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5G 네트워크와 EtherNet/IP 활용: 클라우드 환경 위한 TSN 연결(2편)

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이더넷/IP와 5G 네트워크의 시너지 통합

 

1. 계층에 따른 통합 아키텍처 매핑

정확한 타이밍과 동기화는 네트워크의 결정론적 속성을 보장하는 핵심 요소이다. EtherNet/IP는 오랜 기간 검증된 안정적인 성능 덕분에 산업용 애플리케이션에서 결정론적 통신을 제공할 수 있다. 5G 네트워크를 EtherNet/IP의 기반으로 통합함으로써 예측 가능하고 일관된 성능을 보장하는 결정론적 네트워크를 구축할 수 있다. EtherNet/IP는 일반적으로 명시적(Explicit) 및 암시적(Implicit) 두 가지 방식의 통신을 지원한다.

 

 

(1) 명시적 통신(Explicit Communication)

이 방식에서는 각 장치 간의 통신이 개별적인 ‘질의-응답’ 쌍으로 이루어진다. 즉, 한 장치가 정보를 요청하면, 수신 장치는 이를 해석하여 해당 요청에 대한 응답을 반환한다. 일반적으로 유지보수를 위한 데이터 진단 등과 같이 긴급하지 않은 메시지 교환에 사용된다. 이 글에서는 명시적 통신과 관련된 사용 사례를 탐구한다.

 

(2) 암시적 통신(Implicit Communication)

이 방식은 실시간성이 중요한 고속·저지연 애플리케이션을 위해 설계된 통신 방식이다. 주로 컨트롤러 간 주기적인 데이터 교환이나 알림 전송과 같은 용도로 사용된다.

 

EtherNet/IP는 공통 산업 프로토콜(CIP, Common Industrial Protocol)을 기반으로 구축되었으며, OSI 모델의 다양한 계층에서 데이터 표현, 연결 관리, 메시지 교환을 지원하는 객체 지향적인 접근 방식을 따른다. CIP를 채택함으로써 EtherNet/IP는 제어, 동기화, 모션 및 안전과 같은 자동화 서비스를 원활하게 통합할 수 있다.

 

OSI 모델을 기반으로 이더넷의 일반적인 구조는 아래와 같다.

 

CIP 계층이 애플리케이션 계층을 담당하며, UDP가 전송 계층 프로토콜로 사용되고, 물리 계층은 5G 기술이 통합된 EtherNet/IP로 구성된다. EtherNet/IP의 주요 장점 중 하나는 CIP 및 IEEE 표준을 애플리케이션 계층에서 활용하여 물리적 통신 매체를 유연하게 선택할 수 있다는 것이다. 이로 인해 다양한 환경에 맞춘 네트워크 구성 및 통신 설정이 가능해진다.

 

 

성공적인 통합을 위해서는 OSI 스택에서 EtherNet/IP와 5G 네트워크를 시너지 효과가 나도록 매핑하는 것이 중요하다. 5G는 물리 계층을 담당하고, EtherNet/IP는 애플리케이션 계층을 담당함으로써 두 시스템 간 효율적인 데이터 교환이 가능해진다. 또한 CIP의 기능을 활용하여 이더넷과 인터넷 프로토콜을 원활하게 연계하면, 현대 제조 환경에서 신뢰할 수 있고 효율적인 통신을 제공하는 강력한 산업 자동화 솔루션이 된다.

 

 

5G 네트워크는 공중 교환 전화망에서 신뢰성 높은 메시지 전송을 위해 사용되는 MTP(Message Transfer Part) 프로토콜을 활용한다. 이는 중복되지 않은 순차적인 SS7 메시지 전송을 가능하게 하며, 네트워크 계층 및 데이터 링크 계층에서 원활한 통합을 지원한다.

이 글에서는 EtherNet/IP를 5G와 통합하기 위한 기본 모델링을 탐구하며, 이후 섹션에서 파일럿 테스트 설정을 기반으로 한 실험 진행 상황을 다룬다.

 

2. EtherNet/IP와 5G 테스트베드

이 두 기술의 시너지 효과를 완전히 이해하려면 기존 연구 및 평가 결과를 살펴볼 필요가 있다. Rockwell Automation, Ericsson, Qualcomm, Verizon 등 4개 기업은 산업 환경에서 ‘프라이빗 5G’(Private 5G)를 테스트하는 공동 프로젝트를 진행했다. 연구 결과, 5G 기술이 기존 유선 연결을 대체할 수 있다는 것이 입증되었다.

 

이 연구는 산업용 사물인터넷(IIoT) 및 자동화를 위한 5G 네트워크가 프라이빗 네트워크와 밀리미터파(mmWave) 대역을 활용하여 신뢰성 높은 고속 연결을 제공할 수 있음을 보여주었다. 실험은 각 기업에서 제공한 특수 장비를 활용했으며, 결과적으로 5G 네트워크가 유선 연결보다 우수한 성능을 발휘했다.

 

이러한 연구 성과는 산업 환경에서 비용이 많이 드는 유선 인프라를 없앨 수 있음을 의미한다. 대신 무선 5G 네트워크를 사용하면 비용 절감, 시간 절약, 환경 친화적인 운영이 가능하다. 긍정적인 연구 결과를 바탕으로 연구팀은 5G 기술을 다양한 산업 환경에 더욱 광범위하게 적용하는 방안을 모색할 예정이다.

 

이 연구는 5G 기술이 신뢰성 높고 빠른 연결을 제공하면서도 비용 효율적인 솔루션이 될 수 있음을 증명했다. 향후 5G 기술의 산업적 응용 가능성이 더욱 확대될 것으로 기대된다.

 

 

(1) 사용 사례-모션 컨트롤 드라이버

일반적인 EtherNet/IP 장치는 ‘EtherNet/IP 슬레이브 디바이스’(EtherNet/IP Slave Device)로 구성되며, 예를 들어 모션 컨트롤 드라이버(Motion Control Driver)의 경우, EtherNet/IP 객체는 모터 객체(Motor Object)로 정의된다. 이러한 EtherNet/IP 설정을 5G와 결합하는 방식이 연구되고 있다.

 

3GPP 16 및 17 버전의 사양을 기반으로 미션 크리티컬(mission-critical) I/O 모터 제어 플랫폼을 구현하는 데 있어, EtherNet/IP 모션 객체를 활용하는 방법이 검토되고 있다. 이러한 모션 제어 사용 사례에서는 비면허 대역인 17-mmWave(52.6~71GHz)가 TSN(Time-Sensitive Networking) 기반의 RTT(Round-Trip Time) 방식을 구현하기에 가장 적합한 것으로 나타났다.

 

(2) 5G 산업 자동화의 주요 응용 분야

· 로봇 모션 컨트롤 : 산업 자동화에서 가장 중요한 애플리케이션 중 하나는 기계 공구, 조립 로봇, 정밀 AGV(무인운반차) 등을 제어하는 것이다. 이러한 작업은 높은 신뢰성과 낮은 지연 시간이 요구되며, 공장 내부에서 이동 중인 장비에서는 데이터 재전송이 비효율적일 수 있다. 5G URLLC(Ultra-Reliable Low Latency Communication)는 이러한 환경에서 높은 가용성과 낮은 지연 시간을 보장할 수 있다.

· 지능형 교통 시스템 : 5G URLLC를 활용하면 열차 운영의 실시간 경로 설정, 간격 조정 및 제어가 가능하다. 충돌 방지, 선로 최적화, 안전 거리 유지 등의 기능을 초저지연으로 수행할 수 있어 운송 효율을 극대화할 수 있다.

· 공장 자동화 : 기존의 유선 공장 자동화 인프라는 프라이빗 5G 네트워크로 대체할 수 있다.

TSN 마스터가 5G 무선 장치와 연결되면 배선 비용과 작업량을 최소화하면서도 높은 성능을 유지할 수 있다.






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