8. 릴이스 17
/ mm웨이브(mmWave)의 향상

릴리스 17은 52.6~71GHz 범위를 사용하기 위해 FR2-2라고 하는 24GHz~300GHz 범위인 mm웨이브(mmWave) 스펙트럼을 향상시킨다. mm웨이브 스펙트럼은 스펙트럼의 더 높은 부분에 있으므로 더 가까운 범위로 사용이 제한된다. 빔 포밍 기술을 사용하면 표준 3.5GHz 범위에 비해 범위 용량이 상당히 증가한다. 빔 포밍은 커버리지와 네트워크 효율성을 개선하고, 간섭을 줄이기 위해 여러 방식으로 사용된다. 궁극적으로 5G 네트워크를 이전보다 더 신뢰할 수 있다.

FR2-2 업데이트는 새로운 대역폭에 18GHz를 추가하여 상당히 증가시켰다. 대역폭은 사용 가능한 고주파 범위 내에 있기 때문에 경기장, 부두, 기차 기지 및 대규모 공장 바닥에 적합하다. FR2-25G NR 사양은 초저지연 및 초고 처리량을 필요로 하는 사용 사례에 대해 향상된 기능을 제공한다. 이는 주파수 분할 이중화(FDD) 및 시간 분할 이중화(TDD) 작동, Massive MIMO(Multiple Input Multiple Output) 안테나 어레이 지원, 빔 포밍 및 빔 추적과 같은 기능을 포함한다.

또한 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access), NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access) 같은 다중 액세스 기술도 지원한다. 더 높은 mm웨이브 스펙트럼 기술의 흥미로운 사용 사례 중 하나는 AGV(Autonomous Guided Vehicle)이다. AGV는 차량 자체에서 수행되는 제어 양으로 인해 엔지니어링, 커미션 및 유지 관리에 많은 노력이 필요하다. 지연 시간이 짧은 데이터 경로를 생성함으로써 많은 제어를 외부에서 수행할 수 있고, AGV가 더 민첩하고 비용 효율적이다. AGV 이동 거리는 mm웨이브 안테나의 범위 내에 있으며, 장거리 전환을 허용하도록 조정할 수 있다.
 

9. 릴리스 18

릴리스 18은 스터디 릴리스로 간주할 수 있다. 즉 많은 공장 자동화 요구 사항, 검증, 테스트 또는 사례 연구가 적용되는 것이 아니라 중요한 연구가 고려된다. 공장 자동화에서 사용하기 위한 포지셔닝의 증가는 “수직 도메인의 사이버 물리적 제어 애플리케이션에 대한 서비스 요구 사항”의 기술 사양 그룹 서비스 및 시스템 측면에서 실질적으로 고려된다. 요구 사항 문서는 공장 자동화 및 프로세스 산업에 대한 추가 사양 정렬에 중요하다.

10. 주변 사물인터넷

차세대 저전력/무전력 센서와 솔루션은 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)로 알려진 다양한 소스의 전력을 사용하고, 응용을 위해 고려 사항이 제시된다. 이 기술에서는 감지, 위치 지정 및 IO뿐만 아니라 인트라 로지스틱스와 자동차 재고 추적을 고려할 수 있다. 저비용의 저전력/무전력 솔루션은 대규모 센서 어레이를 가능케 한다. 일반적으로 RFID를 사용하는 시스템을 활성화하면 데이터 전송이 크게 증가하고, 3가지 범주의 장치가 고려된다.
•장치 A는 역 산란 전송을 사용하여 입력에 반응하는 무동력 수동형 장치이다.
•장치 B는 에너지 저장 장치가 있는 반수동형 장치이다.
•장치 C는 독립적인 출력 신호를 가진 능동형 장치이다.

5G 네트워크 내에서 이론적인 앰비언트 IoT 응용 프로그램을 적용할 때 4가지 토폴로지를 고려한다.
•토폴로지 1 : 앰비언트 IoT 장치(장치 A)
•토폴로지 2 : 중간(메시) 노드에 대한 백스캐터 네트워크에서 앰비언트 IoT 장치(장치 A)
•토폴로지 3 : 백스캐터 네트워크로 전송하는 앰비언트 IoT 장치(장치 B)에 노드 지원에 대한 백스캐터 네트워크
•토폴로지 4 : Wi-Fi, Bluetooth 등과 같은 다른 기술의 고려 사항으로 인한 사용자 장비(5G 지원 전화)다.

가능한 애플리케이션의 일부 추정치는 RFID 시장과 같다. 2022년 200억 원대에 달하는 RFID는 2031년14) 490억 원대에 이르고, 토폴로지 및 장치를 릴리스 19로 제한하면 표준화 속도가 굉장히 빨라질 것이다. 이는 스케줄링 초기에 emBB 릴리스와 함께 5G 사양으로 수행되었으며, URLLC는 훨씬 나중에 발생했다. 일부 결과를 달성하기 위해(TR 22.840의 사례 연구를 통해) 인벤토리(Inventory)와 같은 기본 사용 사례를 설명하고, 통신 범위·위치 정확도 등과 같은 기준선 속성에 초점을 맞추었다.

또 접근 방식을 고려한 한 가지 기술은 교차 대역 작동이다. 크로스 밴드 작동(Cross-band Operation)은 칩의 가장 큰 전력 소비 중 하나인 수정 발진기를 BOM에서 제거하고, 대신 클록 기준 신호를 전송한다. 산업 통신에서 센서는 이론적으로 나머지 네트워크와 동기화된다. 전송 속도를 이해하려면 더 많은 연구가 완료되어야 한다. FDD 스펙트럼으로 알려진 주파수 분할 이중화 또는 700~2000MHz에 중점을 두고 어떤 대역을 사용해야 하는지를 논의하고 있다. 그만큼 저전력 특성상 저주파 대역도 고려되어야 한다.

11. 릴리스 21(6G)

6G의 가능성은 3GPP에 의해 공식화되었고, 2024년에 시작되는 연구는 릴리스 21에서 시작된다. 사양은 2028년에 시작되고, 2029년 중반에 출시될 것으로 보인다. Sub THz가 가능한 트랜시버 데모는 6G 증가를 기대하며, 전 세계 여러 기관에서 개발되고 있다. 릴리스 19 또는 20에서 고려되지 않은 잠재적 고통 중의 하나는 5G에서 결정론적 시스템을 안정적으로 적용할 수 있는 능력이다. “6G 네트워크에서 결정론적 통신을 향해” 1ms는 엔드 투 엔드 시스템의 결정론적 주기 시간이 아니며, 앞으로도 그렇지 않을 것이다. 실제로 5G 네트워크와 URLLC 요구 사항은 공장 자동화 스펙트럼의 전부는 아니지만 일부 애플리케이션만 해결했다. 이 주장은 TSN(IEC 802) 및 IETF(인터넷 엔지니어링 태스크 포스의) 결정론적 네트워킹 프로토콜을 모두 다루면서 5G가 무엇을 할 수 있는지에 대해 설명함으로써 활용 가능하다. RAN(Radio Access Network)은 복잡성에서 수량화할 수 없기 때문에 기본적으로 가장 약한 링크는 유선 구조에 비해 신뢰성을 따진다. 향상된 기능을 고려하려면 802.1CB 사양인 신뢰성을 위해 프레임 복제 및 제거 작업을 완료해야 한다. DetNet PREOF (Packet Replication, 제거 및 주문 기능)도 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또 다른 문제는 5G 네트워크의 승인 제어(신규 사용자가 네트워크 결정성에 영향을 미치지 않도록 어떻게 보장하는지)와 리소스 관리(전송 기능의 효율적인 사용을 보장하는 방법)이다. 결국 5G는 테스트베드 사례와 관계없이 대역폭 및 낮은 오류율 측면에서 유선 시스템과 일치할 수 없다(하나는 일치할 수 있지만, 다른 하나는 일치하지 않음). 그러나 암묵적인 문제를 해결할 수 있는 방법이 있다. 이전에 논의한 것처럼 DetNet과 TSN은 신뢰성을 높이기 위해 네트워크 경로를 다양화하는 방법을 가지고 있다. 이동성에 기반한 간섭이나 비정적 실제 네트워크 모델
(채널 효과?)과 같은 무작위 영향은 생산 단계에서 실험적인 솔루션을 제공해 왔다. 그러나 보장 데이터 및 서비스 도착 패턴을 생성하는 것으로 보이는 정보 또는 대기열 향상을 기반으로 하는 이론적 솔루션이 있다. IEEE의 연구에 따르면 “Wi-Fi 6은 매우 낮은 부하에서 1ms 미만의 애플리케이션을 지원할 수 있는 반면, 지연 요구 사항이 10~100ms으로 완화됨에 따라 5G NR과 관련된 성능 격차가 줄어든다”는 것이다.

12. THz 스펙트럼 사용

릴리스 21(6G) 및 모든 이전 세대의 텔레콤 통신의 근본적 변화 중 하나는 100GHz에서 시작하는 테라헤르츠 스펙트럼을 사용한다는 것이다. 예를 들어 5G는 71Gbps(기가헤르츠)로 제한된 기가헤르츠 스펙트럼 범위를 사용한다. 스펙트럼을 사용할 때 몇 가지 차이점은 초당 더 많은 데이터를 이동할 수 있는 이론적 용량이라는 것이다. 그러나 파장 잡음 제약이 범위를 제한한다. 5G는 24~52GHz 범위를 사용하는 FR2에서 이를 확인했다. 252-322GHz로 정의된 IEEE뿐만 아니라 텔레비전 방송1)에서의 과거 사용으로 인해 초점이 맞춰진 주파수 중 일부는 도파관 D 대역에서 110~170GHz다. 버라이즌(Verizon) 또는 FCC는 7-16GHz 스펙트럼과 같은 6G에서 사용할 비 THz 범위도 할당했다. 신호를 수신할 수 있는 안테나는 초기 단계에 머물러 있고, 표준 방법을 사용해 신호를 전송하는데 상당한 어려움을 보여준다. 새로운 임베디드 설계의 초점은 수신 및 송신 측을 어렵게 하고, 사용 가능한 방법을 전달할 수 있어야 한다.3),4)

13. xURLLC

ACIA5) University6)와 같은 기관은 많은 공장 애플리케이션에서 최적이 아닌 최소 지연 시간이 1ms인 URLLC에 대해 언급했다. 또 높은 스펙트럼 효율성과 처리량, 에너지 효율성, 네트워크 가용성, 지터 및 왕복 지연7)과 같은 산업 자동화를 위한 많은 KPI는 병목현상으로 남았고, 산업 자동화에서 대규모 사용을 금지하고 있다. 차세대 URLLC 또는 xURLLC는 밀리 초 미만의 SCADA 시스템, 클라우드 컨트롤러와 같은 차세대 애플리케이션을 제공하고, KPI 해결을 목표로 한다. xURLLC는 3GPP, COMSec 및 기타 많은 조직에서 활용되고, 연구 단계에 와 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%20Journals%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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