초광대역 - 미래의 선두주자

일반적인 무선 기술에는 어떤 것들이 있습니까?

무선 통신은 전기 분야에서 가장 중요한 발전 중 하나로, 1887년에 하인리히 헤르츠(Heinrich Hertz)가 전기를 이용하여 라디오 신호를 생성하고 스파크 갭과 대형 구리선을 사용하여 이를 수신할 수 있다는 것을 보여준 때로 거슬러 올라갑니다. 현대의 무선 통신 시스템은 고급 회로 설계를 통해 소량의 에너지를 사용하면서도 고속 데이터 전송이 가능하도록 매우 발전되어 있습니다.
 
지금까지 가장 유명한 무선 통신 방법으로는 논란의 여지 없이 Wireless Fidelity(Wi-Fi)가 있습니다. Wi-Fi는 가정, 사무실 및 산업 현장에서 찾아볼 수 있습니다. Wi-Fi는 높은 데이터 전송 속도를 제공하면서도 좋은 커버리지와 여러 장치의 사용을 지원합니다.
 
다음으로 중요한 무선 통신 시스템은 셀룰러입니다. 이를 통해 휴대용 모바일 기기가 전화 통화를 하거나 인터넷에 접속할 수 있습니다. 셀룰러 네트워크는 Wi-Fi보다 훨씬 더 많은 장치를 지원할 수 있으며, 또한 더 넓은 범위를 제공합니다.
 
Bluetooth 는 에너지 효율성과 편의를 중점으로 하는 무선 기술입니다. Wi-Fi 및 셀룰러 네트워크와는 달리, Bluetooth는 낮은 데이터 전송 속도와 매우 짧은 범위(수 미터)를 가지지만, 매우 적은 양의 에너지를 소비합니다. 이는 배터리가 장착된 휴대용 기기에 이상적이며, 충전 없이 오랜 시간 동안 연결을 유지할 수 있습니다.
 
근거리 무선 통신은 가장 짧은 범위의 통신 방법 중 하나로 널리 사용됩니다. 몇 센티미터의 짧은 범위는 비밀번호 입력 없이 접근이 필요한 보안 시스템이나 비밀번호를 사용할 필요가 없는 결제 방법에 유용합니다.

현대적인 응용 분야에서 무선 통신 시스템이 직면하는 과제는 무엇인가요?

지난 20년 동안 전자기기는 유선 장치에서 무선 장치로 이동하였습니다. 이는 케이블이 없다는 편리함 덕분입니다. 케이블을 제거하려는 욕구는 매우 커져 현재 시장에 나와 있는 일부 전자기기는 무선 충전 기능을 제공합니다.
 
하지만 케이블 이 없다는 것은 장치가 작동하기 위해 에너지를 저장해야 한다는 것을 의미하며, 이 에너지는 거의 항상 배터리에서 나옵니다. 배터리에 의존해야 한다는 것은 엔지니어가 무선 시스템을 구현하려고 할 때 문제를 일으키며, 무선 통신은 매우 에너지 소모가 클 수 있습니다.
 
몇 미터 범위 내에서 통신해야 하는 장치들은 에너지 절약이 매우 뛰어난 Bluetooth를 사용하면 됩니다. 그러나 많은 정보를 전송하거나 더 긴 거리에서 통신할 수 있는 장치의 경우 Wi-Fi와 같은 기술을 사용해야 하며, 이는 배터리를 빠르게 소모할 수 있습니다. 이는 또한 배터리가 화면, 프로세서, 사용자 I/O를 작동시키는 데도 필요하다는 점에서 문제가 됩니다.
 
자산 추적과 같은 기능도 점점 인기를 얻고 있습니다. 하지만 현재의 무선 기술로는 신뢰할 수 있는 구현이 어렵습니다. GPS 는 모든 장치에서 제공되지 않으며, 제공된다고 해도 GPS의 정확성은 일반적으로 5미터에서 30cm 수준으로 실내 추적에는 전혀 사용할 수 없습니다. Wi-Fi는 약 5미터의 정확성을 제공하며, Bluetooth는 3미터 정확성을 제공합니다. 미래의 실내에서 실시간으로 장비를 추적할 능력이 필요한 응용 프로그램은 훨씬 더 높은 정확도(10cm 미만)가 필요합니다.

초광대역이란 무엇입니까?

초광대역(Ultra-wideband)은 정보를 전달하기 위해 넓은 주파수 대역(다른 무선 통신 기술과 비교하여)을 사용하는 무선 통신 기술입니다.
 
대부분의 일반적인 무선 기술은 정보 전달을 위해 반송파 신호를 변조하며, 이 변조는 반송파 파형의 진폭, 주파수 또는 위상이 될 수 있습니다. 이러한 정보 전달 방법은 일반적으로 좁은 주파수 범위(즉, 대역폭)를 가지며, 이는 대부분의 라디오 전력이 특정 주파수에 집중된다는 것을 의미합니다. 예를 들어, Wi-Fi의 경우 라디오 대역폭은 20MHz에서 40MHz이며, 중심 주파수는 2.4GHz 또는 5GHz입니다.
 
반면, UWB는 기가헤르츠 범위에 이를 수 있는 매우 넓은 대역폭을 사용하며, 이 주파수 범위는 쉽게 여러 라디오 기술(Wi-Fi 등)을 포함할 수 있지만, 이러한 기술들과 간섭하지 않습니다.
 
UWB의 복잡성에 깊이 들어가지 않고 설명하자면, UWB가 이를 달성할 수 있는 이유는 UWB가 전체 스펙트럼에 걸쳐 신호가 노이즈 플로어(잡음 기준치)보다 낮기 때문입니다. 이는 UWB가 배경 소음 레벨보다 낮은 라디오 파장을 전송한다는 것을 의미하는 것이 아니라, UWB가 단위 시간당 전송하는 에너지가 국제적으로 정의된 잡음 기준치 한계보다 낮다는 것을 의미합니다. 이를 경기장에서 1분에 한 번씩 큰 박수를 치는 것으로 비유할 수 있습니다. 개별 박수는 매우 크지만, 1분당 평균 소음은 거의 무음에 가깝습니다.
 
UWB는 일반적으로 단일 사이클의 파형인 넓은 주파수 범위에 걸쳐 개별적인 라디오 에너지 블립을 발사합니다. UWB를 흥미롭게 만드는 점은 단일 에너지 블립의 생성이 송신기로 하여금 넓은 스펙트럼에 걸쳐 신호를 방출하게 한다는 점입니다(마치 정사각 파형이 고조파를 생성하는 것과 비슷합니다).
 
이러한 블립은 매초 수백만, 아니 수십억 개가 UWB를 통해 전송되며, 이 블립은 균등하게 간격을 유지하므로 UWB 수신기가 UWB 신호를 분리할 수 있습니다. 게다가, 다른 수신 기술(비-UWB)은 주파수 변조가 없거나, 라디오 에너지가 매우 낮거나, 위상 이동이 너무 좁기 때문에 자연스럽게 UWB 신호를 무시하게 됩니다.
 
요약하자면, UWB는 넓은 스펙트럼에 걸쳐 작은 라디오 에너지 블립을 방출하여 일반 수신기에는 노이즈처럼 보이게 합니다. 이러한 에너지 블립은 균등하게 간격을 두고 배치되어 UWB 수신기에서 복구될 수 있으며, UWB 신호의 평균 에너지는 표준 통신의 잡음 기준치 이하로 떨어집니다.

UWB의 장점은 무엇입니까?

UWB는 기존 기술과 비교했을 때 많은 장점이 있으며, 저비용 위상 배열 안테나의 개발은 구현을 더욱 증가시키는 데 기여했습니다. 그러나 UWB 기술이 기존 기술을 지원하는 데 이상적이며, 다른 기술을 완전히 대체하기 위해 설계된 것이 아니라는 점은 명심해야 합니다.
 
UWB의 첫 번째 주요 장점은 매우 적은 에너지 사용량입니다. Wi-Fi와 셀룰러 같은 다른 기술은 장거리에서 캐리어 신호를 사용하는데, 이는 매우 많은 에너지를 요구합니다. 캐리어 파동에서 사용되는 에너지를 줄이는 것은 본질적으로 Bluetooth가 하는 일이지만, 이는 범위와 데이터 전송률에 영향을 미치며 비용이 따릅니다. 작은 라디오 블립을 사용하면 순간적인 에너지 사용을 줄일 수 있으며, 넓은 스펙트럼을 사용하면 에너지가 더 효율적으로 사용됩니다(좁은 대역 신호는 대역폭 외부로 낭비되는 에너지를 기억하십시오).
 
UWB의 두 번째 주요 장점은 범위입니다. 주파수에 따라 라디오 통신은 종종 벽, 문, 나무 등 장애물에 의해 막힐 수 있습니다. 단일 주파수 캐리어 파동을 사용하는 경우, 해당 주파수에서 신호를 차단할 수 있는 장애물은 심각한 신호 손실을 초래합니다(비유적으로 모든 달걀을 하나의 바구니에 담는 경우와 같습니다).
 
그러나 UWB는 서로 다르게 작동하고 다른 경로를 따르는 넓은 스펙트럼의 주파수를 사용합니다. 그 결과 특정 주파수를 차단할 수 있는 장애물이라도 UWB에서 사용되는 모든 주파수를 차단할 수는 없습니다. 따라서 UWB 신호는 장애물 주변을 매우 잘 탐색하며 벽을 통과할 수 있습니다.
 
UWB의 세 번째 주요 장점은 넓은 주파수 범위와 라디오 블립을 결합하여 UWB 장치가 정확히 위치를 설정할 수 있는 고급 레이더 같은 기능을 제공합니다. Wi-Fi 및 Bluetooth와 같은 라디오 기술은 몇 미터 단위의 위치 정확도를 제공할 수 있지만, UWB는 10cm의 정확도로 위치를 설정할 수 있습니다. 이것은 UWB가 자산 추적이 필요한 응용 분야에서 동시에 장치 통신을 제공하는 데 사용될 수 있도록 합니다.

초광대역 기술과 그 응용

UWB의 이점을 고려할 때, UWB는 저전력, 장거리, 추적 기능을 필요로 하는 애플리케이션에 이상적인 기술임이 분명합니다. UWB는 높은 데이터 전송 속도를 위해 사용할 수 있지만, 대규모 데이터 전송을 위해 설계된 셀룰러 및 Wi-Fi와 같은 기술과 경쟁할 가능성은 낮습니다.
 
UWB가 매우 적합한 애플리케이션 중 하나는 IoT 디바이스입니다. 기술이 계속 발전함에 따라 IoT 디바이스는 크기가 점점 작아질 것입니다. 소형 크기에 원격 작동의 요구가 결합되면 UWB는 완벽한 후보가 됩니다. UWB의 저전력 요구는 IoT 디바이스가 충전 없이 장기간 작동할 수 있도록 하고, UWB의 장거리 기능은 IoT 디바이스가 넓은 지역에 분산될 수 있도록 합니다.
 
UWB는 자산 추적이 필요한 애플리케이션에도 이상적입니다. Apple Airtag과 같은 일부 자산 추적 제품에서도 UWB가 이미 사용되고 있으며, 이는 UWB의 가능성을 입증합니다. 또한 수백에서 수천 개의 인터넷 연결 장치를 포함하는 미래 산업 현장에서 자산 추적은 핵심적인 중요성을 가지게 될 것입니다. 예를 들어, 한 창고에서 다른 창고로 물품을 이동시키는 자동화된 물류 차량은 다른 장치에 대해 실시간 위치를 파악하기 위해 UWB를 활용할 수 있습니다.
 
UWB는 또한 자동차 분야에서도 실질적인 잠재력을 가지고 있으며, UWB의 추적 기능을 활용하여 차량이 주변 환경에 대해 더 잘 인지하도록 만들 수 있습니다. UWB 시스템이 장착된 여러 차량은 속도, 위치 및 가속도에 대해 서로 통신할 수 있으며, 이는 사전 충돌 탐지와 같은 첨단 안전 기능으로 이어질 수 있습니다.
 
차량에서 UWB를 사용하는 것은 UWB 장치를 장착한 보행자에게도 이점을 제공할 수 있습니다. 빠르게 도로를 달리는 차량은 보행자가 교통 흐름에 진입했는지 감지하고, 보행자에게 뒤로 물러나라고 알리거나 제어된 방식으로 브레이크를 작동할 수 있습니다.

UWB 기술의 미래

UWB는 Wi-Fi 및 Bluetooth와 같은 주류 방법과 비교할 때 근본적으로 다른 통신 방식입니다. 넓은 스펙트럼에서 라디오 펄스를 사용하는 것은 UWB가 다른 기술들과 동시에 작동할 수 있도록 하며, 넓은 스펙트럼 사용은 정확한 추적과 같은 고급 기능을 가능하게 합니다. 또한 정의된 간격에서 라디오 신호를 사용하는 것은 높은 데이터 속도를 유지하면서 에너지 사용을 줄일 수 있게 하고, 크고 짧은 시간의 신호 사용은 최대 50미터까지 통신이 가능하여 Wi-Fi와 동등한 수준을 갖추게 합니다.
 
UWB는 다른 기술을 대체하거나 경쟁하지는 않을 것이며, 사용되는 각 기술은 고유의 장점을 가지고 있습니다. 그러나 UWB는 미래 IoT와 IIoT 애플리케이션에서 확실히 주요 역할을 하게 될 것이며 자동차 환경에서도 유용하게 활용될 수 있습니다.