실제 하드웨어 모델을 활용한 RIS 보조 MIMO 시스템의 비밀 전송률 최적화

초록

본 논문은 전기 저항을 포함한 실용적인 RIS 반사 요소 모델을 도입하여, 완전 CSI 하에서 Alice‑Bob‑Eve 3자 MIMO 통신의 비밀 전송률을 최대화하는 문제를 연구한다. 저항 효과를 고려한 정확한 비밀 전송률 최적화는 계산량이 크게 증가하므로, 저항을 반영한 채널 전력 차이를 최대화하는 근사 문제를 제안하고, 적응형 투사 경사법(PGM)으로 전송 프리코딩 행렬과 RIS 위상 변이를 공동 최적화한다. 시뮬레이션 결과, 제안 알고리즘은 기존 고정 스텝 PGM 대비 비밀 전송률과 연산 시간을 모두 크게 향상시키며, 근사 문제에서도 실제 최적에 근접한 성능을 보인다.

상세 분석

이 연구는 RIS‑assisted MIMO 시스템에서 흔히 무시되는 반사 요소(RE)의 전기 저항을 모델링함으로써, 실제 하드웨어 제약을 반영한 보안 성능 분석을 수행한다. 전통적인 RIS 모델은 각 RE가 이상적인 무손실 반사기라고 가정하고 위상만 조절 가능하다고 보지만, 실제 회로에서는 금속 패턴과 다이얼렉트릭 층의 저항성분이 존재한다. 저항은 반사 신호의 진폭을 감소시키고, 위상 오차를 유발해 전체 채널 매트릭스에 비선형적인 왜곡을 초래한다. 논문은 이러한 저항을 복소수 반사 계수 ρ=αe^{jθ} 형태로 표현하고, α∈(0,1) 를 저항에 비례하는 감쇠 계수로 설정한다. 이를 통해 RIS‑Bob, RIS‑Eve, 그리고 RIS‑Alice 간의 복합 채널을 실제 전력 손실을 포함한 형태로 재정의한다.

비밀 전송률 R_s =