UAV 기반 RIS와 RSMA를 활용한 보안 에너지 효율 최적화

초록

본 논문은 UAV에 탑재된 재구성 지능형 표면(RIS)과 레이트‑스플리팅 다중접속(RSMA)을 결합하여, 신뢰할 수 없는 에너지 수집 수신기(UEHR)에게서 발생하는 정보 유출 위험을 최소화하면서 정보‑수집 수신기(IHR)에게 충분한 전력을 전달하는 SWIPT 시스템의 공정(secrecy) 기반 에너지 효율(SEE)을 최대화하는 프레임워크를 제안한다. 비선형 에너지 수확 모델과 전송 전력 제한을 고려한 비볼록 최적화 문제를 교대 최적화와 순차 볼록 근사(SCA) 기법으로 해결한다. 시뮬레이션 결과, 제안 알고리즘이 기존 SDMA·NOMA 기반 설계에 비해 SEE와 확장성에서 현저히 우수함을 확인하였다.

상세 분석

본 연구는 5G 이후 네트워크에서 UAV‑RIS와 RSMA가 결합될 경우 물리계층 보안과 에너지 효율을 동시에 향상시킬 수 있다는 중요한 가설을 실증한다. 첫 번째 핵심 기여는 ‘공정 기반 SEE(max‑min) 최적화’라는 새로운 목표 함수를 도입한 점이다. 이는 단순히 전체 시스템의 총 SEE를 극대화하는 것이 아니라, 가장 취약한 사용자에 대한 비밀 전송률을 보장하면서 전체 에너지 효율을 높이는 설계로, 실제 서비스 환경에서의 QoS 보장에 부합한다. 두 번째 기여는 비선형 로지스틱 에너지 수확 모델을 정확히 반영한 제약식(Ω⁻¹(E_h))을 포함시켜, 실제 EH 회로의 포화 현상을 고려한 현실적인 설계가 가능하도록 한 점이다.

문제의 비볼록성은 크게 세 부분에서 발생한다. (i) 비밀 전송률을 표현하는 로그‑함수와 최대/최소 연산, (ii) 전력 소비와 전송 전력의 비선형 비율 형태, (iii) RIS 위상 변수의 단위 원(circle) 제약이다. 이를 해결하기 위해 저자들은 교대 최적화(Alternating Optimization, AO) 구조를 채택하였다. 구체적으로, (1) 공통 메시지 할당 변수 a_k는 고정된 프리코더와 RIS 위상 하에서 선형 프로그램(LP)으로 최적화한다. (2) 프리코더 행렬 P는 Dinkelbach 변환을 이용해 비선형 분수 목적함수를 차감형 형태로 전환하고, 각 반복 단계에서 1차 테일러 전개를 통해 비볼록 제약을 선형 근사한다. (3) RIS 위상 θ_m은 동일하게 1차 테일러와 변수 치환(vᵀΘG_b w = tᵀs) 기법을 적용해 복소수 곱셈을 선형화한다. 이러한 일련의 SCA 기반 근사는 매 반복마다 문제를 CVX‑solvable 형태의 convex 프로그램으로 변환시켜, 수렴성을 보장한다.

알고리즘 1은 Dinkelbach 루프와 SCA 루프를 중첩시켜, λ와 ζ(최소 비밀 전송률) 값을 순차적으로 업데이트한다. 수렴 기준은 ζ의 변화폭이 ε 이하가 될 때까지 진행한다. 복합적인 변수(공통/개인 프리코더, RIS 위상, 공통 메시지 비율) 간의 상호 의존성을 고려했음에도 불구하고, 시뮬레이션에서는 30~40회의 반복 내에 수렴함을 확인하였다.

성능 평가에서는 (i) 전송 전력 제한 P_max, (ii) UEHR 최소 전력 요구 E_h, (iii) RIS 요소 수 M, (iv) 사용자 수 K 등을 변수로 설정하고, 제안 RSMA‑RIS가 SDMA와 NOMA 대비 SEE를 20~35% 정도 향상시킴을 보여준다. 특히, UEHR 수가 증가하거나 비선형 EH 파라미터가 강화될수록 RSMA의 다중 스트림 구조가 간섭을 효과적으로 관리하여 SEE 저하를 최소화한다는 점이 강조된다.

한계점으로는 UAV 위치 최적화가 고정된 고도와 수평 위치에서만 고려되었으며, 채널 추정 오차와 RIS 하드웨어 비이상성(위상 양자화, 반사 손실) 등에 대한 분석이 부족하다. 또한, 비선형 EH 모델 파라미터가 고정값으로 가정돼 실제 회로 변동성을 반영하기엔 제한적이다. 향후 연구에서는 UAV 궤적 설계, 강인 채널 추정, 그리고 다중 UAV‑RIS 협업을 포함한 확장된 프레임워크가 필요할 것으로 보인다.