일상 속 기술로 만나는 모빌리티, UWB
당신은 이미 UWB를 사용하고 있다
세상은 하루가 다르게 변화하고 있고, 자고 일어나면 새로운 기술이 나오는 요즘입니다. 우리의 삶에 많은 영향을 미치고 있는 기술 중 하나는 바로 무선 통신이죠. 오늘 저희가 만나볼 일상 속 기술은 차세대 근거리 무선통신 기술인 UWB입니다.
이름 자체는 낯설게 느껴지실 수도 있지만, 사실 UWB는 스마트폰을 통해 점점 우리 일상으로 자리 잡고 있고, 어쩌면 벌써 사용해보셨을 수도 있는 기술이랍니다. 그중 대표적인 것이 애플 제품들의 AirDrop, 삼성 제품들의 QuickShare입니다. 도대체 어떻게 사용되고 있을까요?
Fig 1. Apple Airdrop과 Samsung QuickShare지하철이나 카페, 전자제품 매장에서 블루투스를 켜본 적이 있다면, 수 십 가지의 기기들이 나타났던 경험이 있으실 거예요. 그래서 자신이 연결하기를 원하는 기기를 한참이나 찾아야 하는 수고가 있었습니다. 하지만 에어드롭이나 퀵쉐어에서는 내가 원하는 기기가 금방 눈에 띄는 곳에 나타나서 찾는 수고로움 없이 편리하게 연결할 수 있습니다.
바로 여기에서 UWB가 톡톡하게 제 역할을 수행하고 있답니다. UWB를 통해 상대방 기기의 위치를 정확하게 감지하여 연결할 가능성이 높은 기기를 우선적으로 노출하는 것이죠. 상대방 기기를 정확하게 감지하면, 그 이후에는 Wifi-Direct와 같이 파일 전송에 유리한 다른 무선 통신 기술을 사용해서 실질적인 공유가 이루어집니다.
얼핏 들으면 사소한 것처럼 들릴 수도 있지만, 라디오, 와이파이, 그리고 수십 대의 휴대폰 속에서 정확하게 우리가 원하는 기기의 위치를 찾아내는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 그리고 우리가 관심 있는 모빌리티 생태계에서 정확한 위치를 계산하는 것은 핵심적인 기술 과제 중 하나죠. 이제 UWB가 무엇이고, 어떻게 활용할 수 있는지 조금 더 알아볼까요?
UWB와 다른 무선 통신 비교하기
Fig2. 무선 통신 기술 비교UWB는 Ultra Wide Band의 약자로, 초광대역 근거리 무선 통신 기술을 의미합니다. UWB는 매우 넓은 주파수 대역폭을 사용해서 통신이나 레이더 등에 응용되고 있는 차세대 무선 기술입니다. 특히 수 나노 초 (10억 분의 1초)에서 피코 초(1조 분의 1초)의 매우 짧은 펄스를 사용한다는 특징이 있습니다.
이러한 UWB의 특징은 다른 무선 통신 기술 대비 1) 정확성이 높으며 2) 안정적인 연결이 가능하고, 3) 보안이 우수합니다.
UWB의 거리 측정, ToF 계산하기
어떻게 하면 UWB를 통해 나와 상대방의 거리를 구할 수 있을까요?
핵심은 바로 시간입니다. 전파가 빛의 속력으로 이동한다는 사실을 알고 있으며, 전파가 이동한 시간을 정밀하게 측정할 수 있다면 '속력 x 시간 = 거리' 공식을 통해 거리를 구할 수 있게 됩니다.
Fig3. ToF 원리우리가 보낸 전파를 처리하는 시간을 제외하고, 순수하게 전파가 편도로 이동한 시간인 ToF(Time-of-Flight)을 위 그림과 같이 구할 수 있습니다. 여기에 빛의 속력을 곱해주면 우리가 원하는 거리를 구할 수 있게 된답니다!
UWB의 방향 측정, AoA 계산하기
이번엔 전파를 보낸 방향을 구하는 원리를 아주 간단하게 알아봅시다.
이번도 핵심은 역시 시간입니다.
Fig4. AoA 원리우리에게 안테나가 2개 있고, 상대 기기의 전파가 북동쪽에서 날아왔다고 가정해 볼게요. 그림과 같이 전파 발생지로부터 안테나 1까지의 거리가 안테나 2까지의 거리보다 멀기 때문에, 안테나 1이 전파를 받은 시간과 안테나 2가 전파를 받은 시간에도 차이가 생기게 됩니다. 이러한 시간 차이를 이용해서 전파가 날아온 각도와 방향을 계산할 수 있게 됩니다!
(AoA의 계산 공식은 여기서 다루기에는 너무 복잡해서, 궁금하신 분들을 위해서 참고하실만한 자료를 남겨드릴게요.)
이처럼 정밀하게 거리와 방향을 측정할 수 있는 UWB! 모빌리티 산업에서는 어떻게 적용되고 있는지 살펴보겠습니다.
사례 1 : Apple CarKey
Fig5. APple CarKey on BMW첫 번째 사례로 Apple의 CarKey가 있습니다. 아이폰에 탑재된 UWB 칩을 이용해서 자동차의 문을 여는 것이죠. 기존 스마트 자동차 키와 비교되는 장점은 크게 편의성과 보안입니다.
먼저 편의성입니다. 자동차 키를 매번 들고 다니지 않아도 되므로 주머니가 조금 더 가벼워질 수 있게 된 것은 단순하지만 강력한 장점입니다. 많은 사람들이 삼성 페이에 환호했던 이유 또한 카드나 지갑을 들고 다닐 필요 없이 휴대폰 하나로 모든 것을 해결할 수 있게 되었기 때문이었죠.
두 번째는 보안성입니다. 기존 자동차 키는 분실 시 자동차의 도난으로 이어질 수 있는 문제가 있었으며, 무선 스마트 키의 경우 키의 무선 신호를 가로채어 먼 거리에 있는 자동차를 해킹할 수 있다는 취약점이 있었는데요. 스마트폰을 이용한 키를 사용하게 된다면 분실 시 자동차의 도난으로 이어지지 않으며, 아주 짧은 펄스와 정밀한 위치를 기반으로 동작한다는 점에서 기존 보안 문제점을 크게 개선한다는 장점이 있습니다.
사례 2 : Humatics Rail Navigation System
Fig 6. 휴매틱스 전철 실시간 위치 추적 시스템두 번째 사례는 Humatics의 실시간 열차 네비게이션 시스템입니다.
일정 거리마다 UWB 노드를 설치해서, 열차가 지나갈 때마다 속도, 가속도, 위치를 실시간으로 측정하여 제공합니다. 이러한 시스템은 지하로 많이 이동해서 GPS를 활용하기 어려운 열차들에 대해 보다 정확한 정보를 제공해 줄 수 있으니, 관제 센터와 탑승객 모두에게 좋은 소식이 아닐 수 없네요!
마무리하며
오늘은 알게 모르게 사용했던 기술 UWB이 무엇인지 간단하게 알아보고, 모빌리티 산업 분야에 어떻게 적용되고 있는지를 알아보았습니다. 아직은 단가가 비싸고, 충분히 보급되어 있지는 않지만, 늘 그렇듯 시간이 해결해 줄 문제라고 생각이 들기도 합니다. UWB는 차세대 무선 USB의 표준 기술이 될 것이라는 전망도 있어, 앞으로 어떻게 사용될지 기대가 됩니다. 읽어주셔서 감사합니다.
Align MSR은 이동의 미래를 함께 꿈꾸고 실현해 나가는 대학생 모빌리티 솔루션 학회입니다.
Reference & Figure
[Fig1] https://support.apple.com/en-us/HT204144, https://www.samsung.com/us/support/answer/ANS00087283
[Fig3] http://www.msdkr.com/news/articleView.html?idxno=10647
[Fig6] https://www.macrumors.com/guide/carkey
[Fig7] https://www.humatics.com
