주파수 제어 기술로 신뢰할 수 있고 안전한 UWB 응용 제품을 구현하는 방법

제2차 세계 대전 중에 보안 통신 및 레이더 시스템을 위해 개발된 초광대역(UWB)은 상업적 사용이 금지되어 수십 년 동안 거의 활용되지 못했습니다. 2002년에 발표된 연방 규정은 UWB를 더 넓게 활용할 수 있도록 만들어 주었습니다. 그 이후부터 초광대역은 산업, 산업, 소비자, 통신, 자동차 분야를 비롯하여 점점 더 많은 상업 응용 분야로부터 관심을 받고 있으며, 이들 응용 분야에서는 초광대역의 정밀한 포지셔닝 및 위치 추적 기능과 고속 데이터 전송 및 최소 전력 소비라는 장점을 함께 활용하고 있습니다.

Bluetooth, Wi-Fi와 같은 다른 근거리 무선 통신 프로토콜과 마찬가지로, UWB를 사용하면 한 개인이 인접한 주변 범위 내에서 전자 장치를 상호 연결하고 데이터 전송을 구현하는 개인 네트워크(PAN)를 구축할 수 있습니다. LAN 또는 WAN을 통해 데이터를 전송하는 대신 PAN은 개인의 주변에 있는 장치 간에 정보를 전송합니다.

하지만 UWB의 몇 가지 주요 측면에서 다른 전송 기술과 다르며, 이로 인해 점점 더 많은 주류 무선 응용 분야에서 UWB 구현이 촉진되고 있습니다.

그림 1: UWB의 안전하고 넓은 주파수 범위와 정밀한 감지 기능은 다양한 주류 무선 응용 제품을 지원합니다. (이미지 출처: Aker Technology)

UWB는 매우 높은 주파수에서 작동하며 다른 무선 프로토콜을 방해하지 않습니다. 공간 오디오, 스마트 홈 통합, 비접촉식 결제 시스템과 같은 기능을 구현할 수 있으므로, 차량, 모바일 및 소비자 장치(예: 스마트폰 및 태그)에서 특히 유용하게 사용할 수 있습니다. 이 기술은 안전한 핸즈프리 액세스, 실내 탐색, 비접촉식 결제, 자격 증명 공유, 항목 추적과 같은 고급 기능을 지원합니다.

UWB가 제공하는 이점

Bluetooth와 Wi-Fi는 모두 무선 통신 환경에서 자리를 잡았지만, UWB는 더 빠르고 안전하고 매우 정확하므로 10m ~ 20m 범위에서 작동하는 응용 제품에서 더 우위를 점할 것으로 예상됩니다. 이러한 평가는 주로 시간차(ToF) 측정에 기인합니다.

표 1: UWB의 3.1GHz ~ 10.6GHz 스펙트럼 대역은 2.4GHz ~ 5GHz에서 최고치를 기록하는 Wi-Fi 및 Bluetooth보다 훨씬 더 넓습니다. 더 넓은 대역폭으로 더 높은 주파수 범위에서 작동하는 UWB는 더 많은 데이터를 보다 안전하게 전송할 수 있으므로 고속, 단거리 데이터 전송에 적합합니다. (이미지 출처: Aker Technology)

신호가 장치 간에 이동하는 데 걸리는 시간을 정확하게 측정하는 UWB의 ToF 기능에는 암호화 특성, 난수 생성 및 기타 보안 기술이 있어, 외부 공격자가 쉽게 UWB 통신에 액세스하거나 조작할 수 없습니다.

UWB 기술은 높은 보안 외에도 저전력, 우수한 잡음 내성, 정밀한 포지셔닝 및 위치 추적, 다양한 재료를 쉽게 투과할 수 있는 신호를 제공합니다. UWB는 동일한 주파수 대역에서 기존의 협대역 및 반송파 전송을 방해하지 않고 대량의 신호 에너지를 전송할 수 있습니다.

무선 속도(실시간 데이터, 정밀 타이밍): Wi-Fi의 데이터 전송률은 각각 600Mbps와 460Mbps로 UWB보다 약간 높지만, UWB의 레이더급 감지 기능으로 인해 무선 응용 분야에서 효과적인 선택지가 될 수 있습니다. 참고로 Bluetooth의 데이터 전송률은 24Mbps입니다. 또한 Bluetooth 또는 Wi-Fi보다 공칭 범위가 낮은 UWB는 정밀한 타이밍과 실시간 데이터 전송이 필요한 단거리 응용 분야에 가장 적합합니다.

정확도(포지셔닝, 위치 추적): UWB는 근거리에서 다른 어떤 무선 기술과도 비교할 수 없을 정도로 정확하여 장치의 위치를 정확하게 파악할 수 있습니다. 다른 무선 전송 및 라디오 버스트 기술을 방해하지 않으므로 UWB는 Wi-Fi(2m ~ 3m) 및 Bluetooth(1m ~ 5m)의 범위보다 훨씬 뛰어난 10cm ~ 30cm 정확도로 거리를 효과적으로 측정할 수 있습니다.

보안(데이터 무결성, 보안 전송): UWB의 펄스 전송 기술은 잡음과 반사에 강해 다양한 응용 분야에서 매우 안전합니다. 두 장치 간의 직접 연결과 정밀한 측정 속성을 통해 UWB는 무선 전파를 기록하거나 중계하지 않고 실시간으로 장치와 연결하여 장치의 적법성을 인증할 수 있습니다.

전력 효율성(저누설, 최적 소비): 빠른 전송 속도와 잘 정의된 타이밍 프레임 덕분에 UWB는 대부분의 단거리 프로토콜보다 전력을 더 효율적으로 절약합니다. 전력 최적화를 위해 최대 절전 모드를 포함한 여러 저전력 모드를 지원할 수 있습니다. UWB 환경에서 발견되는 장치와 같이 배터리로 구동되는 소형 장치에서 전력 소비는 매우 중요한 요소입니다.

수정 발진기로 UWB 응용 분야 지원

UWB는 넓은 주파수 범위에서 단거리 무선 응용 분야의 많은 요구 사항을 충족하지만, UWB의 이점을 활용하려면 정밀한 포지셔닝, 위치 추적 및 고속 데이터 전송을 보장하기 위한 정확한 주파수 제어 기능도 필요합니다.

표 2: UWB의 주파수 제어 요구 사항을 충족하는 일반적인 고성능 수정 수정 진동자는 적절한 시간과 속도로 정보를 전송하는 데 필요한 신호 및 타이밍 제어를 보장하는 주파수 제어 장치로 잘 알려져 있습니다. 수정의 안정성, 위상 잡음 특성 및 전력 효율은 UWB 통신 및 포지셔닝 시스템의 품질과 신뢰성에 영향을 줄 수 있습니다. (이미지 출처: Aker Technology)

안정적인 발진기는 UWB 펄스가 원하는 모양과 스펙트럼을 유지할 수 있도록 신뢰할 수 있고 정확한 클록 신호를 제공합니다. 즉, UWB 송신기에서 생성되는 펄스 모양은 발진기가 제공하는 타이밍에 영향을 받습니다.

발진기의 주파수 변동 또는 불안정성은 신호 왜곡과 성능 저하로 이어질 수 있으므로 정확한 주파수 범위, 허용 오차 범위 및 안정성을 갖춘 수정을 선택하는 것이 중요합니다. 기타 주요 파라미터로는 패키지 유형, 작동 온도, 부하 정전 용량 등이 있습니다.

주요 UWB 시장

iPhone 11에서 처음 등장한 UWB는 스마트 태그, 차량 내 기준점, 앵커를 비롯한 수많은 PAN 기반 응용 분야에서 빠르게 자리를 잡는 중입니다. UWB 기술은 스마트 무선 기술 혁신을 가속하고 세상을 효율적으로 자동화하는 데 도움이 됩니다. UWB는 다음과 같은 다양한 분야에서 근거리 무선 시장을 혁신하고 있습니다(그림 2).

산업 - UWB는 자산 추적, 실내 정위, 모니터링 시스템, 무선 센서 네트워크 및 스마트 그리드 응용 분야에 사용됩니다. UWB 기술을 활용하면 직원 및 장비에 정확한 위치 정보를 제공할 수 있습니다.

소비자 통신 - 스마트폰, 웨어러블, IoT, 스마트 홈 시스템 및 스마트 태그에서 근거리 장치 간의 빠르고 안정적인 무선 연결을 위해 UWB 기술이 사용됩니다. UWB는 정밀한 실내 포지셔닝처럼 정확한 공간 추적 기능을 제공합니다.

자동차 - 자동차 업계에서는 무선 시동 시스템, 보안 차량 출입, 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS), 추적 등 모든 분야에서 정밀한 포지셔닝을 위해 UWB를 사용하고 있습니다.

그림 2: UWB 응용 분야. (이미지 출처: Aker Technology)

주파수 제어를 활용한 무선 혁신

무선 연결에 대한 수요가 증가함에 따라, 특히 사물 인터넷 (IoT) 기기가 확산되고 5G 네트워크가 도입되면서 주파수 대역을 넘어 이동하는 데이터가 새로운 한계에 도달하고 있습니다. 성장하는 무선 인프라는 UWB가 제공하는 중요한 성능 파라미터에 의존하고 있습니다.

넓은 주파수 범위에서 작동하는 UWB는 동일한 주파수 대역의 기존 협대역 및 반송파 전송에 전파 방해를 일으키지 않고 대량의 신호 에너지를 전송할 수 있습니다. 이러한 광대역 할당에는 동일한 주파수 대역에서 작동하는 다른 무선 시스템에 전파 방해를 일으키지 않고 데이터 전송을 동기화하며 안정적인 통신을 유지하기 위해 정확한 주파수 제어가 필요합니다.

결론

UWB 기술을 사용하면 안전한 범위 지정과 정밀한 감지를 실현하여 무선 장치에 새로운 차원의 공간적 맥락을 구축할 수 있습니다. UWB는 동일한 주파수 대역에서 기존의 협대역 및 반송파 전송을 방해하지 않고 대량의 신호 에너지를 전송할 수 있습니다. UWB는 IoT, 웨어러블, 정시 위치 추적, 스마트 카 액세스, 홈 제어 패널, P2P 통신, 자동 잠금 해제 및 액세스 관리를 위한 미래의 기술이며, Aker는 다양한 타이밍 수정을 통해 UWB 응용 분야를 지원하고 있습니다.