아이폰 11에 채택된 ‘레이다’ 통신 기술?··· UWB 따라잡기

올해 출시된 아이폰에 채택된 새 칩 중 하나가 U1이다. 초광대역(UWB: Ultra-Wideband) 연결성을 제공하는 이 칩은 사물 인터넷(IoT) 기술과 맞물려 기업과 소비자에게 여러 다양한 서비스를 제공할 수 있는 가능성을 제시한다. 

애플에 따르면 UWB 기술은 스마트폰이 주변 환경과 그 안의 물체를 인식할 수 있는 기능인 ‘공간 인식’(spatial awareness) 기능성을 지원한다. 일례로 아이폰 11 사용자는 자신의 아이폰으로 다른 사람의 아이폰을 가리켜 파일이나 사진을 전송할 수 있는데, 바로 UWB 덕분에 가능하다.

새롭게 등장한 기술은 아니지만, 애플 아이폰에 구현하면서 현대적인 스마트폰에 처음으로 적용됐다.

UWB란?
UWB는 블루투스나 와이파이처럼 전파를 사용하는 단거리 무선 통신 프로토콜이다. 그러나 대단히 높은 주파수에서 운영된다 점에서 크게 다르다. 이름에서 알 수 있듯, 여러 GHz대에 이르는 광폭 스펙트럼을 사용한다. 레이더처럼 지속적으로 전체 공간을 스캔해 물체를 포착하는 한편, 데이터를 통신할 수 있다고 설명할 수 있겠다.

UWB는 2000년대 초까지만 해도 군용 레이더와 첩보 통신에만 제한적으로 사용됐다. 또 원격 심장 박동 모니터링 시스템 같은 의료 영상에 잠깐 동안 사용됐다. 이렇게 도입 속도가 느렸지만, 최근 들어 이를 상업적으로 이용하는데 관심이 쏠리기 시작했다.

IDC의 리서치 담당 디렉터인 필 솔리스에 따르면, 현재 주 용도는 위치 포착 및 장치 범위 판단이다. 와이파이와 블루투스도 다른 장치의 위치를 더 정확히 찾아 연결되는 기능을 일부 지원하지만, 본질적으로 UWB가 더 정확하고, 전력 소모가 더 적다. 여기에 더해, UWB 칩 생산이 확대되면 가격도 하락할 전망이다.

솔리스에 따르면, 세계 최대 스마트폰 제조사들인 삼성과 애플, 화웨이가 모두 칩이나 안테나 제조와 관련해 나름의 UWB 프로젝트를 추진하고 있다. 그러나 이를 스마트폰에 처음 탑재시킨 회사는 애플이다.

삼성과 샤오미, NXP, 소니, 보쉬 등은 UWB 생태계 확장에 매진하고 있는 FiRa(Fine Ranging) 컨소시엄에 참여하고 있다. 이 생태계는 기존 IEE 802.15.4/4x 표준을 토대로 저데이터 전송률 무선 통신을 구현하려는 목표를 가진다.

UWB의 작동 방식
UWB 송신기는 광폭 스펙트럼 주파수를 통해 수십 억 펄스를 전송하는 방식으로 동작한다. UWB가 과거 ‘펄스 전파’로 지칭되곤 했던 이유이기도 하다. 그러면 수신기는 송신기가 보낸 약속된 펄스 시퀀스를 청취해서, 펄스를 데이터로 변환한다. 펄스는 약 2 나노 초마다 하나씩 전송된다. UWB가 가지는 실시간 정확도의 근간이다. 

UWB는 전력을 대단히 적게 소모하지만, 호스트 장치에서 최대 10여 미터 거리에 있는 다른 장치로 많은 데이터를 중계하려면 고대역폭(500MHz)이 이상적이다. 그러나 와이파이와 다르게, 벽을 통과하는 성능이 특별히 좋지는 않다.

제이 골드 어소시에이츠의 수석 애널리스트인 잭 골드는 “고주파수이기 때문에 ‘송수신 가능’ 범위가 아주 넓다. 따라서 아주 넓은 대역폭에 바탕을 둔 많은 데이터 출력이 장점이다. 500MHz 대역폭의 60GHz 신호를 전송한다고 가정해보자. 여기에 추가할 수 있는 채널을 곱하면 정말 넓은 대역이다”라고 설명했다.

UWB의 범위와 수신 신뢰도를 높이기 위해, 이 단거리 네트워크를 구현하는 표준에는 분산형 안테나 시스템인 MIMO(multiple-input and multiple-output)가 추가됐다. 그리고 이 안테나는 스마트폰, 또는 손목에 차는 밴드나 스마트 키 같은 다른 장치에 내장될 수 있다.

(최신 아이폰처럼) UWB를 지원하는 스마트폰을 다른 UWB 장치 가까이 가져가면, 두 장치가 정확한 거리를 측정하기 시작한다. 장치 간 ToF(Time of Flight) 측정을 통해 범위를 판단한다. 이를 이용, 챌린지/응답 패킷의 왕복 시간을 계산한다.

FIRA 컨소시엄

FiRa 컨소시엄에 따르면, UWB는 IEEE 802.15.3a 표준을 토대로 최대 200미터까지의 송수신 가능 거리 내에 있는 다른 장치의 위치를 판단할 수 있다. 컨소시엄은 현재 파인 레인징(Fine-Ranging) 기술을 안전하게 만들기 위해 보안 익스텐션을 추가하고 있는 과정에 있다(IEEE 802.15.4z로 지칭).

UWB 기술의 활용 용도는 자산 추적에서 장치 위치 측정 등에 이르기까지 다양한다. 가령 UWB 장치는 (소파 쿠션 밑으로 들어간) 자동차 키나 TV 리모트 컨트롤 같은 다른 UWB 구현 물체의 정확한 위치를 계산해 알려줄 수 있다. 장치에 실내 내비게이션 서비스가 실행되고 있다면, UWB 구현 장치는 고정된 UWB 앵커에 대한 상대적 위치를 파악해 해당 지역을 표기한 지도 상에 위치를 표시할 수도 있다.

솔리스에 따르면, UWB는 정확한 범위 판단과 더불어, 정확성과 보안 측면에서 블루투스와 와이파이를 앞선다. 그리고 이런 장점을 여러 애플리케이션에 활용할 수 있다. 예를 들어, 전자 열쇠(Key FOB) 같은 UWB 구현 장치를 이용해 자동차 문을 열거나, 건물 내 보안 구역에 출입할 수 있다. 또는 UWB 지원 스마트폰이나 워치로 ATM을 통해 계정에 액세스 할 수 있다.

솔리스는 “또 다른 보안 확인 지점, 도구가 될 것이다. 또는 스마트폰이 직불 카드가 될 수도 있다. 애플은 애플 페이에 NFC를 사용하는 것을 염두에 두고 있을 수 있다. UWB는 또 다른 보안 확인 도구가 될 수 있다”라고 말했다.

UWB는 중간자 공격이나 릴레이 공격을 무력화시키는 또 다른 수단이 될 수도 있다. 즉 악당들이 주차장 같은 장소를 감시하다가, 전자 열쇠와 자동차 같이 두 장치 간 인증 메시지를 가로채 저장하려 시도하는 행위를 막을 수 있다. UWB 장치의 신호가 해당 지역에서 다른 모든 장치들을 무시할 것이기 때문이다.

UWB의 활용 가능성은?
애플은 비콘과 함께 UWB를 사용하는 방식에 대한 특허를 취득했다(iBeacon). 비콘은 배터리로 작동하는 소형 센서이다. 물체에 붙이면, 신호를 보내 UWB 지원 장치가 두 물체의 거리를 측정하는 데 사용할 수 있다. 몇 센티미터 수준까지의 위치 서비스를 지원할 수 있다. 이를테면 공항이나 쇼핑몰에서 비콘 네트워크를 구축, 건물을 통과하는 사람들을 대상으로 도착지까지의 길 찾기 서비스를 실시간으로 제공할 수 있다.

애플은 9월 발표 때, 아이폰 11 및 iOS 13.1과 관련해서만 잠깐 UWB에 대해 언급했었다. ‘방향을 인식하는 추천 기능’ 덕분에 에어드롭이 개선될 것이라고 설명했다. 기본적으로 UWB가 탑재된 장치 사용자는 주변에 누가 있는지 안다. 따라서 주변에 있는 특정인에게 에어드롭을 통해 문서를 전송할 수 있다.

골드는 “애플이 UWB로 하려는 일이 그것이다. UWB는 사용자의 친구는 왼쪽 3도 방향에, 오른쪽 뒤에는 조안이라는 여자가 있다는 것을 인식한다. 이를 바탕으로 조안이 아닌 친구에게만 데이터를 전송할 수 있다”라고 설명했다.

골드는 단거리에서 스마트폰 간 데이터 전송에 UWB가 훨씬 더 안전한 방법이라고 설명했다. 다른 UWB 구현 장치의 위치를 정확히 파악할 수 있기 때문이다.

아이폰 11에서 UWB의 기능은?
애플은 아이폰 11에서 블루투스와 유사한 거리에서 에어드롭 파일 전송 서비스를 사용해 데이터를 전송하는 3가지 모델을 구현하기 위해 U1 칩을 개발했다.

블루투스와 와이파이로도 에어드롭을 사용할 수 있지만, 애플이 개발한 U1 칩은 ‘한정성’(specificity)이라는 장점을 제공한다. 다시 말해, 파일 수신자 여러 명이 리스트로 표시되지 않는다. 아이폰 11 사용자가 자신의 아이폰으로 다른 아이폰 11을 가리키면, 그 아이폰만 파일이 전송될 대상 장치로 표시가 된다. 

언젠가는 애플이 아이폰을 자동차의 전자 열쇠로 구현하는 날도 올 수 있다. 실제로 FiRa 콘소시움의 사업 개발 VP인 데브라 스피틀러에 따르면, UWB는 IoT와 자동차 산업의 연결성 경험에 큰 변화를 가져올 전망이다.

FiRA는 일단 3가지 유즈 케이스 범주에 초점을 맞추고 있다. (1) 핸즈프리 액세스 제어, (2) 위치 기반 서비스, (3) 장치-장치(피어-피어) 애플리케이션이 여기에 해당된다. 이 유즈 케이스 범주는 스마트 홈과 엔터프라이즈, 스마트 도시와 모빌리티, 스마트 교통, 소비자 유즈 케이스, 스마트 소매, 인더스트리 4.0 및 헬스케어로 구성된 6개 유즈 케이스 세그먼트와 교차된다.

FIRA 컨소시엄

FiRa는 이메일 인터뷰에서 “UWB는 원래 멀티미디어 데이터를 위한 고속 데이터 통신 기술로 소개됐다. 향후 UWB가 새로운 ‘범위 판단(거리 측정)’ 기술로 구현되기 위해서는 완전히 새로운 생태계가 조성되어야 한다”라고 언급했다.

USB의 발전 방향
FiRa 컨소시엄 회원들은 UWB의 안전한 파인 레인징(정밀 범위 판단, 또는 거리 측정)의 성공 여부가 상호운영 가능하고, 전체적이며, 서로 연결된 생태계에 달려 있다고 믿고 있다. 이를 위해서는 다음이 요구된다.

– 몇몇 장치들의 상호운영성이 필요하다. 이를 위해, 컴플라이언스 및 인증 프로그램이 요구된다.

– IEEE, 와이파이 얼라이언스, CCC(Car Connectivity Consortium) 같은 다른 산업 단체와의 밀접한 협력이 요구된다. FiRa 컨소시엄은 가용한 6-9GHz 스펙트럼을 사용하는 UWB 유즈 케이스에 초점을 맞출 계획이다.

– 광범위한 생태계 노하우, 표적 시장에서의 리더십, 광범위한 기술, 시스템 전문성, 강력한 입지, UWB와 관련된 다른 컨소시엄에서의 경험을 가져올 회원사를 유치해야 한다.

– 새로운 이름인 FiRa는 ‘오래된 통신 기술’이라는 UWB에 대한 전형을 극복하는 데 도움을 줄 것이다. 대신 UWB가 SFR(Secure Fine Ranging) 및 센싱 기술로 변화하는 것을 강조해줄 것이다.

– 강력한 시장 도달력, UWB 기술 사용에 따른 혜택을 홍보하는 활동이 요구된다.

골드는 “어떻게 발전할지, 얼마나 많은 사람들이 원할지, 얼마나 많은 서비스를 구현할지 지켜봐야 한다. 정말 스마트폰에 미니 레이더가 필요할까? 이 부분을 극복해야 한다고 보고 있다”라고 말했다. dl-ciokorea@foundryco.com