Ultra-WideBand (UWB) 기술의 원리와 Use case

 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 진행 중이다. 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 [2]

 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 업체 간의 생태계 흐름 속에서 Wi-Fi가 승리하여, UWB는 잊힌 기술이 되어간다. 하지만, UWB의 기존/추가된 특징들이 주목받으면서, 차량의 디지털 키 같은 IOT 산업에 UWB를 이용해 보자는 의견이 나왔고, 잊혔던 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 생각해 볼 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. 하지만, UWB의 강점은 뒤에서 설명하겠지만 전송량보다는 Positioning이 정확하다는 곳에서 나온다. 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 생각이 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]

 

Positioning (측위)

 UWB가 쓰이는 가장 대표적인 Use case로는 Positioning이 있다. UWB의 Positioning은 주로 Time of Flight (ToF)를 이용해서 측정한다. Two Way Ranging (TWR), Time Difference Of Arrival (TDOA) 등의 방법이 있는데, 그냥 Tx가 쏜 신호를 Rx가 측정하기 까지의 시간을 이용해서 계산하는 방식이다. v=d/t에서 속도 v는 빛의 속도 c로 일정하기 때문에 시간 t만 재면 두 점 사이의 거리를 잴 수 있다. 주어진 평면에서 고정된 세 점 (Anchor)으로 부터의 거리가 나오면 움직이는 한 점 (Tag)의 위치가 나온다는 삼각측량법을 사용하는 방식이다. 이 밖에도 Tx와 Rx 사이의 각도를 이용하는 Angle of Arrival (AoA) 방식, Rx 신호의 세기를 이용하는 Receive Signal Strength Indicator (RSSI) 등을 이용하는 방식이 있다. 하지만 RSSI를 이용하는 방식은 정확도가 상대적으로 낮아서 UWB에서는 ToF 방식의 연구들이 주를 이루고 있는 것으로 보인다. 블루투스나 Wi-Fi 등의 다른 기술보다 간섭이 적고, 짧은 시간 동안 많은 pulse를 보낸다는 특징 덕분에, 다른 기술들이 미터 단위의 정확도를 보일 때 UWB는 cm 단위로 range를 할 수 있다. [3] 논문에 다른 기술의 Indoor Positioning과 UWB를 비교해 놓은 표가 있으니 참고해 보면 좋을 것 같다.

 

보안

 UWB가 관심을 받는 이유는 정확한 Positioning과 더불어, 보안에 관련된 사항이 802.15.4z에 추가되었다는 점이다. 보안성을 추가하기 위해 PHY Layer에 해당 기능이 담겼고, NXP에서 만든 반도체에는 난수 생성과 이를 이용한 보안 기법들이 추가되었다. 보안 기능이 상대적으로 취약하다고 인식되는 Wi-Fi와 비교할 수 있는 UWB의 강점 중 하나다.

 위에서 소개한 정확한 Positioning / 보안성이 추가된 PHY Layer 이라는 이 두 가지 특징이 UWB가 갖고 있는 강점이며, 이 강점들이 IOT 시대 device의 필수조건에 맞아떨어지면서 다시금 각광을 받고 있다.

 

Use case

 위에서 소개한 두 가지 포인트를 강점으로 UWB는 다양한 산업에 적용될 수 있다. 가장 대표적으로는 앞서 계속 말했던 자동차 디지털 키를 들 수 있다. 스마트 폰을 들고 자동차 앞에만 가도 사용자로 인식하고 차가 열리는 기능은 언뜻 보면 혁신적이지 않은 것 아닌가 라는 생각도 들 수 있다. 하지만, 해커가 Relay 방식을 통해 디지털 키를 넘겨받아 문을 연다던가, Positioning이 정확하지 않아서 문이 갑자기 열린다면, 차의 안전을 보장받을 수 없다. 차량처럼 단가가 높고, 보수적인 산업에서는 안정성이 무엇보다 중요하기 때문에 UWB의 두 가지 특징이 잘 맞아떨어진다고 할 수 있다. Apple, 삼성에서 BMW 등 해외의 자동차 기업, 현대자동차와 함께 협업을 맺고, 해당 기술을 출시한다고 한다. [4]

 이 밖에도 집 주인의 스마트폰을 인식하고 문을 열어주는 스마트 홈, 부품의 이동을 모니터링하는 스마트 팩토리 등 매우 다양한 분야에서 사용될 수 있다. AR/VR에서도 User의 위치를 알려준다던가, 사람/물건의 위치 추적 등에 사용할 수 있다. 미터 단위의 positioning을 cm 단위의 정확도로 업그레이드하는 것, 보안을 추가하는 것만으로도 이렇게 다양한 산업에 확장할 수 있다.

 

Conclusion

 이번 글에서는 UWB에 대한 기술 설명과 특징, 산업에의 적용에 대해 정리를 해보았다. UWB 자체는 새로운 기술이 아니어서 그런지, 개인적으로 추가된 내용들이 생각보다 크게 느껴지지 않았다. 하지만, 저전력, 정확한 측위, 보안성은 IOT를 하기 위한 필수조건이고, 이를 빠르게 캐치한 세계의 기업들은 발빠르게 이를 위한 연구와 개발을 진행했으며, 생태계를 구성했다. 예전에는 UWB Chip을 만드는 업체도 적고, 생태계가 구성되기 전에 무대밖으로 밀려났지만, 이제 세계 여러 기업들이 UWB를 주목하고 있다. 이후의 대부분의 스마트폰에 UWB가 탑재될 것이라고 가정하고, UWB의 Positioning을 이용하는 새로운 IOT 스타트업이 생겨나지 않을까 조심스럽게 예측해 본다.

 

Reference

[1]https://news.samsung.com/kr/%EA%B8%B0%EA%B3%A0%EB%AC%B8-%EC%B0%A8%EC%84%B8%EB%8C%80-%EB%AC%B4%EC%84%A0-%EA%B8%B0%EC%88%A0-uwbultra-wideband%EC%9D%98-%EB%AF%B8%EB%9E%98

[기고문] 차세대 무선 기술, UWB(Ultra-wideband)의 미래

[2] 김현욱, 임종태, "UWB 기술과 응용 분야", ITFIND, 2021.

[3] Alarifi, A.; Al-Salman, A.; Alsaleh, M.; Alnafessah, A.; Al-Hadhrami, S.; Al-Ammar, M.A.; Al-Khalifa, H.S. Ultra Wideband Indoor Positioning Technologies: Analysis and Recent Advances. Sensors 2016, 16, 707.

[4] https://news.joins.com/article/23971446

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