UWB(Ultra-Wide Band) 통신의 정의, 거리 및 위치 측정 기술

< UWB 통신 정의, 거리, 위치 측정 기술 >

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1. UWB(Ultra-Wide Band) 통신이란?

매우 낮은 저주파에서 높은 고주파수까지 매우 넓은 스펙트럼의 주파수를 사용하고 낮은 전력으로 매우 좁은 폭의 연속 펄스(고주파수)를 사용하며 기존 통신 시스템과 상호간섭 없이 통신할 수 있는 무선 통신 기술이다. 요즘에는 스마트폰에도 탑재되는 등 일상생활에서도 접할 수 있지만, 원래 1960년대 레이더 애플리케이션 활용 목적으로 개발되었던 기술이라고 한다. 아주 짧은 펄스파(2ns, 나노초 단위)를 사용하기에 이동통신, 방송, 위성 등의 기존 통신 시스템과 상호 간섭 없이 주파수를 공유하며 사용할 수 있다. 높은 정확성을 가지고 있으며 500 MHz의 넓은 대역폭을 활용해 대용량 데이터를 전송할 수 있다. 또한 세밀한 거리 측정이 가능하다. UWB는 주로 거리, 위치 정보를 알아낼 때 사용된다. 아래 표는 UWB와 다양한 통신 방식들의 특징을 비교한 표이며 정확하지 않을 수 있으니 참고용으로 보길 바란다. (출처는 본문 하단에 있음)

< 다양한 통신 방식의 특징 비교 >

위의 표에서 확인할 수 있는 것처럼 UWB는 다른 통신 방식에 비해 위치 정확도가 뛰어나다. 그리고 기존 무선 통신 시스템과는 다르게 반송파(저주파에 신호를 실어 전송하기 위해 사용되는 고주파 전류)를 사용하지 않고 기저대역에서 통신이 이루어져서 송수신기의 구조가 간단해지므로 낮은 비용으로 송수신기를 제작할 수 있다.

 

■ UWB 통신 적용 사례

① 스마트 도어록 : 손을 대지 않고 스마트폰과 도어록 사이의 거리를 측정해 문 열기

② 스마트 홈 : 스마트폰으로 청소기 작동, 사람이 조명 근처에 가면 조명이 켜짐

③ 결제 : POS기와 스마트폰의 거리를 감지하고 근접하면 블루투스 신호를 켜 자동 결제

④ RTLS(Real Time Location System) : 특정 공간에서 사람 또는 물건 위치 추적

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2. UWB 거리 측정 기술

ToF(Time of Flight) 방식을 사용한다. 앵커와 태그 사이의 통신을 기반으로 직선거리를 계산한다. 신호를 쏘고 받는 시간과 속도를 활용해 거리를 계산한다.

< ToF 방식 그림 >

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3. UWB 위치 측정 기술

3.1. TWR(Two Way Ranging)

ToF 기술을 기반으로 태그의 위치를 결정하는 방법. 태그와 앵커 사이의 거리를 ToF로 측정한 다음 각각의 원을 그려 교차하는 지점을 태그의 위치로 판단한다. 전력소비가 크지만 시간 동기화가 불필요하다.

< TWR 방식 그림 >

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3.2. TDoA(Time Difference of Arrival)

앵커에 태그의 신호가 도착하는 시간의 차이를 이용해 위치를 결정하는 방식. 소비 전력이 작지만 앵커들의 시간 동기화가 필수라서 운영과 설치가 어렵다.

< TDoA 방식 그림 >

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3.3. AoA(Angle of Arrival)

앵커가 태그로 신호를 보내면 태그가 수신되는 신호의 각도를 측정하여 신호원을 기준으로 오는 신호의 방향을 찾아내 위치를 결정하는 기술이다. 앵커들의 동기화가 필요 없으나 신호 반사가 있다면 정확도가 감소한다.

< AoA 방식 그림 >

 

 

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3.4. PDoA(Phase Difference of Arrival)

태그가 앵커로 신호를 보내면 안테나들이 수신하는 위상에서 차이가 생긴다. 위상 차를 활용해 앵커와 태그 간의 각도 및 거리를 측정하여 태그의 위치를 찾는 방법이다. 매우 정확하나 최소 3개의 안테나가 필요하다.

< PDoA 방식 그림 >

 

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4. 출처

https://koreamuratablog.tistory.com/121