[헬로티]
정확한 위치 정보를 필요로 하는 애플리케이션 솔루션으로 UWB 기술이 부상하고 있다. 특히 UWB와 블루투스 LE를 결합하면, 탁월한 위치 측정 성능은 물론, 블루투스 LE의 저전력 특성에 가까운 낮은 전력소모를 달성할 수 있는 기술을 구현할 수 있다.
기고 최수철 노르딕 세미컨덕터 코리아 지사장
▲출처 : 게티이미지뱅크
UWB, 정밀 위치 확인의 핵심 기술
전 세계를 위협하는 코로나 19가 발생하기 이전에는 실시간 위치 서비스, 즉 RTLS(Real Time Location Service) 기술은 초기 개발 단계에 불과했다.
또한, 3차원으로 위치를 확인하고, 보고하는 장치를 지원하는 블루투스 LE(Bluetooth Low Energy)의 방향 탐지 기능과 같은 무선 기술도 한창 개발 중이었다. 실제로 RTLS 시장의 잠재력은 무궁무진하다.
물류 회사들이 거대한 창고에 보관된 물건을 센티미터 수준의 정확도로 위치를 즉시 확인하고 보고할 수 있다면, 생산성을 크게 향상시킬 수 있을 것이다. 하지만 지금까지 위치확인 서비스는 크게 확산되지 못했다.
이전의 위기와 마찬가지로 세계적인 전염병 대유행은 혁신을 촉진시키는 계기가 되고 있다. 예를 들어, 바이러스 차단을 위한 핵심 수단인 확진자와의 접촉 여부를 확인하는 접촉자 추적 시스템은 이제 수많은 블루투스 LE 웨어러블 기기로 지원되고 있다.
이러한 솔루션의 대부분은 현재 사람 간 거리를 측정하기 위해 블루투스 LE의 RSSI(Received Signal Strength Indication)에 의존하고 있다.
RSSI는 신호가 송신기에서 출발한 이후 출력파워가 얼마나 감소했는지를 측정해 두 송신기 간의 거리를 추정한다. 이 기술은 완벽한 조건에서는 동작이 양호하지만, 벽이나 천장, 가구 및 다중 경로 페이딩과 같은 가변 효과가 주어지면, 신호 강도만으로 정밀한 거리를 측정하기는 어렵다.
이를 보완하기 위해서는 강력한 임베디드 프로세서와 풍부한 메모리 용량을 갖춘 SoC를 기반으로 저전력 특성과 안정성, 업계의 폭넓은 지원, 스마트폰과의 상호 운용성 등을 제공하는 블루투스 LE의 수많은 이점을 제공할 뿐 아니라 페이딩 및 다른 형태의 신호 감쇠가 덜 발생하는 기술이 필요하다.
유망한 후보 중 하나는 전통적으로 레이더 이미징 애플리케이션에 사용됐지만, 최근에는 PC 주변장치와 접촉자 추적 웨어러블 기기의 대안으로 부상 중인 RF 기술인 UWB(Ultra-Wideband)다.
세계적인 스마트폰 기업인 애플은 2019년 말, 아이폰 11에 UWB를 통합하면서 이 기술을 크게 발전시켰다. 컴퓨터월드 매거진에 따르면, 이 아이디어는 스마트폰에 공간인식 기능을 구현함으로써 PC 주변장치 및 접촉자 추적 시스템을 넘어 정밀 위치확인 기술의 이점을 활용하는 새로운 컨슈머 애플리케이션을 가속화하기 위한 것이었다.
블루투스 LE와 UWB 기술의 조합
1990년대에 미 국방부 첨단연구 프로젝트국(Defense Advanced Research Projects Agency)은 ‘초광대역’이라는 용어를 처음으로 만들고, 이를 25% 이상의 비대역폭(Fractional Bandwidth)을 가진 시스템으로 정의했다.
여기서 비대역폭은 중심 주파수에 대한 통과 신호 대역폭의 비율을 말한다. 미국 연방통신위원회(Federal Communication Commission)는 UWB에 대해 ‘20% 이상 또는 동일한 비대역폭을 갖거나 대역폭이 동일하거나 500MHz 이상인 의도적 방사체’로 정의하고 있다.
기존의 단거리 RF 기술은 협대역 기술을 사용한다. 예를 들어, 블루투스 LE는 1MHz 채널로 전송하고, GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying) 변조를 사용해 정보를 전달한다.
반면 UWB는 넓은 대역폭에 걸쳐 무선 에너지를 확산시킨다. 따라서 저전력 스펙트럼 밀도를 통해 다중 경로 페이딩에 대한 무결성을 제공하고, 간섭을 제한한다.
여러 변조 기술이 사용되지만, IEEE802.15.4 표준에서는 BPM-BPSK(Burst Position Modulation - Binary Phase Shift Keying) 방식을 요구한다.
이는 정밀한 타이밍 펄스를 사용해 정보를 전송하는데, 바로 이 타이밍이 UWB를 RTLS 애플리케이션에 적합한 솔루션으로 만들고 있다.
펄스가 수신기에 도달하는데 걸리는 시간과 응답이 되돌아오는데 걸리는 시간(수신기의 처리 지연시간을 뺀 다음)을 2로 나누고, 빛의 속도를 곱하면, 두 UWB 무선 장치 간의 거리를 정확하게 측정할 수 있다.
신호 강도가 아닌 타이밍을 기반으로 측정이 이뤄지기에 다중 경로 페이딩 및 다른 형태의 신호 저하에 따른 감쇠로 인해 거리 측정 정확도가 손상되지 않는다.
UWB는 송신기의 방향을 결정하기 위해 수신되는 신호에 대한 AoA(Angle of Arrival) 측정을 지원한다. 시스템은 이러한 거리 및 방향 데이터를 결합해 3차원으로 송신기의 위치를 정밀하게 결정한다.
UWB와 블루투스 LE를 결합하면, 탁월한 위치 측정 성능은 물론, 블루투스 LE의 저전력 특성에 가까운 낮은 전력소모를 달성하는 기술을 만들 수 있다.
초저전력 블루투스 LE 무선을 사용하여 대상 객체의 위치에 대한 근사값(상대적으로 많은 양의 RF 동작이 필요한 프로세스)를 구한 다음, 네이티브 무선에서 UWB 무선으로 전환해 보다 정확한 위치 확인 작업을 진행하면, 고출력의 UWB 무선 동작을 최소화할 수 있다.
이는 배터리 수명을 연장하는데 도움이 된다. 블루투스 LE SoC에 내장된 프로세서는 이러한 무선 스위칭을 제어하는데 사용된다. 블루투스 LE와 UWB 조합의 또 다른 장점은 UWB를 지원하지 않는 장치가 있는 경우 RSSI를 예비 위치 측정 기술로 사용할 수 있다는 점이다.
기술 상용화로 시장 잠재력 확인하다
데카웨이브(Decawave, 현재 코보가 인수)는 상용 UWB 솔루션 DW1000을 제공한다. 이 칩은 RTLS 애플리케이션을 대상으로, IEEE802.15.4- 2011 표준을 준수한다.
DW1000은 10cm에 이르는 거리 측정 정밀도를 제공하도록 설계됐으며, 3.5~6.5GHz의 스펙트럼 할당으로 6개의 채널을 지원하고, 110kbps에서 최대 6.8Mbps의 데이터 전송속도를 제공한다.
노르딕 세미컨덕터와 코보는 지난해 6월, 듀얼 UWB와 블루투스 LE 제품을 포함하는 파트너십을 확장했다. 이전의 협업은 코보의 RF 프론트엔드와 첨단 패키징 및 마이크로실드(MicroShield) 기술을 노르딕의 nRF9160 SiP에 사용하는데 중점을 뒀다.
노르딕과 코보의 고객은 이미 데카웨이브의 블루투스 LE/UWB 모듈을 활용하고 있다. 예를 들어, 독일 개발사인 파이텍은 DW1000과 nRF52832 SoC를 통합한 데카웨이브의 DWM1001C 모듈을 사용해 코로나 19에 대응하기 위해 UWB 및 블루투스 기반 작업장 사회적 거리두기 트래커를 특별히 개발했다.
'디스텐서'라고 불리는 이 장치는 직원 ID 카드처럼 목에 착용할 수 있다. 파이텍에 따르면, 이 기기는 정확한 대면 분리 측정을 통해 다른 코로나 대응 웨어러블 기기에 비해 정확성이 뛰어나기에 불필요한 테스트를 피할 수 있다.
조나스 레메르트(Jonas Remmert) 파이텍 R&D 엔지니어는 “블루투스 LE/UWB 모듈에 노르딕의 SoC를 채택한 것은 디스텐서 개발의 중요한 결정 요소였다”고 말했다.
이어 그는 “노르딕의 칩은 현재까지 오픈소스 RTOS인 제퍼(Zephyr)를 가장 잘 지원하는 블루투스 SoC로 평가된다. 그 결과 초기 개념에서 프로토타입 작업까지 불과 4주 만에 디스텐서를 개발할 수 있었다”고 밝혔다.
프랑스의 초소형 전자부품 제조업체인 인사이트 SiP도 사회적 거리두기를 모니터링할 수 있는 웨어러블 블루투스 LE/UWB 태그를 출시했다.
이 제품은 노르딕의 nRF52832 SoC를 기반으로 하는 이 회사의 ISP3010 모듈을 사용하고 있다. 이 디바이스는 웨어러블 태그 외에도 보안 장비 및 안전모와 같은 다른 형태의 제품에도 통합이 가능하다.
노르딕과 코보의 다음 제품은 엔터프라이즈 조명과 같은 고온 환경에서 사용하도록 방향 탐지 및 블루투스 메시를 지원하는 105°C 온도 스펙의 블루투스 5.2 인증 SoC인 노르딕의 nRF52833과 코보의 UWB 트랜시버를 결합한 제품이다.
코로나 대유행은 세계 경제를 혼란에 빠뜨렸지만, 한 가닥 희망은 현재 바이러스와 싸우고 있는 블루투스 LE/UWB RTLS 솔루션이 대량으로 도입되며, 세계 경제가 회복된 후 수십억 달러 규모의 새로운 산업 기회가 창출될 것이라는 점이다.
