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

Technische Samenvatting: Over-the-Air Successieve Interferentie-annulering voor Efficiënt 5G NR- en Wi-Fi-Spectrumhergebruik

Probleemstelling
Het artikel behandelt de uitdaging van efficiënt spectrumhergebruik tussen 5G New Radio (5G NR) en Wi-Fi-systemen die opereren in gedeelde of aangrenzende banden, met name in niet-gelicentieerd spectrum. Huidige co-existentiestrategieën vertrouwen voornamelijk op Medium Access Control (MAC)-laagmechanismen, zoals Listen-Before-Talk (LBT), willekeurige backoff en energiedetectie. De auteurs betogen dat deze benaderingen beperkt worden door het botsingsdomein dat door zenders wordt waargenomen, wat leidt tot problemen zoals asymmetrische sensing, verborgen knopen en inefficiënt gebruik van airtime in heterogene implementaties. Het artikel stelt dat het overstijgen van botsingsvermijding ten gunste van fysische-laagscheiding van overlappende golfvormen meer agressief spectrumhergebruik mogelijk zou kunnen maken. Specifiek: als een ontvanger een dominante interfererende golfvorm kan schatten en onderdrukken, hoeven gelijktijdige transmissies niet strikt gescheiden te zijn in tijd of frequentie.

Methodologie
De auteurs stellen een Over-the-Air (OTA) Successieve Interferentie-annulering (SIC)-kader voor en evalueren dit, ontworpen voor een scenario waarin een sterk 5G NR-signaal fungeert als dominante interferent voor een zwakker co-kanaal Wi-Fi-signaal.

• Systeemmodel: Het ontvangen samengestelde golfvorm wordt gemodelleerd als de som van het 5G NR-signaal, het Wi-Fi-signaal en ruis. De SIC-ontvanger beoogt het dominante 5G-component te reconstrueren en dit af te trekken van het samengestelde signaal om de resterende Wi-Fi-golfvorm te herstellen.
• Annuleringsalgoritme: De voorgestelde ontvanger werkt in het sample-domein. Het proces omvat:
  1. Demodulatie en reconstructie: De ontvanger demoduleert het sterke 5G-signaal om een schatting van de getransmitteerde golfvorm te reconstrueren.
  2. Uitlijning en schatting: De gereconstrueerde 5G-referentie wordt uitgelijnd met de vastgelegde samengestelde golfvorm. Een complexe scalaire versterking ($\hat{\alpha}$) wordt aangepast om amplitude en fase te corrigeren, gevolgd door een geregulariseerde Finite Impulse Response (FIR)-kanaalschatting ($\hat{h}_{NR}$) om de koppelingsrespons te modelleren.
  3. Aftrekking: De geschatte 5G-golfvorm wordt afgetrokken van het samengestelde signaal om een resterende golfvorm te produceren, die idealiter alleen het Wi-Fi-signaal en ruis bevat.
• Experimentele opstelling: De evaluatie werd uitgevoerd in een gecontroleerde, hoogpresterende RF-afgeschermde kast (R&S TS7124M) om herhaalbaarheid en isolatie van externe interferentie te waarborgen.
  • Hardware: Er werden twee USRP-2953R-radio's gebruikt. USRP 1 transmitteerde het 5G NR-golfvorm en legde het samengestelde signaal vast, terwijl USRP 2 het Wi-Fi-golfvorm transmitteerde.
  • Golfvormen: Het 5G NR-signaal gebruikte 64-QAM-modulatie met 15 kHz subdragerafstand over 66 PRB's. Het Wi-Fi-signaal gebruikte een IEEE 802.11ac VHT-configuratie (20 MHz bandbreedte, MCS 2).
  • Kanaalcondities: Om realistische propagatie te simuleren, werden quasi-statische baseband-kanaalmodellen (TDL-B, TDL-C voor NR; TGn Model-B, Model-D voor Wi-Fi) toegepast voorafgaand aan transmissie. Een precisie RF-attenuator in het Wi-Fi-pad maakte gecontroleerde variatie van de relatieve signaalsterkte tussen de twee technologieën mogelijk.

Belangrijkste bijdragen
Het artikel schetst vier primaire bijdragen:

1. Gecontroleerde testomgeving: De presentatie van een gecontroleerde OTA-co-existentietestomgeving voor gelijktijdige 5G NR- en Wi-Fi-transmissie binnen een afgeschermde omgeving.
2. SIC-implementatie: De implementatie van een sample-domein SIC-ontvanger die golfvormuitlijning, complexe-versterkingsaanpassing en FIR-kanaalschatting gebruikt om dominante 5G-interferentie te onderdrukken.
3. Evaluatiemethodologie: De definitie van een uitgebreid evaluatiekader dat gezamenlijk 5G- en Wi-Fi-Foutvectorgrootte (EVM), Bitfoutratio (BER), sample-domein-annuleringsdiepte en kanaalschatting-onderdrukking rapporteert.
4. Experimentele validatie: De demonstratie, via OTA-metingen, dat annulering aan de ontvangerzijde het dominante 5G-component effectief kan onderdrukken, waardoor het herstellen van de zwakkere Wi-Fi-golfvorm uit het resterende signaal mogelijk wordt.

Resultaten
De studie richtte zich op een representatief werkpunt met 18 dB verzwakking in het Wi-Fi-pad, waarbij het 5G-signaal het samengestelde golfvorm domineerde.

• Annuleringsprestaties: Bij het punt met 18 dB verzwakking bereikte het systeem een sample-domein-annuleringsdiepte van 11,88 dB en een 5G-kanaalonderdrukking van 26,96 dB.
• Herstelmetrieken:
  • 5G-prestaties: Het 5G-samengestelde signaal behield stabiele prestaties over kanaalcondities, met EVM variërend van 10,35% tot 11,23% en BER tussen $2 \times 10^{-2}$ en $5 \times 10^{-2}$.
  • Wi-Fi-prestaties: Zonder SIC faalde Wi-Fi-decodering op het samengestelde golfvorm. Na SIC was Wi-Fi-herstel succesvol op het resterende signaal. De resterende Wi-Fi-EVM varieerde van 26,80% (geen fading-geval) tot 43,69% (gefilterde kanaalgevallen), met BER variërend van $7 \times 10^{-3}$ tot $8 \times 10^{-2}$.
• Kanaalsensitiviteit: De resultaten gaven aan dat, hoewel de annuleringsdiepte relatief consistent was over verschillende kanaalmodellen, de kwaliteit van het resterende Wi-Fi-herstel zeer gevoelig was voor kanaalcondities. Het "geen fading"-geval leverde het beste herstel op, terwijl gefilterde kanaalgevallen leidden tot hogere resterende vervorming en foutpercentages.

Betekenis en claims
Het artikel stelt dat de voorgestelde methodologie een praktische basis biedt voor het beoordelen van cross-technologie-co-existentie en interferentie-onderdrukking aan de ontvangerzijde onder gecontroleerde OTA-omstandigheden. De auteurs stellen dat hun resultaten aantonen dat annulering aan de ontvangerzijde de dominante 5G-interferentie voldoende kan onderdrukken om het herstel van zwakkere co-kanaal Wi-Fi-transmissies mogelijk te maken. Dit suggereert dat spectrumbronnen agressiever kunnen worden hergebruikt zonder uitsluitend te vertrouwen op tijd- of frequentiescheiding, mits de resterende golfvorm decodeerbaar blijft. Het werk wordt gepresenteerd als een validatie van de haalbaarheid van dergelijke fysische-laagbenaderingen, die verder gaan dan traditionele botsingsvermijding op MAC-laag.