RIS‑지원 셀프리 Massive MIMO, 간섭 제로와 물리계층 보안의 융합

초록

본 논문은 RIS를 결합한 셀프리 Massive MIMO 시스템에서 CSI 기반 프리코더를 설계해 다중 사용자 간섭을 완전히 제거하고, 교차 최적화를 통해 액티브 빔포밍·전력 할당·RIS 위상 설계를 공동 최적화한다. Riemannian Manifold Optimization을 활용한 RCG 알고리즘으로 위상 설계의 비볼록성을 해결하고, 시뮬레이션을 통해 비밀 합률이 크게 향상됨을 입증한다.

상세 분석

이 연구는 6G 시대의 고밀도 네트워크에서 두 가지 핵심 과제—다중 사용자(MU) 간섭과 물리계층 보안(PLS)—을 동시에 해결하고자 한다. 먼저, 셀프리 Massive MIMO(CFmMIMO) 구조를 채택해 다수의 분산 AP가 중앙 CPU에 의해 협조적으로 동작하도록 설계하였다. 각 AP는 N_t 안테나를 보유하고, 이를 K개의 블록으로 나누어 각각의 사용자에게 전용 안테나 집합을 할당함으로써 전통적인 공동 전송 방식에서 발생하는 상호 간섭을 구조적으로 억제한다.

핵심 기여는 CSI 기반 프리코더 ϖ_opt의 도입이다. 수신 신호식을 Q·ϖ = q 형태의 선형 시스템으로 전개하고, Q의 역행렬을 이용해 ϖ_opt = Q⁻¹q를 구한다. 이 과정에서 RIS 위상 행렬 Θ와 빔포밍 벡터 w_k가 이미 고정된 상태에서 프리코더만을 최적화함으로써, 각 사용자는 자신에게 할당된 신호 외에 다른 사용자의 신호가 완전히 소거된 ‘간섭‑프리’ 상태를 얻는다. 또한, 스케일링 팩터 β̄을 도입해 전체 전송 전력을 평균적으로 유지하면서도 프리코더에 의해 발생하는 전력 변동을 보정한다.

보안 측면에서는, 위에서 설계된 프리코더와 RIS 위상 행렬 Θ_opt, 전력 할당 P_opt를 공동 최적화하는 비밀 합률 최대화 문제를 제시한다. 이 문제는 액티브 빔포밍(AP), 파워 할당, 패시브 빔포밍(RIS 위상) 세 변수에 대해 교차 최적화(Alternating Optimization, AO) 구조로 분해된다. 특히 RIS 위상 설계는 단위 복소수 원(모듈러스 1) 제약을 갖는 비볼록 문제이며, 이를 Riemannian Manifold Optimization(RMO) 프레임워크에 매핑한다. RMO는 복소 원 위에 정의된 기하학적 구조를 활용해 Riemannian Conjugate Gradient(RCG) 알고리즘으로 효율적으로 수렴한다. 이 접근법은 기존의 반정규화(SDR)나 교대 최소화와 달리 제약 위반 없이 직접 최적화를 수행해 연산 복잡도를 크게 낮춘다.

시뮬레이션 결과는 세 가지 주요 성능 지표에서 우수함을 보인다. 첫째, 프리코더 적용 후 다중 사용자 간섭이 실질적으로 0에 수렴해 각 사용자는 단일 사용자 MIMO와 동일한 SINR을 달성한다. 둘째, RIS 위상 최적화와 전력 할당을 동시에 수행함으로써 비밀 합률이 기존 무RIS 혹은 고정 위상 RIS 대비 30% 이상 향상된다. 셋째, AO‑RCG 알고리즘은 50100개의 RIS 요소에 대해 1015회의 반복만으로 수렴하며, 연산 시간도 기존 반정규화 기반 방법보다 2~3배 빠르다. 이러한 결과는 간섭 억제와 보안 강화가 동시에 가능한 실용적인 CFmMIMO‑RIS 통합 설계의 가능성을 입증한다.