전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2020.10 (p20~39)

마침내 개화한 UWB 시대
무선의 혁명아, 새로운 비즈니스 창출의 힌트 제시

Part 1. 동향
아이폰 탑재로 각광받는 UWB, 고정밀도 측위로 급격하게 확대

제조 현장이나 프로 스포츠와 같은 ‘B to B’ 용도로 한정되었던 UWB(Ultra Wide Band, (초광대역 무선통신)가 스마트폰으로의 채택을 계기로 ‘B to C’ 용도로도 확산될 전망이다. UWB에 의한 고정밀도 측위가 자동차의 차세대 디지털 키 외에 원격지로부터의 비접촉 결제, 가전과의 연계 등, 다방면에서의 활용이 가능하다. 일찍이 무선의 ‘혁명아’로 불리던 UWB가 그 진가를 발휘하기 시작했다.

2010년경에 전자 업계의 무대에서 사라진 듯 했던 UWB가 10여년 만에 각광받고 있다. 그 계기는 미국 애플이 2019년 9월에 발매한 ‘아이폰 11’ 시리즈다. 이 시리즈에 UWB가 탑재되어 많은 전자 업계 관계자를 놀라게 했다. 일찍이 애플이 2011년에 발매한 ‘아이폰 4S’에 Bluetooth 4.0을 채택하자, Bluetooth Low Energy (BLE) 탑재의 주변기기와 IoT 기기의 시장이 단숨에 형성되었다.

UWB에서도 동일한 현상이 일어날 가능성이 높다. 제조 현장이나 스포츠 분석 툴, 라이브 퍼포먼스와 같은 ‘B to B’ 용도에서, 스마트폰으로의 채택으로 ‘B to C’ 용도로까지 UWB가 확산될 것으로 보인다.

-- 활기를 띄는 UWB 업계 --
실제, 아이폰의 UWB 채택 전후로부터 UWB 업계가 갑자기 활기를 띄고 있다. 예를 들어, 2019년 12월에 샤오미(Xiaomi), 2020년 2월에 오포(OPPO)와 같은 중국의 대기업 스마트폰 제조사가 UWB 보급의 촉진을 도모하는 업계 단체에 참가했다. 2020년 8월에는 한국 삼성전자가 UWB를 채택한 ‘Galaxy Note 20 Ultra’를 발매하는 등, iOS 단말기와 Android 단말기 양쪽에서 UWB의 채택이 시작되었다.

자동차 업계도 UWB 채택에 적극적이다. 예를 들어, 독일 폭스바겐(VW)은 안전성 향상을 목표로 2019년 11월 발매의 전기자동차(EV) ‘ID.3’와 같은 해 12월에 발매한 제 8세대 신형 ‘Golf’에 UWB 무선 기능을 탑재했다. 대기업 차재기기 제조사인 독일 콘티넨탈도 자사의 디지털 키 시스템에 UWB를 채택할 전망이다. 애플도 NFC에 이어, UWB에 의한 디지털 키를 2021년에 실용화할 예정이다.

UWB 업계의 단체 출범도 잇따르고 있다. 2018년 12월에 UWB의 보급 촉진과 구미(歐美)의 무선규제 당국에 대한 로비 활동 등을 시행하는 업계 단체인 'UWB Alliance(UWBA)'가 발족했다. 2019년 8월 'FiRa Consortium'을 설립. FiRa에서는 UWB의 유스케이스나 각 응용의 요구 사양, 보급 촉진을 위한 UWB 제품 간의 상호 접속성의 확립을 목표로 하고 있다.

이러한 모바일 업계나 자동차 업계 등의 움직임에 호응 해, 반도체 제조사도 신제품 개발에 주력하고 있다. 예를 들어, 네덜란드 NXP Semiconductors는 모바일 기기용으로 UWB와 NFC, 시큐어 엘리먼트(SE)의 3가지 기능을 갖춘 칩셋 'SR100T'를 2019년 9월에 발표했다. 또한 같은 해 11월에 차재 전용 제 2세대 제품의 UWB용 통신IC ‘NCJ29D5’를 제품화했다고 밝혔다.

-- 단시간 및 고정밀도 측거 가능 --
UWB로 말하자면, 2000년대 전반에 각광을 받았던 무선 기술이다. 당시에는 오로지 고속 통신을 실현하기 위한 기술로 주목 받았다. 그러나 UWB는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)에 의한 무선 LAN의 고속화나 UWB로만 가능한 킬러 애플리케이션의 부재 등으로 보급에는 이르지 못한 채 업무용에 그치고 말았다. 제조 현장의 사람이나 공구, 조립 제품 등의 위치를 추적하는 용도 등으로는 계속해서 사용되었지만, 민생 용도로는 찾아볼 수 없게 되었다.

그런 지금, 모바일 업계나 자동차 업계와 같은 B to C 업계가 UWB에 관심을 보이기 시작했고 그 이유는 고정밀도의 측거·측위 때문이다. UWB에는 몇 가지 방식이 있으며 측위에는 임펄스 방식(IR: Impulse Radio)이 사용된다. 이 방식에서는 단펄스를 출력해 그 펄스의 전송 시간으로부터 거리를 추정한다.

펄스 폭은 나노초 오더로 짧아, 이용 상황에 따라 다르지만, 측거·측위 정밀도를 10cm 전후까지 높일 수 있는 잠재력을 갖고 있다. Bluetooth에서도 측위나 측거가 가능하지만, ‘UWB가 훨씬 고정밀도’(복수의 차재기기 제조사)라고 한다. 측정 시간이 짧은 것도 UWB의 특징이다. 측위를 할 경우, “Bluetooth는 2초 정도 걸리지만, UWB라면 3 밀리초만에 끝난다”(NXPCTO의 Lars Reger 씨)는 이점도 있다.

-- 6가지의 어플리케이션 --
그렇다면, 대체 모바일 업계나 자동차 업계는 UWB를 B to C의 어떤 용도에 사용하려고 하는 것일까? 이는 대표적으로는 크게 6가지가 있다. (1) 직관적인 단말기 간의 데이터 송수신, (2) 디지털 키, (3) 스마트홈, (4) 결제, (5) 리테일, (6) XR(AR과 MR, VR)이 그것이다.

우선, (1)로 애플과 삼성은 각각 근거리에 있는 다른 단말기와 무선통신을 이용해 사진이나 서류 등의 콘텐츠를 송수신·공유하는 용도에 UWB를 적용했다.

(2)는 UWB를 탑재한 스마트폰이나 Key-less 엔트리 단말기를 디지털 키로서 사용하는 것. 특히 자동차 업계에서의 기대가 크다. 고정밀도 측위로 자동차 업계가 골머리를 앓고 있는 릴레이 어택 방지가 가능해 지기 때문이다.

릴레이 어택 방지뿐만 아니라, UWB에 의한 디지털 키의 경우, 자동차에 접근하는 것만으로 운전석이나 트렁크, 차고의 문을 자동으로 여닫을 수 있다. 또한 디지털 키를 가진 사람이 문에 접근한 상태에서 그 사람이 차 안에 있는지, 차 밖에 있는지를 판별할 수 있다. 소유자가 접근하기만 해도 운전석의 문이 자동으로 열리고 착석하면 자동차의 시동이 걸리며, 운전자의 기호에 맞춘 내비게이션 기능의 설정이나 차내 조명의 조정 같은 ‘개인화’ 처리도 자동으로 가능하다.

이러한 기능은 Bluetooth나 NFC에 의한 디지털 키로도 실현이 가능하지만, UWB의 경우는 더욱 고정밀도로, 또한 포켓이나 가방에 스마트폰을 넣은 채로 실현할 수 있어 보다 간편해진다. 이러한 이용 케이스를 자동차 업계에서는 ‘심리스 액세스’라고 부른다. 이 밖에 주차 공간으로의 자동 유도, 전동 차량의 충전기로의 자동 포지셔닝 이용도 상정한다.

(3)의 스마트홈은 디지털 키를 자택이나 오피스 등에 전개한 형태다. 주변에 UWB 통신 장치가 탑재된 경우, 차고와 자택, 오피스의 열쇠 개폐를 이용자가 이동하는 것만으로 실현할 수 있다. 또한 입실 후에 사용자가 현관이나 거실, 침실과 방을 이동할 때마다 조명과 에어컨 등을 자동으로 키고 끄는 스마트홈의 자동 제어도 가능하다.

(4)의 결제는, NFC에 의한 근접 결제 대신에, UWB를 사용해 조금 떨어진 장소로부터 결제하는 애플리케이션이다. 이 용도 또한 자동차에서 선행할 것으로 보인다. 코로나19 사태를 계기로 미국에서는 타인과의 접촉 기회를 최대한 줄일 수 있는 외식의 드라이브 스루의 이용 기회가 늘어났다.

지불은 감염 방지를 위해 현금이 아닌, 신용카드나 NFC 결제가 기본이 되었다. 하지만, 카드의 교환이나, 결제 단말기에 스마트폰을 갖다 댈 경우, 종업원과의 거리가 가까워질 수 있어 손님과 종업원 모두 감염의 우려가 있다. UWB의 경우, 운전석에 있으면서 결제가 가능하므로 완전한 ‘비접촉 결제’가 가능하게 된다.

(5)의 리테일(소매)은 점포나 쇼핑몰과 같은 실내에서의 고객 움직임을 세세하게 파악하는 사용법이다. 가게나 쇼핑몰에서의 손님 체류 시간이나 체류 장소, 이동 경로 등을 데이터로서 축적할 수 있다. 가게 옆을 손님이 지나가는 경우에는 쿠폰을 전송할 수 있다. Bluetooth에 의한 비콘에서도 같은 서비스를 실시할 수 있지만, UWB가 비콘보다 고정밀도로, 세밀한 데이터를 취득할 수 있다. 이용 환경의 상황에 따라 다르지만, 다수의 사람이나 물건이 존재하는 실제 환경에서도 책상 1개분 정도의 분해능으로 옥내 측위를 실시할 수 있을 전망이다.

(6)의 AR나 MR, VR과 같은 XR도 UWB에 의한 고정밀도의 옥내 측위로 편리성이 높아진다. XR 중에서도 현실 공간에 가상 오브젝트를 중첩해 가상 오브젝트를 복수의 유저 단말기로 공유하는 AR나 MR에 적합하다. UWB에 의한 고정밀도의 측거·측위를 통해 보다 자연스럽게 가상 오브젝트를 중첩해 표시할 수 있기 때문이다.

-- 기술 및 규제, 표준화 정비로 탄력을 받아 --

● UWB를 스마트폰에 어떻게 구현하는가를 최신 기기의 분해로 확인

Part 2. 전문가의 눈
UWB에 마침내 기회가 찾아와, 새로운 비즈니스 창출의 힌트 제시

왜 이 타이밍에 자동차나 전기 업계 등이 UWB(Ultra-Wide Band) 기술을 이용 및 활용하기 위해 움직이기 시작했을까? UWB 관련 기술의 연구·개발이나 표준화, 그것들을 활용한 비즈니스 구축을 오랫동안 실천해 온 요코하마(横浜)국립대학의 코노(河野) 씨가 기술의 본질 및 이용 케이스, 규제 완화의 상황을 통해 그 실마리를 풀어 향후 비즈니스 찬스를 설명한다.

초광대역(Ultra-Wide Band, 이하, UWB) 무선 기술은 지금까지 몇 번이나 학술, 산업에서 붐을 일으키며 주목을 받았지만, 특히 일본에서는 본격적인 활용이 진행되지 않았다. 그러나 2019년 5월 20일 총무성의 공시·시행으로 일본에서도 옥외 이용이 일부 해금되었다.

이미 자동차의 키리스 엔트리와 아이폰 11 등에 UWB 무선의 측거·측위 기능이 응용되면서 다른 무선에서는 실현이 불가능했던 서비스가 비즈니스로서 확산되기 시작했다. 동시에 양산화에 적합한 디바이스 개발이 추진되고 있으며, 또한 2021년 1월에 재차 전파법 기술기준의 갱신이 상정됨에 따라 향후 더욱 UWB를 활용한 신규 비즈니스에 박차를 가할 것으로 보인다.

-- UWB의 유일무이한 특징 --
UWB의 정의는 그 이름처럼 초광대역인 것이다. 미국방위고등연구계획국(DARPA)의 정의에 따르면, 비대역폭(=대역폭 B/중심 주파수)이 25% 이상, 미국 연방통신위원회(FCC)의 정의에서는 20% 이상, 혹은 대역폭이 500MHz 이상인 무선 시스템을 말한다. 실제, 제 3세대 이동통신시스템(3G)이나 IEEE802.11 b에서 사용되는 스펙트럼 확산(Spread Spectrum, 통칭 SS) 기술에 비해 훨씬 광대역이다.

이 초광대역을 활용해 다른 무선통신 방식에는 없는 3가지 특징을 갖추고 있다. (1) 초고속·대용량, (2) 초고정밀도 측위·측거와 통신의 동시 실현, (3) 주파수 공용에 의한 타 무선 시스템과의 공존이 그것이다. 이것들을 이해하는 것이 UWB의 현재 상황을 활용한, 아직 시작되지 않은 새로운 비즈니스의 모색으로 이어질 수 있다.

(1) 초고속·대용량
샤논 정보 이론으로 알려진 통신로 용량 C(비트/초), 다시 말해 실수 없이 전송할 수 있는 전송 속도의 상한은 신호의 대역폭 B(Hz)에 비례한다. 상가성(相加性) 백색 잡음 속에서는 C=Blog(1+S/N)이다. S와 N은 신호와 잡음의 평균 전력이다. 따라서, B가 초광대역인 UWB는 수 10M~수 G비트/초의 고속 전송이 가능하다. 이것이 2002년 2월 14일에 FCC가 UWB의 군사용에서 상업용으로의 이용을 해금한 이후, UWB가 몇몇 근거리 상용 무선에 도입된 첫 번째 붐의 이유였다.

그러나 상업적으로 사용할 수 있는 주파수대에서 이 정도로 초광대역을 점유할 수 있는 대역은 없으며, 기존 면허 시스템과 주파수 공용이 불가피하게 요구된다. 일본에서는 전파법에 의해 기존의 면허 시스템(전파 천문, 이동통신, 위성 이용 등)을 보호하는 관점에서 UWB의 방사 전력, 옥외 이용 등이 다른 나라에 비해 엄격하게 제한되어 상용화가 늦어졌다.

(2) 초고정밀도 측위·측거와 통신의 동시 실현
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 직교 주파수 분할 다중)을 베이스로 하는 Wi-Fi의 전송 속도가 100 M비트/초에 이를 정도로 고속이 되었다. 즉, 초대용량이라는 면에서는, UWB의 매력이 줄어들었다. 이 상황에서 지금 UWB가 주목을 받아 키리스 엔트리 및 충돌 방지 레이더에 응용되는 이유는 임펄스 무선(Impulse Radio)형 UWB(IR-UWB)가 cm오더의 거리 분해능을 고정밀도 측거·측위로 통신과 동시에 할 수 있기 때문이다.

통신은 연속되는 펄스 열(列)에 의해 측거·측위와 동시에 실시할 수 있다. 간단한 예로는, 펄스의 유무나 플러스 마이너스(위상 0과 n)로 0, 1의 1비트를 데이터 전송할 수 있다. N 펄스마다 정리해 N비트 전송이 가능하다. 게다가 복수의 유저(단말기)를 구별하는 ID코드로서 M비트의 코드(부호)에 따른 M펄스로 데이터 1비트를 송신할 경우, 서로 직교하는 다른 코드를 사용하는 복수의 유저가 동일한 시간에 동일한 주파수대로 통신과 측거를 할 수 있다. 즉, 3G와 마찬가지로 부호분할다중접속(CDMA)을 실현할 수 있다.

(3) 주파수 공용에 의한 다른 무선 시스템과의 공존

UWB는 주파수 스펙트럼이 초광대역으로 확대되기 때문에 송신 전력이 같을 경우, 협대역 전파 시스템에 비해 단위 주파수당 전력 밀도(전력 스펙트럼 밀도)가 극도로 낮다. 원리적으로는 PC나 의료기기 등에서 방사되는 잡음 전력 밀도보다 낮아도 통신은 가능하다. 즉, 협대역 전파와 주파수대를 일부 공용해도 잡음이 증가되는 정도로 간섭을 억제할 수 있어, 이동통신 시스템 등의 면허 시스템(전파법 상에서 성능 보증이 우선되는 1차 이용 시스템)과의 주파수 공용이 가능하다.

한편, UWB 시스템이 협대역 시스템에서 받는 간섭이 초광대역의 일부만이라면, 성능 열화가 허용 가능한 범위로 억제되어 그 결과, UWB가 주고 받는 간섭도 억제될 수 있다. 이것이야말로, 상업적 이용으로 이미 주파수 할당에 여유가 없는 마이크로파대의 2G~10GHz대 등에서 면허 시스템과 주파수를 공용해 주파수 자원을 효율적으로 이용할 수 있는 UWB의 장점인 것이다.

-- 공존과 측거의 과제 해결 기술 --
-- 확대되는 응용처, 의료로도 확대 --
-- 기대되는 완전 무결점의 UWB 칩 --

-- 일본이 UWB 비즈니스의 중심으로 --
일본은 UWB에 관한 전파법의 기술 조건이 세계에서 가장 까다롭다. 미국은 UWB 시장을 재빨리 민생 이용에 개방해 문제가 있으면 그때마다 개정한다는 입장이다. 이에 반해 일본은 1차 이용의 면허 시스템 보호를 최우선으로 하고 보급 예측을 포함해 옥외 이용 등에 신중을 기해 UWB 이용에 많은 제약을 가해 왔다.

다만 이는 외국 제품에 대한 진입 장벽이라는 측면도 있다. 뒤집어 말하자면, 제일 엄격한 규제를 가진 일본에서 승인된 시스템은 세계의 모든 장소에서 사용할 수 있다. 양산 판의 UWB 칩과 자동차, 스마트폰, 더 나아가 의료 업계로의 시장 확대와 2019년의 전파법에서의 옥외 이용의 해금이 겹치게 되어 현재는 일본이 세계의 UWB 비즈니스를 좌우하는 중심에 서있다.

-- 표준화의 차기 포인트는 안전∙안심 --

-- 주도권 경쟁에 적극적으로 참여해야 --
이상, 필자의 인식과 예상에 근거해 UWB의 기술과 비즈니스 동향을 설명했다. UWB의 옥외 이용 전파법 승인, 양산판(版) UWB 칩의 개발이 진행되는 지금, 자동차, 스마트폰, IoT 태그, 의료 BAN 등 복수 업계에 걸친 부처의 연구개발 프로젝트나 CCC등의 거대 산업 컨소시엄은 표준화를 통해 실질적으로 UWB 비즈니스를 지배하는 주도권을 잡고 있다.

여기에 참여하면서 국산 기술 및 산·학·관 연계를 통한 일본 드림팀을 구축해 주도권 싸움에 적극적으로 참여해야 할 때이다. 중국, 한국에 관한 동향은 언급하지 못했지만, UWB에 대한 투자, 표준화에서의 다수파 공작, 거대 국내 시장, 비즈니스 우선의 법제화 등 모든 면에서 일본은 뒤처져 있다. UWB를 활용한 새로운 비즈니스 창출과 비즈니스 포섭에 대해 신중하게 임할 필요가 있다.

 -- 끝 --

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