산업 현장에서 기하학 기반 RIS 빔 스티어링의 측정 검증

초록

본 논문은 5 GHz 대형 RIS 프로토타입을 이용해 산업용 대형 홀에서 기하학 기반 빔 스티어링을 실험적으로 검증한다. RIS 앞에 네 개의 패치 안테나를 배치해 입사파를 제어하고, 수학적으로 도출한 양자화된 위상 설정을 적용하였다. 2차원 수신 전력 맵을 통해 목표 위치에서 강한 초점이 형성되고, 오프셋 위치로 스티어링할 경우 20‑30 dB 급감함을 확인했다. 거리 증가에 따라 고도 선택성이 넓어지는 반면 방위각 스티어링은 견고하게 유지되었다. 결과는 비이상적인 다중경로와 금속 반사 환경에서도 기하학 기반 RIS 제어가 실용적임을 입증한다.

상세 분석

본 연구는 기존의 채널 추정 기반 RIS 최적화가 복잡하고 실시간 적용이 어려운 점을 보완하기 위해, 순수 기하학 정보만을 이용한 빔 스티어링 방식을 실제 산업 환경에 적용한 최초 사례라 할 수 있다. 5 GHz 대역에서 1 m² 규모의 메타표면을 제작하고, RIS 앞에 4개의 패치 안테나(간격 5 cm 이하)를 배치함으로써 인위적으로 입사파의 위상과 진폭을 조절한다. 이때 각 패치 안테나는 독립적인 위상 제어가 가능하도록 설계되어, RIS 전체에 전달되는 복합 입사파가 목표 방향으로 집중되도록 만든다.

기하학 기반 설계는 다음과 같은 수식적 절차를 따른다. 먼저 송신 안테나와 목표 수신점 사이의 직선 경로를 정의하고, RIS 표면상의 각 요소(i, j)에 대해 요구되는 반사 위상 φ₍ᵢ,ⱼ₎는
φ₍ᵢ,ⱼ₎ = −2π/λ · (d₁ᵢⱼ + d₂ᵢⱼ) + const,
여기서 d₁ᵢⱼ는 송신‑RIS 거리, d₂ᵢⱼ는 RIS‑수신 거리이다. 이 위상은 2‑bit(4단계) 양자화 후 실제 RIS에 적용된다.

실험은 두 개의 측정 구역(A, B)에서 수행되었으며, 각 구역은 RIS‑수신기 거리가 2 m에서 6 m까지 변화하도록 배치하였다. 수신기에는 고감도 스펙트럼 분석기가 연결돼, 0.5 m 간격으로 2‑D 전력 맵을 수집했다. 결과는 다음과 같이 요약된다. ① 목표 지점 근처에서 최적화된 위상 설정을 적용하면, 전력 맵에 뚜렷한 초점이 형성되고 평균 15 dB 이상의 이득을 제공한다. ② 목표 지점에서 ±0.5 m, ±1 m 정도 오프셋된 위치로 스티어링하면 전력 감소가 20 ~ 30 dB에 달한다. 이는 RIS가 고해상도 공간 선택성을 갖는다는 것을 의미한다. ③ RIS‑수신기 거리가 증가함에 따라 고도(elevation) 방향의 빔 폭이 넓어지는데, 이는 유한한 apertur와 파면 곡률의 영향으로 해석된다. 반면 방위각(azimuth) 방향은 거리와 무관하게 일정한 스티어링 정확도를 유지한다.

이러한 현상은 산업 현장의 금속 구조물과 복잡한 다중경로가 존재함에도 불구하고, 기하학 기반 설계가 충분히 강인함을 보여준다. 특히, 전통적인 채널 추정이 어려운 경우에도 RIS를 이용한 공간적 전력 제어와 수신기 위치 추정이 가능함을 시사한다. 또한, 2‑bit 위상 양자화만으로도 실용적인 빔 포커싱이 가능함을 입증함으로써, 저비용 대규모 RIS 배치에 대한 설계 가이드라인을 제공한다.