초광대역(UWB) 임펄스 라디오가 Wi-Fi와 블루투스를 능가하는 이유

임펄스 라디오를 예로 들어 초광대역(UWB) 기술이 다른 근거리 무선 통신 기술보다 갖는 이점 살펴보기

초광대역(UWB)은 Wi-Fi나 블루투스 같은 근거리 무선 통신 기술로, 매우 큰 상대적 및/또는 절대적 주파수 대역을 사용하여 정보를 송수신합니다. FCC 규정에 따르면 UWB 디바이스는 3.1~10.6GHz 대역에서 비면허 기반으로 동작할 수 있습니다(PDF).

이 기사에서는 UWB 기술의 중요한 특성 몇 가지를 살펴보겠습니다.

UWB는 무선 스펙트럼을 공유합니다

UWB에 할당된 주파수 범위의 일부는 기존 통신 시스템에서 이미 사용 중입니다. 예를 들어 아래 그림과 같이 802.11ac(고처리량 WLAN 통신 프로토콜)와 UWB 모두 5GHz 대역 주변 주파수 대역 사용이 허용됩니다.

그림 1. '노이즈 플로어' 아래에서 작동하는 UWB 다이어그램. ITU 제공

UWB는 희소한 스펙트럼 자원을 더 효율적으로 활용하려 시도합니다.

UWB 기술이 기존 무선 시스템과 같은 스펙트럼을 사용하면서 간섭을 일으키지 않는 방법은? 이는 UWB 송신기가 방출하는 전자기 신호의 전력 스펙트럼 밀도를 제한함으로써 달성됩니다.

FCC(미국 주파수 규제기관)에 따르면 실내 UWB 송신기의 전력 스펙트럼 밀도는 3.1~10.6GHz 사이에서 -41.3dBm/MHz 이하여야 합니다. 이는 UWB 디바이스가 일으키는 간섭을 제한합니다.

그림 2는 실내 UWB 송신기에 대해 FCC가 의무화한 스펙트럼 마스크를 보여줍니다.

그림 2. 실내 UWB 송신기 스펙트럼 마스크. Ultra-Wideband Wireless Communications and Networks 제공

UWB는 데이터 전송률, 다중경로 효과 내성, 높은 거리 측정 정확도, 낮은 전력 소비, 구현 단순성 측면에서 이점을 제공합니다. 이 기술의 핵심 특징을 더 잘 이해하기 위해 임펄스 라디오라고 불리는 UWB 시스템 클래스를 고려해 보겠습니다.

임펄스 라디오

기존 협대역 통신 시스템이 연속 파형을 전송하는 반면, 임펄스 라디오는 초단 펄스(1ns 미만)를 전송하여 정보를 통신합니다.

각 펄스 후 송신기는 상대적으로 긴 기간 동안 '침묵' 상태를 유지합니다. 예를 들어 임펄스 라디오는 100ns 시간 간격마다 단일 1ns 펄스만 전송할 수 있습니다. 이 경우 듀티 사이클이 1%(펄스가 전송 시간의 1%만 존재)라고 합니다.

그림 3. 임펄스 라디오가 전송하는 일반적인 펄스 시퀀스

이 펄스들은 정보를 전달하기 위해 다양한 방식으로 변조될 수 있습니다. 그림 4는 펄스 위치 변조와 양위상 변조가 비변조 시퀀스를 어떻게 변경하는지 보여줍니다.

그림 4. 펄스 위치 및 양위상 변조가 비변조 시퀀스를 변경. Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering 제공

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

그림 5. 임펄스 라디오가 전송하는 신호는 넓은 주파수 대역을 차지. Time Domain Corporation 제공

전송 신호의 중심 주파수와 대역폭은 펄스 폭에 완전히 의존합니다.

낮은 전력 소비

펄스가 전송 시간의 작은 비율 동안만 전송되므로 송신기가 방출하는 평균 전력이 매우 낮습니다. 마이크로와트 수준의 전송 전력으로 UWB 디바이스는 배터리 수명을 연장할 수 있습니다.

높은 데이터 속도

방출 전력이 제한되지만 UWB는 극도로 넓은 대역폭 스펙트럼의 비면허 사용을 가능하게 합니다. 이는 높은 데이터 속도(>100Mbit/s)를 허용합니다. 그러나 이 높은 데이터 속도는 정보 비트당 매우 낮은 전력만 방출되므로 상대적으로 짧은 전송 거리(10m)에서만 달성 가능합니다.

더 낮은 데이터 속도(<1Mbit/s)에서는 큰 확산 인자를 사용하여 더 긴 거리를 지원할 수 있습니다. 다음 표는 UWB와 다른 실내 무선 통신 기술의 데이터 속도와 거리를 비교합니다.

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

UWB와 비교 가능한 실내 무선 통신 기술 비교. Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering 데이터 제공

다중경로 효과에 대한 강건성

UWB 신호는 기존 무선 기술보다 다중경로 효과에 대해 더 강건합니다. 송신기에서 수신기로 전자기파 전파의 직진 경로 외에 물체 반사로 인한 다른 경로가 있다고 가정합니다.

그림 6. 다중경로 효과 묘사

주어진 경로의 총 거리(d)를 전송 신호가 이동하는 데 걸리는 시간(t)은 다음 식으로 구할 수 있습니다:

d = c × t

여기서 c는 전자기파 속도로 약 3×10⁸ m/s입니다. 따라서 우리가 전송하는 각 펄스에 대해 두 개의 펄스가 수신기 입력에 나타납니다. 이는 그림 7에서 전송 및 수신 펄스를 한 다이어그램에 보여줍니다.

그림 7. 전송된 각 펄스에 대해 두 펄스가 수신기 입력에 나타남.

이 그림에서 두 수신 펄스는 서로 겹치지 않아 쉽게 식별됩니다. 그러나 일반적으로 그렇지는 않습니다. 위 그림을 살펴보면 두 경로 간 지연 차이(t₁-t₀)가 펄스 폭(PW)보다 큰 경우에만 펄스가 간섭하지 않음을 알 수 있습니다.

UWB 펄스는 매우 짧은 지속 시간을 가지므로 서로 다른 경로에서 오는 펄스가 원하는 펄스와 간섭하지 않을 가능성이 더 높습니다. 따라서 원치 않는 반사에서 기원한 신호에서 원하는 신호를 쉽게 추출할 수 있습니다. 이는 UWB 시스템에 다중경로 효과에 대한 더 높은 면역성을 부여합니다. 대안적으로 에너지는 레이크 수신기에 의해 합산될 수 있습니다.

높은 거리 측정 정확도

위에서 논의한 바와 같이 UWB 신호의 날카로운 시간 분해능은 복잡한 알고리즘 없이 다중경로 성분을 분해할 수 있는 시스템을 가능하게 합니다. 이는 UWB를 도착 시간(ToA) 기반 거리 추정 응용에 적합하게 만듭니다.

이러한 시간 기반 거리 측정 방식이 UWB 신호의 높은 시간 분해능 혜택을 받지만, 자체 한계도 있음을 언급할 가치가 있습니다. 예를 들어 UWB 펄스가 매우 짧은 지속 시간을 가지므로 클록 지터가 제한 요소가 됩니다.

결론

임펄스 라디오에서 본 바와 같이 UWB는 데이터 전송률, 다중경로 효과 내성, 높은 거리 측정 정확도, 낮은 전력 소비, 구현 용이성 때문에 유익한 근거리 통신 기술이 될 수 있습니다. 이러한 이유로 많은 상업 개발자들이 설계 구현과 보안 강화를 위해 근거리 통신(NFC) 옵션 대신 UWB로 전환하고 있습니다.