NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) - 비직교 다중 접속

핵심 인사이트 (3줄 요약)

본질: NOMA는 여러 사용자의 데이터를 동일한 시간과 주파수 블록에 겹쳐서 전송하는 대신, **전력 도메인(Power Domain)**에서 차이를 두어 전송하고 수신단에서 이를 분리해 내는 혁신적인 다중 접속 방식이다.

핵심 원리: 기지국은 거리가 멀어 전파 환경이 나쁜 사용자에게 강한 전력을, 가까운 사용자에게 약한 전력을 할당해 겹쳐서 쏘며, 수신기는 SIC (순차적 간섭 제거, Successive Interference Cancellation) 기술을 통해 강한 신호부터 차례대로 해독하여 간섭을 벗겨낸다.

가치: OFDMA가 지닌 '직교성'이라는 엄격한 규칙을 의도적으로 깨뜨림으로써, 한정된 주파수 내에서 더 많은 기기를 수용할 수 있어 초연결(mMTC)이 필수적인 5G 후기 및 6G의 핵심 기술로 연구되고 있다.

Ⅰ. 개요 및 필요성 (Context & Necessity)

1G부터 4G LTE에 이르기까지 다중 접속(Multiple Access) 기술의 역사는 "어떻게 하면 사용자들의 신호가 서로 겹치지 않게(간섭하지 않게) 나눌 것인가?"에 집중해 왔습니다. 주파수를 나누고(FDMA), 시간을 나누고(TDMA), 코드를 곱하고(CDMA), 주파수와 시간을 완벽히 직교하는 격자로 쪼개는(OFDMA) 방식으로 진화해 왔습니다. 이 모든 기술의 대전제는 직교성(Orthogonality), 즉 "다른 사용자의 자원 영역을 침범하지 않는다"는 것이었습니다.

하지만 5G와 다가올 6G 시대에는 사람뿐만 아니라 수십억 개의 IoT 기기, 센서, 자율주행차가 동시에 네트워크에 접속해야 하는 초대규모 사물 통신 (mMTC, massive Machine Type Communications) 환경이 펼쳐집니다. OFDMA처럼 모든 기기에게 서로 겹치지 않는 빈 방(주파수/시간 블록)을 하나씩 배정해 주는 방식으로는 더 이상 폭증하는 접속 기기 수를 감당할 수 없는 수학적 한계에 봉착했습니다.

이에 대한 패러다임의 전환으로 등장한 것이 **NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access, 비직교 다중 접속)**입니다. NOMA는 "겹치면 안 된다"는 금기를 과감히 깨고, 하나의 주파수/시간 블록에 2명 이상의 사용자를 억지로 겹쳐서 쑤셔 넣습니다. 대신 이들의 신호를 구분하기 위해 **전력의 크기(Power Level)**를 다르게 설정하여 보냅니다. 이는 송신 측의 복잡도를 약간 높이는 대신, 동일한 주파수 자원으로 수용할 수 있는 사용자 용량(Capacity)을 비약적으로 끌어올리는 혁명적인 접근법입니다.

[다중 접속 패러다임의 전환: OMA vs NOMA]

[OMA (Orthogonal MA) - 4G OFDMA]      [NOMA (Non-Orthogonal MA) - 5G/6G]
       "자원을 쪼개서 분배"                     "자원을 겹쳐서 분배"

전력                                  전력
 ▲                                     ▲  ┌─────────────────┐ 
 │  ┌─────┐   ┌─────┐                  │  │ User B (먼 거리)│<- 강한 전력
 │  │UserA│   │UserB│                  │  │                 │ 
 │  │     │   │     │                  │  ├─────────────────┤ 
 │  └─────┴───┴─────┴─► 주파수         │  │ User A (가까움) │<- 약한 전력 
 │                                     │  └─────────────────┴─► 주파수
 └──────────────────────                 └───────────────────────────
   서로 다른 주파수 블록 사용               동일한 주파수 블록을 동시에 사용 
                                           (단, 전력의 크기로 구분)

이 구조도는 OFDMA가 가로축(주파수/시간)을 쪼개는 2차원 방식이라면, NOMA는 세로축(전력 도메인)을 쪼개어 중첩시키는 3차원적 자원 할당 방식임을 보여줍니다.

📢 섹션 요약 비유: OMA(기존 방식)가 하나의 침대에 한 명씩만 재우기 위해 침대 개수만큼만 손님을 받는 호텔이라면, NOMA는 하나의 넓은 침대에 어른(큰 전력)과 아이(작은 전력)를 위아래로 포개어 재우고, 아침에 일어날 때 어른이 먼저 일어나 비켜주면(SIC) 아이도 무사히 일어날 수 있게 하여 수용 인원을 2배로 늘린 기발한 호스텔입니다.

Ⅱ. 아키텍처 및 핵심 원리 (Deep Dive)

NOMA의 구조적 핵심은 기지국에서의 **Superposition Coding (중첩 부호화)**과 단말기에서의 **SIC (순차적 간섭 제거)**입니다.

1. 중첩 부호화 (Superposition Coding, 송신단)

기지국은 동일한 주파수 자원을 할당받은 여러 사용자의 데이터를 하나로 더해서(중첩시켜) 전송합니다.
이때 가장 중요한 규칙은 **"전파 환경이 나쁜(멀리 있는) 사용자에게 더 높은 송신 전력을, 전파 환경이 좋은(가까이 있는) 사용자에게 더 낮은 송신 전력을 할당"**한다는 점입니다.
이유: 멀리 있는 사용자는 신호가 많이 깎이므로 강하게 쏴야 겨우 들리고, 가까운 사용자는 약하게 쏴도 잘 들리기 때문입니다.

2. 순차적 간섭 제거 (SIC, Successive Interference Cancellation, 수신단) 단말기가 이 뒤섞인 신호를 수신했을 때 자기 신호를 발라내는 해독 알고리즘입니다.

가까운 사용자 (User A, 약한 전력 수신):
- A가 받은 신호에는 B의 강한 신호가 엄청난 잡음처럼 크게 섞여 있습니다.
- A는 자신의 좋은 전파 환경(높은 SNR)과 뛰어난 연산력을 활용해, 먼저 가장 크고 명확하게 들리는 **B의 신호를 해독(Decoding)**해 버립니다.
- B의 신호가 뭔지 알아냈으므로, 전체 수신 신호에서 B의 신호를 수학적으로 빼버립니다 (Cancellation).
- 남은 미약한 신호가 바로 자신의 신호(A)임을 알고 이를 최종 해독합니다.
멀리 있는 사용자 (User B, 강한 전력 수신):
- B가 받은 신호에도 A의 신호가 섞여 있지만, A의 신호는 기지국에서 애초에 워낙 약하게 쐈기 때문에 B에게 도달했을 때는 '먼지' 같은 백색 잡음(Thermal Noise) 수준에 불과합니다.
- 따라서 B는 SIC 같은 복잡한 연산 없이, 그냥 잡음 속에 있는 가장 강력한 신호(자신의 신호)를 바로 해독해 버립니다.

NOMA 시스템의 3단계 동작 흐름

단계	기지국 (Node B) 역할	사용자 A (근거리, 전파 좋음)	사용자 B (원거리, 전파 나쁨)
1. 전력 할당 및 중첩	A에게 20% 전력, B에게 80% 전력을 할당하여 더함(Superposition)	-	-
2. 복합 신호 수신	무선 채널로 전송	수신: [B신호(강) + A신호(약)]	수신: [B신호(중) + A신호(초미약)]
3. 신호 분리 (SIC)	-	1. B신호 해독 2. 원본에서 B 뺌(SIC) 3. 남은 A신호 해독	A신호는 무시(그냥 잡음 취급), 바로 B신호 해독 완료

[NOMA 시스템 수신단 SIC (Successive Interference Cancellation) 원리]

[기지국 송신] = (강한 B 신호) + (약한 A 신호) 중첩 전송

──────────────────────────────────────────────────────────────────────►
▶ 근거리 사용자 (User A)의 수신 및 해독 과정
   1. 전체 신호 수신 ┌───────┐
                     │ B(강) │
                     ├───┬───┤
                     │A(약)  │
                     └───────┘
          ↓ (가장 강한 신호를 먼저 타겟팅)
   2. B 신호 해독 및 ┌───────┐
      제거 (SIC)     │ B(강) │ ---> 알아낸 뒤 원본 파형에서 삭감 (Cancellation)
                     └───────┘
          ↓
   3. 내 신호 획득   ┌───────┐
                     │A(약)  │ ---> 최종 A 데이터 디코딩 완료
                     └───────┘

이 다이어그램은 강한 타인의 신호를 잡음으로 치부하여 통신을 포기하는 것이 아니라, 오히려 타인의 신호를 능동적으로 해독하고 빼버림으로써 자신의 약한 신호를 건져내는 SIC 알고리즘의 역발상적 천재성을 보여줍니다.

📢 섹션 요약 비유: 시끄러운 식당에서 건너편 테이블의 큰 목소리(B 신호)와 내 앞사람의 작은 속삭임(A 신호)이 동시에 들립니다. 내 앞사람(User A)은 귀가 아주 밝아서, 큰 목소리가 무슨 말인지 먼저 알아듣고 뇌에서 그 소리를 지워버린(SIC) 다음, 비로소 내 작은 속삭임을 선명하게 알아듣는 원리입니다. 반면 건너편 사람(User B)은 내 속삭임이 애초에 들리지도 않으므로 큰 목소리만 바로 알아듣습니다.

Ⅲ. 융합 비교 및 다각도 분석 (Comparison & Synergy)

NOMA는 직교 다중 접속(OMA)의 극한에 도달한 OFDMA를 대체하는 것이 아니라, OFDMA의 한계를 전력 도메인에서 보완하는 형태로 결합됩니다.

OMA (OFDMA) vs NOMA 성능 트레이드오프

비교 항목	OFDMA (4G/5G 주력)	NOMA (5G 확장/6G 후보)	실무적 의미 / 해석
자원 할당 방식	직교 블록 분리	직교 블록 내 전력 기반 중첩	NOMA는 동일 PRB에 여러 명을 태워 주파수 효율 극대화
최대 접속 수용량	가용 PRB 수에 종속 (한계 뚜렷)	동일 자원에 다수 수용 (Massive)	NOMA는 사물인터넷(mMTC)의 초밀집 접속에 필수적
단말기 복잡도	상대적으로 낮음	매우 높음 (SIC 연산 필요)	NOMA 단말기는 SIC 처리를 위해 더 높은 CPU/배터리 소모
보안 및 프라이버시	안전함 (내 자원만 수신)	상대적으로 취약함	가까운 사용자가 원거리 사용자의 데이터를 먼저 해독(도청 위험)
셀 가장자리 성능	간섭으로 인해 스루풋 깎임	전력을 몰아주어 성능 보장됨	NOMA는 외곽 사용자(User B)에게 절대적으로 유리함

과목 융합 관점 (정보이론 및 알고리즘)

샤논의 채널 용량 (Shannon Capacity): NOMA의 정보이론적 근거는 다중 사용자 채널 용량(Capacity Region) 수학 모델에 있습니다. OMA 방식은 사용자 간 자원을 분할하므로 결코 이론적 최대 한계치에 도달할 수 없지만, NOMA는 중첩 부호화와 SIC를 사용하면 다중 사용자 환경의 섀논 한계선(Boundary)에 정확히 도달할 수 있음이 수학적으로 증명되어 있습니다.
알고리즘 (User Pairing): NOMA 시스템의 성능은 '어떤 사용자 둘을 묶을 것인가(User Pairing)'에 좌우됩니다. 두 사용자의 채널 상태(SNR) 차이가 클수록 SIC가 잘 동작합니다. 반대로 거리가 비슷한 두 명을 묶으면 전력 차이를 두기 어려워 SIC가 실패하고 상호 간섭으로 통신이 망가집니다. 최적의 짝을 찾는 휴리스틱/머신러닝 알고리즘이 필수적입니다.

[OMA와 NOMA의 채널 용량 한계 (Capacity Region) 비교]

 User 2
 데이터율
   ▲
   │               (NOMA 달성 영역: 곡선)
   │        . ㆍ ˚ ── ── ── ── ── ── ┐ 
   │    .                            │
   │  .          (OMA 달성 영역: 직선)│
   │ .                 /             │  <-- NOMA를 쓰면 OMA 방식이
   │.                /               │      버리고 있던 잉여 대역폭 
   │               /                 │      (빗금 부분)을 온전히 
   ├─────────────/───────────────────┤      사용할 수 있음
   │           /                     │
   └─────────/───────────────────────┴──► User 1 데이터율

이 정보이론 그래프는 자원을 칼로 자르듯 분할하는 OMA 방식은 직선의 한계를 갖지만, 자원을 유기적으로 중첩시키는 NOMA 방식은 물리적 한계 곡선(Capacity Region)에 도달할 수 있는 가장 완벽한 다중 접속 방식임을 증명합니다.

📢 섹션 요약 비유: 피자를 나눌 때, OFDMA는 피자를 정확히 반으로 잘라서(직선) 먹기 때문에 토핑이 없는 빵 테두리 부분은 버려지게 됩니다. NOMA는 한 명은 치즈만 걷어 먹고 다른 한 명은 빵을 먹는 식으로 겹쳐서 먹음으로써(곡선) 피자 한 판의 열량을 단 1%도 낭비 없이 완벽히 흡수하는 방식입니다.

Ⅳ. 실무 적용 및 기술사적 판단 (Strategy & Decision)

이론적으로 완벽한 NOMA가 왜 아직 5G의 지배적인 표준이 되지 못했는지, 실무 도입 시의 장벽과 의사결정 포인트를 파악해야 합니다.

실무 도입 시나리오 및 안티패턴

사용자 페어링(User Pairing) 안티패턴
- 문제 상황: NOMA 기지국이 거리가 거의 비슷한 단말기 C와 D를 같은 PRB에 묶어버림.
- 결과: 기지국은 C와 D에게 확연한 전력 차이를 줄 수 없습니다(예: 50% 대 50%). 이 경우 수신단에서 어느 신호가 더 강한지 구분할 수 없어 SIC(순차적 간섭 제거) 알고리즘이 붕괴합니다.
- 해결책 (실무 판단): 실무 네트워크 스케줄러는 반드시 채널 이득(Channel Gain) 차이가 극심한 셀 중심부 사용자와 셀 가장자리 사용자를 세트로 묶어야만 NOMA의 이득을 볼 수 있습니다.
단말기 배터리와 처리 지연(Processing Delay) 트레이드오프
- 문제 상황: 수신단(User A)이 남의 신호를 해독하고 빼고 다시 내 신호를 해독하는 과정은 막대한 DSP(디지털 신호 처리) 연산량을 요구합니다.
- 엔지니어링 판단: 3명, 4명 이상을 겹쳐 보내면 겹친 수만큼 SIC 연산을 반복해야 하므로 스마트폰 배터리가 방전되거나 디코딩 지연(Latency)이 발생하여 5G의 URLLC(초저지연) 목적에 위배됩니다. 따라서 실무에서는 통상 2명, 최대 3명까지만 페어링을 제한하는 부분적 NOMA(Fractional NOMA) 방식을 고려합니다.
보안(Security) 취약점 시나리오
- 근거리 단말기 A는 본인의 신호를 얻기 위해 필연적으로 원거리 단말기 B의 데이터를 완벽하게 복원(Decoding)해야 합니다.
- 만약 B의 데이터가 상위 계층(App/Transport)에서 암호화되어 있지 않다면, MAC 계층에서 A가 B의 패킷을 들여다보는 심각한 프라이버시 침해가 발생합니다. NOMA 도입 시 강력한 Payload 암호화가 필수적입니다.

📢 섹션 요약 비유: NOMA는 아주 무거운 사람(큰 전력)과 아주 가벼운 사람(작은 전력)을 시소 양끝에 태워야만 균형 제어(SIC)가 가능한 정밀한 시스템입니다. 몸무게가 비슷한 사람 둘을 태우면 시소가 고장 나고, 너무 여러 명을 한 번에 올리면 시소 자체가 부서져 버립니다.

Ⅴ. 기대효과 및 결론 (Future & Standard)

NOMA는 현재 3GPP 표준화 과정에서 지속적으로 5G Advanced 및 6G의 후보 기술로 논의되고 있으며, 그 잠재력은 명확합니다.

관점	기대 효과 및 기술적 의의	6G를 향한 표준화 방향
초연결 수용성 (mMTC)	가용 주파수 블록 수보다 2~3배 많은 동시 접속자 수용	수백만 개의 IoT 센서가 스케줄링 없이 무작위 접속하는 Grant-free NOMA로 발전
셀 외곽 품질 보장	셀 외곽 사용자에게 전력을 몰아주어 사용자 공평성(Fairness) 달성	OFDMA와 융합하여 기지국 중심부는 NOMA, 외곽은 OMA를 혼용하는 하이브리드 설계
스펙트럼 효율 극대화	섀논 한계에 근접하는 궁극의 채널 용량 달성	Massive MIMO의 빔포밍 기술(공간 분할)과 결합한 전력-공간 NOMA로 진화

미래 전망 (6G 다중 접속의 패러다임) OFDMA의 직교성 신화는 5G에서 그 정점을 찍었습니다. 6G 시대의 핵심 화두는 자원이 고갈된 주파수 공간에서 '의도된 간섭'을 얼마나 지능적으로 허용하고 상쇄할 것인가입니다. 기계학습(AI/ML)을 기반으로 한 찰나의 User Pairing 예측과 모바일 칩셋의 비약적인 연산 능력 발전이 더해진다면, NOMA는 수백억 개의 디바이스가 얽히는 6G 신경망의 가장 기본적이고 튼튼한 무선 접속 뼈대가 될 것입니다.

📢 섹션 요약 비유: 직교 방식(OFDMA)이 차선을 정확히 지켜 달리는 자율주행차라면, 비직교 방식(NOMA)은 앞차와 뒷차가 범퍼를 맞대고(신호 중첩) 초고속으로 군집 주행(플래투닝)을 하면서 공기 저항을 최소화하여 도로 전체의 통행량을 극한으로 끌어올리는 미래의 교통 제어 시스템입니다.

📌 관련 개념 맵 (Knowledge Graph)

SIC (Successive Interference Cancellation) | 수신단에서 수신 신호 강도가 센 타인의 신호부터 순차적으로 해독한 뒤 삭감해 나가는 NOMA의 핵심 수신 기술
Superposition Coding (중첩 부호화) | 송신단에서 서로 다른 전력을 가진 여러 사용자의 데이터를 하나의 물리적 파형으로 합쳐서 전송하는 기술
User Pairing (사용자 페어링) | NOMA의 성능을 극대화하기 위해 채널 상태 차이가 큰 사용자끼리 그룹을 묶어주는 기지국 스케줄러 알고리즘
mMTC (Massive Machine Type Communications) | 1평방킬로미터당 100만 개 이상의 기기가 연결되어야 하는 5G/6G의 초연결 요구사항으로, NOMA 도입의 가장 강력한 동기
Shannon Capacity (섀논 용량) | 주어진 대역폭과 신호 대 잡음비 환경에서 에러 없이 전송할 수 있는 이론적 최대 전송률의 한계선

👶 어린이를 위한 3줄 비유 설명

기존 통신(OFDMA)은 한 도화지에 한 명만 그림을 그리게 해서 종이가 금방 부족해졌어요.
NOMA는 한 도화지에 형이 굵은 매직으로 그림(강한 신호)을 먼저 그리고, 그 위에 동생이 얇은 연필로 투명하게 그림(약한 신호)을 겹쳐서 그리는 방식이에요.
똑똑한 지우개(SIC)가 매직 그림을 먼저 읽어내고 살짝 지워주면, 그 아래 숨겨진 연필 그림도 아주 선명하게 볼 수 있어서 종이 한 장을 두 명이 아껴 쓸 수 있답니다!