다중주파수 다중사용자 RIS 시스템을 위한 서브서페이스 기반 위상 설계와 성능 분석

초록

본 논문은 RIS를 여러 개의 서브서페이스로 나누어 각 서브서페이스를 하나의 사용자와 전용 주파수 대역에 매핑하는 설계(SD)를 제안한다. 상관관계가 있는 리시안 및 레일리 페이딩 환경에서 평균 SNR의 정확한 폐쇄형식을 유도하고, 이를 기반으로 LoS와 순수 레일리 경우를 간소화한다. 또한, 이미 설정된 위상을 활용해 순차적으로 설계하는 반복형(ISD)과 수렴까지 반복하는 CISD를 도입해 SD보다 높은 SNR을 달성한다. 복잡도는 기존 최저 복잡도 MU 방법보다 크게 낮으며, 특히 강한 LoS 채널이나 사용자 군집 상황에서 우수한 견고성을 보인다.

상세 분석

이 연구는 RIS‑MU 시스템에서 “위상 선택”이라는 핵심 문제를 기존의 고복잡도 최적화·머신러닝 접근법 대신, 구조적 단순화와 수학적 분석을 결합한 새로운 패러다임으로 해결한다. 먼저 RIS를 K개의 서브서페이스로 균등 분할하고, 각 서브서페이스는 하나의 UE에 전용 주파수 대역을 할당한다는 아이디어는, 다중 사용자 간의 간섭을 주파수 도메인에서 자연스럽게 차단하고, MF 수신기만으로도 충분히 복원 가능하게 만든다. 이때 각 서브서페이스에 할당된 N_k = N/K개의 요소에 대해서는 단일 사용자(SU) 최적 위상(∠a_r – ∠h_ur)만 적용하면 된다.

핵심 이론적 기여는 상관관계가 있는 리시안 페이딩 채널 전반에 대해 평균 SNR을 정확히 구한 폐쇄형식이다. 채널 모델은 LoS 성분(계급 1)과 Kronecker 형태의 상관 레일리 스캐터링을 결합했으며, K‑factor와 상관 행렬을 명시적으로 포함한다. 이를 통해 𝔼