다중기능 스타리스 기반 통합 센싱 통신 시스템의 빔포밍 및 모드 최적화

본 논문은 차세대 6G 네트워크에서 통신과 환경 인지를 하나의 인프라로 통합하는 통합 센싱·통신(ISAC) 시스템을 구현하기 위해, 동시에 전송과 반사를 수행할 수 있는 재구성 지능형 표면(STAR‑RIS)을 핵심 요소로 채택한다. 연구 배경으로는 기존 RIS가 반사 전용이어서 반사면과 전송면에 각각 별도의 인프라가 필요하다는 한계와, ISAC 시스템이 사용자 위치·방향 추정의 불확실성을 충분히 고려하지 못한다는 문제점을 제시한다. **시스템 모델** - BS는 M개의 안테나를 가진 ULA를 사용하고, K개의 단일 안테나 사용자를 동시에 서비스한다. 사용자는 실내 전송 공간에 K_T명, 실외 반사 공간에 K_R명으로 구분된다. - STAR‑RIS는 N_x × N_z개의 메타원소로 구성된 UPA이며, 각 원소는 전송 계수 ϕ_T,n과 반사 계수 ϕ_R,n을 독립적으로 설정할 수 있다. 전송·반사 진폭은 β_T,n, β_R,n, 위상은 θ_T,n, θ_R,n으로 표현되며, 에너지 보존 제약 β_T,n²+β_R,n²≤1와 위상 결합 제약을 만족한다. - RIS는 두 가지 동작 모드를 혼합한다. ES(energy‑splitting) 모드에서는 전송·반사 에너지를 동시에 사용하고, TO(transmit‑only) 모드에서는 전송만 수행한다. 각 원소의 모드 선택을 이진 변수 α_n∈{0,1}으로 나타낸다. **두 단계 프로토콜** 1. **준비 단계(ηT)** – 이전 슬롯에서 얻은 실외 사용자 방향 추정값 \(\hat d_k\)를 이용해 RIS가 반사 빔을 형성한다. 동시에 전송 신호를 통해 실내·실외 사용자에게 데이터를 전송한다. 이때 실외 사용자의 실제 방향 d_k는 가우시안 분포 \( \mathcal N(\hat d_k,\Sigma_k) \) 로 모델링되어, 추정 오차가 통신 이득에 미치는 영향을 평균화한다. 2. **통신 단계((1‑η)T)** – 준비 단계에서 얻은 최신 방향 정보를 바탕으로 BS와 RIS의 빔포밍·위상·진폭을 재조정한다. 이 단계는 순수 데이터 전송에만 집중한다. **문제 정의** 목표는 두 단계 전체에 걸친 평균 통신 합률을 최대화하면서, 실외 사용자 방향 추정 정확도(예: CRB 하한)와 RIS 물리 제약을 만족시키는 것이다. 최적화 변수는 (i) BS 빔포밍 벡터 w_k, (ii) RIS 전송·반사 계수 (β_T,n,θ_T,n,β_R,n,θ_R,n), (iii) 모드 이진 변수 α_n이다. 목적함수는 \