초광대역

Ultra-wideband

초광대역(UWB, Ultra wideband, Ultra wideband, Ultra wideband, Ultra wideband 및 Ultra band)은 무선 스펙트럼의 [1]상당 부분을 통한 근거리, 고대역폭 통신을 위해 매우 낮은 에너지 레벨을 사용할 수 있는 무선 기술입니다.UWB는 비협조 레이더 영상에 전통적인 응용 프로그램을 가지고 있습니다.대부분의 최근 애플리케이션은 센서 데이터 수집, 정확한 위치 [2]파악 [3][4][5]및 추적을 목표로 합니다.UWB 지원은 2019년부터 하이엔드 스마트폰에 등장하기 시작했습니다.

특성.

초광대역은 넓은 대역폭(>500MHz)을 통해 정보를 전송하는 기술입니다.이를 통해 동일 주파수 대역에서 기존 협대역반송파 전송을 방해하지 않고 많은 양의 신호 에너지를 전송할 수 있습니다.많은 국가의 규제 한계로 인해 무선 대역폭을 효율적으로 사용할 수 있으며, 높은 데이터 전송률 PAN(Personal Area Network) 무선 연결, 장거리 저 데이터 전송률 애플리케이션, 기존 통신 시스템과 레이더 및 영상 시스템의 투명한 공존을 가능하게 합니다.

초광대역은 이전에는 펄스 라디오(pulse radio)로 알려져 있었으나, FCC와 국제전기통신연합 전파통신 부문(ITU-R)은 현재 UWB를 방사 신호 대역폭이 500MHz보다 작거나 산술 중심 [6]주파수의 20%를 초과하는 안테나 전송으로 정의하고 있습니다.따라서, 각각의 전송된 펄스가 UWB 대역폭(또는 협대역 반송파의 최소 500 MHz의 집합체, 예를 들어, 직교 주파수 분할 다중화(OFDM))를 차지하는 펄스 기반 시스템은 규칙에 따라 UWB 스펙트럼에 액세스할 수 있습니다.

이론.

종래의 무선 송신과 UWB의 중요한 차이점은 종래의 시스템이 정현파의 전력 레벨, 주파수 및/또는 위상을 변화시킴으로써 정보를 송신한다는 것입니다.UWB 전송은 특정 시간 간격으로 무선 에너지를 생성하고 큰 대역폭을 차지하여 펄스 위치 또는 시간 변조를 가능하게 함으로써 정보를 전송합니다.정보는 펄스의 극성, 진폭 및/또는 직교 펄스를 사용하여 UWB 신호(펄스)에서 변조할 수도 있습니다.UWB 펄스는 시간 또는 위치 변조를 지원하기 위해 비교적 낮은 펄스 속도로 산발적으로 전송될 수 있지만 UWB 펄스 대역폭의 역방향까지 전송될 수도 있습니다.펄스-UWB 시스템은 연속적인 UWB 펄스 스트림(Continuous Pulse UWB 또는 C-UWB)을 사용하여 초당 13억 펄스를 초과하는 채널 펄스 속도로 시연되었으며,[7] 675 Mbit/s를 초과하는 순방향 에러 정정 인코딩 데이터 속도를 지원합니다.

UWB 무선 시스템은 다양한 주파수에서 송신의 "비행 시간"을 결정하기 위해 사용될 수 있습니다.이것은 일부 주파수가 가시선 궤적을 가지고 있는 반면 다른 간접 경로는 지연 시간이 더 길기 때문에 다중 경로 전파를 극복하는 데 도움이 됩니다.협력 대칭 양방향 계량 기술을 사용하면 고해상도 및 [8]정확도까지 거리를 측정할 수 있습니다.

적용들

실시간위치

UWB(Ultra-Wideband) 기술은 정확하고 신뢰할 수 있는 기능으로 실시간 측위를 혁신했습니다.물류, 의료, 제조, 운송 등 다양한 산업에서 중요한 역할을 하고 있습니다.UWB의 센티미터 수준의 정확도는 다른 측위 기술을 능가하므로 GPS 신호를 신뢰할 수 없는 실내 환경에 이상적입니다.낮은 전력 소비로 간섭을 최소화하고 기존 인프라와 공존할 수 있습니다.UWB는 다중 경로 간섭에 대한 내성으로 까다로운 환경에서 탁월하며, 일관되고 정확한 포지셔닝을 제공합니다.물류 분야에서 UWB는 효율적인 재고 추적, 손실 감소 및 운영 최적화를 가능하게 합니다.UWB를 통해 자산 추적, 환자 흐름 최적화, 관리 조정 개선 등의 의료 혜택을 누릴 수 있습니다.제조업에서 UWB는 자재 및 도구의 정확한 추적을 통해 재고 관리를 간소화하고 생산 효율성을 높입니다.UWB는 교통 시스템에서 경로 계획, 차량 관리 및 차량 보안을 지원합니다.UWB와 IoT, AR, AI의 통합은 상황 인식 애플리케이션과 개인화된 경험을 위한 문을 열어줍니다.UWB 기술이 계속해서 발전함에 따라, 실시간 위치 측정에 미치는 영향은 혁신을 촉진하여 업계가 더 높은 수준의 효율성, 생산성 및 [9]안전을 달성할 수 있도록 지원할 것입니다.

이동전화

애플은 2019년 9월 초광대역 기능을 갖춘 아이폰 11, 아이폰 11 프로 및 아이폰 11 프로 [10][11][12]맥스의 첫 세 전화를 출시했습니다. 애플은 또한 2020년 9월에 UWB가 [13]특징인 애플 워치 시리즈 6을 출시했으며 이 기술을 특징으로 하는 에어태그가 2021년 [14][5]4월 20일 언론 행사에서 공개되었습니다.삼성 갤럭시 스마트태그+[16]와 함께 삼성 갤럭시노트20 울트라, 갤럭시S21+, 갤럭시S21 울트라도 UWB를 [15]지원하기 시작했습니다.2021년 8월에 출시된 샤오미 MIX 4는 UWB를 지원하며, 일부 AIoT 기기에 [17]연결할 수 있는 기능을 제공합니다.

FiRa 컨소시엄은 휴대폰을 포함한 상호 운용 가능한 UWB 생태계를 개발하기 위해 2019년 8월 설립되었습니다.삼성, 샤오미, & 오포는 현재 FiRa 컨소시엄에 [18]가입되어 있습니다.2020년 11월 안드로이드 오픈 소스 프로젝트는 UWB API와 관련된 첫 번째 패치를 받았습니다.[19]

산업용 응용프로그램

  • 자동화 및 로보틱스:UWB 기술은 산업 자동화와 로봇 공학에서 중요한 역할을 합니다.높은 데이터 전송률과 낮은 지연 시간으로 기계와 시스템 간의 실시간 통신 및 제어가 가능합니다.UWB 기반 통신 프로토콜은 신뢰성 있고 안전한 데이터 전송을 보장하여 자동화된 프로세스의 정확한 조정 및 동기화를 가능하게 합니다.이를 통해 제조 효율성을 높이고 오류를 줄이고 전반적인 생산성을 향상시킬 수 있습니다.또한 UWB를 로봇 시스템에 통합하여 정확한 위치 파악, 객체 감지 및 충돌 방지를 가능하게 하여 [20]산업 자동화의 안전성과 효율성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
  • 작업자 안전 및 근접 감지:근로자 안전은 산업 현장에서 가장 중요한 관심사입니다.UWB 기술은 효과적인 근접 감지 및 작업자 안전 솔루션을 제공합니다.근로자들에게 UWB가 가능한 장치나 배지를 제공함으로써 기업들은 자신들의 위치와 움직임을 실시간으로 모니터링할 수 있습니다.UWB 기반 시스템은 작업자와 기계 간의 충돌 가능성을 감지하여 사고를 예방하기 위해 적시에 경고를 발행할 수 있습니다.또한, UWB 기술은 안전 구역과 통제된 접근 구역을 만들 수 있도록 하여 위험한 장비 또는 제한 구역과 작업자의 안전한 상호 작용을 보장합니다.이를 통해 작업장 안전을 강화하고 사고를 줄이고 잠재적인 [21]위험으로부터 직원을 보호할 수 있습니다.
  • 자산 추적관리: 효율적인 자산 추적 및 관리는 산업 운영에 매우 중요합니다.UWB를 통해 산업 시설 내 자산을 정밀하고 실시간으로 추적할 수 있습니다.UWB를 통해 산업 시설 내 자산을 정밀하고 실시간으로 추적할 수 있습니다.장비, 도구, 인벤토리에 UWB 태그를 부착하여 기업의 위치, 이동 및 활용도를 모니터링할 수 있습니다.이를 통해 인벤토리 관리가 향상되고, 자산 손실이 감소되고, 다운타임이 최소화되며, 유지보수 프로세스가 간소화됩니다.UWB 기반 자산 추적 시스템은 정확하고 신뢰할 수 있는 데이터를 제공하여 기업이 리소스 할당을 최적화하고 전반적인 운영 [22]효율성을 향상시킬 수 있도록 지원합니다.

레이더

초광대역은 합성 개구 레이더(SAR) 기술에 구현되어 널리 주목을 받았습니다.더 낮은 주파수를 사용하는 고해상도 용량 때문에, UWB SAR는 물체 투과 [23][24][25]능력에 대해 집중적으로 연구되었습니다.1990년대 초부터 미국 육군 연구소(ARL)는 다양한 고정식 및 이동식 지상, 나뭇잎, 벽 관통 레이더 플랫폼을 개발하여 매몰된 IED와 숨겨진 적을 안전한 거리에서 탐지하고 식별하는 역할을 했습니다.를 들어 레일 SAR, 붐 등이 있습니다.SAR, SIRE 레이더, SAFIRE 레이더.[26][27]ARL은 또한 UWB 레이더 기술이 플랫폼이 [28]정지했을 때 이동하는 타겟의 속도를 추정하기 위해 도플러 처리를 통합할 수 있는지에 대한 타당성을 조사했습니다.2013년 보고서는 통합 간격 동안 목표 범위 이동으로 인한 UWB 파형 사용의 문제를 강조했지만, 보다 최근의 연구들은 정확한 일치된 필터를 [29]사용하는 한 UWB 파형이 기존의 도플러 처리에 비해 더 나은 성능을 보여줄 수 있다고 제안했습니다.

초광대역 펄스 도플러 레이더는 사람의 보행 분석 및 낙상 감지뿐만 아니라 심박수 및 호흡 신호와 같은 인체의 생체 신호를 모니터링하는 데에도 사용되었습니다.전력 소모가 적고 고해상도 범위 프로파일을 사용하기 때문에 연속파 레이더 시스템의 잠재적인 대안 역할을 합니다.그러나 신호 대 잡음비가 낮아 [30][31]오류에 취약해졌습니다.이 응용 프로그램의 상업적인 예로는 RayBaby가 있는데, 이것은 호흡과 심박수를 감지하여 아기가 잠들었는지 깨어있는지를 판단하는 아기 모니터입니다.레이베이비는 감지 범위가 5미터이고 1밀리미터 [32]미만의 미세한 움직임을 감지할 수 있습니다.

초광대역은 또한 "시스루 더 월(see-through-the-wall)" 정밀 레이더 이미징 기술,[33][34][35] 정밀 위치 및 추적(무선 간 거리 측정 사용), 정밀 도착 시간 기반 현지화 [36]접근법에도 사용됩니다.UWB 레이더는 지하철 선로에 떨어진 사람이나 물체를 감지하도록 설계된 자동 표적 인식 [37]응용 프로그램에서 활성 센서 구성 요소로 제안되었습니다.

데이터전송

초광대역 특성은 PC 주변기기, 무선 모니터, 캠코더, 무선 인쇄, 휴대용 미디어 [38]플레이어로의 파일 전송 같은 근거리 애플리케이션에 적합합니다.UWB는 개인 영역 네트워크에서 사용하기 위해 제안되었으며, IEEE 802.15.3a 표준 초안에 등장했습니다.그러나 몇 년 동안 교착 상태에 빠진 끝에 2006년 IEEE 802.15.3a 태스크[39] 그룹이 해체되었습니다[40].작업은 WiMedia Alliance와 USB Implementer Forum에 의해 완료되었습니다.소비자 제품에서 UWB의 사용이 제한적인 이유는 UWB 표준 개발의 느린 진행, 초기 구현 비용 및 성능이 처음 예상보다 현저히 낮은 것 때문입니다(이로 인해 여러 UWB 공급업체들은 2008년과 [41]2009년에 운영을 중단했습니다).

자율주행차

UWB의 정확한 위치 및 레인징 기능은 기존 GPS 시스템을 능가하는 충돌 방지 및 센티미터 수준의 위치 측정 정확도를 가능하게 합니다.또한 높은 데이터 전송률과 낮은 대기 시간으로 원활한 차량 간 통신이 가능하여 실시간 정보 교환 및 조정된 작업을 촉진할 수 있습니다.또한 UWB는 정확한 타이밍과 동기화된 데이터를 기반으로 최적화된 동작을 위해 인프라 요소와 통합하여 효과적인 차량 간 통신을 가능하게 합니다.또한 UWB의 범용성은 첨단 운전자 보조 시스템을 위한 고해상도 이미징, 시큐어 키리스 엔트리(keyless entry), 탑승자 모니터링 시스템 등 혁신적인 응용 프로그램을 지원하여 편의성, 보안 및 탑승자 [42]안전을 강화합니다.

UWB 제품/칩

공급자. 상품명 표준. 밴드 발표된 상용제품
마이크로칩 테크놀로지 ATA8350 LRP 6.2-7.8GHz 2021년 2월
마이크로칩 테크놀로지 ATA8352 LRP 6.2-8.3GHz 2021년 2월
NXP NCJ29D5 HRP 6–8.5GHz[43] 2019년11월12일
NXP SR100T HRP 6–9GHz[44] 2019년9월17일 삼성 갤럭시 노트20 울트라[45]
애플사 U1 HRP[46] 6–8.5GHz[47] 2019년9월11일 아이폰11, 아이폰12, 아이폰13, 아이폰14,[48] 애플워치시리즈6, 애플워치시리즈7, 애플워치시리즈8, 애플워치울트라, 홈팟미니홈팟(2세대), 에어태그, 에어팟프로(2세대)
코르보 DW1000 HRP 3.5~6.5GHz[49] 2013년11월7일
코르보 DW3000 HRP 6–8.5GHz[50] 2019년1월[51]
3dB 액세스 3DB6830 LRP 6–8GHz[52]
세바 리비에라 웨이브 UWB HRP 무선에 따라 3.1~10.6GHz 2021년6월24일[53]
스파크 마이크로시스템즈 SR1010/SR1020 해당[54] 없음 3.1-6GHz, 6-9.25GHz[55] 2020년[56] 3월 18일
삼성전자 엑시노스 커넥트 U100 알 수 없는 알 수 없는 2023년3월21일[57]

규정

미국 연방통신위원회(FCC)에 따르면 초광대역은 대역폭이 500MHz보다 작거나 산술중심주파수의 20%를 넘는 무선기술을 말합니다.2002년 2월 14일, FCC 보고서[58] 및 명령은 3.1 GHz에서 10.6 GHz의 주파수 범위에서 UWB의 무허가 사용을 승인했습니다.UWB 송신기의 FCC 전력 스펙트럼 밀도(PSD) 방출 한계는 -41.3dBm/MHz입니다.이 제한은 UWB 대역의 의도하지 않은 방출기에도 적용됩니다("Part 15" 제한).그러나 UWB 방출기의 방출 한계는 스펙트럼의 다른 세그먼트에서 상당히 낮을 수 있습니다(-75dBm/MHz로 낮음).

2005년 11월 국제전기통신연합 전파통신분야(ITU-R)의 심의 결과 UWB에 대한[citation needed] 보고서 및 권고가 도출되었습니다.영국의 규제기관인 Ofcom은 2007년 8월 9일에 비슷한[59] 결정을 발표했습니다.

동일한 스펙트럼을 공유하는 협대역 신호와 UWB 신호 간의 간섭에 대한 우려가 있었습니다.이전에 펄스를 사용한 무선 기술은 스파크 갭 송신기가 유일했는데, 이는 중파 수신기를 방해한다는 이유로 국제 조약에서 금지했습니다.하지만 UWB는 훨씬 낮은 수준의 전력을 사용합니다.이 주제는 미국에서 FCC 규칙을 채택하게 된 절차와 UWB 기술에 대한 보고서 및 권고로 이어지는 ITU-R 회의에서 광범위하게 다루어졌다.일반적으로 사용되는 전기 제품은 충동적인 소음(예: 헤어드라이어)을 방출하며, 지지자들은 저전력 광대역 [citation needed]송신기의 더 넓은 배치로 인해 소음 바닥이 과도하게 높아지지 않을 것이라고 성공적으로 주장했습니다.

다른 표준과의 공존

2002년 2월 연방통신위원회(FCC)는 UWB 송수신 규정을 명시한 개정안(Part 15)을 발표했습니다.이 릴리스에 따르면, 대역폭이 20%를 초과하거나 대역폭이 500MHz를 초과하는 모든 신호는 UWB 신호로 간주됩니다.FCC 판결은 또한 통신 및 측정 [citation needed]시스템에 사용 가능한 3.1~10.6GHz 사이의 7.5GHz 비면허 스펙트럼에 대한 액세스를 정의합니다.

IEEE 802.11a 전송과 같이 UWB 범위에 존재하는 협대역 신호는 UWB 수신기에서 볼 수 있듯이 UWB 신호에 비해 높은 PSD 레벨을 나타낼 수 있습니다.그 결과, UWB 비트 에러율 [60]성능이 저하될 것으로 예상됩니다.노치 UWB 안테나 및 필터는[62] 협대역 장치와 UWB 장치의 공존을 위해 설계되었습니다.

기술군

참고 항목

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