전기전자/정보통신

Telecommunication_2019.2 특집 요약 (p5-23)

네트워크의 미래를 바꾸는 차세대 테크놀로지
5G만이 아니다

세상에 이노베이션을 일으킬 네트워크 기술은 5G만이 아니다. 실제로는 그 외에도 다양한 주목할 만한 차세대 네트워크기술이 개발되고 있고 보급이 진행되고 있다. 이번 특집에서 다루는 것은 벌써 구체적인 모습을 보이기 시작한 6G(Beyond 5G), IoT용 표준화 작업 중인 새로운 유선 이더넷 규격, 공장 IoT용 신∙무선플랫폼, 데이터 플레인도 프로그래밍이 가능하도록 하는 기술 등. 계속 진화하는 네트워크 기술이 미래를 더욱 윤택하게 만든다.

Part 1. 5G의 다음, 6G를 보다
NTT가 실현한 2개의 100Gbps 무선기술

NTT가 세계에서 가장 먼저 2개의 다른 기술로 100Gbps 무선 전송을 성공시켰다. 1Tbps의 통신속도가 가능한 Beyond 5G, 즉 ‘6G’의 실현 기술이 되는 것이다. 6G의 모습이 벌써 가시화되기 시작하였다.

19년부터 20년에 많은 나라에서 상용화되는 5G는 현행 4G의 20배, 20Gbps의 초고속데이터통신이 실현된다. 그러나 모바일통신의 진화는 이것으로 그치지 않는다. 전세계의 네트워크 벤더나 연구기관이 이미 6G를 전망하고 가일층의 고속∙대용량 전송을 가능하게 하는 무선기술을 개발하고 있다. 그 선두를 달리는 것이 NTT다.

NTT는 성격이 다른 2개의 기술 분야에서 세계에 가장 먼저 무선으로 100Gbps데이터 전송 실험을 성공시켰다.

하나는 OAM(Orbital Angular Momentum, 궤도각운동량) 다중전송기술을 이용한 것이다. 18년 5월, 세계 첫 100Gbps 전송실험(거리10m)에 옥내(전파암실) 환경에서 성공하였다고 발표. 12월에 개최된 국제회의 ‘IEEE GLOBECOM 2018’에서는 신호처리의 개량으로 120Gbps 전송에도 성공하였다고 보고되었다.

이 프로젝트에 관여하는 NTT미래넷연구소 와이어리스시스템이노베이션연구부의 주임 연구원은 “6G에서는 1Tbps를 초월하는 데이터 전송이 요구되지만 실현 목표는 이미 도달하였다”라고 말한다.

100Gbps 전송을 달성한 다른 하나의 기술은, 아직 이용 기술이 확립되지 않은 300GHz 이상의 주파수 자원의 개척을 목표로 개발이 추진되고 있는 것이다. NTT는 도쿄공업대학과 공동으로 실시한 실험에서 300GHz대에서의 100Gbps데이터 전송에 성공했다고 18년 6월에 발표하였다. NTT첨단집적디바이스연구소의 주간연구원은 이 성과에 대해 “NTT가 축적해 온 초고속 IC기술로 실현하였다”라고 설명한다.

이들 기술은 모두 2030년대에 등장하는 6G에의 도입을 목표로 개발되고 있다. 그럼 이러한 100Gbps 클래스의 초고속∙대용량 무선통신은 어떻게 실현되고 있는 것일까? NTT가 추진하는 2개의 기술개발프로젝트를 축으로 6G를 위한 기술개발의 트렌드를 살펴보자.

-- 전파를 회전시켜 다중화 --
-- 16K 영상을 무압축 전송 --
-- 내부 노이즈를 억제, 100Gbps화 --

Part 2. 유선 IoT의 핵심 802.3cg
1km앞에 급전할 수 있는 10Mbps 이더가 2020년에 등장

이더넷의 첫 IoT용 규격 표준화 작업이 진행되고 있다. 최대 1km의 데이터 전송∙급전 능력을 갖는 ‘IEEE 802.3cg’다. 처리가 간편하고 비용, 내환경성 등에도 뛰어나 유선 IoT의 가능성을 단번에 확대한다.

본격적인 보급기에 돌입하고 있는 IoT. 그 중요한 견인역할을 담당하는 것 중 하나가 LPWA다. IoT용 통신기술의 이노베이션은 무선네트워크 영역에서만 일어나는 것은 아니다. 실은 지금 유선네트워크의 영역에서도 주목해야 할 IoT용 통신기술의 준비가 진행되었다.

통신속도는 10Mbps로 저속이지만 통상 LAN의 최대 100m를 크게 초월하는 최대 1km의 데이터 전송과 급전을 실현할 수 있는 ‘IEEE 802.3cg’(10BASE-T1)의 표준화 작업이 20년 3월에 완료될 예정이다.

국내에서의 실용화를 위한 논의도 정보통신기술위원회(TTC) IoT에어리어네트워크전문위원회(WG3600)의 통신인터페이스서브워킹그룹(SWG3604)에서 작년 4월부터 시작하였다.

이더넷은 통신속도와 급전능력의 향상을 타깃으로 진화해 왔다. 그러나 802.3cg는 다르다. LPWA와 마찬가지로 추구한 것은 하이 퍼포먼스가 아니라 IoT에 정말 필요한 스펙이다.

지금까지 무선 IoT의 그늘에 가려져 각광을 받지 못했던 유선 IoT. 이 유선 IoT의 세계를 일변시킬 포텐셜을 지닌 802.3cg에 대해 해설한다.

-- 1페어의 케이블을 사용 --
-- 속도를 억제하여 장거리화 --
-- 자동차로 축적한 터프니스 --
-- 버스형 토폴로지도 가능 --
-- 3개의 ‘DC’를 실현 --

Part 3. 무선 공장의 비장의 카드 탄생
제조현장 IoT화의 장애물 해소

무선에 의한 IoT화를 시험하는 공장이 증가하고 있다. 그러나 무선 도입에는 몇 가지 과제가 있다. 그들 과제를 일거에 해결할 가능성을 갖고 있는 무선 플랫폼 ‘SRF’의 책정이 진행되고 있다.

노동력 부족이나 숙련공 감소와 같은 문제에 직면하고 있는 제조현장에서 ‘디지털화’의 움직임이 확산되고 있다. IoT로 공장 내의 각 설비의 가동 상황을 가시화하여 고장 등의 징후를 감지, 최적 제어까지 실현함으로써 생산성을 향상시키는 것이다.

생산 설비를 연결하는 네트워크는 가능하면 무선 구축이 바람직하다. 케이블 공사가 필요 없어 비용을 삭감할 수 있기 때문이다. 또한 작업자나 AGV(무인반송차)와 같은 이동체는 원래 무선이 아니면 통신이 불가능하다.

산업용 네트워크기기 벤더인 HMS Industrial Networks가 2017년에 실시한 조사에 따르면 공장의 통신에서 무선 비율은 6%로 아직 적지만 연 32%의 비율로 성장하고 있다. 이더넷에 의한 유선네트워크를 웃도는 속도로 성장하고 있다. 공장이 통신수단으로 무선에 큰 기대를 걸고 있다는 것을 알 수 있다.

-- 제조현장에 있어서 무선의 과제 --
그러나 공장에서 무선을 운용하기 위해서는 몇 가지 과제가 있다. 특히 “통신이 끊어져 시스템이 멈추는 것이 아닐까?”와 같은 통신 품질에 대한 우려가 강하다.

무선통신의 품질이 낮아지는 이유 중 하나로 공장 환경이 쉽게 변한다는 사실을 들 수 있다. 사람이나 사물이 자주 이동함으로써 전파가 도달하지 않는 불감대가 초 단위로 출현∙이동∙소멸하기 때문이다. 공작기계 중에는 불규칙적으로 노이즈를 발생시키는 것도 있다. 또한 월∙연 단위로 보면 설비 레이아웃의 변경이나 신규라인이 설립되는 일도 흔하다.

또한 공장에서는 원래 각 어플리케이션에 주파수대나 공간과 같은 무선 리소스가 적절하게 할당되지 않는다는 문제도 있다.

정보통신연구기구(NICT)와 제조업 7사로 구성된 업계단체 Flexible Factory Partner Alliance(FFPA)의 대표간사인 마루하시(丸橋) 씨는 “예를 들면 로봇을 제어하는 앱이라면 무선에도 저지연성이 요구되고, 이미지로 제품 검사를 할 때는 데이터 크기가 크기 때문에 역대를 넓게 취할 필요가 있다”라고 설명한다.

그러나 이처럼 앱의 특성에 따라서 무선 리소스를 할당하고 있는 공장은 적다. 제조현장에서 가동하고 있는 설비는 신구 설비가 섞여 있고 무선시스템도 서로 독립된 설정으로 운용되기 때문이다.

제조업에서 IoT화가 추진되는 배경에는 노동력 부족이 있다. 때문에 도입이 기대되는 것은 로봇 제어나 이미지인식에 의한 품질 검사의 자동화 등 생산성을 대폭 높이는 앱이다.

-- 혼재하는 무선을 교통 정리 --
-- 기존 설비를 바꾸지 않는다 --
-- SRF 무선의 성능 --

Part 4. 차세대 IP영상 전송 ‘SRT’
마이크로소프트, 알자지라도 반했다?!

제한 없이 증대하고 있는 비디오 트래픽을 안정적이고 효율적으로 IP 전송하는 신기술이 요구되고 있다. 이에 부응하는 것이 SRT다. 일본에서는 아직 ‘미지’의 기술이지만 유럽과 미국에서는 널리 보급되기 시작하였다.

Cisco Systems의 연차 조사 ‘Visual Networking Index(VNI)’에 따르면 세계의 IP 트래픽에서 차지하는 비디오의 비율은 현재의 75%에서 22년에는 82%로 증가할 것이라고 한다. 그 트래픽량은 4배나 방대해진다.

인터넷 동영상 전송이나 SNS, 그리고 업무용도에서도 IP 네트워크를 사용한 영상 전송 요구는 계속해서 높아지고 있다. 이에 부응하기 위해서는 모바일망이나 인터넷처럼 역대나 품질이 불안정하고 혼잡에 약한 네트워크에서도 안정적이고 효율적으로 영상을 전송할 수 있는 기술이 필요하다.

-- 2017년에 오픈소스화 --
그래서 지금 방송/영상전송사업자 등으로부터 차세대 영상 전송 기술로서 주목을 받고 있는 것이 ‘SRT’다.

이것은 원래 캐나다의 Haivision사가 개발한 기술이다. 14년부터 Haivision의 코덱 제품에 탑재되고 있었고 17년 4월에 오픈소스로서 공개되었다. SRT의 보급 추진을 목적으로 Haivision과 Wowza가 설립한 SRT 얼라이언스에는 코덱업체나 방송사업자, CDN업자 등 현재 170개 기업이 참여하고 있다. 18년 9월에는 마이크로소프트도 가맹, 오피스365나 Azure에 SRT를 채용하는 것을 표명. 앞으로 오피스365의 비디오 회의나 Azure 등에서도 사용되게 된다.
 

SRT는 Secure Reliable Transport의 약자로, 이 명칭이 특징을 나타내고 있다. ①암호화(Secure), ②패킷 손실을 회복하는(Reliable) 기능을 갖추고 ③범용적인 IP네트워크로 전송이 가능(Transport)하기 때문에 폭넓은 용도에서 이용할 수 있다.

그 중에서도 SRT를 특징짓는 것은 ②다. 불안정한 네트워크에서도 안정된 영상 전송을 할 수 있는 구조를 갖고 있다. SRT얼라이언스에 가맹하는 소수의 일본 기업 중 하나인 PALTEK의 이사카(井坂) 부장은 “특히 실시간성이 요구되는 용도에 강하다”라고 말한다.

-- 저지연과 안정적 전송을 양립 --
-- 일본∙아시아에서도 보급 징후 --

Part 5. 드론으로 하늘에서 에어리어 구축
이동통신 네트워크의 재해 대책

전국 각지에서 자연재해가 잇따르고 있다. 스마트폰은 재해지역에서도 중요한 역할을 담당하는 만큼 통신 두절은 있을 수 없다. 재해 시의 네트워크 대책으로서 차세대기술인 드론 활용의 검토가 추진되고 있다.

언제 어디에 있더라고 태풍이나 지진 등 자연재해와 함께인 ‘자연재해 대국’ 일본. 시대가 변하고 과학이 발달해도 재해 그 자체를 방지하는 것은 불가능하다. 그만큼 피해를 최소한으로 억제하는 대책이 필요하다.

전기, 수도, 가스와 나란히 라이프라인 중의 하나인 통신도 재해에 맞설 수 있는 강인한 인프라 조성이 지상 명제다. 기지국이 재해를 당하면 전원이 소실되거나 전송로로 사용되는 광회선이 단절되는 일도 있다. 전원의 경우는 예비 배터리를 기지국에 상비하고 있으며, 광회선에 대해서는 대체 방책으로서 위성 회선을 준비하는 등 이동통신 각 사는 대책을 세우고 있다.

단, 동일본대지진과 같이 상정을 웃도는 대규모 재해가 발생하면 에어리어 내의 기지국 대부분이 파괴된다. 광범위하게 혹은 장시간에 걸쳐 통신이 두절되는 것은 피할 수 없다. 그러한 경우에도 조기에 에어리어를 복구할 수 있도록 각 이동통신사는 다양한 대책을 강구하고 있다. 그 중에서도 기대를 모으고 있는 것이 차세대기술의 하나인 드론 활용이다.

-- 상공 150m의 높이에 강하다 --
소형 경량에 무인으로 비행할 수 있는 드론은 재해 시에 육상이나 해상에서 휴대전화서비스의 제공이 어려워졌을 때 상공에서 전파를 보내 일시적으로 에어리어를 구축하는 역할을 담당한다.

KDDI는 드론에 소형∙경량화한 휴대전화기지국시스템을 탑재한 ‘드론 기지국’ 실증 실험을 17년 12월에 실시하였다.

드론 본체에 소형∙경량화한 휴대전화기지국시스템(무선설비∙모바일코어설비)을 탑재하여 단체(單體)로 이동통신의 에어리어를 구축, 이동통신서비스의 일부 기능을 제공하는 것이다. 이 시스템의 이동관리 기능에 의해 휴대전화에서 발신하는 전파를 포착함으로써 대상 에어리어 내의 상황도 확인할 수 있다. 때문에 구조 요청이나 수색 활동에 대한 활용도 기대할 수 있다.

NTT도코모는 드론에 전용 소형중계국을 탑재하여 주변에서 기능하고 있는 기지국의 전파를 상공에서 포착, 리피터로 중계하여 임시 에어리어를 형성하는 ‘드론 중계국’의 실용화에 착수하고 있다.

기지국이 파괴되어 휴대전화서비스가 중단된 지역의 구제 대책으로서 이동기지국 차가 있으며 도코모는 이 차량을 전국 각지에 배치하고 있다. 드론은 운반성이 뛰어나며 재해지의 지반의 영향을 받지 않기 때문에 토사붕괴 등 이동기지국 차로는 대응이 어려운 상황에서도 신속한 복구를 실현할 수 있다. 또한 상공 150m까지 올릴 수 있기 때문에 기지국의 전파를 캐치하기 쉽다. 효율적으로 광범위하게 전파를 보낼 수 있다는 이점도 있다고 한다.

-- 조난자 수색에 드론 활용 --
-- 반경 7km의 광범위 커버 --
-- 선상 기지국에서 전파 방사 --
-- 기구를 사용해 주변을 에어리어화 --

Part 6. P4가 촉구하는 ‘성역’ 개방
데이터 플레인도 프로그램 가능

‘SDN으로는 아직 부족하다’. 네트워크 기능을 더욱 자유자재로 활용하고 싶다는 요구를 배경으로 새로운 움직임이 시작되었다. 데이터 플레인이라는 네트워크기기 벤더의 ‘성역’이 개방되려 하고 있다.

SDN(Software Defined Networking)에 의해 네트워크가 프로그램이 가능한 것이 된지 5년. 예전에는 스위치/루터를 제공하는 네트워크기기 벤더만 다룰 수 있었던 네트워크 기능도 지금은 SIer/NIer이나 유저 스스로 어느 정도 자유롭게 다룰 수 있게 되었다.

그러나 유저 측이 프로그램할 수 있는 범위가 아직 한정적이다. 남겨진 ‘성역’이라고 말할 수 있는 것이 데이터 플레인, 즉 칩 세트다.

SDN에 의한 ‘소프트웨어 정의’는 결국, 컨트롤 플레인 측에 한정된 것이었다. 데이터 플레인(=ASIC 등에 탑재된 기능)을 컨트롤 플레인에서 어떻게 사용할 것인가를 정의하는 것에 불과하다.

따라서 SDN로 가능한 것은 ‘기존 프로토콜이 있다는 전제’가 된다. 유저가 현재는 존재하지 않는 네트워크 기능을 사용하고 싶다고 생각해도 그것을 실현하는 프로토콜을 장착한 ASIC와, 그것을 탑재한 기기의 등장을 기다릴 수밖에 없다.

이 성역을 개방하여 데이터 플레인도 자유자재로 프로그램이 가능하도록 하려는 움직임이 시작되었다. 바로 ‘P4’다.

-- 유저가 프로토콜을 만든다 --
P4는 ‘Programming Protocol Independent Packet Processors’의 약자로 데이터 플레인을 프로그램하기 위한 언어다. 데이터센터사업자나 통신사업자, 네트워크기기/칩벤더 등이 참가하는 컨소시엄 ‘P4.org’에서 오픈소스로 개발되고 있다.

구체적으로는 경로테이블(Routing Table)이나 MAC테이블과 같은 네트워크처리를 하는 테이블의 행동을 정의할 수 있다. 예를 들면 ‘받은 패킷을 해석하여 MAC 어드레스가 이에 매치하면 이 액션을 한다(출력 포트를 ○번으로 한다 등)’와 같이 P4언어로 쓰면 그것이 하드웨어 레벨에서 처리된다.

Net One Systems 비즈니스추진본부의 신바야시(新林) 씨는 “P4는 프로토콜이 있다는 전제가 아니라 프로토콜 그 자체의 움직임으로 정의할 수 있다. 마음만 먹으면 ‘자신의 프로토콜’을 만들어 장착하는 것도 가능하다. 게다가 그것이 CPU가 아니라 (보다 퍼포먼스에 뛰어난) ASIC 상에서 움직인다는 것이 매력이다”라고 말한다.

-- P4의 유망 유스케이스 --
-- Cisco와 Arista도 대응 --
-- ‘일반 스위치’에 기능 추가 --
-- 5G서비스를 지원하는 기반으로 --

  -- 끝 --