[논문 리뷰] Wireless Communications for Smart Manufacturing and Industrial IoT: Existing Technologies, 5G, and Beyond

Md. Noor‐A‐Rahim, Jobish John외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 13.

Digital Transformation in Industry인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 산업용 인터넷(IIoT) 및 스마트 제조를 위한 기존 및 신규 무선 통신 기술에 대한 종합적인 조사를 제공하며, 공장 자동화 환경에서의 적합성을 평가하기 위해 Wi-Fi 6, ZigBee, LoRaWAN, NB-IoT 및 5G NR와 같은 프로토콜을 분석한다. 신뢰성, 지연, 에너지 효율성 및 상호운용성 분야의 주요 과제를 규명하고, 5G 및 향후 6G가 산업 4.0 환경에서 초고신뢰성, 저지연, 대량 기계유형 통신을 가능하게 하는 전환적 기술로 작용할 수 있음을 강조한다.

ABSTRACT

Smart manufacturing is a vision and major driver for change in industrial environments. The goal of smart manufacturing is to optimize manufacturing processes through constantly monitoring and adapting processes towards more efficient and personalised manufacturing. This requires and relies on technologies for connected machines incorporating a variety of computation, sensing, actuation, and machine to machine communications modalities. As such, understanding the change towards smart manufacturing requires knowledge of the enabling technologies, their applications in real world scenarios and the communications protocols that they rely on. This paper presents an extensive review of wireless machine to machine communication protocols currently applied in manufacturing environments and provides a comprehensive review of the associated use cases whilst defining their expected impact on the future of smart manufacturing. Based on the review, we point out a number of open challenges and directions for future research.

연구 동기 및 목표

• 산업용 인터넷 및 스마트 제조를 위한 현재 및 신규 무선 통신 기술에 대한 종합적인 리뷰를 제공하기 위해.
• 실제 산업 응용 사례에서 기존 무선 프로토콜(예: Wi-Fi 6, ZigBee, LoRaWAN, NB-IoT, 5G)의 적용 가능성과 한계를 평가하기 위해.
• 스마트 공장 내 이종 무선 네트워크에서의 신뢰성, 지연, 에너지 효율성 및 상호운용성 분야의 열린 과제를 규명하기 위해.
• 5G 및 향후 6G 기술이 산업 자동화를 위한 초고신뢰성, 저지연 통신(URRLC) 및 대량 기계유형 통신(mMTC)을 어떻게 지원할 수 있는지 탐색하기 위해.
• Time-Sensitive Networking(TSN) 및 IP 기반 프로토콜과 같은 신규 표준이 IT 및 OT 통신 스택을 통합하는 데 어떻게 기여할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 산업 자동화에 사용되는 무선 프로토콜 및 표준(IEEE 802.11, 802.15.4, 802.15.1, 3GPP 5G, LPWAN)에 대한 체계적 문헌 검토.
• 신뢰성, 지연, 데이터 전송 속도 및 커버리지 측면에서 물리계층(PHY), 중앙접근제어계층(MAC), 고위계층의 프로토콜 스택을 비교 분석.
• mmWave 및 sub-6 GHz 대역을 포함한 산업 환경에서의 mMTC 및 URLLC 서비스를 위한 5G 뉴 라디오(NR) 평가.
• 스마트 공장 환경에서 IT/OT 네트워킹의 융합을 가능하게 하는 TSN 및 OPC-UA와 같은 신규 표준 평가.
• 산업 환경에서의 무선 센서를 위한 에너지 수확 및 저전력 운영 분석.
• 이동형 로봇, 실시간 제품 추적, 재구성 가능한 생산 라인과 같은 사용 사례의 통합을 통해 기술 요구사항을 매핑하기 위한 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특정 스마트 제조 응용 사례에 가장 적합한 기존 무선 프로토콜은 무엇이며, 지연, 신뢰성 및 에너지 효율성 측면에서 성능 상충 관계는 어떻게 되는가?
• RQ2 5G 및 향후 6G 기술은 특히 URLLC 및 mMTC를 위해 산업 자동화의 엄격한 요구사항을 어떻게 충족하는가?
• RQ3 한 개의 공장 환경에서 이종 무선 기술(예: Wi-Fi, ZigBee, LoRaWAN, 5G)을 통합할 때의 주요 과제는 무엇인가?
• RQ4 TSN 및 IP 기반 프로토콜과 같은 신규 표준은 스마트 공장에서 IT 및 OT 네트워크의 원활한 융합을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ5 특히 보안, 신뢰성 및 에너지 수확 측면에서 산업 환경에서 무선 기술을 대규모로 구현할 때의 열린 연구 과제는 무엇인가?

주요 결과

• WiHART, ISA100.11a 및 WIA-PA와 같은 기존 산업용 무선 프로토콜은 이미 공장 환경에 구현되어 있으며 센서 및 액추атор 네트워크의 신뢰성 있고 저지연 통신을 지원한다.
• LoRaWAN 및 NB-IoT와 같은 LPWAN 기술은 광역 외부 모니터링에 적합하지만 데이터 전송 속도와 지연 측면에서 제한이 있어 실시간 제어에는 적합하지 않다.
• 5G NR은 향후 스마트 제조를 위한 mMTC 및 URLLC 기능 덕분에 큰 잠재력을 지닌다. 다만, 이러한 서비스를 지원하는 상용 제품은 아직 출시되지 않았다.
• 에너지 수확은 산업 환경에서 무선 센서의 장기적이고 유지보수 없이 작동하는 데 있어 핵심적인 열린 과제로 남아 있다.
• TSN을 무선 네트워크(예: 5G 및 Wi-Fi 6)와 통합하는 것은 혼합된 유선 및 무선 산업 네트워크에서 결정적이고 저지연 통신을 가능하게 하는 주요 엔abler로 부상하고 있다.
• 5G에 대한 기대가 크지만, 산업 자동화 분야에서의 대규모 실세계 구현은 여전히 부족하며, 실제 공장 조건에서의 성능 데이터도 여전히 부족하다.