chapter 5g and beyond를 위한 비직교 다중 접속 기술...8 |h1| 2/n 0,1 및 |h2| 2/n 0,2는...
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주간기술동향 2019. 6. 26.
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I. 서론
2019년 4월 3일 오후 11시 우리나라에서 5세대 통신 5G가 세계 최초로 시작되었다.
당초 5일 상용화를 계획했던 이동통신 3사는 3일 밤 11시 각각 5G 1호 가입자를 배출하
며 “세계 최초 5G”를 선언했다[1].1)
5G란 5세대 이동 통신으로 정식명칭은 “IMT 2020”이며 [그림 1]과 같은 성능 요구사
* 본 내용은 신수용 교수(☎ 054-478 7473, [email protected])에게 문의하시기 바랍니다.** 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 IITP의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다.1) 미국 Verizon사보다 2시간 일찍 개통하였으나 최종적으로는 세계이동통신사업자연합회(GSMA)의 판정을 기다
려야 정확한 “세계 최초 5G 국가”를 가릴 수 있게 되었다[1]
비직교 다중 접속(Non-Orthogonal Multiple Access: NOMA)은 5G의 주요 후보 기술 중의 하나로 셀의 주파수 용량 향상을 위해 동일한 시간, 주파수, 공간 자원 상에 다수의 사용자들을 위한 신호를 동시에 전송하여 주파수 효율을 향상시키는 기술이다. 이를 위해 기존에 직교 다중 접속 방식의 원리였던 직교성을 의도적으로 위배함으로써 다수의 신호를 중첩시키고 순차적 간섭 제거를 활용하여 주파수 활용성을 높이는 기술이다. 본 고에서는 이러한 NOMA의 원리와 NOMA를 활용하는 관련 연구 동향을 소개한다.
01chapter
5G and Beyond를 위한 비직교 다중 접속 기술
•••신수용 ‖ 금오공과대학교 교수
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항을 갖는 기술을 의미한다.
5G 이동 통신 기술은 다음과 같은 세 가지의 기술진화 방향을 목표로 삼고 있다([그림 2] 참조).
- 초광대역 서비스(enhanced Mobile Broadband: eMBB): 4K 및 8K UHD(Ultra High Definition), 홀로그램, AR/VR 등의 대용량 데이터의 고속 전송을 목표로 하는 서비스로 주로 넓은 주파수 대역폭과 massive MIMO 기술을 바탕으로 최대 20Gbps, 사용자당 100Mbps까지의 전송 속도를 제공하고자 하는 기술이다.
- 고신뢰/초저지연 통신(Ultra Reliable & Low Latency Communications: URLLC): 공장 자동화, 로봇 원격 제어, 원격 의료, 자율주행자동차, 드론간 무선 연결, 실시간 게임 등 실시간 반응 속도가 필요한 서비스를 위한 것으로, 기존 약 10ms의 전송 지연시간을 1ms로, 전송 신뢰도는 99.999% 이상으로 제공하는 것을 목표로 하고 있다.
- 대량연결(Machine-Type Communications: mMTC): mMTC는 수많은 가정용, 산업용 IoT 기기들이 상호 연결되어 동작할 미래 환경을 대비하기 위한 것으로 1km2 단위 면적 당 4G의 10배가 넘는 100만 개 이상의 연결을 지원하는 것을 목표로 하고 있다.
<자료> 삼성전자, “5G 국제표준의 이해” 2018. 6.
[그림 1] 4G 및 5G 성능 요구사항 비교
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5G 무선 액세스의 핵심 구성요소 중 하나는 새로운 무선 대역용으로 설계된 New
Radio(NR)라는 혁신적인 무선 인터페이스이다. 5G 이동통신 표준으로서의 첫 Release
[5G use cases]
[5G deployments]<자료> 에릭슨
[그림 2] 5G Use cases
<자료> 3GPP TSG RAN#80
[그림 3] 3GPP Release 16 5G 효율성 관련 항목들
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인 3GPP Rel-15 NR은 mmWave와 massive MIMO(Multi-Input Multi-Output)를
기반으로 하고 있다. 최근 Rel-16의 Study Item으로 “Study on Non-Orthogonal
Multiple Access(NOMA) for NR”을 진행하도록 결정되었다[2]([그림 3] 참조)
기존의 4G에서 사용되었던 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division
Multiplexing: OFDM) 접속은 5G의 성능 요구사항을 만족시키기에는 한계가 있었다.
따라서, 기존의 직교성을 고의적으로 위배하여 성능을 향상시키고자 하는 다양한 비직교
다중 접속(Non-Orthogonal Multiple Access: NOMA)이 제안되었고, 크게 코드 영역
NOMA와 전력 영역 NOMA로 분류된다. 코드 영역 NOMA 계열은 기존의 코드 분할
다중 접속(Code Division Multiple Access: CDMA) 기술로부터 개발되었으며, Interleave-
Division Multiple Access(IDMA), Low Density Spreading Aided CDMA(LDS-
CDMA), MultiUser Shared Access(MUSA), Resource Spread Multiple Access
(RSMA), Sparse Code Multiple Access(SCMA) 등이 존재하는데 일반화된 “코드 워드”
를 기반으로 사용자를 다중화하는 기법이다. 전력 영역 NOMA는 Power Domain Multiple
Access(PDMA)에서 비롯된 것으로, 서로 다른 크기의 전력으로 사용자들을 다중화하는
기법이다(본 고에서는 전력 영역의 NOMA를 다룬다).
본 고에서는 현재 3GPP에서 논의중인 NR의 Study Item의 하나인 비직교 다중 접속을
소개하고 관련된 최신 연구 동향에 대해 살펴보고자 한다.
II. 비직교 다중 접속(NOMA)
NOMA는 유망한 차세대 이동통신 기술 중 하나로 거론되고 있는 방식으로 기존의 다중 접속 기법은 시간이나 주파수 영역에서 다중화되지만, NOMA는 전력 영역의 다중화 기법을 활용한다. 즉, 전력 분배를 이용하여 신호를 전력 영력에서 다중화시키기 때문에 다수의 사용자가 동일한 시간에 동일한 주파수 영역을 사용하는 것이 가능하다
NOMA에서는 다수의 사용자가 기지국(Base Station)에서는 중첩 코딩(Superposition Coding)을, 수신단에서는 순차적 간섭 제거(Successive Interference Cancellation: SIC)를 이용하여 동일한 시간과 주파수 대역을 동시에 사용하는 것이 가능하다([그림 4] 참조).
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[그림 4]는 두 개의 단말 UE1과 UE2가 NOMA를 이용한 다운링크 통신 방식에 대한
예제이다. UE1과 UE2에는 각각의 사용자의 채널 이득을 기반으로 기지국의 송신 전력을
할당하고 두 사용자의 신호가 중첩 코딩되어 전송된다. 이때 중요한 것은 최대 전송 용량
을 얻기 위한 전력의 할당으로 이를 위한 다수의 연구들이 수행되고 있다.
이렇게 중첩된 신호는 기지국으로부터 전송되어 UE1과 UE2에게 수신된다. 전송된 중첩
코딩 신호가 UE1에 도달하게 되면 [그림 5]와 같이 UE1은 순차적 간섭 제거(SIC)를 수행
한다.
<자료> K. Higuchi, A. Benjebbour, "Non-orthogonal multiple access(NOMA) with successive interference cancellation for future radio access", IEICE Trans. Commun., Vol.E98.B, No.3, 2015, pp.403-414.
[그림 4] 다운링크 NOMA의 동작 원리
<자료> 금오공대 자체 작성
[그림 5] 다운링크 NOMA의 순차적 간섭 제거 개념도
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전력 할당 측면에서 UE2의 신호가 UE1의 신호보다 크다. 따라서 UE1 입장에서는 UE2
의 신호가 자신에게 전송되는 신호보다 크기 때문에 우선 UE2의 신호를 복호화한다. 그런
다음 UE1은 복호된 UE2의 신호를 이용하여 주파수 신호를 재생성하고 이를 수신된 원래
신호에서 빼는 방식을 통해 자신의 신호 주파수 파형을 복원하고 이를 복호화하여 정보를
수신한다. UE2의 경우는 UE1과 UE2의 신호가 혼재된 중첩 신호를 수신하지만 UE1의 신
호가 상대적으로 작고 거리에 따른 감쇠 효과로 인해 잡음 수준으로 감소하기 때문에 쉽게
신호의 복호가 가능하게 된다.
이를 간략히 수식적으로 표현해보면 각 사용자들의 채널 이득은
이고, 각
사용자의 전력 할당은 각각 1, 2, 각 사용자에서의 잡음은 N0,1, N0,2라 할 때 NOMA에
서의 각 사용자의 채널 용량은 다음과 같다.
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즉, NOMA는 기존의 다중 접속 방식에서의 직교성을 깨고, 동일한 주파수 대역에 둘
이상의 사용자들이 전송을 가능하게 함으로써 주파수 자원 효율성을 높이는 기술인 것이
다. 이러한 경우 NOMA는 기존의 직교 다중 접속(Orthogonal Multiple Access: OMA)
기술보다 우수한 주파수 효율을 가지게 된다. [그림 6]은 NOMA와 OMA의 성능을 예제
를 통해 보여주고 있다.
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<자료> A. Benjebbour, K. Saito, A. Li, Y. Kishiyama and T. Nakamura, "Non-orthogonal multiple access(NOMA): Concept, performance evaluation and experimental trials," 2015 International Conference on Wireless Networks and Mobile Communications(WINCOM), Marrakech, 2015, pp.1-6.
[그림 6] 다운링크 NOMA의 순차적 간섭 제거 개념도
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|h1|2/N0,1 및 |h2|2/N0,2는 각각 20dB 및 0dB로 설정하고 직교 다중 접속의 경우 동일
한 전력과 동일한 대역폭이 할당된다고 가정한다. NOMA에서는 전체 전력의 1/5이 UE1
에, 나머지 4/5가 UE2에 할당되고, 모든 대역폭이 각각의 사용자에게 할당되는 경우이다.
NOMA를 적용함으로써 기존의 직교 다중 접속에 비해 UE1 및 UE2의 경우 각각 32%
및 48%의 채널 용량 증가를 보임을 알 수 있다[3].
III. 비직교 다중 접속 활용 연구
1. MIMO-NOMA
MIMO는 4G를 가능하게 만든 핵심 기술임과 동시에 5G에서도 중추적인 역할을 계속
하고 있다. 이미 LTE-Advanced에서 64개 안테나를 사용하는 기지국이 존재하고 있고
소위 5G에서의 massive MIMO는 동시 사용자 수 대비 더 많은 안테나가 기지국에 장착
된 시스템을 의미한다. massive MIMO에서 각 기지국의 안테나는 동일한 시간/주파수/
코드 자원에서 사용자의 공간 다중화에 사용된다. 각 사용자에게는 원하는 신호에 대한
이득과 사용자 간의 간섭 간에 균형을 맞추기 위한 전용 빔이 할당된다[4].
<자료> Y. Huang, C. Zhang, J. Wang, Y. Jing, L. Yang and X. You, “Signal Processing for MIMO-NOMA: Present and Future Challenges,” IEEE Wireless Communications, Vol.25, No.2, April 2018, pp.32-38.
[그림 7] MIMO-NOMA
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MIMO 기술은 무선 통신 시스템의 오류 확률을 개선시킬 뿐만 아니라 용량을 증가시키는 중요한 기능을 가지고 있기 때문에 이러한 MIMO의 장점을 활용하기 위해 MIMO 시스템에 NOMA를 적용시키기 위한 다양한 연구들이 수행되고 있다.
[그림 7]은 MIMO-NOMA의 예를 보여준다. 2개의 클러스터에, 각 2명의 사용자로 구성되어 있고 각각의 사용자는 1개의 안테나를 사용한다. 클러스터 내 간섭을 억제하기 위해 SIC는 각 클러스터 내에서 수행된다. 클러스터 간 간섭을 억제하기 위해 기지국의 다수의 안테나를 기반으로 빔포밍을 사용한다. 이러한 MIMO-NOMA는 주파수 성능 향상을 달성할 수 있으나, 빔포밍, 전력 할당, 사용자 클러스터링, SIC 순서 문제 등의 다양한 조합과 관련된 연구들이 지속적으로 진행중이다.
2. NOMA 기반 협력적 통신
하나 또는 다수의 릴레이의 도움을 통해 소스와 목적지 간의 통신 연결을 수행하는 협력
통신은 통신 범위를 확장하고 다중 경로 페이딩 효과에 효율적으로 대처하여 시스템 용량
을 증가시키는 기술로 각광을 받고 있다. 협력적 통신 시스템에서 릴레이는 증폭 및 포워
드(Amplify and Forward: AF) 및 디코드 및 포워드(Decode and Forward: DF) 등과
<자료> Z. Ding et al., “Application of Non-Orthogonal Multiple Access in LTE and 5G Networks,” in IEEE Communications Magazine, Vol.55, No.2, Feb. 2017, pp.185-191.
[그림 8] 협력적 NOMA
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같은 포워딩 프로토콜을 적용하여 수신된 정보 신호를 관련 목적지로 전송한다. 또한, 릴
레이는 동작에 따라 반이중(HD) 및 전이중(FD)으로 크게 분류된다. 협력적 통신과 NOMA
의 결합은 NOMA의 시스템 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 해결책으로 연구되고 있다[5].
협력 NOMA 전송 방식은 직접 전송 단계(Non-cooperative NOMA)와 협력 전송
단계(Cooperative)의 두 단계로 나누어진다. 직접 전송 단계에서, 기지국은 사용자 A
및 사용자 B를 위한 메시지를 중첩시켜서 전송한다. 협력 송신 단계에서, 사용자 B는 자신
의 메시지를 디코딩하기 위해 사용자 A의 신호에 대한 SIC를 수행하며, 이후 디코딩된
정보를 사용자 A로 전송하기 위한 중계 역할을 한다. 따라서 사용자 A에게는 2개의 동일
한 메시지가 서로 다른 채널을 통해 수신된다. NOMA 기반의 협력 통신은 채널 상태가
약한 사용자 B의 수신 신뢰도를 상당히 향상시킬 수 있다.
3. NOMA 기반 인지 무선 네트워크
NOMA를 인지 무선 네트워크(Cognitive Radio Network: CRN)에 적용하는 연구들
도 수행되고 있다[6](본 고에서는 overlay 방식의 CRN만 다룬다). NOMA 기반 인지
무선 네크워크는 크게 일반적인 방식과 협력적 방식으로 분류될 수 있다. 일반적인 방식에
서는 부 전송자(Secondary Transmitter: ST)는 주 전송자(Primary Transmitter: PT)
의 신호를 주 수신자(Primary Receiver: PR)로 전달하는 동시에 NOMA 기법을 활용하
여 자체 부 수신자(Secondary Receiver: SR)를 위한 신호를 다수의 SR에 전송한다.
- 첫 번째 타임 슬롯에서 PT는 주 신호(Primary Signal)를 PR로 보낸다. 신호는 ST
및 SR에 의해 수신된다.
- 두 번째 타임 슬롯에서 ST는 주 신호를 재생성하고 NOMA를 사용하여 자체 부 신호
와 중첩하여 이를 PR 및 SR로 보낸다.
PR은 두 개의 타임 슬롯에서 주 신호를 수신하므로 부 신호를 잡음으로 처리하고 최대
비율 결합(MRC)을 사용하여 1차 신호를 디코딩한다. SR에서 MRC를 사용하여 주 신호를
먼저 디코딩한 다음 SIC를 사용하여 신호가 검색될 때까지 보조 신호를 순차적으로 디코
딩한다. 이러한 NOMA 기반 CRN은 주파수 효율성 제고, 신뢰성 향상 등의 장점이 있다.
협력적 방식의 NOMA 기반 CRN에서는 협력적 릴레이를 활용한다. 이 방식의 한 가지
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이점은 PT와 ST가 동일한 릴레이를 공유할 수 있다는 것이다. 동작 방식은 다음과 같다.
- 첫 번째 타임 슬롯에서 PT와 ST는 업링크 NOMA를 활용하여 주 신호와 부 신호를
동시에 전송한다. 릴레이는 SIC를 이용하여 주 신호와 부 신호를 디코딩한다.
- 첫 번째 타임 슬롯에서의 디코딩 결과를 바탕으로 릴레이는 두 번째 타임 슬롯에서
적절한 다중 접속 방식을 선택한다: ① 주 신호 및 부 신호가 모두 정확히 검출되면
다운링크 NOMA를 통해 두 신호를 동시에 전송한다. ② 주 신호만 정확히 검출된 경우
기존의 직교 다중 접속 방식을 통해 주 신호만 전송한다. 이러한 협력적 방식의 NOMA
CRN을 통해 PR 및 SR의 수신 신뢰성을 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.
4. NOMA 기반 massive IoT
NOMA에서는 사용자들 간의 채널 이득 차이를 이용하여 다수의 사용자들을 동일한
자원에 할당할 수 있다. 따라서 이러한 특성을 활용하여 셀룰러 통신망에서의 대규모 IoT
기기를 지원하기 위한 솔루션으로 연구가 수행되고 있다. 일반적으로 M2M 통신을 위해
서는 임의 접속(Random Access: RA)이 필요하나 [7]의 연구에서는 이러한 과정 없이
RA와 데이터 전송이 결합되고, 장치는 무작위로 선택된 서브 밴드를 통해 메시지를 전송
<자료> L. Lv, J. Chen, Q. Ni, Z. Ding and H. Jiang, "Cognitive Non-Orthogonal Multiple Access with Cooperative Relaying: A New Wireless Frontier for 5G Spectrum Sharing,", IEEE Communications Magazine, Vol.56, No.4, Apr. 2018, pp.188-195.
[그림 9] NOMA기반 인지 무선 네트워크
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한다. 이는 메시지 오버헤드를 감소시키는데 기여할 수 있다.
각각의 IoT 장치는 적절한 코드 속도로 채널 코드를 선택하고 메시지를 ID와 함께 인코
딩하고 무작위로 선택된 서브 밴드로 전송된다. 메시지를 수신하면, 기지국은 SIC를 수행
하여 각각의 서브 밴드를 통해 각 IoT 장치의 메시지를 디코딩한다. 그림은 4개의 서브
밴드를 이용한 NOMA 기반 massive IoT의 동작 예를 보여준다.
NOMA는 셀룰러 시스템에서의 massive IoT를 위해 다음과 같은 장점들을 제공할 수
있다.
- 전력 도메인을 활용한 비직교 다중화를 통해 스펙트럼 효율성 및 시스템 처리량을
개선함
- NOMA는 OFDMA 계열과 호환 가능하며 다운링크 OFDMA, 업링크 단일 캐리어
FDMA(SCFDMA)와 동시에 활용이 가능함
- NOMA는 빔 포밍 및 다중 안테나 기술과 결합하여 시스템 성능을 향상
- NOMA는 M2M 통신의 충돌 및 과부하 문제를 해결하기 위해 무선 자원 관리 및
랜덤 액세스 기술과의 용이한 결합이 가능
<자료> M. Shirvanimoghaddam, M. Dohler and S. J. Johnson, “Massive Non-Orthogonal Multiple Access for Cellular IoT: Potentials and Limitations,” IEEE Communications Magazine, Vol.55, No.9, Sept. 2017, pp.55-61.
[그림 9] NOMA기반 massive IoT 예제
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- 클러스터링 및 그룹 기반 스케줄링을 사용하여 M2M 통신에서의 다중 액세스 기술로
사용될 수 있음
- NOMA의 경우, 임의 접속 절차 없이 활용 가능하므로 액세스 지연과 신호 오버 헤드
가 감소함
IV. 결론
본 고에서는 5G의 주파수 효율성을 제고하기 위한 무선 접속 기술의 하나인 비직교
다중접속(NOMA)에 대한 기본 원리와 이를 활용한 응용 연구들을 살펴보았다. NOMA는
기존 통신에서의 직교성을 의도적으로 위배하여 주파수 효율성을 제고하기 위한 기술로
제안되었으나 그 외에도 협력적 네트워크, 인지 무선 네트워크, massive IoT와 같은 영역
에도 적용되는 등 많은 각광을 받고 있다. 2020년 완료되는 5G의 표준에서 NOMA가
어떻게 자리잡을 것인가와 향후 Beyond 5G에서 NOMA가 어떠한 역할을 수행할 것인가
에 대한 지속적인 연구와 논의가 필요하다고 생각된다.
[ 참고문헌 ]
[1] 매일경제, “버라이즌, 한국의 ‘세계 최초 5G 상용화’ 선언에 ‘꼼수’ 비난”, 2019. 4. 5.[2] https://www.3gpp.org/DynaReport/WI-List.htm[3] A. Benjebbour, K. Saito, A. Li, Y. Kishiyama and T. Nakamura, “Non-orthogonal multiple
access(NOMA): Concept, performance evaluation and experimental trials,” 2015 International Conference on Wireless Networks and Mobile Communications(WINCOM), 2015, pp.1-6.
[4] Y. Huang, C. Zhang, J. Wang, Y. Jing, L. Yang and X. You, “Signal Processing for MIMO- NOMA: Present and Future Challenges,” IEEE Wireless Communications, Vol.25, No.2, Apr. 2018, pp.32-38.
[5] Z. Ding et al., “Application of Non-Orthogonal Multiple Access in LTE and 5G Networks,” IEEE Communications Magazine, Vol.55, No.2, Feb. 2017, pp.185-191.
[6] L. Lv, J. Chen, Q. Ni, Z. Ding and H. Jiang, “Cognitive Non-Orthogonal Multiple Access with Cooperative Relaying: A New Wireless Frontier for 5G Spectrum Sharing,” IEEE Communications Magazine, Vol.56, No.4, Apr. 2018, pp.188-195.
[7] M. Shirvanimoghaddam, M. Dohler and S. J. Johnson, “Massive Non-Orthogonal Multiple Access for Cellular IoT: Potentials and Limitations,” IEEE Communications Magazine, Vol.55, No.9, Sept. 2017, pp.55-61.