Murata 기술을 활용한 초광대역(UWB) 무선 통신

이 기사에서는 초광대역 통신에 대한 개요를 살펴보고, 이를 가능하게 하는 Murata의 부품 솔루션을 탐구합니다.

소비자들이 빠르고 고정밀 통신을 요구하는 추세는 멈출 기미가 보이지 않습니다. Wi-Fi, Bluetooth, GPS와 같은 이전 세대 프로토콜은 허용 가능한 수준의 성능을 제공했지만 더 나은 정확성에 대한 강한 요구가 남아 있었습니다. 초광대역(UWB) 기술은 이러한 요구를 충족시킵니다. 이 기사에서는 UWB 통신에 대한 개요를 살펴보고 Murata의 이를 가능하게 하는 부품 솔루션을 탐구합니다.

초광대역(UWB)란 무엇인가요?

이와 같이, UWB 무선 통신은 넓은 주파수 대역을 사용하고 노이즈 레벨보다 낮은 전송 전력 레벨이라는 통신 특성으로 인해 다른 통신과 간섭이 적다는 특징이 있는 것으로 주목됩니다. 또한, 제3자에 의해 통신 자체가 알려지지 않으므로 보안성이 높습니다. 더욱이, 저전력 소비로 통신이 가능합니다.   그림 1에서 볼 수 있듯이, UWB 무선 통신에서는 약 2 ns(나노초; 10-9 초)의 지속 시간을 가지는 펄스가 데이터로 전송됩니다. 이러한 단시간 펄스는 거리 측정 및 위치 파악에 대한 높은 해상도의 특성을 가지고 있습니다.   반면, 시간 도메인에서의 짧은 펄스 지속 시간은 주파수 도메인에서 전력 스펙트럼이 넓은 대역폭을 차지한다는 것을 의미합니다. (시간 도메인과 주파수 도메인에 대한 통신 설명은 다른 페이지에서 다루겠습니다.)   그림 2는 주파수 도메인에서 UWB 무선 통신의 전송 전력(전력 스펙트럼 밀도)을 정성적으로 보여줍니다. 예를 들어, UWB 무선 통신이 2G 모바일폰이나 Wi-Fi 및 3G 모바일폰과 같은 기존 통신이 사용하는 주파수 대역폭과 비교했을 때 압도적으로 넓다는 것을 알 수 있습니다.   또한, 다른 통신 방식보다 낮을 뿐만 아니라, UWB 무선 통신의 전송 전력의 피크 값은 라디오파를 방출하는 디지털 장비의 노이즈 수준 규제 값, 즉 미국 연방 통신 위원회(FCC)*1에서 설정한 방출 전자기 노이즈 규제 값 -41.3 dBm/MHz*2 (75 nW/MHz)보다 낮게 설정됩니다.   이와 같이, UWB 무선 통신은 넓은 주파수 대역을 사용하고 노이즈 레벨보다 낮은 전송 전력 레벨이라는 통신 특성으로 인해 다른 통신과 간섭이 적다는 특징이 있는 것으로 주목됩니다. 또한, 제3자에 의해 통신 자체가 알려지지 않으므로 보안성이 높습니다. 더욱이, 저전력 소비로 통신이 가능합니다.

*1: 미국 연방통신위원회(FCC)는 미국 내에서 무선 또는 유선 통신을 관리 및 규제하는 정부 기관입니다.   *2: dBm/MHz는 1MHz 주파수 폭당 전력 수준(전력 스펙트럼 밀도)을 나타냅니다. dBm은 전력을 상용로그로 변환했을 때 사용하는 단위입니다. 통신 시스템에서 처리되는 수치 범위는 매우 넓습니다. 이를 직접적으로 다루는 것은 불편하므로 일반적으로 범위를 줄이기 위해 로그 표현을 사용합니다.

UWB 태그를 소지품에 부착하면 분실을 방지할 수 있습니다. 예를 들어, 가방, 지갑, 열쇠 등과 같은 물품에 UWB 태그를 부착한다고 가정합시다. UWB 모듈이 장착된 스마트폰을 사용하여 UWB 태그의 위치를 센티미터 단위로 정밀하게 파악하여 물품을 찾을 수 있습니다. 게다가, UWB 태그의 배터리는 버튼 배터리이지만 전력 소비가 적기 때문에 약 1년 정도 지속된다고 알려져 있습니다.

스마트폰 및 UWB 모듈이 장착된 기타 기기를 사용하여 hands-free 방식의 안전한 건물 및 방의 출입 시스템을 구축할 수 있습니다.   지금까지 PIN, 물리적 열쇠, IC 카드 등을 사용한 거주지(예: 콘도) 및 기밀 정보가 처리되는 사무실 및 공장을 스마트폰이나 기타 기기를 주머니나 가방에서 꺼내지 않고도 안전하게 잠금 해제할 수 있습니다. UWB의 고정밀 거리 측정 기능과 높은 보안 기능을 활용하여 이러한 작업이 가능합니다. 이와 같이, 매끄러운 건물 및 방 출입을 실현할 응용 프로그램의 확산이 기대되고 있습니다.

스마트폰 및 UWB 모듈이 장착된 기타 장치를 사용하여 슈퍼마켓, 편의점, 레스토랑 및 기타 상업 시설을 위한 핸즈프리 및 안전한 결제 시스템을 구축하는 것이 가능합니다. 또한, 역 개찰구, 엔터테인먼트 및 레크리에이션 시설, 숙박 시설, 주차장 및 기타 유사한 시설에 대한 요금 청구 시스템을 구축하는 것도 가능합니다.   UWB의 고정밀 거리 측정 기능과 높은 보안 기능을 활용하여 지갑, IC 카드, 스마트폰 또는 유사한 것을 꺼낼 필요 없이 핸즈프리 원활한 결제 및 요금 청구를 실현하는 애플리케이션의 실용화 및 확산에 대한 기대가 있습니다.

자동차 스마트 키는 UWB 무선의 고정밀 거리 측정 및 위치 지정 기능을 활용한 응용 사례입니다. 예를 들어, UWB를 이용한 자동차 근처에서의 무선 통신을 통해 차량 소유자가 약 1m 범위에 있을 때 잠금을 해제할 수 있고, 소유자가 수십 센티미터 이내에 있을 때 엔진을 시작할 수 있는 작동 기능을 설정하는 것이 가능합니다.   게다가, UWB 무선은 매우 낮은 전송 전력으로 기밀 통신을 제공합니다. 이는 보안을 강화한다는 것을 의미합니다. 예를 들어, 제3자가 기존 무선 키에서 지속적으로 출력되는 전파를 중계하여 차량을 잠금 해제하는 "릴레이 공격"이라는 도난 기술을 방지할 수 있습니다.

요즘 자동차에 다양한 센서, 레이더, AI 시스템 및 기타 기술을 탑재하고 이를 연결하여 IoT에 적합하게 만들면서 차량 모델에 따라 차량 네트워크(Controller Area Network (CAN)와 같은 네트워크)로 사용되는 와이어 하네스(전선과 연결 단자로 구성된 차량 내 부품)의 총 길이가 10km에 이르고 총 무게는 50kg에 달한다고 합니다. 다른 통신과의 간섭이 적은 UWB 무선은 커넥티드 카로서 병행 발전하는 상황에서 차량 네트워크를 무선화하는 데 효과적인 것으로 알려져 있습니다.

공장, 창고 및 기타 시설의 실시간 위치 시스템 공장과 물류 시설 등 현장에서 배치된 부품, 패키지 및 기타 품목의 위치를 고정밀도와 실시간으로 파악할 수 있도록 여러 UWB 앵커와 UWB 태그*4를 사용하여 실시간 위치 시스템(RTLS)을 구축할 수 있습니다.   *4: UWB 무선 통신을 사용하여 여러 앵커가 태그에서 발신하는 신호를 수신하고 그 정보를 처리하여 태그의 위치를 정확히 파악하는 시스템으로 가능합니다(컬럼 참조). 산업용 UWB 앵커는 보통 위치 엔진, 애플리케이션 서버 및 기타 시스템과 함께 작동됩니다.

Murata Manufacturing(이하 "Murata")는 NXP 또는 Qorvo UWB 칩셋을 채택하여 Murata의 높은 신뢰성을 가진 필터, 클록, 안테나 및 기타 주변 부품으로 구성한 소형 및 저전력 소비 UWB 모듈 라인업을 보유하고 있습니다.

주요 용도: 배터리로 구동되는 일반 IoT 장치. 이 모듈에는 NXP Trimension™ SR150 UWB 칩셋이 채택되었습니다. 수지 몰드 외에도 정합 실드로 구성된 소형 모듈입니다. 이 모듈은 3안테나 규격을 지원하며 2D AoA 및 3D AoA를 지원합니다.   Type 2BP: NXP 기반 UWB 모듈

주요 용도: 코인 배터리의 저전력 소비로 작동하는 UWB 태그/트래커 및 일반 IoT 장비. 이 모듈은 NXP Trimension™ SR040 UWB 칩셋과 NXP QN9090 Bluetooth® LE + MCU 칩셋을 채택한 콤보 모듈입니다. 이 모듈은 온보드 안테나와 주변 부품이 올인원으로 장착되어 있습니다.   Type 2DK: NXP 기반 UWB 모듈  

주요 용도: 소형 배터리로 작동하는 IoT 기기 및 애플리케이션. 이 모듈은 Qorvo QM33120 칩셋을 채택하여 초소형, 고품질, 저전력 소모 설계를 특징으로 하는 UWB 모듈입니다. 또한 UWB 웨이크업(슬립 취소)과 펌웨어 업데이트를 위한 Bluetooth® LE 칩셋, 가속도계, UWB 및 MCU 기준 클럭 등 다양한 구성 요소를 갖추고 있습니다.   2AB 타입: Qorvo 기반 UWB 모듈

주요 용도: 소형 배터리로 작동하는 IoT 기기 및 애플리케이션. 이 모듈은 울트라-작고 고품질의 저전력 소비 설계를 특징으로 하는 UWB 모듈이며, Qorvo QM33120 칩셋을 채택하였습니다. UWB 웨이크업(슬립 취소) 및 펌웨어 업데이트를 위한 Bluetooth® LE 칩셋, 가속도계, UWB 및 MCU 참조 클록 등 다양한 구성 요소를 갖추고 있습니다.
 
Type 2AB: Qorvo 기반 UWB 모듈

일반적으로 UWB 무선 통신을 사용한 위치 측정 방법으로 UWB 기능이 탑재된 스마트폰이나 산업용 UWB 앵커와 UWB 태그 간의 거리 측정을 Time of Flight (ToF)와 각도 측정을 Angle of Arrival (AoA)와 결합하여 사용합니다. 아래에서 각 방법에 대해 설명합니다.

UWB 무선 통신을 사용한 비행 시간(Time of Flight, ToF) 거리는 메시지(신호)의 전송부터 수신까지의 시간을 측정하여 대상 객체까지의 거리를 계산하는 메커니즘입니다. 구체적으로, UWB 송신기는 짧은 펄스 신호를 방출하고, 수신기는 해당 신호를 수신합니다. 이러한 신호의 전송부터 수신까지 걸리는 시간을 ToF라고 합니다.   ToF 기술을 사용한 UWB 거리는 전자기파(빛의 속도)의 속도와 소요 시간을 이용해 거리를 계산할 수 있습니다. 구체적으로, 소요 시간과 빛의 속도의 곱을 이용하여 거리를 구합니다. UWB의 초광대역 특성은 짧은 펄스 신호를 사용하는 것을 가능하게 합니다. 따라서 높은 시간 해상도와 측정 정밀도를 얻을 수 있습니다. 결과적으로, 감지 및 위치 지정 애플리케이션에서 고정밀 측정 결과를 기대할 수 있습니다. 이에 따라 여러 분야에서 사용되고 있습니다.   UWB 거리 측정 기술에는 두 가지 주요 기술이 있습니다: 단측 양방향 거리 측정(Single-Sided Two-Way Ranging, SS-TWR)과 양측 양방향 거리 측정(Double-Sided Two-Way Ranging, DS-TWR)입니다. 이러한 기술들은 신호의 왕복을 이용하여 거리 측정에 접근하는 방식이 다릅니다.  

SS-TWR은 단일 장치만으로 왕복 시간을 측정하는 방법입니다. 이 기술에서 장치 A는 신호를 장치 B로 전송하고, 장치 B는 해당 신호를 수신한 후 다시 장치 A로 응답 신호를 보내게 됩니다. 장치 A는 신호를 전송한 후 수신할 때까지 소요된 시간을 측정하여 왕복 시간을 계산합니다.   이 방법은 장치 A만으로 측정을 가능하게 합니다. 그러나 두 장치 간의 클록 동기화가 필요합니다.

DS-TWR은 양쪽 장치와 왕복 시간을 측정한 다음 결과를 공유하는 방법입니다. 이 기술에서는 장치 A가 장치 B로 신호를 전송하고, 장치 B는 신호를 수신한 후 다시 장치 A로 응답 신호를 보냅니다. 장치 A와 장치 B는 각각 신호 전송부터 수신까지 걸리는 시간을 측정합니다. 그런 다음 이러한 결과를 사용하여 왕복 시간을 계산합니다. 이 방법에서는 클록 동기화가 필요하지 않습니다. 즉, 더 간단하고 높은 정밀도의 측정이 가능합니다.

AoA는 장치 A에서 보았을 때 장치 B가 배치된 방향의 각도를 계산하는 방법입니다. 그림 4에서 보이듯이, UWB 무선에서 AoA를 사용한 각도 측정은 장치 B에서 방출된 무선파가 장치 A의 다수의 안테나에서 수신되어 수신된 무선파의 위상 차이를 통해 각도를 계산하는 메커니즘입니다. 그 결과, 두 개의 안테나를 사용한 각도 측정(2D AoA)을 통해 평면 위치 결정을 수행할 수 있으며, 세 개의 안테나를 사용한 각도 측정(3D AoA)을 통해 3차원 위치 결정을 수행할 수 있습니다.