거대한 유체 안테나 시스템을 이용한 다중사용자 MIMO 채널 모델링 및 성능 분석

초록

본 논문은 대규모 위치 재구성이 가능한 거대한 유체 안테나 시스템(E‑FAS)을 도입하여, 표면파와 자유공간파가 결합된 새로운 전파 모드를 제시한다. 물리 기반의 종단‑종단 채널 모델을 구축하고, 단일 사용자 선형 프리코딩과 다중 사용자 제로포싱(ZF) 프리코딩에 대해 폐쇄형식의 outage 확률, ergodic 용량 및 합률식을 도출한다. 분석 결과, E‑FAS는 작은 스케일 페이딩이 결정하는 다양도는 유지하면서도 표면파 전파 손실 감소에 따른 코딩 이득을 제공함을 확인한다.

상세 분석

본 연구는 기존 RIS나 고정형 플루이드 안테나(FAS)와 차별화된 ‘거대한 유체 안테나 시스템(E‑FAS)’ 개념을 제시한다. E‑FAS는 건물 내부·외부의 벽·천장·파사드 등에 메타표면 타일을 배치하고, 입사하는 자유공간 전파를 표면파로 변환한 뒤 원통형 전파 특성을 이용해 저감된 손실로 목표 단말까지 전달한다. 이러한 전파 경로는 (i) BS‑표면(Excitation) 구간, (ii) 표면파 전파 구간, (iii) 런처 인터페이스, (iv) 최종 자유공간 전파 구간으로 구성된다.

채널 모델링
BS‑표면 구간은 대규모 이득 β_BS와 i.i.d. 복소 가우시안 소규모 페이딩 G_BS‑sur을 곱한 형태 H_BS‑sur = √β_BS·G_BS‑sur 로 모델링한다. 표면파 전파는 거리 d에 따라 감쇠 상수 α와 위상 상수 β를 포함한 H_sw(d)=A₀·e^{−αd}·e^{−jβd} 로 표현되며, A₀는 결합 효율과 임피던스 매칭을 반영한다. 런처‑UE 구간 역시 동일한 레일리 페이딩 모델을 적용한다. 전체 종단 채널은 H_eq = H_l‑UE·H_sw·H_BS‑sur 로 정의되며, 독립적인 가우시안 행렬들의 곱이므로 평균 제로·공분산 β_eq·I 형태의 복소 가우시안(CN) 분포를 유지한다. 여기서 β_eq = β_BS·|A₀|²·e^{−2αd_sw}·β_l‑UE 로, 표면파 감쇠와 결합 손실을 명시적으로 포함한다.

단일 사용자 분석
선형 프리코딩(예: MRT) 하에서 수신 SNR은 γ = (P/K)·β_eq·|h|²/σ² 로 표현된다. |h|²는 지수분포(평균 1)를 따르므로, outage 확률은 1−exp(−γ_th·σ²/(P/K·β_eq)) 로 폐쇄형식으로 도출된다. ergodic 용량은 E