무선 양방향 간섭계 기반 거리 변동 고정밀 모니터링

본 논문은 무선 양방향 간섭계(Wi‑Wi)라는 새로운 거리 변동 측정 기법을 제안하고, 이를 실제 실험을 통해 검증한다. 서론에서는 GPS·LRF 등 기존 거리 측정 기술의 한계를 짚으며, 무선 통신 신호를 이용한 실시간 거리 변동 모니터링의 필요성을 강조한다. 특히, 짧은 거리(수십 cm~수 m)에서 밀리미터 수준의 정밀도를 요구하는 실내·실외 협업 디바이스 환경에 적합한 저비용 솔루션을 목표로 한다. 관련 연구 파트에서는 RSS, TOA/TDOA, AoA, 위상 기반 거리 측정 등 다양한 무선 기반 방법을 정리하고, 특히 IEEE 802.11·Wi‑Fi, BLE, UWB 등에서 보고된 서브‑밀리미터 정밀도 사례를 언급한다. 그러나 이들 기술은 복잡한 하드웨어(예: 고정밀 타이머, 광학 정렬)나 높은 전력 소모가 요구되는 경우가 많다. 시스템 모델에서는 두 지점 A와 B가 각각 동일한 Zigbee 트랜시버와 클록을 갖추고, 전송‑수신 과정을 양방향으로 수행한다. TWTT 방식을 통해 전파 지연 \(t_d\)와 클록 차이 \(t_c\)를 구하고, TWCP 방식을 이용해 캐리어 위상 \(\phi_A, \phi_B\)를 측정한다. 위상 차이를 이용한 거리 변동 식은 \(l_d = c·t_d = -(\phi_A - \phi_B)·\lambda/2 + K·\lambda/2\) 로 도출된다. 여기서 정수 \(K\)는 초기 보정 단계에서만 필요하고, 연속 측정에서는 위상 언래핑을 통해 작은 변동을 직접 추적한다. 실험 설정은 사무실 내 40 cm 간격의 두 안테나를 사용한다. 장비는 Zigbee 모듈(TWE‑Lite‑USB), 루비듐 클록(SIM940), USRP‑2942 SDR, 그리고 PCIe 기반 PC로 구성된다. Zigbee는 O‑QPSK 방식을 2.4 GHz 대역에서 약 10 Hz로 송수신하며, SDR은 I/Q 데이터를 4 MS/s, 16‑bit 해상도로 샘플링한다. 수집된 데이터는 소프트웨어에서 심볼별 위상을 추출하고 평균을 구해 패킷당 위상값을 얻는다. 안테나 위치는 1 µm 스텝을 갖는 스테퍼 모터로 제어해 5 mm, 2 mm, 1 mm씩 이동시켰으며, 이동 전후의 위상 변화를 기록했다. 결과는 6 분 동안 클록 차이 \(t_c\)가 약 1 ns 정도 변동했으며, 이는 루비듐 클록의 정상적인 드리프트 범위이다. 거리 변동에 따른 전파 지연 변화는 5 mm 이동 시 17 ps, 2 mm 이동 시 7 ps, 1 mm 이동 시 3 ps로 측정되었다. 위상 언래핑은 인접 측정 간 변동이 파장 절반(≈6 cm) 이하일 때 성공적으로 수행되었으며, 이는 밀리미터 수준의 거리 변화를 정확히 추적할 수 있음을 의미한다. 논의에서는 Wi‑Wi가 기존 레이저 기반 LRF와 달리 광학 정렬이 필요 없으며, 무선 전파의 넓은 빔폭 덕분에 설치가 간편하다는 장점을 강조한다. 또한, 저비용 Zigbee·BLE·920 MHz 모듈에서도 동일 원리를 적용할 수 있음을 시사한다. 다만, 다중 경로와 반사에 민감한 특성 때문에 실외·복합 환경에서의 성능 검증이 필요하고, 정수 \(K\) 추정 및 위상 언래핑 오류 방지를 위한 알고리즘 개발이 향후 과제로 제시된다. 미래 발전 방향으로는 현재는 AC 전원과 대형 SDR을 사용했지만, 고정밀 오실레이터와 RF 전송 회로를 통합한 소형 모듈을 제작 중이며, 이를 통해 모바일 및 배터리 구동 환경에서도 적용 가능하도록 할 계획이다. 또한, 대기 중 수증기에 의한 굴절률 변화(IIR) 모니터링 등 환경 센싱 분야에도 확장 가능성을 제시한다.