임펄스 라디오를 통한 초광대역 시스템의 장점 평가

임펄스 라디오를 예로 사용하여 다른 단거리 무선 통신 기술과 비교하여 초광대역(UWB) 기술의 장점을 조사합니다.

초광대역(UWB)은 Wi-Fi 또는 Bluetooth와 같은 단거리 무선 통신 기술로, 정보를 주고받기 위해 매우 큰 상대 및/또는 절대 주파수 대역을 사용합니다. FCC 규정에 따르면 UWB 장치는 3.1~10.6GHz 대역(PDF)에서 라이선스 없이 작동할 수 있습니다.

이 기사에서는 UWB 기술의 몇 가지 중요한 특성을 살펴보겠습니다.

UWB는 무선 스펙트럼을 공유합니다.

UWB에 할당된 주파수 범위의 일부는 이미 기존 통신 시스템에서 사용하고 있습니다. 예를 들어, 아래와 같이 802.11ac(고처리량 WLAN 통신 프로토콜)와 UWB는 모두 5GHz 부근의 주파수 대역을 사용할 수 있습니다.

그림 1. "노이즈 플로어" 아래에서 작동하는 UWB의 다이어그램. ITU 제공 이미지 사용

UWB는 희소한 스펙트럼 자원을 보다 효율적으로 활용하려고 합니다.

UWB 기술은 어떻게 간섭을 일으키지 않고 기존 무선 시스템과 동일한 스펙트럼을 사용할 수 있습니까? 이것은 UWB 송신기에서 방출되는 전자기 신호의 전력 스펙트럼 밀도를 제한함으로써 달성됩니다.

FCC(미국 주파수 조정기)에 따르면 실내 UWB 송신기의 전력 스펙트럼 밀도는 3.1~10.6GHz 사이에서 -41.3dBm/MHz 미만이어야 합니다. 이것은 UWB 장치로 인한 간섭을 제한합니다.

그림 2는 실내 UWB 송신기에 대해 FCC에서 규정한 스펙트럼 마스크를 보여줍니다.

그림 2. 실내 UWB 송신기용 스펙트럼 마스크. 초광대역 무선 통신 및 네트워크 제공 이미지 사용

UWB는 데이터 전송 속도, 다중 경로 효과에 대한 내성, 높은 범위 정확도, 낮은 전력 소비 및 구현의 단순성과 관련하여 이점을 제공합니다. 이 기술의 주요 기능에 대한 더 나은 통찰력을 얻기 위해 임펄스 무선이라고 하는 UWB 시스템 클래스를 살펴보겠습니다.

임펄스 라디오

기존의 협대역 통신 시스템이 연속적인 파형을 전송하는 반면, 임펄스 라디오는 정보를 전달하기 위해 초단기 펄스(1ns 미만)를 전송합니다.

각 펄스 후에 송신기는 비교적 오랜 시간 동안 "침묵" 상태를 유지합니다. 예를 들어, 임펄스 라디오는 매 100ns 시간 간격 동안 단일 1ns 펄스만 전송할 수 있습니다. 이 경우 듀티 사이클은 1%라고 합니다(펄스는 전송 시간의 1%만 존재함).

그림 3. 임펄스 라디오가 전송하는 일반적인 펄스 시퀀스

이러한 펄스는 정보를 전달하기 위해 다양한 방식으로 변조될 수 있습니다. 아래 그림 4는 펄스 위치 변조와 2상 변조가 변조되지 않은 시퀀스를 어떻게 변경하는지 보여줍니다.

그림 4. 펄스 위치 및 2상 변조는 변조되지 않은 시퀀스를 변경합니다. 통신 엔지니어링의 초광대역 신호 및 시스템 제공 이미지 사용

짧은 시간 지속 시간은 주파수 영역에서 넓은 대역폭에 해당합니다. 따라서 신호 지속 시간에 따라 UWB 송신기 안테나에서 광대역 신호가 방출됩니다.

그림 5. 임펄스 라디오가 전송하는 신호는 큰 주파수 대역을 차지합니다. Time Domain Corporation 제공 이미지 사용

송신 신호의 중심 주파수와 대역폭은 모두 펄스의 폭에 완전히 의존합니다.

낮은 전력 소비

펄스는 전송 시간의 작은 비율 동안에만 전송되기 때문에 송신기에서 방출되는 평균 전력은 매우 낮습니다. 마이크로와트 정도의 전송 전력을 갖는 UWB 장치는 배터리 수명을 연장할 수 있습니다.

높은 데이터 전송률

방출되는 전력은 제한되어 있지만 UWB는 초광대역 스펙트럼의 무허가 사용을 가능하게 합니다. 이를 통해 높은 데이터 속도(>100Mbit/s)를 얻을 수 있습니다. 그러나 이 높은 데이터 속도는 10m의 비교적 짧은 전송 거리에서만 달성할 수 있습니다. 이는 정보의 각 비트에 대해 매우 낮은 전력만 방출되기 때문입니다.

더 낮은 데이터 속도(<1 Mbit/s)에서는 더 긴 거리를 지원하기 위해 큰 확산 계수를 사용할 수 있습니다. 다음 표는 UWB의 데이터 전송률 및 범위를 다른 실내 무선 통신 기술과 비교한 것입니다.

시스템	최대 데이터 속도(Mbps)	전송 거리(m)
UWB	100	10
IEEE 802.11a	54	50
블루투스	1	10
IEEE 802.11b	11	100

UWB와 유사한 실내 무선 통신 기술. 통신 엔지니어링 분야의 초광대역 신호 및 시스템 제공 데이터 사용

다중 경로 효과에 대한 견고성

UWB 신호는 기존의 무선 기술보다 다중 경로 효과에 대해 더 강력합니다. 송신기에서 수신기로 전자파가 전파되는 직접적인 경로 외에 물체의 반사로 인해 발생하는 다른 경로가 있다고 가정합니다.

그림 6. 다중 경로 효과의 묘사

전송된 신호가 주어진 경로의 총 거리(d)를 이동하는 데 걸리는 시간(t)은 다음 방정식으로 얻을 수 있습니다.

d =c x t

여기서 c는 약 3✕10 ⁸ 인 전자기파의 속도를 나타냅니다. m/s. 따라서 우리가 전송하는 모든 펄스에 대해 수신기 입력에 두 개의 펄스가 나타납니다. 이것은 전송된 펄스와 수신된 펄스가 하나의 다이어그램에 표시된 그림 7에 나와 있습니다.

그림 7. 전송된 모든 펄스에 대해 수신기 입력에 두 개의 펄스가 나타납니다.

이 그림에서 수신된 두 펄스는 서로 겹치지 않기 때문에 쉽게 식별할 수 있습니다. 그러나 이것은 일반적으로 그렇지 않습니다. 위의 그림을 살펴보면 펄스가 간섭하지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 두 경로 사이의 지연 차이(t₁ -t₀ ) 펄스 폭(PW)보다 큽니다.

UWB 펄스는 지속 시간이 매우 짧기 때문에 다른 경로에서 오는 펄스가 원하는 펄스를 방해하지 않을 가능성이 더 큽니다. 따라서 원치 않는 반사에서 발생하는 신호에서 원하는 신호를 쉽게 추출할 수 있습니다. 이것은 UWB 시스템이 다중경로 효과에 대해 더 많은 내성을 갖게 합니다. 대안으로, 에너지는 레이크 수신기에 의해 함께 합산될 수 있습니다.

높은 범위의 정확도

위에서 논의한 바와 같이 UWB 신호의 날카로운 시간 분해능은 복잡한 알고리즘에 의존하지 않고 다중 경로 구성 요소를 해결할 수 있는 시스템을 갖게 합니다. 따라서 UWB는 도착 시간(ToA) 기반 범위 추정 애플리케이션에 적합합니다.

이러한 시간 기반 레인징 방식이 UWB 신호의 높은 시간 분해능의 이점이 있지만 고유한 한계가 있다는 점을 언급할 가치가 있습니다. 예를 들어 UWB 펄스는 지속시간이 매우 짧기 때문에 클록 지터가 제한 요인이 된다.

결론

임펄스 라디오에서 보았듯이 UWB는 데이터 전송 속도, 다중 경로 효과에 대한 내성, 높은 범위 정확도, 낮은 전력 소비 및 구현 용이성으로 인해 유익한 단거리 통신 기술이 될 수 있습니다. 이러한 이유로 많은 상용 개발자는 설계 구현 및 보안을 강화하기 위해 NFC(근거리 통신) 옵션 대신 UWB로 눈을 돌리고 있습니다.