를 사용하는 시스템을 활성화하면 데이터 전송이 크게 증가할 수 있다.

 

여기서는 3가지 범주의 장치가 고려된다.

 

· 장치 A는 역 산란 전송을 사용하여 입력에 반응하는 무동력 수동형 장치이다.

· 장치 B는 에너지저장 장치가 있는 반수동형 장치이다.

· 장치 C는 독립적인 출력신호를 가진 능동형 장치이다.

 

이론적인 주변 사물인터넷(Ambient IoT) 응용을 5G 네트워크 내에서 적용할 때 4가지 토폴로지가 고려된다.

 

· 토폴로지 1: Ambient IoT 장치(장치 A)로의 백스캐터 네트워크

· 토폴로지 2: 중간(메시) 노드를 통해 Ambient IoT 장치(장치 A)로의 백스캐터 네트워크

· 토폴로지 3: Ambient IoT 장치(장치 B)에 대한 노드 지원을 통한 백스캐터 네트워크로의 백스캐터 네트워크

· 토폴로지 4: 사용자 장비(5G 지원 전화기)에서 Ambient IoT 장치(장치 A)로의 연결

 

긴급성이 요구되는 이유는 Wi-Fi, Bluetooth 등 다른 기술들로부터 여러 고려 사항이 있기 때문이다. RFID 시장과 유사한 애플리케이션의 가능성에 대한 일부 추정치는 2022년 현재 200억 개의 RFI가 2031년까지 490억 개에 이를 것이라고 한다. 릴리스 19에서 토폴로지와 장치를 제한하는 것은 표준화 속도를 높일 수 있을 것이다. 이는 5G 사양이 emBB 릴리스를 일정 초기에 배포하고 URLLC는 훨씬 나중에 진행했던 것과 유사하다. 일부 결과를 달성하기 위해 TR 22.840의 사례 연구와 인벤토리 등 기본 사용 사례를 개요로 하고, 통신 범위, 위치 정확도 등 이러한 기본 속성에 중점을 둔 초점을 맞추어야 한다.

 

이 접근방식을 고려하는 한 가지 기술은 교차대역작동이다. 크로스밴드작동(cross-band Operation)은 칩의 가장 큰 전력소비 중 하나인 수정발진기를 BOM에서 제거하고 대신 클록 기준 신호를 전송한다. 산업통신에서 이러한 센서는 이론적으로 나머지 네트워크와 동기화된다. 전송속도를 이해하려면 더 많은 연구가 완료되어야 한다. 또한 현재 FDD 스펙트럼으로 알려진 주파수 분할 이중화 또는 700~2000MHz에 중점을 두고 어떤 대역을 사용해야 하는지를 논의하고 있다. 그만큼 저전력 특성상 저주파 대역도 고려된다.

 

 

릴리즈 21 (6G)

 

6G의 약속은 현재 3GPP에 의해 형성되고 있으며, 2024년부터 릴리즈 21에 대한 연구가 시작되고, 2028년에 스펙이 시작되며, 2029년 중반에 출시될 것으로 예상된다. Sub THz와 같은 트랜시버 데모가 6G 증가에 대비하여 전 세계 여러 연구소에서 개발되고 있다.

 

릴리즈 19 또는 20에서 고려되지 않은 잠재적인 문제 중 하나는 5G를 사용하여 결정론적 시스템을 신뢰할 수 있게 적용하는 능력이다. 그리고 6G는 논문 “Towards Deterministic Communications in 6G Networks”에서 설명된 대로 엔드-투-엔드의 결정론을 목표로 하고 있다. 1ms는 엔드-투-엔드 시스템의 결정론적 주기 시간이 아니며 앞으로도 그렇지 않을 것이다. 실제로 5G 네트워크와 URLLC 요구사항은 공장 자동화 스펙트럼의 일부 응용 프로그램만 해결할 수 있다.

 

이 주장은 5G가 가능한 TSN(IEC 802) 및 IETF(Internet Engineering Task Force) 결정론적 네트워킹 프로토콜을 모두 다루면서 제기되고 있다.

 

근본적인 약점은 유선 구조와 비교했을 때 신뢰성이다. 무선 접속 네트워크(RAN)는 그 복잡성을 측정할 수 없다. 신뢰성을 위해 프레임 복제 및 제거를 완료해야 하는데, 이는 802.1CB 사양으로서 이를 통해 개선될 수 있다. 또한 DetNet PREOF(패킷 복제, 제거 및 정렬 기능)가 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

 

다른 문제는 수락 제어(새로운 사용자가 네트워크의 결정론에 영향을 미치지 않도록 하는 방법)와 자원 관리(전송 능력의 효율적인 사용을 보장하는 방법)이다.

 

결국, 5G는 대역폭과 낮은 오류율에 관해서는 유선 시스템과 비교할 수 없다(둘 중 하나만 일치할 수 있음). 그러나 이 암묵적인 문제를 해결할 방법이 있다. 앞서 논의한 대로 DetNet과 TSN은 신뢰성을 향상시키기 위해 네트워크 경로를 다양화하는 방법을 가지고 있다.

 

모빌리티 또는 비정적 실제 네트워크 모델(채널 효과?)에 기반한 간섭과 같은 무작위 영향은 실험 솔루션이 생산 단계로 나아가지 못하게 했다. 그러나 정보 또는 큐 개선을 기반으로 데이터 및 서비스 도착 패턴을 보장하는 이론적 솔루션이 있다.

 

예를 들어, IEEE 연구에 따르면 “Wi-Fi 6는 매우 낮은 부하에서 <1ms 응용 프로그램을 지원할 수 있으며, 지연 요구사항이 10~100ms로 완화됨에 따라 5G NR과의 성능 격차가 줄어든다”는 것이다.

 

1. THz 스펙트럼 사용

릴리스 21[(6G) 및 모든 이전 세대의 텔레콤 통신에서 근본적인 변화 중 하나는 100GHz에서 시작하는 테라 헤르츠 스펙트럼을 사용한다는 것이다. 예를 들어, 5G는 기가헤르츠 스펙트럼의 범위를 사용하며, 이는 71 GHz로 제한됩니다. 이 스펙트럼을 사용하는 주요 차이점은 이론적으로 초당 더 많은 데이터를 전송할 수 있는 능력입니다. 그러나 파장 잡음제약이 범위를 제한하기 때문에 이것은 약간의 단점을 동반하게 된다. 5G는 24~52GHz 범위를 사용하는 FR2에서 이러한 문제를 겪었다. 현재 집중되고 있는 주파수 중 일부는 과거 텔레비전 방송에 사용된 웨이브가이드 D 밴드 110~170GHz 및 IEEE에서 정의한 252~322GHz다. FCC는 또한 6G에 사용할 수 있도록 7~16GHz 범위의 비 THz 범위를 할당했다.

 

이 신호를 수신할 수 있는 안테나는 아직 초기 단계에 있으며, 연구에 따르면 표준 방법을 사용하여 이러한 신호를 전송하는 데 상당한 어려움이 있는 것으로 나타났다. 그러나 새로운 내장형 설계에 초점을 맞추면 수신 및 송신 측 모두에서 사용 가능한 방법을 제공할 수 있을 것이다.

 

2. xURLLC

ACIA와 같은 조직 및 대학은 URLLC의 최소 지연 시간이 1ms임을 언급했으며, 이는 많은 공장 애플리케이션에서 최적이 아니다. 또한 높은 스펙트럼 효율, 처리량, 에너지 효율, 네트워크 가용성, 지터 및 왕복 지연과 같은 산업 자동화의 많은 KPI는 대규모 사용을 금지하는 병목 현상으로 남아 있다. 차세대 URLLC 또는 xURLLC는 이러한 KPI를 해결하여 서브 밀리세컨드 SCADA 시스템, 클라우드 컨트롤러와 같은 차세대 애플리케이션을 제공하는 것을 목표로 하고 있다. xURLLC는 현재 3GPP, COMSec 및 여러 다른 조직에서 연구 단계에 있다.