다중사용자 MIMO‑OFDM 시스템에서 RIS·STAR·BD‑RIS를 활용한 스펙트럼·에너지 효율 극대화

** 본 연구는 다중사용자 MIMO‑OFDM 방송채널에 RIS를 적용함으로써 스펙트럼 효율(SE)과 에너지 효율(EE)을 동시에 극대화하고자 한다. 기존 연구들은 주로 단일 캐리어 혹은 단일 사용자 시나리오에 초점을 맞추었으며, OFDM과 같은 다중 캐리어 시스템에서는 각 서브캐리어마다 채널 응답이 달라 RIS 요소를 독립적으로 최적화할 수 없다는 한계가 있었다. 이러한 배경에서 저자들은 다음과 같은 주요 목표와 연구 질문을 설정한다. 1. **다양한 RIS 기술의 비교**: 정규(수동 반사) RIS, 동시에 송·반사(STAR‑RIS), 그리고 다중섹터 비대각(BD‑RIS) 세 가지 메타서피스 기술을 동일한 시스템 모델에 적용해 성능 차이를 정량화한다. 정규 RIS는 반사 전용으로 반사 공간만을 제공해 반사각이 제한적이며, STAR‑RIS는 각 요소가 송신과 반사를 동시에 수행해 360° 커버리지를 제공한다. 다중섹터 BD‑RIS는 각 섹터마다 비대각 행렬 형태의 연결을 허용해 섹터별 독립적인 빔포밍이 가능하며, 이는 STAR‑RIS보다 더 높은 방향성을 제공한다. 2. **하드웨어 비이상(HWI) 및 I/Q 불균형(IQI) 모델링**: 실제 무선 장치는 I/Q 불균형, 위상 잡음, 비선형 왜곡 등 다양한 비이상을 겪는다. 논문에서는 IQI를 널리 사용되는 Widely‑Linear Transformation(WLT) 형태로 모델링하고, 이로 인해 발생하는 신호 비대칭성을 보정하기 위해 부적절 가우시안 신호(Improper Gaussian Signaling, IGS)를 도입한다. IGS는 신호의 실수·허수 성분을 비대칭적으로 배치함으로써, IQI에 의해 감소된 전송률을 회복한다. 3. **공동 최적화 프레임워크**: 전송 전력 공분산 행렬과 RIS 위상(또는 복소수 계수)을 동시에 최적화하는 문제를 수학적으로 정식화한다. 목적함수는 (i) 최소 사용자 전송률을 최대화하는 Max‑Min, (ii) 전체 합계 전송률을 최대화하는 Sum‑Rate, (iii) 전체 EE를 최대화하는 Global‑EE 등 여러 형태로 정의될 수 있다. 제약조건으로는 전송 전력 제한, RIS 위상 제한(단위 원 위상), 그리고 BD‑RIS의 비대각 행렬 구조가 포함된다. 4. **알고리즘 설계**: 비선형 비볼록 문제를 직접 풀기 어려우므로 교대 최적화(Alternating Optimization) 방식을 채택한다. 먼저 고정된 RIS 파라미터에 대해 전송 공분산 행렬을 WMMSE(Weighted Minimum Mean Square Error) 혹은 SDP(Semidefinite Programming) 기반으로 최적화하고, 다음 단계에서는 최적화된 전송 행렬을 고정한 뒤 RIS 위상을 업데이트한다. RIS 위상 업데이트는 각 요소가 단위 원 위상 집합에 속하도록 투사(Projection)하는 방식으로 구현한다. 다중섹터 BD‑RIS의 경우, 에너지 분할(ES) 모드와 모드 전환(MS) 모드 두 가지 운영 방식을 제안한다. ES는 각 RIS 요소가 모든 섹터에 동시에 전력을 분배하는 반면, MS는 한 번에 하나의 섹터에만 전력을 할당해 구현 복잡도를 크게 낮춘다. 5. **시뮬레이션 및 성능 평가**: 다중셀·다중사용자 MIMO‑OFDM 시스템을 시뮬레이션 환경으로 설정하고, RIS 요소 수를 20~200개 범위에서 변동시켜 SE와 EE를 측정한다. 주요 결과는 다음과 같다. - **RIS 효과**: RIS가 없을 때에 비해 평균 합계 전송률이 30%~150% 향상되며, EE는 2배~5배 증가한다. 특히 RIS 요소가 50개 이하일 때도 유의미한 이득이 확인된다. - **STAR‑RIS vs 정규 RIS**: 사용자들이 정규 RIS의 반사 공간 밖에 위치할 경우, STAR‑RIS는 무작위 위상 설정만으로도 정규 RIS보다 높은 SE/EE를 제공한다. 최적화된 STAR‑RIS는 추가적으로 20%~40%의 성능 향상을 달성한다. - **BD‑RIS 우위**: 다중섹터 BD‑RIS는 섹터별 독립 빔포밍 덕분에 동일한 RIS 요소 수에서도 STAR‑RIS보다 10%~25% 높은 전송률을 기록한다. ES와 MS 모드 간 성능 차이는 미미하지만, MS는 구현 비용이 현저히 낮다. - **IQI와 IGS**: IQI를 무시하고 proper signaling을 사용할 경우 전송률이 최대 15% 감소한다. IGS를 적용하면 이 손실을 거의 회복하며, 특히 서브캐리어 수가 적을 때(대역폭이 좁을 때) 더 큰 이득을 보인다. 다중 캐리어가 많아질수록 IGS의 추가 이득은 감소하지만, 이는 IQI 보정 자체가 주요 역할을 하기 때문이다. 6. **실용적 시사점**: RIS 요소가 제한된 상황에서도 다중섹터 BD‑RIS 혹은 STAR‑RIS를 활용하면 전통적인 정규 RIS보다 넓은 커버리지와 높은 효율을 얻을 수 있다. 또한, 하드웨어 비이상을 고려한 설계가 필요함을 강조하며, IGS와 같은 비정형 신호 설계가 실제 시스템에서 구현 가능함을 보인다. 최종적으로, 제안된 공동 최적화 프레임워크는 다양한 목적함수(최소 전송률, 합계 전송률, 전역 EE 등)에 적용 가능하므로, 향후 6G 네트워크에서 RIS 기반 에너지 절감 및 스펙트럼 효율 향상을 위한 핵심 기술로 활용될 전망이다. **