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

Sintesi Tecnica: Cancellazione Successiva delle Interferenze Over-the-Air per un Riutilizzo Efficiente dello Spettro 5G NR e Wi-Fi

Enunciato del Problema
Il documento affronta la sfida del riutilizzo efficiente dello spettro tra i sistemi 5G New Radio (5G NR) e Wi-Fi operanti in bande condivise o adiacenti, in particolare nello spettro non licenziato. Le attuali strategie di coesistenza si basano principalmente su meccanismi del livello di Controllo di Accesso al Mezzo (MAC), quali Listen-Before-Talk (LBT), backoff casuale e rilevamento dell'energia. Gli autori sostengono che tali approcci sono limitati dal dominio di collisione osservato dai trasmettitori, portando a problematiche come rilevamento asimmetrico, nodi nascosti e uso inefficiente del tempo aereo in deployment eterogenei. Il documento ipotizza che, andando oltre l'evitamento delle collisioni verso una separazione a livello fisico delle forme d'onda sovrapposte, si possa consentire un riutilizzo spettrale più aggressivo. Nello specifico, se un ricevitore può stimare e sopprimere una forma d'onda interferente dominante, le trasmissioni concorrenti non devono essere strettamente separate nel tempo o in frequenza.

Metodologia
Gli autori propongono e valutano un framework di Cancellazione Successiva delle Interferenze (SIC) Over-the-Air (OTA) progettato per uno scenario in cui un forte segnale 5G NR agisce come interferente dominante per un segnale Wi-Fi più debole sullo stesso canale.

• Modello di Sistema: La forma d'onda composita ricevuta è modellata come la somma del segnale 5G NR, del segnale Wi-Fi e del rumore. Il ricevitore SIC mira a ricostruire la componente 5G dominante e sottrarla dal segnale composito per recuperare la forma d'onda Wi-Fi residua.
• Algoritmo di Cancellazione: Il ricevitore proposto opera nel dominio del campione. Il processo prevede:
  1. Demodulazione e Ricostruzione: Il ricevitore demodula il forte segnale 5G per ricostruire una stima della forma d'onda trasmessa.
  2. Allineamento e Stima: Il riferimento 5G ricostruito viene allineato con la forma d'onda composita acquisita. Viene adattato un guadagno scalare complesso ($\hat{\alpha}$) per correggere ampiezza e fase, seguito da una stima del canale regolarizzata a Risposta all'Impulso Finita (FIR) ($\hat{h}_{NR}$) per modellare la risposta di accoppiamento.
  3. Sottrazione: La forma d'onda 5G stimata viene sottratta dal segnale composito per produrre una forma d'onda residua, che idealmente contiene solo il segnale Wi-Fi e il rumore.
• Setup Sperimentale: La valutazione è stata condotta in una scatola di schermatura RF controllata e ad alte prestazioni (R&S TS7124M) per garantire ripetibilità e isolamento da interferenze esterne.
  • Hardware: Sono stati utilizzati due radio USRP-2953R. L'USRP 1 ha trasmesso la forma d'onda 5G NR e ha acquisito il segnale composito, mentre l'USRP 2 ha trasmesso la forma d'onda Wi-Fi.
  • Forme d'onda: Il segnale 5G NR ha utilizzato modulazione 64-QAM con spaziatura di sottoportante di 15 kHz su 66 PRB. Il segnale Wi-Fi ha utilizzato la configurazione IEEE 802.11ac VHT (banda di 20 MHz, MCS 2).
  • Condizioni di Canale: Per simulare una propagazione realistica, sono stati applicati modelli di canale baseband quasi-statici (TDL-B, TDL-C per NR; Modello TGn B, Modello D per Wi-Fi) prima della trasmissione. Un attenuatore RF di precisione nel percorso Wi-Fi ha permesso una variazione controllata della potenza del segnale relativa tra le due tecnologie.

Contributi Chiave
Il documento delinea quattro contributi principali:

1. Piattaforma di Test Controllata: La presentazione di una piattaforma di test OTA controllata per la coesistenza di trasmissioni 5G NR e Wi-Fi concorrenti in un ambiente schermato.
2. Implementazione SIC: L'implementazione di un ricevitore SIC nel dominio del campione che utilizza allineamento delle forme d'onda, adattamento del guadagno complesso e stima del canale FIR per sopprimere l'interferenza 5G dominante.
3. Metodologia di Valutazione: La definizione di un framework di valutazione completo che riporta congiuntamente la Magnitudine dell'Errore di Vettore (EVM) e il Tasso di Errore di Bit (BER) per 5G e Wi-Fi, la profondità di cancellazione nel dominio del campione e la soppressione della stima del canale.
4. Validazione Sperimentale: La dimostrazione, tramite misurazioni OTA, che la cancellazione lato ricevitore può sopprimere efficacemente la componente 5G dominante, consentendo il recupero della forma d'onda Wi-Fi più debole dal segnale residuo.

Risultati
Lo studio si è concentrato su un punto operativo rappresentativo con 18 dB di attenuazione nel percorso Wi-Fi, dove il segnale 5G dominava la forma d'onda composita.

• Prestazioni di Cancellazione: Al punto di attenuazione di 18 dB, il sistema ha raggiunto una profondità di cancellazione nel dominio del campione di 11,88 dB e una soppressione del canale 5G di 26,96 dB.
• Metriche di Recupero:
  • Prestazioni 5G: Il segnale composito 5G ha mantenuto prestazioni stabili attraverso le condizioni di canale, con EVM compreso tra 10,35% e 11,23% e BER tra $2 \times 10^{-2}$ e $5 \times 10^{-2}$.
  • Prestazioni Wi-Fi: Senza SIC, la decodifica Wi-Fi falliva sulla forma d'onda composita. Dopo la SIC, il recupero Wi-Fi è stato riuscito sul segnale residuo. L'EVM Wi-Fi residuo è variato da 26,80% (caso senza fading) a 43,69% (casi di canale filtrato), con BER compreso tra $7 \times 10^{-3}$ e $8 \times 10^{-2}$.
• Sensibilità del Canale: I risultati hanno indicato che, sebbene la profondità di cancellazione fosse relativamente coerente tra diversi modelli di canale, la qualità del recupero Wi-Fi residuo era altamente sensibile alle condizioni del canale. Il caso "senza fading" ha prodotto il miglior recupero, mentre i casi di canale filtrato hanno portato a una maggiore distorsione residua e tassi di errore più elevati.

Significato e Affermazioni
Il documento afferma che la metodologia proposta fornisce una base pratica per valutare la coesistenza tra tecnologie diverse e la soppressione delle interferenze lato ricevitore in condizioni OTA controllate. Gli autori sostengono che i loro risultati dimostrano che la cancellazione lato ricevitore può sopprimere sufficientemente l'interferenza 5G dominante da consentire il recupero di trasmissioni Wi-Fi concorrenti sullo stesso canale più deboli. Ciò suggerisce che le risorse spettrali potrebbero essere riutilizzate in modo più aggressivo senza fare affidamento esclusivamente sulla separazione temporale o in frequenza, a condizione che la forma d'onda residua rimanga decodificabile. Il lavoro è inquadrato come una convalida della fattibilità di tali approcci a livello fisico, andando oltre il tradizionale evitamento delle collisioni a livello MAC.