울트라 와이드밴드(UWB)을 이용한 정밀 위치 추적

June 9, 2024

GPS(Global Positioning System) 기술이 세상을 바꾼 것처럼, 울트라 와이드밴드, 즉 초광대역(UWB) 위치 추적 기능 역시 그럴 것입니다. 이번 포스트에서는 빠른 업데이트, 짧은 지연 시간, 1cm 수준의 위치 추적 정확도가 특징인 UWB 기술이 어떻게 사물인터넷(IoT)과 모바일 장치를 정확하게 추적하고 개인 및 공공 공간, 산업용 애플리케이션과 결합될 수 있는지 살펴보겠습니다.

-GPS와 UWB 기술에 대한 간략한 소개

초기에 GPS는 군인과 특수부대가 비밀 임무를 수행하는 데 도움이 되는 군사 기술이었지만, 오늘날에는 전통적인 종이 지도를 사용하는 사람들이 드물 정도로 이 기술이 널리 사용되고 있습니다.

-GPS가 처음 시작된 건 1973년이었지만 사용자의 전송 신호가 필요 없는 실제 사용가능한 상관성 있는 GPS를 지원하는 24개의 모든 정지궤도 위성이 제 자리에 놓인 것은 1993년이었습니다. 이는 추적 가능한 무선 신호를 제거함으로써 많은 군사 임무의 기밀성을 유지하는 데 도움이 되기 때문에 군의 작전 수행에서 특히 중요했습니다.

-초기에는 미국에서 개발한 GPS 시스템을 외국군이 이용할 수 있다는 우려 때문에 ‘선택적 가용성’이라는 프로그램이 도입되어, 해상도와 효율성이 제한되었습니다. 선택적 가용성은 러시아의 글로나스(GLONASS), 중국의 바이두(BeiDou), 유럽의 갈릴레오(Galileo) 같은 다른 나라의 GPS 기술이 등장하기까지 약 10년 동안 지속되었습니다. 선택적 가용성을 제거하면 위치 정확도를 약 5m까지 높일 수 있어, GPS 기술은 운전 중 탐색 보조 장치로서 매우 유용하게 활용될 수 있습니다. GPS가 휴대전화기에 통합되면서 지리 위치가 지속적으로 개선된 덕분에, 이제는 약 1피트(약 30cm) 이내의 정확한 공간 해상도를 얻을 수 있게 되었습니다.

-통신회사는 휴대폰 기지국을 이용해 신호 강도, 기지국 간 위상 관계, 그리고 신호가 범위 내의 다른 기지국까지 이동하는 데 걸리는 시간을 측정하는 ToF(Time of Flight) 정보를 사용할 수 있습니다. 이 삼각 측량 기술은 위치 시스템 정확도를 향상시키며, 최신 장치는 와이파이 비콘을 사용하여 정확도를 더욱 향상할 수도 있습니다. 블루투스와 와이파이를 사용하면 실내 환경에서 몇 미터 이내의 정확도로 위치를 확인할 수 있습니다.

-GPS, 기지국 데이터 수집, 비콘, 그리고 와이파이/블루투스 신호들 사이에서는 12인치 해상도 수준이면 어느 정도 요건들은 충족하는 편이지만 최근에는 기술의 발전, 새로운 RF 대역 사용, 그리고 기존 기술의 새로운 응용 등으로 인해 더 높은 해상도가 필요해졌습니다. 이에 1cm 해상도까지 상세한 위치 데이터와 위치 정확도를 제공할 수 있는 UWB(Ultra-Wide Band) 기술이 주목받고 있습니다. ‘마이크로로케이션(microlocation)’이라고 불리는 UWB는 여러 플랫폼에서 작동하는 무선 기술이기 때문에 이제 우리는 어떤 것이든 센티미터 정확도로 실시간으로 찾을 수 있습니다.

-최신 UWB 표준

2000년대 중반에 IEEE는 다중 표적에 대한 마이크로 위치 시스템 정확도와 실시간 위치 서비스(RTLS)를 향상시키기 위한 UWB 규격을 정의하기 시작했습니다. UWB는 안전하고, 노이즈와 스퓨리어스 신호에 대한 내성이 높으며, 다중 경로 신호 간섭에 대한 내성이 있기 때문에 선택되었습니다. 그 결과 IEEE 802.15.4a와 802.15.4z 표준이 탄생했습니다.

-3.1GHz ~ 10.6GHz에서 작동하고 OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)을 사용(스펙트럼이 중첩되어 직교 및 밀접하게 배치되는 부반송파 특성으로 데이터를 병렬로 전송 가능)하는 UWB는 비금속 재질의 벽과 바닥을 관통할 수 있으며 5G 같이 가시선(ling-of-sight, LoS)에 있을 필요가 없습니다. ‘펄스 라디오(2nsec 폭의 고진폭 500MHz 대역 데이터 버스트)’라고 부르기도 하는 협대역과 비교할 때, UWB는 노이즈 플로어를 넘어가며, 복구 및 디코딩을 위해 쉽게 액세스할 수 있는 신호를 제공합니다(그림 1).

그림 1: UWB의 고진폭 펄스 무선 신호는 통상적으로 다른 RF 통신이 있는 경우에도 노이즈 플로어를 넘어갑니다. (출처: 코보)

UWB는 또한 GPS 기술보다 훨씬 더 안정적이고 안전한 실시간 데이터를 제공합니다. UWB 위치 데이터는 초당 1,000번 업데이트가 가능한데, 이는 위성 항법 시스템보다 50배 빠른 속도입니다.

-ToF 측정의 정확도와 넓은 대역폭 때문에, 여러 기기들은 간섭 없이 동시에 통신하고 추적할 수 있습니다. 이는 경기장의 와이파이와 같이, 사용자 밀도가 높은 지역에서 성능이 제한되는 ‘경기장 효과’를 제거하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이를 통해 UWB는 주택, 아파트, 공장, 공항이나 터미널과 같은 공공 장소 내에서 IoT 및 자동화 기술을 목표로 하는 수많은 새로운 장치에 내장될 수 있습니다. 예컨대 광활한 공항 청사에서 친구가 어디에 있는지, 또는 갈아타야 할 비행기의 탑승구가 어디에 있는지 알아보기 위해 휴대폰을 들여다보고 있는 장면을 상상해 보십시오.

-휴대폰 제조사들과 산업용 장비 제조사들은 이미 FIRa(fine ranging) 컨소시엄을 통해 관련 프로토콜을 정의하고 상호운용성 이슈를 해결하기 위해 협력 중입니다. 삼성과 애플은 UWB를 휴대폰에 통합했습니다. 이 컨소시엄은 초기자(initiator) 및 응답자(responder) 시퀀스를 사용하여 대기 시간을 최소화하는 계층적 애그리게이티드 액세스 포인트를 지원하는 구조를 설계하고 있습니다(그림 2). 개인 영역 네트워크(PAN)는 고정 위치의 앵커를 사용하여 한 위치에서 다른 위치로의 원활한 전환을 위해 애그리게이션, 게이트웨이 기능, 라우팅 기능, 그리고 인접 액세스 포인트로의 P2P(peer-to-peer) 핸드오프를 지원할 수 있습니다. UWB 기술은 고정 및 모바일 노드가 사용되는 공공 액세스 위치 이외에, 산업용 기능에도 적합합니다. 산업 현장은 UWB 태그를 사용하여 자산 및 재고를 추적하고, 컨베이어에서 품목을 찾고, 백신이 들어 있는 용기의 온도와 같은 중요한 데이터를 보낼 수도 있습니다.

-UWB 기술을 사용하면 고정식이든 이동식이든 거의 모든 센서와 액추에이터가 하나의 공간에서 다른 공간으로 이동하는 모바일 장치들과 함께 주어진 공간 안에서 공존할 수 있습니다. 여기에는 일반적으로 자율 주행 차량, 운송 로봇, 자가 작동 농업 시스템, 드론, 접촉 추적, 그리고 요양 시설에서 치매 및 알츠하이머 환자들에 대한 위치 파악 및 모니터링 같은 중요한 작업에 더 많은 프로세스 리소스와 인공 지능(AI)을 할애할 수 있는 클라우드 기반 서비스에 대한 액세스가 포함됩니다.

그림 2: 공용 공간이 다양한 개인 영역 네트워크(PAN)를 구성하는 UWB 노드들로 로드될 수 있습니다. (출처: 코보)

UWB 제품 및 툴 키트

현재 시장에서는 UWB 시스템 구현에 관심 있는 설계자들에게 관련 기술을 소개하고, 레퍼런스 하드웨어와 펌웨어 설계를 제공하고, 시스템이 산업 표준을 준수하는지 여부를 확인할 수 있도록 지원하는 툴과 소자들이 공급되고 있습니다.

-DW1000 UWB 트랜시버 IC를 기반으로 하고 IEEE802.15.4-2011을 준수하는 DWM1001C UWB 트랜시버 모듈은 최대 6.8Mbits/sec의 데이터 속도를 지원합니다. DWM1004C는 UWB 및 블루투스 안테나, 모든 RF 회로, 노르딕 세미컨덕터(Nordic Semiconductor)의 nRF52832 MCU, 그리고 3축 가속도계를 통합하고 있습니다. 각 모드는 RTLS 앵커 또는 태그로 구성할 수 있으며, 추가적으로 네트워크 게이트웨이 장치로도 작동할 수 있습니다.

-안테나 및 신호 컨디셔닝 소자 외에, 특히 위치 및 거리 측정을 목표로 하는 UWB 데모 및 개발 도구들도 생산 중입니다. 코보(Qorvo) MDEK1001 개발 키트는 RTLS 시스템을 체험하기에 훌륭한 출발점입니다. MDEK1001 개발 키트는 설계자가 확장가능한 RTLS에서 사용할 코보의 UWB 기술을 신속하게 평가하는 데 필요한 하드웨어, 소프트웨어 및 개발 환경을 제공합니다. 이 키트에는 앵커, 태그 또는 브리지 노드로 구성할 수 있는 12개의 DWM1001-DEV 개발 보드가 포함되어 있습니다.

그림 3: Qorvo MDEK1001 개발 키트를 사용하여, 설계자는 확장 가능한 RTLS에 사용할 코보의 UWB 기술을 신속하게 평가할 수 있습니다.

DWM1001-DEV 모듈 개발 보드를 사용하면 DWM1001 모듈의 성능을 평가할 수 있습니다. 설계자는 DWM1001-DEV 모듈 개발 보드를 사용하여 앵커, 태그 및 게이트웨이를 포함한 RTLS를 조립하고 평가할 수 있습니다. 어떠한 하드웨어를 개발하거나 단 한 줄의 코드를 작성하지 않고도 말이죠.

-GPS 기술로 세상이 크게 달라진 것처럼, 고정밀 UWB 위치 감지 기술도 같은 일을 하고 있습니다. 상호 운용성이 더욱 정교해지고 태그가 더 작아지고 저렴해짐에 따라, 앞으로는 열쇠를 분실할 일이 없어질 수도 있습니다.