Regulations and Technical Advancements for Radio Spectrum Management: Technology Coexistence in Next-Generation Wireless Networks

The radio spectrum, a fundamental resource for wireless communications, is experiencing increasing demand due to the proliferation of wireless technologies and services, leading to the phenomenon of "spectrum scarcity" or "spectrum crunch". Regulators face the challenge of efficiently managing this resource to accommodate different spectrum uses while ensuring fair access. This thesis examines the regulatory and technical aspects of spectrum management at the international, regional and national levels, with a focus on the US and Europe. In recent decades, spectrum-sharing techniques have become essential to allow multiple co-located services and applications to coexist in the same frequency bands. In particular, the unlicensed 2.4 and 5 GHz bands, traditionally used by popular consumer technologies such as Wi-Fi, have seen a rapid proliferation of devices and data-intensive applications. The congestion of these bands has prompted regulators to extend unlicensed operations to the 6 GHz bands. This expansion is seen as fundamental to providing high-throughput, and low-latency connectivity to support business and consumer activities. The decision raises issues relating to the protection of the rights of current authorised users of the band. Spectrum managers in the US and Europe conducted feasibility studies to determine the technical requirements to be imposed on unlicensed operations in the 6 GHz band to preserve the rights of licensed incumbents. The actions taken by regulators are reviewed and compared, also considering the results of the recent WRC-23. At the same time, this decision has encouraged the development of new standards and coexistence strategies, especially since this band was not previously occupied by any unlicensed technology. As a result, several unlicensed technologies are expected to emerge in the 6 GHz band. In particular, this thesis focuses on the technical tools to allow the coexistence of Wi-Fi and cellular technologies in the unlicensed spectrum, which present significant differences at the MAC layer and in the system architecture: while Wi-Fi uses a contention-based access protocol relying on distributed channel sensing, the 3GPP standards are based on a non-sensing scheme where the allocation of spectrum resources is managed centrally by base stations. An unlicensed version of 5G, 5G NR-U, has been developed to operate in the 6 GHz bands. Meanwhile, Wi-Fi 6E is the first 802-11-based standard to operate in this part of the spectrum. To achieve fair coexistence and efficient spectrum use, both technologies have adopted a contention-based protocol (LBT) over an OFDMA access scheme. Furthermore, this work highlights the importance of choosing homogeneous channel access parameters and mechanisms. In addition, novel approaches to technology coexistence, such as MIMO-Unlicensed and CoBeam, exploit MIMO and transmit beamforming techniques to achieve coexistence based on spatial diversity.

Lo spettro radio, una risorsa fondamentale per le comunicazioni wireless, è oggetto di una domanda crescente a causa della proliferazione di tecnologie e servizi wireless, che porta al fenomeno della "scarsità dello spettro" o "spectrum scrunch". Le autorità di regolamentazione devono affrontare la sfida di gestire in modo efficiente questa risorsa per soddisfare diversi usi dello spettro, garantendone al contempo un accesso equo. Il presente lavoro esamina gli aspetti normativi e tecnici della gestione dello spettro a livello internazionale, sovranazionale e nazionale, avendo un particolare interesse agli Stati Uniti e all'Europa. Negli ultimi decenni, le tecniche di spectrum-sharing sono diventate essenziali per consentire a più servizi co-locati di coesistere nelle stesse bande di frequenza. In particolare, le bande senza licenza a 2.4 e 5 GHz, tradizionalmente utilizzate dalle più diffuse tecnologie di consumo come il Wi-Fi, hanno visto una rapida proliferazione di dispositivi e applicazioni che richiedono un uso intensivo di dati. La congestione di queste bande ha portato le autorità di regolamentazione a decidere di estendere le operazioni senza licenza alle banda a 6 GHz. Questa espansione è vista come fondamentale per fornire una connettività dall’alta portata effettiva e basso tempo di latenza, necessaria a supportare le attività delle imprese e dei consumatori. La decisione solleva questioni relative alla protezione degli attuali utilizzatori con licenza di questa banda. I gestori dello spettro negli Stati Uniti e in Europa hanno condotto studi di fattibilità per determinare i requisiti tecnici da imporre alle operazioni senza licenza nella banda a 6 GHz, al fine di preservare i diritti degli operatori già esistenti e titolari di licenza. Le azioni intraprese dalle autorità di regolamentazione sono riviste e confrontate, anche considerando i risultati del recente WRC-23. Allo stesso tempo, questa decisione ha incoraggiato lo sviluppo di nuovi standard e strategie di coesistenza, soprattutto perché questa banda non è ancora stata occupata da alcuna tecnologia senza licenza. Di conseguenza, diverse tecnologie senza licenza dovrebbero emergere nella banda 6 GHz. In particolare, questa tesi si concentra sugli strumenti tecnici per consentire la coesistenza di tecnologie Wi-Fi e mobili nello spettro senza licenza. Queste presentano differenze significative a livello MAC e nell'architettura del sistema: Wi-Fi utilizza un protocollo di accesso al canale basato sulla contesa e su un sistema distribuito di rilevamento del canale; gli standard 3GPP adottano uno schema non basato sulla contesa, in cui l'assegnazione delle frequenze radio è gestita centralmente dalle stazioni base. Una versione senza licenza di 5G NR, 5G NR-U, è stato sviluppato per operare nelle bande a 6 GHz. Nel frattempo, Wi-Fi 6E è il primo standard appartenente alla famiglia IEEE 802-11 ad operare in questa parte dello spettro. Per ottenere una coesistenza equa e un uso efficiente dello spettro, entrambe le tecnologie hanno adottato un protocollo basato sulla contesa (LBT) al di sopra di uno schema di accesso OFDMA. Inoltre, questo lavoro sottolinea l'importanza di scegliere parametri e meccanismi di accesso ai canali omogenei. Inoltre, nuovi approcci alla coesistenza tra tecnologie come MIMO-Unlicensed e CoBeam, sfruttano MIMO e tecniche di transmit beamforming per ottenere una coesistenza basata sulla diversità spaziale.