산업 현장 RIS 빔 스티어링 기하학 기반 검증

본 논문은 산업용 대형 생산 현장에서 재구성 가능한 지능형 표면(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)의 기하학 기반 빔 스티어링 성능을 실험적으로 검증한다. 연구 배경으로는 6G 시대에 고신뢰·저지연 통신을 위해 무선 전파를 실시간으로 제어할 수 있는 기술이 필요하다는 점을 들며, 특히 금속 구조물이 다수 존재하고 다중경로가 복잡한 공장 환경에서는 전통적인 정적 무선 설계가 한계에 봉착한다는 점을 강조한다. 실험 장비는 5 GHz 대역에서 동작하는 RIS 프로토타입으로, 각 모듈은 16 × 16개의 패시브 반사 요소(총 256개)로 구성된다. 총 6개의 모듈을 3 × 2 배열로 배치해 전체 1536개의 반사 셀을 확보했으며, 각 셀은 180° 위상 전환을 제공하는 이진 RF 스위치를 탑재한다. RIS 앞에는 네 개의 패치 안테나를 밀접하게 배치해 전송 안테나 역할을 수행하도록 설계했으며, 이는 전통적인 원거리 피더 대신 근거리에서 입사파를 직접 제어함으로써 모델 기반 최적화가 실제 하드웨어에 바로 적용될 수 있는 환경을 만든다. 채널 모델은 자유공간 전파식을 기반으로 하며, 전송‑RIS 거리(d_hm)와 RIS‑수신 거리(d_gm)를 각각의 요소에 대해 계산한다. 복소 전파 상수 h_m과 g_m을 곱해 각 요소의 연쇄 채널 h_casc,m을 구하고, 목표 수신점의 기하학적 위치에 따라 원하는 수신 위상 ϑ_t를 설정한다. 최적 위상 φ*_m은 ϑ_t와 각 요소의 실제 위상 φ′_m(=2π/λ(d_hm+d_gm))의 차로 정의되며, 이를 이진 스위치 상태(0 또는 π)로 양자화한다. 위상 후보는 0, π/2, π, 3π/2 네 가지이며, 각 후보에 대해 시뮬레이션된 수신 전력을 평가해 가장 높은 값을 선택한다. 이 과정은 실시간으로 수행될 수 있도록 설계되었으며, 직접적인 Tx‑Rx 직통 링크가 없을 경우에도 위상 차이를 보정해 최적 RIS 구성을 도출한다. 실험은 독일 아헨에 위치한 Fraunhofer IPT 생산 현장의 97 m × 28.5 m 규모의 홀에서 진행되었다. RIS는 높이 3.6 m에 설치되었고, 전송 안테나와 RIS 간 거리는 0.587 m로 고정하였다. 측정 구역은 RIS 앞의 10 m × 10 m 영역을 두 개(Area 1, Area 2)로 나누어, 각각 10 cm 간격의 격자점에서 수신 전력을 측정했다. 수신 안테나는 1.1 m 높이에 배치했으며, 두 위치(근거리와 원거리)에서 각각 실험을 수행했다. Area 1에서 근거리 수신 안테나(≈1 m) 경우, 목표 위치에 최적화된 RIS 설정을 적용했을 때 수신 전력이 –50 dBm 수준으로 급격히 상승했으며, 목표점에서 0.5 m 정도 벗어나면 전력이 20‑30 dB 감소했다. 이는 기하학 기반 위상 설계가 매우 좁은 빔을 형성해 공간 선택성을 확보함을 보여준다. 원거리 수신 안테나(≈3 m)에서는 피크 전력이 –55 dBm 정도로 약간 낮아지고, 고도 방향( elevation)에서 빔 폭이 넓어졌다. 이는 RIS 면적이 유한하고 거리 비례에 따라 파면 곡률이 변하기 때문이며, 금속 다중경로가 고도 각도에 더 큰 영향을 미친 결과로 해석된다. 방위 방향( azimuth)에서는 여전히 10 cm 수준의 정밀한 스티어링이 유지돼, 산업 환경에서도 방위 제어가 강인함을 확인했다. Area 2에서도 유사한 패턴이 관찰되었으며, 특히 복잡한 금속 구조물 사이에서도 목표 지점에 대한 전력 집중이 일관되게 나타났다. 실험 전반에 걸쳐 직접적인 Tx‑Rx 직통 링크가 없었음에도 불구하고, 모델 기반 위상 설계만으로 충분한 수신 전력을 확보할 수 있었으며, 이는 RIS가 복잡한 환경에서도 독립적인 전파 제어 매체로 활용될 수 있음을 입증한다. 하드웨어 측면에서는 이진 위상 스위치가 3 dB 정도의 반사 손실을 갖지만, 시뮬레이션 단계에서 이를 반영함으로써 실제 측정값과의 차이를 최소화했다. 또한, 양자화된 위상 후보 수를 4개로 제한함으로써 실시간 최적화에 필요한 연산량을 크게 줄였으며, 이는 실제 서비스 환경에서 빠른 RIS 재구성이 가능함을 시사한다. 결론적으로, 본 연구는 (1) 기하학 기반 분석이 복잡한 산업 환경에서도 실시간 RIS 빔 스티어링에 충분히 정확하고 빠른 최적화를 제공한다, (2) 금속 다중경로와 비직통 링크가 존재해도 목표 지점에 대한 고해상도 전력 집중이 가능하다, (3) 고도 해상도는 거리와 면적에 의해 제한을 받지만 방위 제어는 견고하게 유지된다는 세 가지 핵심 인사이트를 도출한다. 이러한 결과는 향후 스마트 팩토리에서 RIS를 이용한 커버리지 강화, 저전력 통신, 고정밀 실내 위치추정 및 전파 환경 제어 등에 실용적으로 적용될 수 있음을 뒷받침한다.