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스마트 팩토리 진화에 부응하는 ‘Wi-Fi 6’

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스마트 팩토리는 무선통신 기술이 작동하기에 열악한 환경이다. 이 글에서는 Wi-Fi가 산업용 분야의 변화하는 요구를 충족하기 위해서 어떻게 진화하고 있는지 알아보고자 한다.

 

Wi-Fi가 공장에 처음 도입됐을 때는 디바이스들을 서로 연결해주는 단순한 기능을 담당했다. 하지만 지금은 상황이 완전히 달라졌다. 십년 전 스마트 팩토리를 한산한 시장에 비유한다면 오늘날 스마트 팩토리는 손님들로 북적북적한 시장인 셈이다. 장소는 그대로인데 상황은 급격히 바뀌었다. 시장이 붐비듯 전파는 혼잡해졌으며 신호를 전송해야 하는 거리는 훨씬 더 길어졌다.

 

이처럼 변화하는 요구사항을 충족하기 위해, 무선 기술은 끊임없이 진화하고 있으며 Wi-Fi도 예외가 아니다. 이 글에서는 공장 디지털화가 어떻게 가속화되고 있으며 새로운 활용 사례들을 지원하기 위해서 Wi-Fi에 어떻게 부담이 가중되고 있는지 설명하고자 한다. 그리고 공장 디지털화와 새로운 활용 사례들이 전 세계 IP 트래픽의 45%와 무선 트래픽의 60~80%를 차지하는 무선 기술인 Wi-Fi에 어떠한 요구사항들을 가중하고 있는지에 대해서도 알아볼 것이다.

 

Wi-Fi는 20년 전만 해도 최대 속도가 54Mbps에 불과했지만, 그 후 눈부신 발전을 이어왔다. 2009년에 발표된 Wi-Fi 4(IEEE 802.11n)는 처리율(throughput)이 크게 향상되었으며, IEEE 802.11a로 5GHz 대역이 도입되면서 양쪽 대역 모두에서 더 높은 데이터 전송 속도가 가능해졌다. 기존 버전의 디바이스들과 호환이 가능한 Wi-Fi 4 액세스 포인트가 Wi-Fi 기술의 보급 확대에 일조했다.

 

2013년에는 Wi-Fi 5(IEEE 802.11ac)가 발표되면서 성능이 더욱 향상되었으며, 5GHz 대역에서는 최대 속도가 6.8Gbps까지 가능해졌다. 최근에는 Wi-Fi 6의 등장과 함께 모든 방면에서 성능이 한층 더 높아졌다. 특히 더 많은 수의 클라이언트로부터 더 많은 양의 트래픽을 보다 효율적으로 처리할 수 있게 됐는데, 이 점에서 Wi-Fi 6를 HEW(High-Efficiency Wireless)라고 부르기도 한다.

 

이 글에서는 Wi-Fi 6가 어떻게 10Gbps에 근접하는 높은 처리율로 오늘날의 기술적인 요구를 충족시키며, 긴 전송거리, 짧은 지연시간, 낮은 전력소비, 다른 무선 기술과의 공존성, 신속한 핸드오버와 함께 안정적인 동작을 달성하는지 설명한다.

 

Wi-Fi에 대한 산업 분야의 요구

 

Wi-Fi 표준은 새 버전이 발표될 때마다 성능이 한 단계씩 향상되었으며 그에 따라 더 정교하고 엄격한 활용 사례에 대한 지원이 가능해지고 있다. 이와 동시에 산업 분야 활용에서 공통적으로 요구되는 사항을 포함하는 새로운 무선통신 요구를 충족시켜줄 수 있는 Wi-Fi 표준 향상에 대한 기대는 계속 이어지고 있다.

 

공장 환경에서는 높은 가용성이 무엇보다 중요하다. 공장에서 가동 중단은 곧바로 매출 손해로 이어지기 때문이다. 이 목표를 달성하기 위해서는 높은 처리율뿐만 아니라, 혼잡한 RF 환경에서 다른 디바이스들로부터의 간섭에 대한 안정성을 필요로 한다. 확장성 역시 중요하다. Wi-Fi는 계속해서 늘어나는 디바이스들에 대한 네트워크 연결성을 제공하므로, 액세스 포인트를 추가하지 않고도 추가적인 클라이언트를 네트워크에 연결할 수 있는 능력을 보장하는 것이 중요하기 때문이다.

 

또한, 산업 자동화 시스템에서 복잡한 생산라인의 공정들을 매끄럽게 제어하기 위해서는 빠른 응답 시간이 필수이다. 로봇에서부터 스마트 전동 공구에 이르기까지 이동형 기기들이 점점 더 늘어남에 따라, 디바이스가 새로운 액세스 포인트의 범위 안으로 들어갔을 때 시간이 걸리는 재연결 시도를 피하기 위해서 원활한 로밍 또한 중요해지고 있다. 그리고 운영을 간소화하고 비용을 낮추기 위해서 보안접속 및 유지보수를 간소화하는 것도 중요하다.

 

Wi-Fi 6의 이점

 

Wi-Fi 4가 ‘높은 처리율’을 제공하고 Wi-Fi 5가 ‘매우 높은 처리율”을 제공했다고 한다면, 2018년에 발표된 Wi-Fi 6는 “높은 효율’에 초점을 맞췄다고 할 수 있다. 이전 버전들이 전송률을 몇 배 씩 높인 것과 비교할 때, Wi-Fi 6가 6.8Gbps에서 9.6Gbps로 높아진 것은 그다지 인상적이지 않을 수도 있다. 하지만 Wi-Fi 6가 확실히 돋보이는 점은 가용 대역폭을 좀 더 효율적으로 활용함으로써 네트워크 성능을 저해하지 않으면서 액세스 포인트 1개당 더 많은 클라이언트를 수용할 수 있다는 점이다.

 

 

보다 많은 클라이언트를 더 효율적으로 처리할 수 있게 된 것은 다음과 같은 기술 혁신 덕분이다,

 

· MU-OFDMA(multi-user orthogonal frequency division multiple access)는 가용 대역폭을 다양한 크기로 분할하는 기법으로서, 액세스 포인트가 필요한 만큼의 자원만을 사용해서 여러 클라이언트를 동시에 유연하게 지원할 수 있게 해준다. MU-OFDMA 기법을 활용하면 정해진 수의 AP들이 처리할 수 있는 클라이언트 수를 4배로 늘릴 수 있다.

 

· MU-MIMO(multi-user multiple input multiple output)는 액세스 포인트가 업링크와 다운링크 양쪽 모두에서 데이터 스트림을 여러 클라이언트에게 동시에 전송할 수 있게 해준다.

 

· 1024 QAM(quadrature amplitude modulation)은 각각의 심볼에 더 많은 정보를 인코딩할 수 있게 해준다. Wi-Fi 6는 심볼 1개에 10비트를 집어넣을 수 있으므로, 256 QAM을 사용하는 Wi-Fi 5에 비해 25% 더 높은 용량을 달성한다.

 

· BSS 컬러링(coloring)은 서로 다른 ‘컬러’를 가진 채널들 간에 간섭이 일어나지 않도록 한다.

 

· TWT(Target Wake Time) 기능은 배터리를 절약하고 전원 자율성을 높인다.

 

클라이언트 밀도를 높이는 기술은 처리율도 높여준다. 여러 디바이스들을 지원하기 위해 대역폭을 여러 개로 분할하는 것이 아니라, MIMO는 오히려 대역폭을 묶어서 여러 스트림이 오직 한 개의 클라이언트를 향하도록 할 수 있다.

 

MU-OFDMA는 데이터를 여러 클라이언트에게 동시에 보내고 받을 수 있으므로 밀집된 네트워크에서 흔히 발생하는 ‘혼잡’을 줄여 최소한의 지연시간으로 데이터를 전달한다.

 

새로운 TWT(target wake time) 기능 덕분에 액세스 포인트가 디바이스를 저전력 모드로 전환했다가 예약된 시간에 기동하도록 할 수 있다. 따라서 대기 시간을 길게 해서 배터리 수명을 크게 연장할 수 있는데, 이러한 특성은 특히 가끔씩만 데이터를 전송하는 무선 센서에 특히 유용하다.

 

Wi-Fi 6E에서 6GHz 스펙트럼 활용 시도

 

한정된 자원인 주파수 대역의 한계를 극복하기 위해 미국의 FCC 같은 규제 당국들이 6GHz 대역을 비인가 Wi-Fi 통신용으로 개방함에 따라, 어떤 경우에는 기존에 2.4GHz와 5GHz 대역에서 가용한 스펙트럼을 합친 것보다 두 배 이상 더 많은 대역을 활용할 수 있게 되었다. 이 새로운 스펙트럼의 1200MHz를 활용할 수 있는 액세스 포인트와 단말기에는 ‘Wi-Fi 6E’라는 라벨이 부착된다.

 

6GHz 대역의 장점은 이미 널리 사용되고 있는 5GHz 대역과 인접해 있을 뿐 아니라 다양한 채널 폭의 중첩되지 않는 채널들을 풍부하게 사용할 수 있다는 점이다. 또한, 새로운 스펙트럼은 대부분이 미개척 상태이므로 기존 클라이언트들이 북적이는 곳에서 경쟁하지 않아도 된다.

 

오늘날의 스마트 팩토리에 활용되는 Wi-Fi 6

 

Wi-Fi는 스마트 팩토리에서 주된 무선 기술로 자리잡고 있으며, 독자적 및 비독자적 셀룰러 통신 기술과 블루투스 기술이 Wi-Fi를 보완하고 있다. 앞서 언급한 많은 새로운 기능들 덕분에 Wi-Fi 6는 스마트 팩토리 분야에서 입지를 더욱 공고히 할 것으로 기대된다.

 

아래 그림은 Wi-Fi 6의 향상된 기능을 유용하게 활용할 만한 사례에 대한 예시이다.

 

 

· 산업용 센서 네트워크 : 무선으로 연결되는 센서는 예를 들면, 진동과 온도를 모니터링하여 예방 정비를 하는 등 산업 분야에 광범위하게 채택되고 있다. 오늘날 무선 센서는 블루투스 저에너지(Bluetooth Low Energy)나 IEEE 801.15.4 같은 저전력 소비에 최적화된 통신 프로토콜을 주로 사용한다.

 

Wi-Fi 6는 새로운 TWT 기능을 사용해서 디바이스들을 긴 시간 동안 대기 모드에 있게 함으로써 저전력 소비를 실현한다. Wi-Fi를 지원하는 센서의 전력 사용량을 줄이면 전원 자율성을 높이고 유지보수를 간소화할 수 있다. 동시에 디바이스로의 전파가 차단되므로 스펙트럼 혼잡을 낮출 수 있다.

 

· 모션 제어 : Wi-Fi 6는 OFDMA 적용을 통해 지연시간과 서비스 품질이 향상되어 제어 애플리케이션용으로 적합하다. 디바이스 구성 작업에는 전력 요구량이 낮으면서 흔히 사용되는 블루투스가 여전히 적합할 것이다.

 

· 사람-기계 간 인터페이스(HMI) : 보다 밀집도 높은 기기의 처리를 가능하게 하고 각 기기의 높은 처리율과 낮은 지연시간을 유지하게 해주는 Wi-Fi 6 액세스 포인트는 연결된 기계 장치로부터 지속적으로 데이터를 읽기 위해 사용되는 간단한 태블릿 기반 HMI에서부터 훨씬 더 발전한 최첨단 증강현실 HMI에 이르기까지 다양한 용도의 HMI에 사용하기에 적합하다.

 

· 증강현실(AR) : 고정형 또는 핸드헬드 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 사용하는 HMI가 자연스럽게 발전한 것이 증강현실이다. 태블릿이나 스마트 안경의 사용을 가능하게 하는 증강현실은 실시간 정보, 문서, 또는 설계도를 태블릿의 카메라 피드(Camera Feed)에 중첩시킬 수 있으며, 스마트 안경을 사용할 경우 사용자의 시야 상에 바로 표시할 수도 있다. AR은 엔지니어가 산업용 기계의 내부 동작을 도면상에 시각화하고, 제조 공정을 중단하지 않고도 문제를 파악할 수 있게 해준다.

 

· 메시 네트워크(Mesh Network) : 메시 기술은 전체 설비에 걸쳐서 스마트 조명을 중앙에서 제어하는 것이나, 분산된 센서들로부터 데이터를 수집해서 클라우드로 처리하는 것 등 산업 분야에서 다양한 활용 사례를 갖고 있다. 디바이스에서 디바이스를 거쳐서 게이트웨이로 데이터를 전달하는 데 있어서는 블루투스가 여전히 주된 무선 기술로서 사용되는 반면, 최종적으로 게이트웨이에서 기업형 클라우드로 전송하기 위한 구간에는 Wi-Fi가 더 적합하다. Wi-Fi 6의 저전력 소모 특성이 산업용 환경에서 Wi-Fi 메시 솔루션이 보다 광범위하게 채택될 수 있도록 길을 열어 줄 것인지는 두고 볼 일이다.

 

스마트 팩토리를 위한 Wi-Fi의 다른 특성들

 

Wi-Fi 6가 거의 모든 성능에서 Wi-Fi 4를 앞서기는 하지만, 많은 애플리케이션이 이전 버전으로도 충분히 훌륭하게 동작된다. 이러한 경우에는 Wi-Fi 4의 보다 저렴한 비용과 간소한 개발이 장점으로 작용할 것이다.

 

 

Wi-Fi 6가 자리를 잡아가고 있는 와중에도 2024년 이후에 발표될 것으로 예상되는 Wi-Fi 7로 성능을 한 단계 더 끌어올리려는 노력이 계속되고 있다. IEEE와 Wi-Fi 표준 개발을 주도하고 있는 Wi-Fi 얼라이언스(Wi-Fi Alliance)에 따르면, Wi-Fi 7은 낮은 지연시간, 우수한 안정성, 서비스 품질을 포함하는 비디오 성능에 중점을 둘 것이라고 한다. 또한, Wi-Fi 7은 더 넓은 채널(최대 320MHz)과 더 높은 QAM 변조 차수를 사용해서 3배 더 빠른 처리율(30Gbps)을 달성할 것이라고 한다.

 

Wi-Fi : 변화하는 요구를 충족하기 위한 끊임없는 혁신

 

스마트 팩토리가 계속 확대되어 나갈수록 Wi-Fi, 블루투스, 4G LTE, 5G 같은 무선통신 기술들은 상호 보완적으로 활용될 것이다. Wi-Fi 6는 더 빠른 데이터 전송 속도, 짧은 지연시간, 낮은 전력 소모, 높은 네트워크 용량, 늘어난 전송거리 등의 새로운 특성들을 앞세워 스마트 팩토리에 적용될 수 있는 잠재력을 높이고 있다. Wi-Fi 얼라이언스(Wi-Fi Alliance)는 업계의 요구에 발맞춰 나가고 있으며 이를 통해 Wi-Fi는 산업 분야의 새로운 활용 사례들을 지원하도록 앞으로도 계속해서 진화를 이어갈 것이다.



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