RIS 기반 협동 다점 전송 ISAC으로 저고도 감시 커버리지 최적화

초록

본 논문은 저고도 경제(LAE) 영역에서 무단 비행체를 감시하기 위해, 다중 기지국이 협동하는 ISAC 네트워크에 RIS를 도입하고, 전송 빔포밍과 RIS 위상 설계를 공동 최적화하여 전력 소비를 최소화하면서 통신 스펙트럼 효율과 감시 SNR 요구조건을 동시에 만족시키는 알고리즘을 제시한다.

상세 분석

이 연구는 저고도 비행체 감시라는 특수한 서비스 요구를 충족시키기 위해, 기존 ISAC 시스템의 한계를 극복하고자 RIS를 활용한 CoMP(협동 다점 전송) 구조를 도입하였다. 시스템 모델에서는 J개의 전송 BS와 하나의 수신 BS, 그리고 M개의 반사 요소를 가진 RIS가 3차원 공간에 배치되어, K명의 지상 사용자와 저고도 목표물(O) 모두를 동시에 지원한다. 통신 링크는 직접 BS‑사용자 경로와 BS‑RIS‑사용자 반사 경로를 결합한 복합 채널 g_{j,k}=h_{j,k}+G_{R,j}Φh_{R,k} 로 모델링되며, Rician 페이딩을 적용해 현실적인 LOS/NLOS 혼합 환경을 반영한다. 감시 링크는 직접 경로와 RIS‑보조 경로 두 가지를 이용해 목표물의 반사 신호를 수신 BS에서 수집하고, 목표‑자유 채널을 사전 캘리브레이션하여 잡음을 제거한다.

핵심 최적화 문제(P1)는 전체 전송 전력을 최소화하면서(9a) 각 사용자에 대한 최소 스펙트럼 효율 R_req와 감시 영역 내 모든 격자점 o_l에 대한 최소 SNR γ_req을 보장하도록 설계된다. 변수는 BS 빔포밍 벡터 ω_{j,k}, 전용 감시 빔 ω_{j,0}와 RIS 위상 행렬 Φ이며, Φ의 각 원소는 단위 위상 제약(|e^{jφ_m}|=1)을 가진다. 비선형 제약과 변수 간 상호 의존성으로 인해 문제는 비convex이며, 저자는 이를 두 개의 서브문제로 분할한다.

첫 번째 서브문제(P2)는 고정된 Φ에 대해 빔포밍을 최적화한다. 여기서는 W_k=ω_kω_k^H 로 정의해 SDP 형태(P2.1)로 변환하고, rank‑1 제약을 SDR(반정밀 완화)으로 풀어낸 뒤, 최적 해가 rank‑1임을 이론적으로 보장한다(참조