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

기술 요약: 효율적인 5G NR 및 Wi-Fi 스펙트럼 재사용을 위한 공중 전송 (OTA) 순차 간섭 제거

문제 제기
본 논문은 특히 비허가 대역에서 공유되거나 인접한 대역으로 운영되는 5G 신 무선 (5G NR) 과 Wi-Fi 시스템 간의 효율적인 스펙트럼 재사용이라는 과제를 다룹니다. 현재의 공존 전략은 주로 청취 후 말하기 (LBT), 무작위 백오프, 에너지 감지 등의 매체 접근 제어 (MAC) 계층 메커니즘에 의존합니다. 저자들은 이러한 접근 방식이 송신자가 관찰하는 충돌 도메인에 의해 제한되며, 이질적인 배포 환경에서 비대칭 감지, 숨은 노드, 비효율적인 공중 시간 사용과 같은 문제들을 초래한다고 주장합니다. 본 논문은 충돌 회피를 넘어 중첩된 파형의 물리 계층 분리로 이동함으로써 더 공격적인 스펙트럼 재사용이 가능할 것이라고 제시합니다. 구체적으로, 수신기가 우세한 간섭 파형을 추정하고 억제할 수 있다면, 동시 전송은 시간이나 주파수에서 엄격하게 분리될 필요가 없습니다.

방법론
저자들은 강력한 5G NR 신호가 약한 동채널 Wi-Fi 신호에 대한 우세한 간섭으로 작용하는 시나리오를 위해 설계된 공중 전송 (OTA) 순차 간섭 제거 (SIC) 프레임워크를 제안하고 평가합니다.

• 시스템 모델: 수신된 복합 파형은 5G NR 신호, Wi-Fi 신호, 그리고 잡음의 합으로 모델링됩니다. SIC 수신기는 우세한 5G 성분을 재구성하여 복합 신호에서 이를 차감함으로써 잔여 Wi-Fi 파형을 복원하는 것을 목표로 합니다.
• 제거 알고리즘: 제안된 수신기는 샘플 도메인에서 작동합니다. 과정은 다음과 같습니다:
  1. 복조 및 재구성: 수신기는 강력한 5G 신호를 복조하여 전송된 파형의 추정치를 재구성합니다.
  2. 정렬 및 추정: 재구성된 5G 참조 신호를 캡처된 복합 파형과 정렬합니다. 진폭과 위상을 보정하기 위해 복소 스칼라 이득 ($\hat{\alpha}$) 을 적합시킨 후, 결합 응답을 모델링하기 위해 정규화된 유한 임펄스 응답 (FIR) 채널 추정 ($\hat{h}_{NR}$) 을 수행합니다.
  3. 차감: 추정된 5G 파형을 복합 신호에서 차감하여 이상적으로는 Wi-Fi 신호와 잡음만 포함하는 잔여 파형을 생성합니다.
• 실험 설정: 평가는 외부 간섭으로부터의 재현성과 격리를 보장하기 위해 제어된 고성능 RF 차폐 상자 (R&S TS7124M) 에서 수행되었습니다.
  • 하드웨어: 두 대의 USRP-2953R 라디오가 사용되었습니다. USRP 1 은 5G NR 파형을 전송하고 복합 신호를 캡처했으며, USRP 2 는 Wi-Fi 파형을 전송했습니다.
  • 파형: 5G NR 신호는 66 개의 PRB 에 걸쳐 15 kHz 서브캐리어 간격을 가진 64-QAM 변조를 사용했습니다. Wi-Fi 신호는 IEEE 802.11ac VHT 구성 (20 MHz 대역폭, MCS 2) 을 사용했습니다.
  • 채널 조건: 실제 전파를 시뮬레이션하기 위해 전송 전에 준정적 베이스밴드 채널 모델 (NR 의 경우 TDL-B, TDL-C; Wi-Fi 의 경우 TGn Model-B, Model-D) 이 적용되었습니다. Wi-Fi 경로에 있는 정밀 RF 감쇠기를 통해 두 기술 간의 상대 신호 세기를 제어적으로 변화시킬 수 있었습니다.

주요 기여
본 논문은 네 가지 주요 기여를 제시합니다:

1. 제어된 테스트베드: 차폐 환경 내에서 동시 5G NR 및 Wi-Fi 전송을 위한 제어된 OTA 공존 테스트베드의 제시.
2. SIC 구현: 파형 정렬, 복소 이득 적합, FIR 채널 추정을 활용하여 우세한 5G 간섭을 억제하는 샘플 도메인 SIC 수신기의 구현.
3. 평가 방법론: 5G 및 Wi-Fi 오류 벡터 크기 (EVM), 비트 오류율 (BER), 샘플 도메인 제거 깊이, 그리고 채널 추정 억제를 공동으로 보고하는 포괄적인 평가 프레임워크의 정의.
4. 실험적 검증: 수신기 측 제거가 우세한 5G 성분을 효과적으로 억제하여 잔여 신호에서 약한 Wi-Fi 파형을 복원할 수 있음을 OTA 측정을 통해 입증.

결과
본 연구는 5G 신호가 복합 파형을 지배하는 18 dB 감쇠가 적용된 Wi-Fi 경로에서 대표적인 작동 지점에 초점을 맞추었습니다.

• 제거 성능: 18 dB 감쇠 지점에서 시스템은 11.88 dB의 샘플 도메인 제거 깊이와 26.96 dB의 5G 채널 억제를 달성했습니다.
• 복원 지표:
  • 5G 성능: 5G 복합 신호는 채널 조건 전반에 걸쳐 안정적인 성능을 유지했으며, EVM 은 10.35% 에서 11.23% 사이, BER 은 $2 \times 10^{-2}$에서 $5 \times 10^{-2}$ 사이였습니다.
  • Wi-Fi 성능: SIC 없이 복합 파형에서는 Wi-Fi 복호화가 실패했습니다. SIC 적용 후 잔여 신호에서 Wi-Fi 복원이 성공적으로 이루어졌습니다. 잔여 Wi-Fi EVM 은 (페이딩 없는 경우) **26.80%**에서 (필터링된 채널 경우) **43.69%**까지, BER 은 $7 \times 10^{-3}$에서 $8 \times 10^{-2}$까지 다양했습니다.
• 채널 민감도: 결과는 제거 깊이가 다양한 채널 모델에서 상대적으로 일관되었지만, 잔여 Wi-Fi 복원의 품질은 채널 조건에 매우 민감함을 나타냈습니다. "페이딩 없는" 경우가 가장 좋은 복원 결과를 보인 반면, 필터링된 채널 경우는 더 높은 잔여 왜곡과 오류율을 초래했습니다.

의의 및 주장
본 논문은 제안된 방법론이 제어된 OTA 조건 하에서 기술 간 공존 및 수신기 측 간섭 억제를 평가하는 실용적인 기반을 제공한다고 주장합니다. 저자들은 그들의 결과가 수신기 측 제거가 약한 동채널 Wi-Fi 전송의 복원을 가능하게 할 정도로 우세한 5G 간섭을 충분히 억제할 수 있음을 입증한다고 주장합니다. 이는 잔여 파형이 복호화 가능한 상태라면 시간 또는 주파수 분리에만 의존하지 않고 스펙트럼 자원을 더 공격적으로 재사용할 수 있음을 시사합니다. 이 연구는 전통적인 MAC 계층 충돌 회피를 넘어 물리 계층 접근 방식의 실현 가능성을 검증하는 것으로 framing 되어 있습니다.