5G ARQ – Automatic Repeat reQuest nelle comunicazioni affidabili
ARQ (Automatic Repeat reQuest) è una tecnica fondamentale per garantire l’affidabilità nella trasmissione dei dati in reti wireless, inclusa la rete 5G. In parole semplici, ARQ è un meccanismo che rileva gli errori nei pacchetti ricevuti e richiede automaticamente la ritrasmissione di quelli corrotti o mancanti. Oggi ti spiego come funziona ARQ nel contesto del 5G e perché continua a essere una tecnologia essenziale, nonostante la presenza di schemi avanzati come HARQ e codifica FEC (Forward Error Correction).
Funzionamento base dell’ARQ
L’idea alla base di ARQ è semplice ma efficace: ogni pacchetto trasmesso viene controllato con un checksum o CRC (Cyclic Redundancy Check) sul lato ricevente. Se il pacchetto contiene errori, il ricevitore lo scarta e invia una richiesta di ritrasmissione al trasmettitore. Questo ciclo continua finché il pacchetto non viene ricevuto correttamente.
Tipi di ARQ
- Stop-and-Wait ARQ: Il mittente attende un’ACK (acknowledgment) prima di inviare il pacchetto successivo. È semplice ma inefficiente per reti ad alta latenza.
- Go-Back-N ARQ: Consente l’invio di più pacchetti in sequenza ma, in caso di errore, tutti i pacchetti successivi vengono ritrasmessi.
- Selective Repeat ARQ: Solo i pacchetti danneggiati vengono ritrasmessi, migliorando l’efficienza rispetto a Go-Back-N.
ARQ in 5G: livello e contesto
Nel 5G, ARQ viene impiegato principalmente a livello RLC (Radio Link Control). Il livello RLC si occupa del trasferimento affidabile dei dati tra UE (User Equipment) e gNB (gNodeB). Esistono tre modalità operative del RLC:
- RLC TM (Transparent Mode): Nessuna funzione ARQ, usato per trasmissioni broadcast.
- RLC UM (Unacknowledged Mode): Nessuna ritrasmissione, adatto a servizi in tempo reale dove la latenza è più critica dell’affidabilità.
- RLC AM (Acknowledged Mode): Usa ARQ per garantire la consegna affidabile dei pacchetti.
ARQ vs HARQ nel 5G
Anche se ARQ è efficace, non è abbastanza veloce per le esigenze di latenza ultra-bassa nel 5G. Per questo, il 5G usa anche HARQ (Hybrid ARQ), una combinazione tra ARQ e tecniche FEC. HARQ opera a livello MAC e offre ritrasmissioni rapide grazie all’elaborazione dei bit ricevuti parzialmente.
Con HARQ, se un pacchetto ricevuto è corrotto, non viene scartato subito ma immagazzinato nel buffer. Quando arriva la ritrasmissione, i bit originali e quelli ritrasmessi vengono combinati per ricostruire il pacchetto corretto (soft combining). Questo approccio migliora l’efficienza spettrale e riduce la latenza.
Relazione tra ARQ, HARQ e FEC
Effetti sull’efficienza della rete
ARQ, sebbene utile, può introdurre ritardi significativi a causa delle ritrasmissioni, specialmente in condizioni radio difficili. In 5G, dove è fondamentale garantire latenze inferiori a 1 ms per applicazioni URLLC (Ultra-Reliable Low Latency Communications), l’uso esclusivo di ARQ non è praticabile. Per questo viene integrato con HARQ e strategie di codifica avanzate nel livello fisico (come LDPC e Polar Codes).
ARQ e gestione della mobilità
Durante i handover tra celle in ambienti 5G, il meccanismo ARQ deve mantenere lo stato della trasmissione per assicurare continuità e integrità dei dati. Questo implica la gestione dei buffer, il mantenimento degli ID dei pacchetti e la sincronizzazione precisa tra nodo sorgente e nodo di destinazione.
Quando l’ARQ è ancora essenziale
Nonostante la presenza di tecnologie più sofisticate, ARQ rimane importante in scenari come:
- Applicazioni MTC (Machine-Type Communication) dove l’affidabilità è più critica della velocità
- Connessioni a bassa priorità o di tipo best-effort
- Ambienti con interferenze radio elevate dove le FEC da sole non bastano
Domani potremmo analizzare in profondità il funzionamento del livello RLC nel 5G, per capire meglio come ARQ si inserisce nel meccanismo generale di trasporto dei dati tra utente e rete. Comprendere il ruolo di ogni livello protocollo ti aiuterà a decifrare le sfide reali della progettazione di una rete 5G efficiente e robusta.