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Nikkei Monozukuri_22.7 특집 요약 (p43-62)

공장이야말로 Local 5G
안정∙고속 무선으로 공장이 진화

고속, 대용량, 저지연, 동시 다수 접속. 요란하게 등장한 ‘5G’는 아직 보급이 미비하다. 사실 공장처럼 한정된 범위에서 독자적으로 네트워크를 구축할 수 있는 ‘Local(로컬) 5G’야말로 5G 실력을 발휘할 수 있다는 의견이 있다.

다만 꼼꼼한 사전 조사가 필요하고, 독자적으로 네트워크를 구축해야만 하는 수고와 비용도 든다. 4개의 실례를 바탕으로 로컬 5G의 장점과 단점, 도입에 필요한 설비 등을 소개한다. 로컬 5G 실력을 살펴보자.

Part1. 총론
안정/ 고속 무선으로 공장이 진화, 사전 조사와 ‘설계’가 필수

“다품종 소량생산에 대응할 수 있는 자유도 높은 생산라인으로 만들고 싶다” “베테랑에서 젊은 층으로의 기능 승계 대책을 세우고 싶다” “재료의 질감 등을 확인할 수 있는, 정밀도 높은 원격 감시를 실현하고 싶다”.

급격한 사회 및 시장 변화에 맞춰 생산현장에 이러한 변혁을 요구하는 목소리는 많다. 이를 실현하기 위해 개혁을 추진하고 있는 공장도 적지 않다. 이러한 공장 개혁에 유효한 것이, 공장 부지와 같이 한정된 범위에 민간기업 등이 독자적으로 5G 네트워크를 구축할 수 있는 ‘로컬 5G’다.

왜 통신시스템이 공장을 바꿀까? 선진 공장에서는 로봇이나 AGV(자동운반차)는 물론 NC 공작기계나 머시닝 센터 등 공장을 움직이는 각종 기계설비가 통신네트워크에 연결돼 있기 때문이다.

공장 내 혈관 또는 신경이라 할 수 있는 통신네트워크를 로컬 5G에 의해 무선화할 수 있다면, 그것이 ‘윤활제’가 되어 공장이 지금보다 더 원활하게 움직일 것으로 기대된다.

로컬 5G의 통신네트워크는 무선 LAN(Wi-Fi)보다 대용량 데이터를 고속으로 전송할 수 있으며 지연이 작고 무엇보다 훨씬 안정적이다. 이더넷과 같은 유선 네트워크에 가깝고, 확실하고 고속의 안정된 통신을 무선화할 수 있는 것이다.

기계의 성능을 끌어내는 데 윤활유가 중요한 역할을 하듯 공장의 성능은 통신의 질로 크게 달라진다고 말해도 좋을 것이다. 규모의 대소를 불문하고 기계나 설비를 통신네트워크에 접속하고 있는 공장이라면 로컬 5G와는 무관하지 않다.

그러나 ‘자유도가 높은 생산라인’ ‘기능 승계 대책’ ‘정밀도 높은 원격 감시’와 같은 어플리케이션과 어떻게 관계를 맺을까? 본고에서는 이러한 공장 개혁이어야 로컬 5G가 효과를 발휘할 수 있음을 해설한다.

-- 불안정한 Wi-Fi, 안정적인 로컬 5G --
5G는 ‘고속∙대용량’ ‘저지연’ ‘동시 다수 접속’이라는 3개의 큰 특징을 갖는 무선 통신 규격이다. 사양 상, 다운로드 데이터 전송 속도는 최대 20Gbps(고속∙대용량), 전송하고 나서 수신까지 필요한 시간차가 1m초(저지연), 사방 1km 당 100만대의 디바이스와 접속할 수 있다(다수 동시 접속)는 특징이 있다.

이 사양은 4G에 비해 ‘데이터 전송 속도에서 20배, 저지연에서 10분의 1, 다수 동시 접속에서 10배’다. 이 3개의 특징 외에 통신의 안정성이나 높은 보안성이라는 장점도 있다.

이 5G를 통신사업자를 거치지 않고 자체 준비한 기지국 등의 설비를 사용해 이용하는 것이 로컬 5G다. 이용자가 스스로 면허를 취득해야 하고 기지국 등의 설비도 구입해야 하지만, 대신 기지국 배치나 설치 수 등 자유롭게 통신망을 설계할 수 있다. ‘전파가 도달하지 않기 때문에 기지국 설치를 통신사업자에게 의뢰했지만 언제 설치될지 모른다’와 같은 불편함도 없다.

무선이기 때문에 어디에 어떻게 케이블을 뚫을지 고민할 필요가 없고, 케이블 파손이나 경년열화도 걱정하지 않아도 된다. 설비와 네트워크를 접속하는 수고와 시간을 대폭 절약할 수 있다.

좁은 공장에서 소수의 NC 공작기와 서버 정도만 연결한다면 케이블 배선도 신경 쓰지 않아도 된다. 하지만 넓은 공장을 IoT화해서 로봇이나 상태 감시를 위한 센서 등 통신네트워크에 접속하고 싶은 설비나 기계가 늘어나면 케이블 수도 많아진다. 처리 및 접속 확인이 힘들고, 생산라인 구성을 변경하는데 많은 수고와 시간이 소요된다.

로컬 5G라면 케이블 설치 변경 공정을 생략하고 거의 소프트웨어 상의 설정만으로 확실하게 공장 내 공작기계나 설비 등을 무선으로 접속할 수 있게 된다. 즉, 서두에서 말한 것처럼 다품종 소량생산에 유연하게 대응할 수 있는 자유도 높은 생산라인으로 할 수 있는 것이다.

“무선화를 원하면 Wi-Fi로도 가능하지 않나?”라는 의문도 있을 것이다. 하지만 공장 관계자들은 이구동성으로 Wi-Fi는 용도가 제한적이라고 말한다.

가장 큰 문제는 Wi-Fi 통신의 불안정성에 있다. 좀처럼 접속이 안 되거나 갑자기 끊어지는 취약함이 있다. '끊기면 안 되는' 생산현장에서 Wi-Fi가 기피되는 가장 큰 이유다. 예를 들어 가동 중인 로봇과의 통신이 갑자기 끊겨 제어할 수 없게 되면 사고로 이어질 위험성도 있다.

그러나 5G는 통신하는 단말마다 기지국이 통신 상황을 확인하고 전파 할당을 조정하므로 다수의 단말이 통신하는 상황에서 간섭이 발생하지 않으므로 접속 상태가 안정적이다. 이 점에서 Wi-Fi와 크게 다르다.

예를 들면 오므론의 구사쓰공장(시가현)은 자동 운반 로봇을 Wi-Fi로 서버에 연결해 제어했는데 통신이 불안정해 로봇끼리 충돌하는 경우가 있어 22년 여름부터 로컬 5G로 전환한다.

-- SIM 인증으로 보안을 관리 --
보안이 뛰어난 것도 로컬 5G의 강점이다. 로컬 5G 통신네트워크는 단말기마다 ID를 할당한 SIM(Subscriber Identity Module)으로 관리한다. 이 점이 비밀번호로 관리하는 Wi-Fi와 다르다. 만일 태블릿 등의 단말이 도난을 당해도 단말의 ID 인증을 취소하면 그 단말에서는 네트워크에 접속할 수 없다. Wi-Fi에서는 네트워크에 접속하기 위한 패스워드를 변경하는 등의 수고가 든다.

그럼 프라이빗 LTE는 어떨까? 프라이빗 LTE는 이른바 '로컬 4G'다. 한정된 범위 내에서 자유도 높은 통신네트워크를 구축할 수 있다는 점에서는 로컬 5G와 공통된다. SIM 관리로 보안을 높일 수 있는 것도 마찬가지다. 통신 속도가 약 12Mbps로 느려지는 것을 참는다면 면허 취득이 필요 없는 'sXGP 방식'을 이용해 통신네트워크를 구축할 수 있어 로컬 5G보다 간편하다.

다만 앞서 언급한 대로 4G와 5G는 이론값으로 볼 때 성능 차이가 크다. 21년 8월부터 프라이빗 LTE(자영 등 BWA) 통신네트워크를 구축해, 4K 고정밀 영상 전송을 실험하고 있던 일본제철의 무로란제철소에서는 “2K 영상에서도 프레임 레이트를 많이 떨어뜨리지 않으면 제대로 전송하기 어렵다는 것을 실감했다”(일본제철 정보시스템부 나카가와(中川) 부장).

이에 대해 일본제철이 22년 1월부터 실시한 로컬 5G에 의한 통신네트워크 실증 실험에서는, “4K(3840×2160 화소)로 촬영한 고정밀 영상 데이터를 송수신해 PC의 디스플레이에 표시될 때까지 0.6초 정도의 저지연을 확인했다”(나카가와 부장).

로컬 5G에서 이용할 수 있는 2종류의 전파 주파수대 중 일본제철이 선택한 것은 'Sub6'(4.6~4.9GHz)다. 넓은 부지의 넓은 범위에 전파를 보내기 위해서이다. Sub6는 지향성이 낮고, 장애물이 있어도 돌아가 도달하기 때문에 또 하나의 주파수대인 ‘밀리파’(28.2GHz~29.1GHz)보다 상대적으로 통신 범위를 넓게 잡기 때문이다. 반면 밀리파는 지향성이 강해 쉽게 약해지지만 대용량 데이터의 송수신에 적합하다.

일본제철이 실증한 것처럼 고정밀 영상의 대용량 데이터를 저지연으로 전송할 수 있으면 원격지로부터의 작업 지시나 원격 조작에 이용할 수 있다.

히타치제작소는 자사 중앙연구소에서, 카메라로 촬영한 작업자의 움직임 영상을 분석해 프로젝션 매핑으로 다음에 취해야 할 행동을 지시하는 시스템을 실증 실험했다. 영상을 해석하거나 작업 지시 정보를 내보내는 서버와, 작업 현장과의 데이터 송수신 수단 중 하나로 로컬 5G를 채택했다. 프라이빗 LTE를 이용했을 때의 응답 시간은 4.2초였지만, 로컬 5G에서는 1.5초였다.

원격지에서 작업 지시를 할 때는 영상이 2, 3초 늦는 것만으로 지시나 조작을 그르칠 위험성이 높아진다. 최악의 경우 사고로 이어질 수 있다. 그래서 공장에서는 저지연이 필요하다.

일본제철과 히타치제작소의 실증실험 결과를 보는 한 “베테랑에서 젊은 층으로의 기능 승계’ ‘재료의 질감 등을 확인할 수 있는 정밀도 높은 원격감시’ 등에는 로컬 5G가 더 효과적이라고 말할 수 있다.

-- SA방식 도입으로 '진정한 5G'로 --
일본제철이나 히타치제작소처럼 19년부터 민간기업과 지자체 등이 진행하고 있는 실증실험 결과에 의해, 로컬 5G의 실력이 조금씩 드러나기 시작했다. 또한 ‘스탠드 어론(SA)’방식의 운용이 본격화. 5G가 보다 본연의 실력을 발휘할 수 있는 환경이 정비되기 시작했다.

SA는 5G 전용으로 개발된 5G 기지국 단독으로 제어 신호와 데이터 등을 통신할 수 있는 방식이다. 기존에는 LTE(4G)용으로 개발된 설비를 확장해 5G 통신망을 구축하는 ‘논 스탠드 어론(NSA)’ 방식을 운용했다. NSA 방식에서는 고속∙대용량 통신은 실현할 수 있어도 저지연이나 동시 다수 접속이라는 ‘5G만의’ 통신 기능을 도입하지 못했다. 즉, SA 방식의 도입으로 ‘진정한 5G’의 운용이 시작되었다고 할 수 있다.

예를 들면 SA방식에서는 송수신하는 데이터의 특징에 맞추어 독립된 슬라이스(경로)를 설치할 수 있는 ‘네트워크 슬라이싱’ 기능을 활용할 수 있다.

고정밀 영상 데이터의 전송이나 AGV의 제어와 같은 용도별로 각 슬라이스를 할당하고, 그 용도에 적합한 요구 조건을 충족하도록 사양을 바꾸어 운용. 어떤 슬라이스에서 발생한 오류 등이 다른 슬라이스에 영향을 주는 문제를 막아 통신 품질을 보다 높일 수 있게 된다.

SA 방식의 도입은 로컬 5G의 저가화에도 기여하고 있다. NSA 방식으로는 필요했던 LTE용 설비의 설치가 SA 방식에서는 불필요하게 되면서 통신네트워크 구축 시의 초기 비용을 억제할 수 있기 때문이다.

-- 도입 전에 필수인 사전 준비 --
SA 방식 도입과 서비스 저가화 등 로컬 5G를 도입하고, 그 혜택을 누릴 수 있는 환경은 갖춰졌다고 할 수 있다. 다만 로컬 5G를 적절히 도입해 충분한 효과를 거두려면 꼼꼼한 사전 준비가 필요할 것으로 보인다.

지금까지의 설명으로 알 수 있듯이 무선통신 네트워크에는 로컬 5G 이외에도 선택지가 있고, 이용자의 용도나 부담 가능한 비용, 공장 환경 등 다양한 요인에 따라 채택해야 하는 방식이 달라진다. 로컬 5G에도 밀리파와 Sub6라는 특징이 다른 주파수대가 있다.

선택하는 무선 방식은 하나로 좁혀야 하는 것은 아니다. 용도에 따라 병용하는 방법도 있다. 다양한 조합을 결정할 때 축이 되는 것은 ‘무엇을 목적으로 어떻게 사용할 것인가?’라는 이용자의 자세나 생각이다.

예를 들어 로봇이나 5축 가공기에 탑재되어 있는 액추에이터의 토크 데이터를 수집∙축적해서 가동 상황의 확인이나 예지 보전에 이용하는 것이 목적이라고 하자. 수집하는 데이터의 용량은 작아 데이터 전송이 다소 지연되더라도 문제가 없다. 다만 가동 중에는 계속 데이터를 전송할 필요가 있다.

그러면 LPWA(Low Power Wide Area, 저전력 광대역)라는 선택지도 부상한다. LPWA의 최대 데이터 전송 속도는 100bps로, Wi-Fi보다도 작아 지연 없이 데이터를 전송하기 어렵다. 대신에 소비 전력이 작아 러닝 코스트가 낮다. 면허 취득이 불필요한 언라이선스 밴드(특정 소전력 무선)도 있다.

실제로 LPWA와 로컬 5G를 병용하는 움직임은 있다. 예를 들면 앞에서 소개한 일본제철은 22년 4월부터 LPWA를 이용해 전국에 있는 각 제철소의 데이터를 일원 관리하는 시스템을 구축. 설비의 이상을 조기에 감지하기 위한 운용을 시작했다.

저비용에 간편한 Wi-Fi를 선택하는 것이 적절한 경우도 있다. 네트워크에 접속하는 설비∙기계가 소수이고 공장 규모도 작아 전파가 혼잡하거나 일시적으로 끊길 위험이 작거나 일시적으로 끊겨도 되는 용도라면 Wi-Fi도 문제없다.

반면 지연이나 두절이 허용되지 않는 애플리케이션이라면 로컬 5G 백업에 프라이빗 4G를 사용하는 방식도 있다.

이처럼 로컬 5G 도입을 검토할 때는 다른 무선통신 규격과의 비교나 검토 등 다양한 요건을 고려한 '설계'가 필요하다. 그러기 위해서는 5G나 통신네트워크에 정통한 스태프가 필요하다.

없으면 외부 컨설턴트 등에게 의뢰해야 한다. 기지국 등의 하드웨어를 구입하는 것과 별개로 여기서도 비용이 많이 발생한다.

-- 새로운 비즈니스가 생겨날 가능성도 --

Part 2. Case1 일본제철
4K 영상 데이터를 저지연으로 전송, '가볍고 급하지 않은' 데이터는 LPWA로

“4K(3840ⅹ2160화소)로 촬영한 고정밀 영상 데이터를 5G로 송수신해 PC 디스플레이에 나타나기까지 0.6초 정도의 저지연을 확인했다. 이때 30fps 정도의 프레임 레이트로 전송할 수 있었다”.

Part 2. Case2 닛신보 브레이크
약 1.4km 코스를 Sub6로 커버, 10GB 데이터도 원격지에서 즉시 공유

닛신보 홀딩스 산하의 닛신보 브레이크(도쿄)는 22년 4월, 자동차 브레이크에 사용하는 마찰재의 성능을 시험하는 아사히테스트코스(지바현)에 로컬 5G를 도입해 운용을 시작했다.

Part 2. Case3 오므론
약 1.4km 코스를 Sub6로 커버, 10GB 데이터도 원격지에서 즉시 공유

오므론은 22년도를 목표로 구사쓰공장(시가현) 안을 주행하는 자동 운반 로봇(모바일로봇) 제어에 로컬 5G 통신을 적용한다.

Part 2. Case4 히타치제작소
영상 지체 없이 AR로 작업 지원, 통신 경로 이중화로 확실하게 전송

히타치제작소는 자사 중앙연구소의 ‘협창의 숲’에 로컬 5G 통신 환경을 구축, 그 유효성을 확인. 로컬 5G를 활용한 신기술 개발 등에 착수한다

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