다중기능 RIS 기반 레이더·통신 동시 운용 실내 채널 모델링 및 측정

초록

본 논문은 실내 Sub‑6 GHz 환경에서 다중기능 재구성 지능형 표면(MF‑RIS)을 활용한 레이더와 5G NR 통신의 동시 운용을 구현하고, RIS‑주도 가상 LoS(vLoS) 경로를 포함한 3GPP 호환 채널 모델을 제시한다. 대규모·소규모 파라미터(경로 손실, 그림자 페이딩, Rician K‑factor, 클러스터 전력, RMS 지연 확산)를 실험적으로 추출하고, DBSCAN‑칼만 필터 기반 실시간 사용자 위치 추정 알고리즘을 설계한다. 2×2 SU‑MIMO 테스트에서 RIS 근접 영역에서 스루풋 변동이 74 % 감소하고 합계율이 12.5 % 향상되는 등 채널 경직화 효과를 입증한다.

상세 분석

이 연구는 MF‑RIS가 레이더와 통신을 동일 주파수 대역에서 동시에 수행할 수 있는 구조를 제안함으로써, 기존 RIS가 단순 반사만 제공하던 한계를 극복한다. 핵심 기여는 네 가지로 요약할 수 있다. 첫째, RIS의 레이더 단면(RCS)과 재방사 패턴을 기반으로 3GPP TR 38.901와 호환되는 새로운 채널 모델을 도출하였다. 여기서는 BS‑RIS‑UE 3단계 전파 경로를 각각 LoS와 NLoS 클러스터로 분리하고, RIS‑특유의 가상 LoS(vLoS) 경로를 명시적으로 포함한다. 두 번째로, 기존 Rayleigh 페이딩 모델이 MF‑RIS 환경을 설명하지 못한다는 점을 확인하고, 넓은 대역에서는 Weibull, 좁은 대역에서는 로그‑정규 분포가 더 적합함을 실험적으로 입증하였다. 세 번째는 실내 대형 공간과 중형 회의실 두 환경에서 대규모(경로 손실, 그림자 페이딩)와 소규모(클러스터 파워, RMS 지연 확산, K‑factor) 파라미터를 정량화한 것이다. 특히 RIS‑UE 경로의 경로 손실 지수(PLE)가 2보다 작아, RIS가 실제 ‘증폭기’ 역할을 수행함을 보여준다. 네 번째는 DBSCAN 기반 군집화와 칼만 필터를 결합한 실시간 사용자 위치 추정 알고리즘을 설계하였다. 실험 결과 평균 127 ms의 예측 지연과 6.47°의 AoA 추정 정확도를 달성했으며, 이는 기존 삼각측량 방식에 비해 복잡도는 낮지만 정확도는 동등하거나 우수함을 의미한다. 또한, 2×2 SU‑MIMO 5G NR 시스템에서 MF‑RIS를 근접 영역에 배치했을 때 스루풋 변동이 74 % 감소하고, 합계율이 12.5 % 향상되는 채널 경직화 효과를 확인하였다. 이는 RIS가 다중 경로를 재구성해 지연 확산을 감소시키고, 코히어런스 대역폭을 확대함으로써 MIMO 채널의 조건을 크게 개선한다는 실증적 증거이다. 전체적으로 이 논문은 MF‑RIS가 레이더·통신 융합(ISAC) 시스템의 핵심 하드웨어가 될 가능성을 제시하고, 실내 Near‑Field 환경에서의 채널 특성을 정량화한 최초의 종합 연구라 할 수 있다.