산업 자동화에서 실용적인 5G 응용 분야

무선 통신은 산업 자동화의 통신을 위한 필수 구성 요소가 되었습니다. 오늘날 5세대(5G) 셀룰러 통신은 Industry 4.0 또는 산업 사물 인터넷(IIoT)이라고도 하는 4차 산업 혁명을 발전시키기 위한 핵심 무선 기술로 널리 알려져 있습니다. 어떤 사람들은 5G가 위치에 관계없이 엄청난 수의 장치를 용이하게 연결할 수 있기 때문에, 5G가 소비자 가전 및 비산업용 IoT 설치가 대대적으로 유비쿼터스화되는 데 핵심적인 역할을 할 것이라고까지 예측합니다.

그림 1: 3세대 파트너십 프로젝트(3GPP)는 통신 표준화 기구를 통합하여 셀룰러 통신 기술을 가능한 한 이전 버전과 호환되도록 합니다. (로고 출처: 3GPP)

하지만 5G가 현재 작동 중인 모든 무선 표준을 대체할까요? 현재 WiFi, Bluetooth 및 IEEE 802.15.4 기술이 주도하고 있는 응용 분야에서 5G가 이러한 기술을 능가할 수 있을까요? 아니면 5G는 단순히 기존의 셀룰러 기술이 사용되는 몇 가지 자동화 응용 분야를 위한 향상된 기술일까요? 5G의 성능적 장점은 무엇이며, 현재는 어느 정도 수준까지 이를 활용하고 있나요?

이러한 질문에 대한 답을 이해하려면 먼저 5G가 다른 셀룰러 및 비셀룰러 통신과 어떻게 다른지 생각해 봐야 합니다. 현재 휴대 전화 및 산업용 네트워크용으로 출시되고 있는 5G는 이전 2G, 3G 및 4G세대의 디지털 셀룰러 기술을 기반으로 합니다. 2G의 이전 기술은 오늘날의 네트워크와 거의 공통점이 없는 아날로그 무선 전화 기술이었으므로, 1G는 아예 존재하지 않았습니다. 2G를 통해 최초의 디지털 기술과 암호화된 전화 및 단문 메시지 서비스(SMS) 통신이 등장했습니다. GSM(Global System for Mobile Communications) 표준은 전이중 음성 통화를 허용하는 2G 회로 교환 네트워크를 정의합니다. 수년에 걸쳐 2G 네트워크는 첫 번째 일반 패킷 무선 서비스(GPRS)에 이어 EDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution) 시스템으로 강화되었습니다. GPRS 및 EDGE는 점점 더 빠른 데이터 전송률로 인터넷 연결을 위한 범용 데이터 패킷의 전송을 가능하게 했으며, 따라서 이러한 기능을 갖춘 네트워크를 각각 2.5G 및 2.75G 기술이라고도 합니다.

3G는 데이터 전송률을 더욱 향상시켜 화상 통화도 가능하게 했습니다. 관련 표준에는 CDMA2000 및 다양한 형태의 고속 패킷 액세스(HSPA)가 포함됩니다.

그런 다음 다중 입출력(MIMO) 전송을 사용하는 LTE (Long Term Evolution) 및 WiMax 표준을 통해 훨씬 더 빠른 데이터 전송률을 제공하는 4G가 등장했습니다.

5G는 4G로부터 진화된 것으로, 2018년 말에 최초로 상용화된 5G 네트워크 제품이 출시되었습니다. 이 발전을 이끈 요인에 대한 역사적 관점은 5G가 산업용 사물 인터넷을 어떻게 변화시킬 것인가를 설명하는 2016 DigiKey 기사를 읽어보세요. 개인 및 상업용 사용자의 최대 관심사는 5G 네트워크가 수만 명의 사용자에 대해 수만 Mb/초의 데이터 속도를 지원할 수 있어야 한다는 점입니다. 또한 주어진 사무실에 있는 수십 명에게 1Gbit/초 속도의 연결을 제공할 수 있어야 합니다.

5G의 다른 특성은 특히 산업 자동화 응용 제품과 관련이 있습니다. 특히 5G 네트워크는 매우 짧은 대기 시간과 매우 안정적인 범위로 수십만 개의 동시 연결을 허용해야 합니다. 이러한 기능은 IIoT 및 기계 제어 응용 제품과 관련된 대규모의 센서 배포에 필수적입니다.

관련 DigiKey 기사인 현재 5G는 약속한 모든 것을 제공하지 않습니다를 읽어보세요.

스펙트럼 및 밀리미터파 데이터 통신

한 가지 주의할 점은 모바일 네트워크에 연결된 장치의 급증은 스펙트럼 가용성의 부족을 수반한다는 것입니다. 일반적으로 낮은 주파수 대역은 더 넓은 범위를 제공하는 반면 높은 주파수 대역은 더 작은 영역에서 더 많은 연결을 허용합니다. 적절한 예로, 1G AMPS 표준은 800MHz 대역을 사용했으며 2G GSM은 초기에 1900MHz를 사용했습니다. 오늘날 많은 GSM 전화기는 국제적으로 사용할 수 있도록 3개 또는 4개의 서로 다른 대역을 지원하며 현재 모바일 네트워크는 700MHz ~ 2.6GHz 사이에서 작동합니다. 그러나 IoT로 인해 모바일 네트워크에 연결되는 장치 수가 증가함에 따라, 이러한 기존 주파수 대역에서 사용할 수 있는 스펙트럼이 감소하고 있습니다. 이것이 5G가 6GHz와 같은 더 높은 주파수로, 심지어 28GHz와 38GHz를 포함하여 24GHz 이상의 밀리미터파 주파수로 확산되기 시작한 이유입니다.

그림 2: Sliver 고속 상호 연결은 데이터 센터 및 통신 스위칭 및 라우팅을 포함한 25Gbps 데이터 전송률 및 5G AAS 애플리케이션을 지원합니다. (이미지 출처: TE Connectivity)

밀리미터파 통신 주파수는 훨씬 더 넓은 대역폭과 매우 많은 수의 연결을 허용합니다. 단점이라면, 이러한 주파수에서의 데이터 전송은 단단한 물체를 통과할 때 범위 제한과 극적인 소실이 발생할 수 있습니다. 실제로 밀리미터파 통신은 건조한 공기를 통해 다른 주파수의 통신보다 감쇠가 적을 수 있지만 이러한 통신은 비의 영향을 크게 받습니다.

범위 문제를 방지하면서 이러한 더 높은 주파수의 향상된 대역폭을 활용하는 한가지 해결책은 빔 형성입니다. 이 기술을 사용하면 집중된 통신 빔이 단순히 모든 방향으로 확산되는 것이 아니라 특정 대상을 향합니다. 빔 형성은 즉시 밀리미터파 통신에 오늘날 더 일반적으로 사용되는 낮은 주파수의 범위를 제공하는 동시에 통신 간섭을 최소화할 수 있습니다.

5G에 대한 무선 접속 기술을 지정하기 위해 5G NR(New Radio) 표준의 제정이 진행되고 있습니다. 여기에는 두 가지 주파수 범위가 포함됩니다. 주파수 범위 1은 6GHz 미만이고 주파수 범위 2는 24GHz ~ 100GHz의 밀리미터파 범위입니다.

자동화 분야의 5G를 통한 대규모 연결성

더 많은 스펙트럼을 얻기 위해 주파수를 증가시키는 것은 훨씬 더 높은 센서 밀도와 같은 IoT의 가능성을 완전히 실현하는 데 필요한 대규모 연결을 가능하게 하는 솔루션의 일부가 될 것입니다. 따라서 5G 네트워크에 연결할 수 있는 장치가 출시되면 즉시 개선될 가능성이 있습니다.

밀리미터파 5G는 평방 킬로미터당 1백만 개의 장치 연결을 처리할 수 ​​있지만 이를 위해서는 협대역 사물 인터넷(NB-IoT)이 필요합니다.

NB-IoT는 낮은 비용과 저전력 장치를 위한 실내 범위에 초점을 맞춘 저전력 기술입니다. 현재 NB-IoT 연결은 셀을 포함한 백만 개의 장치에 훨씬 못 미치는10,000개의 장치를 지원합니다. LTE-M(Long Term Evolution for Machines)은 NB-IoT보다 높은 데이터 전송률과 낮은 대기 시간을 제공하지만 장치 비용과 전력 소비가 더 높은 또 다른 저전력 기술입니다. 또 다른 해결책은 특히 수요가 많은 지역에서 더 작은 셀을 사용하는 것입니다.

5G 대기 시간: 게시된 값 및 실제 성능

5G는 1ms 미만의 대기 시간을 달성해야 하지만 이 헤드라인 사양은 대부분 달성되지 않습니다. 실제로 저전력의 경우 NB-IoT 기술의 대기 시간은 일반 범위의 경우 약 1초이고 확장된 범위의 경우 몇 초로 증가합니다. LTE-M 경우 대기 시간은 정상 범위에서 약 100msec로 약간 더 좋지만 실시간 제어 응용 제품에 필요한 1msec와는 거리가 멉니다.

그림 3: 전 세계적으로 다양한 형태의 5G가 빠르게 채택되고 있습니다. (이미지 출처: Design World)

중앙 집중식 네트워크에서는 1msec 미만의 대기 시간을 달성할 수 없습니다. 왕복 시간이 50msec ~ 100msec까지 걸릴 수 있기 때문입니다. 해결책은 셀 내에서 처리를 실행하는 것이지만 이를 위해서는 셀 수준의 서버가 필요합니다. 연결 장치가 셀 간에 이동할 때(자율 주행 자동차와 같이) 제어 및 조정의 연속성이 유지되어야 하기 때문에 이는 간단합니다. 이를 위해서는 네트워크 내에서 분산 및 중앙 집중식 제어의 조합이 필요합니다. 또한 소형 셀은 대기 시간을 줄이는 데도 도움이 될 수 있습니다.

5G에서 대기 시간을 줄이기 위해 사용되는 또 다른 방법은 네트워크 슬라이싱입니다. 이 경우 네트워크 대역폭은 개별적으로 관리할 수 있는 레인으로 분할되어 일부는 이러한 레인의 트래픽을 낮게 유지하여 대기 시간이 짧은 전송을 위해 예약됩니다. 따라서 이 기능이 필요한 산업 제어 응용 제품은 이러한 예약된 레인을 사용할 수 있습니다.

현재의 5G 네트워크는 30msec 미만의 대기 시간을 달성하지만 실시간 제어에 필요한 1msec의 값은 달성하기 어렵습니다.

5G의 다른 이점: 낮은 에너지와 높은 안정성

더 작은 셀을 사용하면 당연히 전력 소비가 감소하지만 이러한 감소는 더 많은 장치로 인해 다소 상쇄됩니다. 또한 더 스마트한 에너지 관리는 5G 네트워크에서 에너지 소비를 줄이는 역할을 하게 됩니다. NB-IoT는 10km 범위의 많은 장치에서 10년 이상의 배터리 수명을 지원합니다.

5G의 또 다른 이점은 보다 안정적인 범위입니다. 5G는 빠르게 출시되고 있으며, NB-IoT 및 LTE-M 네트워크는 이미 전 세계에서 사용 가능합니다. 대기 시간이 짧은 예약된 레인의 가용성은 이 단계에서 다소 명확하지 않습니다.

비셀룰러 무선 연결 대안

5G 셀룰러 기술이 산업용 장치를 무선으로 연결하는 유일한 방법인 것은 아닙니다. 대안으로는 WiFi, Bluetooth 및 IEEE 802.15.4 기반 기술이 있습니다.

WiFi 대기 시간은 일반적으로 20msec ~ 40msec이며 연결 안정성 문제가 있습니다. 즉, 일반적으로 제어 및 산업 자동화 응용 제품에 사용되지 않습니다. 그러나 현재 Wifi는 기계 상태 모니터링, 동작 센서 및 바코드 스캐너에 사용됩니다. IEEE 802.11ah(WiFi HaLow) 기술은 매우 낮은 전력 소비로 최대 1km 범위에서 약 900MHz로 작동합니다. 이로 인해 낮은 대기 시간 및 고밀도 센서의 성능에는 미치지 못하지만 5G IoT 기술과는 경쟁 상대가 됩니다.

블루투스 저에너지(Bluetooth LE) 기술은 제한된 속도와 범위로 저가형의 저전력 연결을 제공하지만 소비자 기기에 중점을 둡니다. IEEE 802.15.4 기반 기술은 또한 250kbit/초에 불과한 10m의 범위로 속도와 범위보다 낮은 비용과 낮은 저전력을 우선시합니다. 그러나 메시 네트워크 토폴로지가 지원되므로, 장치가 해당 네트워크의 다른 장치에서 10m를 초과하지 않는 경우 네트워크를 10m 이상 확장할 수 있습니다. 많은 저가형 IoT 장치는 6LoWPAN, WirelessHART 및 ZigBee와 같은 기술을 사용합니다. 이 중 가장 산업적으로 초점을 맞춘 WirelessHART는 ABB, Siemens, Fieldbus Foundation 및 Profibus를 포함한 광범위한 산업 조직에서 지원합니다.

결론

5G는 기술 제품군으로 간주되어야 합니다. 초고 대역폭, 방대한 센서 밀도, 초고속 대기 시간 등의 뛰어난 성능을 동시에 제공할 수 있는 단일 기술은 없습니다. 즉, 산업 자동화에서 가장 중요한 5G 구현은 5G 모바일 네트워크 서비스가 유비쿼터스화될 때만 구체화되지 않습니다. 자동화된 설치에서의 높은 센서 밀도를 위해서는 NB-IoT 및 LTE-M과 같은 특정 IoT 기술이 필요합니다. 희소식은 이러한 기술이 이미 도입되고 있으며 선진국과 개발 도상국에서 점점 더 많이 사용 가능하다는 것입니다. 엔지니어는 향후 몇 년간 안정적인 5G 네트워크 기능 향상을 기대할 수 있습니다.

동영상: 5G에서 기대할 수 있는 것

매우 낮은 대기 시간이 필요한 제어 응용 제품에 5G를 사용하는 것은 아직 멀었습니다. NB-IoT 및 LTE-M 5G(특히 IoT에 특화된 적응)와 같은 저전력 기술은 Industry 4.0 구현을 실현하고 기계를 더 스마트하게 하고 공장을 더 유연하게 하며, 프로세스의 낭비를 줄이는 데 중요한 역할을 할 것입니다. 물론 5G는 비셀룰러 WiFi, Bluetooth, IEEE 802.15.4 기반 기술과 계속해서 경쟁할 것이며, 궁극적으로 이 모든 것이 자동화 생산성을 향상시킬 것입니다.

요약하자면, 5G 및 기타 형태의 안전하고 유연한 무선 연결은 빅 데이터 분석에 필요한 센서 밀도를 달성하여 생산 프로세스를 완전히 특성화하고, 유지 보수 프로그램을 최적화하며, 재료 흐름을 조정하고 자율 로봇의 협업을 지원할 것입니다.