초광대역이 실내 위치 측정의 미래를 이끌어갈 핵심 기술이 될 수 있는 이유는 무엇일까요?

1960년대에 제안되었던 초광대역(UWB) 기술이 최근 다시 주목받고 있습니다. 원래 통신 응용 기술 분야에서 개발되었지만, 이제는 특히 실내 위치 측정과 같은 고정밀 위치 측정 기술, 즉 비노출 공간 위치 측정 기술 분야에서도 활용되고 있습니다. 위치 측정과 통신 기능을 통합하여 세련되고 매력적인 기술로 자리매김하고 있습니다. 특히 2019년 9월, 애플은 아이폰 11 발표회에서 U1 칩 탑재를 공개하며 UWB 기술을 소비자 시장에 조용히 도입했습니다. 왜 조용히 도입했을까요? 애플이 발표회에서 이 칩에 대해 아무런 언급도 하지 않았기 때문입니다. 하지만 이는 실내 위치 측정 분야에 획기적인 변화를 가져올 사건일 수 있습니다. UWB 기술은 향후 5~10년 동안 그 진가를 발휘할 것으로 예상됩니다.

초광대역 측위란 무엇일까요? 간단히 소개드리겠습니다. UWB(초광대역)는 초광대역 기술입니다. 나노초 수준의 비정현파 형태의 좁은 펄스를 사용하여 데이터를 전송하는 무반송파 통신 기술로, 넓은 주파수 대역을 사용합니다. UWB 측위는 광대역 펄스 통신 기술을 활용하여 강력한 항간섭성을 제공하고 측위 오차를 줄입니다. UWB 실내 측위 기술의 등장으로 고정밀 측위 분야의 공백이 메워졌습니다. UWB는 채널 페이딩에 둔감하고, 전송 신호의 전력 스펙트럼 밀도가 낮으며, 도청 가능성이 낮고, 시스템 복잡성이 낮으며, 0.1미터의 측위 정확도를 제공할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다.

기존 무선 통신과 달리 UWB는 반송파를 사용하지 않고 저에너지 펄스 신호를 송수신하여 데이터를 전송합니다. 거리 측정 방식은 신호 전송 시간을 측정하는 것으로, 두 장치 간 신호 전송 시간 차이를 계산하여 거리를 결정합니다. 따라서 좁은 영역에서는 Wi-Fi나 블루투스보다 더 정확한 위치 정보를 제공할 수 있습니다. 애플은 영문 제품 소개 페이지에서 UWB를 "거실에서 사용하는 GPS 시스템"이라고 소개하기도 합니다.

UWB 실내 위치 측정 시스템은 일반적으로 세 가지 구성 요소로 이루어져 있습니다. 첫째, UWB 위치 측정 태그입니다. 위치 측정 태그는 다양한 형태로 제작되어 사물, 차량에 부착하거나 사람이 착용할 수 있는 능동형 태그입니다. 다양한 응용 환경에서 활용도가 높으며, 위치 측정 정확도는 5~10cm에 달합니다. 태그에서 방출되는 UWB 펄스 신호는 위치 측정 기지국(위치 센서)을 통해 수신 및 전송됩니다. 각 태그에는 고유한 ID 번호가 있으며, 이 ID 번호를 통해 위치 측정 대상을 연결하여 기지국(위치 센서)이 태그를 통해 실제 위치를 파악할 수 있습니다. 태그의 전송 신호 지속 시간이 매우 짧기 때문에 수백 또는 수천 개의 태그를 동시에 위치 측정할 수 있습니다. 둘째, UWB 위치 측정 기지국입니다. 위치 측정 기지국(위치 센서)은 도착 시간차(TDOA) 측정 기술을 통해 태그의 위치를 ​​파악하고, 해당 데이터를 네트워크 컨트롤러와 위치 측정 엔진 소프트웨어로 전송합니다. 위치 측정 정확도는 센티미터 수준입니다. 셋째, 응용 소프트웨어입니다. 응용 소프트웨어는 주로 시스템의 기능을 구현합니다. UWB 실내 위치 추적 시스템의 기본 기능은 다음과 같습니다. 인원 분포: 위치 추적 태그를 착용한 사람들의 분포를 보여줍니다. 인원 이동 궤적: 전자 지도를 통해 한 명 이상의 인원의 이동 궤적을 실시간으로 표시합니다. 지정된 인원 추적: 태그의 움직임에 따라 지도가 자동으로 전환되며, 태그 위에 마우스를 올리면 태그의 현재 상태를 확인할 수 있습니다. 전자 울타리: 평면 전자 지도에서 다양한 색상과 모양으로 사람의 경보 위치 상태를 표시합니다.

UWB 실내 위치 측정 과정: 첫째, 각 위치 측정 태그는 UWB 펄스를 이용하여 데이터 프레임을 반복적이고 끊임없이 전송합니다. 둘째, 위치 측정 태그가 전송한 UWB 펄스 열은 위치 측정 기지국에서 수신됩니다. 셋째, 각 위치 측정 기지국은 고감도 단펄스 검출기를 사용하여 각 위치 측정 태그의 데이터 프레임이 수신 안테나에 도달하는 시간을 측정합니다. 넷째, 위치 측정 엔진은 태그가 전송한 보정 데이터를 참조하여 태그가 서로 다른 위치 측정 기지국에 도달하는 시간 차이를 계산하고, 3점 위치 측정 기술과 최적화 알고리즘을 사용하여 태그의 위치를 ​​계산합니다. 다섯째, 단일 기지국 위치 측정 시에는 일반적으로 AOA(도착각) 알고리즘이 사용됩니다. 다중 기지국 위치 측정 시에는 TDOA(도착시간 차이) 알고리즘이 주로 사용됩니다.

UWB 실내 위치 측정의 주요 적용 분야는 다음과 같습니다. 첫째, 터널/파이프라인/지하철. 건설 작업자의 실시간 자동 추적을 통해 터널 내 각 작업자의 위치와 활동 궤적, 그리고 전체 터널 작업자의 위치 분포를 파악할 수 있습니다. 비상 상황 발생 시 매몰자의 정확한 위치 정보를 신속하게 파악하여 구조 효율과 안전 확보를 향상시킬 수 있습니다. 둘째, 차량 창고. 자산과 재고를 실시간으로 추적하여 프로세스를 개선하고 검색 효율을 높이며 자원 낭비를 줄일 수 있습니다. 셋째, 석유화학 산업. 사람, 차량, 사물의 실시간 위치를 지연 없이 정확하게 파악하여 현장 상황과 인력 현황을 직관적이고 시의적절하게 반영함으로써 석유화학 산업의 안전과 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 넷째, 병원/요양원. 24시간 지능형 관리 및 제어, 전천후 보안, 간병인, 방문객, 환자/노인 행동의 실시간 분석을 통해 병원/요양원의 효율적인 관리를 지원할 수 있으며, 교도소/공안/사법 기관에도 활용될 수 있습니다. UWB 실내 위치 시스템은 인원 출입 관리, 실시간 위치 조회, 제한 구역 감시, 격리 거리 제어, 인력 배치 등을 수행할 수 있으며, 인원의 위치, 이동 경로, 거리, 속도에 대한 통계를 모니터링하고 수집할 수 있습니다. 실제로 UWB 정밀 위치 추적 애플리케이션 및 서비스는 위에서 언급한 분야를 훨씬 뛰어넘습니다. 모든 사람, 동물, 자산, 사물 및 이벤트 프로세스의 정밀한 위치 파악 및 추적이 가능하기 때문에 산업 인터넷, 대량 소비재, 데이터 IoT 산업에서 큰 발전 가능성을 가지고 있습니다. UWB는 본질적으로 시공간 센서이자 사물 인터넷 및 빅데이터의 필수 파트너가 될 수 있습니다. 이 제품은 고정밀 실내 위치 측정, 실내외 통합 위치 측정, 내비게이션 및 통신 통합 혁신 등 여러 분야에서 떠오르는 스타의 아우라를 풍깁니다.