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UWB는 기존의 스펙트럼에 비해 500MHz의 매우 넓은 대역에 낮은 출력의 전파를 사용하여, GPS가 도달할 수 없는 실내 공간에서 고정된 앵커와 움직이는 태그 간의 전파 이동시간을 정밀 측정하여, 두 기기 사이의 상대적인 거리 및 방위를 측정할 수 있습니다. 이러한 위치 측위는 수 cm 이내의 정확성, Multipath 등의 간섭에 대한 저항성, 강건함, 보안성 및 실시간성의 장점을 가지고 있어 실생활 전반의 다양한 분야에서 적용되고 있는 새로운 무선통신기술입니다.
왜 UWB 기술이 각광받는가?
어떤 사람의 위치 정보를 안다는 것은 매우 중요한 정보입니다. 이로부터 찾아낼 수 있는 비즈니스 기회가 너무나 많습니다. 어떤 광고판 앞을 지나는 사람이 남자인지 여자인지만 알아도 그에 대한 광고판의 내용을 바꿔서 광고의 적중률을 높일 수 있고, 지금 집 현관 앞으로 다가오는 사람이 누구인지를 알면 현관문을 자동으로 열 수도 있습니다. 또한, 현재 빌딩 내 각 영역마다 몇 명의 사람이 있는지를 안다면 그에 맞는 공조/조명을 제어해서 전기료를 절약할 수 있습니다.
위에서 열거한 케이스 말고도 누군가의 위치와 거리를 알 수 있다면 할 수 있는 비즈니스는 매우 많습니다.
이러한 비즈니스 요구 중에서, 아웃-도어(out-door)에서 위치를 비교적 정확하게 알 수 있게 하는 기술이 GPS이고, 이 기술은 어느 정도 정착화되었습니다. 차량용 내비게이션에 이용되고 있고, 미사일의 타깃 목표를 설정하는 데에도 이용됩니다. 목표하는 바를 GPS 기술이 다 커버합니다. 단지 이 GPS를 이용하기 위해서 GPS 위성이 필요하고 이를 몇몇 국가, 특히 미국이 독점하고 있어서, 독점에 의한 서비스 중단이 우려될 뿐입니다.
물론 더 세밀한 위치를 파악하기 위한 요구가 있으나, 이는 GPS를 이용해서 어떻게 더 정확하게 위치 값을 찾아낼까로 해결방안이 진행되고 있으며, GPS를 대체하는 또 다른 무슨 기술이 강구되고 있지는 않습니다.
그러나, 인-도어(in-door)에서의 위치 파악에 대해서는 얘기가 다릅니다. 아직까지 요구되는 비즈니스 내용을 충족하기 위한 마땅한 기술이 없습니다. (인-도어에서 GPS가 아닌 다른 기술이 필요한 이유는, 지붕이 있거나 폐쇄된 in-door환경에서는 GPS 위성 신호를 받을 수 없기 때문입니다.)
인-도어 환경에서의 위치 파악을 위해 여러 기술들을 이용한 시도가 이루어졌습니다.
이 중에서 무선 통신을 이용해서 어떤 객체/사람의 위치를 파악하려는 노력으로, WiFi와 블루투스가 가장 많이 연구되었고 실제로 서비스도 이루어지고 있습니다.
그러나, WIFI나 블루투스를 이용한 모든 방법들이 그리 만족스러운 결과를 보이지 못하고 있습니다.
이유는 너무나 측정 오차가 크기 때문입니다.
WIFI나 블루투스에서 거리를 측정할 수 있는 방법은, 해당 전파의 세기를 읽는 방법밖에 없습니다. 전파의 세기가 신호를 주고받는 두 장치의 거리에 반비례한 것을 이용하는 것입니다. 즉, 거리가 멀면 신호가 약하고, 거리가 가까우면 신호 강도가 센 것을 이용해서 비례식을 세우고, 해당 전파 강도에 대한 거리를 구하는 것입니다. 그러나, 문제는 전파의 강도가 중간에 장애물이 있거나 주변에 반사되는 물체들이 있을 때, 현저히 변한다는 데 있습니다.
최근 무선 통신기기 사업을 하는 기업들에서 Ultra WideBand (UWB)라는 기술에 대해 연구를 거듭하며 이에 대한 홍보를 진행하고 있다. 작년 삼성전자의 무선사업부 기고문 [1]을 보면 UWB가 Wi-Fi/Bluetooth와 더불어 통신 기술의 게임체인저로 자리매김할 거라는 내용이 실려있다. 통신 분야는 호환성이 무엇보다 중요하기 때문에 UWB의 발전에 대해 논해보자는 'FiRa 컨소시엄'을 만들고 완성차 업체, 소비재 기업들과 논의를 진행하고 있다. 삼성전자와 더불어 무선기기 시장의 양대 산맥인 Apple에서도 해당 기술에 대한 관심을 가지고 있으며, 연구를 진행중이다. Car connectivity Consortium (CCC)라는 표준화 단체에서는 자동차의 스마트키를 스마트폰으로 대체하는 기술에 대해 논의하고 있으며, 폭스바겐, 아우디 등 자동차 업체와 Apple 등의 기업들이 참여하고 있다. 이번 글에서는 이렇게 급부상하고 있는 통신기술 UWB가 무엇이며, 어떤 특성이 있고, 이 특성이 Use case에 어떻게 적용될 것인지에 대해 소개하고자 한다.
UWB 기술
사실 UWB는 최근에 새롭게 제안된 기술은 아니다. 1970년대 미국의 군사목적으로 개발된 이 기술은 이후 IEEE에서 기술 표준을 다루며 802.15.4a라는 이름을 받게되었다. 이 블로그의 가장 초기 글에서 IEEE를 소개하면서, 3GPP의 Cellular와 대비되는 Wi-Fi가 IEEE에서 표준화되고 있다고 소개했다. 필연적으로 Wi-Fi와 UWB는 경쟁구도에 놓이게 되고, 당시 Chip 생산 업체간의 생태계 흐름속에서 Wi-Fi가 승리하여, UWB는 잊혀진 기술이 되어간다. 하지만, UWB의 기존/추가된 특징들이 주목받으면서, 차량의 디지털 키 같은 IOT 산업에 UWB를 이용해보자는 의견이 나왔고, 잊혀졌던 UWB기술은 관짝을 뜯고 세상밖으로 나오게 된다.
UWB는 500 MHz 광대역에 낮은 power 짧은 pulse signal를 쏘는 기술이다. 5G NR 기준으로 1 component carrier의 넓이가 10 ~ 100 MHz라는 것을 고려해보면 500 MHz는 매우 넓은 대역폭임을 생각해볼 수 있다. Wi-Fi나 Bluetooth 보다 낮은 power로 쏘기 때문에 전송거리가 무척 짧을 것 같지만, 간섭 (Interference)이 적고, 대역폭이 넓어서, 100m 정도 (LoS 기준)의 range에서 꽤 높은 전송량을 지원한다. 우리나라에서는 3.1 ~ 4.8 GHz / 6.0 ~ 7.2 GHz / 7.2 ~ 10.2 GHz에 해당하는 꽤 넓은 대역을 UWB 용으로 할당했다. Modulation Scheme은 PPM(Pulse Position Modulation)과 BPSK (Binary Phase Shift Keying) 방식을 사용한다. 다른 통신 기술들이 QPSK, 256 QAM 등을 사용하는 것과 비교했을 때 낮은 order의 Modulation을 사용하기 때문에 적은 power로도 통신을 할 수 있는 것이 아닌가라는 생가이 든다. 아래 그림에서 볼 수 있듯이, 엄청 짧은 pulse 파를 쏘게 되는데, 이 pulse파의 주기로 High Rate Pulse (HRP)와 Low Rate Pulse (LRP)가 나뉜다.
UWB vs Bluetooth - [Rohde & Schwarz 자료]
참고 사이트
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