2020년 애플의 가을 컨퍼런스가 9월 11일 잡스 씨어터에서 열렸습니다.

이번 컨퍼런스에서 한 가지 디테일한 점은 아이폰에 모두 초광대역(UWB) 기술을 지원하는 U1 칩이 탑재됐다는 점이다.

공식 발표에 따르면 이 새로운 기술은 Apple 휴대폰의 공간 인식 기능을 크게 향상시킬 것입니다.

그렇다면 공간 인식이란 무엇을 의미할까요? U1 칩은 정확히 무엇을 할 수 있습니까? UWB 기술이란? 이 모든 것이 새로운 스마트 장치 응용 프로그램 혁신으로 이어질 것입니까?

이 질문들에 대한 답은 다음에 공개될 것입니다.

공간인식은 방향을 지각하는 능력으로 위치지정능력이다.

Apple의 소개에 따르면 U1 칩을 탑재한 iPhone은 휴대폰의 위치 확인 기능을 더욱 향상시킵니다. 자신의 휴대폰 위치뿐만 아니라 근처에 있는 다른 휴대폰의 위치도 감지할 수 있습니다.

U1 칩이 제공하는 공간 인식 기능을 기반으로 AirDrop(AirDrop은 Apple 기기에서 제공하는 무선 파일 공유 기능)을 사용할 때 내 iPhone을 다른 사람의 iPhone으로 지정하기만 하면 시스템에서 우선 순위를 지정합니다. 가까울수록 우선 순위가 높음) 파일을 더 빠르게 공유할 수 있습니다.

iPhone11은 "나에게 더 가까이 다가갈수록 먼저 응답을 받는다"는 응용 프로그램 효과를 얻을 수 있습니다.

포지셔닝은 우리 모두에게 친숙한 주제입니다. Google 지도 또는 Baidu 지도와 같이 위치 및 내비게이션 서비스가 있는 앱을 자주 사용합니다.

위치 서비스는 방향을 알려주고 안정감과 제어력을 높여 업무와 생활에 큰 편리함을 가져다줍니다.

그렇다면 UWB 기술과 현재 우리가 사용하는 포지셔닝 기술의 차이점은 무엇인가?

일반적으로 사용되는 포지셔닝 기술에는 현재 주로 위성 포지셔닝 및 기지국 포지셔닝이 포함됩니다.

위성 측위는 인공 지구 위성을 사용하여 지점 위치 측정을 수행하는 기술입니다. 그리고 현재 사용자에게 가장 널리 사용되고 대중적인 포지셔닝 기술입니다. 높은 정밀도, 빠른 속도 및 낮은 사용 비용의 특성이 매우 두드러집니다.

잘 알려진 위성 위치 확인 시스템으로는 미국의 GPS(Global Positioning System), 중국의 Beidou(BDS), 유럽의 Galileo, 러시아의 GLONASS 등이 있습니다.

기지국 포지셔닝의 원리는 레이더와 유사합니다. 레이더 포지셔닝은 레이더파를 방출하고 표적의 반사를 기반으로 공간적 위치 측정을 수행하는 것입니다.

베이스 스테이션은 "레이더"처럼 작동합니다.

일반적으로 휴대전화는 한 도시에 있는 여러 기지국의 신호 범위에 속합니다. 휴대 전화는 각 기지국의 신호 TOA(도착 시간) 또는 TDOA(도착 시간 차이)를 얻기 위해 서로 다른 기지국의 다운링크 파일럿 신호를 "측정"합니다.

측정 결과에 따라 휴대폰의 좌표를 기지국의 좌표와 결합하여 계산할 수 있으며,

여기 그것을 보여주는 그림이 있습니다.

위에서 언급한 모든 포지셔닝 방법에는 분명한 단점이 있습니다. 그들은 건물을 관통할 수 없으며 실내 위치를 파악할 수 없습니다.

위성 포지셔닝은 수신기가 충분한 위성 신호를 수신해야 합니다. 방에 들어가거나 장애물이 있을 때 위성 신호가 매우 약해서 효과적으로 위치를 파악할 수 없습니다.

우리가 실외에 있을 때 휴대폰이 수신한 GPS 위치 신호는 15 이상에 도달할 수 있습니다. 우리가 실내에 있을 때 실내에서 휴대폰이 수신한 GPS 위치 신호는 3 미만일 수 있습니다.

위성의 수가 줄어들면 측위 오차가 10m에서 66m로 늘어나는 것을 알 수 있다.

한편으로 위성 및 기지국 측위 기술은 실내 측위 요구를 충족시킬 수 없습니다. 한편 지하 차고 내비게이션, 상점과 물건을 찾기 위한 쇼핑몰, 심지어 미아 찾기까지 실내 측위 수요가 늘고 있다.

증가하는 수요 덕분에 사람들은 포지셔닝 기능을 제공하기 위해 다른 유형의 앵커 노드를 사용하려고 시도하는 일련의 기술을 개발했습니다. 여기에는 Wi-Fi, Bluetooth , UWB 및 기타 기술이 포함됩니다.

UWB란?

Wi-Fi와 Bluetooth는 우리에게 큰 뉴스가 아닙니다. 그렇다면 UWB는 무엇일까요?

UWB는 1960년대 등장한 펄스 통신 기술에서 유래한 초광대역 기술이다.

일반적인 통신 시스템은 고주파 반송파를 사용하여 협대역 신호를 변조하며 통신 신호가 차지하는 실제 대역폭은 높지 않습니다.

UWB는 기존의 통신 기술과 달리 나노초 또는 마이크로초 크기의 극히 좁은 펄스를 송수신하여 무선 전송을 실현합니다. 매우 짧은 펄스 시간 폭으로 인해 스펙트럼에서 초광대역을 달성할 수 있으며 500MHz 이상입니다.

FCC(Federal Communications Commission)는 UWB를 위해 3.1GHz에서 10.6GHz까지 총 7.5GHz를 할당했습니다. 또한 FCC Part15.209보다 방사 전력에 더 엄격한 제한을 부과했습니다. UWB는 -41.3dBm 주파수 대역으로 제한됩니다.

요컨대, UWB는 매우 넓은 대역폭과 낮은 전송 전력을 통해 낮은 전력 소비로 빠른 데이터 전송을 달성합니다.

UWB 펄스의 매우 짧은 시간 폭으로 인해 거리 측정에도 고정밀 타이밍을 사용할 수 있습니다.

Wi-Fi 및 Bluetooth 포지셔닝 기술과 비교할 때 UWB는 고유한 장점이 있습니다.

• 강력한 다중 경로 방지 기능, 높은 포지셔닝 정확도. 대역폭은 다중 경로 환경에서 신호의 거리 해상도 기능을 결정합니다(정비). UWB는 넓은 대역폭과 강력한 다중 경로 분해 능력을 갖추고 있어 다중 경로 간섭 신호의 영향을 대부분 식별 및 제거하고 고정밀 위치 결정 결과를 얻을 수 있습니다. UWB는 거리 해상도에서 다른 기존 시스템보다 높을 수 있으며 정확도는 복잡한 환경에서 Wi-Fi 및 Bluetooth와 같은 기존 시스템보다 100배 이상 도달할 수 있습니다.
• 높은 타임 스탬프 정확도. UWB 펄스의 대역폭은 나노초입니다. 타이밍으로 위치를 계산할 때 발생하는 오차는 일반적으로 몇 센티미터 미만입니다.
• 강력한 전자기 호환성. UWB는 전송 전력이 낮고 신호 대역폭이 넓어 다른 유형의 신호와 환경 소음에 잘 감춰질 수 있습니다. 전통적인 수신기는 식별하고 수신할 수 없습니다. 송신기와 동일한 확산 코드 펄스 시퀀스를 사용하여 복조해야 하므로 다른 통신 서비스에 간섭을 일으키지 않고 동시에 다른 통신 장치의 간섭도 피할 수 있습니다.
• 에너지 효율이 높습니다. UWB는 500MHz 이상의 RF 대역폭을 가지고 있어 큰 확산 스펙트럼 이득을 제공할 수 있어 UWB 통신 시스템을 높은 에너지 효율로 만듭니다. 배터리 구동 장비의 경우 시스템 작동 시간을 크게 연장할 수 있으며 동일한 전송 전력 제한 하에서 커버리지 영역이 기존 기술보다 훨씬 큽니다. UWB 송신기는 일반적으로 단거리 애플리케이션의 경우 1mW 미만을 전송합니다. 장거리 애플리케이션에서는 추가 전력 증폭기 없이 200미터 거리에 도달할 수 있으며 6.8Mbps의 공기 속도를 달성할 수 있습니다.

위의 기술적 이점을 기반으로 UWB는 고정밀 실내 측위 시스템을 형성할 수 있습니다.

UWB와 다른 포지셔닝 기술의 비교

현재 일반적으로 사용되는 세 가지 UWB 거리 측정 방법이 있습니다.

(1) ToF(비행 시간). 범위 측정은 기지국과 태그 사이의 UWB 신호의 비행 시간을 측정하여 이루어집니다.

(2) TDoA(도착 시차). UWB 신호는 태그에서 각 기지국까지의 시간 차이를 찾는 데 사용됩니다.

(3) PDoA(도달 위상차). 기지국과 태그 사이의 방위각 관계는 도달 각도 단계로 측정됩니다.

UWB 산업 발전

UWB는 2002년 이전에 군사 목적으로 널리 사용되었습니다. 2002년 FCC는 UWB 기술에 대한 금지를 해제하고 민간 분야에 진출하도록 허용했습니다.

그 이후로 UWB 기술은 급속한 발전기에 접어들었고 다양한 기술 솔루션도 UWB 국제 표준 제정을 둘러싼 치열한 경쟁을 시작했습니다.

2007년 IEEE는 802.15.4a 표준에서 UWB 기술을 표준화했습니다. 거의 10년의 개발 끝에 UWB 표준은 지속적으로 개선되고 있습니다.

Decawave는 UWB 산업 체인에서 언급되어야 합니다.

Decawave는 현재 IEEE 802.15.4를 지원하는 것으로 알려진 유일한 UWB 포지셔닝 칩 제조업체입니다. 그들은 몇 달러의 소매 가격으로 저렴한 칩을 제공합니다. 칩은 IEEE 802.15.4-2011 UWB 표준 프로토콜(이상적인 조건에서 최대 측정 가능 범위는 300m)을 준수하는 DW1000입니다.

Apple의 제품 출시 후 Decawave 칩 DW1000 기반 포지셔닝 제조업체인 INTRANAV는 자사 키트가 iPhone11과의 상호 운용성을 지원한다고 주장하는 두 개의 트윗을 게시했으며 Decawave도 트윗을 다시 게시했습니다. 이는 Apple U1이 IEEE 802.15.4를 지원할 가능성이 크다는 것을 보여줍니다.

UWB 기술에 종사하는 다른 제조업체로는 Ubisense 및 BeSpoon이 있습니다. 이러한 제조업체는 일반적으로 모듈 키트 형태로 출시되는 자체 UWB 솔루션을 사용하지만 어느 것도 IEEE 802.15.4를 지원하지 않습니다.

더 나은 공간 인식을 실현하려면 애플리케이션 생태학의 지원이 필요합니다. 전체 애플리케이션 에코시스템을 구축하려면 서로 다른 제조업체의 장치가 상호 운용성과 호환성을 달성해야 합니다. 모든 제조업체의 장치가 향후 IEEE 802.15.4 표준을 지원할 가능성이 높습니다.

UWB 포지셔닝 효과

현재 세계적으로 3개의 높은 수준의 실내 포지셔닝 대회가 있으며,

1) Microsoft 실내 현지화 대회(MILC)

2) NIST(National Institute of Standards and Technology)에서 주관하는 PERFLoc(실내 스마트폰 성능 평가)

3) 국제 실내 측위 및 실내 항법 회의(IPIN)

마이크로소프트의 MILC 대회는 고정밀 실내 측위 기술을 심사하는 최고의 무대로 인정받고 있다.

다음은 수년간 MILC 대회에서 인프라 그룹을 기반으로 한 상위 3개 결과 목록입니다.

2015년부터 UWB의 장점이 점차 나타나며 고정밀 측위 기술에서 가장 유망한 기술이 되었음을 알 수 있다. 동시에 Decawave의 DW1000은 특정 포지셔닝 솔루션의 주류 선택이기도 합니다. 우승한 8개의 UWB 팀 중 7개가 DW1000을 사용했습니다.

2018년 대회에서는 초고성능 레이저 SLAM을 사용해 맵을 구성하고(왼쪽 그림), 이 실제 위치 궤적의 실시간 출력(오른쪽)을 기반으로 게임 평가 기준으로 활용했다.

게임의 장소는 포르투갈 포르투의 증권거래소 궁전이며 환경은 매우 복잡합니다.

2018 대회는 동적 정확도를 처음으로 평가했습니다. 대회 장소는 매우 복잡했고 결과는 매우 지향적이었습니다. 이 행사에서 미국 카네기 멜론 대학교의 Anthony Rowe 팀을 언급할 가치가 있습니다. 이 팀은 실내 포지셔닝 분야의 선두 주자입니다. 그들은 3 번이나 상위 3 위 안에 들었습니다. 2018년에는 1위, 공동 2위를 기록했습니다.

CMU 앤서니 로우 팀

더 중요한 것은 2018년 팀이 1위를 차지한 기술 루트는 UWB + 증강현실(AR)로, 아이폰 11 Pro는 AR과 UWB를 모두 지원하는 최초의 휴대폰이 됐다. 이것은 팀이 강력한 기술적 통찰력을 가지고 있음을 증명합니다.

또한 중국의 Nanjing ATE Electronic Technology Co., Ltd.도 주목할 가치가 있습니다.

그들은 떠오르는 팀입니다. UWB 시장 진출 1년 만에 2018년 대회에 참가해 공동 2위를 달성했다. 이는 이번 대회 국내 팀 중 역대 최고 순위다.

위 사진은 대회 중 ATE 팀이 출력한 실시간 궤적이다. 일부 지역을 제외하고는 대부분의 지역이 높은 정확도로 위치 좌표를 출력하고 있음을 알 수 있다. 파란색은 레이저 SLAM의 실시간 궤적, 녹색 점은 ATE 팀이 출력한 궤적, 빨간색은 벡터 오류입니다.

위의 그림은 참가팀의 평균 포지셔닝 오차를 비교한 것이다. ATE 팀의 평균 포지셔닝 오차는 0.4미터입니다.

그러나 UWB 기술을 사용하는 Racelogic 및 Russian Research Institute와 같은 몇몇 전통적인 강력한 팀은 1미터에 근접하거나 그보다 더 나쁜 결과를 달성했습니다. 이것은 2018년 레이스의 난이도를 충분히 보여줍니다.

요약

대체로 iPhone의 UWB에 대한 포괄적인 지원은 대규모 상업 홍보를 위한 매우 귀중한 기회입니다. 또한 UWB 업스트림 및 다운스트림 산업 체인의 개발과 성숙을 가속화할 것입니다.

5G의 등장으로 우리는 만물 인터넷 시대를 향해 가속화되고 있으며 점점 더 많은 IoT 장치와 응용 프로그램이 등장할 것입니다. UWB 기술은 고유한 특성에 따라 이러한 IoT 애플리케이션과 긴밀하게 통합되어 사용자에게 더 나은 서비스 경험을 제공할 수 있습니다.

UWB 기술은 스마트 홈, AR, 모바일 결제, 간호 추적, 지질 탐사, 실내 내비게이션 등 매우 광범위한 개발 전망을 가지고 있습니다.

관련 기관의 예측에 따르면 UWB 기술은 향후 실내 측위 시장의 30~40%를 점유할 것이며, 2022년에는 시장 규모가 164억 달러에 달할 것으로 예상된다.

UWB의 밝은 미래를 기대해 봅시다.