산업용 사물인터넷, 스마트공장, Industrial IoT, Smart Factory, 5G New Radio 기반
KSP Keywords
5G mobile, 5G mobile communication, Automation System, Industrial Automation, Industrial automation systems, Low latency, communication technologies, massive connectivity, mobile communication
Funding Org.
과학기술정보통신부
Research Org.
한국전자통신연구원
Project Code
21HH1200, Development of Beyond 5G Mobile Communication Technologies (Ultra-Reliable, Low-Latency, and Massive Connectivity) and Combined Access Technologies fo,
Jaesheung Shin
Abstract
연구개발 목표 및 내용 최종 목표 4차 산업혁명의 핵심인 스마트공장(Smart Factory) 구축에 필요한 (1) B5G(Beyond 5G) 선도 핵심 기술 개발 및 5G/B5G 표준화 (2) 5G 기반 산업용 사물네트워크 시스템 개발 전체 내용 [개요] O 4차 산업혁명의 핵심인 스마트공장 구축에 필요한 셀룰러 기반 산업 자동화 (Industrial Automation) 기술 개발 - 스마트공장은 제품의 기획, 설계, 생산, 유통 및 판매 등 전 생산 과정을 ICT 기술로 통합하여 최소 비용과 시간으로 고객맞춤형 제품을 생산하는 공장을 의미 - 산업 자동화란 제품의 제조를 위해 설계에서부터 생산의 제어시스템, 로봇이나 컴퓨터를 이용한 생산설비 등을 조화롭게 사용하여 사람의 개입을 최소화하고 기계나 컴퓨터에 의해 자동화한 일괄 생산 시스템을 의미 - 본 과제는 5G/B5G 기반의 혁신적인 셀룰러 기술을 활용하여 스마트공장의 생산 과정에 필요한 생산 자동화 솔루션을 구축하는 것이 목표이며, 이를 기반으로 셀룰러 기술을 활용한 스마트공장 전 과정의 산업 자동화 시스템 구축으로 확장 가능 - 생산 자동화를 위해서는 생산 라인 단위의 로봇 초정밀 모션 제어, 공장 단위의 다수의 센서 및 액추에이터를 이용한 생산 공정 모니터링 및 실시간 제어, 원격 로봇을 통한 탐지 및 제어, 공장 내 장비 및 제품의 트래킹 등이 필요하며, 셀룰러 기반의 자동화 시스템 구축을 위해 저지연, 고신뢰, 초연결 통신 기반의 산업용 사물네트워크(IIoT; Industrial IoT) 기술이 필수 - 5G 성능 한계를 넘어서는 저지연, 고신뢰, 초연결 통합 전송 및 접속 기술 개발을 통해, 기존 Fieldbus, Industrial Ethernet, Wireless HART, ISA SP100.11a 등과 같은 유선 및 근거리 무선 기반 생산 자동화 솔루션 대체도 가능
O 기술 개발 내용 (1) B5G 선도 핵심 기술 개발 및 5G/B5G 표준화 - 5G 성능 한계 극복 고신뢰 통신 기술 개발(1~3차년도) - 5G 성능 한계 극복 초연결 통신 기술 개발(1~3차년도) - B5G 기반 저지연.고신뢰, 초연결 통합 전송 및 접속 기술 개발 (4~5차년도) - B5G 기반 고신뢰 핵심 기술 검증용 PoC 개발(4~5차년도) (2) 5G 기반 산업용 사물네트워크 시스템 개발 - Pre-5G (NB-IoT 기반) 초연결 액세스 시스템 개발 (1차년도) - 3GPP 5G Rel-15 및 16 기반 IIoT PoC 및 시스템 개발 (2~5차년도) O 주요 성능치 (1) B5G 선도 핵심 기술 개발 및 5G/B5G 표준화 - 무선 구간 전송 신뢰도 (1 - BLER 기준): 1–10-9 이상 - 단위 면적 당 트래픽 밀도: 1Gbps/km2 이상 (2) 5G 기반 산업용 사물네트워크 시스템 개발 - 무선 구간 전송 신뢰도 (1 - BLER 기준): 1–10-6 이상 - 단방향 무선 구간 전송 지연: 0.5ms 이하 - 단위 면적 당 연결 밀도: 1개/m2 이상 [연구개발 내용] (1) B5G 선도 핵심 기술 개발 및 5G/B5G 표준화 O 5G/B5G 셀룰러 기반 산업용 사물네트워크를 위한 표준화 - 5G 기반 스마트공장 서비스 및 시스템 요구사항 표준화 - 5G NR 저지연.고신뢰, 초연결 및 Industrial IoT 기술 표준화 O 5G 성능 한계 극복 고신뢰, 초연결 핵심 기술 개발 - 5G 성능 한계 극복 초연결 핵심 기술 개발 √ 초연결 통신을 위한 새로운 Waveform 설계, 비직교 및 광대역 멀티캐리어 다중 접속 방식, Grant-free 기반 전송 방식 등 무선 전송/접속 방식 고도화 - B5G 초연결 무선 접속 기술 개발 √ B5G M2M 무선 접속 기술, 근거리 자율네트워킹을 이용하는 Direct M2M 통신 기술, 서비스 환경을 고려한 자원 충돌 방지 최적화 스케쥴링 기술 개발 등 - 5G 성능한계 극복 고신뢰 핵심 기술 개발 √ Diversity 기반의 신뢰성 보장 기술, 비면허 대역에서 신뢰성 향상을 위한 광대역 신호전송 기술, 낮은 오류율/저복잡도를 갖는 채널 코딩 기술, 고신뢰.저지연을 위한 상향링크 전송 기술 개발 등 O 차세대 저지연.고신뢰, 초연결 통합 전송 및 접속 기술 개발 - 초연결 중심 고신뢰, 저지연 통합 전송 기술 개발 √ Layered-preamble, Fast retrial, Reserved-preamble 등을 기반으로 하는 Random Access 기술, 셀 경계 없는 masswive MIMO 기술, 저지연을 달성하기 위한 HARQ 피드백 기술, 대규모 장치의 무허가 임의접속 기반 고신뢰/저지연 전송 기술 개발 등 - 저지연 중심 고신뢰, 초연결 통합 전송 기술 개발 √ 고신뢰 선형부호 기술, 비면허 대역 URLLC 전송의 지연 시간 감소를 위한 전송 및 접속 기술, 다중 TRP 기반 고신뢰 저지연 전송 기술, Power-domain NOMA 기술, Code-aided NOMA 기술 개발 등 - 초연결 중심 고신뢰, 저지연 통합 접속 기술 개발 √ Training 기반 채널 추정을 통한 Grant-free 다중 접속 기술, Advanced Direct M2M 통신 기술, 5G 초연결 MTC 단말의 통신 성능 향상 기술 개발 등 - 저지연 중심 고신뢰, 초연결 통합 접속 기술 개발 √ 다양한 IIoT 서비스 요구조건을 반영한 MTC 기술 최적화, IIoT 환경에서 지연 최소화 및 최적의 데이터 수집과 활용을 위한 통합 모델 개발 등 (2) 5G 기반 산업용 사물네트워크 시스템 개발 O Pre-5G 초연결 액세스 시스템 개발 (TRL-6, 1차년도) - 3GPP Rel-13 NB-IoT 기반 초연결 액세스 시스템 개발 - 3GPP Rel-13 NB-IoT 기반 초연결 액세스 시스템 기능 및 통합 시험 - 공장 환경에서 Pre-5G 초연결 액세스 시스템을 활용한 서비스 검증 O 3GPP Rel-15 5G 기반 산업용 사물네트워크 PoC 개발 (TRL-4, 2~3차년도) - 3GPP Rel-15 5G NR(New Radio) URLLC(Ultra-high Reliable and Low Latency Communications) 기반 산업용 사물네트워크 PoC 개발 - 3GPP Rel-15 5G NR URLLC 기반 산업용 사물네트워크 PoC 기능 및 통합 시험 - 공장 환경에서 Rel-15 5G NR URLLC 기반 산업용 사물네트워크 PoC를 활용한 서비스 검증 O 3GPP Rel-16 5G 기반 산업용 사물네트워크 시스템 개발 (TRL-6, 4~5차년도) - 3GPP Rel-16 5G NR URLLC 및 5G NB-IoT 기반 산업용 사물네트워크 시스템 개발 - 3GPP Rel-16 5G NR URLLC 및 5G NB-IoT 기반 산업용 사물네트워크 시스템 기능 및 통합 시험 - 공장 환경에서 Rel-16 5G NR URLLC 및 5G NB-IoT 기반 산업용 사물네트워크 시스템을 활용한 서비스 검증 [과제 수행 방법] O 5G/B5G 선도기술 개발 및 기술 검증용 PoC 개발과 5G 규격을 준용하여 스마트공장의 생산자동화를 위해 적용될 수 있는 시제품 개발을 병행 추진 O 3GPP를 통한 국제 표준화와 5G 포럼 등 국내 주요단체 활동을 통해, 개발 기술의 국제 표준화 추진과 국내에서의 기술 협력, 교류 활성화 O 기술 검증용 PoC 및 산업 현장에 적용 가능한 시제품 구현을 통한 서비스 검증 및 시연 O 기술 개발 및 서비스 활성화를 위해 이동통신 사업자, 관련 제조업체 및 학계 전문가로 구성된 협의체 구성
연구개발성과 [주요 연구 개발 성과] (1) B5G 선도 핵심 기술 개발 및 5G/B5G 표준화 - 5G 성능 한계 극복 고신뢰, 초연결 핵심 기술 - B5G 기반 저지연, 고신뢰, 초연결 통합 전송 및 접속 기술 - B5G 기반 고신뢰 핵심 기술 검증용 PoC (TRL 4, 5차년도) - 3GPP 5G/B5G 표준 기고 (기고서 제출/기고서 채택/표준안 채택): 128/16/24 (2) 5G 기반 산업용 사물네트워크 시스템 개발 - Pre-5G 초연결 액세스 시스템 (TRL 6, 1차년도) - 3GPP Rel-15 5G 기반 산업용 사물네트워크 PoC (TRL 4, 3차년도) - 3GPP Rel-16 5G 기반 산업용 사물네트워크 시스템 (TRL 6, 5차년도)
연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 [활용 계획] - 다양한 스마트공장 환경에서의 시스템 결과물 적용 및 사업화 - 표준특허 발굴을 통해 정부 R&D ROI 증대 - 관련 업체로의 기술이전 (5G/B5G 단말 및 기지국 모뎀, 프로토콜 설계 및 구현 기술) 추진 - 5G/B5G 이동통신 원천 기술 선점을 통한 핵심 특허 확보 및 국제 표준화 [기대 효과] - 스마트공장 기반의 공정 자동화, 생산성 향상, 신제품 출시 기간 단축을 통하여 제조업 분야의 전체 생산비 절감에 크게 기여할 것으로 전망 - ’20년 이후, 1조 달러 이상 예상(source: Postscapes.com, 2015)되는 Industrial IoT 분야 시장 진출을 위한 기반 마련 - 제조업 분야의 Industrial IoT 확산은 각 업체의 사업 및 성장기회를 확대시킬 수 있으며, 해외 생산 공장을 다시 국내로 불러오기 위한 기반으로 활용 - 정부의 ‘제조업 혁신 3.0 전략’에 기여함으로써 제조업 전반의 스마트 생산방식 확산 - 설치 및 운영 비용 절감, 커버리지, 유용성, 유동성, 이동성 등에 강점을 가진 셀룰러 기반의 생산 자동화 기술 확보 및 제조 분야 경쟁력 향상
(출처 : 요약문 10p)
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J. Kim et. al, "Trends in Lightweight Kernel for Many core Based High-Performance Computing", Electronics and Telecommunications Trends. Vol. 32, No. 4, 2017, KOGL Type 4: Source Indication + Commercial Use Prohibition + Change Prohibition
J. Sim et.al, “the Fourth Industrial Revolution and ICT – IDX Strategy for leading the Fourth Industrial Revolution”, ETRI Insight, 2017, KOGL Type 4: Source Indication + Commercial Use Prohibition + Change Prohibition
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