2022년 8월 13일 토요일

T 기술기고문

img

5G 모바일 기술을 활용한 다양한 산업 분야의 혁신 가능성

글: 브렌든 오도우드(Brendan O’Dowd) 산업 자동화 사업부 총괄 매니저 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
 
A picture containing factoryDescription automatically generated
 
5G 이전까지는 모든 세대의 휴대전화 기술이 단말기 성능 향상에 주력했다. 1세대 휴대전화 통신망은 음성 통화에 필요한 만큼의 대역폭만 제공하는 아날로그 시스템이었다. 1990년대 초에 도입된 2G는 최초의 디지털 모바일 기술이었으며, 1990년대 후반에 도입된 3G는 단말기로 이메일 메시지를 전송할 수 있었고 기초적인 웹 페이지 접속도 가능했다.
 
2008년에 4G 기술이 도입되면서 진정한 스마트폰 기능이 가능해졌다. 4G 모바일 광대역 기술이 등장하면서 스마트폰 앱들이 개발되고, 멀티미디어와 스트리밍 서비스가 폭발적으로 증가했으며, 이동 중에 고속 인터넷을 사용할 수 있게 되었다.
 
최근에 설치되기 시작한 5G 통신망은 단말기 사용자뿐 아니라 기계 장비 및 시스템의 요구를 충족하도록 새로운 세대의 모바일 기술을 제공한다. 5G는 다음과 같은 세 가지 측면에서 대대적인 기술 혁신을 이루도록 설계되었다:
▶ 지연 시간, 신뢰성, 확정성
▶ 연결 밀도
▶ 데이터 전송 대역폭과 속도 

이러한 측면들을 향상시킴으로써 밀집된 지역에서 여러 대의 단말기들을 동시에 실시간으로 모니터링 및 제어할 수 있다. 예를 들어 스마트 시티의 경우, 5G를 사용해서 비어 있는 주차 공간에 대한 정보를 주변 자동차들의 내비게이션 시스템에 실시간으로 제공할 수 있다. 이러한 스마트 주차 시스템을 위해서는 주변 수천 개의 센서 및 카메라와 수천 대의 자동차를 동시에 연결해서 주차 공간에 대한 실시간 데이터를 지속적으로 전송해야 한다.
 
5G 표준 규격에 포함된 3가지 기술 향상은 이러한 애플리케이션들이 요구하는 지연시간, 밀도, 대역폭에 대한 요건들을 충족시킨다:
▶ 실시간 제어 시스템을 위한 URLLC(ultra-reliable low latency communication)
▶ 증강 현실 및 가상 현실 같은 대역폭 중심의 활용 사례들을 지원하기 위한 eMBB(enhanced mobile broadband)
▶ 저전력 광역 무선 네트워킹을 위한 eMTC(enhanced/massive machine type communications) 

5G 기술의 이러한 특성들은 공장 제어 시스템의 실시간 확정성 및 99.9999%에 이르는 가용성 요건들을 충족할 수 있게 해준다. 하지만 실제로는 2G, 3G, 4G 네트워크에 접속하는 대부분의 모바일 단말기 사용자들이 아직까지는 특정 지역에서 신호가 약하거나 아예 잡히지 않으며 예기치 않게 접속이 끊어지는 경험을 한다.
 
미래에는 휴대전화 기술이 미션 크리티컬하고 시간에 민감한 산업용 장비들을 연결하는 데 실제로 활용될 수 있을까?

성숙한 4mA-20mA 기술 대체
최신 5G 기술이 떠들썩하게 언급되고 있긴 하지만, 기존에 설치되어 있는 대부분의 공정 장비들은 제어용 기술로 이미 성숙 단계에 있는 유선 4mA-20mA 링크를 사용하고 있다. 4mA-20mA 링크는 그 뿌리가 1950년대까지 거슬러 올라가는 검증되고 신뢰할 수 있는 기술이다. 이 기술은 업무적으로나 안전성 측면에서 중요도가 높은 제어 시스템을 구현하고자 할 때 확실성을 기하고 위험성을 피하기 위해서 적합한 기술이다.
 
하지만 변화의 물결을 언제까지 거스를 수는 없다. 공장 가동을 혁신하기 위해서 제어 시스템 설계 엔지니어들은 4mA-20mA 기술을 대체하기 위한 대안 기술들을 모색하고 있다. 인더스트리 4.0 도입으로 공장의 진화가 가속화하면서 두 가지 트렌드가 새로운 네트워킹 기술의 도입을 부추기고 있다. 하나는 자율 이동형 장비의 사용 증가이고, 다른 하나는 갈수록 더 개인화되고 맞춤화된 상품에 대한 소비자들의 요구를 충족하기 위한 보다 융통성 있는 제조 설비 개발이다.
 
공장이나 물류 창고에서는 무인 운반차(AGV), 코봇, 그 밖에 다른 자율 이동형 장비를 사용해서 효율과 생산성을 효과적으로 높일 수 있다. 단순반복 작업은 자동화 장비에게 맡기고 사람 작업자는 기계가 할 수 없는 좀더 가치 있고 흥미로운 작업으로 전환할 수 있다.
 
AGV 같은 최신 세대의 자율 이동형 장비를 위해서는 무선 통신으로 실시간 제어를 위해서 지연시간이 짧아야 하고, 라이다(LiDAR) 스캐너와 비디오 카메라 같은 다중 센서들로부터 신호를 전송하기 위해서 대역폭이 높아야 하며, 간섭에 대한 내성이 우수해야 한다. 바로 이러한 특성들을 모두 갖춘 것이 5G 모바일 네트워크이다.
 
공장에서 유선을 무선 연결로 대체하면 공장 장비를 소비자들의 변화하는 다양한 요구를 충족하도록 재빨리 재구성할 수 있는 유연성을 높일 수 있다. 전자상거래가 활발해지면서 소비자는 주문한 상품이 즉시 배송되기를, 그리고 보다 다양한 상품을 선택할 수 있기를 그 어느 때보다 더 원하고 있다. 그에 따라 생산 장비나 공정 장비를 좀더 쉽고 빠르게 변경할 수 있게 하는 것이 점점 중요해지고 있다. 고정적인 유선 통신 인프라는 어느 위치에서든 접속 가능한 무선 네트워크보다 유연성이 떨어진다. 또한, 무선 네트워크는 통신 케이블을 설치할 때 비용을 절감하고 기술적 어려움과 불편함을 덜 수 있다.
 
장기적으로 공장에서는 기존의 유선 통신 기술과 함께 무선 제어가 유용하게 활용될 것이다. 하지만 당장에 산업 분야는 다음과 같은 당면 과제들을 해결해야 한다:
▶ 높은 신뢰성과 가용성
▶ 보안
▶ 열악한 산업용 환경을 견딜 수 있는 견고성
▶ 극히 짧은 지연시간 

이러한 당면과제들은 4mA-20mA 기술의 수명을 연장할 것이다. 공장 관리자들이 4mA-20mA 기술을 대체하려고 하는 한편으로, 당장은 무선보다는 유선 산업용 이더넷 통신을 위한 시간 민감형 네트워킹(TSN)에 좀더 집중하고 있는 실정이다.
 
TSN은 공장에서 고대역폭 유선 데이터 통신을 위한 표준으로서 인기가 높아지고 있다. TSN은 신뢰성, 견고성, 마이크로초 대의 낮은 지연시간, 엔터프라이즈 IT 네트워크 시스템과의 손쉬운 통합이 특징이다.
 
또한 TSN은 업계 전반의 지원이 뒷받침되는 표준으로써, 다수의 TSN 부품 및 시스템 기업들로 이루어진 방대한 에코시스템을 형성하고 있다. 여기에는 아나로그디바이스(Analog Devices)도 포함된다.

OpenRan: 5G 성능의 시험대가  비공용 네트워크
TSN 네트워크 구축과 더불어, 무선 네트워킹을 통해 공장 가동을 향상시키는 것 또한 활발하게 연구되고 있다. 산업 분야의 몇몇 선도 기업들이 이미 자사 공장에서 5G 네트워킹 시스템을 시험, 검증, 평가하기 위한 작업에 돌입했으며, 동시에 기존 4mA-20mA 시스템을 새로운 TSN 이더넷 네트워크로 교체하는 작업을 추진하고 있다. 이러한 검증 작업을 통해서 5G 기술에 적합한 애플리케이션들을 찾아낼 것이다.
 
공장 관리자들은 매시브 MIMO 같은 5G 표준의 혁신 기능들을 시험하고 있다. 매시브 MIMO는 안테나 어레이를 사용해서 송신기와 수신기 사이에 여러 개의 전송 경로를 제공하는 것이다. 안테나 어레이를 다중 안테나 빔을 형성하도록 구성하고 여러 수신기로 전송할 수 있다. 매시브 MIMO는 채널 하드닝, 빔 형성, 신속한 채널 추정, 안테나 (공간적) 다이버시티 같은 기법들을 가능하게 한다. 이러한 기법들을 사용해서 4G 모바일 네트워킹보다 신뢰성을 크게 향상시키고 지연시간을 단축할 수 있다.
 
실제로 5G 표준을 개발할 때 목표 중 하나는 무선 네트워크로 패킷 전송 시에 99.9999%의 신뢰성을 달성하는 것이었다. 이것은 유선 이더넷 네트워크에 필적하는 수준으로서, 1:1,000,000의 패킷 오류율에 해당한다. 지연시간 역시 1ms에 불과해, 많은 산업 제어 애플리케이션에서 요구하는 한계보다도 훨씬 짧다.
 
문제는, 실제 공장 환경에서도 이러한 성능을 달성할 수 있느냐 하는 것이다. 공장에서는 통신 장비들이 높은 무선 주파수 간섭, 과도 전압 이벤트, 고온, 그 밖에 다른 여러 요인들에 노출되기 때문이다.
 
실제 환경에서의 5G 성능을 확인할 때, 공장 시스템 설계자는 여러 방법 중에서 선택할 수 있다. 당연히 모바일 네트워크 서비스 사업자들이 제공하는 5G 커버리지를 사용할 수도 있다. 또한 5G 표준은 예컨대 공장 부지나 산업 단지 같은 곳을 포괄하는 사설 시스템 또는 비공용 네트워크(NPN)를 구현하는 데 활용될 수도 있다. 산업용 사용자나 활용 사례에 따라서 공용 또는 사설 네트워크를 다양하게 선택할 수 있다.
 
이와 함께 공장의 5G 네트워크 구축이 OpenRAN(Open Radio Access Network) 규격의 모바일 네트워크 사업자에 의해 이루어질 수도 있다. OpenRAN은 기존에 텔레콤 장비 시장에서 활동하던 사업자들 외에, 보다 폭 넓은 기업들이 5G 무선 및 코어 장비 시장에 참여할 수 있는 길을 열었다. 이는 공용 네트워크 사업자들의 다양한 활용 사례에 따라서 적합한 장비를 선택할 수 있는 선택폭을 넓힐 뿐만 아니라, 산업용 시장을 겨냥한 업체들의 5G 제품 개발을 촉진할 것이다.
 
TSN 장비와 5G 인프라 양쪽 모두에 물리층 부품과 프로토콜 소프트웨어를 제공하는 기업으로서, 아나로그디바이스는 산업용 제어 시스템 구현을 위한 이 두 기술의 전망을 잘 파악하고 있다. 당장은 유선 산업용 이더넷 기술이 우세하겠지만, 미래에는 공장에서 AVG와 로봇들이 5G 네트워크를 통해서 시간적으로, 업무적으로 중요한 데이터 페이로드를 송신 및 수신할 것이다. 이것을 단지 이론적 가능성에 그치지 않고 현실로 실현할 수 있도록 하는 것이 5G 네트워크 커버리지의 우수한 가용성이다.

저자 소개
브렌든 오도우드(Brendan O’Dowd)는 텔렙스(Tellabs), 애플, 아나로그디바이스 등에서 근무하며 30년 이상 경험을 쌓았다. 현재 ADI 산업 자동화 사업부의 총괄 매니저로 재직 중이다. 문의: brendan.odowd@analog.com