ARIS-RSMA Enhanced ISAC System: Joint Rate Splitting and Beamforming Design

1. 연구 배경 및 문제 정의 (Problem)

• 배경: 통합 감지 및 통신 (ISAC) 은 하드웨어 및 스펙트럼 효율성을 높이기 위해 통신과 감지 기능을 통합하는 차세대 기술입니다. 그러나 실제 환경에서는 장애물로 인한 가시선 (LoS) 차단이 발생하며, 이는 다중 표적 감지의 공정성 (Fairness) 병목 현상을 야기합니다.
• 기존 기술의 한계:
  • 수동형 RIS (PRIS): 신호를 반사만 하므로 약한 신호를 증폭하지 못해 LoS 차단 환경에서 커버리지가 부족합니다.
  • SDMA (공간 분할 다중 접속): 간섭을 영점 (Nulling) 처리하는 방식은 공간 자원을 비효율적으로 사용하여 다중 표적 간의 감지 신호 대 간섭 및 잡음비 (SINR) 균형을 맞추기 어렵습니다.
  • NOMA: 고정된 SIC (Successive Interference Cancellation) 제약으로 인해 ARIS 의 증폭 전력 및 잡음과 복잡하게 결합된 환경에서 재조정 능력이 제한적입니다.
• 핵심 문제: LoS 가 차단된 환경에서 다중 사용자의 통신 QoS 를 보장하면서도, 다중 표적 감지의 최악의 경우 (Worst-case) SINR 을 극대화하여 감지 공정성을 확보하는 것입니다.

2. 제안된 방법론 (Methodology)

저자들은 **능동형 재구성 가능 지능 표면 (ARIS)**과 **레이트 스플리팅 다중 접속 (RSMA)**을 결합한 새로운 ISAC 프레임워크를 제안합니다.

• 시스템 모델:

  • 단일 기지국 (BS) 이 다중 안테나를 사용하여 다중 사용자에게 통신을 제공하고, ARIS 를 통해 차단된 다중 표적을 감지합니다.
  • ARIS 는 수동형 반사뿐만 아니라 신호 증폭 기능을 포함하여 약한 신호를 강화합니다.
  • RSMA 는 공통 스트림 (Common stream) 과 개인 스트림 (Private stream) 으로 데이터를 분할하여 간섭을 유연하게 관리합니다.

• 최적화 문제:

  • 목적 함수: 모든 표적에 대한 **최소 다중 표적 에코 SINR (Max-Min Echo SINR)**을 최대화합니다.
  • 제약 조건:
    • 각 사용자의 최소 통신 QoS (데이터 레이트) 보장.
    • BS 및 ARIS 의 최대 전력 제약.
    • ARIS 각 요소의 최대 증폭 인자 제한.
  • 결합 변수: BS 송수신 빔포밍 ($F, w$), ARIS 반사 계수 ($\Phi$), RSMA 레이트 할당 ($c$).

• 알고리즘 설계 (BCD 기반):

  • 비볼록 (Non-convex) 하고 고도로 결합된 최적화 문제를 해결하기 위해 블록 좌표 하강 (BCD) 알고리즘을 개발했습니다.
  • 문제를 세 개의 서브프로블럼으로 분해하여 반복적으로 해결합니다:
    1. 수신 빔포밍 설계: 일반화된 Rayleigh 몫 최적화를 통해 각 표적의 SINR 을 최대화하는 수신 빔포머를 계산.
    2. 송신 빔포밍 및 레이트 스플리팅 설계:
       • 분수형 목적 함수와 비볼록 제약 조건을 처리하기 위해 MAJORIZATION-MINIMIZATION (MM) 기법과 **Sequential Rank-One Constraint Relaxation (SROCR)**을 적용.
       • RSMA 의 공통/개인 레이트 할당을 빔포밍과 함께 최적화.
    3. ARIS 반사 빔포밍 설계:
       • ARIS 의 증폭 및 위상 제어 변수를 최적화.
       • 4 차 (Quartic) 항을 2 차 형태로 변환하고 MM 기법을 사용하여 근사화한 후, SROCR 을 통해 반사 행렬을 구함.

3. 주요 기여 (Key Contributions)

1. ARIS-RSMA 통합 프레임워크 제안: LoS 차단 환경에서 다중 표적 감지의 공정성 병목 현상을 해결하기 위해 ARIS(신호 증폭) 와 RSMA(유연한 간섭 관리) 를 최초로 결합한 ISAC 구조를 제시했습니다.
2. 효율적인 최적화 알고리즘 개발: 복잡한 비볼록 문제를 해결하기 위해 MM, SROCR, BCD 를 결합한 수렴 보장 알고리즘을 설계했습니다. 이는 기존 SDMA 나 NOMA 기반 접근법보다 계산적으로 효율적입니다.
3. 공정성 보장 메커니즘: RSMA 의 공통 스트림 구조를 활용하여 약한 사용자의 QoS 를 보장하고, 남은 공간 자원을 다중 표적 감지에 할당함으로써 '최악의 표적'의 감지 성능을 극대화합니다.

4. 시뮬레이션 결과 (Results)

수치 시뮬레이션을 통해 제안된 방식의 우수성을 입증했습니다.

• 성능 비교: 제안된 ARIS-RSMA 방식은 기존 NOMA, SDMA, 수동형 RIS (PRIS) 기반 방식보다 다중 표적의 최소 SINR 에서 월등히 높은 성능을 보입니다. 특히, 감지 전용 (OnlyS) 시스템의 상한선에 근접하는 성능을 달성했습니다.
• RSMA 의 이점: RSMA 는 SDMA(공간의 비효율성) 와 NOMA(고정된 SIC 제약) 의 단점을 보완하여, ARIS 의 증폭 이득을 다중 표적 보호에 가장 효과적으로 활용합니다.
• ARIS 증폭 인자 ($a_{max}$) 영향: ARIS 증폭 인자가 증가하면 SINR 이 향상되지만, ARIS 전력 제약과 증폭 잡음으로 인해 체감 수익이 감소하는 경향을 보였습니다. 적절한 증폭 인자 (예: 5) 만으로도 대부분의 이득을 얻을 수 있음을 확인했습니다.
• ARIS 배치: ARIS 는 차단된 감지 영역과 기지국 사이의 중간 지점 (약 2m 부근) 에 배치할 때 BS-ARIS-표적 왕복 이득과 사용자 링크 간의 균형을 이루어 최적의 성능을 발휘함을 보였습니다.

5. 의의 및 결론 (Significance)

이 논문은 복잡한 전파 환경 (LoS 차단) 에서 ISAC 시스템이 직면한 감지 공정성 문제에 대한 실용적인 해결책을 제시했습니다. ARIS 를 통한 신호 증폭과 RSMA 를 통한 간섭 관리 전략의 시너지 효과를 입증함으로써, 향후 6G 통신 및 정밀 감지 시스템 설계에 중요한 방향성을 제시합니다. 특히, 통신 QoS 를 저해하지 않으면서 다중 표적 감지의 신뢰성과 공정성을 동시에 확보할 수 있는 기술적 토대를 마련했다는 점에서 의의가 큽니다.