Chapter 12

전력과 공존: BLE가 깨우는 UWB

분실물 태그는 동전 전지 하나로 1년을 간다. 그런데 UWB 칩은 켜져 있는 동안 블루투스 칩보다 몇 배 많은 전류를 쓴다. 비결은 간단하다. UWB는 거의 언제나 꺼져 있다. 평소에는 저전력 블루투스(BLE)가 “나 여기 있어” 신호를 내고, 휴대폰이 가까이 와서 정밀하게 재고 싶을 때만 BLE로 깨워 UWB를 켠다. 이 장에서는 그 전력 계산과, 같은 6~8 GHz를 쓰는 와이파이·5G와의 공존을 본다.

“BLE로 찾고, UWB로 잰다”는 역할 분담과 그 이유를 안다.
측정 한 번의 전류 파형에서 평균 전류와 배터리 수명을 계산한다.
TWR·DL-TDoA·UL-TDoA 태그의 전력 차이와 수신 대기 창의 비용을 비교한다.
5번 채널과 Wi-Fi 6E가 겹치는 문제와 시간 나눠 쓰기를 이해한다.

BLE로 찾고, UWB로 잰다

UWB 수신기는 넓은 대역을 빠르게 표본화하고 상관을 쌓아야 해서(4장), 켜져 있는 동안의 전류가 수십 mA로 BLE(수 mA)보다 크다. 게다가 상대가 언제 보낼지 모르면 계속 듣고 있어야 한다. 그래서 UWB 기기는 거의 모두 BLE를 함께 갖는다.

태그는 평소 BLE 광고만 드문드문 보낸다(BluetoothBook 5·9장).
휴대폰이 광고를 듣고 BLE로 연결해, UWB 세션 설정과 보안 키를 주고받는다(대역 외 설정, 11장).
약속한 시각에 둘이 함께 UWB를 켜고 정해진 간격으로 측정한다. 라운드 사이에는 다시 잔다.
정밀 찾기를 끝내면 UWB 세션을 닫고 BLE만 남는다.

시각을 미리 약속했으므로 수신기는 상대 신호가 올 무렵의 짧은 창만 열면 된다. 시계 오차(5장)만큼 창을 조금 넓힐 뿐이다.

측정 한 번의 전력

현관의 센서 등

현관 등을 밤새 켜 두면 전기가 많이 들지만, 동작 감지기를 달면 사람이 올 때만 켜진다. 감지기는 아주 적은 전기로 늘 깨어 있다. UWB 태그에서는 BLE가 감지기이고 UWB가 등이다. BLE로 근처에 있는지 알아챈 다음에야 UWB를 켜서 거리를 잰다.

예측해 보기

태그의 역할을 TWR 응답자에서 UL-TDoA(보내기만)로 바꾸면 측정 한 번에 쓰는 전하는?

UL-TDoA 태그는 수신 창을 열지 않는다.

이 책의 예시 전류로 TWR 응답자는 깨어남 4 + 수신 10.8 + 송신 4.2 ≈ 19 µC, UL-TDoA는 깨어남 + 송신 ≈ 8.2 µC다. 받는 일이 가장 비싸다. 대신 앵커들의 시계를 맞춰야 한다(9장). 아래 계산기에서 역할을 바꿔 보자.

SIMULATOR

태그 배터리 계산기

태그의 역할

측정 간격 하루 중 UWB를 켜는 시간 수신 창 여유(시계 오차) 배터리

측정 한 번의 전하(µC = mA × ms)—

하루 평균 전류—

배터리 수명—

위: 측정 한 번의 전류 파형(깨어남 → 수신 → 송신 → 잠). 해볼 것: ① 동전 전지(220 mAh)로 하루 30분 정밀 찾기(200 ms 간격)면 약 1.8년이다. UWB 몫은 평균 2 µA로, 수명은 대부분 BLE와 잠 전류가 정한다. ② UWB를 하루 종일 켜 두면 석 달이 안 된다. ③ UL-TDoA 태그는 받지 않고 보내기만 해 측정당 전하가 가장 작다. ④ 수신 창 여유를 늘리면 TWR·DL 태그의 전하가 빠르게 는다. 가정(칩마다 크게 다름, 예시 값): 수신 45 mA, 송신 30 mA, 깨어남 준비 0.5 ms × 8 mA, 잠 2 µA, BLE 광고 평균 10 µA, 프레임 140 µs(4장), DL-TDoA는 앵커 넷의 프레임을 듣는다.

같은 하늘 아래: Wi-Fi 6E와 5G

3장의 지도를 떠올리자. 5번 채널(6.24~6.74 GHz)은 Wi-Fi 6E의 6 GHz 대역 한가운데다. UWB의 송신은 아주 약해 와이파이를 거의 방해하지 않지만, 반대로 같은 휴대폰 안의 와이파이 송신(+20 dBm 안팎)은 UWB 수신기에 엄청나게 센 신호다. 와이파이가 보내는 순간에 UWB 라운드가 겹치면 측정을 잃는다. 9번 채널(7.74~8.24 GHz)은 와이파이와 떨어져 있지만 일부 나라의 위성·이동통신 대역과 가깝다.

그래서 휴대폰은 두 칩이 서로의 일정을 알려 주고 시간을 나눠 쓴다(블루투스·와이파이의 공존과 같은 방식, BluetoothBook 13장). UWB 라운드는 약속된 시각에 오므로, 그 순간만 와이파이 송신을 잠시 미루면 된다.

SIMULATOR

와이파이와 겹쳐 잃는 측정

와이파이(6 GHz) 송신 점유율 와이파이 송신 한 번의 길이 두 칩이 시간을 나눠 씀(UWB 라운드 동안 와이파이 송신 보류)

UWB 측정이 겹칠 확률—

초당 성공 측정(5 Hz 중)—

와이파이가 미루는 시간—

그래프: 와이파이 점유율(가로)에 따른 측정 실패 확률. 모델: 측정에 필요한 프레임 구간(DS-TWR 세 프레임과 사이, 약 0.6 ms)이 와이파이 송신(무작위 시각, 정해진 길이)과 조금이라도 겹치면 실패. 확률 ≈ 1 − (1 − 점유율) × e^(−점유율 × 측정 구간 ÷ 송신 길이)의 어림. 시간 나눠 쓰기를 켜면 실패가 사라지는 대신, 와이파이는 측정 간격마다 그만큼 송신을 미룬다.

5번 채널 6.24~6.74 GHz, 9번 7.74~8.24 GHz: 3장(499.2 MHz × 13·16 ± 249.6 MHz) · 휴대폰·디지털 키 채널 5·9: Android CccParams.java UWB_CHANNEL_5/9

핵심 정리

UWB는 켜져 있을 때 BLE보다 전류가 크다. 그래서 BLE로 찾고 설정하고, 약속한 시각에만 UWB를 켠다.
측정 한 번 = 깨어남 + 수신 창 + 송신, 수십 µC. 배터리 수명은 하루 UWB 사용 시간과 잠·BLE 전류가 정한다.
UL-TDoA 태그(보내기만)가 가장 적게 쓰고, 수신 창 여유(시계 오차)가 듣는 태그의 비용을 키운다.
5번 채널은 Wi-Fi 6E와 겹친다. 같은 기기 안의 와이파이 송신이 UWB 측정을 깨뜨리므로 시간을 나눠 쓴다.

확인 퀴즈

분실물 태그가 평소 UWB를 꺼 두고 BLE만 쓰는 이유는?

BLE로 존재를 알리고, 정밀 측정이 필요할 때 BLE로 약속을 잡아 UWB를 켠다.

측정 간격을 200 ms에서 50 ms로 줄이면 UWB 켜진 동안의 평균 전류는 대략?

측정 한 번의 전하는 같고 횟수가 네 배.

태그 전력이 가장 작은 방식은?

수신 창이 없어 전하가 가장 작다. 대신 위치는 서버가 안다.

5번 채널 UWB가 휴대폰 안에서 특히 부딪히기 쉬운 상대는?

6.24~6.74 GHz가 6 GHz 와이파이 대역 안에 있다.