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센티미터 수준의 P2P 위치 추적 정확도를 제공하는 UWB 기술

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글/장-자크 들릴(Jean-Jacques DeLisle), IXS 사장

제공/마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

초광대역(ultra-wideband, UWB)는 2019년에 기술적 도약을 이루었다. 이 무렵에 거리/범위/위치 감지 기술은 물론, 통신 기술 역시 크게 발전했다. 이제는 다른 일반적인 무선 통신 및 감지 기술과도 경쟁할 만한 수준에 이른 것이다. 이 글에서는 UWB 기술과 다른 기술들의 차이점에 대해 살펴본다.

UWB 기술 개요

UWB는 IEEE 802.15.4a 및 802.15.4z를 기반으로 하며 마이크로로케이션(micro-location) 서비스와 안전한 통신을 위해 특별히 설계되었다. UWB의 기본 작동 방식은 대부분의 다른 무선 통신이나 감지 기술과 매우 다르다. UWB는 광대역이지만, 상승 및 하강 시간이 매우 빠른 2나노초(ns) 이내의 초단기 펄스를 사용한다. UWB는 UWB 심볼당 연속된 두 개의 임펄스 무선(Impulse Radio, IR) 신호를 사용하여 펄스 내의 데이터를 인코딩한다. 

UWB는 변조 기술로 BPSK(Binary Phase-Shifting Keying) 및 또는 BPM (Burst Position Modulation)을 사용한다. 각 UWB 통신에는 타임스탬프가 지정되며, 이 같은 시간도약 코드(time-hopping code)를 사용하면 다른 UWB 신호로부터 위치를 매우 정확하게 감지하고 간섭에 대한 내성을 제공할 수 있다. 또한 타임스탬프를 사용할 경우 두 UWB 장치 간에 TOF(Time-of-Flight) 계산이 가능하고, 두 UWB 무선 간에 P2P(Point-to-Point) 방식의 TWR(Two-Way Ranging)이 가능하다. 임의의 환경에서 추가적으로 동기화된 다수의 ‘앵커’는 TDoA(Time Difference of Arrival) 또는 RTDoA(Reverse TDoA)를 사용하여 그 환경을 통해 실시간 탐색이 가능하게 만들 수 있다.

미국 연방통신위원회(FCC)는 UWB에 대해 500MHz 이상의 절대 대역폭에서 무선 전송이 가능해야 한다고 정의한다. 0UWB 중심 주파수의 최대 전력 밀도는 2.5GHz 이상이거나, 또는 2.5GHz 미만의 중심 주파수에서는 0.2 이상의 분수 대역폭을 갖는다. 이는 와이파이나 블루투스 같은 2.5GHz의 ISM 대역 기술과의 간섭을 방지한다.

그림 1을 확인해보면, UWB의 캐리어 주파수와 대역폭이 보통 전세계적으로 3.5GHz ~ 9.5GHz 범위임을 확인할 수 있다. 일부 UWB 채널은 9484.8MHz 캐리어 주파수에서 1354.97MHz 정도로 높은 대역폭을 허용하기도 한다. 이는 통신 기술에서는 엄청난 대역폭이지만 UWB가 타임-펄스 방식의 통신을 사용한다는 점을 고려하면 UWB의 쓰루풋은 27Mbps로 제한된다.

[그림 1] 전 세계 지역별 UWB 채널 (출처: Qorvo)

UWB와 다른 무선 기술 비교

UWB는 통신 및 위치 감지에 있어 완전히 다른 접근 방식으로 구축되었다. 본질적으로, 이 표준은 레이더와 비슷한 위치 감지 표준으로부터 통신을 가능하게 하는 과도기적 방식으로 보이며, 이러한 접근 방식으로 인한 몇 가지 주요 이점들을 가지고 있다(그림 2).

다시 말해, UWB는 GPS, 블루투스, 지그비(Zigbee), RFID를 비롯하여 그 밖에 다른 일반적인 무선 통신 표준보다 처리 속도가 훨씬 빠르다. 기능적으로 와이파이와 4G/5G 셀룰러 통신은 가공하지 않은 쓰루풋 면에서는 UWB를 능가하는 유일한 표준이다. 그러나 와이파이나 4G/5G의 정확도는 모두 최대 범위가 미터 단위에 그칠 뿐 그보다 정확한 위치 감지 성능을 제공하지 못한다. RFID는 ‘이론상’ 절대 위치 정확도가 UWB에 가까운 수준이지만, RFID의 최소 감지 범위는 1미터 이하이다. 고성능 GPS조차도 정확도가 수 센티미터 범위로 UWB만큼 P2P 위치 감지 성능이 정확하지는 않다. 그러나 롱텀 및 고정형 GPS 추적에서 GPS의 정확도는 밀리미터 수준에 이른다. 이처럼 높은 정확도를 자랑하는 GPS의 경우에는 위성 궤도로부터 기준을 잡기 때문에 최소한의 간섭만 존재하고 매우 깔끔한 환경 조건에서만 이 같은 성능을 낼 수 있다.

신뢰성과 간섭 내성은 UWB가 진가를 발휘하는 영역이라 할 수 있다. GPS 신호는 비교적 협대역일 경우 사용자 기기에 도달할 때 신호가 미약하기 때문에 장애물과 간섭에 매우 민감하다. 반면, RFID는 어느 정도 강력한 근거리 공명 메커니즘을 사용하기 때문에 상대적으로 견고하다고 할 수 있다. 와이파이, 블루투스, 지그비는 간섭이나 다중 경로에는 민감하지만 장애물로 인한 영향은 미미한 편이다. UWB의 초광대역 운영이나 타이밍 방식은 일반적으로 간섭에 대한 강력한 내성을 자랑할 뿐만 아니라 다중 경로도 가능하게 한다. RF 신호 침투를 방해할 수 있는 장애물은 UWB는 물론 다른 무선 통신 및 감지 기술에도 영향을 미친다.

GPS 추적 범위는 위치 감지가 가능한 모든 위성군의 수를 고려한다면 거의 전 지구적이라 할 수 있다. RFID는 기껏해야 몇 미터 정도로 매우 제한된 범위를 갖는다. 와이파이는 일반적으로 약 100m 범위에서 최고 5m 이내의 위치 정확도를 자랑하며, 최대 측정 가능 범위는 150m이다. 블루투스는 약 25m 범위에서 약 2m 이내의 정확도를 자랑하고, 최대 100m 범위까지 측정이 가능하다. UWB는 P2P 센티미터 수준의 정확도를 유지하면서 앵커로부터의 최대 측정 범위가 250m인 것이 특징이다.

와이파이와 블루투스 모두 위치 감지에 있어 XYZ 위치 정보를 획득하는 데 수 초가 걸린다. RFID는 일반적으로 1초 이내에 위치 정보를 읽을 수 있고, GPS의 경우에는 100밀리초(ms) 안에 위치 정보를 파악할 수 있다. UWB 프로토콜은 1ms 이내에 XYZ 위치 정보 전체를 파악할 수 있으며, 이 같은 특성은 피어-투-피어(Peer-to-peer) 환경이나 앵커가 있는 환경 내에서 고속 추적이 가능하게 만들어준다.

대부분의 무선 프로토콜에는 장시간 배터리 구동을 가능하게 하는 고효율 작동 모드가 갖춰져 있다. GPS의 경우 유일하게 고려해야 할 사항은 단말기의 배터리 수명이다. 그러나 이들은 일반적으로 GPS 신호를 감지하는 데 필요한 고이득 저잡음 증폭기로 인해 다른 무선 표준보다 효율이 떨어진다. 와이파이나 블루투스 저에너지(BLE) 모드는 모두 수신(RX) 및 송신(TX)에 대해 1비트당 10J(10nJ/bit) 이상의 전력이 필요하다. UWB는 RX/TX에 있어 10nJ/bit 미만을 필요로 하며, 이를 통해 블루투스나 와이파이에 비해 효율이 상당히 좋다는 점을 알 수 있다. RFID 센서는 태그 측에서는 전원 공급이 필요 없지만, 유틸리티 전원이 공급되는 단말 측에서 주로 전력 공급이 필요하다.

사용자 장비나 휴대용 장비에 통합되도록 설계된 UWB 앵커와 모듈은 블루투스 모듈처럼 비교적 저렴한 편이다. 이들 모듈은 와이파이나 GPS 모듈과 비교하면 훨씬 저렴한 편이다. RFID 모듈은 태그의 배치 방법에 따라 그 비용이 크게 차이가 나는데, 기초적인 수준의 일회용 장치는 비교적 저렴한 편이지만 정교한 장치의 경우에는 비용이 더 많이 들 수 있다.

보안 특성은 UWB와 다른 기술을 비교하기가 꽤 난해하다. 이는 해당 프로토콜이 발표된 지 그리 오래되지 않았고, UWB 보안을 침해하려는 시도 또한 그만큼 매우 적었기 때문이다. 이미 보안 취약점이 알려진 기존의 다른 무선 프로토콜과 비교하여 UWB의 보안이 어떻게 다른지는 결국 시간이 지나야 확인할 수 있을 것이다. 마찬가지로 오늘날 사용되는 UWB 시스템의 실질적인 확장성은 블루투스, 와이파이, 지그비 같은 기술들이 초기에 그랬던 것처럼 아직은 널리 테스트되지 않은 상황이다. 하지만 이론적으로 UWB는 블루투스, 와이파이, 지그비의 실질적인 한계를 훨씬 능가하여, 밀집한 환경에서 수만 개의 태그를 배치할 수 있는 잠재력을 갖추었다는 점은 분명하다.

맺음말

UWB가 블루투스나 와이파이, 지그비, GPS, RFID와 같은 기술을 대체할 것으로 보이진 않는다. 이 기술의 지향점 또한 그 같은 바를 추구하는 것도 아니다. UWB는 대기 시간이 훨씬 짧고 안정성이 더 높은, 보다 정확한 위치 감지가 필요한 애플리케이션을 대상으로 특별히 설계된 것으로 보인다. 오늘날 UWB는 5G 솔루션의 일부인 초신뢰 저지연 통신(Ultra-reliable Low Latency Communications, URLLC)과 경쟁하는 것과 같은 양상을 띤다. 하지만 5G는 밀리미터파(mmWave) 기술을 활용할 때 약 1m 이하의 측정 범위에 불과하며 UWB와 동급 규모의 위치 추적 및 감지 성능을 갖추지는 않았다. UWB의 역할은 단거리 및 비교적 장거리에서 합리적인 쓰루풋 기술의 이점을 누릴 수 있는 매우 정교한 P2P 위치 감지 및 추적 애플리케이션을 가능하게 만드는 것으로, 이는 다양한 애플리케이션을 위한 독특한 잠재적 인에이블러라 할 수 있을 것이다. 

leekh@seminet.co.kr
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