최근 전기차 시장이 급성장하면서 전기차 충전 시장도 덩달아 커지는 추세입니다. 전기차 사용자는 케이블을 이용한 충전을 해야하기 때문에 많은 제약이 존재하며 이 문제는 무선 전기 차량 충전이 해결 방안이 될 수 있습니다. 오늘은 무선 전기 차량 충전에 대한 CST Studio Suite을 이용한 설계 분석에 대해 살펴 보겠습니다.

 

 

 

CST를 활용한 IIoT 구동 사설 5G 네트워크 설계

Dassault Systèmes, Stephen Jorgenson-Murray

 

 

사설 5G 네트워크가 IIoT의 차세대 혁신인 이유

 

5세대 모바일 통신 표준인 5G는 이미 전 세계적으로 출시되기 시작했습니다. 사실, 여러분 중 일부는 공용 5G 셀룰러 연결을 통해 이 게시물을 읽고 있을 것입니다. 하지만 분석가들이 2030년대까지 주요 시장으로 성장할 것으로 예상하는 5G의 또 다른 응용 분야가 있는데, 바로 산업용 사물 인터넷(IIoT)을 위한 사설 5G 네트워크입니다.

사설 산업용 무선 네트워크는 유선 네트워크보다 훨씬 더 유연하고 공용 네트워크보다 더 나은 보안과 안정성을 제공합니다. 네트워크를 다시 연결하지 않고도 시설을 변경할 수 있으며, 이는 가동 중단 시간을 최소화하면서 다양한 제품을 생산하기 위해 조립 라인을 자동으로 재구성할 수 있는 '스마트 팩토리' 개념의 잠재력을 최대한 발휘하는 데 매우 중요한 요소입니다. 사설 5G 네트워크는 공용 셀룰러 네트워크가 확산되는 도시 지역에서 멀리 떨어진 광산이나 항구와 같은 시설에도 필요할 것입니다.

산업용 사물 인터넷(IIoT) 애플리케이션에서 4G/LTE 및 WiFi와 같은 무선 프로토콜을 사용하려는 이전 시도는 이러한 기술의 몇 가지 한계로 인해 어려움을 겪었습니다. 조립 라인의 로봇 팔이나 자율 주행 로봇(AGV)과 같은 미션 크리티컬 기계에는 거의 즉각적인 응답 시간을 제공하는 매우 안정적인 연결과 원격 측정 및 고화질 비디오와 같은 데이터를 전송할 수 있는 충분한 대역폭이 필요합니다. 특히, AGV가 제조 현장을 가로질러 이동하는 동적 조건에서도 고품질 연결을 유지해야 합니다. 특히 WiFi는 이러한 시나리오에서 연결을 유지하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다. 5G는 이전 무선 프로토콜에 비해 훨씬 빠른 데이터 속도, 낮은 지연 시간, 우수한 동적 연결 지원을 제공하므로 제조 홀이나 창고와 같은 대규모 시설의 유선 네트워크를 대체할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

*IIOT 로봇은 로컬 네트워크에 안정적으로 연결되어야 합니다. 모든 작동 조건에서 연결성을 보장하기 위해 다양한 안테나 위치를 시뮬레이션해야 합니다.

 

사설 5G 네트워크 설계의 과제

제조업에서는 다운타임이 발생하면 많은 비용이 발생하며, 일부 유형의 시설(예: 창고, 발전소, 공항, 병원)에서는 안전에 치명적일 수 있습니다. 따라서 산업용 네트워크는 소비자 등급 네트워크가 허용하는 것보다 훨씬 더 엄격한 커버리지 및 안정성 표준이 필요합니다.

특히 파장이 너무 짧아 벽이 장애물이 되고 반사로 인해 복잡한 다중 경로 전파가 발생하는 밀리미터파(mm-wave) 대역의 경우 5G 네트워크의 커버리지를 확보하는 것이 어려울 수 있습니다. 대부분의 사설 5G 네트워크는 실내에 있는 시설을 커버하므로 커버리지와 연결 품질을 보장하기 위해 네트워크를 매우 신중하게 설계해야 합니다.

이러한 환경은 금속 기계, 차량, 컨테이너 및 기타 이동식 구조물로 가득 차 있는 경우가 많기 때문에 더욱 까다롭습니다. 사설 5G 네트워크는 예상되는 공간의 모든 구성에서 작동할 수 있을 만큼 민첩해야 합니다.
 

*격납고 내 네트워크 커버리지 평가: 복잡한 환경에서 음영 영역을 예측하는 최신 솔버를 통해 해석 가능합니다.

 

 

산업을 위한 5G의 힘을 실현하는 시뮬레이션

다쏘시스템은 민첩한 사설 5G 네트워크의 계획을 용이하게 하는 솔루션을 제공합니다. 이 솔루션은 제조업체와 기타 이해관계자가 최적의 5G 액세스 포인트를 설계할 수 있도록 지원할 뿐만 아니라 업계 최고의 SIMULIA 소프트웨어인 CST Studio Suite의 전자기 시뮬레이션 기술을 통해 복잡한 3D 환경을 통한 전자기장의 전파를 계산합니다. 반사와 회절을 포함한 전체 파동 거동을 모델링하여 다중 입력 다중 출력(MIMO) 및 다중 경로 전파를 캡처할 수 있습니다. 채널 임펄스 응답을 계산하여 연결 품질을 확인할 수 있습니다.

네트워크 계획자는 운영 계획 및 시뮬레이션 도구와 다쏘시스템의 DELMIA 및 CATIA 브랜드의 CAD 도구와 각각 연동하여 기계가 이동하고 공간이 재구성될 때 전파 및 커버리지가 어떻게 영향을 받는지 고려할 수 있습니다. 예를 들어 항공기 격납고에서는 시뮬레이션을 통해 항공기 그림자에 수신이 불량한 영역이 있는지 여부뿐만 아니라 항공기나 AGV가 공간 내에서 이동함에 따라 이러한 그림자가 어떻게 변하는지도 확인할 수 있습니다. 스마트 팩토리에서는 시뮬레이션을 통해 다양한 조립 라인 구성에 대한 5G 전파 및 커버리지를 확인할 수 있습니다.

네트워크 설계 프로세스에서 시뮬레이션을 활용하면 사설 5G 네트워크의 출시가 빨라져 시간과 비용을 모두 절약할 수 있습니다. 시뮬레이션은 엔지니어가 가능한 시나리오에서 안정성을 보장하여 다운타임을 줄이고 최적의 액세스 포인트 수를 배포하여 지속 가능한 네트워크를 보장하는 데 도움이 됩니다.

혼잡한 전자기 환경에서 co-site interference 및 전자기 호환성(EMC)은 심각한 문제입니다. EMC 시뮬레이션은 개발 프로세스 초기에 잠재적인 간섭 문제를 식별하여 설치 후 고비용의 수정이 필요한 위험을 줄여줍니다. 또한 RF 방사 노출에 대한 안전 한도를 초과하지 않도록 작업자의 RF 장 노출을 분석할 수 있습니다.

사설 5G 네트워크는 일반적으로 장비 제조업체, 네트워크 설계자/운영자, 최종 사용자를 포함한 여러 주요 이해관계자 간의 긴밀한 협업을 필요로 합니다. 이러한 모든 이해관계자의 요구사항과 의견은 3DEXPERIENCE 플랫폼에서 협업 설계 및 시뮬레이션을 통해 통합됩니다. 이를 통해 사일로를 허물고 더 빠르게 설계를 반복할 수 있으며 안테나 설계와 같은 기밀 지적 재산도 보호할 수 있습니다.

 

핵심 사항

5G는 이전 무선 프로토콜보다 더 높은 대역폭, 더 낮은 지연 시간, 더 나은 동적 성능을 제공합니다. 사설 5G 네트워크는 수천 개의 연결된 디바이스가 서로 밀접하게 작동할 수 있도록 지원하여 IIoT의 잠재력을 실현하고 시설을 더욱 민첩하고 효율적이며 안정적으로 만들 수 있습니다.

많은 산업 현장은 5G 네트워크를 구축하기에 까다로운 환경입니다. 움직이는 기계와 스마트 조립 라인은 네트워크가 모든 시나리오에서 제대로 작동하는지 확인하기 위해 다양한 장비 구성을 평가해야 한다는 것을 의미합니다.

시뮬레이션을 통해 설치를 시작하기 전에 신호 전파 및 커버리지를 평가할 수 있습니다. 신호가 좋지 않은 지역을 식별하고 수정하여 잠재적인 통신 문제와 다운타임을 방지할 수 있습니다. 시뮬레이션을 사용하여 사설 5G 네트워크를 개발하면 시간과 비용을 모두 절약하고 배포 위험을 줄일 수 있습니다.
 

저자 소개 : Stephen Jorgenson-Murray

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• 원본 : 다쏘시스템 블로그