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안녕하십니까.
오늘은 이전에 소개해 드렸던 UWB - Part1. Introduction에 이어 UWB 위치 기반 기술에 대해서 소개해 드리도록 하겠습니다.
우선 UWB의 위치 기반 기술이 왜 주목을 받게 되었을까요?
UWB는 위치 기반 기술의 가장 중요한 부분인 측정 오차의 정밀성이 다른 기술들에 비해서 월등하게 뛰어나기 때문입니다.
일반적으로 기존의 다른 기술에서 위치를 측정할 때 측정 오차가 m 단위로 측정이 되나 UWB의 측정 오차는 10cm 미만으로 측정이 되고 있습니다. 최근에는 다른 기술에서도 위치 측정 기술을 업데이트하여 기존에 비해 측정 오차가 많이 줄어들었지만 여전히 UWB 만큼의 측정 오차를 확보하지 못하고 있습니다.
UWB 기술은 거리 측정을 위한 ToF 방식과 위치 측정을 위한 AoA 방식을 사용하고 있으며, 이 두 개의 방식을 같이 사용함으로써 정확한 위치를 측정할 수 있습니다.
1. ToF(Time of Flight)
ToF는 기본적으로 안테나와 안테나 사이의 공간에서 신호가 이동하는 시간입니다.
즉, UWB Tag와 UWB Anchor 사이의 공간에서 서로 간의 신호가 이동하는 시간입니다.
UWB가 기기간에 주고 받는 메시지에는 시간 정보가 포함되어 있으며, 이 시간 정보를 이용하여 ToF 값을 구할 수 있습니다.
이 ToF 값에 빛의 속도(=3x10^8 m/s)를 곱하면 쉽게 두 기기간의 거리를 측정할 수 있습니다. ("거리 = 시간 x 속도")
양방향 거리 측정(TWR)은 두 개의 UWB 장치 사이의 거리를 측정하는 일반적인 방법입니다.
아래 섹션에서 SS TWR과 DS TWR에 대해서 설명 드리겠습니다.
1.1 Single-sided Two-Way Ranging (SS-TWR)
위의 그림 1을 보시면 장비A(Tag)는 ToF를 측정하여 장비B(Anchor)까지의 거리를 확인하려고 합니다.
Ranging Frame(PHR에 Frame 플래그가 설정되어 있음)으로 Poll Message를 장비B로 보내고 장비B가 다시 반환한 메시지를 통하여 전체 시간 Taround 값과 장비B 내부에서 메시지를 받고 리턴된 시간을 알고 있으면 두 개 값을 통하여 Tprop 값, 즉 ToF 값을 구할 수 있습니다. 구해진 ToF 값에 빛의 속도를 곱하면 간단하게 장비 간의 거리를 알 수 있습니다.
1.2 Double-sided Two-Way Ranging (DS-TWR)
DS-TWR은 두 기기가 각자 서로 메시지를 교환하여 두 기기간의 거리를 측정하는 기술입니다.
SS-TWR과는 다르게 두 번의 메시지를 교환함으로써 두 기기간의 레퍼런스 차이로 인한 측정 오차를 보정할 수 있습니다.
2. AoA (Angle of Arrival)
위에서 소개한 ToF는 단순히 상대방 기기와의 거리 값만을 측정한 것으로 상대방 기기의 방향에 대한 정보는 알 수가 없습니다.
먼저 ToF를 이용하여 기기간의 반경 거리를 구하고, AoA를 이용하여 방향 정보까지 구할 때 정밀한 측위가 가능합니다.
UWB 기기는 기본적으로 두 개 이상의 안테나를 제공하며, 두 개의 안테나가 상대방 기기와 메시지를 교환함으로써 두 안테나 간의 위상 차이를 알 수가 있고 이 값을 이용하여 방향에 대한 정보를 확인할 수 있습니다.
3. R&S UWB Test Solution
R&S UWB Test Solution은 기본적인 Tx, Rx에 대한 Calibration/Verification을 모두 지원하며, 추가적으로 ToF와 AoA에 대한 Calibration/Verification도 지원하고 있습니다. 이런 테스트 항목들은 테스트 환경에 따라 Conducted 방식과 OTA 방식으로 구분할 수 있습니다. 아래에서 각각의 방식에 대한 Test Solution을 소개해 드리겠습니다.
3.1 UWB OTA Setup - System variant 1
첫 번째로 WMT(Automation Tool) + CMP200 + Z300A(or Z310A) + CMQ(shield box) + Vivaidi Ant 1개를 사용하는 구성입니다.
위의 그림에서 보여지는 System variant 1의 구성으로 지원되며, 일반적인 Tx, Rx의 Calibration/Verification뿐만 아니라 ToF에 대한 측정도 지원하고 있습니다.
3.2 UWB OTA Setup - System variant 2
두 번째로 WMT(Automation Tool) + CMP200 + Z300A(or Z310A) + CMQ(shield box) + Vivaidi Ant 3개를 사용하는 구성입니다.
첫 번째 구성과 안테나의 개수만 다르고 나머지는 모두 동일한 구성입니다.
Ant 개수를 변경한 이유는 AoA를 측정하기 위해서이며, Ant 3개를 사용함으로써 첫 번째 구성에서 지원하지 않던 AoA 항목에 대한 Calibration/Verification도 추가적으로 지원하고 있습니다.
아래 이미지는 동일한 OTA 셋업이나 CMQ500이 아닌 신규 ATS800R을 적용하였을 때의 이미지입니다.
신규 ATS800R은 턴테이블의 조작을 통하여 안테나 하나만으로도 AoA에 대한 검증을 지원하고 있습니다.
3.3 UWB Conducted Setup
세 번째는 WMT(Automation Tool) + CMP200 + Z300A(or Z310A)를 사용하는 구성입니다.
Conducted Setup은 FiRa 검증시 주로 사용하고 있으며, 그 외에도 DUT의 유형에 따라 Conducted Setup을 선호하는 경우도 있습니다.
UWB Conducted Setup은 Tx, Rx에 대한 Calibration/Verification 항목을 지원하고 있습니다.
3.4 UWB Conducted Setup + Delay Line
네 번째는 WMT(Automation Tool) + CMP200 + Z300A(or Z310A) + Colby XT-200를 사용하는 구성입니다.
3번 구성에서 Delay Line 장비를(Colby XT-200) 추가한 구성으로 3번 구성에서 지원하는 항목들 외에 추가적으로 AoA의 Verification도 지원하고 있습니다.
이상으로 UWB에서 사용되는 ToF와 AoA에 대해 알아보았습니다.
R&S UWB Test Solution 소개 및 문의 사항이 있으시면 언제든 연락 부탁드립니다.
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작성자: 로데슈바르즈 코리아 기술 지원팀
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