벽을 넘어 보는 눈: RIS 기반 코너 회피 레이더 혁신

초록

본 논문은 5.5 GHz 대역에서 1‑bit 코딩 메타서피스 RIS를 활용해 비직접 시야(NLOS) 상황의 인간 움직임을 마이크로‑도플러 신호로 포착하는 실험을 수행한다. RIS를 적절히 배치·각도 조정함으로써 기존 다중경로 기반 ACR보다 신호 강도가 크게 향상되었으며, 특히 RIS‑30°·45°·60° 반사각에서 NLOS 영역의 마이크로‑도플러 스펙트로그램이 관측되었다. 다만 RIS의 시야(FOV) 제한과 좁은 대역폭이 성능을 제약하므로, 향후 넓은 FOV와 광대역 레이더 적용이 필요하다.

상세 분석

이 연구는 기존의 다중경로 기반 ‘Around‑the‑Corner Radar(ACR)’가 직면한 두 가지 근본적인 한계, 즉 신호 세기의 약함과 다중 경로에 의한 위치 추정의 비유일성을 RIS(Reconfigurable Intelligent Surface)를 통해 해결하고자 한다. 실험에 사용된 RIS는 256 mm × 160 mm 크기의 16 × 10 유닛셀 배열이며, 1‑bit PIN‑다이오드 기반 코딩 메타서피스로 5.45 GHz 중심 주파수에서 180° ± 20° 위상 차이를 제공한다. 18.5 %의 분수 대역폭(FBW)을 갖지만, 실제 실험에서는 10 kHz의 좁은 대역폭으로 VNA 기반 단일톤 레이더를 운용하였다.

레이더와 RIS는 모두 높이 1.1 m에 설치되고, RIS는 레이더로부터 1.8 m 거리, 입사각 –60°에 배치되어 반사각을 30°, 45°, 60°로 전환할 수 있다. 실내 L‑형 복도(폭 2.4 m, 벽 두께 30 cm)에서 인간 피험자를 네 가지 경로(T1~T4)로 이동시켰다. T1·T3은 LOS, T2·T4는 NLOS이며, 특히 T2와 T4는 RIS 없이는 마이크로‑도플러가 거의 검출되지 않는다.

실험 결과, RIS를 도입했을 때 NLOS 영역에서도 인간의 보행 마이크로‑도플러가 명확히 드러났다. RIS‑30°와 RIS‑45°에서 5 m 거리까지도 도플러 스펙트럼이 관측되었으며, RIS‑60°에서는 반사 빔이 목표물에 도달하기 어려워 신호 강도가 감소하였다. 또한, 목표물이 RIS에 가까울수록(2 m) 반사 파워가 크게 증가하고, 거리 3 m에서는 감쇠가 눈에 띄게 나타났다. 이는 RIS의 빔폭(≈11°~12°)이 제한적이기 때문에 시야(FOV) 확장이 필요함을 시사한다.

두‑방향 전파(레이다→RIS→목표→RIS→레이다) 구조이므로 통신용 단방향 전파에 비해 손실이 크게 발생한다. 실험에서는 약 4000개의 샘플(3 s, 370 Hz)로 STFT(윈도우 0.3 s)를 적용해 시간‑주파수 스펙트로그램을 생성했으며, LOS에서는 몸통·팔·다리의 도플러가 모두 뚜렷이 보였지만, NLOS+RIS에서는 몸통 중심의 도플러만이 주로 관측되었다.

결론적으로, RIS는 전통적인 다중경로 ACR에 비해 신호 강도와 도플러 검출 가능성을 크게 개선하지만, 현재 구현된 1‑bit 메타서피스의 제한된 빔폭·대역폭·전력 효율이 전체 시스템 성능을 억제한다. 향후 연구는 (1) 다중 비트·연속 위상 제어 메타서피스, (2) 넓은 대역폭·다중 주파수 레이더와의 통합, (3) 다중 목표 및 동시 다중 사용자 시나리오에서의 빔포밍 최적화 등을 통해 RIS‑기반 ACR의 실용성을 한층 끌어올릴 수 있을 것이다.