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

Résumé technique : Annulation successive des interférences en transmission hertzienne pour une réutilisation efficace du spectre 5G NR et Wi-Fi

Énoncé du problème
L'article aborde le défi de la réutilisation efficace du spectre entre les systèmes 5G New Radio (5G NR) et Wi-Fi opérant dans des bandes partagées ou adjacentes, en particulier dans le spectre non autorisé. Les stratégies de coexistence actuelles reposent principalement sur des mécanismes de la couche d'accès au support (MAC), tels que l'écoute avant de parler (LBT), le backoff aléatoire et la détection d'énergie. Les auteurs soutiennent que ces approches sont limitées par le domaine de collision observé par les émetteurs, entraînant des problèmes tels que la détection asymétrique, les nœuds cachés et une utilisation inefficace du temps d'antenne dans les déploiements hétérogènes. L'article postule que dépasser l'évitement des collisions pour parvenir à une séparation physique des formes d'onde superposées pourrait permettre une réutilisation spectrale plus agressive. Plus précisément, si un récepteur peut estimer et supprimer une forme d'onde interférante dominante, les transmissions simultanées n'ont pas besoin d'être strictement séparées dans le temps ou en fréquence.

Méthodologie
Les auteurs proposent et évaluent un cadre d'annulation successive des interférences (SIC) en transmission hertzienne (OTA) conçu pour un scénario où un signal 5G NR fort agit comme une interférence dominante pour un signal Wi-Fi co-canal plus faible.

• Modèle système : La forme d'onde composite reçue est modélisée comme la somme du signal 5G NR, du signal Wi-Fi et du bruit. Le récepteur SIC vise à reconstruire la composante 5G dominante et à la soustraire du signal composite pour récupérer la forme d'onde Wi-Fi résiduelle.
• Algorithme d'annulation : Le récepteur proposé opère dans le domaine des échantillons. Le processus implique :
  1. Démodulation et reconstruction : Le récepteur démodule le signal 5G fort pour reconstruire une estimation de la forme d'onde transmise.
  2. Alignement et estimation : La référence 5G reconstruite est alignée avec la forme d'onde composite capturée. Un gain scalaire complexe ($\hat{\alpha}$) est ajusté pour corriger l'amplitude et la phase, suivi d'une estimation de canal par réponse impulsionnelle finie (FIR) régularisée ($\hat{h}_{NR}$) pour modéliser la réponse de couplage.
  3. Soustraction : La forme d'onde 5G estimée est soustraite du signal composite pour produire une forme d'onde résiduelle, qui idéalement ne contient que le signal Wi-Fi et le bruit.
• Configuration expérimentale : L'évaluation a été réalisée dans une boîte de blindage RF haute performance contrôlée (R&S TS7124M) pour assurer la reproductibilité et l'isolation des interférences externes.
  • Matériel : Deux radios USRP-2953R ont été utilisées. L'USRP 1 a transmis la forme d'onde 5G NR et capturé le signal composite, tandis que l'USRP 2 a transmis la forme d'onde Wi-Fi.
  • Formes d'onde : Le signal 5G NR utilisait une modulation 64-QAM avec un espacement de porteuse de 15 kHz sur 66 blocs de ressources physiques (PRB). Le signal Wi-Fi utilisait une configuration IEEE 802.11ac VHT (bande passante de 20 MHz, MCS 2).
  • Conditions de canal : Pour simuler une propagation réaliste, des modèles de canal baseband quasi-statiques (TDL-B, TDL-C pour le NR ; TGn Model-B, Model-D pour le Wi-Fi) ont été appliqués avant la transmission. Un atténuateur RF de précision dans le chemin Wi-Fi a permis une variation contrôlée de la puissance relative du signal entre les deux technologies.

Contributions principales
L'article expose quatre contributions principales :

1. Plateforme d'essai contrôlée : La présentation d'une plateforme d'essai de coexistence OTA contrôlée pour des transmissions 5G NR et Wi-Fi simultanées dans un environnement blindé.
2. Implémentation SIC : L'implémentation d'un récepteur SIC dans le domaine des échantillons utilisant l'alignement de forme d'onde, l'ajustement de gain complexe et l'estimation de canal FIR pour supprimer l'interférence 5G dominante.
3. Méthodologie d'évaluation : La définition d'un cadre d'évaluation complet rapportant conjointement la magnitude d'erreur vectorielle (EVM) et le taux d'erreur binaire (BER) pour la 5G et le Wi-Fi, la profondeur d'annulation dans le domaine des échantillons et la suppression de l'estimation de canal.
4. Validation expérimentale : La démonstration, via des mesures OTA, que l'annulation côté récepteur peut supprimer efficacement la composante 5G dominante, permettant la récupération de la forme d'onde Wi-Fi plus faible à partir du signal résiduel.

Résultats
L'étude s'est concentrée sur un point de fonctionnement représentatif avec une atténuation de 18 dB dans le chemin Wi-Fi, où le signal 5G dominait la forme d'onde composite.

• Performance d'annulation : Au point d'atténuation de 18 dB, le système a atteint une profondeur d'annulation dans le domaine des échantillons de 11,88 dB et une suppression du canal 5G de 26,96 dB.
• Métriques de récupération :
  • Performance 5G : Le signal composite 5G a maintenu des performances stables dans toutes les conditions de canal, avec une EVM allant de 10,35 % à 11,23 % et un BER compris entre $2 \times 10^{-2}$ et $5 \times 10^{-2}$.
  • Performance Wi-Fi : Sans SIC, le décodage Wi-Fi a échoué sur la forme d'onde composite. Après SIC, la récupération Wi-Fi a été réussie sur le signal résiduel. L'EVM Wi-Fi résiduelle variait de 26,80 % (cas sans évanouissement) à 43,69 % (cas de canal filtré), avec un BER allant de $7 \times 10^{-3}$ à $8 \times 10^{-2}$.
• Sensibilité au canal : Les résultats ont indiqué que, bien que la profondeur d'annulation soit relativement cohérente entre les différents modèles de canal, la qualité de la récupération Wi-Fi résiduelle était hautement sensible aux conditions de canal. Le cas « sans évanouissement » a produit la meilleure récupération, tandis que les cas de canal filtré ont entraîné une distorsion résiduelle et des taux d'erreur plus élevés.

Signification et affirmations
L'article affirme que la méthodologie proposée fournit une base pratique pour évaluer la coexistence inter-technologies et la suppression des interférences côté récepteur dans des conditions OTA contrôlées. Les auteurs affirment que leurs résultats démontrent que l'annulation côté récepteur peut suffisamment supprimer l'interférence 5G dominante pour permettre la récupération de transmissions Wi-Fi co-canaux plus faibles. Cela suggère que les ressources spectrales pourraient être réutilisées de manière plus agressive sans dépendre uniquement de la séparation temporelle ou fréquentielle, à condition que la forme d'onde résiduelle reste décodable. Ce travail est présenté comme une validation de la faisabilité de telles approches de couche physique, dépassant l'évitement traditionnel des collisions au niveau de la couche MAC.