NOMA: 6G 시대의 비직교 다중접속 (Non-Orthogonal Multiple Access)

무선 통신 기술은 초기 세대에서 사용된 전통적인 직교 다중접속(OMA, Orthogonal Multiple Access) 방식에서 점차 발전하여, 6G 시대에는 보다 진보된 비직교 다중접속(NOMA, Non-Orthogonal Multiple Access) 방식으로 진화하고 있습니다. NOMA는 스펙트럼 효율성 향상, 대규모 연결 지원, 지연 시간 감소 등 차세대 6G 네트워크에 필수적인 기능들을 실현할 수 있는 잠재력을 갖고 있습니다.

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다중접속 방식 소개

다중접속(Multiple Access) 기술은 통신 시스템에서 여러 사용자가 동일한 스펙트럼을 공유할 수 있도록 하는 기술입니다. 1G부터 FDMA(주파수 분할 다중접속), TDMA(시간 분할 다중접속), CDMA(코드 분할 다중접속) 등의 다양한 방식이 세대별로 적용되어 왔습니다. 4G와 5G에서는 OFDMA(직교 주파수 분할 다중접속)가 표준 기술로 채택되어, 사용자 간 간섭 없이 주파수를 공유할 수 있게 되었습니다.

 

하지만 6G는 초신뢰 저지연 통신(URLLC), 대규모 사물인터넷(mMTC), 높은 스펙트럼 효율성을 요구하면서 기존 OMA 방식의 한계를 넘어서야 하며, 이에 대한 해답으로 NOMA가 주목받고 있습니다.

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NOMA란 무엇인가?

NOMA는 시간, 주파수 또는 코드와 같은 동일한 자원을 여러 사용자가 겹쳐서 사용할 수 있도록 하는 비직교 다중접속 방식입니다. 기존의 방식은 자원을 사용자가 나누어 쓰도록 직교화시키는 반면, NOMA는 파워 도메인 또는 코드 도메인을 활용하여 여러 사용자의 신호를 동시에 전송하고, 수신 단에서 신호를 분리하여 해석합니다. 이때 사용되는 주요 기술이 ‘연속 간섭 제거(SIC, Successive Interference Cancellation)’입니다.

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예시로 이해하는 NOMA

예를 들어, User A와 User B가 동일한 셀 타워에 연결되어 있다고 가정해 봅시다.

 

기존 시스템에서는 간섭을 피하기 위해 각 사용자에게 서로 다른 주파수 대역이나 시간 슬롯을 할당했습니다. 이 방식은 동시 수용 가능한 사용자 수에 제한이 있습니다.

 

하지만 NOMA를 사용하면, 두 사용자 모두 동일한 주파수 대역을 동시에 사용할 수 있습니다.

• 전력 할당: User A는 기지국에 가까워서 신호가 강합니다. 반면 User B는 멀리 있어서 신호가 약합니다. 따라서 기지국은 User B에게 더 많은 전력을 할당하고, User A에게는 적은 전력을 할당합니다.
• 동시 전송: 기지국은 동일한 주파수에서 두 사용자에 대한 신호를 전력 수준을 달리하여 동시에 전송합니다.
• SIC 수신 방식: 신호가 강한 User A는 먼저 User B의 고출력 신호를 디코딩한 뒤 제거하고, 이후 자신의 저출력 신호를 디코딩합니다. User B는 자신의 고출력 신호만 디코딩하면 됩니다.

 

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사용자 및 전력 할당:

• User A (기지국에 가까움) – 낮은 전력 (P₁)
• User B (기지국에서 멀어짐) – 높은 전력 (P₂)

전송 신호 공식:

기지국은 다음과 같은 결합 신호 X를 두 사용자에게 전송합니다:

  X = P₁·x₁ + P₂·x₂

• x₁: User A를 위한 데이터
• x₂: User B를 위한 데이터
• P₁ + P₂ = 1 (전력 보존 법칙)

User A는 먼저 User B의 고전력 신호를 디코딩한 후 제거하고, 자기 신호를 디코딩합니다. 이를 통해 동일한 자원을 사용하면서도 간섭 없이 다수의 사용자가 통신할 수 있어, 스펙트럼 효율성이 크게 향상됩니다.

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6G에서 NOMA가 필요한 이유

6G 시대는 초고속, 초저지연, 대규모 연결이라는 까다로운 요구를 충족해야 합니다. NOMA는 이러한 요구를 충족하기 위한 핵심 기술로 부상하고 있습니다.

• 스펙트럼 효율성 향상: 동일한 주파수 대역에서 다중 사용자 동시 전송 가능
• 대규모 연결 지원: 하나의 리소스에서 더 많은 사용자를 수용 가능 (IoT, mMTC에 적합)
• 지연 시간 개선: 사용자 스케줄링이 줄어들어 지연이 감소됨

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NOMA의 유형 및 원리

NOMA는 크게 두 가지 방식으로 분류할 수 있습니다:

• 전력 도메인 NOMA (PD-NOMA): 사용자 간 전력 차이를 기반으로 신호 분리
• 코드 도메인 NOMA (CD-NOMA): 사용자마다 고유한 코드 또는 패턴을 할당하여 분리

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전력 도메인 NOMA (PD-NOMA)

PD-NOMA는 구조가 단순하고 전력 제어 기술이 잘 적용되기 때문에 실용적인 방식으로 6G에서 널리 사용될 것으로 기대됩니다.

• 중첩 부호화 (Superposition Coding): 여러 사용자 신호를 겹쳐서 전송
• SIC 기반 수신: 수신 단에서 강한 신호를 먼저 디코딩한 후 제거하고 약한 신호를 순차적으로 복호화

전력 상태가 나쁜 사용자에게 더 많은 전력을 할당함으로써 신호를 안정적으로 수신할 수 있게 하고, 스펙트럼 자원을 최대한 활용할 수 있습니다.

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SIC (Successive Interference Cancellation)

NOMA에서 핵심 기술인 SIC는 다음과 같이 동작합니다:

• User Y (먼 사용자): 고전력 신호 수신
• User X (가까운 사용자): 저전력 신호 수신

 

 

단계별 작동 방식:

1. 결합 신호 수신: 두 사용자 모두 동일한 결합 신호 수신
2. 강한 신호 디코딩 및 제거: User X가 User Y의 신호를 먼저 디코딩하고 제거
3. 자기 신호 디코딩: 이후 User X는 자신의 신호를 복호화

이 방식은 동일한 주파수 대역을 다수의 사용자에게 동시에 할당하면서도 간섭을 억제할 수 있어, NOMA의 핵심 요소로 작용합니다.

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코드 도메인 NOMA (CD-NOMA)

CD-NOMA는 고유한 코드나 패턴을 사용자마다 부여하여 동일한 자원을 공유할 수 있도록 합니다. 주요 기술은 다음과 같습니다:

• SCMA (Sparse Code Multiple Access): 희소한 코드로 자원 중 일부만 공유
• PDMA (Pattern Division Multiple Access): 고유한 패턴으로 사용자 신호 구분

CD-NOMA는 대규모 IoT 연결과 URLLC 서비스에 적합하며, 특히 수많은 기기가 동시에 접속하는 6G 환경에 효과적입니다.

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6G를 위한 고급 NOMA 기법

6G에서 요구되는 고난이도 서비스 제공을 위해, NOMA는 다양한 진보된 기술과 결합되고 있습니다:

• 협력형 NOMA (Cooperative NOMA): 사용자 간 신호 중계 지원으로 커버리지 및 신뢰성 향상
• IRS 기반 NOMA (IRS-aided NOMA): 반사면을 통해 신호 방향 제어 및 효율 향상
• AI 기반 NOMA: 머신러닝을 이용한 전력 할당, 사용자 클러스터링 최적화

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IRS란 무엇인가?

IRS(Intelligent Reflecting Surface, 지능형 반사면)는 수천 개의 작은 프로그래머블 메타 표면으로 구성되어 있으며, 입사하는 무선 신호의 위상, 방향, 세기 등을 조절하여 원하는 방향으로 반사시킬 수 있습니다. 일종의 ‘스마트 거울’처럼 신호를 목적지에 정밀하게 전달하는 기술입니다.

 

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IRS 기반 NOMA의 동작 방식

• 신호 반사 및 방향 제어: IRS는 건물 벽 또는 실내 표면에 설치되어, 신호가 닿기 어려운 사용자에게 신호를 반사시켜 도달하게 함
• 신호 경로 최적화: 기지국에서 송신되는 신호는 IRS를 통해 조절되어, 장애물 회피 또는 신호 강도 향상을 달성
• NOMA 효율 향상: IRS를 통해 신호 품질을 제어하면 SIC 복호화가 더 효과적으로 수행되어, 사용자 간 성능 차이도 개선됨

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결론: 6G의 핵심 기술로서의 NOMA

NOMA는 스펙트럼 효율성, 대규모 연결성, 사용자 적응성을 모두 갖춘 기술로서 6G 시대의 다양한 요구 사항을 충족시킬 수 있는 유망한 솔루션입니다. 간섭 관리, 자원 할당 최적화, AI와의 융합 등 최신 기술과의 결합을 통해, URLLC부터 고대역폭 모바일 브로드밴드까지 6G의 다양한 응용 분야에서 강력한 성능을 발휘할 수 있습니다.

 

다만, NOMA를 6G에서 완전하게 구현하기 위해서는 SIC의 계산 복잡도, 간섭 제어, 에너지 소비 등의 과제를 해결해야 합니다. 이를 위해 OMA와의 하이브리드 접근, 머신러닝 기반 자원 최적화, IRS나 양자 통신과 같은 신기술과의 결합이 핵심 전략으로 떠오르고 있습니다.

 

요약하자면, NOMA는 6G 시대의 연결성, 신뢰성, 처리 능력 요구를 만족시키기 위한 핵심 기술 중 하나로, 지속적인 기술 혁신과 새로운 접근 방식을 통해 차세대 무선 네트워크의 토대를 구축할 것입니다.

 

 

Ref. ) 

https://www.techedgewireless.com/post/noma-non-orthogonal-multiple-access-in-6g