Chapter 03

채널과 전파 규칙

휴대폰 설정에는 UWB를 끄고 켜는 스위치만 있지만, 칩 안에서는 “9번 채널, 프리앰블 코드 10” 같은 값이 정해져 있다. 어떤 나라에서는 같은 휴대폰이 UWB를 아예 끄기도 한다. UWB 채널은 어디에 놓여 있고, 왜 이렇게 약하게만 보낼 수 있으며, 그 약한 출력으로 몇 미터까지 닿을까?

499.2 MHz의 눈금

802.15.4 UWB(HRP)의 모든 시간과 주파수는 하나의 기준 주파수 499.2 MHz에서 나온다. 칩 하나의 길이(칩 시간)가 1/499.2 MHz ≈ 2.003 ns이고, 채널 중심 주파수는 그 정수배다. 펄스 폭도, 시계 눈금(5장)도, 거리 측정 시간 단위 RSTU(11장)도 이 수의 배수나 약수다.

대역채널중심 주파수= 499.2 MHz ×쓰임

1·2·3·5·7·9번 중심 주파수: Decawave uwb-core의 uwb_mac.h UWB_CH_FREQ_CHAN_* · 4번 = 2번, 7번 = 5번(같은 중심의 넓은 채널): Zephyr ieee802154_dw1000_regs.h의 DWT_FS_PLLCFG_CH4 = DWT_FS_PLLCFG_CH2, DWT_FS_PLLCFG_CH7 = DWT_FS_PLLCFG_CH5 · 휴대폰 지원 채널 5·6·8·9·10·12·13·14: Android FiraParams.java의 UWB_CHANNEL_*, CCC 디지털 키는 5·9번만(CccParams.java) · 나머지 채널 값은 같은 499.2 MHz 배수 규칙으로 채운 것

공개 구현끼리 다를 때

uwb-core의 uwb_mac.h는 4번 채널을 4,492.8 MHz(3번과 같은 값)로 적고 있다. 그러나 같은 칩용 Zephyr 드라이버는 4번 채널의 PLL 설정을 2번과 똑같이 쓰고(DWT_FS_PLLCFG_CH4 = DWT_FS_PLLCFG_CH2), 7번도 5번과 같다. 4·7번은 2·5번과 같은 중심에 폭만 넓힌 채널이라는 뜻이다. 이 책은 PLL 설정을 근거로 4번 = 3,993.6 MHz로 적었다. uwb_calc_aoa()가 4번 채널의 파장을 구할 때 쓰는 값이 이 상수라, 그 라이브러리로 4번 채널 각도를 계산하면 약 11% 어긋날 수 있다(8장).

강당 전체에 속삭이기

강당에서 한 사람이 크게 외치면 모든 대화가 끊긴다. 대신 아주 작게, 하지만 강당 전체에 고루 퍼지게 속삭이면 옆 사람 대화에는 거의 들리지 않는다. 속삭임을 아는 사람만 귀를 기울여 모아 듣는다. UWB가 넓은 대역에 아주 낮은 세기(−41.3 dBm/MHz)로 퍼뜨리는 방식이 이렇다.

SIMULATOR

3~10 GHz 이웃 지도

채널 고르기
채널 범위—
겹치는 이웃—
한국 허용 대역 안(알려진 범위)—
위에서부터 FCC UWB 대역(3.1~10.6 GHz), 이동통신 5G(3.3~4.2·4.4~5.0 GHz 일부 대역), 와이파이 5 GHz(5.15~5.85)·6 GHz(5.925~7.125), 한국 UWB 대역(3.1~4.8·7.2~10.2 GHz로 알려진 범위), UWB 채널(499.2 MHz 폭). 해볼 것: ① 5번 채널(6.24~6.74 GHz)은 Wi-Fi 6E 한가운데에 있다. ② 9번 채널(7.74~8.24 GHz)은 와이파이·5G와 떨어져 있고 한국 허용 범위 안이다. 그래서 국내 휴대폰은 9번을 쓴다. 한국 허용 대역은 공개 보도·제품 자료로 확인한 범위이며, 고시 원문은 이 책에서 확인하지 못했다.

1 MHz당 −41.3 dBm

FCC는 3.1~10.6 GHz에서 UWB의 평균 방사를 1 MHz당 −41.3 dBm EIRP로 묶었다(실내용·휴대용 모두). 74 나노와트다. 이 값은 미국의 다른 전자 기기가 의도치 않게 내는 잡음 한도와 같은 수준으로, “잡음만큼만” 내라는 뜻이다. 채널 폭 전체로 더하면 −41.3 + 10·log₁₀(499.2) ≈ −14.3 dBm, 약 37 µW다. 블루투스(0~10 dBm)의 100분의 1, 와이파이(20 dBm)의 2,700분의 1 수준이다.

측정 방법도 정해져 있다. 1 MHz 분해능 대역폭에서 1 ms 이하로 평균한 RMS 값이 한도를 넘지 않아야 한다. 따라서 1 ms 창 안의 평균만 맞으면 되므로, 패킷이 그보다 짧으면 패킷이 나가는 동안의 세기를 그만큼 올릴 수 있다. 다만 50 MHz 폭에서 최대 0 dBm이라는 피크 한도가 따로 있어 무한정 올릴 수는 없다.

평균 한도 3,100~10,600 MHz −41.3 dBm EIRP(1 MHz), 피크 한도 50 MHz당 0 dBm: 47 CFR §15.519(c)·(e)(휴대용), §15.517(실내용) · RMS 평균 1 ms 이하, 피크 측정 폭 변환 20·log(RBW/50): §15.521(d)·(g)

예측해 보기

−41.3 dBm/MHz로 499.2 MHz 채널 전체를 채우면 전체 출력은 대략 얼마일까?

dBm/MHz에 10·log₁₀(대역폭 MHz)를 더한다.

−41.3 + 10·log₁₀(499.2) ≈ −14.3 dBm ≈ 37 µW. 휴대폰 블루투스(수 mW)보다도 수십 배 작다. 그래서 UWB는 수십 m 이내에서 쓴다. 아래에서 거리와 감도를 바꿔 보자.
SIMULATOR

규제가 정하는 거리

채널
패킷 중 총출력—
자유 공간 1 m 손실—
닿는 거리(자유 공간 어림)—
그래프: 거리에 따른 받는 세기(자유 공간)와 감도·여유. 해볼 것: ① 1 ms 내내 보내면 총출력 −14.3 dBm, 감도 −98 dBm, 여유 6 dB에서 9번 채널은 약 23 m. 여유를 사람 몸 하나(약 10 dB 더)만큼 늘리면 7 m 남짓으로 준다. ② 패킷을 200 µs로 줄이면 1 ms 평균 규칙 안에서 7 dB를 올릴 수 있어 거리가 두 배 넘게 는다. 실제로는 피크 한도·칩의 송신 한계 때문에 이만큼 다 올리지 못하는 경우가 많다. ③ 같은 조건에서 5번 채널이 9번보다 조금 멀리 간다(주파수가 낮을수록 같은 안테나 조건의 자유 공간 손실이 작다). 계산: 송신 = −41.3 + 10·log₁₀(499.2) + 10·log₁₀(1,000 µs ÷ 패킷 길이), 자유 공간 손실 = 20·log₁₀(4πdf/c), 안테나 이득 0 dBi. 손실 식은 uwb-core의 uwb_rng_path_loss()와 같다(검증 스크립트).
다른 책에서

핵심 정리

  1. UWB 채널 중심은 499.2 MHz의 정수배: 5번 6,489.6 MHz(×13), 9번 7,987.2 MHz(×16). 4·7번은 2·5번과 같은 중심의 넓은 채널.
  2. 휴대폰은 5·9번을 주로 쓴다. 5번은 Wi-Fi 6E와 겹치고, 한국은 알려진 허용 대역상 9번을 쓴다.
  3. 평균 −41.3 dBm/MHz(1 ms RMS 평균) → 채널 전체 약 −14.3 dBm. 피크 한도는 50 MHz당 0 dBm.
  4. 약한 출력이라 닿는 거리는 수십 m. 짧은 패킷은 1 ms 평균 규칙 안에서 세기를 올릴 수 있다.

확인 퀴즈

9번 채널의 중심 주파수는?

499.2 × 16 = 7,987.2 MHz.

−41.3 dBm/MHz로 499.2 MHz 채널 전체를 채우면 총출력은?

−41.3 + 10·log₁₀(499.2) ≈ −14.3 dBm.

5번 채널이 와이파이와 문제가 될 수 있는 이유는?

UWB는 약하지만 받는 쪽 입장에서는 같은 주파수에 있다. 반대로 강한 와이파이는 UWB 수신을 방해할 수 있다(12장).

FCC의 UWB 평균 측정은 얼마 이하의 시간으로 평균하는가?

47 CFR §15.521(d): 1 MHz 분해능, RMS 검출, 1 ms 이하 평균.