UWB 정밀 측위 원리

IoTUWB

UWB(Ultra-Wideband)는 500MHz 이상의 넓은 대역폭을 사용하는 무선 기술이다. 나노초 단위의 짧은 펄스로 cm급 거리 측정이 가능하며, BLE/Wi-Fi 대비 멀티패스 간섭에 강하다. 실내 정밀 측위, 디지털 키, 자산 추적에 쓰인다.

정밀 측위의 물리적 원리

왜 cm급 정밀도가 가능한가

UWB는 신호 세기(RSSI)가 아니라 **비행 시간(ToF)**으로 거리를 측정한다.

distance = c × ToF

전자기파는 1나노초에 약 30cm를 이동한다. UWB 칩의 타임스탬프 해상도가 ±100 피코초(ps)이면, 거리 오차는 ±3cm가 된다.

BLE/Wi-Fi의 RSSI 기반 측위는 장애물, 반사, 간섭에 따라 수 미터 오차가 발생한다. UWB는 시간 기반이므로 이런 영향이 적다.

펄스 특성

UWB는 연속 반송파가 아니라 나노초 단위의 극초단 펄스를 사용한다.

특성값
대역폭500MHz 이상
펄스 폭~2ns (500MHz 기준)
주파수 대역3.1–10.6 GHz
최대 평균 출력-41.3 dBm/MHz (~75 nW/MHz)

대역폭이 넓을수록 펄스가 짧아지고, 시간 해상도가 올라간다. 500MHz 대역폭 → 펄스 폭 약 2ns → 시간 해상도로 ~60cm 구분 가능. 실제로는 리딩 엣지 검출과 신호 처리로 cm급까지 정밀도를 끌어올린다.

멀티패스 해결

좁은 대역 신호(BLE, Wi-Fi)는 직접파와 반사파가 합쳐져서 구분이 안 된다. UWB의 짧은 펄스는 시간 축에서 직접파와 반사파를 분리할 수 있다.

직접파:   |  ← 이것만 사용
반사파1:     |
반사파2:        |
          ──────────────→ 시간

수신기가 **가장 먼저 도착한 펄스(First Path)**를 검출해서 거리를 계산한다. 반사파는 무시한다.

채널 구조 (IEEE 802.15.4z HRP)

채널중심 주파수대역폭비고
56,489.6 MHz499.2 MHz가장 널리 사용
97,987.2 MHz499.2 MHz채널 5와 간섭 회피용
기타 (1-4, 7)3.5-6.5 GHz499.2-1331.2 MHz지역별 규제에 따라 사용

실무에서는 채널 5와 9만 쓴다고 보면 된다. Apple, Samsung, NXP 등 주요 칩이 이 두 채널을 지원한다.

TWR vs TDoA

거리/위치를 측정하는 두 가지 방식이다.

TWR (Two-Way Ranging)

두 디바이스가 메시지를 주고받아 왕복 시간으로 거리를 계산한다.

Tag                 Anchor
 │── Poll (t1) ────▶│
 │                   │ 처리 시간
 │◀── Response (t2) ─│
 │ 처리 시간          │
 │── Final (t3) ────▶│
 │                   │ ToF 계산

DS-TWR (Double-Sided TWR): 3번의 메시지 교환으로 양쪽 클럭 오차를 상쇄한다.

ToF = [(t_round1 × t_round2) - (t_reply1 × t_reply2)] / (t_round1 + t_round2 + t_reply1 + t_reply2)

위치를 구하려면 최소 3개 anchor와 각각 DS-TWR을 수행해서 삼변측량(trilateration)한다. Tag 하나의 위치를 구하는 데 총 9개 메시지가 필요하다.

TDoA (Time Difference of Arrival)

Tag가 한 번 신호를 보내면, 여러 anchor가 수신 시각의 차이로 위치를 계산한다.

Tag          Anchor 1      Anchor 2      Anchor 3
 │── Blink ──▶│              │              │
 │── Blink ──────────────▶│              │
 │── Blink ──────────────────────────▶│
 │            │  수신 시각 차이로 위치 계산  │

Anchor 1과 Anchor 2의 수신 시각 차이 → Tag가 두 anchor로부터 같은 거리차를 갖는 쌍곡선(hyperbola) 위에 있다. 3개 이상 anchor의 쌍곡선 교점이 위치다.

비교

TWRTDoA
메시지 수9개 (3 anchor × 3)1개 (Blink)
Tag 전력높음 (송수신 반복)매우 낮음 (1회 송신)
Anchor 동기화불필요필수 (ns급 정밀 동기화)
인프라 비용낮음높음 (동기화 하드웨어)
확장성Tag 수 증가 시 트래픽 폭증Tag 수에 무관
커버리지 밖 정확도양호급격히 저하
정확도10-30cm30-50cm
적합한 용도디지털 키, 소규모 정밀 측위대규모 자산 추적, 공장

선택 기준: Tag 수가 적고 정밀도가 중요하면 TWR. Tag가 수백~수천 개이고 배터리 수명이 중요하면 TDoA.

IEEE 802.15.4z

2020년에 발표된 UWB 물리 계층 표준이다. 이전 표준(802.15.4a, 2007년)에 보안과 정밀도를 대폭 강화했다.

802.15.4a → 802.15.4z 주요 변경

802.15.4a802.15.4z
PRFBPRF (62.4 MHz)BPRF + HPRF (124.8 / 249.6 MHz)
보안없음STS (Scrambled Timestamp Sequence)
레인징 정밀도~30cm~10cm (HPRF)
도달 거리~50m~200m

HPRF(High Pulse Repetition Frequency)는 단위 시간당 더 많은 펄스를 보내서 SNR을 높이고, 정밀도와 도달 거리를 모두 개선한다.

STS (Scrambled Timestamp Sequence)

802.15.4z의 핵심 보안 기능이다. 릴레이 공격(relay attack)을 막기 위해 도입되었다.

UWB 프레임 구조:
┌──────────┬──────┬─────┬──────────┐
│ Preamble │ SFD  │ PHR │ Payload  │
│ (SYNC)   │      │     │ + STS    │
└──────────┴──────┴─────┴──────────┘
                          ↑
                    AES-128 기반
                    암호화 시퀀스
  • 송수신 양쪽이 128-bit STS 키를 공유
  • AES-128 DRBG로 의사난수 펄스 시퀀스를 생성
  • 수신 측이 시퀀스를 검증해서, 위조된 신호를 거부
  • ToA(Time of Arrival) 추정 자체를 암호학적으로 보호

릴레이 공격 시나리오: 공격자가 자동차 키의 UWB 신호를 중계해서 문을 여는 공격. STS가 있으면 중계된 신호의 타이밍이 암호학적으로 불일치하므로 거부된다.

보안 모드

모드STS권장
SP0없음비보안 환경만
SP1 (DS-STS)결정론적 STS보안 필요 시 권장
SP3 (SS-STS)정적 STS보안 필요 시 권장

실무에서 보안이 필요하면 SP1 또는 SP3만 사용한다.

FiRa Consortium

UWB 디바이스 간 **인터롭(상호운용성)**을 보장하기 위한 비영리 컨소시엄이다. “Fine Ranging”의 약자.

역할

IEEE 802.15.4z는 PHY/MAC 계층만 정의한다. FiRa는 그 위의 응용 계층 프로토콜과 인증 프로그램을 제공한다.

┌─────────────────────────┐
│ Application (Digital Key, │
│ Asset Tracking, etc.)    │
├─────────────────────────┤
│ FiRa MAC / Upper Layer  │  ← FiRa가 정의
├─────────────────────────┤
│ IEEE 802.15.4z PHY/MAC  │  ← IEEE가 정의
└─────────────────────────┘

FiRa 인증을 받은 디바이스는 제조사가 달라도 통신이 보장된다.

주요 멤버

구분회사
SponsorApple, Samsung, Qualcomm
ContributorGoogle, Meta, Sony
칩 벤더NXP, Qorvo, Infineon

FiRa 3.0 (2025년 1월)

  • 대중교통 서비스 지원
  • Tap-free 결제
  • 자동차 디지털 키 (CCC와 협력)
  • 인증 프로그램 3.0으로 인터롭 강화

FiRa 4.0 (2025년 11월)

  • Core Specification 4.0
  • 확장된 인증 프로그램

메모

  • UWB vs BLE 측위
    • BLE RSSI 기반 측위는 25m 오차. UWB ToF 기반은 1030cm
    • BLE AoA(Angle of Arrival)가 0.5~1m까지 개선 가능하지만, 특수 안테나 배열이 필요
    • 두 기술을 함께 쓰는 경우가 많다: BLE로 대략적 존재 감지 → UWB로 정밀 측위
  • TWR에서 클럭 오차
    • SS-TWR(Single-Sided)은 한 번만 왕복하므로 클럭 드리프트에 취약. 1ppm 오차 → 수십 cm 오차
    • DS-TWR은 양쪽에서 왕복 시간을 측정해 클럭 오차를 상쇄. 실무에서는 DS-TWR만 쓴다
  • TDoA Anchor 동기화
    • Anchor 간 ns급 동기화가 필요. 유선(이더넷 PTP) 또는 UWB 자체 동기화 사용
    • 동기화 오차 1ns = 거리 오차 30cm. 인프라 비용이 TWR 대비 크게 높다
    • 동기화 품질이 전체 시스템 정밀도의 병목이 된다
  • NLoS(Non-Line-of-Sight) 환경
    • UWB는 멀티패스에 강하지만, 직접파가 완전히 차단되면(NLoS) 정밀도가 급격히 떨어진다
    • NLoS 감지 알고리즘(CIR 분석)으로 NLoS 상황을 판별하고, 해당 anchor의 가중치를 낮추는 방식으로 보정
  • 주요 UWB 칩
    • NXP SR150/SR040: Apple U1/U2 칩의 기반. iOS 생태계
    • Qorvo DW3000: 가장 널리 쓰이는 범용 UWB 트랜시버. SPI로 MCU에 연결
    • Samsung Exynos Connect U100: Galaxy 시리즈 내장
    • 칩 선택 시 FiRa 인증 여부와 지원 채널(5, 9)을 확인한다
  • 2026년 UWB 시장
    • 출하 스마트폰의 약 40%가 UWB를 탑재할 전망 (ABI Research)
    • 디지털 키(자동차, 호텔), 실내 내비게이션, 산업용 자산 추적이 주요 용도
    • IEEE 802.15.4ab(차세대)가 준비 중. 전력 소모 감소 + 오디오 스트리밍 지원 예정