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Nikkei Robotics_2017.07 Sexy Technology (p12~15)

최대 270km 떨어진 로봇 위치를 파악
경이로운 소니의 LPWA 무선통신

소니가 원격지에 있는 로봇위치를 파악하는 기술에서 경이적인 성과를 올렸다. 로봇이나 드론 등에 무선발신기를 탑재. 그 신호를 100km 정도 떨어진 지점에 있는 기지국(수신기)에서 수신하여 로봇위치를 파악할 수 있다. 기존 기술의 몇 배 이상의 장거리화를 실현한 점이 최대의 임팩트다. 특히 대전력을 사용하지 않고, 일반적인 920MHz대의 면허가 필요 없는 대역에서 실현하였다.

기지국을 1대 만 도쿄도심에 두면, 반경 100km 정도의 대규모의 셀 범위에 있는 로봇이나 드론의 위치를 보충할 수 있게 된다. 소니의 실측에 따르면 도치기현의 난타이산을 등반하는 사람의 가방에 넣어 둔 송신기 위치를, 약 150km 떨어진 가나가와현의 소니 사무실에서 직접, 안정적으로 수신하였다고 한다. 또한, 나라현의 히데가다케에 둔 발신기 위치를, 약 247km 떨어진 후지산에서도 직접 수신 가능하였다.

텔레비전 방송파와 가깝고, 일정한 직진성이 있는 920HMz대이기 때문에, 도중에 고층 빌딩 등의 장해물이 있으면 수신할 수 없다. 그러나 공중을 비행하는 드론의 위치를 파악하는 용도로는 극히 유용하다. 셀이 크면 그만큼 기지국의 설치 대수가 적어도 된다. 산간지역을 포함하여 일본 전역을 커버하기 위해서는 적은 인프라 투자면 되기 때문에 실용상의 의의가 크다.

-- LoRa의 몇 배 이상의 거리 --
이번에 소니가 개발한 것은,「LPWA(Low Power Wide Area)」라는 무선통신기술의 일종이다. LPWA는 버튼배터리 등으로 장기간 가동할 수 있을 정도의 저 소비전력이며, 휴대전화를 넘는 10km 이상의 대규모 셀을 가능하게 하는 무선통신의 총칭이다. 각종 센서데이터를 원격으로 수집하는 IoT용도를 상정하고 있기 때문에, 셀이 대규모 저 소비전력인 대신에 전송 속도는 수십~100K비트/초로 낮게 억제하고 있다. IoT에서의 센서데이터 수집의 경우는 그렇게 높은 전송 속도를 요구하지 않기 때문이다. 적은 기지국 대수로 넓은 범위를 커버하고자 하는 것이 LPWA다.

로봇이나 드론의 위치를 원격으로 알 수 있는 것은, 로봇 등에 GPS모듈을 탑재하여 거기서 얻은 위치정보를 LPWA통신 경유로 보내기 때문이다. 셀의 범위가 100km정도로 넓기 때문에, LTE의 전파가 들어가지 않는 교외나 산간부 등에서도 로봇 등의 위치를 쉽게 보충하게 된다. 무선통신으로서의 송신전력은 불과 20mW다. 소비전력도 70mW 정도로 낮다.

현재, LPWA에는 여러 개의 규격이 있다. 미국 Semtech사의「LoRa」, 프랑스 Sigfox사의「Sigfox」, 휴대전화 통신을 IoT용으로 협대역화한「NB-IoT」등이 대표적이다. 특히, LoRa는 이번의 소니 기술과 마찬가지로 면허 없이 이용할 수 있는 920MHz대를 이용하고 있기 때문에, 최근 반년 사이에 IoT용도에서는 급속하게 보급되고 있다. 이러한 LPWA의 경쟁 구도에 이번에 소니가 참가하게 된다.

소니의 LPWA의 최대 특징은 다른 LPWA 방식보다 셀 범위가 몇 배 이상으로 넓다는 점이다. 그만큼 전송 속도는 80비트/초로 굉장히 늦지만, 위치정보를 보내는 것뿐이라면 그렇게 시간이 걸리지 않을 것이다. 통신방향은 송신기에서 기지국으로의 편방향. 다른 LPWA에서는 LoRa나 NB-IoT는 쌍방향통신, Sigfox는 편방향 통신이다. 쌍방향이라면 로봇이나 드론의 위치를 보충할 뿐만 아니라, 로봇 측에 제어 지령을 보내는 용도로도 사용할 수 있다. 그러나 편방향의 경우는 오로지 위치 보충이나 센서 수치의 모니터용이 된다. 현재 소니는 쌍방향에 대해서는 검토 중이라고 한다.

또 하나의 특징은 이동체 통신에 강하다는 점이다. 드론은 취미용 기종도 시속 80km 이상의 속도를 내기 때문에, 그 위치파악 수단으로서 이번 소니의 LPWA는 적합하다. 소니의 실험에서는, 시속 250km로 이동 중인 신칸센에 송신기를 둔 경우에도, 소니의 아쓰기사업소의 기지국에서 정상적으로 수신할 수 있었다고 한다.

-- GPS를 통신에 활용 --
소니는 왜 기존의 LPWA의 몇 배 이상이 되는 100km의 통신 셀을 실현할 수 있었을까? 기술적인 연구는 크게 2가지다. (1)송신기로부터의 발신을 여러 번 실시하여, 그것을 기지국 측에서 합하여 감도를 개선하는 파형(波形)합성기술(시간 다이버시티 합성), (2)오류정정부호로서 정정 능력이 높은 LDPC(Low Density Parity Check)를 사용한 것이다.

특히 효과가 있는 것이 (1)의 파형합성기술이다. 소니의 LPWA통신의 경우는, 송신기에서는 같은 신호를 12회 보내도록 되어 있다. 무선통신에서는 장거리 전송에서 신호가 감쇠하거나, 복수의 경로를 통과하면서 발생하는 간섭 등으로 신호가 열화하거나 한다. 그러나 같은 데이터를 여러 번 보내, 기지국 측에서 중복시키는 방법으로 수신 측에서의 감도를 높일 수 있다.

그러나 시간 다이버시티의 경우는 완전히 동일한 신호를 여러 번 보내기 때문에, 전송속도는 그만큼 저하된다. 높은 전송속도를 요구하지 않고, 대규모 셀이나 적은 설치기지국 대수가 우선시되는 IoT에 적합한 기술이라고 할 수 있다. 시간 다이버시티 합성은 현재의 고속무선통신에서는 그렇게 다용되고 있지는 않다. 그러나 LPWA와 마찬가지로, 그렇게 높은 전송속도가 요구되지 않는 포켓 벨(휴대용 무선호출기) 시스템에서는, 1990년대에 NTT도코모가「FLEX-TD」방식으로 이용했었다.

소니에 따르면, 소니의 LPWA에서는 파형합성 때 GPS로부터 얻을 수 있는 정밀도가 높은 시각정보를 이용하고 있다고 한다. GPS는 위치정보를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 실은 정확한 시각정보의 원천으로서도 이용할 수 있다. 대체로 1 마이크로 세컨드 이하의 정밀도가 나온다. 통신분야에서도, GPS는 업링크와 다운링크에서 동일 주파수대를 사용하는 TDD방식 등에서는 시간분할 용으로 이용되고 있지만, LPWA 통신에서 채용하는 것은 흔치 않다.

-- 1대로 도쿄만(東京湾) 전역을 커버 --
소니는 이번 LPWA를 이미 다양한 장소에서 실증하고 있다. 관동지역 부근에서는 도쿄 스카이트리, 소니의 오사키사업소, 아쓰기사업소의 3곳에 기지국을 두고 실험하였다. 에어로센스의 실험에서는, 지바현 이치하라시에서 비행하는 드론으로부터 LPWA로 1분에 1회의 빈도로 위치정보를 송신. 이를 소니의 오사키사업소에서 수신하여, 실제 비행 경로와 합치하는 위치정보를 취득할 수 있었다. 해상(海上)에도 셀을 확대하기 쉽다. 오사키사업소에 설치한 1대의 기지국으로 도쿄만 전역을 커버할 수 있다고 한다.

  -- 끝 --