UWB(Ultra WideBand)는 수 GHz 폭의 넓은 주파수 대역을 사용해 데이터를 송수신하는 기술로, 최대 데이터 전송속도는 초당 100Mbps를 넘는 고속전송을 구현하면서 회로의 소비전력은 수십 mW에 불과해 휴대폰, 무선LAN과 비교하면 1/10에서 1/100 정도로 낮다. UWB의 데이터 전송속도가 높은 이유는 브로드밴드이기 때문이다(그림 1).
이미 인텔은 1.5GHz 이상의 대역폭을 이용하고 있는 모든 무선 기술에 UWB를 사용하기로 했으며, DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)는 UWB를 중심 주파수의 25% 이상 활용하는 통신으로 정의하고 있다. 통상 대역폭이 중심 주파수의 25% 이상이면 UWB, 1% 이상 25% 미만이면 WB(wide Band), 그리고 1%보다 작으면 협대역(narrow band)이라고 정의한다.
최근 UWB 정의에 하나의 조건이 더 부가됐다. 정보 전송에 1ns 이하의 시간폭이 짧은 펄스를 사용하고 반송파, 즉 정보를 변조하는 코사인(cosine)파를 이용하지 않는다는 것이다. 그래서 UWB는 임펄스 라디오(Impulse Radio) 또는 타임 도메인(Time Domain), 캐리어 프리(Carrier Free)라는 별명도 가지게 됐다.
그러면 UWB의 대역폭은 얼마나 큰 것일까. UWB는 1ns 이하의 매우 짧은 펄스파를 사용하는데, 주파수 축상에서 보면 수 GHz에 걸쳐 초광대역을 갖는다.
이것은 기존의 협대역 무선 등과 비교해 폭이 매우 큰 것이다. 예를 들면 중심 주파수가 2.4GHz이고, 대역폭이 1.2GHz의 UWB 신호를 생각하면 비대역폭은 50%이다. 그것에 비해 AM 라디오 방송은 약 1.3%(6.8kHz/530kHz), CDMA 방식의 휴대폰은 0.15% (1.25MHz/800MHz), W-CDMA에서는 0.23% (5MHz/2200MHz), 그리고 2.4GHz 대를 이용하는 무선 LAN은 0.9%(22MHz/2450MHz) 정도이다.
국방용으로 제한 사용된 UWB
초고속이면서 소비전력이 낮은 UWB가 지금까지 이용이 제한된 이유는 크게 두 가지였다. 하나는 UWB가 매우 짧은 시간의 펄스를 사용해 데이터를 보내기 때문에 반사파를 이용해 정밀도가 높은 레이더 구현 등 미국의 군사적 목적을 위한 것이었기 때문이다.
따라서 연구개발의 주체는 당연히 미국의 군사 관련 기업과 연구기관 등으로 제한됐으며, 1990년대 중반까지 UWB에 관한 연구개발은 미국 국무부 관리하에 있어서 외부로의 발표를 엄격히 제한했다.
또 하나의 이유는 UWB가 넓은 대역을 사용하므로 GPS와 휴대폰 등과 같은 모든 협대역 무선 통신 시스템과의 전파간섭 가능성이 있었기 때문이다. 이런 이유로 UWB의 민간용 장비 개발은 오랜 기간 허가되지 못했으나, 개방 준비 과정을 거쳐 2002년 2월 14일 미국의 통신 시스템 관리를 책임지고 있는 FCC(Federal Communications Commission)가 민간용 장비 개발에 부분적인 허용을 승인했다. 실제 FCC는 향후 6개월에서 1년을 두고 그 허용범위를 넓힐 방침이라고 한다.
1ns 이용해 정확도 높여
1ns라고 하는 짧은 펄스를 사용해 정보를 보낸다는 특성으로 인해 UWB는 다섯 가지 이점을 갖는다. 첫째는 송신출력의 전력 스펙트럼 밀도가 낮다는 것, 둘째는 복수 경로 간섭에 내성이 있다는 것, 셋째는 초고속 전송이 가능하다는 것, 넷째는 송수신회로를 간략화할 수 있다는 것, 그리고 마지막으로 거리도 측정할 수 있다는 것이다.
물론 현재 UWB는 초고속 데이터 통신 용도가 중심이지만, 센티미터 정도의 정확도를 갖는 거리 측정이나 레이더로의 이용은 군사용 이외의 분야에 활용할 경우 새로운 단말기 개발의 가능성이 많기 때문에 상용화 가능성이 높다.
UWB는 펄스 전송이므로 점유 대역폭은 매우 넓은 반면에, 주파수 축상에서의 송신출력 밀도는 작다. 2.4GHz대의 무선 LAN에서는 10mW/MHz 이하지만, UWB의 경우는 10nW/MHz 이하로 무선 LAN의 1/106이다. 또한 펄스의 시간 폭이 매우 좁으므로 벽 등의 구조물에 반사돼 날아오는 펄스를 분리하기 쉬워 복수 경로 간섭의 영향을 피할 수 있다. 실제 일반적인 실내 전파 환경에서 복수 경로를 지나온 신호는 50ns 이상의 지연시간 이후에 도착하므로 이 지연이 펄스의 송신 간격과 비교해 충분히 커서 쉽게 분리할 수 있다.
또한 초고속 전송이 가능한 이유는 다음과 같은 이론적인 측면에서도 설명할 수 있는데, 채널의 용량 C의 대역폭이 넓이에 비례해 증가한다.
C=Blog2 (1+P/N)
C : 최대통신로용량 (bps) B : 대역폭 (Hz)
P : 신호의 평균전력 (W)N : 잡음의 평균전력 (W)
UWB는 대역폭 B가 수 GHz의 광대역이므로 1Gbps 이상의 초고속 전송이 가능하다. 따라서 UWB 업체는 펄스의 송신 간격과 펄스 폭을 줄이면 줄인 만큼 고속화를 달성할 수 있다. 이런 점은 CMOS 제조 기술의 미세화에 비례한 형태로 데이터의 전송 속도를 높이는 것이 가능하므로 향후 뛰어난 확장성을 제공할 수 있다.
현재 개발중인 칩셋들은 0.18um CMOS 기술을 이용해 100Mbps의 속도를 실현하고 있으나 이것이 0.13um과 0.08um로 되면 400Mbps에서 1Gbps의 고속 전송이 가능하게 된다. 그러나 무선 LAN 등의 일반적인 무선 통신 기술은 이용 대역 제한으로 인해 칩의 동작 주파수를 높이더라도 이것이 데이터 전송 속도의 향상으로 반영되는 형태는 아니다.
또한 UWB가 갖는 펄스 전송이라는 특성으로 인해 송수신 회로의 간소화도 가능하다. 즉 기저대역 신호를 그대로 송신하므로 송수신 회로의 구성이 단순하게 된다. 무선 통신에서 일반적인 슈퍼 헤테로다인 방식과 비교하면 높은 반송파를 만드는 VCO와 주파수 신디사이저, 믹서, 중간 주파수용의 필터 등이 UWB에서는 필요없다. 그래서 일반적인 UWB의 송수신 회로에서는 펄스를 규칙적으로 발생하는 회로(프레임 클럭)가 가장 중요한 요소가 된다.
UWB 펄스의 일반적인 송수신회로 블록의 개념도를 (그림 2)에 나타냈다. 프레임 클럭에서 송출된 펄스 신호가 확산 부호와 입력 데이터 신호에 따라 지연처리를 실시한 후 송신 파형으로 바뀐다. 여기에서 중요한 것은 프레임 클럭에서 송출되는 펄스 신호가 확산부호에 따라 지연되고, 확산부호에 기초해 시간 축에서 펄스 열의 특정 기준없이 확산한다는 것이다. 이것은 일종의 시간 축상의 호핑 패턴을 형성하는 것으로, 이런 기법을 이용한 것이 CDMA다. 수신회로는 RF부에서 얻은 수신 파형을 내부에서 생성된 파형(템플릿 파형)과 상호 연관 처리된다. 이런 상관처리에 따라 출력되는 신호가 원하는 펄스 신호인지 아닌지를 인식한다.
UWB 상용화 위한 선결 과제
비록 UWB가 많은 장점을 가지고 있으나 민간용 장비로 적용하는 기술은 아직 성숙돼 있지 않은 실정이다. 이를 위해 해결해야 할 과제가 많으며, 대표적인 과제로는 ▲광대역에서 시간 폭이 짧은 펄스를 발생하는 회로▲초광대역 안테나의 설계와 제조 ▲수신회로에 있어 짧은 펄스의 검출 정도를 높이는 일 ▲복수 경로 환경에 있어서 펄스의 충돌에 따른 부호간 간섭을 피하는 일 ▲복수 사용자 환경에 있어서 펄스 충돌에 따른 사용자간 간섭을 피하는 일 ▲해당 법 규제를 정비하는 일들이 남아 있다.
즉, 회로 구성에서는 수 ns∼수백 ps 정도의 짧은 시간으로 규칙적인 펄스를 발신하는 송신 회로와 짧은 시간 간격으로 도달하는 펄스를 정확하게 수신해내는 수신 회로의 구현과 수 GHz 폭의 넓은 대역을 소화할 수 있는 소형 안테나를 구현하는 것들이 이에 해당한다.
또 중요한 일 중의 하나가 법 규제 정비이다. UWB의 이용에 관한 법규제가 정해지고 있는 나라는 현재 미국뿐이다. 미국의 복사 강도는 -41.3dBm/MHz인 반면에 일본의 경우는 매우 낮다. 예를 들면 일본에서 322MHz∼10GHz의 부분은 -64dBm/MHz으로, 이것으로 100Mbps의 전송을 수행하는 경우에는 3Cm 정도밖에 통신할 수 없다.
잡음, 복수 경로 발생 확률 낮춘 시간 호핑 방식 채택
UWB의 연구분야 중에서도 가장 활발하게 진행되고 있는 것이 복수 사용자의 다원 접속을 실현하는 방법에 대한 것이다. UWB는 펄스를 사용해 데이터를 전송함으로 고속 전송이 가능한 반면, 복수 사용자의 펄스 분리를 하는데 모두 시간 축상에서 처리함으로, 일대일 통신에서는 유리하나 복수 사용자일 경우는 반대로 복잡하게 되는 단점도 있다.
다원접속을 실현하는 수법 중에서 가장 대표적인 방식인 시간 호핑(time hopping)에 따른 펄스 위치변조(pulse position modulation)의 처리과정을 알아보자. 펄스 위치 변조에 있어서는 시간 축상에 펄스의 위치를 수백 ps 바꾸는 것으로 데이터를 표현한다. 우선 UWB의 송신 펄스와 수신회로의 템플릿 파형의 최고치가 중첩된 예를 그림 3(a)에 나타냈다. 수신 회로의 상관기에서는 높은 상관 출력이 얻어져 설정에 따라 플러스 값이 출력된다.
한편 UWB의 펄스와 템플릿 파형의 최고치가 시간 δ만큼 벗어난 경우를 그림 3(b)에 나타내었다. δ는 수백 ps 정도의 양이다(타임 도메인의 경우는 100ps 정도의 값을 갖고 있다). 이 벗어난 결과 템플릿 파형과의 상관 출력은 마이너스 혹은 ‘0’이 된다. 이때 상관기 출력과 ‘0’, ‘1’의 2진 데이터를 대응시키면 데이터를 읽어낼 수 있다. 이상의 예는 가장 단순한 예로써 실제로는 몇 개의 펄스를 이용한 여러 값의 정보를 전송하고 있다. 펄스의 위치 변조에서는 단지 펄스의 시간축 상의 위치를 바꾸는 단순한 변조를 수행하므로 복수의 사용자의 펄스를 동시에 수신한 경우에 그것을 적절하게 분리하는 일이 필요하다.
여기서 가장 일반적으로 상정된 기법이 시간 호핑 방식으로, UWB의 펄스를 사용자마다 고유의 호핑 패턴으로 대응시켜 시간 축상에서 이동해 송신한다. 이것은 시간 축 상의 호핑 패턴을 사용해 수신기에서 높은 상관치를 얻지 않으면 데이터를 복조하지 않도록 구성하는 것이다. 이렇게 함으로써 잘못된 펄스를 받아들일 확률을 낮추고, 잡음과 복수 경로를 발생시킬 확률도 낮춘다.
UWB 응용 분야 다양
UWB 응용 분야는 근거리 무선 통신 분야와 정교한 트래킹(Precision Tracking), 레이더와 보안, 그리고 이것들을 조합한 통합 시스템 등이다(표 2).
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UWB는 100Mbps를 넘는 초고속 근거리 무선 통신 뿐만 아니라, 센티미터 정도의 정밀도를 요구하는 위치 인식과 트래킹 등에 활용될 수 있다. 이런 응용의 예로써 UWB의 송수신기를 우산과 가방 같이 휴대용 제품에 탑재하면 소유자로부터 일정거리 이상 떨어졌을 때 센서가 경고음을 내 물건을 잃어버리는 것을 방지한다. 실제로 미국 애서와이어앤로케이션(Aether Wire & Location)은 이런 용도를 고려한 제품을 기획하고 있다. 또한 손가락에 송수신기를 끼고 손목에 컨트롤러를 부착하면 키보드 입력장치도 가능해진다.
UWB에 대한 많은 관심을 많이 가지고 있는 ITU-R에서도 2001년 11월부터 UWB에 대한 연구를 시작했으며, 이 결과를 2003년 안에 발표할 예정이다.
한편 SG1a(Spectrum engineering technique)에서는 하나 또는 다수의 UWB 단말기가 전파 환경에 미치는 영향, 다른 휴대 단말기에 미치는 영향, 다른 휴대 단말기와의 양립성, 다른 휴대 단말기에 영향을 주지 않는 UWB 단말기의 요구 조건 등을 연구하고 있다. 또한 UWB 도입시 업무용 주파수 대역에 대해 어떤 의도적 전파 발사를 허용치 않는다는 내용의 RR S5.340에 대한 해석, 연구도 수행하고 있다. 따라서 내년에는 ITU에서 많은 보고서가 나올 것으로 예측된다.
유럽에서는 CEPT 산하 기관에서 주로 전파 간섭들을 다루고 있으며, 미국의 경우는 FCC가 UWB 규제 정책의 배경과 자세한 기술 기준을 제시하고 있다. FCC는 다른 협대역 통신과의 간섭 가능성을 고려해 단말기에서 이용할 수 있는 송신출력의 범위를 한정했다(표 3). 이런 FCC의 구체적인 규제에 입각해 주파수 마스크(spectral mask)를 만족하는 UWB 신호를 만들어 내는 것이 실제로 UWB 시스템을 낮은 비용으로 구현하는데 장애가 될 수도 있다. FCC 규제를 만족하는 펄스를 만들어 내기 위해 RF 변조나 펄스 샤핑(shaping) 방법을 사용해야 할 가능성도 있으며, 이는 가격 상승을 야기하기 때문이다.
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UWB의 표준화는 IEEE 802.15에서 2002년 새로 결성된 스터디 그룹 SG3a가 담당하고 있으며, 2003년 W-PAN(Wireless Personal Area Network) 사양을 완성하는 것을 목표로 하고 있다. SG3a의 상위 조직인 IEEE 802.15.3은 10m 정도의 근거리에서 고속전송이 가능한 무선 네트워크의 규격을 책정하고 있다. SG3a는 이 IEEE 802.15.3의 논의의 연장선상에 있으며, 초고속의 물리층을 논의하기 위해 발족됐고, UWB는 물리층 사양에서 가장 유망한 기술이다.
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군사 용도에서 민간 용도로의 이용은 학술 활동과 표준화, 그리고 규제 활동과 법 정비 등의 분야에서 착실히 진행되고 있다. 2002년 5월말에 미국에서 개최된 UWB에 관한 국제학회 ‘2002 IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies’는 UWB에 대한 각 국의 관심을 보여줬으며, 미국 연구 기관의 발표가 대세를 이루고 있으나(41건), 이탈리아(6건), 러시아(5건), 핀란드(2건), 프랑스(2건), 독일(1건), 스위스(1건), 일본(4건), 중국(2건), 그리고 싱가폴(2건) 등에서도 연구개발이 진행되고 있음을 알려줬다. 발표 내용도 응용 기술을 상정한 것이 많았으며, 벤처 기업과 대학은 물론 인텔, AT&T, 모토로라 같은 대기업도 발표를 함으로써 단순 연구 단계에서 실용화 단계로 진보하고 있음을 보여줬다.
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칩 업체들, UWB 칩셋 출시 서둘러
실질적인 칩과 시스템 개발은 미국의 벤처 기업을 중심으로 이뤄지고 있으며, UWB용 LSI 개발을 추진하고 있는 타임 도메인은 1세대 제품인 'PlusON 100'과 타이머 회로의 집적도를 높인 2세대 칩셋 'PlusON 200'을 발표했다. 그리고 2003년 상반기엔 최대 100Mbps 칩 'PlusON 300'을 출하할 예정이라고 말하고 있다. 가정에서의 무선 동화상 전송을 목적으로 개발된 'PlusON 300'에서는 저 소비전력이 가능할 것으로 예측되며, 가격도 15달러 전후로 제공될 것이라고 설명했다.
최근 미국 반도체 업체인 익스트림스펙트럼은 카메라 일체형 VTR과 DVD 플레이어 등의 무선 동화상 전송을 위한 UWB용 칩셋 평가 샘플과 UWB 민간 시장을 상대로 개발한 칩셋인 'Trinity', 평가용 보드를 발표했다. 이 칩셋의 최대 데이터 전송속도는 초당 100Mbps로 이때 소비전력은 200mW이며, 칩셋 뿐만 아니라 안테나, 외부부품, 펌 웨어 등을 포함해 대량 주문은 20달러 정도에 공급한다고 밝혔다.
익스트림스펙트럼의 제품이 특히 관심을 끄는 부분은 소비전력으로, MAC과 LNA(Low Noise Amp)까지 포함한 칩셋에서 200mW의 전력 소모량을 갖는다. 현재의 IEEE 802.11 송수신 칩셋의 소비전력은 1.5W 정도이며, 송신 출력을 높이기 위해 파워 엠프를 추가하면 2W를 넘는 것이 일반적이다. 이를 고려하면 지금 것은 약 1/10로 매우 작은 값이다. 칩셋의 가격은 19.95달러로 2.4GHz대를 이용하는 무선 LAN 칩과 같은 정도이다.
익스트림스펙트럼의 레퍼런스 보드는 이 칩셋으로만 구성돼 있으며, 일반적인 슈퍼헤테로다인 방식의 무선 시스템 등에 비해 외부 부품수가 매우 적다. 여기서 필요한 것은 기준 주파수를 발생시키는 수정 진동자와 안테나 스위치, 그리고 안테나뿐이다. 안테나의 경우도 약 1인치 크기로 평면으로 금속 배선 패턴을 사용해 소형으로 구현했다.
UWB에 주목하는 것은 벤처기업 뿐만은 아니다. 컴퓨터 관련 업체와 가전 업체에서도 상당한 관심을 보이고 있다. 그 중에서도 UWB에 특히 관심을 갖고 있는 것이 인텔이다.
인텔은 2000년부터 내부에 연구팀을 조직해 전송 특성의 평가 등을 수행해 왔으며, 이미 최대 100Mbps의 데이터 전송이 가능한 시제품을 내놓은 상태다. 실험실 내의 이상적인 조건하에서는 2∼3m에서 100Mb 전송에 성공했다고 밝힌바 있다. 인텔이 이를 강조하는 것은 고속전송의 가능성과 특성을 기대하고 있기 때문인데, 향후 USB 2.0의 무선 작업을 수행할 때 초당 수백 Mbps의 고속 무선기술이 필요하기 때문이다.
100Mbps급의 높은 데이터 전송 속도에 100mW 이내의 저전력 소모란 꿈의 무선 기술인 UWB는 미국 FCC가 민간용으로 활용을 허가함으로 인해 차세대 통신 기술로 많은 업체들의 관심을 끌고 있다. 따라서 민간용에 맞는 칩과 응용 제품들의 개발은 이제 시작이라고 볼 수 있다. 미래의 무선 시대에 주도권을 장악하려는 미국의 발 빠른 행보와 일본의 움직임 등은 우리의 경우도 빨리 법 규정의 정비와 연구 개발에 박차를 가해야 미래 무선 시장에서 낙오되지 않을 것이다. @
