4차 산업혁명 시대의 차세대 네트워크로 주목받고 있는 5G는 대체 어떤 기술인가? 5G가 스마트공장에서 어떤 역할을 할까? 5G는 제조 현장을 어떻게 변화시킬까? 5G에 뒤따르는 수많은 질문에 답하고자 한다.

5G에 대하여

4차 산업혁명 시대 차세대 네트워크라고 불리는 5G의 핵심 키워드는 초고속(eMBB; Enhanced Mobile Broadband), 초저지연(URLLC; Ultrareliable and Low Latency Communication), 초연결(mMTC; Massive Machine Type Communication)이다. 이동통신 분야 표준화 기구 3GPP에서 기술 표준화에 대한 논의를 시작했고 유무선통신 국제 표준화 기구 ITU는 5G의 공식 명칭을 IMT-2020으로 채택했다.

라디오 주파수 대역의 통신규약 표준인 ITU-R이 정의한 5G가 갖춰야 할 성능은 크게 8가지다. 최고 전송 속도는 20Gbps, 사용자 체감 전송 속도 100Mbps, 주파수 효율은 4G 대비 3배, 이동속도는 500km/h, 전송 지연 시간은 1ms, 1km ²   당 단말 연결 밀도는 100만 개, 네트워크 에너지 효율은 4G 대비 100배, 1km ²   당 트래픽 용량은 10Mbps이다. 한 문장으로 요약하자면 더 많은 양의 데이터를 더 많은 기기에 연결하고 더 짧은 지연 시간을 보장해 실시간 서비스를 제공하는 네트워크다.

막힘없는 5G 고속도로

성균관대학교 스마트팩토리융합학과 정종필 교수는 5G를 ‘데이터 고속도로를 만드는 인프라’라고 정의했다. 스마트공장은 공장 내 설비와 기계에 산업 사물인터넷을 설치해 공정 데이터를 실시간으로 수집하고, 이를 분석해 목적된 바에 따라 스스로 제어한다. 기존 무선 네트워크 기술로는 처리 과정에서 발생하는 수많은 데이터를 감당해낼 수 없었다. 스마트공장이 원하는 실시간성을 보장하는 지연 속도는 10ms 이하인데, LTE의 지연 속도는 30~40ms이기 때문이다. LTE는 전송 속도의 향상을 바탕으로 음성에서 데이터 서비스를 제공하는 등 이동통신 콘텐츠의 확장에 중점을 둔 네트워크라 기존 스마트공장에서 실시간 감시와 제어를 위해서 불가피하게 유선 네트워크를 사용할 수밖에 없었다.

물론 지연 속도가 10ms 이하인 와이파이도 있지만, 다수의 기기에 붙일수 없다. 1개가 계속 점유하고 있으면 다른 기기는 기다려야 한다. 그런데 미션 크리티컬한 데이터 처리를 하려면 기다릴 시간이 없다. 반면, 5G는 스마트공장에서 발생하는 수많은 데이터에 신호등이 없어 멈추지 않고 목적지에 빠르게 도달할 수 있는 인프라를 제공하는 고속도로 역할을 한다. 5G 환경에서는 데이터를 지연 없이 빠르게 실시간으로 처리할 수 있다. 1~10ms 이하의 지연 속도를 보장해 스마트공장이 필요로하는 지연 속도를 충족하기 때문이다. 다수의 기기에 접속할 수 있음은 물론이다. 5G는 자율주행차, 국방, 의료, 반도체, 우주 항공처럼 작은 실수가 치명적인 결과를 초래하는 분야의 통신 기술인 미션 크리티컬 커뮤니케이션을 무선으로 실행시켜준다.

전용 차선 만들어 효율성 높여

자율주행차와 관련된 네트워크는 도로 위에서 발생하는 위험에 즉각적으로 반응하기 위해 1ms대의 초저지연 성능이 가장 중요하다. 반면 상수도 회사는 속도는 다소 느리더라도 수천 개 장치에서 소량 데이터를 동시에 전송할 수 있는 초대용량 연결 성능이 중요하다. 5G의 핵심 기술인 네트워크 슬라이싱(Network slicing)은 공통의 물리적 네트워크 인프라에 소프트웨어 가상화 기술로 가상 네트워크 여러 개를 만드는 기술이다. 각 가상 네트워크는 별개의 애플리케이션과 서비스, 기기, 운영자의 요구사항에 맞춰 최적화해 활용할 수 있다. 예컨데 5G 고속도로에서 첫 번째 차선에서 자율주행 자동차를 서비스하고, 두 번째 차선에는 사물인터넷 연결을 제공하는 등 네트워크를 분리해 서비스를 제공하는 것이 가능하다. 5G는 제공되는 서비스의 종류에 따라 주파수 및 네트워크 자원을 선택적으로 사용할 수 있어 효율적인 이용이 가능한 유연한 구조를 채택한다.

직항 네트워크 5G

이코노미 좌석에 앉아 10시간이 넘는 비행을 해야 한다면 누구나 경유지를 거치지 않고 바로 목적지로 향하는 직항 항공을 타고 싶어 한다. 하지만 직항 비행편이 없다면? 목적지에 도착해야 하니 돌아가더라도 경유 항공을 타는 수밖에 없다. 기존 무선 네트워크는 지연 속도가 느려 실시간성을 보장하지 못한다. 따라서 PLC를 경유해 네트워크를 안정적으로 구축할 수 있었다. PLC가 60년 가까이 산업 현장에서 가장 안정적인 장비로 자리 잡은 이유는 실시간성과 저지연성을 보장해줘 하드웨어 벤더가 의도했던 목표를 달성할 수 있기 때문이다.

5G라는 직항 네트워크의 등장이 필드 레벨-컨트롤 레벨-엔터프라이즈 레벨-MES 레벨로 연결되는 스마트공장의 계층적인 자동화 구조에 변화를 이끌어낼 예정이다. 초지연성으로 직항을 새로 만들어 경유지를 제거해주는 것이다. 필드 레벨에서 발생하는 고용량의 데이터를 컨트롤 레벨을 거치지 않고 윗단으로 옮겨서 처리할 수 있다. 제조 현장에 있던 많은 제어기를 모두 대체해주는 것이다.

5G가 스마트공장에 데이터의 고속도로를 구축해줬다면 인공지능 기술(AI)은 최적화라는 엑셀을 밟아 데이터 처리에 가속도를 붙여준다. 생산 설비의 센서가 수집한 데이터를 5G가 실시간으로 클라우드, 포그 등 가상 공간으로 옮겨 주면, AI가 학습된 모델을 통해서 고장 예측, 결함 진단 기능, 자율 주행 자동차 기술을 수행한다. 5G와 AI의 결합은 대용량의 데이터를 바탕으로 숙련된 노동자의 노하우를 시스템으로 구현해 낸다.

정 교수는 5G가 기존에 있던 솔루션에 더해져 산업 전반에 큰 변화를 몰고 올 것이라 예상했다. 최근 SKT가 머신비전 기술에 5G를 적용해 제품의 결함을 진단하는 솔루션을 선보인 것도 같은 맥락이다. 육안으로 보기 힘든 제품을 고성능 카메라로 찍어 다수의 이미지 데이터로 만들고 제품이 생산라인으로 이동하는 과정에 데이터를 실시간으로 클라우드로 올려서 생산라인에서 최종 제품 품질을 판단한다.

5G 적용의 걸림돌은?

5G는 자동화 공장의 단계를 넘어서 지능형 공장을 추구하고 데이터에 기반해 스마트한 서비스를 개발하고자 하는 기업에 대단한 가능성을 주게 될 것이다. 그러나 직항이 있음에도 많은 사람이 경유 항공을 타는 이유는 가격 때문이다. 몇몇 대기업은 5G 라우터(router)를 설치해 자체적으로 Private 5G 네트워크망을 구축하려는 준비를 하고 있다. 실제로 운영되고 있지는 않지만 많은 기업이 테스팅을 끝낸 상태다. 반면, 중소·중견기업은 통신 사업자가 설치하는 5G망을 이용해야 한다. 대용량의 데이터를 이용해야 하는 산업 현장에서는 구축에 따른 비용적 측면에서 큰 부담으로 작용할 수밖에 없다.

현재 네트워크 사업자들은 가격 정책을 정하지 못한 상태다. 정 교수는 “5G가 처리할 수 있는 데이터 양의 변화만큼 가격도 상승할 것”이라고 내다봤다. 일각에서 5G가 산업에서 파급력을 가져가기 위해서는 5G 네트워크를 개인 사업자가 아닌 정부가 구축하고 산업이나 개인이 접속해서 다양한 서비스를 구현할 수 있게 해야 한다는 주장이 나오는 이유다.

정 교수는 “5G는 5G 도입 이전의 제조 공정에 5G가 가지는 잠재력이 반영된 형태로 산업구조의 엄청난 변화를 초래할 것이다. 기존 제조 공정에서 가능하지 않았거나 힘들었던 제조 공정들을 더욱 쉽게 구현할 수 있게 해주기 때문이다. 하지만 공통 데이터 프레임워크로 이야기되는 IIoT 데이터 플랫폼 기술은 여전히 부족해 뛰어난 인프라를 기반으로 산업별 다양한 스마트공장 데이터 플랫폼을 구축해야 할 과제가 남아있다”고말했다.