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산업용 애플리케이션으로 5G의 이점

2018년 말, 5G 서비스가 시작됐다. 이후, 이 첨단 기술은 전 세계로 확산되고 있다. 대다수 사업자들은 일정한 수준의 5G 서비스를 제공하고 있다.
산업 제조 분야는 일찍부터 5G 기술의 가장 큰 수혜자가 될 것으로 전망돼 왔다. 5G의 중요한 특성 때문인데, 그 중 하나가 지연시간이 낮다는 점이다. 실시간 자동화 및 제어 애플리케이션이 요구되는 네트워크 응답성을 제공할 수 있다.
본고에서는 산업자동화 관점에서 5G를 바라보고, 새롭게 부상하는 애플리케이션 등을 살펴본다.
산업용 애플리케이션으로 5G의 이점 - 산업종합저널 전자
그림 1. 인더스트리 4.0의 핵심이 스마트팩토리이다. (출처: Deloitte)

변화를 맞고 있는 산업 제조 분야
4차 산업 혁명이라고 하는 인더스트리 4.0의 개념은 독일 정부에 의해서 처음으로 탄생했다. 독일 정부는, 전세계적으로 글로벌화, 도시화, 개인화, 민주화가 가속화함에 따라서 갈수록 경쟁이 치열해지는 글로벌 시장에서 자국 기계 장비 수출을 통해서 GDP 성장을 뒷받침하고자 했다.
팬데믹이 발발하고 격변의 시기를 맞으면서 운영 상의 민첩성이 더욱 더 중요해졌으며, 제조업체들이 디지털 기술로 전환을 가속화하고 이를 위한 투자를 늘리고 있다.
인더스트리 4.0의 핵심을 이루는 것이 스마트팩토리로, 유연하고 모듈화되고 확장성이 뛰어난 제조 기법들을 동원해서 효율과 생산성과 품질을 높이도록 한다(그림 1).
스마트팩토리는 기존의 정적이고 순차적인 생산 시스템에서 유연한 프로세스로 전환하고 있다. 사람의 능력에다 더해서 로봇, 인공지능(AI), 양자 컴퓨팅, 산업용 IoT(IIoT), 5G 무선 기술, 3D 프린팅 같은 첨단 기술을 도입하고 있다.
많은 공장이 자동화 생산 시스템 구현을 위해 다양한 센서, 엑추에이터, 컨트롤러 등을 산업용 이더넷, 프로피넷(Profinet), 캔버스(CANbus) 등과 같은 통신 프로토콜을 사용해 연결했다. 그러나 기존 유선 네트워크는 한계에 봉착하고 있다.
이러한 유선 솔루션은 제어 아키텍처가 유연하지 못하기 때문에, 생산 설비를 사소하게 변경하더라도 많은 시간과 비용이 필요하다. 인더스트리 4.0은 강력하면서도 효율적인 무선 통신 기술을 사용해서 스마트팩토리에서 요구되는 지연시간, 가용성, 확정성을 달성할 수 있다. 이것을 가능하게 하는 것이 5G다.
산업용 애플리케이션으로 5G의 이점 - 산업종합저널 전자
그림 2. 5G 네트워킹 성능은 다양한 산업용 활용 요구를 충족한다. (출처: 5G-ACIA)

스마트팩토리 실현…5G의 향상된 성능 필요
다양한 장치와 설비들로 이루어진 제조 환경은 다음과 같은 다섯 가지 범주로 구분할 수 있다.
▲공장 자동화 ▲프로세스 자동화 ▲인간-기계 인터페이스(HMI)와 생산 IT ▲물류 ▲모니터링과 예측적 유지보수
이러한 많은 활용 사례들로 실시간 응답과 극히 낮은 지연시간을 필요로 한다. 이전 세대의 무선 통신 기술은 이러한 요구를 충족하기에 역부족이었다. 뿐만 아니라 공장은 전기적 잡음과 간섭이 심해서 이전 세대 무선 통신 기술에는 무척이나 까다로운 동작 환경이다. 5G의 향상된 네트워킹 성능을 활용해서 이러한 문제들을 극복하고 시스템 효율과 유연성을 높일 수 있다(그림 2).
모니터링은 자동화 공장의 필수 요소로서, 5G의 mMTC(Massive Machine-Type Communications_대규모 사물 통신) 기능을 활용해서 대규모 무선 센서 네트워크(WSN)의 요구를 충족할 수 있다. 무선 센서 네트워크로는 유지보수를 최소화하기 위해서 배터리 수명을 길게 하는 것이 중요하다.
모션 제어와 산업용 로봇에는 정밀성과 실시간 응답이 요구된다. 이러한 요구를 충족하기 위해서 유선 산업용 이더넷 솔루션으로 시간 민감형 네트워킹(TSN : Time-Sensitive Networking)이 확대되고 있다. 5G의 URLLC(Ultra-Reliable Low-Latency Communication: 초고신뢰 저지연 통신)는 이러한 애플리케이션으로 현실적으로 유용한 무선 기술을 제공하며 클라우드 로보틱스를 가능하게 한다.
세 가지 연관 기술로서 가상 현실, 증강 현실, 인공 지능(VR/AR/AI)이 공장 환경으로 프로토타입 개발, 학습, 유지보수, 머신러닝 같은 용도로 갈수록 더 많이 사용되고 있다. 5G의 높은 쓰루풋과 낮은 지연시간은 진정한 클라우드-에지 프로세싱을 가능하게 한다. 에지 상으로는 좀 덜 복잡하고 비용이 낮은 디바이스들을 사용하고, 에너지 집중적 연산 처리는 클라우드로 할 수 있다.
산업용 애플리케이션으로 5G의 이점 - 산업종합저널 전자
그림 3. 네 가지 NPN 구축 방법 중 하나가 RAN을 공중망과 공유하는 것이다. (출처: 5G-ACIA)

5G 도입을 위한 해결 과제
5G를 도입하기 위해서는 해결 과제 또한 없지 않다. 기존 투자를 보호하기 위해서는 5G 프로젝트를 기존 통신 인프라로 매끄럽게 통합할 수 있어야 한다. 까다로운 무선 주파수(RF) 환경인 공장에서는 더 그렇다.
Open-RAN 기술이 발전함으로써 5G RAN(무선 접속망) 소유비용을 낮출 수 있게 되었다. 그럼으로써 기업들이 NPN(비공중망)을 구축하는 것이 현실적으로 가능하게 되었다. 이 구축은 자체적으로 하거나, 갈수록 늘어나는 특수 시스템 업체들을 통해서 할 수 있다. 규제 기관들도 5G 출범과 함께 NPN의 중요성을 인식하고 NPN을 구축하고자 하는 기업들을 위해서 합리적인 비용으로 전용적인 스펙트럼을 할당하고 있다.
NPN은 특정 공장의 필요를 충족하도록 설계할 수 있을 뿐만 아니라, NPN과 5G 네트워크 사이에서 네트워크 기능들을 조합할 수 있다(그림 3). 예를 들어서 NPN을 공중망으로부터 차단시키면서 RAN을 공중망과 공유하도록 할 수 있다. 또 RAN과 제어 플레인 기능을 공유할 수 있으며, NPN을 이동통신망사업자(MNO : Mobile Network Operator)가 호스팅할 수도 있다.

산업 분야의 자동화가 고도화됨에 따라서 5G 기술의 향상된 성능을 요구하고 있다. 소비자들의 다양한 요구를 충족하기 위해서 맞춤화, 대량 생산이 가속화되고 있다. 이에 대응해 공장에서는 5G 기술을 활용해서 쓰루풋이나 응답성을 희생하지 않으면서 무선을 구축하고 유연성을 높일 수 있다.

[기술기고=마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics) 마크 패트릭(Mark Patrick) 기술매니저 ]


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