현 산업 현장에서 5G 셀룰러 연결은 산업 자동화 분야에 새로운 가능성을 제시하고 있다. 이 글은 산업 통신망에서 기대할 수 있는 개선 사항과, 장기적으로 6G와 같은 차세대 통신망이 어떤 기대를 충족할 수 있는지를 살펴보고자 한다. 또한 이러한 기술을 도입할 때 고려해야 할 단기적·장기적 요인을 이해하고, 기술의 활용 방식과 도입 목적에 따라 달라지는 몇 가지 주요 시사점을 정리하고자 한다. 아울러 현재 이러한 변화에 저항하는 분야는 어디인지, 반대로 이미 그 혜택을 누리고 있는 주체는 누구인지 파악하기 위해 5G 솔루션의 현황도 함께 살펴볼 것이다.

 

 

산업용 5G 기술 보급을 위해 3GPP를 지원하는 협력 조직인 5G-ACIA가 제시해 온 산업용 5G의 방향은, ACIA 설립 이후 오랜 기간 논의와 준비를 거쳐 왔다. 그렇다면 차세대 5G의 확산과 산업 통신망에서의 6G 기술은 앞으로 어떤 영향을 가져올 것으로 기대할 수 있을까?

 

릴리즈 16

 

릴리즈 16에는 산업 공간의 주요 원칙에 상당한 변화가 있었으며, 특히 URLLC 사양의 유연성을 강화하거나 늘려 더 많은 사용 사례에 적용할 수 있도록 했다. 릴리즈 15에서 기반이 되는 핵심 요소들이 추가되어 URLLC의 신뢰성(99.9999% 또는 69)과 지연 시간(1-2 ms) 요구 사항을 릴리즈 16 내에서 달성할 수 있도록 했다. 많은 기본 요소들이 포함되어 있다. 여러 SCS와 대역폭 유연성을 사용하여 동적으로 배치된 Grant를 생성하여 트래픽별 스케줄링을 가능하게 했으며, 이는 셀 기반의 단위(UE별) 스케줄링 대신 트래픽별 스케줄링을 허용한다. 또한, 트래픽별 스케줄은 다운링크와 업링크 관점에서 상태 업데이트와 파라미터 업데이트와 같은 트래픽 종류도 구분한다.

 

이 솔루션 내에는 시간 민감 데이터와 비시간 민감 데이터가 동일 자원을 공유하는 문제도 포함되어 있다. 이 문제는 릴리즈 16에서 우선순위 체계를 만들어 해결하였으며, 이는 자원의 정규화된 사용과 전송 가능한 데이터에 기반하여 우선순위를 정하는 방식이다. 릴리즈 15에서 부족했던 적절한 압축 솔루션에 관한 신뢰성 문제는, IP 또는 전송 계층을 압축하지 않는 새로운 압축 알고리즘으로 해결되어 산업 네트워크가 이더넷 프레임을 적절히 활용할 수 있게 했다. 복원력 강화를 위해 패킷 중복 전송은 여러 gnB(안테나)가 한 노드에 동시에 전송할 수 있게 한다.

 

스케줄링 향상

 

4G LTE 솔루션과 달리, 5G는 업링크와 다운링크 스케줄링 방법에서 훨씬 높은 유연성과 확장성을 제공하여 왕복 시간(RTT)을 줄일 수 있다. 한 채널로 시스템에 직접 연결하는 대신, 시스템 내 여러 지점에 각각 고유한 스케줄을 갖춘 연결을 할 수 있어 전체 네트워크를 최적화한다.

 

PDCCH(다운링크 전송) 모니터링 대역폭을 늘리기 위해, 릴리즈 15에서는 다운링크 전송 채널을 슬롯 단위로만 모니터링할 수 있었다. 이는 OFDM을 사용하는 서브 슬롯의 활용으로 인해 정확한 감지에 제약이 있었으며, 모니터링 오류가 발생해 지연과 신뢰성 문제가 증가할 수 있었다. 릴리즈 16에서는 다운링크 전송을 다른 방식으로 모니터링하며, 슬롯 심볼별로 감시하고, 전송 주파수 수를 제한하였기 때문에 데이터 전송이 지속적으로 이루어진다.

 

지속되는 도전 과제

 

지금까지 5G의 현재 상태를 살펴보았으며, 산업 네트워크를 5G 위에서 운영하는 데 따른 도전과 중요한 개선 일정에 대해 분석했다. 우려되는 점 중 하나는 5G와 같은 IP 라우팅 가능한 네트워크가 제대로 작동하도록 하는 문제다. Layer 2 기반으로 된 DLR과 같은 여러 프로토콜들은 IP 프레임이 없기 때문에 5G 네트워크에서 라우팅할 수 없다. 또한, UDP/IP를 사용하는 디스커버리 프로토콜을 이용하는 비-LDTP 디바이스들도 있으며, 이들은 IP 브로드캐스팅을 사용하기 때문에 라우팅 불가능하다. IP 멀티캐스트 프레임은 IP 네트워크에서 라우팅 가능하지만, 특수 구성이 포함된 라우터가 필요하다.

 

이러한 기능들은 모든 애플리케이션에 필요하지 않으며, 따라서 제어기 또는 디바이스에서 무시하거나 끌 수 있다. 그러나 대부분의 디바이스의 기본 설정이 DLR과 디스커버리로 되어 있어, 문제가 발생할 수 있다.

 

두 기능 모두를 수행하게 하는 한 가지 방법은 이더넷 패킷 데이터 유닛(PDU)을 사용하는 것이다. PDU는 비교적 오래된 기술이지만, 이더넷 계층(Layer 2)에서 사용하는 방식은 이 기술의 새로운 해석이며, 아직 시장에서는 일반적이지 않다. 또한, 방송 프로토콜의 광범위한 사용은 셀룰러 연결을 포화시킬 수 있다. 더 나아가, LAN 스위치들은 IGMP 스누핑을 통해 과도한 패킷 혼잡을 방지하며, 가입된 IP 구독자에게만 멀티캐스트 프레임을 제한한다. IGMP는 IETF(인터넷 공학 태스크 포스)가 승인한 프로토콜이다.

 

IEEE(전기전자공학회)는 IGMP를 기능 세트로 제공하지 않는다. IEEE는 현재 셀룰러 네트워크 기술을 표준화하는 조직인 3GPP(3rd Generation Partnership Project)를 표준화 기관으로 인정받아 파트너로 활동하고 있다. 따라서 IGMP는 통신 산업이 채택한 프로토콜로 간주되지 않을 수 있으며, 따라서 셀룰러 네트워크에서 지원하지 않을 수 있다.

 

고려할 수 있는 한 가지 해결책은 EtherNet/IP를 구현하는 5G 네트워크 기기에서 터널링을 사용하는 것이다.

 

이는 모든 Layer 2 프로토콜과 방송 메시지의 사용을 허용할 것이다. 이는 Virtual Extensible Local Area Network 구현 또는 Generic Routing Encapsulation(GRE)을 통해 수행할 수 있다. 그리고 확장성과 지금까지 사용할 수 없었던 중요한 세분화 구현을 제공한다. 이 구현에는 몇 가지 어려움이 있다. VXLAN에는 64비트 헤더가 필요하므로 오버레이와 처리량이 더 늘어나지만, 고급 QoS 구현은 이것이 결정론성을 저하시킬 정도를 낮출 수 있다. VXLAN의 5G 네트워크상 동작은 연구된 바 있다. 또한 VXLAN은 IETF 표준 프로토콜로, IEEE는 VXLAN 기술 표준화를 조사하지 않았다.

 

일반적으로 3GPP는 IEEE를 인터넷 기술을 표준화하는 사실상의 조직으로 간주하고 있다. 1588의 활성화와 TSN의 활성화는 공장 현장에서 5G 활용도를 높이는 중요한 기능이다.

 

 

릴리즈 17 - RedCap 개선사항

 

RedCap, 또는 용량 축소는 URLLC 요구사항의 결정성을 필요로 하지 않는 솔루션을 위해 만들어졌다. 일반적으로 비용 증가 없이 데이터 처리량이 증가하는 것이며, 이는 5G 웨어러블 디바이스와 진동, 압력, 온도 모니터링용 산업용 센서에 대한 가능성을 연다. 이러한 센서는 낮은 지연 시간은 필요하지 않지만 높은 신뢰성을 요구하며, RedCap은 이를 효율적으로 전달할 수 있다.

 

RedCap 사양은 이종 5G 솔루션이 가능하도록 설계됐다. RedCap의 주요 이점 중 하나는 배터리 전원을 허용하는 더 전력 효율적인 5G 설계이다. 빠른 업로드 및 다운로드 속도는 전력에 큰 부담을 준다. 따라서 프로세서의 부하를 줄이거나 전혀 다른 낮은 성능의 프로세서로 교체하는 창의적인 접근이 필요할 수 있다.

 

또한, RedCap은 비결정론적 애플리케이션에 대해 더 높은 지연을 허용하여, 전통적인 5G 솔루션보다 더 유연하고 다용도로 사용할 수 있게 한다. 물론, 지연 시간 단축 허용은 여러 사양 변경의 부수적인 효과다. 대역폭을 절반으로 줄이거나, 반 이중화 허용, 직교 진폭 변조 채널 수 제한, 송수신 채널 수 제한 등은 이러한 완화된 지연의 원인이다.

 

RedCap의 또 다른 중요한 장점은 비용 효율성이다. eMBB 요구사항은 영상 업로드와 다운로드 시간에 높은 비용을 부과하며, 이는 게이팅, 시계 속도 증가 및 기타 프로세서 향상 필요성을 초래한다. 웨어러블 디바이스는 매우 저렴하며, 칩 비용만 해도 현재 시장 가격의 5~6배 저렴할 것으로 예상되어, 소비자가 더 저렴하게 구매할 수 있도록 만들어졌다. 이것은 웨어러블 디바이스와 센서를 개발하려는 기업에게 매력적인 선택지다.

 

mmWave 향상

 

Release 17은 mmWave 스펙트럼인 24GHz에서 300GHz 범위, FR2-2라고 불리는 52.6~71GHz 범위를 사용하도록 향상시켰다. mmWave 스펙트럼은 스펙트럼의 상단 부분에 있어 더 가까운 거리에서만 사용할 수 있도록 제한된다. 빔포밍 기술을 사용하여, 범위 용량이 표준 3.5 GHz 범위에 비해 크게 증가한다. 빔포밍은 커버리지, 네트워크 효율성 향상, 간섭 감소를 위해 여러 방법으로 활용될 수 있어 5G 네트워크를 더욱 신뢰성 있게 만든다.

 

FR2-2 업데이트는 약 18GHz의 새로운 대역폭을 추가하여 상당한 증가를 이뤄냈다. 그리고 이 대역폭은 사용 가능한 고주파 범위 내에 있기 때문에, 경기장, 항구, 기차 창고, 대형 공장 바닥과 같은 장소에 이상적이다. FR2-2 5G NR 사양은 초저지연과 초고속 전송이 요구되는 사용 사례를 위해 향상된 기능을 제공한다. 여기에는 주파수 분할 이중화(FDD)와 시간 분할 이중화(TDD) 작동, Massive MIMO(다중 입출력 안테나 배열) 지원, 빔포밍, 빔 트래킹이 포함된다. 또한 Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA)와 Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA)와 같은 다중 접속 기술도 지원된다.

 

더 높은 mmWave 스펙트럼 기술의 가장 흥미로운 사용 사례 중 하나는 자율 유도 차량(AGV)이다. AGV는 차량 자체에서 많은 제어가 이루어지기 때문에 설계, 시운전, 유지보수에 많은 노력이 필요하다. 낮은 지연 데이터 경로를 생성함으로써, 많은 제어를 외부에서 수행할 수 있어 AGV를 더욱 민첩하고 비용 효율적으로 만든다. AGV는 일반적으로 mmWave 안테나 범위 내에서 이동하며, 긴 거리에서도 전환이 조율될 수 있어 전환이 가능하다.

 

릴리스 18

 

우리는 Release 18을 연구 릴리즈로 간주할 수 있으며, 이는 많은 공장 자동화 요구사항, 검증, 테스트 또는 사례 연구가 적용되기보다는 고려되고 연구된다는 의미이다. 고려 중인 중요한 연구들이 있다. 공장 자동화에 사용하기 위한 위치 지정의 증가는 “수직 도메인의 사이버 물리 제어 애플리케이션(Service requirements for cyber-physical control applications in vertical domains)”이라는 제목의 기술 사양 그룹 서비스 및 시스템 측면에서 실질적으로 고려되고 있다. 이 요구사항 문서는 공장 자동화 및 공정 산업에 대한 세부 사양 조정을 위한 중요한 자료이다.

 

Ambient IoT

 

차세대 저전력/무전력 센서 및 솔루션은 에너지 하베스팅(Energy harvesting)로 알려진 다양한 소스에서 전력을 사용할 것이다. 애플리케이션에 대한 다양한 고려사항들이 검토되고 있다. 인트라로지스틱스와 자동차 재고 추적뿐만 아니라 센싱, 위치 지정, IO 모두 이 기술에 포함될 수 있다. 저비용, 저전력 또는 무전력 솔루션은 대형 센서 배열을 가능하게 할 것이다. 시스템을 활성화하는

 

일반적으로 RFID를 사용하던 시스템을 활성화하면 데이터 전송이 크게 증가할 수 있다. 따라서 세 가지 범주의 디바이스가 고려된다.

 

· 디바이스 A는 입력에 반응하기 위해 백스캐터링 전송을 사용하는 무전력 수동 디바이스이다.

· 디바이스 B는 일부 에너지 저장 장치를 가진 세미-수동 디바이스이다.

· 디바이스 C는 독립적인 출력 신호를 갖춘 능동 디바이스이다.

 

5G 네트워크 내에서 이론적 Ambient IoT 애플리케이션을 적용할 때 다음의 네 가지 토폴로지가 고려된다.

 

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

· 토폴로지 2: Ambient IoT 장치(장치 A)의 중간(메쉬) 노드로의 백 스캐터 네트워크

· 토폴로지 3: 백스캐터 네트워크로 전송하는 Ambient IoT 장치(장치 B)에 대한 노드 지원.

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

 

Wi-Fi, 블루투스 등 여러 기술의 고려로 인해 긴급성이 요구된다. 일부 예상 적용 분야는 RFID 시장과 유사하며, RFID는 2022년 200억 단위이고 2031년까지 490억 단위로 늘어날 것으로 예상된다. 릴리스 19에 대한 토폴로지와 장비 제한 고려는 표준화 속도를 높일 수 있다. 이는 5G 사양에서 조기 도입된 emBB 릴리스와 URLLC가 훨씬 나중에 도입된 것과 유사하게 진행되었다. 결과를 얻기 위해 TR 22.840의 사례 연구와 기본 사용 사례를 개요하며, 재고 상태와 통신 범위, 위치 정확도 등과 같은 기본 속성에 집중하고 있다.

 

이 방식을 고려하는 기술 중 하나는 크로스-밴드 작동이다. 크로스-밴드 작동은 칩 상의 가장 큰 전력 소비자인 크리스털 오실레이터를 제거하고 대신 클록 참조 신호를 전송한다. 산업 통신에서 이 센서들은 이론적으로 네트워크 나머지와 동기화되어 있다. 이러한 동기화가 가능한 보레이트를 이해하기 위해 더 많은 연구가 필요하며, 현재 어떤 대역폭을 사용할지 논의 중이다. 일부는 주파수 분할 이중화 또는 700-2000 MHz 범위, FDD 스펙트럼에 초점을 맞추고 있다. 저전력 특성 때문에 저주파 대역이 고려된다.

 

릴리스 21 (6G)

 

6G의 약속은 현재 3GPP에 의해 공식화되고 있으며, 2024년부터 릴리스 21 하에 연구가 시작되고, 2028년부터 사양이 시작되며 2029년 중반에 롤아웃이 기대된다. Sub THz를 사용할 수 있는 트랜시버 데모는 전 세계 여러 연구소에서 개발 중이며, 6G 출범을 예상하고 있다.

 

릴리스 19 또는 20에서 고려되지 않은 잠재적 문제는 5G와 6G가 결정론적 시스템을 신뢰성 있게 적용하는 능력이다.

 

논쟁은 TSN(IEC 802) 및 IETF(Internet Engineering Task Force) 결정론적 네트워킹 프로토콜을 다룸으로써 5G가 할 수 있는 것을 전제한다.

 

근본적인 약점은 유선 구조에 비해 신뢰성이다. 무선 접속 네트워크(RAN)의 복잡성은 정량화할 수 없다. 신뢰성을 고려하기 위해 프레임 복제 및 제거와 관련된 상당한 작업이 완료되어야 하며, 이는 802.1CB 사양에 해당한다. 또한 DetNet PREOF(패킷 복제, 제거 및 정렬 기능)도 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

 

또 다른 문제는 5G 네트워크에서 새로운 사용자가 네트워크의 결정론성에 영향을 미치지 않도록 하는 접속 통제(접속을 어떻게 보장할 것인가)와 자원 관리(전송 능력의 효율적 사용을 어떻게 보장할 것인가)이다.

 

결국, 5G는 대역폭과 낮은 오류율 면에서 유선 시스템과 일치하지 않으며(한 가지는 일치할 수 있지만 다른 하나는 그렇지 않음), 실험실 사례와 관계없이 이러한 암묵적 문제를 해결할 방법들이 있다.

 

앞서 논의된 바와 같이, DetNet와 TSN은 신뢰성을 높이기 위해 네트워크 경로를 다양화하는 방법을 가지고 있다.

 

이동성에 기반한 간섭이나 비정적 실생활 네트워크 모델(채널 효과?)과 같은 무작위 영향은 생산 현장에서 실험적 해결책을 유지시켰다. 그러나 정보 또는 큐 향상에 기반한 이론적 해결책들이 데이터와 서비스 도착 패턴에 대한 보증을 만들어내는 것으로 보인다.

 

예를 들어, IEEE의 연구에 따르면 “Wi-Fi6는 매우 낮은 부하에서 <1ms 응용 프로그램을 지원할 수 있으며, 지연 요구사항이 10-100ms로 완화됨에 따라 5G NR과의 성능 차이는 줄어든다.”

 

THz 스펙트럼 활용

 

21세대(6G) 및 이전 모든 통신 세대의 근본적인 변화 중 하나는 100GHz에서 시작하는 테라헤르츠 스펙트럼의 사용이다. 예를 들어, 5G는 71GHz로 제한된 기가헤르츠 범위의 스펙트럼을 사용한다. 이 스펙트럼을 사용하는 주요 차이점은 초당 더 많은 데이터를 전송할 수 있는 이론적인 능력이다. 그러나 이는 파장 잡음 제약으로 인해 범위가 제한되는 단점도 따른다. 5G는 FR2에서 이를 목격했으며, 이 범위는 24~52GHz이다. 현재 집중하는 일부 주파수는 텔레비전 방송과 IEEE에서 정의한 252~322 GHz의 과거 사용으로 인해 파동관 D 밴드 110~170 GHz이다. Verizon 또는 FCC는 6G와 함께 사용할 비테라헤르츠 범위인 7~16GHz 스펙트럼도 할당했다.

 

이러한 신호를 수신할 수 있는 안테나는 아직 초기 단계이며, 표준 방법을 사용한 이 신호의 전송에는 상당한 어려움이 있음이 연구를 통해 드러났지만, 새로운 내장 설계에 집중한다면 수신과 송신 양쪽 모두에서 사용할 수 있는 유용한 방법을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

 

xURLLC

 

ACIA와 대학과 같은 기관들은 URLLC의 최소 지연 시간이 1ms임을 언급했으며, 이는 많은 공장 응용 분야에서는 비효율적이다. 또한 고스펙트럼 효율성, 처리량, 에너지 효율성, 네트워크 가용성, 지터, 왕복 지연 등의 많은 KPI는 대규모 산업 자동화 사용을 저해하는 병목 현상이다. 차세대 URLLC 또는 xURLLC는 이러한 KPI를 해결하여 차세대 응용 프로그램인 서브 밀리초 SCADA 시스템, 클라우드 컨트롤러를 제공하는 것을 목표로 하며, 현재 3GPP, COMSec 및 여러 다른 기관에서 연구 단계에 있다.