혁신적인 저복잡도 채널 추정 프로토콜: 비대각 RIS 통신의 새로운 지평을 열다

본 기사는 비대각 RIS를 활용한 무선 통신에서 채널 추정 과정의 복잡도를 획기적으로 줄이는 새로운 프로토콜에 대한 연구 결과를 소개합니다. 기존의 모든 가능한 조합을 계산하는 방식 대신, 3가지 구성만을 사용하여 연산량을 대폭 줄이고 스펙트럼 효율과 에너지 소비를 개선하는 효과를 거두었습니다.

최근 무선 통신 분야에서 떠오르는 혁신 기술인 재구성 가능 지능형 표면(RIS, Reconfigurable Intelligent Surface)이 한 단계 진화했습니다. 기존의 대각 RIS를 넘어, 비대각 RIS는 신호 조작 능력을 크게 향상시켰습니다. 하지만 이러한 향상된 기능을 활용하려면 각각의 채널 상태 정보(CSI, Channel State Information)를 정확하게 파악해야 하는데, 여기에 큰 어려움이 있었습니다.

기존 방식은 $M$개의 요소를 가진 비대각 RIS에서 모든 가능한 조합 ($M!$개)에 대한 CSI를 계산해야 했습니다. 이는 엄청난 연산량을 필요로 하여, 스펙트럼 효율 저하와 에너지 소모 증가로 이어졌습니다. Mostafa Samy 등 연구진이 발표한 논문 "Low-Complexity Channel Estimation Protocol for Non-Diagonal RIS-Assisted Communications"은 바로 이 문제에 대한 해결책을 제시합니다.

연구진은 저복잡도 채널 추정 프로토콜을 제안하여, 기존의 $M!$개의 모든 조합을 계산하는 대신, 단 3가지 구성만을 사용하여 최적의 설정을 찾아냅니다. 이 프로토콜은 3단계로 구성됩니다. 먼저 최소자승(LS, Least Square) 추정기를 이용하여 사용자-RIS 및 RIS-기지국 채널을 추정하고, 마지막 단계에서 사용자-RIS-기지국 간의 전체 채널을 추정하여 효율적인 빔포밍(beamforming) 최적화를 수행합니다. 이 과정에서 기존 대각형 RIS에서 사용되는 ON/OFF 프로토콜도 활용되었습니다.

놀라운 점은 연산량 감소입니다. 기존의 $\mathcal{O}(NM \times M!)$ 복잡도를 $\mathcal{O}(NM)$으로 줄였습니다. ($N$은 기지국 안테나 수, $M$은 RIS 요소 수). 이는 기존 대각 RIS의 ON/OFF 기반 LS 추정과 유사한 복잡도 수준입니다. 이는 곧, 비대각 RIS의 장점을 유지하면서도 실질적인 구현 가능성을 크게 높였다는 것을 의미합니다.

본 연구는 비대각 RIS의 잠재력을 극대화하는 동시에, 스펙트럼 효율 및 에너지 소비를 개선하여 더욱 효율적인 차세대 무선 통신 시스템 구축에 중요한 발걸음을 내딛었습니다. 향후 연구를 통해 더욱 발전된 기술을 기대하며, 비대각 RIS 기반 기술이 5G, 6G 등 차세대 통신 기술 발전에 크게 기여할 것으로 예상됩니다.