UWB(Ultra Wide Band)

1. 기술 개요

근거리 무선통신의 계속적인 수요 창출에 따른 전파자원을 보다 더 효율적으로 사용할 수 있는 신기술 개발이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있는 시점에, 주파수를 가장 효율적으로 사용할 수 있는 유력한 후보로 UWB(Ultra Wide Band) 근거리 무선통신 기술이 적극적으로 검토되고 있다.

UWB 무선 기술은 무선 반송파(저주파에 신호를 실어서 전송하기 위해 사용되는 고주파 전류)를 사용하지 않고 기저대역(매우 낮은 저 주파수)에서 수 GHz 대의 매우 넓은 주파수를 사용하여 통신이나 레이더 등에 응용되고 있는 새로운 무선 기술이다. 특히 이 기술은 수 나노(nano) 혹은 수 피코(pico) 초의 매우 좁은 펄스를 사용함으로써 기존의 무선 시스템의 잡음과 같은 매우 낮은 스펙트럼 전력으로 기존의 이동통신, 방송, 위성 등의 기존 통신 시스템과 상호 간섭 영향 없이 주파수를 공유하여 사용할 수 있으므로 주파수의 제약 없이 사용 가능한 시스템으로 새롭게 대두되고 있다.

 

2. 기술적 특징

<그림 1>과 같이 동일 출력을 갖는 세 가지 시스템을 주파수 스펙트럼 상에서 비교하면 UWB 시스템의 경우 기존의 협대역 시스템이나 광대역 CDMA 시스템에 비해 중심 주파수가 25% 이상의 점유 대역폭에 걸쳐 상대적으로 낮은 스펙트럼 전력 밀도가 존재하므로, 기존의 무선 통신 시스템에 간섭을 주지 않고 주파수를 공유하여 사용할 수 있는 매우 유리한 장점을 가지고 있다.

 

<그림 1>협대역, 광대역, CDMA, UWB 스펙트럼 비교

 

UWB(Ultra Wide Band) 시스템은 수 나노(nano) 혹은 피코(pico) 초의 매우 좁은 펄스를 사용함으로써 매우 넓은 주파수 대역에 걸쳐 매우 낮은 스펙트럼 전력 밀도가 존재하고 이는 높은 보안성, 높은 데이터 전송 특성 및 정확한 거리 및 위치 측정이 가능한 높은 해상도를 제공하며 다중 경로 영향에 강인한 특성을 보인다. 특히 기존의 무선 시스템과는 달리 반송파를 사용하지 않고 기저대역에서 통신이 이루어지므로 송수신기의 구조가 간단해짐으로써, 낮은 비용으로 송수신기를 제작할 수 있는 큰 장점을 가지고 있다.

 

1) 초고속 전송의 실현

UWB는 수 GHz 폭의 넓은 주파수 대역을 사용하여 데이터를 송수신하는 것이다. 데이터 전송속도는 최대 480Mbps의 고속 전송이 가능한 반면 회로의 소비전력은 휴대폰 및 무선 LAN과 비교할 때 약 1/10에서 1/100 정도로 매우 낮은 전력을 필요로 한다. 이처럼 데이터 전송속도가 높은 이유는 휴대폰 및 무선 LAN의 이용 대역은 1MHz 폭에서 수십 MHz 폭 정도이나 UWB는 100에서 1,000배 이상인 수 GHz 대를 이용하고 있기 때문이다. 기존의 무선 기술로는 이러한 대역폭을 활용할 수 있는 능력이 없기 때문에 이와 같은 고속 전송을 실현하는 것이 불가능하다.

 

2) 극히 짧은 펄스를 이용한 송수신

 

<표 1> 근거리 무선통신 비교

 

UWB가 기존 기술에 비하여 큰 폭으로 소비전력을 낮출 수 있는 것은 송수신에서 <표 1>과 같이 극히 짧은 펄스를 사용하는 단순한 전송 방식 때문이다. 더구나 펄수의 송신 출력이 극히 적으며, 이것은 기기가 방사하는 전자 잡음 이하의 낮은 값인 반면에 펄스의 송수신은 불연속 적으로 이루어져 전송거리는 한정되지만 회로의 소비전력을 낮출 수 있다. (미국에서는 컴퓨터 등의 기기가 방사하는 전자 잡음의 규제치는 FCC에 의하면 -41.3dBm/MHz 이하이며, UWB는 이런 규제치 이하의 출력을 낸다.)

 

3) Channel Capacity

UWB 시스템은 기본적으로 기존 협대역 시스템들과 주파수를 공유해야 하기 때문에 상호 간섭을 고려하여 사용 주파수 대역과 송신 출력이 제한될 수 밖에 없다. 펄스의 형태와 펄스폭에 의해 사용 주파수 대역이 결정될 수 있으며, 일단 사용 주파수 대역이 결정되면 전송 가능한 데이터율이 결정되기 때문에 일정 거리에서 보았을 경우 한 채널이 전송할 수 있는 데이터율과 사용자에게 할당 가능한 채널 수는 대수 관계를 가지고 있다. 또한 UWB 시스템에 대한 전력에 제한이 있기 때문에 일정 S/N 비를 유지하기 위해서는 거리가 멀어질수록 처리 이득을 높여야 하며, 주기(Duty Cycle)와 한 비트를 전송하기 위한 반복 주기를 길게 하여야 하므로, 전송거리가 멀어질수록 전송 가능한 데이터율은 감소하게 된다.

 

4) 멀티패스에 performance 우수

UWB 시스템은 매우 짧은 펄스를 이용하여 통신을 하기 때문에 직접파와 반사파의 경로 도달거리가 조금만 차이가 나도 두 신호는 구분될 수 있다. 이론적으로 500ps의 폭을 갖는 펄스를 이용하는 UWB 시스템의 경우 경로 차 15CM 이상이면 두 펄스 신호는 서로 구분될 수 있고, 상호 간섭을 야기하지 않게 된다.

 

5) 기존 협대역 시스템과의 공유

저 전력의 송신전력을 넓은 대역에 걸쳐서 송신하기 때문에 협대역 시스템 관점에서 UWB 전력 스펙트럼을 보면 <그림 1>과 같이 기저 대역 잡음과 같이 보일 수 있고, 이러한 이유 때문에 기존 협대역 시스템에 심각한 장애를 야기하지 않고 동일 대역을 공유할 수 있게 된다. 물론 기존 협대역 시스템으로부터 UWB 신호가 간섭을 받을 수 있기 때문에 UWB를 기존의 무선 시스템과 주파수 공유를 하기 위해서는 주의 깊은 망 설계가 필요할 것이다.

 

6) 정밀한 위치 인식 및 추적이 가능

UWB 시스템은 매우 짧은 펄스를 이용한 레이더 시스템에서 진화하여 통신에 적용된 방식으로 짧은 펄스에 의한 분해능을 이용하여 centimeter level의 정밀도를 구현할 수 있다.

 

7) 장애물 투과 특성이 우수

저주파수 대역에서 매우 큰 대역폭을 갖고 있기 때문에 투과 특성이 우수하여 빌딩 내부, 도심지, 삼림 지역에서도 운용이 가능하다.

 

3. 표준화 동향

UWB는 IEEE 802.15 TG3a에서 MB-OFDM 방식과 DS-UWB 방식을 중심으로 25GHz~60GHz 대역의 고속 UWB WPAN 표준화가 추진된 바 있으며, IEEE 802.15 TG4a에서 지속 UWB WPAN 표준이 추진되어 왔다. 그러나 IEEE 802.15 TG3a의 경우 2006년 초, 단일 표준화에 실패한 채 해산하는 상황이 발생하여 앞으로 사실상 업계 표준의 자리를 놓고 양 측이 각축을 벌이고 있는 상황이다.

IEEE 802.15 TG3a는 FCC가 UWB를 승인함에 따라 표준화에 본격적으로 노력해 왔으며, IEEE 802.15.3 MAC을 활용, 10m 이내에 110Mbps ~ 480Mbps 급 초고속 데이터 전송을 위한 물리 계층의 결정적 목표로 해 왔었다.

우리나라의 관련 업계에서도 이러한 표준화 및 기술 개발 동향에 유념하여 해외의 주력 기업들과 UWB에 대한 기초기술 개발에 공동 협력 및 적극적인 투자를 바탕으로 시장 선점 및 확보에 노력하여야 할 것이다.

 

4. 국내외 기술 동향

• 최근 들어서는 서비스 거리는 길지 않아도 되지만 대용량 데이터 전송이 요구되는 사물인터넷(IOT) 등 홈 네트워크의 주요 기술 기반으로 각광을 받고있다. 근거리에서 사람을 보조할 수 있는 로봇이나 움직이는 AI, 드론 등에 활용할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 가령 UWB 무선 장치끼리 연결, 로봇이나 AI, 드론 등이 사람의 위치를 지속적으로 탐지해 일정한 간격을 두고 계속 따라올 수 있게 하는 시스템을 예로 들 수 있다.
  
  
• 2017년 미래부가 개정했던 UWB 기술 기준은 혼신을 막기 위해 설정했던 주파수 전송 휴지 시간을 지금보다 줄여 더 많은 데이터를 보낼 수 있게 하는 내용이다. 기술 기준에 따르면 UWB의 연속 송신 시간은 5ms이다. 이후 혼신 방지 차원에서 1초를 쉬도록 규정되어 있다. 반면 유럽 기준은 5ms 연속 송신 후 "950ms 이상 1초 이내"만 쉬도록 정해져 있다. 국내 기준을 유럽 기준으로 완화하는 것이 이 개정의 골자이다.
  
  
• 과학기술정보통신부는 스마트 시티 및 공장 등에서 널리 활용이 가능한 사물인터넷(IOT) 및 초정밀 위치 측정 (UWB)용 주파수 공급과 기술기준 규제 완화를 위한 관련 법령 개정안 행정예고를 실시한다고 밝혔으며, 정부는 그동안 다양한 사물인터넷(IOT) 서비스가 가능하도록 검침, 센싱, 추적 등에 활용되는 저전력, 저용량 IOT용 주파수 대역(900MHz 등)의 공급을 추진하고 기술기준도 지속적으로 개선해왔다.
• 한양대학교 조성호 교수팀은 UWB 레이더 분야 및 관련된 다양한 기술을 연구하고 있다. 기존의 레이더는 움직이는 물체의 거리, 속도, 방향 탐지 위주로만 사용되었다. 이에 반해 연구 중인 UWB 레이더는 실내에서의 정밀한 위치 측정, 재실, 침임탐지, 장애물 탐지, 비접촉 생체신호(심박 신호), 동작 인식 등이 가능하다. UWB 레이더 기술을 차량에 적용할 경우 동승자에게 쾌적한 환경을 제공함과 동시에 뒷좌석에 아동이 홀로 차량에 남겨지는 사고 방지에도 활용될 수 있다고 한다.
  
  
• 이스라엘 IT 업체인 "바야"는 CES2018에서 UWB 기술을 이용한 3D 센서 기술을 선보였다. 소프트뱅크의 인공지능 기술이 탑재된 "바야"의 3D 센서는 0-20GHz 주파수 대역에서 24개의 송수신기를 이용하여, 초당 15만 개의 POI(Point Of Interest) 인식이 가능하다고 한다. 차량 응용 분야로는 차량 외부의 주변 환경을 인식하는 기능 외에도, 사용자 모니터링, 승객 위치 확인, 화물 공간 감지 등의 기능도 제공된다고 한다.

 

출처 : https://blog.naver.com/PostView.naver?blogId=suresofttech&logNo=222020100797