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

Resumo Técnico: Cancelamento Sucessivo de Interferência no Ar para Reutilização Eficiente do Espectro 5G NR e Wi-Fi

Declaração do Problema
O artigo aborda o desafio da reutilização eficiente do espectro entre sistemas 5G New Radio (5G NR) e Wi-Fi operando em bandas compartilhadas ou adjacentes, particularmente no espectro não licenciado. As estratégias atuais de coexistência baseiam-se principalmente em mecanismos da camada de Controle de Acesso ao Meio (MAC), como Ouvir-Antes-De-Falar (LBT), espera aleatória e detecção de energia. Os autores argumentam que essas abordagens são limitadas pelo domínio de colisão observado pelos transmissores, levando a problemas como sensoriamento assimétrico, nós ocultos e uso ineficiente do tempo de transmissão em implantações heterogêneas. O artigo postula que avançar além da evitação de colisão para a separação física de formas de onda sobrepostas poderia permitir uma reutilização espectral mais agressiva. Especificamente, se um receptor puder estimar e suprimir uma forma de onda interferente dominante, transmissões concorrentes não precisarão ser estritamente separadas no tempo ou na frequência.

Metodologia
Os autores propõem e avaliam um framework de Cancelamento Sucessivo de Interferência (SIC) no Ar (OTA) projetado para um cenário onde um sinal 5G NR forte atua como interferente dominante para um sinal Wi-Fi co-canal mais fraco.

• Modelo de Sistema: A forma de onda composta recebida é modelada como a soma do sinal 5G NR, do sinal Wi-Fi e do ruído. O receptor SIC visa reconstruir o componente 5G dominante e subtraí-lo do sinal composto para recuperar a forma de onda Wi-Fi residual.
• Algoritmo de Cancelamento: O receptor proposto opera no domínio de amostras. O processo envolve:
  1. Demodulação e Reconstrução: O receptor demodula o sinal 5G forte para reconstruir uma estimativa da forma de onda transmitida.
  2. Alinhamento e Estimativa: A referência 5G reconstruída é alinhada com a forma de onda composta capturada. Um ganho escalar complexo ($\hat{\alpha}$) é ajustado para corrigir amplitude e fase, seguido por uma estimativa de canal de Resposta ao Impulso Finita (FIR) regularizada ($\hat{h}_{NR}$) para modelar a resposta de acoplamento.
  3. Subtração: A forma de onda 5G estimada é subtraída do sinal composto para produzir uma forma de onda residual, que idealmente contém apenas o sinal Wi-Fi e o ruído.
• Configuração Experimental: A avaliação foi conduzida em uma caixa de blindagem RF controlada e de alto desempenho (R&S TS7124M) para garantir repetibilidade e isolamento de interferências externas.
  • Hardware: Dois rádios USRP-2953R foram utilizados. O USRP 1 transmitiu a forma de onda 5G NR e capturou o sinal composto, enquanto o USRP 2 transmitiu a forma de onda Wi-Fi.
  • Formas de Onda: O sinal 5G NR utilizou modulação 64-QAM com espaçamento de subportadora de 15 kHz sobre 66 PRBs. O sinal Wi-Fi utilizou configuração VHT IEEE 802.11ac (largura de banda de 20 MHz, MCS 2).
  • Condições de Canal: Para simular propagação realista, modelos de canal de banda base quase estáticos (TDL-B, TDL-C para NR; Modelo TGn Modelo-B, Modelo-D para Wi-Fi) foram aplicados antes da transmissão. Um atenuador RF de precisão no caminho do Wi-Fi permitiu variação controlada da força relativa do sinal entre as duas tecnologias.

Principais Contribuições
O artigo delineia quatro contribuições primárias:

1. Testbed Controlado: A apresentação de um testbed de coexistência OTA controlado para transmissão concorrente de 5G NR e Wi-Fi dentro de um ambiente blindado.
2. Implementação SIC: A implementação de um receptor SIC no domínio de amostras utilizando alinhamento de forma de onda, ajuste de ganho complexo e estimativa de canal FIR para suprimir interferência 5G dominante.
3. Metodologia de Avaliação: A definição de um framework de avaliação abrangente que relata conjuntamente a Magnitude do Vetor de Erro (EVM) e a Taxa de Erro de Bit (BER) do 5G e do Wi-Fi, a profundidade de cancelamento no domínio de amostras e a supressão da estimativa de canal.
4. Validação Experimental: A demonstração, por meio de medições OTA, que o cancelamento no lado do receptor pode suprimir efetivamente o componente 5G dominante, permitindo a recuperação da forma de onda Wi-Fi mais fraca a partir do sinal residual.

Resultados
O estudo focou em um ponto de operação representativo com 18 dB de atenuação no caminho do Wi-Fi, onde o sinal 5G dominava a forma de onda composta.

• Desempenho de Cancelamento: No ponto de atenuação de 18 dB, o sistema alcançou uma profundidade de cancelamento no domínio de amostras de 11,88 dB e uma supressão de canal 5G de 26,96 dB.
• Métricas de Recuperação:
  • Desempenho 5G: O sinal composto 5G manteve desempenho estável em todas as condições de canal, com EVM variando de 10,35% a 11,23% e BER entre $2 \times 10^{-2}$ e $5 \times 10^{-2}$.
  • Desempenho Wi-Fi: Sem SIC, a decodificação do Wi-Fi falhou na forma de onda composta. Após o SIC, a recuperação do Wi-Fi foi bem-sucedida no sinal residual. O EVM residual do Wi-Fi variou de 26,80% (caso sem desvanecimento) a 43,69% (casos de canal filtrado), com BER variando de $7 \times 10^{-3}$ a $8 \times 10^{-2}$.
• Sensibilidade ao Canal: Os resultados indicaram que, embora a profundidade de cancelamento fosse relativamente consistente entre diferentes modelos de canal, a qualidade da recuperação residual do Wi-Fi era altamente sensível às condições do canal. O caso "sem desvanecimento" produziu a melhor recuperação, enquanto os casos de canal filtrado resultaram em maior distorção residual e taxas de erro.

Significado e Alegações
O artigo alega que a metodologia proposta fornece uma base prática para avaliar a coexistência entre tecnologias e a supressão de interferência no lado do receptor sob condições OTA controladas. Os autores afirmam que seus resultados demonstram que o cancelamento no lado do receptor pode suprimir suficientemente a interferência 5G dominante para permitir a recuperação de transmissões Wi-Fi co-canais mais fracas. Isso sugere que os recursos espectrais poderiam ser reutilizados de forma mais agressiva sem depender exclusivamente de separação temporal ou frequencial, desde que a forma de onda residual permaneça decodificável. O trabalho é enquadrado como uma validação da viabilidade de tais abordagens de camada física, avançando além da evitação tradicional de colisão na camada MAC.