초대형 안테나 간격을 활용한 고해상도 근거리 광대역 센싱

본 논문은 차세대 6G 무선 시스템에서 통신과 레이더 기능을 하나의 플랫폼에 통합하는 ISAC(Integrated Sensing and Communication) 기술의 핵심 과제인 고해상도 거리·각도 측정과 하드웨어 복잡도 감소를 동시에 해결하고자 한다. 이를 위해 저자들은 mmWave 대역의 MIMO‑OFDM 기반 단일통신·센싱 시스템을 설계하고, 전송부(Tx)와 수신부(Rx)를 서로 다른 전파 영역에 배치한다. Tx는 작은 물리적 구역(반파장 간격)으로 구성된 ULA를 사용해 원거리(Far‑Field)에서 평면파를 가정하고, 저복잡도 빔 스티어링만으로 목표 방향을 지정한다. 반면 Rx는 ‘극대 안테나 간격(ELAS)’ 설계를 적용해 소수의 안테나를 매우 큰 간격(d_r ≫ d_t)으로 배치함으로써, 물리적 aperture D_r 를 크게 확보한다. 이때 Fraunhofer 거리 D_rx^F = 2D_r^2/λ 보다 작은 탐지 구역을 근거리(Near‑Field)로 설정해, 파면 곡률과 거리 의존 위상 변화를 활용한다. ELAS 설계는 기존 XL‑MIMO 방식이 요구하는 수천 개의 안테나와 그에 따른 RF 체인, 전력 소모, 캘리브레이션 복잡성을 회피한다. 대신, 안테나 간격을 크게 함으로써 동일한 유효 구역을 적은 수의 안테나로 구현한다. 저자들은 이 설계가 그레이팅 로브를 발생시키지 않도록, Tx와 Rx의 배열 응답을 복합적으로 고려한 설계 최적화를 수행한다. 구체적으로, Tx는 반파장(½λ) 간격으로 배열해 평면파를 유지하고, Rx는 간격을 λ보다 크게 하면서도 전체 복합 응답이 목표 방향에서 강하게 집중되도록 가중치를 설계한다. 이론적 분석에서는 근거리 파면 곡률이 거리 해상도에 미치는 영향을 정량화한다. 전통적인 대역폭 기반 거리 해상도 Δr_BW = c/(2B) 와 근거리에서 파면 곡률에 의해 결정되는 해상도 Δr_NF ≈ λ·d_r/(2·D_r) 를 비교해, Δr_NF 가 Δr_BW 보다 작아지는 ‘초해상도 영역’을 정의한다. 이 영역에서는 대역폭이 제한적이더라도 근거리 효과가 거리 구분 능력을 크게 향상시킨다. 또한, 넓은 대역폭과 근거리 효과가 동시에 작용할 경우, 두 효과가 상호 보완적으로 작용해 전체 해상도가 더욱 개선됨을 수식적으로 증명한다. 시스템 모델은 단일 확장 목표물(Extended Target, ET)을 L×W 영역에 무작위로 배치된 P개의 마이크로 산란점으로 가정한다. 각 산란점은 RCS σ_p 와 거리 r_p, 각도 θ_p 를 갖으며, 채널 행렬 H