UWB 기술과 응용 분야

 UWB(Ultra-Wideband)는 짧은 시간의 펄스 신호를 사용하여 넓은 주파수 대역으로 데이터를 송수신하는 근거리 무선통신 기술로, 구체적으로는 500MHz 이상의 넓은 주파수 폭, 낮은 출력의 전파를 사용하는 100m 이내의 무선통신 기술이다.
 UWB는 용어가 의미하듯이 광대역으로 신호를 전송하는 방식으로, 미국 통신규제기관인 FCC(Federal Communications Commission)는 광대역을 500MHz 이상의 주파수 폭으로 정의했다.
 또한, UWB 장치가 송출하는 전파세기는 잡음레벨보다 낮게 전송되기 때문에 다른 무선통신에 미치는 전파간섭은 적다. 반면, 블루투스나 Wi-Fi는 UWB 대비 좁은 주파수 폭을 사용하지만, 상대적으로 높은 출력의 전파를 사용한다.
 통신채널 용량을 결정하는 샤논 법칙(Shannon Theory)에 따라 UWB는 낮은 출력의 전파를 사용해도 넓은 주파수 폭을 사용하기 때문에 고속통신이 가능하다. 하지만, 낮은 전파세기도 다른 무선통신에 영향을 줄 수 있기 때문에 각 국가는 UWB를 위한 별도의 주파수 대역을 지정하고 있다.

 일반적으로 무선통신 기술은 [그림 1]과 같이 전파 도달거리에 따라 WPAN(Wireless Personal Area Network), WLAN(Wireless Local Area Network), WWAN(Wireless Wide Area Network) 등으로 구분되는데, UWB는 최대 전송거리가 약 100m로 정의되는 WPAN 기술이다. WPAN은 전파 도달거리가 10m로 정의되는데, 과거 UWB 기술은 10m 전송을 목표로 개발되었지만, 최근 새로운 기술이 적용되어 UWB 전파 도달거리는 직선거리인 LOS(Line Of Sight)에서 100m 이상 가능하다.
 각 영역별 대표적인 무선통신 기술을 보면, WPAN에는 블루투스(BLE 포함)와 UWB, WLAN에는 Wi-Fi, WWAN에는 5G 이동통신이 있다. 데이터 송수신 속도가 빠르고, 통신거리가 멀어짐에 따라 기술이 복잡해지고, 통신망 투자비가 증가된다.
 미국은 1970년대부터 UWB를 군사목적으로 개발했으며, 이후 군사보안을 해제함으로써 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)와 ECMA(European Computer Manufacturers Association)에서 UWB 기술표준을 정의하기 시작했다. 기술 표준화는 [그림 2]와 같이 유럽 주도의 ECMA보다는 미국 주도의 IEEE 위주로 진행되고 있는데, IEEE는 UWB 명칭을 IEEE 802.15.4a로 정의하였으며(2007년), 보안과 측위기능이 강화된 IEEE 802.15.4z를 추가로 정의했다(2020년)[1],[2].

 UWB는 2000년부터 2010년까지 많은 관심을 받았으며, 2000년대 초반에 UWB 관련 업체는 Eco System을 확대하기 위해 UWB 협의체인 ‘WiMedia’를 구성하기도 했다. 이때 WiMedia가 추구하는 방향은 유선 USB(Universal Serial Bus)를 무선으로 대체하는 것이었다. 당시 UWB가 추구하는 방향인 무선 USB는 Wi-Fi의 경쟁기술이었다. Wi-Fi 진영은 UWB에 대응하기 위해 IEEE802.11ac(지금의 Wi-Fi 5)를 출시하면서 UWB는 2010년 이후 관심을 받지 못했다. UWB는 Wi-Fi보다 효과적인 방법으로 고속통신이 가능했지만, UWB 진영은 Wi-Fi 대비 Eco System이 부족했고, 시장을 주도하는 회사가 없어서 성공하지 못했다.
 2010년 이전에 UWB 칩을 만드는 회사는 Alereon, Staccato Communications 등 작은 규모의 스타트업 위주로 약 5개사, Wi-Fi 칩을 만드는 회사는 30개 이상이어서 UWB Eco System이 Wi-Fi 대비 절대적으로 부족했다. 이런 이유로 Wi-Fi는 휴대폰에 필수적으로 사용되었고, UWB 칩은 사용되지 않았다. 하지만, 2019년에 애플이 iPhone 11에 UWB 칩을 탑재하여 정밀측위를 활용한 서비스, 근거리 고속통신에 사용하면서 UWB가 다시 관심을 받게 되었고, 이후 다수의 휴대폰 제조사가 UWB를 적용하여 다양한 기능과 서비스를 제공하고 있다.
 삼성, Qorvo, NXP, Qualcomm, STMicroelectronics 등은 이러한 애플의 전략에 대응하기 위해 UWB 기반 서비스 기술규격, 서비스 시나리오 등을 정의하기 위해 UWB 협의체인 “FiRa(Fine Ranging) Consortium”을 구성했다. FiRa Consortium은 IEEE 802.15.4z 기술을 활용하여 Use Cases 개발, 상호 호환성 검증, Eco System 확대 등을 추구하고 있다. FiRa Consortium은 [그림 3]과 같이 UWB 정밀측위(수 cm 이하)를 활용한 서비스 구현에 중점을 두고 있다[3]. IEEE 802.11 기반의 Promotion 단체인 Wi-Fi Alliance와 유사하게 FiRa Consortium은 IEEE 802.15.4z 기술을 Promotion하는 단체이다[3].

 FiRa Consortium과는 별도로 UWB를 활용한 기능 개발을 위해 다수의 업체는 2018년에 “UWB Alliance”를 구성하기도 했다. 초기 UWB Alliance가 추구하는 방향은 고속 통신이었으나 차츰 정밀측위를 활용한 서비스 개발에 중점을 두고 있다.
 애플은 자체 UWB 칩을 개발하고 있으며, 초기에는 Qorvo가 인수한 Decawave 칩을 기반으로 U1 칩을 개발했다. Apple U1 칩은 대부분 Decawave 기술을 사용하고 있으나 Decawave 칩 대비 크기가 작고, 전력소모가 적다[4]. 현재, Qorvo, NXP, Qualcomm, STMicroelectronics 등이 UWB 칩을 판매하거나 개발 중에 있고, 시장이 확대됨에 따라 UWB 칩을 개발하는 회사가 많아지고 있다.
 2025년 기준으로 한 UWB 칩 시장의 예측 자료에 의하면 UWB 칩은 스마트폰에 절대적으로 많이 적용하고, 그 다음은 Automotive Access로 대부분 자동차 Digital Key에 적용될 것으로 예측되고 있다. 스마트폰과 차량 이외에도 시장은 작지만 Consumer Tag와 Consumer Wearable에도 적용될 것으로 예측되고 있다

 UWB는 [그림 4]와 같이 짧은 시간의 펄스를 사용하는 통신기술로서, 펄스의 주기는 2ns(또는 초당 10억 개 이상)이다. 이러한 특징으로 과거에는 UWB를 “Pulse Radio”라고 했고, 짧은 시간에 펄스가 생성되면, 넓은 주파수 폭이 형성된다.

 UWB 기술 표준은 주로 IEEE에서 정의하고 있으며, 휴대폰에 적용되는 기술은 IEEE 802.15.4z이다. IEEE 802.15.4z는 기존 WAPN 기술인 IEEE 802.15.4를 기반으로 보안을 강화하고, 정밀측위에 중점을 둔 기술이다. 즉, IEEE 802.15.4z는 [그림 5]와 같이 기존 UWB 기술인 IEEE 802.15.4a의 PHY, MAC을 보완하여 고속 데이터 전송이 아니라 기존 대비 저속 데이터 전송, 정밀측위, 보안이 강화된 채널 등의 기능이 추가되었다. 이러한 관점에서 IEEE 802.15.4z 기술을 “Secure Fine Ranging Technology”라고도 한다.

 기존 IEEE 802.15.4a가 추구하는 방향이 고속통신이었기 때문에 IEEE 802.15.4z는 보안이 강화된 채널을 활용한 정밀측위에 중점을 둔 것이다. IEEE는 UWB 규격을 정의하기 위해 IEEE 802.15.4z Enhanced Impulse Radio(EIR) Task Group을 구성하여 PHY, MAC 기술을 정의했다. IEEE 802.15.4z는 3개의 주파수 밴드를 사용하는데, Band 0은 500MHz, Band 1은 3.5~4.5GHz, Band 2는 6.5~10GHz 대역을 사용한다. 이러한 3개의 주파수 밴드에서 사용하는 주파수 폭은 500MHz에서 1.35GHz까지 사용된다. 일반적으로 UWB는 6.5~10GHz 대역에 주파수 폭은 500MHz 이상을 사용하며, LOS 환경에서 최대 전력으로 송출할 때, 약 200m까지 전송될 수 있다.
 일반적인 신호처리로 광대역을 구현하는 방법은 CDMA(Code Division Multiple Access)나 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 방식이 있다. 이것은 원래 신호에 고속의 확산 코드나 Sub Carrier로 광대역을 생성시킨다. OFDMA를 활용하는 5G 이동통신은 10MHz에서 100MHz 주파수 폭을 사용하지만, UWB는 500MHz 이상의 넓은 주파수 폭을 사용한다. UWB는 시간축에서 Impulse를 활용하기 때문에 UWB를 IR(Impulse Radio)-UWB라고도 한다. 이렇게 UWB는 확산신호(Spreading Signal)를 사용하지 않고, 짧은 시간에 스를 송출하여 광대역 주파수를 생성한다. 이것은 퓨리에 이론(Fourier Theory)에 의한 것으로 이 이론은 짧은 시간의 펄스는 넓은 주파수 폭을 형성하는 원리이다.

 [그림 6]의 블루투스와 UWB 신호를 보면, 블루투스 주파수폭은 1MHz, UWB 주파수 폭은 500MHz로 UWB 주파수 폭이 블루투스보다 훨씬 넓다. 광대역으로 신호는 전송속도를 높일 수 있고, Multipath Fading에 대한 극복성이 강해진다. 일반적으로 무선채널은 특정 주파수 성분에 오류가 발생되는 Frequency Selective Fading이 발생되는데, 광대역 신호는 이러한 현상을 줄일 수 있다. 또한, 광대역 신호는 보안이 강하고, 정밀측위를 위한 거리 해상도가 증가된다.
 정부는 UWB 주파수를 3.1~4.8GHz(Low Band)와 7.2~10.2GHz(High Band)를 할당했고, 이후 6.0~7.2GHz 대역을 추가했다. 이것은 FiRa Consortium이 UWB 주파수를 6.5~9GHz 대역을 권고했기 때문이다. 6GHz 대역은 ISM(Industrial Scientific Medical) 밴드인 2.4GHz 대역과 멀리 떨어져 있어서 전파 간섭을 덜 받는다. 5GHz 대역과 6GHz 대역을 사용하는 Wi-Fi(특히, Wi-Fi 6E)는 UWB 안테나를 공유할 수 있는 장점도 있다. UWB는 WPAN 기술의 하나로서, 기본적인 Network Topology는 ‘Pointto-Point’로 2개 디바이스 간 통신이다. 반면, Wi-Fi는 하나의 AP(Access Point)를 중심으로 다수의 디바이스가 연결되는 ‘Star’ 구조이다.

 UWB는 매우 짧은 2ns의 펄스를 사용하는데, 이러한 펄스의 주기를 PRF(Pulse Repetition Frequency)라고 하고, UWB 변조 방식에는 PPM(Pulse Position Modulation)과 BPSK (Binary Phase Shift Keying) 등이 있다. IEEE 802.15.4z 표준에는 [그림 7]과 같이 PRF에 따라 Physical Layer에는 고속통신인 HRP(High Rate Pulse)와 저속통신인 LRP(Low Rate Pulse)가 있다. 예를 들어, HRP는 1ms 동안 1,000개의 펄스, LRP는 1ms 동안 100개의 펄스가 전송된다. HRP는 하나의 UWB 장치가 많은 다른 장치와 연동 될 때 유리하고, LRP는 적은 수의 UWB 장치와의 연결에 사용된다. 또한, LRP는 HRP대비 저전력 소모, 빠른 응답 등의 특징이 있고, LRP는 HRP대비 펄스의 전송주기는 길지만, 출력은 높다. 정밀측위 관점에서 볼 때, HRP와 LRP는 거의 동일한 측위오차가 발생되지만, HRP는 펄스의 주기가 짧기 때문에 실시간 서비스에 사용될 수 있다.

 UWB 측위는 [그림 8]과 같이 크게 ① 전파 도달시간을 이용하는 방식, ② 안테나의 전파 송수신 각도를 이용하는 방법이 있다. 전파 진행시간을 활용하는 방식에는 TWR (Two Way Ranging)과 TDOA(Time Difference Of Arrival)가 있고, 신호각도를 이용하는 방식에는 도달각도를 활용하는 AoA(Angle of Arrival)가 있다. 물론, 수신 전계강도를 활용하는 RSSI(Receive Signal Strength Indicator) 방식도 UWB에 적용 가능하지만, RSSI 방식은 TWR이나 TDOA에 비해 정확도가 떨어진다. RSSI 방식은 송수신 메시지에 시간정보를 보낼 수 없을 때에 사용된다.
 이러한 방식에서 UWB 측위는 TWR과 TDOA가 많이 사용된다. TWR은 UWB 장치 간 양방향으로 시간 정보를 활용하고, TDOA는 측위대상 UWB 장치(Tag)가 신호를 단방향으로 다른 UWB 장치(Anchor)로 전송해서 측위가 이루어진다. 또한, TWR은 송수신 양단 간 시간적인 동기를 사용하지 않지만, TDOA 방식은 송수신 양단간 시간적인 동기가 필요하다. 그리고 근거리 통신기술에서 ‘Anchor’는 특정 지점에 고정된 장치이고, ‘Tag’는 이동하는 장치이다.

 TDOA(Time Difference Of Arrival)는 [그림 10]과 같이 UWB Tag가 메시지를 보내고, 주변에 있는 다수의 Anchor가 메시지를 수신한다. 이후, 측위서버는 전체 Anchor 데이터를 모아서 각 Anchor 간 시간 차이를 계산하여 Tag 위치를 파악한다. 즉, TDOA는 용어가 의미하듯이 각 Anchor에 도착되는 각 Tag 신호의 시간적인 차이를 활용한다. 따라서 Anchor와 Tag 간 정확한 시간 동기가 필요하다.

 Tag는 Anchor로 단방향의 데이터를 전송하기 때문에 응답은 요구하지 않는다. 다수의 Anchor가 서로 떨어져 있어야 효과가 좋고, 측위 서버는 사전에 Anchor의 위치정보를 가지고 있어야 한다. Tag는 측위를 위해서 “Blink Message”를 계속 방송하고, Anchor는 이 메시지를 받은 시간을 추가하여 측위 서버로 전송한다. 이후, 측위서버는 각 Anchor로부터 수신한 시간정보를 기준으로 Anchor 간 시간 차이를 산출하여 위치를 계산한다.

 UWB 주요 응용 분야 관련, FiRa Consortium은 [그림 11]과 같이 Smart Cities & Mobility, Smart Building & Industrial, Smart Retail, Smart Home & Consumer와 같이 4가지로 정의했다. 이러한 응용 분야는 대부분 UWB 정밀측위를 활용한다.

 Smart Cities & Mobility는 주차장에 차량이 진입할 때 문을 자동으로 열리게 하거나 자율주행차가 주변 사물과 통신하는 경우이고, Smart Building & Industrial은 회사 직원이 출입문에 접근할 때 문을 자동으로 열리게 하거나, 병원에서 환자의 이동을 실시간으로 모니터링하는 경우이다. Smart Retail은 매장에서 고객의 동선을 추적하여 고객의 행위 데이터를 수집하거나, 드론으로 상품을 배송하는 경우이며, Smart Home & Consumer는 가정에서 근접 거리에 있는 가족끼리 AR(Augmented reality)이나 VR (Virtual Reality)을 활용한 게임과 근거리에 있는 친구찾기가 될 수 있다.
 이러한 응용 분야를 기반으로 FiRa Consortium은 공통으로 사용 가능한 주요 3가지 기능을 [그림 12]와 같이 언급했는데, 여기에는 ① Hands Free Access Control, ② Location Based Services, ③ Device to Device Services가 있다.
 Hands Free Access Control은 손을 사용하지 않고, 주머니에 있는 휴대폰의 UWB가 자동으로 현관문 자물쇠와 통신하여 사용자가 접근했을 때, 문이 열리는 응용이다.
 Hands Free Access Control에서 Hands Free는 손을 사용하지 않는다는 의미이고, Access는 현관문을 통과하거나 어디에 접근한다는 의미이다. Location Based Services는 UWB 실시간 정밀 측위 기능을 활용하여 주로 실내에서 측위를 활용하는 서비스이며, Device to Device Services는 디바이스 상호간 데이터를 송수신하는 기능이다.

 Hands Free Access Control 동작은 [그림 13]과 같이 BLE(Bluetooth Low Energy)로 휴대폰과 스마트 도어락 간 Wake-up 신호로 서로 연결을 시도한다. 이것은 UWB가 동작되기 이전에 먼거리에서 BLE가 먼저 통신할 대상을 확인하는 절차이다[3]. 이후, BLE가 상대방을 확인하고, 휴대폰이 스마트 도어락과 가까워지면 UWB 통신이 이루어진다.
UWB 통신은 양단 간 동기가 설정된 다음, UWB와 스마트 도어락 간 근접거리가 되었다는 것을 인식한 후, 보안기능이 처리되고 문이 열린다.
 또한, UWB 칩 회사인 NXP는 UWB 주요 응용 분야를 IoT, Mobile, Automotive와 같이 3가지로 분류하기도 했다. IoT는 주로 정밀측위를 활용한 응용이고, 모바일은 스마트폰이나 태블릿을 이용하여 디바이스 상호 간 데이터 송수신이나 스마트 도어락을 제어하는 기능이며, Automotive는 차량문을 자동으로 열거나 닫는 기능이다.
 Digital Car Key 관련, 주로 휴대폰과 차량 간 연동기술을 정의하는 단체인 CCC(Car Connectivity Consortium)는 휴대폰을 자동차 키로 활용하는 “Digital Key” 기술과 Use Cases를 정의하고 있다. 기존에 CCC는 Digital Key로 휴대폰과 차량 간 통신을 NFC (Near Field Communication)로 정의했는데, UWB가 휴대폰에 탑재되면서 UWB를 주된 통신방식으로 정의했다. CCC가 정의하는 Digital Key는 휴대폰과 차량에 저장되는 Key 관리, 사용자 인증, 자동차 문 열기와 닫기, 차량 시동걸기, Digital Key 공유 등의 기능이 포함되어 있다. 이러한 Digital Key는 강한 보안기능이 필요하기 때문에 SE와 TSM (Trusted Service Manager) 서버가 활용된다. NFC는 근접거리 무선통신 기술이고, SE는 스마트 카드나 microSD 등으로 구현되는 H/W 기반의 보안장치로서 암호 알고리즘, Key 저장, 인증이나 암호화와 같은 보안 기능 처리 등을 담당한다. 그리고 TSM 서버는 주로 SE와 보안채널을 설정하여 SE에 관련된 파라메터를 설정하는 Provisioning 역할을 한다.

 NXP는 [그림 14]와 같이 CCC의 Digital Key 규격을 기반으로 UWB를 활용한 Digital Key 구현 방안을 제시했다. NXP는 크게 차량부분을 “Smart Access Vehicle”로 명명했고, 사람이 휴대하는 Digital Key를 휴대폰에 구현되는 “Phones for Smart Access”, 기존 차량키와 유사한 전용키인 “Smart Access Key Fobs” 그리고 지갑에 넣을 수 있는 키를 “Smart Cards”로 정의했다[5]. 먼저, 휴대폰을 Digital Key로 활용할 때 주요 기술을 보면, 휴대폰 내부에 UWB, eSE(embedded Secure Element), BLE(Bluetooth Low Energy)가 상호 연동되어 자동차 키 역할을 한다. 하지만, 차량에 설치되는 UWB는 휴대폰이 접근하는 방향과 거리 측정, 주변 잡음에 의한 UWB 기능 저하 등에 대처하기 위해 4개에서 8개까지 다수의 UWB 칩이 사용된다. 또한, 경우에 따라서 UWB를 Baseband(기저대역)와 RF(Radio Frequency, 고주파 대역)로 나누어서 RF 부분이 차량 외부에 구현될 수도 있다.

 애플은 iPhone에서 UWB 측위 기반의 주변장치와 통신을 우선적으로 추진하고 있다. 예를 들면, 애플 디바이스 간 정보 공유, 친구찾기, 게임 등이다. 또한, 애플은 근접위치의 정밀측위를 활용하여 차량용 Digital Key를 개발 중이다. 애플은 [그림 15]와 같이 근접위치에서 iPhone, iPad, iPod, MAC 등 애플 디바이스 간 간단한 동작으로 상호 데이터를 교환할 수 있는 ‘AirDrop’ 서비스를 위해 UWB를 활용하고 있다. 기존 AirDrop은 Wi-Fi나 블루투스를 사용하고 있다[8]. 애플은 iPhone과 연동되는 소형의 디바이스인 ‘AirTag’에 UWB 적용을 시도하고 있다. AirTag는 보통 다른 사물에 부착하여 분실방지, 사물찾기 등을 목적으로 하며, 기존에는 주로 BLE를 사용했다. 이러한 AirTag에 UWB을 적용하면, iPhone에서 AirTag가 있는 위치(거리, 방향 등)를 파악할 수 있어서 쉽게 AirTag를 찾을 수 있다.
 삼성도 근접거리에서 데이터를 공유하는 “Nearby Share”, 기존 BLE 기반의 Smart Tag에 UWB가 적용된 ‘SmartTag+’를 출시했다. 또한 삼성은 NXP의 UWB 칩을 기반으로 자동차용 Digital Key에 중점을 두고 있다. 삼성은 NXP사 기술로 Digital Key를 개발하고 있는데, NXP사는 UWB 칩뿐만 아니라 NFC, SE 등의 솔루션을 보유하고 있어서 쉽게 Digital Key로 확장할 수 있다[9].

 UWB는 아주 짧은 시간의 펄스를 사용하는 무선 통신기술이지만, 이러한 펄스의 특성을 활용하여 오차가 수 cm인 정밀측위 기능도 제공할 수 있다. 이러한 정밀측위는 다른 무선통신기술로는 구현이 어렵기 때문에 최근 UWB가 많은 관심을 받고 있다. Apple, 삼성 등 주요 휴대폰 회사는 UWB 칩을 탑재하여 정밀측위 위주로 기능을 확대하고 있어서 관련된 장치, 기능, 서비스가 많이 개발될 것으로 기대된다.
 Fira Consortium은 UWB 확대를 위해 주요 응용 분야로 측위를 활용하는 Hands Free Access Control와 Location Based Services, 고속 데이터 통신을 활용하는 Device to Device Services를 정의했다.
 다수의 시장조사 회사는 UWB 칩이 연간 20% 수준으로 지속적으로 성장할 것으로 예측하고 있다. 국내에서도 UWB 칩, 응용기능 개발 등을 더욱 강화해야 할 것이다.