디지털 시대에는 빠르고 안정적인 통신 기술에 대한 요구가 점점 더 중요해지고 있습니다. 초광대역(UWB) 기술은 오늘날 통신 분야에서 화두가 되고 있다. 이 기사에서는 UWB 포지셔닝의 원리, 장점, 다양한 분야에서의 적용을 자세히 살펴보고 독자들이 이 파괴적인 기술의 무한한 가능성을 탐색하도록 유도할 것입니다.
UWB 기술 개요
UWB(초광대역) 기술은 초단 펄스를 기반으로 한 무선 통신 기술입니다. 정현파 캐리어를 사용하지 않고 대신 나노초 수준의 비정현파 좁은 펄스를 활용하여 데이터를 전송하므로 스펙트럼 범위가 넓고 데이터 전송 속도가 초당 최대 수백 메가비트에 이릅니다. UWB 기술을 사용하면 매우 넓은 대역폭에 걸쳐 신호를 전송할 수 있습니다. UWB 기술에 대해 연방통신위원회(FCC)가 정한 규정에는 500~3.1GHz 주파수 범위에서 10.6MHz 이상의 대역폭을 차지한다고 명시되어 있습니다.
UWB 기술은 새로운 기술이 아닙니다. 1960년대 등장한 펄스 통신 기술에서 유래한 것으로 군용 레이더, 측위, 저요격/저탐지 통신시스템에 주로 사용됐다. 2002년부터 민간분야에 적용되기 시작했다.
UWB 포지셔닝 기술의 원리
UWB는 본질적으로 무반송파 확산 스펙트럼 기술의 정보 캐리어로 초저 듀티 사이클 임펄스 펄스를 사용합니다. 이러한 펄스 신호는 수십에서 수백 피코초에 이르는 극히 짧은 지속 시간을 가지지만 높은 에너지를 가지고 있습니다. 이러한 초단 펄스 신호를 공간으로 전송하고 시간 및 주파수 영역의 특성을 활용함으로써 수신기는 신호의 지연 및 크기를 분석하여 고정밀 위치 확인 및 통신을 달성할 수 있습니다. UWB의 측위 알고리즘은 TOF(Time of Flight), TOA(Time of Arrival), TDOA(Time Difference of Arrival)로 구분되며, TOF와 TDOA가 가장 많이 사용된다.
TOF(Time Of Flight) 알고리즘
TOF(Time Of Flight) 알고리즘은 주로 두 개의 비동기 UWB 송수신기 사이의 신호 비행 시간을 활용하여 노드 간 거리를 측정합니다. UWB 신호가 송신기 끝에서 전송될 때 독립적인 타임스탬프를 전달합니다. 수신단에서 UWB 신호를 수신 및 처리한 후, 송신단에서 수신한 타임스탬프와 처리 시간 간격 Tr을 추가하여 재전송합니다. UWB 신호가 송신기 측에서 다시 수신되면, 첫 번째 전송의 타임 스탬프를 분석하여 신호의 왕복 시간 Tt를 결정할 수 있습니다. 따라서 신호의 편도 비행 시간은 Tf = (Tt-Tr)/2로 계산할 수 있습니다. 전자기파의 전파 속도는 빛의 속도 C이므로 두 점 사이의 거리 d는 d = Tf * C로 계산할 수 있습니다.
도착 시차(TDOA)
TDOA(Time Difference Of Arrival)는 비선형 쌍곡선 방정식 세트를 풀어 유추한 각 기준 기지국과 대상 객체(Tag) 간의 거리 차이를 기반으로 측위 방법입니다. 기지국 간의 시간이 완벽하게 동기화되고 일정 시간 동안 발진기 오류가 최소화되면 전자파의 전파 속도가 일정하므로 시간 차이는 거리 차이와 같습니다. 신호가 태그 끝에서 전송되어 여러 기지국 끝에 도달하는 경우 각 기지국에서 신호 도착 시간의 차이를 측정하면 해당 거리 차이를 계산할 수 있습니다.
UWB 포지셔닝 기술의 장점
- 높은 포지셔닝 정확도: UWB 펄스는 폭이 2ns에 불과하고 반사된 신호(다중 경로) 간섭 및 잡음의 영향을 받지 않으므로 일반적인 신호 반사 및 다중 경로 효과 시나리오에서도 도착 시간과 거리를 정확하게 결정할 수 있으며 10cm 이내의 측정 및 위치 지정 정확도를 달성할 수 있습니다.
- 강력한 간섭 방지 기능: UWB 신호는 넓은 스펙트럼 특성을 가지며 다중 경로 전파 환경에서 우수한 간섭 방지 특성을 나타내어 복잡한 실내 또는 밀집된 도시 환경에서도 대상 위치를 정확하게 식별합니다.
- 높은 데이터 전송률: 상용 제품에서 UWB 신호의 전송 범위는 일반적으로 10미터 이내이며 최대 500Mbit/s의 데이터 전송 속도를 달성하므로 UWB 기술은 개인 통신 및 무선 LAN에 이상적인 변조 기술이 됩니다.
UWB 포지셔닝 기술의 한계
- 제한된 포지셔닝 범위: UWB의 포지셔닝 범위는 공간적 제약으로 인해 제한되며 일반적으로 실내 또는 근거리 실외 공간에 적합하며 대규모 실외 환경에는 적합하지 않습니다.
- 상대적으로 높은 배포 비용: UWB 포지셔닝 시스템을 구현하려면 Wi-Fi 또는 Bluetooth와 같은 다른 포지셔닝 기술에 비해 복잡한 하드웨어 및 소프트웨어 설계가 필요하므로 개발 및 배포 비용이 증가하고 설계 및 유지 관리를 위해 전문 엔지니어링 팀이 필요할 수 있습니다.
UWB 측위 기술의 응용
- 전자 울타리: 특정 구역 내의 개인 위치를 실시간으로 파악하고 움직임과 고정된 인력을 모니터링합니다.
- 동작 추적 : 이동 중 위치 및 이동 궤적 모니터링(기록 궤적)
- 비디오 감시 : 현장 장면, 기기 상태, 캡쳐 이미지 및 영상 정보를 실시간으로 모니터링합니다.
- 알람 기능 : 모니터링 현장에서 수집된 이상 상황을 관제센터에 피드백하여 관련 담당자가 적시에 조치를 취할 수 있도록 합니다.
적용 사례:예를 들어, 광산에서 UWB 인력 위치 확인 시스템을 사용하면 광부의 실시간 위치 정보를 모니터링하고 사고 발생 시 갇힌 인력을 신속하게 찾아 구조 효율성을 높일 수 있습니다. 또한, 고고도 작업이나 복잡한 환경에서 UWB 인력 포지셔닝 시스템을 사용하면 작업자의 위치를 정밀하게 모니터링하고 이상 현상을 신속하게 식별하며 해당 조치를 취하여 사고를 줄일 수 있습니다. 또한 작업장에 UWB 노드를 배포하면 로봇, AGV(자동 가이드 차량) 및 기타 장비에 대한 실시간 위치 지정 및 궤적 계획을 달성하여 생산 효율성과 유연성을 향상시킬 수 있습니다.
UWB 측위 기술의 향후 개발
UWB 포지셔닝은 현재 높은 비용, 기술적 어려움, 작은 시장 수요 등의 과제에 직면해 있지만 가장 큰 장점은 정확성입니다. Wi-Fi, Bluetooth 및 기타 포지셔닝 기술과 비교할 때 UWB 포지셔닝 정확도는 레이저 포지셔닝 정확도에 필적합니다. 새로운 산업 응용 분야에 대한 지속적인 탐색과 비용의 지속적인 감소로 인해 UWB 포지셔닝 기술의 진정한 출현 시기는 그리 늦지 않을 것입니다. 더욱이, UWB 기술과 IoT, 인공지능, 5G 및 기타 분야의 통합은 미래에 그 중요성이 점점 더 높아질 것입니다.
Feasycom의 UWB 포지셔닝 키트
Feasycom-WMK-K2(UWB) UWB 프로토콜을 기반으로 한 제품 조합으로, 서브미터 수준의 정밀한 포지셔닝 요구 사항을 신속하게 평가할 수 있습니다. 사물인터넷 플랫폼, FeasyCloudUWB 기지국 게이트웨이와 태그 태그로 보완된 는 자산 위치 확인, 자산 보호, 경보 관리 및 기타 기능을 실현하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 창고 관리 키트 K1(Bluetooth BLE 프로토콜 기반)의 더 많은 센서 장치와 결합하여 보다 완벽한 창고 솔루션을 공동으로 제공할 수도 있습니다.
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