Over-the-Air Successive Interference Cancellation for Efficient 5G NR and Wi-Fi Spectrum Reuse

Resumen Técnico: Cancelación de Interferencia Sucesiva en el Aire para la Reutilización Eficiente del Espectro de 5G NR y Wi-Fi

Enunciado del Problema
El artículo aborda el desafío de la reutilización eficiente del espectro entre los sistemas 5G New Radio (5G NR) y Wi-Fi que operan en bandas compartidas o adyacentes, particularmente en el espectro no licenciado. Las estrategias actuales de coexistencia dependen principalmente de mecanismos de la capa de Control de Acceso al Medio (MAC), como Escuchar-Antes-Hablar (LBT), retroceso aleatorio y detección de energía. Los autores argumentan que estos enfoques están limitados por el dominio de colisiones observado por los transmisores, lo que genera problemas como detección asimétrica, nodos ocultos y un uso ineficiente del tiempo de aire en despliegues heterogéneos. El artículo postula que avanzar más allá de la evitación de colisiones hacia una separación de ondas superpuestas a nivel de capa física podría permitir una reutilización espectral más agresiva. Específicamente, si un receptor puede estimar y suprimir una onda interferente dominante, las transmisiones concurrentes no necesitan estar estrictamente separadas en el tiempo o la frecuencia.

Metodología
Los autores proponen y evalúan un marco de Cancelación de Interferencia Sucesiva (SIC) en el Aire (OTA) diseñado para un escenario donde una señal 5G NR fuerte actúa como interferente dominante sobre una señal Wi-Fi más débil en el mismo canal.

• Modelo del Sistema: La onda compuesta recibida se modela como la suma de la señal 5G NR, la señal Wi-Fi y el ruido. El receptor SIC busca reconstruir el componente 5G dominante y restarlo de la señal compuesta para recuperar la onda Wi-Fi residual.
• Algoritmo de Cancelación: El receptor propuesto opera en el dominio de muestras. El proceso implica:
  1. Demodulación y Reconstrucción: El receptor demodula la señal 5G fuerte para reconstruir una estimación de la onda transmitida.
  2. Alineación y Estimación: La referencia 5G reconstruida se alinea con la onda compuesta capturada. Se ajusta una ganancia escalar compleja ($\hat{\alpha}$) para corregir la amplitud y la fase, seguida de una estimación de canal regularizada de Respuesta al Impulso Finita (FIR) ($\hat{h}_{NR}$) para modelar la respuesta de acoplamiento.
  3. Sustracción: La onda 5G estimada se resta de la señal compuesta para producir una onda residual, que idealmente contiene solo la señal Wi-Fi y el ruido.
• Configuración Experimental: La evaluación se realizó en una caja de blindaje RF controlada y de alto rendimiento (R&S TS7124M) para garantizar la repetibilidad y el aislamiento de interferencias externas.
  • Hardware: Se utilizaron dos radios USRP-2953R. El USRP 1 transmitió la onda 5G NR y capturó la señal compuesta, mientras que el USRP 2 transmitió la onda Wi-Fi.
  • Ondas: La señal 5G NR utilizó modulación 64-QAM con un espaciado de subportadoras de 15 kHz sobre 66 PRB. La señal Wi-Fi utilizó una configuración VHT IEEE 802.11ac (20 MHz de ancho de banda, MCS 2).
  • Condiciones del Canal: Para simular la propagación realista, se aplicaron modelos de canal de banda base cuasi-estáticos (TDL-B, TDL-C para NR; Modelo-TGn B, Modelo-D para Wi-Fi) antes de la transmisión. Un atenuador RF de precisión en la ruta de Wi-Fi permitió la variación controlada de la potencia de señal relativa entre las dos tecnologías.

Contribuciones Clave
El artículo describe cuatro contribuciones principales:

1. Plataforma de Pruebas Controlada: La presentación de una plataforma de pruebas de coexistencia OTA controlada para la transmisión concurrente de 5G NR y Wi-Fi dentro de un entorno blindado.
2. Implementación SIC: La implementación de un receptor SIC en el dominio de muestras que utiliza alineación de ondas, ajuste de ganancia compleja y estimación de canal FIR para suprimir la interferencia 5G dominante.
3. Metodología de Evaluación: La definición de un marco de evaluación integral que reporta conjuntamente la Magnitud del Error Vectorial (EVM) y la Tasa de Error de Bits (BER) de 5G y Wi-Fi, la profundidad de cancelación en el dominio de muestras y la supresión de la estimación del canal.
4. Validación Experimental: La demostración, mediante mediciones OTA, que la cancelación en el lado del receptor puede suprimir efectivamente el componente 5G dominante, permitiendo la recuperación de la onda Wi-Fi más débil a partir de la señal residual.

Resultados
El estudio se centró en un punto de operación representativo con 18 dB de atenuación en la ruta de Wi-Fi, donde la señal 5G dominaba la onda compuesta.

• Rendimiento de Cancelación: En el punto de atenuación de 18 dB, el sistema logró una profundidad de cancelación en el dominio de muestras de 11.88 dB y una supresión del canal 5G de 26.96 dB.
• Métricas de Recuperación:
  • Rendimiento 5G: La señal compuesta 5G mantuvo un rendimiento estable en todas las condiciones del canal, con un EVM que osciló entre 10.35% y 11.23% y una BER entre $2 \times 10^{-2}$ y $5 \times 10^{-2}$.
  • Rendimiento Wi-Fi: Sin SIC, la decodificación de Wi-Fi falló en la onda compuesta. Después de aplicar SIC, la recuperación de Wi-Fi fue exitosa en la señal residual. El EVM residual de Wi-Fi osciló entre 26.80% (caso sin desvanecimiento) y 43.69% (casos de canal filtrado), con una BER que varió de $7 \times 10^{-3}$ a $8 \times 10^{-2}$.
• Sensibilidad del Canal: Los resultados indicaron que, aunque la profundidad de cancelación fue relativamente consistente entre los diferentes modelos de canal, la calidad de la recuperación residual de Wi-Fi fue altamente sensible a las condiciones del canal. El caso "sin desvanecimiento" produjo la mejor recuperación, mientras que los casos de canal filtrado resultaron en mayor distorsión residual y tasas de error.

Significado y Afirmaciones
El artículo afirma que la metodología propuesta proporciona una base práctica para evaluar la coexistencia entre tecnologías y la supresión de interferencias en el lado del receptor bajo condiciones OTA controladas. Los autores sostienen que sus resultados demuestran que la cancelación en el lado del receptor puede suprimir suficientemente la interferencia 5G dominante para permitir la recuperación de transmisiones Wi-Fi más débiles en el mismo canal. Esto sugiere que los recursos espectrales podrían reutilizarse de manera más agresiva sin depender exclusivamente de la separación temporal o frecuencial, siempre que la onda residual permanezca decodificable. El trabajo se presenta como una validación de la viabilidad de tales enfoques a nivel de capa física, avanzando más allá de la evitación tradicional de colisiones a nivel de capa MAC.