다중 접속 기술편집자 확인

주파수 분할 다중 접속은 사용 가능한 전체 주파수 대역을 여러 개의 좁은 주파수 채널로 나누고, 각 사용자에게 고유한 채널 하나를 할당하여 동시에 통신할 수 있게 하는 방식이다. 각 채널은 서로 다른 반송파 주파수를 사용하므로, 신호 간의 간섭을 방지하기 위해 채널 사이에 보호 대역이 설정된다. 이 방식은 아날로그 통신 시스템에서 가장 먼저 널리 적용된 다중 접속 기술이다.

FDMA의 주요 특징은 각 사용자가 할당받은 주파수 채널을 통신 세션 동안 독점적으로 점유한다는 점이다. 이는 채널 사용이 매우 예측 가능하고 관리하기 쉬운 장점을 제공하지만, 사용자가 실제로 데이터를 전송하지 않는 순간에도 채널이 비게 되어 전체 스펙트럼 효율성이 떨어질 수 있는 단점으로 이어진다. 초기 이동통신 시스템인 AMPS와 많은 위성 통신 시스템에서 이 방식을 채택했다.

다음 표는 FDMA의 주요 특성을 다른 초기 다중 접속 방식과 비교하여 보여준다.

현대의 디지털 통신 시스템에서는 순수한 FDMA만 단독으로 사용되는 경우는 드물다. 그러나 주파수 영역에서 자원을 분할하는 개념은 직교 주파수 분할 다중 접속과 같은 더 진보된 기술의 기초가 되었다. OFDMA는 여전히 주파수 채널을 나누지만, 다수의 직교하는 부반송파를 사용하고 사용자에게 유연하게 자원을 할당하여 FDMA의 단점을 극복한다.

시분할 다중 접속은 하나의 주파수 채널을 여러 사용자가 시간을 나누어 사용하는 방식이다. 각 사용자에게는 매우 짧은 시간 단위인 타임 슬롯이 순차적으로 할당된다. 송신기는 자신에게 할당된 타임 슬롯 동안에만 데이터를 전송하고, 나머지 시간에는 다른 사용자들이 채널을 사용한다. 수신기는 모든 타임 슬롯의 신호를 받지만, 자신에게 할당된 슬롯의 데이터만을 선택적으로 추출하여 처리한다.

이 방식의 주요 장점은 하나의 주파수로 여러 사용자를 동시에 지원할 수 있어 스펙트럼 효율성을 높일 수 있다는 점이다. 또한, 모든 사용자가 동일한 주파수를 사용하므로 주파수 분할 다중 접속과 달리 주파수별로 다른 전송 특성을 고려할 필요가 없다. 그러나 사용자 간의 정확한 시간 동기화가 필수적이며, 할당된 타임 슬롯이 짧기 때문에 데이터 전송률이 높은 경우 하나의 데이터 패킷이 여러 슬롯에 분산되어 전송되어야 할 수 있다.

TDMA는 초기 디지털 이동 통신의 핵심 기술로 자리 잡았다. 대표적으로 2세대 이동통신 표준인 GSM이 TDMA를 기반으로 구축되었다. GSM에서는 8개의 음성 채널이 하나의 200kHz 대역폭을 공유한다. 또한, 블루투스와 같은 개인 영역 네트워크에서도 TDMA 원리가 변형되어 적용된다. 시간을 정확하게 분할하여 관리하는 특성상, 실시간 음성 통신과 같이 규칙적인 간격으로 작은 데이터를 전송하는 데 적합한 구조를 가진다.

코드 분할 다중 접속은 여러 사용자가 동일한 주파수 대역과 시간을 공유하면서도 서로 다른 고유의 확산 코드를 사용하여 신호를 구분하는 방식이다. 각 사용자의 데이터 신호는 자신에게 할당된 확산 코드와 곱해져(확산되어) 대역폭이 넓어지고, 수신측에서는 동일한 코드를 사용해 원래의 신호로 복원한다(역확산). 다른 사용자의 신호는 코드가 직교하지 않아 잡음처럼 처리되므로, 이론적으로 동일 채널 내에서 다중 사용자 접속이 가능해진다.

이 방식의 핵심은 코드의 직교성에 있다. 이상적인 경우 서로 다른 사용자의 코드가 완전히 직교하면 간섭이 발생하지 않지만, 실제 무선 환경에서는 다중 경로 지연 등으로 인해 간섭이 발생한다. 이는 다중 접속 간섭으로 알려져 있으며, 시스템 용량을 제한하는 주요 요소이다. CDMA는 소프트 핸드오프[1]를 구현하기 용이하고, 주파수 계획이 비교적 간단하다는 장점을 가진다.

CDMA는 2G와 3G 이동 통신의 핵심 기술로 널리 채택되었다. 특히 퀄컴이 주도한 IS-95 표준은 북미와 한국 등지에서 상용화되었으며, 이후 3G 표준인 WCDMA와 CDMA2000의 기반이 되었다. 그러나 사용자 수가 증가함에 따른 간섭 누증과, 더 높은 스펙트럼 효율성을 요구하는 4G LTE로의 진화 과정에서, 하향링크의 다중 접속 방식은 주로 직교 주파수 분할 다중 접속으로 대체되었다.

직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA)은 OFDM 변조 기술을 기반으로 한 다중 접속 방식이다. 이 방식은 사용 가능한 전체 대역폭을 수많은 직교성을 갖는 좁은 부반송파들로 나누고, 이 부반송파들의 집합을 다수의 사용자에게 동시에 할당하여 데이터를 전송한다. 각 사용자는 시간과 주파수 자원의 일부를 동시에 점유하게 되어, 단일 사용자 OFDM 시스템보다 자원 할당의 유연성과 효율성이 크게 향상된다.

OFDMA의 핵심 작동 원리는 자원 블록 할당에 있다. 시스템은 시간 축(OFDM 심볼)과 주파수 축(부반송파)으로 구성된 2차원 자원 그리드를 관리한다. 기지국은 채널 상태 정보를 바탕으로 각 사용자에게 최적의 자원 블록(특정 부반송파 군과 특정 시간 구간)을 동적으로 할당한다. 이는 주파수 분할 다중 접속이 고정된 대역을 할당하는 방식과 달리, 사용자의 데이터 요구량과 채널 조건에 실시간으로 대응할 수 있음을 의미한다.

주요 장점은 다음과 같다. 첫째, 다중 사용자 다이버시티를 통해 주파수 선택적 페이딩에 강인하다. 나쁜 채널 상태의 특정 부반송파를 피해 양호한 채널의 부반송파를 사용자에게 할당할 수 있다. 둘째, 자원 할당의 유연성이 매우 높아, 작은 패킷을 전송하는 다수의 사용자를 효율적으로 지원한다. 셋째, 직교성으로 인해 셀 내 사용자 간 간섭이 존재하지 않는다. 그러나 높은 피크 대 평균 전력비(PAPR) 문제가 있으며, 이를 위해 상향링크에서는 PAPR이 낮은 SC-FDMA가 종종 사용된다[3].

OFDMA는 이러한 특성으로 인해 현대 무선 통신의 핵심 기술로 자리 잡았다. 이 기술은 4G LTE와 5G NR의 하향링크, 그리고 Wi-Fi 6 이후의 무선 LAN 표준의 다중 접속 방식으로 광범위하게 채택되어 높은 데이터 처리량과 효율적인 다중 사용자 지원을 실현한다.

공간 분할 다중 접속은 물리적 공간을 기준으로 여러 사용자를 구분하여 동시에 통신하는 기술이다. 안테나 기술을 활용하여 사용자들의 위치를 기반으로 신호를 분리하거나 집중시킨다. 이 방식은 주파수나 시간, 코드와 같은 전통적인 자원을 공유하는 대신, 공간이라는 새로운 차원의 자원을 활용한다는 점에서 차별화된다.

SDMA의 핵심은 빔포밍 기술이다. 다수의 안테나를 가진 기지국 또는 액세스 포인트는 각 사용자의 위치를 파악하고, 해당 방향으로 신호를 집중적으로 발사하는 지향성 빔을 형성한다. 반대로, 사용자로부터 오는 신호도 특정 방향에서 오는 것만 선택적으로 수신한다. 이를 통해 동일한 시간과 주파수 대역을 사용하더라도 서로 다른 공간에 위치한 사용자들 간의 간섭을 최소화하면서 동시 통신이 가능해진다.

SDMA는 단독으로 사용되기보다는 다른 다중 접속 방식과 결합되어 성능을 극대화하는 경우가 많다. 예를 들어, 5G 및 Wi-Fi 6 이후의 무선 시스템에서는 OFDMA나 TDMA와 함께 대규모 MIMO 기술에 기반한 SDMA가 적용된다. 수십 개에서 수백 개의 안테나를 사용하여 매우 정밀한 빔을 형성하고, 여러 사용자에게 동시에 공간적으로 분리된 데이터 스트림을 전송한다[4]. 이는 시스템의 스펙트럼 효율성과 총 처리량을 획기적으로 증가시키는 핵심 메커니즘이다.

2세대(2G) 이동통신의 대표적 표준인 GSM은 시분할 다중 접속 방식을 채택하여 음성 통신의 디지털화를 이끌었다. 각 사용자에게 짧은 시간 슬롯을 순차적으로 할당하는 방식으로, 하나의 주파수 채널을 여러 사용자가 공유할 수 있게 하였다. 이는 1세대 아날로그 방식에 비해 스펙트럼 효율성을 크게 향상시켰고, 로밍 기능과 SMS 서비스를 가능하게 하는 기반이 되었다.

3세대(3G) 이동통신에서는 보다 높은 데이터 전송률을 지원하기 위해 코드 분할 다중 접속 기반 기술이 도입되었다. CDMA2000과 W-CDMA(UMTS)가 그 주요 사례이다. 이 방식은 모든 사용자가 동일한 주파수 대역을 동시에 사용하되, 각 사용자에게 고유한 확산 코드를 부여하여 신호를 구분한다. 이를 통해 주파수 분할 다중 접속이나 시분할 다중 접속보다 유연한 채널 할당과 향상된 보안성, 그리고 주파수 재사용 계수 1을 통한 간편한 셀 설계가 가능해졌다.

2G와 3G 시스템의 다중 접속 방식 선택은 당시의 주요 서비스 요구사항을 반영한다. 다음 표는 두 세대의 핵심 특성을 비교한다.

이러한 기술적 진화는 음성 중심에서 데이터 중심의 모바일 통신으로의 패러다임 전환을 위한 초석을 마련하였다. 특히 CDMA 기술은 이후 4G LTE의 기반이 되는 직교 주파수 분할 다중 접속 등 광대역 기술로의 발전에 필요한 통찰을 제공하였다[5].

4세대 이동통신 표준인 롱 텀 에볼루션(LTE)은 하향링크에서 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA)을, 상향링크에서 단일 반송파 주파수 분할 다중 접속(SC-FDMA)을 핵심 다중 접속 기술로 채택했다. 이는 높은 스펙트럼 효율성과 주파수 선택적 페이딩에 대한 강건성을 확보하면서도 단말기의 전력 소모를 줄이기 위한 설계 선택이었다.

하향링크(기지국→단말)에 적용된 OFDMA는 다수의 직교성을 갖는 부반송파로 데이터를 전송한다. 이를 통해 다중 경로 간섭에 강하고, 광대역 전송에 효율적이다. LTE는 유연한 자원 할당이 가능하도록 자원 블록 단위로 부반송파와 시간 슬롯을 사용자에게 동적으로 할당하는 방식을 사용한다. 주요 파라미터는 다음과 같다.

상향링크(단말→기지국)에는 SC-FDMA가 사용되었다. SC-FDMA는 OFDMA와 유사한 주파수 영역 신호 생성 과정을 거치지만, 단일 반송파 특성을 가지기 때문에 낮은 피크 대 평균 전력비(PAPR)를 보인다. 이는 배터리 수명이 중요한 이동 단말기가 전력 증폭기를 더 효율적으로 동작시킬 수 있게 하여, 커버리지와 전송 효율을 향상시키는 핵심 이점이었다.

이러한 기술적 선택은 4G LTE가 기존 3G 대비 현격히 높은 데이터 전송률과 낮은 지연을 실현하는 기반이 되었다. 특히, 다중 입력 다중 출력(MIMO) 기술과 OFDMA/SC-FDMA의 결합은 최대 100Mbps 이상의 하향링크 속도를 가능하게 했다.

5세대 이동통신인 5G NR은 4G LTE의 핵심 기술인 직교 주파수 분할 다중 접속을 기반으로 채택하지만, 훨씬 더 유연하고 동적인 프레임 구조를 도입하여 다양한 서비스 요구사항을 동시에 충족시킨다. 기존의 고정된 서브캐리어 간격과 시간 슬롯 구조를 탈피하여, 서비스의 종류에 따라 서브캐리어 간격과 슬롯 길이를 동적으로 조정할 수 있다.

이 유연성은 주로 세 가지 서비스 영역, 즉 eMBB, URLLC, mMTC를 효율적으로 지원하기 위해 설계되었다. 예를 들어, 고속 데이터 전송이 필요한 eMBB 서비스에는 비교적 넓은 서브캐리어 간격을, 낮은 지연과 높은 신뢰성이 요구되는 URLLC 서비스에는 매우 짧은 슬롯 길이를 할당할 수 있다. 이러한 구조를 '미니슬롯'이라 부르며, 기존의 정규 슬롯보다 훨씬 빠르게 전송을 시작할 수 있어 극단적으로 낮은 지연을 실현하는 데 기여한다.

또한, 5G NR은 TDD와 FDD를 모두 지원하며, 특히 TDD 모드에서 상향링크와 하향링크의 시간 비율을 매우 빠르게 변경할 수 있다. 이는 트래픽 수요가 시간에 따라 변하는 상황에 실시간으로 대응하여 네트워크 효율을 극대화한다. 결국, 5G NR의 OFDMA 기반 프레임 구조는 하나의 물리적 네트워크 인프라 위에서 서로 상이한 성능 요구사항을 가진 수많은 기기와 서비스를 효율적으로 공존시키는 핵심 기반이 된다.

CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)는 무선 LAN 표준인 IEEE 802.11 시리즈에서 사용되는 기본적인 매체 접근 제어(MAC) 프로토콜이다. 유선 이더넷에서 사용되는 CSMA/CD(충돌 감지)와 달리, 무선 환경에서는 모든 노드가 전송을 동시에 듣고 충돌을 감지하기 어렵기 때문에 충돌을 사전에 방지하는 방식을 채택한다. 이 방식은 Wi-Fi 네트워크에서 여러 사용자 또는 장치가 공유된 무선 매체에 안정적으로 접근할 수 있도록 한다.

CSMA/CA의 동작 과정은 크게 세 단계로 나눌 수 있다. 첫째, 송신 노드는 데이터를 보내기 전에 무선 채널이 사용 중인지 감지한다. 이를 캐리어 센싱(Carrier Sensing)이라고 한다. 채널이 일정 시간(일반적으로 DIFS[6]) 동안 비어 있으면, 임의의 백오프 시간(Backoff Time)을 설정하고 타이머를 기다린다. 둘째, 백오프 타이머가 0이 될 때까지 채널이 계속 비어 있어야 한다. 만약 다른 노드가 전송을 시작하면 백오프 타이머를 일시 정지하고, 채널이 다시 비게 되면 남은 시간을 계속 기다린다. 셋째, 타이머가 만료되면 데이터 프레임을 전송한다. 수신 측은 데이터를 성공적으로 받으면 짧은 ACK 프레임(승인 프레임)을 보내 전송 성공을 확인한다. ACK를 받지 못하면 송신 노드는 충돌이 발생했다고 간주하고 백오프 절차를 반복한다.

이 방식의 핵심은 충돌 확률을 줄이기 위한 추가 메커니즘에 있다. 대표적으로 RTS/CTS(Request to Send / Clear to Send) 핸드셰이크 절차가 있다. 큰 데이터 프레임을 보내기 전에 송신 노드는 짧은 RTS 프레임을 보내고, 수신 노드는 CTS 프레임으로 응답한다. 이 과정에서 주변의 다른 노드들이 이 신호를 듣고, 지정된 시간 동안 자신의 전송을 자제함으로써 숨은 노드 문제(Hidden Node Problem)를 완화한다.

CSMA/CA의 성능은 네트워크에 참여하는 노드의 수와 트래픽 양에 크게 의존한다. 노드가 많고 트래픽이 밀집할수록 채널 접근을 위한 경쟁과 백오프 지연이 증가하여 전체 처리량이 감소하고 지연이 커지는 단점이 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 최신 Wi-Fi 6(802.11ax)에서는 OFDMA 기반의 예약 방식이 도입되어 효율성을 크게 향상시켰다. 그러나 많은 기존 및 단순 장치들은 여전히 CSMA/CA를 기본 접근 방식으로 사용한다.

Wi-Fi 6(IEEE 802.11ax), Wi-Fi 6E, 그리고 Wi-Fi 7(IEEE 802.11be)에서 채택된 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)는 기존 Wi-Fi의 핵심 다중 접속 방식인 CSMA/CA를 보완하여 고밀도 환경에서의 효율성을 극적으로 향상시킨 기술이다. 이전 세대의 Wi-Fi는 한 번에 단일 사용자(단일 스테이션)만이 전체 채널 대역폭을 점유하여 데이터를 전송할 수 있었지만, OFDMA는 하나의 채널을 여러 개의 작은 부반송파 그룹(RU(Resource Unit))으로 나누어 동시에 여러 사용자에게 할당한다. 이를 통해 다수의 사용자가 동일한 채널에서 동시에 업로드 또는 다운로드를 수행할 수 있게 되어 대기 시간이 감소하고 전체 네트워크 처리량이 증가한다.

OFDMA의 동작은 액세스 포인트(AP)에 의해 중앙에서 스케줄링된다. AP는 다운링크 시에는 여러 사용자에게 서로 다른 RU를 동시에 전송하고, 업링크 시에는 여러 사용자에게 특정 RU와 타이밍을 할당하여 조정된 방식으로 동시 전송을 유도한다. 이는 특히 작은 패킷 크기의 트래픽이 많은 IoT 환경이나 동영상 스트리밍, 온라인 게임 등에서 지연을 줄이는 데 효과적이다. Wi-Fi 6/6E와 Wi-Fi 7의 OFDMA 구현에는 차이가 있다. Wi-Fi 6/6E는 20MHz, 40MHz, 80MHz, 160MHz 채널을 지원하며, 더 작은 RU 크기(예: 26-tone RU)를 도입하여 더 많은 사용자를 세밀하게 지원한다.

Wi-Fi 7에서는 OFDMA의 성능이 더욱 진화한다. 가장 큰 변화는 최대 320MHz의 초광대역 채널 지원과 다중 링크 동작(MLO)이다. 320MHz 채널은 사용 가능한 RU의 수와 각 RU의 가능한 대역폭을 증가시켜 처리량을 한층 높인다. 또한, Wi-Fi 7은 보다 유연한 자원 스케줄링을 위해 다중 AP 간 협력(coordination)을 강화하여 간섭을 줄이고 OFDMA의 효율성을 극대화한다. 다음 표는 Wi-Fi 6과 Wi-Fi 7의 주요 OFDMA 관련 특성을 비교한다.

결론적으로, Wi-Fi 표준에 OFDMA가 도입된 것은 무선 LAN의 패러다임 전환이었다. 이는 단순한 속도 향상을 넘어서, 공항, 스타디움, 사무실, 스마트 홈 등 점점 더 복잡해지는 무선 환경에서 다수의 장치가 효율적이고 안정적으로 공존할 수 있는 기반을 마련하였다. Wi-Fi 7은 이를 더욱 발전시켜 미래의 초고속, 저지연 애플리케이션 요구사항을 충족시키고 있다.

스펙트럼 효율성은 주어진 대역폭 내에서 얼마나 많은 데이터를 성공적으로 전송할 수 있는지를 나타내는 척도이다. 단위는 일반적으로 bps/Hz(초당 비트 수 퍼 헤르츠)로 표시된다. 이는 제한된 주파수 자원을 얼마나 효율적으로 활용하는지를 평가하는 무선 통신 시스템의 핵심 성능 지표 중 하나이다.

다양한 다중 접속 방식은 서로 다른 스펙트럼 효율성을 보인다. 초기의 FDMA 방식은 사용자마다 고정된 주파수 대역을 할당하기 때문에 간섭은 적지만 자원 활용의 유연성이 부족해 효율성이 상대적으로 낮은 편이다. TDMA는 시간 슬롯을 나누어 사용하므로 FDMA보다 향상된 효율성을 보일 수 있으나, 가드 타임 등의 오버헤드가 존재한다. CDMA는 모든 사용자가 동일한 주파수 대역을 코드로 구분하여 동시에 사용하므로 이론적으로 높은 스펙트럼 효율성을 가지지만, 사용자 수가 증가하면 간섭이 심해져 효율성이 급격히 떨어진다.

현대의 4G LTE와 5G NR에서 광범위하게 채택된 OFDMA는 부반송파들을 직교하게 배열하여 간섭을 최소화하고, 사용자의 채널 상태에 따라 동적으로 자원을 할당할 수 있다. 이러한 적응형 자원 할당 덕분에 OFDMA는 매우 높은 스펙트럼 효율성을 실현한다. 특히 MIMO 기술과 결합되면 공간 차원의 자원을 추가로 활용할 수 있어 스펙트럼 효율성은 더욱 극대화된다. 다음은 주요 다중 접속 방식의 스펙트럼 효율성 특성을 비교한 표이다.

다중 접속 방식은 시스템의 전송 지연과 처리량에 직접적인 영향을 미친다. 전송 지연은 데이터 패킷이 송신자에서 수신자까지 도달하는 데 걸리는 총 시간을 의미하며, 처리량은 단위 시간당 성공적으로 전송할 수 있는 데이터 양을 가리킨다. 각 방식은 채널을 사용자에게 할당하는 메커니즘이 다르기 때문에, 이러한 성능 지표에서 뚜렷한 차이를 보인다.

시분할 다중 접속은 사용자가 자신의 시간 슬롯을 기다려야 하므로, 대기 시간이 지연을 증가시킬 수 있다. 반면 코드 분할 다중 접속은 이론적으로 모든 사용자가 동시에 접속할 수 있어 접속 지연은 낮지만, 사용자 수가 증가하면 심한 간섭으로 인해 처리량이 급격히 저하될 수 있다. 현대의 직교 주파수 분할 다중 접속은 주파수와 시간 영역에서 자원을 동적으로 할당하여, 낮은 지연과 높은 처리량을 동시에 달성하는 데 유리하다. 특히 트래픽이 폭발적으로 증가하는 환경에서 OFDMA는 짧은 대기 시간과 높은 데이터 속도를 보장하는 핵심 기술로 자리 잡았다.

간섭 관리는 무선 통신 시스템의 성능과 신뢰성을 결정하는 핵심 요소이다. 다중 접속 기술은 여러 사용자가 동일한 매체를 공유하므로, 사용자 간 또는 셀 간 간섭이 발생할 수 있다. 각 기술은 고유한 방식으로 이러한 간섭을 제어하거나 완화하여 시스템 용량과 서비스 품질을 유지한다.

간섭 관리 능력은 시스템의 스펙트럼 효율성과 직접적으로 연관된다. 예를 들어, CDMA는 소프트 핸드오버와 같은 기술로 셀 간 간섭을 이용해 성능을 향상시킬 수 있지만, 복잡한 전력 제어가 필요하다. 반면, OFDMA는 직교성 덕분에 셀 내 간섭은 거의 없지만, 인접 셀 간의 동일 채널 사용으로 인한 셀 간 간섭이 주요 과제이다. 이를 해결하기 위해 4G LTE와 5G NR에서는 인접 셀 간 협력 통신이나 주파수 재사용 계획[7] 등이 적용된다.

대규모 MIMO는 수십 개에서 수백 개의 안테나 요소를 사용하여 공간 차원에서 다수의 사용자에게 동시에 데이터를 전송하는 기술이다. 이 기술은 다중 접속 기술, 특히 공간 분할 다중 접속의 개념을 극대화한 형태로 볼 수 있다. 기존의 SDMA가 제한된 수의 안테나로 공간 스트림을 분리했다면, 대규모 MIMO는 안테나 수를 크게 늘려 더 많은 사용자에게 더 정밀하게 빔을 형성하고, 간섭을 효과적으로 억제할 수 있다.

대규모 MIMO와 다중 접속 기술의 결합은 주로 OFDMA와 함께 이루어진다. 5G 및 차세대 무선 통신 시스템에서는 OFDMA가 시간-주파수 자원을 블록 단위로 사용자에게 할당하는 기본 다중 접속 방식으로 채택되었다. 여기에 대규모 MIMO가 결합되면, 동일한 시간-주파수 자원 블록을 공간적으로 분리된 여러 사용자에게 동시에 재사용할 수 있게 된다. 이는 공간 분할 다중 접속의 고도화된 형태로, 스펙트럼 효율성을 극적으로 향상시킨다.

이러한 결합의 구체적인 이점과 동작 방식을 다음 표로 정리할 수 있다.

이 결합은 또한 새로운 도전 과제를 야기한다. 수백 개의 안테나에 대한 정확한 채널 상태 정보 획득은 막대한 피드백 오버헤드를 유발할 수 있다. 또한, 많은 수의 사용자를 동시에 스케줄링하고 자원을 할당하는 알고리즘의 복잡도가 매우 높아진다. 이러한 문제들을 해결하기 위해, AI/ML 기반의 지능형 빔 관리 및 스케줄링 기술이 활발히 연구되고 있다.

비직교 다중 접속은 직교 주파수 분할 다중 접속이나 시분할 다중 접속과 같은 기존 직교 다중 접속 방식과 근본적으로 다른 접근법이다. 기존 방식은 시간, 주파수, 코드 등의 자원을 사용자 간에 서로 겹치지 않게(직교하게) 분배하여 간섭을 회피하는 데 주력했다. 반면, NOMA는 의도적으로 여러 사용자의 신호를 동일한 시간-주파수 자원에 중첩시켜 전송하고, 수신 측에서 연속 간섭 제거 등의 고급 검출 기술을 통해 사용자 신호를 분리해낸다. 이는 제한된 주파수 자원 내에서 더 많은 사용자를 수용하거나 시스템 전체의 처리량을 향상시키는 것을 목표로 한다.

NOMA의 핵심 원리는 송신기에서의 전력 영역 다중화와 수신기에서의 SIC이다. 기지국은 채널 조건이 좋은 사용자와 나쁜 사용자에게 동일한 자원 블록을 할당하지만, 신호 전력을 다르게 배분한다. 일반적으로 채널 상태가 열악한 사용자에게 더 높은 전력을 할당한다. 수신 측에서는 채널 조건이 좋은 사용자가 먼저 채널 조건이 나쁜 사용자의 신호를 간섭으로 간주하여 검출 및 제거한 후, 자신의 신호를 검출한다. 채널 조건이 나쁜 사용자는 상대 사용자의 신호를 간섭으로 처리하고 자신의 신호를 직접 검출한다[10].

NOMA는 특히 5G 및 6G 이동 통신에서 중요한 후보 기술로 연구되고 있으며, 대규모 사물인터넷 연결과 같은 대규모 기계 통신 시나리오에 유망하다. 그러나 실제 구현에는 여러 사용자 신호를 정확하게 분리하기 위한 고성능 SIC 수신기의 복잡도와 전력 배분 최적화, 사용자 스케줄링, 채널 정보의 정확한 추정 등이 주요 도전 과제로 남아 있다.