정확한 사회적 거리두기 웨어러블을 위한 초광대역(UWB) 선택

사회적 거리두기는 코로나19 완화의 초석으로 남아 있으며, 권장 6피트(2미터) 완충 구역 침범 시 사용자에게 경고하는 웨어러블에는 정확하고 낮은 레이턴시의 거리 측정이 필수적이다.

Altran은 반도체 선두주자 르네사스와 협력하여 초광대역(UWB) 기술을 활용하는 지능형 손목밴드 플랫폼을 만들었다. 이 기사는 그 협업의 1단계인, 엄격한 정확도, 전력, 크기, 사용자 경험 요구사항을 충족하기 위한 무선 프로토콜 평가를 상세히 다룬다.

많은 요구사항을 가진 작은 디바이스

우리의 목표는 르네사스 IC를 중심으로 구축할 수 있는 컴팩트한 사회적 거리두기 플랫폼을 설계하는 것이었다. 저용량 손목밴드 프로토타입이 핵심 기능(모니터링, 알림, 사용성)을 시연했다(그림 1).

그림 1. 사용자 지정 안전 거리 내에 다른 디바이스가 있을 때 착용자에게 경고하는 손목밴드 프로토타입. (출처: Altran)

웨어러블 폼팩터는 다음 기준을 충족하는 무선 솔루션을 필요로 했다:

• 정확한 거리 측정 - 신뢰할 수 있는 알림과 거짓 양성 제거에 필수
• 환경 강건성 - 실내/외, 시야 내(LOS) 및 비시야(NLOS) 조건, 움직이는 객체가 있는 동적 설정에서 수행
• 낮은 레이턴시 - 착용자가 반응할 수 있을 만큼 빠르게 알림 전달
• 소형화 - 무선 스택이 경량 손목밴드 내에 들어맞아야 함
• 전력 효율 - 지속적 근접 감지 수행 중에도 배터리 수명 유지
• 확장성 - 군중에서 다중 동시 타겟 처리

모든 무선 기술은 신호 포착(시간 기반, 각도 기반, 수신 신호 강도)과 위치 결정 기법(삼각측량 또는 삼변측량)을 조합하여 거리나 위치를 추정한다(그림 2).

그림 2: 일반적인 거리/위치 측정 기법. (출처: Altran)

무선 기술 평가

Wi-Fi, 셀룰러, 블루투스 저에너지(BLE), 초광대역(UWB)을 검토했다. 공개된 정확도 데이터(그림 3)가 우리 사용 사례에서 많은 프로토콜을 탈락시켰지만, 각자 주목할 만한 장점은 있었다.

그림 3. 일반적인 무선 기술의 거리 측정 정확도. (출처: Altran, 공개 참조 [1] 사용)

Wi-Fi

Wi-Fi의 보편성과 최근 왕복 시간(RTT) 개선은 실내 포지셔닝에 매력적이다. 그러나 RTT로도 일반적인 RSSI 기반 정확도는 75~85% 확률로 1~3m에 불과하며 NLOS나 고반사 환경에서 저하된다. Wi-Fi는 액세스 포인트 네트워크를 요구하여 실내-외 원활한 전환을 제한하고 인프라 복잡성을 추가한다.

BLE

BLE은 저전력 소비와 기존 스마트 기기를 통한 쉬운 배포를 제공한다. 더 높은 샘플 레이트로 Wi-Fi 대비 거리 추정이 개선되지만, 빠른 페이딩, 간섭, 인체 장애물로 실용적 정확도는 약 2m로 제한된다. BLE만으로는 사회적 거리두기 알림에 필요한 서브미터 정밀도를 충족할 수 없다.

셀룰러

실외 셀룰러 포지셔닝(A-GPS, E-CID, OTDOA)은 현재 3G/4G 네트워크에서 5~10m 정확도를 제공하여 우리 목표에 불충분하다. 5G의 mmWave, 디바이스-투-디바이스, 초밀집 네트워킹이 서브미터 정확도를 약속하지만, 글로벌 커버리지와 실내 적용성은 현재 제한적이다.

UWB

UWB는 3.1~10.6GHz에서 동작하며, 높은 시간 영역 해상도와 다중 경로 면역으로 센티미터 수준 거리 정확도를 제공한다. 짧은 버스트 임펄스 신호로 서브밀리초 레이턴시를 제공하고, 광대역으로 협대역 간섭을 완화한다. 중요하게도 UWB의 높은 투과력으로 신뢰할 수 있는 NLOS 성능을 가능하게 하며, 더 높은 동작 주파수로 더 작은 안테나가 가능해 손목밴드에 필수적이다.

르네사스가 저속 펄스(LRP) UWB 칩셋을 공급했는데, 이는 고속 솔루션의 100~120mA 대비 송신 모드에서 10~20mA를 소비한다. IEEE 802.15.4z를 활용해 LRP는 초저전력 상태에서 안전한 왕복 비행시간(ToF) 레인징을 지원한다. 1단계에서 LOS/NLOS 환경에서 20~30cm 정확도를 달성했으며, 추가 튜닝으로 10cm 목표 달성이 예상된다.

BLE과 UWB 결합으로 타겟 감지 시 UWB의 정밀도를 활용하면서, BLE이 저전력 근접 감지와 모바일 앱으로 데이터 오프로딩을 담당했다.

그림 4: 최적 전력과 정확도를 위한 BLE와 UWB LRP 결합 최종 PoC 플랫폼. (출처: Altran)

사회적 거리두기 손목밴드를 위한 명확한 선택

Altran과 르네사스는 UWB 기반 플랫폼이 신뢰할 수 있는 사회적 거리두기 웨어러블에 필요한 정확도, 레이턴시, 전력 효율을 제공함을 시연했다. 이 아키텍처는 손목밴드를 넘어 정확한 실내외 포지셔닝이 필요한 모든 IoT 폼팩터로 확장 가능하며, 접촉자 추적, 자산 추적 등으로 확대 적용 가능하다.

참고문헌

[1] 무선 프로토콜 거리 정확도 데이터:

• Wi-Fi
• BLE
• GNSS
• Cellular
• UWB

[2] 시뮬레이션 결과