[IoT] 실내측위에서의 UWB와 BLE의 효율성 비교

1. 서론

 스마트폰의 보급의 확대로 우리나라는 93.1%의 스마트폰 보급률 1위를 달성하였다. 스마트폰의 고성능 프로세서와 센서를 이용한 사용자의 편리성이 증대된 서비스들이 확대되고 있는 추세이다. 그 중 지도, 네비게이션, 택시, 배달 등의 서비스는 위치측위 기술을 이용하여 사용자 혹은 대상의 위치를 판별하는 기술을 이용하고 있다. 위치측위 기술은 장소에 따라 실외와 실내로 나눌 수 있는데, 실외 위치측위와 다르게 실내 위치측위는 한정된 공간과 다수의 전파 속에서 이뤄진다는 점과 장애물이 많은 특성 때문에 비교적 낮은 정확도와 한정된 무선통신기술을 이용해야 하는 실정이다. 본 과제에서는 실내 측위에서 사용되는 UWB와 BLE의 통신 프로토콜과 실내측위기술을 비교 및 분석하고 실내측위에서 UWB와 BLE의 효율성을 비교한다. 

 

 

2. 통신기술 비교

  2-1 Bluetooth

 Bluetooth(IEEE 802.15.1)는 2.4Ghz 대역에서 마우스, 이어폰, 스피커 등 근접통신에서 가장 많이 사용하고 있는 통신기술 표준이다. 주파수 대역은 2.4Ghz 대역에서 2.4Gz ~ 2.483Ghz 대역폭에서 변조된 정현파(사인파)로 정보를 전달하여 동작하는데, 범용적으로 사용하는 Wifi와 대역이 비슷하여 간섭을 일으킨다. 주파수 호핑 방식으로는 FHSS(Frequency-Hopping Spread Spectrum)으로 1Mhz 단위로 79개 채널에서 도약한다. 4.0 이상 버전에서는 2Mhz, 40개 채널에서 도약한다. 출력대비 송수신거리는 4개의 Class으로 구분하여, 출력대비 송수신거리로 구분한다. 

CLASS	최대 출력	최대 송수신 거리
CLASS 1	100mW	100m
CLASS 2	2.5mW	10m
CLASS 3	1.0mW	1m
CLASS 4	0.5mW	50cm

[표 1] Bluetooth Class

 

 

 

  2-2 UWB (Ultra Wide Band)

 UWB(IEEE 802.15.3)는 넓은 주파수 대역에서 통신하는 초광대역 통신기술 표준이다. 낮은 출력, 높은 송수신 속도, 높은 정확도로 이전에는 국방분야에서 이용되다가 최근 UWB가 가진 이점으로 다양한 연구와 상용화가 이뤄지고 있다. 3~7Ghz 대역에서 수Ghz 대역폭으로 동적하며, 짧은 펄스신호를 이용하여 데이터를 전송한다. 또한 소비전력 대비 높은 RSSI를 보이며 넓은 주파수 스펙트럼을 갖는다. 

 

[그림 1] UWB 스펙트럼

 

 UWB의 넓은 대역폭이 주는 이점으로 채널당 500Mhz의 여유 있는 대역으로 높은 전송속도를 보장하고, 넓은 대역에서 통신하여 보안성이 향상된다. 또한 넓은 대역에서 동작하는 방식으로 타 통신방식과의 주파수 간섭이 적다. 짧은 펄스신호가 주는 이점으로 나노 혹은 피코초의로 동작하는 펄스로 많은 데이터를 전송하여 빠른 속도를 보장하고, 위치측위에서 높은 정확성을 보일 수 있다. 또한 고주파펄스를 이용하면 암반과 같은 견고한 물질을 통과할 수 있어, 장애물에 의한 감쇠를 줄일 수 있다.  

 

 

3. 측위기술 비교

 위치측위 기술로 기지국간 가진 고유 ID기반으로 위치를 측위하는 Cell-ID, 전파에서 방사되는 신호세기(RSSI)의 유사도를 비교하여 위치를 측위하는 Fingerprinting, ToF, TDoA, AoA과 같이 송수신 시간차이 삼각측량을 기반으로 한 기술, 위성항법기술을 기반으로 측위하는 GNNS 등 여러 방식이 존재하지만 실내측위에서 많이 사용하는 Fingerprinting과 ToF에 대해 알아본다. 

 

  3-1. Fingerprinting

  Fingerprinting은 공간상 RSSI의 패턴을 인식하여 RSSI 유사도로 위치를 측위하는 기술이다. 앵커를 특정 위치에 위치시키고 각 지점에서의 RSSI의 데이터를 DB화하여 현재 위치에서의 데이터와 DB내에 있는 데이터의 유사도를 비교하여 위치를 측위한다. 하지만 RSSI의 데이터의 유사도로 위치를 측위하기 때문에 정밀한 위치를 얻을 수 없고 장애물로 인한 감쇠현상으로 오차가 발생할 수 있다. 

 

[그림 2] 핑거프린팅 위치측위 기법 

 

3-2. ToF

  ToF는 신호의 송수신 시간을 측정해 위치를 측위하는 기술이다. [그림 3]과 같이 시간을 측정하기 위해 1번 디바이스에서 송신 시간에서 수신 시간의 차에서 2번 다바이스에서 1번 디바이스로 전송하기 이전의 시간의 차를 뺀다. 이후 2로 나눠 ToF를 계산한다. ToF는 신호의 송수신 시간으로 위치를 판별하기 때문에 각 디바이스별로 시간동기화가 반드시 되어야 한다. 또한 2장에서 UWB의 통신기법에서 보았던 것처럼 UWB는 넓은 대역에서 짧은 펄스신호를 이용하여 높은 정밀도와 빠른 속도를 보인다. ToF에서 높은 정밀도에서 낮은 오차를 보이기 때문에 통신과정에서의 속도와 정밀도가 중요하다. 하지만 장애물에 영향을 받아 반사파의 시간이 송/수신 될 경우 높은 오차를 보일 수 있다.

 

[그림 3] ToF 위치측위 기법

 

[그림 4] WIFI, BLE 대비 낮은 오차의 UWB 

 

대표적으로 Fingerprinting과 ToF에 대해 알아보았지만 위치측위 기술은 낮은 정확도를 얻기 위해 다른 기술들과 융합된 형태로 다양한 연구가 진행되고 있다. 앞선 예와 같이 Fingerprinting과 ToF를 융합한 위치측위 기술을 이용하면 반사파에 대한 오차와 신호감쇠에 대한 오차를 줄여 정밀도를 높을 것으로 추측한다.

 

 

4. 비교 결론 및 향후 연구과제

 UWB는 Bluetooth에 비해 낮은 전력대비 높은 RSSI를 보이고, 높은 대역에서 빠른 송/수신 속도와 적은 주파수 간섭을 보였다. 또한 정현파를 이용하는 Bluetooth와 다르게 짧은 펄스를 이용하는 UWB는 정밀한 특성으로 ToF와 같은 송수신 시간차 삼각측량을 기반으로 한 기술에서 나노에서 피코 단위의 높은 속도에서 높은 정확도를 보인다. 현재로서는 UWB가 단점이 없어보이지만 현재 Bluetooth에 비해 UWB의 단가가 높기 때문에 단순 근거리 통신과 자료 전송을 하거나 실내 측위에서 많은 앵커를 요구하는 경우 Bluetooth가 효율이 높을 수 있다. 

 향후 연구과제로는 UWB는 높은 주파수 대역에서 낮은 출력으로 이용되지만 다양한 전파가 있는 실내환경에서 간섭이 생길 수 있고, 도달 시간의 차이를 이용한 TDoA 방식은 개방된 환경에서는 유리하지만 장애물이 많은 환경에서는 장애물의 반사파로 인한 오차와 시간동기화로 인한 오차도 존재할 수 있는 한계가 존재한다. 

 

 

5. 참고문헌

[1] UWB 측위 레퍼런스

- https://m.blog.naver.com/awp2122/222489082654

- https://cafe.naver.com/itlf/28523

- http://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=104223

- https://www.pntbiz.co.kr/index.php/2018/01/16/023/

-https://scienceon.kisti.re.kr/commons/util/originalView.do?cn=CFKO201629368423567&oCn=NPAP12621804&dbt=CFKO&journal=NPRO00376921

 

[2] UWB 레퍼런스

- 제한무선통신사 자격취득교육교재 (한국방송통신전파진흥원)

-https://passexam.tistory.com/entry/%EB%AC%B4%EC%84%A0-%EC%9D%B8%ED%84%B0%EB%84%B7-%EB%8B%A8%EB%A7%90-UWB%EC%97%90-%EB%8C%80%ED%95%B4%EC%84%9C

- https://blog.naver.com/data_flow/222323623196

- https://zdnet.co.kr/view/?no=00000010053875

- http://www.thescoop.co.kr/news/articleView.html?idxno=42502

- https://blog.naver.com/suresofttech/222020100797

- http://mystudyroom.net/2021/03/01/%EB%AC%B8-wpan-%EA%B8%B0%EC%88%A0-uwbieee-802-15-3/

- https://s-space.snu.ac.kr/bitstream/10371/7418/1/88.%20초광대역신호의%20벽%20투과특성.pdf

- https://blog.naver.com/frozenguard/221115934191

 

[3] 측위관련 레퍼런스

- https://blog.naver.com/ktechstory/221734726982

- https://blog.naver.com/kcchang61/221349282082

-https://scienceon.kisti.re.kr/commons/util/originalView.do cn=JAKO201633055670531&oCn=JAKO201633055670531&dbt=JAKO&journal=NJOU00564601

 

[4] 주파수 관련 레퍼런스

- https://m.blog.naver.com/lymcall/222433729145

-https://m.post.naver.com/viewer/postView.naver?volumeNo=15439850&memberNo=30305360&vType=VERTICAL

-https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=16044706&memberNo=11534881&vType=VERTICAL

- https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B6%84%EC%82%B0_%EC%8A%A4%ED%8E%99%ED%8A%B8%EB%9F%BC

 

[5] 기타

- UWB BT NFC 비교 https://m.blog.naver.com/psh1951/222140232419

- 전파누리 (주파수 할당 정보) https://spectrummap.kr/radioInfo/radioDivideDiagramView.do?menuNo=300476 

 

 

 

 

 

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