1. 개 요

5G 셀 룰러 연결은 산업 자동화 분야에 흥미로운 가능성을 가져다 준다. 또 가까운 미래에 산업 통신에 어떤 향상을 기대할 수 있는지 그리고 6G와 같은 장기적으로 무엇을 기대할 수 있는지에 대한 질문에 답하려고 노력한다. 또 기술이 이러한 솔루션을 채택할 것으로 예상할 때 단기적이고 장기적인 것이 무엇인지 이해하고, 기술이 사용되는 시기와 이유가 바뀌는 가장 중요한 정치적 및 시장적 기초를 정의하려고 노력한다.

우리는 변화에 저항하는 세력이 무엇인지 그리고 누가 혜택을 받고 있는지에 대한 이해를 유도하기 위해 5G 솔루션의 상태를 살펴볼 것이다. 본고는 2020 ODVA 컨퍼런스 “5G - 더 이상 휴대폰에만 국한되지 않음”의 데이비드 브랜트(David Brandt) 스콧 그리피스(Scott Griffiths) 논문을 보완했다.

산업용 5G 기술을 제공하고, 3GPP를 지원하는 보조 기구인 5G-ACIA에 의해 산업 현장에서 5G를 위한 특정한 길은 ACIA 설립 후 비교적 긴 대기 기간을 보낸다. 우리는 5G 출시와 산업 네트워크, 차기 기술인 6G 기술에서 과연 무엇을 기대할 수 있을까?

2. Release 16

추가 사용 사례를 적용할 수 있도록 URLLC 사양의 유연성을 높이거나, 특히 산업 공간의 주요 기술인 릴리스 16에서 상당한 변화가 있었다. 릴리스 15에서는 URLLC의 신뢰성(99.9999% 또는 69’s) 및 지연 시간(1~2ms) 요구 사항이 릴리스 16 내에서 달성될 수 있도록 기본 기반이 추가되었다. 다중 SCS 및 대역폭 유연성을 사용하였고, 동적으로 배열된 그랜트를 생성하여 트래픽 스케줄을 허용했다. 이를 통해 단위별 셀 기반(UE당) 스케줄링 대신 트래픽 스케줄링당 상태 업데이트를 수행할 수 있다. 또한 트래픽 스케줄링당 트래픽 유형도 세그먼트화된다. 솔루션 내에서는 동일한 리소스 공유 시간, 민감 데이터 대비 시간, 민감 날짜에 대한 리소스 할당 문제가 있다. 문제는 릴리스 16에서 전송할 리소스 및 사용 가능한 데이터의 정규화된 사용을 통해 우선순위를 해결하는 것과 같이 우선순위를 생성하여 해결되었다. 신뢰성에 있어서는 릴리스 15의 제약 조건에서 IP 또는 전송 계층을 압축하지 않는 새로운 압축 알고리즘으로 해결되어 산업 네트워크가 이더넷 프레임을 적절하게 사용할 수 있다. 복원력을 해결하려면 패킷 복제를 통하고, 여러 gnB(Antennas)와 노드를 한 번에 해결할 수 있다.

3. 스케줄링 향상

4G LTE 솔루션과 달리 5G는 업링크 및 다운링크 방식의 스케줄링에서 훨씬 더 높은 유연성과 확장성을 허용하여 왕복 시간, 즉 RTT9)를 줄인다. 하나의 채널이 있는 시스템에 직접 연결하는 대신, 시스템은 전용 일정으로 시스템 내의 여러 지점에 연결할 수 있고 전체 네트워크를 최적화할 수 있다.

4. PDCCH(Ownlink transmission)
모니터링 대역폭 증가

릴리스 15에서, 하향 링크 전송 채널은 슬롯에 의해서만 모니터링 될 수 있다. 이것은 OFDM을 사용하는 서브-슬롯 사용으로 인한 정확한 모니터링을 금지하는 것이다. 모니터링 오류가 발생할 수 있고, 지연 시간 및 신뢰성 가능성을 증가시킬 수 있다. 릴리스 16은 상이한 방식으로 하향 링크 전송을 모니터링한다. 하향 링크 전송은 슬롯 심볼당 모니터링 되고, 하향 링크 전송 주파수의 수는 제한된다. 이는 전송 데이터가 지속적으로 적용됨을 의미한다.

5. 지속적인 과제

지금까지 5G의 상태를 살펴보았고, 이제 5G를 통해 산업 네트워크를 실행하는 문제와 중요한 개선 사항에 대한 타임 라인을 살펴보자. 관심 있는 주제 중 하나는 5G와 같은 IP 라우팅 가능한 네트워크를 사용할 수 있도록 보장하는 것이다. 계층 2 구현을 기반으로 하는 DLR과 같은 여러 프로토콜이 있으며, IP 프레임이 없으므로 5G 네트워크에서 라우팅 할 수 없다. 또한 비 LLDP 장치는 UDP/IP를 사용하는 디스커버리 프로토콜을 사용하고, 프로토콜은 IP 라우팅 가능한 IP 브로드캐스트를 사용한다. 한 IP 멀티캐스트 프레임은 IP 네트워크에서 라우팅 할 수 있지만, 특수한 구성을 가진 라우터가 필요하다. 기능의 대부분은 모든 응용 프로그램에서 필요한 것은 아니므로 컨트롤러 또는 장치에서 무시하거나 변경할 수 있다. 대부분의 장치에 고유한 기본 옵션인 DLR 및 디스커버리로 인해 문제가 발생할 수 있다. DLR과 디스커버리가 모두 발생할 수 있는 한 가지 옵션은 이더넷 PDU(Packet Data Units)를 사용하는 것이다. PDU는 비교적 오래된 기술이지만 이더넷 계층(Layer 2)에서의 사용은 기술에 대한 새로운 해석이며, 시장에서 일반적으로 사용되지 않는다. 또한 브로드캐스트 프로토콜을 크게 사용하면 셀 룰러 연결이 포화될 수 있다.

LAN 스위치는 일반적으로 가입된 IP 가입자로 멀티캐스트 프레임을 제한하여 과도한 패킷 혼잡을 처리하기 위해 IGMP 스누핑을 구현한다. IGMP는 IETF(Internet Engineering Task Force) 프로토콜이다. IEEE(Institute of Electric and Electronic Engineers) IGMP를 피처 세트로 제공하지 않는다. IEEE는 셀 룰러 네트워크 기술인 3GPP(3rd Generation Partner ship Project)를 갖고 있고, 현 인터넷의 국제 표준화 기구 중 하나다. 따라서 IGMP는 통신업계에서 채택한 프로토콜로 간주되지 않을 수 있고, 셀 룰러 네트워크에서 지원되지 않을 수 있다.

한 가지 해결책은 EtherNet/IP를 구현하는 5G 네트워크의 장치에서 터널링을 사용하는 것이다. 이는 브로드캐스트 메시지뿐 아니라 모든 계층 2 프로토콜을 사용할 수 있다. 또 가상 확장성 로컬 영역 네트워크 구현13) 또는 일반 라우팅 캡슐화(GRE)에 의해 수행된다. 이로 인해 지금까지 사용할 수 없었던 확장성과 상당한 세그먼트화 구현을 제공한다. 구현에는 몇 가지 문제가 있다. VXLAN을 위해서는 64비트 헤더가 필요하고 더 많은 오버레이 및 처리가 필요하지만, 고급 QoS 구현은 결정론을 저하시키고 그 정도를 낮출 것이다. 5G 네트워크에서의 VXLAN 동작이 연구되었다.14) VXLAN은 IETF 표준 프로토콜이지만, IEEE는 VXLAN 기술을 표준화하는 것을 조사하지 않았다. 그러나 3GPP는 IEEE를 인터넷 기술을 정렬하는 사실상의 조직으로 간주해 왔다.

6. TSN 활성화

TSN뿐만 아니라 1588의 활성화는 공장 바닥에서 5G의 활용도를 향상시키는 중요한 기능이다. 5G- ACIA 백서 “산업 통신을 위한 시간 민감 네트워크와의 5G 통합10)”에 요약되어 있다. 릴리스 16에는 IEEE 1588 작동을 허용하는 (g)PTP 동기화가 추가되었다. 높은 노드 수와 알려지지 않은 간섭과 같은 불일치 변수가 CNC 및 반도체 제조 프로세스와 같은 많은 결정론적 응용 프로그램에 존재하지 않기 때문에 모션 응용 프로그램은 5G 사용에 이상적이다.

7. 레드 캡(RedCap)의 향상된 기능

레드 캡(RedCap), 즉 용량 감소는 URLLC 요구 사항의 결정론이 필요하지 않은 솔루션을 위해 만들어졌다. 일반적으로 비용이 크게 증가하지 않고 데이터 처리량이 증가한다. 이는 진동, 압력 및 온도를 모니터링하는 5G 웨어러블 장치와 동력 산업용 센서의 가능성을 열어준다. 이러한 유형의 센서는 높은 대기 시간이 필요하지 않지만, 레드 캡이 효율적으로 제공할 수 있는 높은 신뢰성을 필요로 한다. 레드 캡 사양은 이질적인 5G 솔루션이 이용 가능하도록 고안되었다. 레드 캡 의 중요 장점 중 하나는 배터리 전력을 허용하기 위해 5G를 전력 효율적인 솔루션으로 설계하는 것이다. 빠른 업로드 및 다운로드 속도는 전력에 상당한 부담을 만든다. 따라서 프로세서의 부하를 줄이거나, 프로세서를 더 낮은 스타일의 버전으로 완전히 바꾸는 창의력이 도출될 수 있다.

또한 레드 캡은 비결정론적 응용 프로그램을 위해 더 높은 대기 시간을 제공하며, 기존 5G 솔루션보다 더 유연하고 다양한 용도로 사용된다. 대기 시간 감소 허용은 다양한 사양 변화의 부산물이다. 완화된 대기 시간은 대역폭을 절반으로 줄여 반이중을 허용하고, 쿼드러쳐 진폭 변조 채널의 수를 제한하며, 송수신 채널의 수를 제한한다. 레드 캡의 또 다른 중요한 장점은 비용 효율성이다. eMBB 요구 사항은 다른 프로세서 향상 중 게이팅 및 클럭 속도 증가를 요구하는 비디오 업로드 및 다운로드 시간에 높은 비용을 부과한다. 웨어러블은 할인 혜택이 상당하다. 칩 비용만으로도 시장 가격12)을 충족(본질적으로 5~6배 저렴)할 것이다. 따라서 웨어러블 기기와 센서를 개발하려는 기업에게 소비자가 더 저렴하게 구매할 수 있는 매력적인 옵션이 될 수 있다.

[참고자료]
1) https://www.nature.com/articles/s41467-023-36621-x
2) https://circleid.com/posts/20230531-fcc-touts-6g
3) https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9124764
4) https://ieeexplore.ieee.org/document/9147140
5) https://5g-acia.org/wp-content/uploads/5G-ACIA_WP_Key-5G-Use-Cases-andRequirements_SinglePages.pdf
6) https://arxiv.org/abs/2304.01299
7) https://www.comsoc.org/publications/journals/ieee-jsac/cfp/xurllc-6g-next-generation-ultrareliable-and-low-latency
8) https://5g-acia.org/whitepapers/our-view-on-the-evolution-of-5g-towards-6g/
9) https://ieeexplore.ieee.org/cart/download.jsp?partnum=9356508&searchProductType=IEEE%20J ournals%20Magazines
10) https://5g-acia.org/whitepapers/integration-of-5g-with-time-sensitive-networking-for-industrialcommunications
11) https://www.3gpp.org/technologies/ind-5g
12) Specification #: 23.501 : portal.3gpp.org
13) https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc7348
14) Satyanarayana, Mahesh, “VXLAN EXTENSIONS FOR 5G USER EQUIPMENT SESSIONS”, Technical Disclosure Commons (May 13, 2022) https://www.tdcommons.org/dpubs_series/5134
15) “Towards Deterministic Communications in 5G Networks : State of the Art, Open Challenges and the way forward” Gourav Prateek Sharma, et al

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