VCSEL 기반 라이트이밍 RIS로 구현하는 mmWave 통신과 고정밀 위치추정

본 논문은 6G 차세대 무선 네트워크에서 요구되는 초고대역 mmWave 통신과 초정밀 사용자 인식을 동시에 만족시키기 위해, 라이트이밍 재구성 지능 표면(LeRIS)에 수직 공동면 방출 레이저(VCSEL)를 통합한 새로운 아키텍처를 제안한다. 기존 RIS는 전자기 파만을 재구성해 전파 경로를 제어하지만, 사용자 위치에 대한 정확한 사전 정보가 없으면 최적의 위상 설정이 어려워 성능 저하가 발생한다. 이를 보완하기 위해 저전력, 고속 변조가 가능한 VCSEL를 활용해 광학 신호를 통해 사용자 위치·방향을 직접 측정한다. 시스템 모델은 실내 환경을 가정하고, AP와 UE가 각각 방향성 안테나와 광수신기를 장착한다. 네 개의 LeRIS 패널이 방의 각 벽 중앙에 설치되며, 각 패널 주변에 세 개의 VCSEL가 비공선적으로 배치된다. VCSEL는 좁은 Gaussian 빔을 발사하고, 두 개 이상의 전이 모드(a, b)를 순차적으로 방출한다. 각 모드마다 빔 반경 w₀와 레일리 범위 z_R이 다르므로, 동일 VCSEL에 대해 두 모드의 수신 전력 비율을 이용하면 거리 d_i를 닫힌 형태로 역산할 수 있다(식 23). 세 개의 VCSEL로부터 얻은 거리 d₁, d₂, d₃를 이용해 삼변측량을 수행한다. 구면 방정식 ‖r−s_i‖² = d_i²를 세 개 만들고, 두 방정식의 차를 통해 선형 평면 방정식(식 25)을 도출한다. 이 평면들의 교차선과 하나의 구면을 교차시켜 유일한 위치 r̂를 복원한다. 위치가 확정되면, 각 VCSEL‑UE 벡터 û_i와 측정된 전력 비율을 이용해 자세 벡터 n̂을 3×3 선형 연립식(식 28)으로 계산한다. 이 과정은 잡음이 무시될 정도로 높은 SNR을 가정하고, 비공선 배치와 û_i의 선형 독립성을 전제한다. 위치·자세가 확보되면, LeRIS 패널은 전자적으로 각 반사소자의 위상 Φ_mn을 조정해 mmWave 신호를 UE 방향으로 정확히 빔포밍한다. 패널의 이득은 식 7‑12에 의해 모델링되며, 특히 마지막 LeRIS‑UE 링크에서는 추정 오차(θ_u, φ_u)와 실제 UE 방향(θ̂_r, φ̂_r) 사이의 차이가 이득 감소로 이어진다(식 15). UE 안테나의 FoV 제한을 고려해 최종 이득 G_r을 식 16‑17로 정의한다. 전체 경로 손실은 식 19‑20을 통해 계산되며, 최종 스펙트럼 효율 R은 전송 전력, 빔 이득, 잡음 등을 포함한다. 시뮬레이션에서는 VCSEL 파라미터(P_t=10 mW, w₀≈5 µm, θ_div≈0.5 mrad)와 mmWave 파라미터(28 GHz, 경로 손실 지수 n≈2.2)를 적용했다. 결과는 (1) 위치 오차 평균 0.8 mm, 자세 오차 평균 0.3°를 달성했으며, (2) LeRIS를 이용한 mmWave 전송에서 전통적인 RIS 대비 3‑5 dB 높은 스펙트럼 효율을 보였다. 또한, LED 기반 LeRIS와 비교했을 때 VCSEL 기반은 3개의 광원만으로 동일 정확도를 제공해 하드웨어 비용과 전력 소비를 크게 절감한다. 본 연구의 주요 기여는 다음과 같다. 첫째, VCSEL의 이중 모드 특성을 활용해 최소 3개의 광원으로 위치·자세 동시 추정이 가능한 닫힌 형태의 수식과 알고리즘을 제시하였다. 둘째, LeRIS와 mmWave 빔포밍을 결합해 사용자 인식 정보를 실시간으로 반영함으로써 경로 차단·손실 문제를 효과적으로 완화하였다. 셋째, 수학적 증명과 시뮬레이션을 통해 제안 시스템이 밀리미터 수준의 위치 정확도와 높은 스펙트럼 효율을 동시에 달성함을 검증하였다. 향후 연구에서는 다중 사용자 동시 추정, 이동성에 따른 실시간 트래킹, VCSEL 배열을 이용한 다중 빔 스캔 및 하드웨어 구현을 통해 시스템의 확장성과 실용성을 더욱 강화할 계획이다.