무선 트랜시버는 저전력 저지연 데이터 전송을 위해 UWB를 사용합니다.

초광대역(UWB) 기술은 지금까지 여러 칩 회사에서 파인 레인징 애플리케이션을 위한 기술로 제시한 반면, 캐나다 몬트리올에 기반을 둔 스타트업은 UWB를 초저지연 및 초저전력화에 활용하기 위해 자체 무선 아키텍처를 개발했습니다. 배터리 없는 사물 인터넷(IoT) 센서에 전원을 공급합니다.

Spark Microsystems는 현재 통신 링크 대기 시간이 완전한 실시간 몰입형 사용자 경험을 방해하는 제품을 위한 새로운 등급의 단거리 무선 연결 애플리케이션을 가능하게 하는 SR1000 시리즈 저전력 UWB 무선 트랜시버 IC의 일부로 2개의 칩을 발표했습니다. 일반적으로 방송 시간이 몇 밀리초로 수십 밀리초의 눈에 띄는 대기 시간을 유발하는 BLE(Bluetooth Low Energy)와 비교할 때 SR1000 UWB 트랜시버는 단 50µs 만에 1kb의 데이터를 전송할 수 있어 넓은 범위에서 훨씬 짧은 무선 대기 시간을 제공합니다. 오디오 스트리밍과 같은 애플리케이션.

Spark 트랜시버의 전력 소비량(일반적으로 1nJ/비트)도 BLE보다 현저히 낮으며 1Mbps에서 작동할 때 일반적으로 40배 더 낮습니다. BLE보다 최대 10배 빠른 데이터 전송 속도를 제공하는 SR1000 시리즈의 10Mbps 기능은 고대역폭 저지연 링크가 필수적인 비디오 스트리밍과 같은 콘텐츠가 풍부한 애플리케이션에 적합합니다.

이를 통해 게임 주변기기, 오디오 및 AR/VR 헤드셋과 같은 제품의 요구 사항을 해결할 수 있습니다. 그렇지 않으면 전력 및 대기 시간 목표를 충족하기 위해 배선해야 합니다. 또한 스마트 홈 기기와 배터리가 필요 없는 IoT(사물 인터넷) 센서의 전력, 대기 시간 및 데이터 스트리밍 요구 사항을 해결합니다.

혼잡한 라이선스 무선 스펙트럼 내에서 작동하는 다른 무선 프로토콜과 달리 SR1000 UWB 시리즈는 일반적으로 -41.3dBm/MHz인 넓은 스펙트럼 저전력 밀도를 사용하여 비인가 3.1GHz ~ 10.6GHz 주파수 범위에서 작동합니다. 다른 수신기에 노이즈로 인식될 수 있는 수준으로 전송하는 UWB 광역 스펙트럼 방식은 무선 공존을 크게 지원하여 링크 성능 특성을 더욱 향상시킵니다.

반송파 주파수가 아닌 단시간 임펄스를 사용하는 라디오
Spark Microsystems의 공동 설립자이자 CTO인 Frederic Nabki는 Embedded.com에 전력 및 대기 시간 목표를 달성하는 방법을 설명했습니다. 그는 Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, Z-Wave 및 5G와 같은 기술은 모두 데이터를 전송하기 위해 변조된 반송파 주파수를 사용한다고 말했습니다. 이러한 캐리어는 시작 및 안정화에 상당한 시간이 필요하고 위상이 동일하고 위상 특성이 좋은지 확인하기 위해 복잡한 하드웨어가 필요합니다. 결과적으로 유지하려면 상당한 양의 전력이 필요합니다.

Spark는 다른 방향으로 이동했습니다. 그 라디오는 반송파 대신 2ns 펄스를 생성하는 시간 임펄스를 사용하며 반송파 자체가 방정식의 일부가 아니기 때문에 결국 해당 반송파에 서비스를 제공할 필요가 없습니다. 그는 이는 시작 시간이 길거나 해당 캐리어를 관리하기 위한 복잡한 회로가 없다는 것을 의미한다고 말했습니다. 펄스 폭이 2ns에 불과하기 때문에 시작 시간과 데이터 전송 속도가 빨라집니다. 즉, 펄스를 매우 빠르게 반복할 수 있고 빠르게 동기화할 수도 있습니다. 짧은 시간 지속 시간의 임펄스를 생성해야 하는 부산물은 Spark 라디오가 매우 넓은 대역폭을 필요로 하고 임펄스를 사용하여 통신한다는 것입니다.

Nabki는 임펄스가 가능하게 하는 빠른 동작을 활용하기 위해 송신기와 수신기가 마이크로초 단위로 스스로를 켜고 끄도록 하는 것이 문제라고 말했습니다. 그는 "빠르게 행동할 수 있기 때문에 라디오를 적극적으로 듀티 사이클할 수 있지만, 예를 들어 50µs마다 켜고 끄는 송신기와 수신기가 있는 경우 이 두 라디오를 동기화된 상태로 유지하려면 어떻게 해야 합니까? 우리는 그 문제를 해결할 기술을 고안해야 했습니다. 마지막으로 동기화뿐만 아니라 시스템 시간을 유지하려면 어떻게 해야 합니까?”

모든 무선 라디오에는 동기화를 유지하고 캐리어 주파수를 서비스할 수 있을 만큼 정확한 타임베이스를 제공하기 위해 수정이 필요합니다. “우리의 경우 우리는 UWB 기술을 활용하여 32kHz 수정인 초저전력 타이머에서 실행할 수 있도록 매우 열심히 일했습니다. 기본적으로 시계에 있는 매우 저렴한 비용과 매우 낮은 전력입니다. 그것은 우리가 트랜시버의 전력을 줄이기 위해 선택한 것이 아니라 시스템 수준에서 전력을 줄이기 위해 선택한 것입니다.”

Nabki는 또한 Spark 트랜시버가 다른 라디오와 공존하는 방법을 설명했습니다. “우리 모두는 Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee가 2.4GHz를 피기백하고 있으며 그 대역이 정말 혼잡하다는 것을 알고 있습니다. 5GHz 대역도 매우 혼잡합니다. Spark UWB는 3.1GHz에서 10.6GHz 사이에서 작동합니다. 무료로 사용할 수 있어 스펙트럼 라이선스가 필요 없어 블루투스, 지그비, Wi-Fi와 같은 이점이 있습니다. 그러나 Spark 라디오가 전송하는 전력을 보면 Wi-Fi 라디오보다 약 1,000배, Bluetooth 라디오보다 약 100배 적기 때문에 EMI(전자기 간섭) 및 방출이 훨씬 낮습니다. 이것은 당신이 다른 라디오와 더 잘 공존할 수 있다는 것을 의미합니다. 즉, 이러한 다른 라디오에 대해 당신은 소음 수준으로 인식되고, 그들은 당신을 실제로 보지 않으며, 당신은 그들의 감도 아래에 있다는 것을 의미합니다."

중요하게도 지금까지 UWB 라디오의 아킬레스건은 대역 간섭에 민감했습니다. 따라서 Nabki는 Spark가 Wi-Fi 및 셀룰러 대역에서 오는 협대역 간섭에 영향을 받지 않도록 하는 고유한 거부 및 완화 메커니즘을 개발했다고 말했습니다. "Wi-Fi 6을 통해 Wi-Fi가 UWB 스펙트럼에 점점 더 많이 잠식하기 시작하면서 이것이 우리 시스템의 핵심 속성이 될 것이라고 믿고 있으며 이에 대한 준비가 되어 있습니다."

Spark는 트랜시버 전용 제품 2개를 개발했습니다. Nabki는 CPU 코어를 장착하려면 추가적인 엔지니어링 노력이 필요할 것이며 그들의 목표는 주로 시장에 빨리 출시하는 것이라고 설명했습니다. “DC-DC 컨버터가 필요 없이 배터리로 회로를 구동할 수 있으며 모든 것이 칩에 있습니다. 32kHz 크리스탈을 제외하고는 외부가 필요하지 않습니다. 칩에서 마이크로 컨트롤러가 필요하고 프로토콜을 실행합니다. 우리 로드맵에서 우리는 결국 MCU를 2세대 제품의 칩에 가져올 것입니다.”

UWB는 단순한 포지셔닝이 아니라 저지연, 저전력 데이터 전송에 관한 것입니다.
Nabki는 그와 그의 공동 설립자가 약 10년 전에 UWB를 시작했을 때 목표가 포지셔닝이 아니었다고 설명했습니다. “우리는 그것이 멋진 기능이라고 생각했지만 UWB는 그 이상입니다. 초저전력, 초저지연 통신이 가능합니다. 몇 마이크로와트의 전력으로 짧은 대기 시간으로 통신할 수 있으며 WiFi와 공존할 수 있습니다. 우리에게는 범위가 있고 다른 사람보다 훨씬 낮은 전력으로 할 수 있지만 반드시 최고의 약속은 아닙니다. 최고의 약속은 초저지연 및 초저전력 통신을 통한 데이터 전송입니다.”

그는 Spark의 라디오가 독점적이고 아직 표준이 아니지만 표준이 되기를 희망한다고 말했습니다. “오늘날 사람들이 UWB 표준을 수행한 방식은 거리 측정에 초점을 맞춘 다음 스스로에게 질문했습니다. 현재 무선 아키텍처를 기반으로 UWB 라디오를 수행하는 방법은 무엇입니까? 결과적으로 그들은 저렴한 비용이 아니라 많은 전력을 소모하는 매우 큰 RF 기계로 귀결되었고, 우리는 이미 대부분의 자동차 제조업체가 그 때문에 고급 자동차용 UWB 기술을 예약하고 있다는 소식을 듣고 있습니다. Spark가 한 일은 매우 달랐습니다. 우리는 백지 상태에서 시작했습니다.”

그는 범위 설정이 Spark의 트랜시버가 할 수 있는 기능 중 하나이지만 범위를 통신과 결합하는 더 넓은 잠재적 응용 프로그램이 있다고 말했습니다. 또한 낮은 데이터 속도 및 높은 데이터 속도 낮은 대기 시간 통신을 가능하게 할 수 있습니다. 그는 “우리는 배터리가 없는 시스템을 만들 수 있다. 아무도 몇 마이크로와트의 전력으로 정상적인 데이터 속도로 지속적으로 데이터를 스트리밍하는 시스템을 가질 수 없습니다. 오디오 스트리밍 장치의 전력 소비를 줄이는 것과 같이 기존 시스템을 더 잘 수행할 수 있습니다."

Spark가 다른 UWB 기반 장치와 공통점이 있는 유일한 요소는 동일한 스펙트럼을 사용한다는 것입니다. "나머지는 개인 영역 네트워크, 신체 영역 네트워크 및 IoT 공간을 위한 차세대 무선 연결을 제공하기 위해 핵심부터 다시 설계되었습니다."

Spark Microsystems의 CEO인 Fares Mubarak이 자세히 설명했습니다. “저전력 블루투스보다 전력 소모가 40배 정도 낮습니다. Bluetooth 5.1 및 5.2가 발전하더라도 Bluetooth 5.2와 비교할 때 우리는 여전히 20배 더 좋습니다. 대기 시간이 60배 더 낮습니다. 지연 시간은 기본적으로 더 낮습니다. 1kb의 데이터 전송에 대해 50µs의 방송 시간을 할 수 있습니다. 그러나 그 외에도 훨씬 더 높은 데이터 전송 속도를 달성할 수 있습니다. 우리는 EMI(전자기 간섭)가 두 자릿수 더 낮고, 우리가 초광대역 무선이기 때문에 매우 낮은 전력으로 무선 범위에서 30cm 정확도를 제공할 수 있는 비행 시간 포지셔닝을 달성할 수 있습니다.”

현재 UWB 장치 시장에 대해 Mubarak은 “UWB는 오늘날 Decawave, NXP 및 최신 iPhone U1 칩으로 알려져 있으며 모두 초저전력 포지셔닝으로 알려져 있습니다. 그들은 10cm의 정확도를 주장하지만 매우 높은 전력입니다. 아마도 전력을 유발하는 802.15.4z 표준과 함께 사용하는 아키텍처 때문일 것입니다.”

그에 비해 그는 Spark 트랜시버가 거의 100배 낮은 전력으로 30cm 정확도를 구현한다고 말했습니다. “그리고 우리의 다음 세대도 저전력으로 10cm까지 갈 수 있습니다. 우리는 상당한 전력 이점으로 현재의 UWB와 차별화됩니다. 우리는 모닝콜이 될 수 있습니다. 오늘날 대부분의 무선은 고전력이므로 초저전력 웨이크업 라디오가 필요합니다. MCU와 라디오를 깨우기 위해 UWB에서 특히 그렇습니다.”

게임, 오디오 및 스마트 홈을 목표로
Mubarak은 현재 회사의 목표가 소비자 공간, 특히 게임, 오디오 및 게임 허브에서 기술에 대한 검증을 신속하게 달성하는 것이라고 말했습니다. 그는 게임에 대한 몇 가지 관점을 제시했습니다. “오늘날 이 이어버드로 압축된 오디오를 보면 거의 200ms의 대기 시간이 발생합니다. 우리는 5ms 미만의 지연 시간으로 충실도가 높은 오디오를 시연했습니다. 완전히 압축되지 않았습니다. 게임에서 반응성이 핵심인 마우스 및 키보드용 주변기기에서 밀리초 미만의 대기 시간을 보여주었습니다. 대기 시간은 1/4밀리초(250µs)까지 단축될 수 있습니다."

스마트 홈의 경우 스마트 비서는 음성 및 제어 측면에서 핵심 대상입니다. 무바라크는 그 분야에서 시장 리더들이 일어나고 있는 꽤 많은 평가를 가지고 있다고 주장합니다. 보안 센서, 특히 가정 보안을 위한 보안 센서에서 그는 유지 관리의 60%가 센서의 방전된 배터리를 교체해야 한다고 말했습니다. 따라서 Spark의 목표는 실내 조명으로 전원을 공급할 수 있는 동작 감지, 창 및 문 센서에 필요한 낮은 데이터 속도 센서에 대해 안정적인 배터리 없는 센서 노드를 활성화하는 것입니다.

무바라크는 자동차 분야에서 타이어 공기압 모니터링 시스템과 배터리 수명이 10년 이상인 원격 키의 초저전력 요구를 충족하기 위해 개념 증명을 위한 NRE 프로젝트를 수행했다고 말했습니다.

SPARK Microsystems SR1000 시리즈는 서로 다른 지역 스펙트럼 할당을 수용하기 위해 3.1GHz ~ 6GHz용 SR1010과 6GHz ~ 9.5GHz용 SR1020의 두 가지 핀 동일 제품 변형으로 구성됩니다. SR1000 시리즈는 또한 낮은 방출, 낮은 전력, 낮은 대기 시간 대칭 데이터 링크를 프로비저닝하는 것 외에도 다양한 범위 및 위치 지정 애플리케이션에 사용할 수 있습니다. SR1000 시리즈를 위한 다양한 평가 도구, 개발 보드 및 애플리케이션별 참조 설계를 사용할 수 있으며 초기 설계의 신속한 프로토타이핑을 지원합니다.