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RIS-Assisted Radar-Communication Coexistence: Detection Analysis with Channel Uncertainties

본 논문은 채널 불확실성이 존재하는 비협력 설정에 대해 RIS 지원 레이더-통신 공존 프레임을 제안하며, 정밀한 위상 추적이나 즉각적인 채널 상태 정보(CSI)를 요구하지 않고도 강력한 무작위 레이더 간섭을 효과적으로 완화하는 실용적인 비코히어런트 및 미스매치 코히어런트 최대 가능도 검출기를 도입한다.

원저자: Rawan Derbas, Shimaa Naser, Hamad Yahya, Sanjeev Gurugopinath, Paschalis C. Sofotasios, Sami Muhaidat

게시일 2026-08-25

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CC BY 4.0

원저자: Rawan Derbas, Shimaa Naser, Hamad Yahya, Sanjeev Gurugopinath, Paschalis C. Sofotasios, Sami Muhaidat

원본 논문은 CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

현대 무선 기술의 북적이는 하늘에서, 매우 다른 두 시스템이 점점 더 같은 공간을 공유하도록 강요받고 있습니다. 한쪽에는 레이더 시스템이 강력하고 고에너지인 펄스를 통해 항공기, 차량, 기상을 스캔하며 세상의 눈 역할을 하고 있습니다. 다른 한쪽에는 통신 네트워크가 데이터, 음성, 영상을 운반하며 섬세하고 연속적인 정보의 흐름에 의존하고 있습니다. 이 두 시스템이 공유된 계획 없이 근처에서 작동할 때, 레이더의 강력한 폭발은 통신 네트워크의 조용한 속삭임을 덮어버려 데이터가 손실되는 혼란스러운 환경을 조성할 수 있습니다. 이는 특히 레이더의 민감한 측정을 보호하기 위해 통신 타워가 금지된 구역인 '제외 구역(exclusion zones)'에 위치한 사용자들에게 두드러집게 나타납니다. 이러한 구역에 있는 사람에게 레이더 간섭은 너무 강력하고 그 타이밍이 예측 불가능하여, 표준적인 신호 수신 방식은 단순히 실패하게 됩니다.

이를 해결하기 위해 엔지니어들은 재구성 가능한 지능형 표면(reconfigurable intelligent surface)이라 불리는 기술로 눈을 돌렸습니다. 수천 개의 작은 수동 거울로 만들어진 크고 평평한 패널을 상상해 보십시오. 전력을 사용하여 신호를 송신해야 하는 전통적인 안테나와 달리, 이 표면은 에너지를 생성하지 않습니다. 대신, 들어오는 라디오파를 부드럽게 밀어내어 방향과 타이밍을 변경함으로써 필요한 곳으로 정확히 유도할 수 있습니다. 이러한 표면을 레이더 제외 구역 안에 배치함으로써, 장애물을 돌아 통신 신호를 반사하여 연결이 끊길 위기에 처한 사용자에게 전달하는 것이 가능해집니다. 그러나 이 솔루션은 자체적인 문제들을 야기합니다. 레이더 간섭은 단순히 소리가 큰 것뿐만 아니라 무작위적이어서, 그 정확한 위상이나 타이밍 정렬을 예측하는 것이 불가능합니다. 게다가 지능형 표면 자체도 완벽하지 않습니다. 작은 거울들에는 미세한 제조 오류가 있으며, 시스템은 송신기와 수신기 사이의 공기 상태를 항상 정확히 알 수는 없습니다. 이러한 불완전함은 신호를 정화하는 데 사용되는 정교한 수학적 기법들을 종종 무너뜨려, 사용자에게 깨진 메시지를 남깁니다.

연구팀은 이 어려운 환경에서 통신 수신기가 어떻게 신호를 들을 수 있을지에 대한 새로운 방법을 설계하기 위해 착수했습니다. 그들은 사용자가 레이더 제외 구역에 갇혀 있고, 예측 불가능한 레이더 노이즈의 공격을 받는 와중에 재구성 가능한 지능형 표면에 의존하여 신호를 받는 시나리오에 집중했습니다. 연구원들은 레이더 간섭의 정확한 타이밍을 추적하려는 시도가 헛수고라는 것을 알고 있었으며, 시스템이 채널을 완벽하게 알고 있다고 가정하는 것은 비현실적이라는 것을 알고 있었습니다. 불확실성과 싸우는 대신, 그들은 수신기가 노이즈를 이해할 수 있는 두 가지 새로운 방법을 개발했습니다. 첫 번째 방법은 비코히런트(non-coherent) 접근 방식으로, 본질적으로 수신기가 파동의 정밀한 타이밍을 맞추려 하기보다 신호의 강도에 주목하는 것을 의미합니다. 이 방법은 지능형 표면이 신호를 반사할 때 작은 오류가 있더라도 작동하도록 설계되었습니다. 두 번째 방법은 '미스매치드(mismatched)' 접근 방식으로, 수신기가 채널 상태에 대한 대략적인 개념은 가지고 있지만 완벽하지는 않다고 가정하여, 환경에 대한 데이터가 약간 틀리더라도 기능할 수 있도록 합니다.

연구진은 이 상황에 대한 상세한 수학적 모델을 구축하였으며, 레이더 간섭을 예측 불가능하게 움직이는 일정한 무작위 힘으로 취급했습니다. 그런 다음, 이 혼란스러운 조건 속에서 컴퓨터가 어떤 메시지가 전송되었는지 결정할 수 있는 최선의 방법을 도출했습니다. 그들은 최대 우도 검출기(maximum-likelihood detector)라고 알려진 가장 정확한 방법이, 레이더의 무작위 위상을 추적할 필요가 없는 실용적인 규칙으로 단순화될 수 있음을 발견했습니다. 이 단순화된 규칙은 시스템의 평균적인 행동을 계산함으로써, 레이더 펄스가 도착하는 정확한 순간을 예측하는 불가능한 과업을 효과적으로 무시하며 작동합니다. 또한 그들은 채널에 대한 지식이 불완전할 때를 대비하여, 통계적 근사치를 사용하여 작동하는 두 번째 규칙을 만들었습니다.

이 아이디어들이 실제로 작동하는지 확인하기 위해, 연구진은 광범한 컴퓨터 시뮬레이션을 실행했습니다. 그들은 레이더 간섭의 수준과 지능형 표면의 반사 요소 개수에 따라 시스템이 어떻게 성능을 보이는지 테스트했습니다. 결과는 그들의 새로운 비코히런트 검출기가 이론적으로 완벽한 검출기와 거의 동일하게 성능을 발휘한다는 것을 보여주었으며, 이는 그것이 실행 가능한 실용적 솔루션임을 입증했습니다. 시뮬레이션은 중요한 발견을 드러냈습니다: 레이더 간섭이 매우 강력할 때, 시스템은 추가적인 전력으로도 연결을 개선할 수 없는 '플로어(floor, 바닥)'에 도달하여, 오류율이 떨어지지 않고 정체됩니다. 그러나 연구진은 지능형 표면의 작은 반사 요소의 수를 늘리면 이 오류 플로어를 크게 낮출 수 있다는 것을 발견했습니다. 더 많은 요소를 추가함으로써, 시스템은 훨씬 더 견고해지며, 간섭이 장악하는 시점을 늦추고 훨씬 더 가혹한 조건에서도 연결을 유지할 수 있게 됩니다.

이 연구는 서로 다른 유형의 오류가 시스템에 어떻게 영향을 미치는지도 강조했습니다. 연구진은 표면의 위상 구성 오류와 채널 지식의 오류가 서로 다른 방식으로 성능을 저하시키지만, 둘 다 지능형 표면의 규모를 키움으로써 완화될 수 있다는 것을 발견했습니다. 한 특정 테스트에서, 반사 요소의 수를 12개에서 15개로 늘림으로써 시스템은 동일한 신뢰성을 유지하면서 레이더 간섭 전력이 6데시벨 증가하는 것을 견뎌낼 수 있었습니다. 이는 지능형 표면의 물리적 크기가 조율되지 않은 레이더와 통신 시스템의 한계를 극복하는 핵심 요소임을 시사합니다. 이 연구는 환경이 혼란스러울지라도, 지능형 표면이 현실의 거친 모서리를 매끄럽게 할 만큼 충분히 크다면 정교하게 설계된 수신기가 여전히 신호를 찾아낼 수 있음을 확인시켜 줍니다.

기술 요약: 채널 불확실성을 고려한 RIS 지원 레이더-통신 공존 기술

문제 정의
본 논문은 레이더-통신 공존(RCC) 프레임워크 내에서 레이더 제외 구역(exclusion zones)에 위치한 사용자들을 위한 신뢰할 수 있는 통신 유지 문제를 다룹다. 이러한 비협력적 환경에서 통신 사용자(CU)는 레이더 운용에 대한 간섭을 방지하기 위해 레이더 시스템 근처에서 동작하는 것이 제한된다. 결과적으로, CU는 제외 구역 외부에 위치한 기지국(BS)으로부터 신호를 수신하기 위해 제외 구역 내에 배치된 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)에 의존하게 된다.

시스템은 기존의 탐지 방법을 저하시키는 세 가지 핵심적인 실무적 결함에 직면해 있다:

알 수 없는 레이더 간섭 위상: CU는 레이더 간섭을 강하게 경험하며, 이때 간섭의 진폭은 비교적 일정하지만 위상은 전파 지연으로 인해 무작위적이고 알 수 없으며 추적이 어렵다.
RIS 위상 오차: 하드웨어의 한계로 인해 RIS 반사 소자가 이상적인 위상 변화에서 벗어나 결합의 일관성(coherent combining)을 저해한다.
불완전한 채널 상태 정보(CSI): RIS의 수동적 특성과 높은 채널 차원으로 인해 정확한 CSI를 획득하는 것이 어려우며, 이는 추정 오차로 이어진다.

이러한 요인들은 정밀한 채널 및 간섭 위상 지식에 의존하는 기존의 코히어런트 검출기(coherent detectors)를 비효적으로 만들거나 과도하게 복잡하게 만든다.

방법론
저자들은 직접적인 BS-to-CU 경로가 차단되고, 레이더의 직접적인 조사(illumination)를 최소화하도록 배치된 RIS 지원 RCC 시스템에 대한 신호 모델을 개발한다. 수신 신호는 원하는 RIS 반사 신호, 가산 백색 가우시안 잡음(AWGN), 그리고 알려진 전력은 갖추었으나 위상이 균등 분포를 따르며 알 수 없는 형태인 레이더 간섭 항을 포함한다.

본 논문은 특정 결함 시나리오에 맞춤화된 두 가지 최대 가능도(Maximum-Likelihood, ML) 기반 검출 프레임워크를 제안한다:

비코히어런트 검출기 (RIS 위상 불확실성):
- BS가 RIS 구성을 위한 완벽한 CSI를 보유하고 있으나, CU는 통계적 CSI만을 가지고 운영되며 RIS 위상 오차에 직면한 상황을 위해 설계되었다.
- 저자들은 알 수 없는 레이더 위상과 RIS 채널 이득의 분포에 대해 주변화(marginalizing)를 수행하여 정확한 가능도 식을 유도한다.
- 저·중간 신호 대 간섭 및 잡음비(SINR) 영역을 위한 폐쇄형(closed-form) 검출기가 유도된다. 이 검출기는 RIS 위상 오차로 인한 성능 저하를 정량화하기 위해 감쇠 계수( $\eta$ )를 명시적으로 포함한다.
- 성능 분석은 쌍별 오류 확률(Pairwise Error Probability, PEP) 및 유니언 바운드(Union Bound) 비트 오류율(BER) 근사법을 사용하여 수행된다.
미스매치 코히어런트 검출기 (불완전한 CSI):
- RIS 위상 변화가 추정된 채널을 기반으로 구성되지만, 해당 추정치에 오류(상관 계수 $\rho$ 로 모델링됨)가 포함된 상황을 위해 설계되었다.
- 수신 신호 모델은 유효 채널 이득과 채널 추정 오차로 인해 도입된 추가 잡음 항을 포함한다.
- 저·중간 SINR 영역에서 레이더 간섭을 잡음으로 취급하는 미스매치 ML 검출기가 유도된다.
- PEP 분석은 채널 이득과 잡음 분산 사이의 상관관계로 인해 복잡한 적분을 포함한다. 분석을 용이하게 하기 위해, 저자들은 가우스-체비쇼프 쿼드러처(Gauss-Chebyshev Quadrature, GCQ)를 사용하여 PEP를 근사하고, 고(high) SINR에서 더 타이트한 성능 경계를 얻기 위해 최근접 이웃 유니언 바운드(Nearest Neighbor Union Bound, NNUB)를 유도한다.

주요 기여

시스템 모델링: 알 수 없는 레이더 간섭 위상, RIS 위상 오차, 불완전한 CSI를 명시적으로 고려한 비협력적 RCC를 위한 포괄적인 신호 모델을 구축한다.
검출기 설계: 레이더 위상을 추적하지 않으면서 RIS 위상 불확실성을 포함하는 비코히어런트 검출기와, 불완전한 CSI에서도 작동하는 미스매치 코히어런트 검출기라는 두 가지 실용적인 ML 기반 검출기를 개발한다.
분석 프레임워크: 특정 영역에 대한 정확한 가능도 식과 폐쇄형 검출기를 유도한다. 미스매치 사례의 난해한 적분을 피하기 위해 유니언 바운드와 GCQ를 사용하여 다루기 쉬운 PEP 및 BER 근사치를 제공한다.
성능 검증: 몬테카를로 시뮬레이션을 광범위하게 실시하여 제안된 검출기가 최적의 ML 검출기와 성능이 밀접하게 일치함을 입증함으로써 분석적 유도를 검증한다.

결과 및 발견
수치적 및 분석적 결과는 다음을 보여준다:

검출기 정확도: 제안된 비코히어런트 검출기는 광범위한 운용 조건에서 최적의 ML 검출기를 밀접하게 추종하며, 이는 낮은 구현 복잡도로도 실용적인 유용성을 가짐을 입증한다.
간섭 제한 영역: 강력한 레이더 간섭은 송신 전력을 높이더라도 BER이 포화되는 간섭 제한 영역을 생성한다.
RIS 소자의 영향: RIS 반사 소자의 수( $N$ )를 늘리는 것은 시스템 견고성을 크게 향상시킨다. 큰 $N$ 은 코히어런트 결합 이득과 채널 경화 효과를 강화함으로써 BER을 낮추고 오류 플로어(error floor)의 발생을 지연시킨다.
결함 민감도: RIS 위상 오차와 불완전한 CSI는 서로 다른 메커니즘을 통해 성능을 저하시킨다. 그러나 RIS 소자 수를 늘리는 것은 무작위 위상 RIS 구성과 비교했을 때 이러한 결함의 부정적 영향을 상당히 완화한다.
위상 보상: 위상 보상된 RIS 구성은 불완전한 CSI가 존재하는 상황에서도 무작위 위상 구성보다 상당한 성능 이득을 제공하지만, 매우 높은 간섭 전력 수준에서는 그 이점이 감소한다.

의의
본 논문의 주요 의의는 이론적인 RIS 지원 RCC 설계와 실제 배포 시 발생하는 수신기 측의 실무적 과제 사이의 간극을 메우는 데 있다고 주장한다. 알 수 없는 레이더 위상과 하드웨어 및 채널 불확실성을 명시적으로 다룸으로써, 제안된 프레임워크는 기존의 코히어런트 수신이 불가능한 제외 구역 내의 통신 사용자를 위한 견고한 솔루션을 제공한다. 본 연구는 강력한 간섭이 근본적인 한계를 부과하더라도, 대규모 RIS 어레이를 전략적으로 배치함으로써 이러한 한계를 효과적으로 완화하고 신뢰할 수 있는 통신 링크를 유지할 수 있다는 설계 통찰력을 제공한다.

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