차세대 무선 시스템에서의 통합 센싱-통신(ISAC) 효율 향상 기법 연구 : 적응형 샘플링 및 손실 복원 기반 ISAC 최적화 연구 = Optimization of Integrated Sensing and Communication in Next-Generation Wireless Systems Using Adaptive Sampling and Loss Recovery

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Next-generation 6G wireless systems are evolving beyond high-speed data delivery toward incorporating fine-grained environmental sensing as a fundamental network capability. Integrated Sensing and Communication (ISAC) is central to this transition, improving spectrum and energy efficiency while reducing deployment costs by performing communication and sensing simultaneously over shared wireless resources. In particular, Wi-Fi–based ISAC leverages Channel State Information (CSI) to support indoor services such as human activity recognition (HAR) and occupancy detection without requiring additional sensors. However, practical deployment faces two major challenges: (i) contention between sensing and communication resources caused by high-rate CSI sampling, and (ii) limited spatial generalization resulting from single-link sensing configurations.
This paper presents an ISAC system for commercial Wi-Fi environments that jointly considers communication efficiency, sensing accuracy, and spatial scalability. The proposed framework integrates: (1) a sensing controller monitoring beacon CSI dynamics to activate sensing only upon meaningful environmental changes; (2) a traffic-aware adaptive CSI sampling mechanism adjusting rates based on AP queue occupancy; (3) a lightweight Context Encoder–based CSI inpainting module compensating for temporal sparsity; and (4) a multi-link inference architecture that fuses CSI from multiple links using a Multi-Link Transformer HAR Model.
An IEEE 802.11bf-compliant prototype is implemented on commercial Wi-Fi APs and stations and evaluated in an indoor multi-link environment. Results show that the proposed multi-link fusion improves HAR accuracy by up to 52.2% over a single-link baseline, while adaptive sampling combined with CSI inpainting maintains about 87% accuracy even at 50% effective sampling rate, offering a 36 percentage-point improvement over a non-restored configuration. Meanwhile, approximately 97% of user throughput is preserved compared with a no-sensing baseline. These findings demonstrate that the proposed ISAC system effectively mitigates sensing–communication contention and satisfies service quality and spatial scalability requirements using only commercial Wi-Fi infrastructure.
These findings demonstrate that the proposed ISAC system effectively mitigates sensing–communication resource contention and satisfies both service quality and spatial scalability requirements using only commercial Wi-Fi infrastructure.

국문 초록 (Abstract)

차세대 6G 무선 시스템은 초고속 데이터 전송을 넘어 주변 환경을 정밀하게 인지하는 센싱 기능을 네트워크의 기본 역량으로 통합하는 방향으로 진화하고 있다. 이러한 흐름의 중심에 있는 통합 센싱 및 통신(Integrated Sensing and Communication, ISAC)은 통신과 센싱 기능을 단일 주파수·단일 하드웨어 인프라에서 동시에 수행함으로써 스펙트럼 효율, 에너지 효율 및 시스템 구축 비용을 향상시킬 수 있는 핵심 기술로 주목받고 있다. 특히 상용 Wi-Fi 인프라를 활용한 ISAC은 채널 상태 정보(Channel State Information, CSI)를 이용해 추가 센서 없이도 실내 환경에서 인간 활동 인식(Human Activity Recognition, HAR), 재실 감지 등 다양한 서비스를 구현할 수 있는 실용적 접근으로 평가된다. 그러나 실제 환경 적용을 위해서는 높은 CSI 샘플링 속도로 인한 센싱–통신 자원 경합 문제와 단일 링크(single-link)에 대한 의존으로 인해 공간 일반화(spatial generalization)가 제한되는 문제가 동시에 해결되어야 한다.
본 논문은 상용 Wi-Fi 환경에서 통신 효율성과 센싱 정밀도, 그리고 공간적 확장성을 균형 있게 고려할 수 있는 ISAC 시스템을 설계하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 (1) 비콘 CSI의 시간적 변화를 모니터링하여 의미 있는 환경 변화가 발생할 때에만 센싱 세션을 시작하도록 제어하는 센싱 컨트롤러, (2) AP 큐 점유율을 이용해 네트워크 부하를 추정하고 CSI 샘플링 속도를 동적으로 조절하는 트래픽 인지형 동적 샘플링 기법, (3) 동적 샘플링으로 인해 발생하는 시간적 희소성과 샘플 누락을 보완하기 위한 경량 Context Encoder 기반 CSI 인페인팅 모듈, (4) 다중 링크 CSI를 융합하여 공간적으로 강인한 HAR 성능을 제공하는 Multi-Link Transformer HAR 모델을 통합한 새로운 Wi-Fi ISAC 구조를 제안한다.
제안 구조의 실효성을 검증하기 위하여 IEEE 802.11bf 센싱 절차를 반영한 상용 Wi-Fi 기반 ISAC 프로토타입을 구현하고, 실내 다중 링크 환경에서 다양한 인간 활동 시나리오를 대상으로 성능 평가를 수행하였다. 실험 결과, 다중 링크 CSI를 활용한 Multi-Link Transformer HAR 모델은 단일 링크 대비 최대 52.2% 향상된 HAR 정확도를 달성하여 공간적으로 강건한 추론 성능을 보였다. 또한 트래픽 인지형 동적 샘플링과 인페인팅 기반 CSI 복원 모듈을 결합한 경우, 유효 CSI 샘플링 속도가 본래의 50% 수준까지 감소한 환경에서도 약 87%의 HAR 정확도를 유지하며, 복원 과정을 적용하지 않은 경우 대비 약 36%p의 성능 향상을 확보하였다. 아울러 제안 샘플링 전략은 센싱을 수행하지 않는 기준 대비 약 97% 수준의 사용자 통신 처리량을 유지함으로써, 센싱–통신 자원 경합을 최소화하면서도 높은 서비스 품질을 동시에 만족시킬 수 있음을 확인하였다.
본 연구는 추가 하드웨어 없이 기존 Wi-Fi 인프라만으로도 공간 인지 서비스를 안정적으로 제공할 수 있는 ISAC 설계 방향을 제시하며, 실내 보안, 스마트 빌딩, 헬스케어 모니터링 등 다양한 물리·지능형 서비스 분야에서 활용 가능한 기반 기술로서 의의를 갖는다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제2장 배경 및 관련 연구 5
• 2.1 ISAC 및 Wi-Fi 센싱 개요 5
• 2.2 IEEE 802.11bf 개요 7
• 2.3 관련 연구 9
• 제3장 연구 동기 및 문제 정의 11
• 3.1 센싱–통신 자원 경합 11
• 3.2 단일 링크의 공간적 한계 14
• 3.3 핵심 관찰 및 제안 방향 17
• 제4장 제안 방법 19
• 4.1 System Overview: ISAC-Orchestrator 19
• 4.2 Sensing Controller 21
• 4.3 Dynamic CSI Sampler 25
• 4.4 CSI Reconstructor 27
• 4.5 Multi-Link Transformer HAR Model 30
• 제5장 구현 및 성능 평가 33
• 5.1 시스템 구성 및 실험 설정 33
• 5.2 다중 링크 CSI 융합 성능 평가 35
• 5.3 트래픽 인지형 동적 CSI 샘플링 및 복원 성능 평가 37
• 제6장 결 론 41
• 참고문헌 42
• ABSTRACT 47