현대 무선 네트워크를 위한 전이중 비직교 다중접속

본 논문은 전이중(Full‑Duplex, FD) 기술과 비직교 다중접속(NOMA) 방식을 결합한 새로운 무선 통신 패러다임을 체계적으로 검토한다. 먼저, 5G 시대의 스펙트럼 효율 향상 요구에 부응하기 위해 전이중이 송신·수신을 동일 주파수 대역에서 동시에 수행함으로써 이론적인 효율 2배 향상을 기대한다는 배경을 제시한다. 그러나 실제 전이중 시스템은 송신 회로에서 발생하는 자기 간섭(Self‑Interference, SI)이 수신 신호에 큰 영향을 미치며, 이를 억제하기 위한 안테나 설계와 디지털/아날로그 혼합 취소 기술이 최근에 실현 가능해졌다. NOMA는 전력 도메인에서 사용자들을 다중화하는 기술로, 채널 상태가 열악한 약한 사용자에게 높은 전력을 할당하고, 강한 사용자는 SIC(순차 간섭 제거)를 통해 자신의 신호를 복원한다. 전이중 NOMA에서는 BS가 동시에 uplink와 downlink을 처리하면서, uplink 사용자의 전송이 downlink 사용자에게 인터‑유저 간섭을 일으키고, 동시에 BS 자체에도 SI가 발생한다. 이러한 복합 간섭 구조는 전통적인 NOMA 설계에 추가적인 SI 취소 단계와 인터‑유저 간섭 관리가 필요함을 의미한다. 논문은 전이중 NOMA의 주요 적용 시나리오로 셀룰러 네트워크, 협력 통신, 그리고 인지 라디오(Cognitive Radio) 네트워크를 제시한다. 셀룰러에서는 FD BS가 uplink 사용자와 downlink 사용자를 동일 시간·주파수 자원에 매칭시켜 스펙트럼 효율을 크게 높일 수 있다. 협력 전이중 NOMA에서는 강한 사용자가 약한 사용자를 도와주는 사용자‑보조 방식과 전용 릴레이를 이용하는 릴레이‑보조 방식이 제안되며, 전이중 동작을 통해 두 단계의 타임 슬롯을 하나로 압축해 스펙트럼 효율을 두 배에 가깝게 향상시킨다. 인지 라디오 환경에서는 FD NOMA가 1차 사용자와 2차 사용자를 동시에 지원하면서, 2차 사용자의 간섭을 최소화하는 새로운 스펙트럼 공유 메커니즘을 제공한다. 핵심 기술적 도전 과제로는 (1) 자기 간섭(SI) 억제, (2) 인터‑유저 간섭 관리, (3) 복합적인 자원 할당(전력, 서브캐리어, 빔포밍) 최적화가 있다. 이를 해결하기 위해 논문은 다음과 같은 접근법을 제시한다. - **다중 안테나 기반 빔포밍**: BS는 ZF(Zero‑Forcing) 수신 빔포밍으로 SI를 최소화하고, MRT(Maximum Ratio Transmission) 전송 빔포밍으로 downlink SINR을 최적화한다. - **전력 제어 및 할당**: 가중합 스루풋을 최대화하는 비볼록 최적화 문제를 교대 최적화와 라그랑주 승수를 이용해 근사적으로 해결한다. - **링크 스케줄링 및 서브캐리어 매칭**: 각 서브캐리어당 최대 두 명의 uplink·downlink 사용자만 배정하고, SI와 인터‑유저 간섭을 최소화하도록 동적으로 매칭한다. 시뮬레이션 결과는 두 가지 주요 시나리오에서 전이중 NOMA의 효율성을 입증한다. 첫째, 단일·다중 셀 환경에서 FD NOMA는 SNR 20 dB에서 평균 합률이 반이중(NOMA 및 OMA) 대비 약 75 % 향상된다. 특히 다중 셀에서는 코디네이션된 빔포밍과 적절한 SI 억제가 이루어질 때 전이중이 반이중을 전 구간에 걸쳐 능가한다. 둘째, 협력 전이중 NOMA(사용자‑보조 및 전용 릴레이)에서는 전이중 동작이 추가 타임 슬롯을 필요로 하지 않아 스펙트럼 효율이 거의 두 배에 달한다. 다만, SI가 -10 dBW 이하로 충분히 억제될 때만 이러한 이득이 실현 가능함을 강조한다. 마지막으로 논문은 현재 연구의 한계와 향후 과제를 제시한다. 실시간 CSI 획득 및 피드백 지연, 다중 사용자·다중 셀에서의 통합 자원 할당 복합 최적화, 하드웨어 비선형성 및 위상 잡음 등 실용적인 구현 문제를 해결해야 한다. 또한, 머신러닝 기반의 동적 빔포밍 및 전력 제어, 대규모 MIMO와 결합한 하이브리드 FD‑NOMA, 그리고 보안·프라이버시 관점에서의 새로운 위협 모델링도 중요한 연구 방향이다. 이러한 과제가 해결될 경우, 전이중 NOMA는 초고밀도, 저지연, 고신뢰 통신을 요구하는 5G·6G 네트워크의 핵심 기술로 자리매김할 것으로 기대된다.