Subcarrier Spacing nel 5G: Funzione e Impatto sul Sistema
Nel mondo delle reti 5G, il concetto di Subcarrier Spacing (SCS) rappresenta un elemento cruciale che influisce su efficienza, flessibilità e prestazioni. Oggi vediamo in dettaglio cosa significa SCS, come si applica nella pratica e perché è determinante per supportare le diverse esigenze dei casi d’uso 5G.
Cos’è il Subcarrier Spacing
Il Subcarrier Spacing è la distanza in frequenza tra due sottocanali adiacenti in una trasmissione OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). In LTE, questo valore era fisso a 15 kHz. Con l’avvento del 5G NR (New Radio), è stato introdotto un approccio più flessibile: il Subcarrier Spacing è scalabile e può variare in base al servizio, alla frequenza e al livello di mobilità richiesto.
Principio di scalabilità del SCS
La scelta del valore di SCS in 5G si basa su una formula esponenziale: SCS = 15 × 2ⁿ kHz, dove n varia da 0 a 4. Questa struttura permette al sistema di adattarsi alle condizioni operative, ottimizzando la latenza o la robustezza a seconda del contesto. Un SCS maggiore significa simboli più corti e maggiore larghezza di banda occupata, utile per servizi che richiedono bassa latenza, come il controllo industriale o il gaming in tempo reale.
Impatto del SCS su struttura e latenza
La variazione del Subcarrier Spacing incide direttamente su elementi fondamentali come la durata del simbolo OFDM, la dimensione dello slot e la latenza di trasmissione. Una durata del simbolo più breve consente di ridurre il tempo necessario per la trasmissione di un pacchetto, abbassando così la latenza complessiva del sistema.
Per esempio, un sistema con SCS di 120 kHz può completare una trasmissione di uno slot in un tempo molto inferiore rispetto a un sistema che usa 15 kHz. Questa caratteristica è essenziale nei servizi mission-critical, dove ogni millisecondo conta.
| SCS | Slot duration | Slot per frame | Adatto per |
|---|---|---|---|
| 15 kHz | 1 ms | 10 | Copertura ampia, mobilità bassa |
| 30 kHz | 0,5 ms | 20 | Uso generico, eMBB |
| 60 kHz | 0,25 ms | 40 | Servizi a bassa latenza |
| 120 kHz | 0,125 ms | 80 | Comunicazioni real-time |
Scelta del SCS in base alla frequenza
Il 5G NR è suddiviso in due gamme principali: FR1 (fino a 6 GHz) e FR2 (da 24,25 GHz in su). In FR1, si utilizzano tipicamente valori di SCS di 15, 30 e 60 kHz. In FR2, invece, il sistema adotta valori più alti come 120 e 240 kHz per compensare gli effetti del fading e della ridotta penetrazione del segnale. Questa differenziazione è essenziale per garantire prestazioni ottimali su tutta la gamma di frequenze operative del 5G.
Vantaggi della flessibilità SCS
- Adattamento dinamico: il sistema può adattarsi rapidamente al tipo di servizio e alle condizioni radio.
- Riduzione della latenza: ideale per servizi URLLC (Ultra-Reliable Low Latency Communications).
- Maggiore efficienza spettrale: tramite l’uso di spaziatura più larga nei casi ad alta frequenza.
- Supporto multi-servizio: permette di servire contemporaneamente eMBB, URLLC e mMTC nella stessa rete.
Limitazioni e compromessi
L’uso di Subcarrier Spacing più elevati non è sempre vantaggioso. Valori di SCS maggiori comportano una maggiore occupazione spettrale e richiedono oscillatori di più alta precisione. Inoltre, in ambienti con copertura ampia, il simbolo più corto potrebbe risultare più vulnerabile al multipath e ai ritardi di propagazione, riducendo la robustezza complessiva.
Quindi, la scelta del SCS rappresenta un bilanciamento tra latenza, copertura, efficienza spettrale e complessità di implementazione.
Configurazioni multiple nel 5G NR
Una delle innovazioni di rilievo è la possibilità di usare più configurazioni di numerologia (cioè SCS diversi) nello stesso sistema. Questo approccio, chiamato multi-numerology, consente l’uso simultaneo di flussi di dati con requisiti molto differenti, come un video ad alta definizione (che può tollerare più latenza) e un controllo remoto industriale (che richiede risposta istantanea).
La separazione tra numerologie viene gestita attraverso guard bands e tecniche di isolamento per evitare interferenze inter-numerologia. Anche se aumenta la complessità del sistema, questo modello è fondamentale per garantire l’efficienza di una rete convergente.
Esempio pratico: streaming vs guida autonoma
In uno scenario urbano, un utente può guardare un video in streaming con un canale configurato con SCS a 30 kHz, mentre un veicolo a guida autonoma comunica con l’infrastruttura cittadina tramite canali con SCS a 120 kHz. Questa differenziazione permette di soddisfare contemporaneamente requisiti molto diversi, sfruttando al massimo la flessibilità del 5G NR.
Considerazioni finali
Il Subcarrier Spacing nel 5G rappresenta uno strumento fondamentale per la personalizzazione delle risorse radio. La sua flessibilità permette di progettare reti capaci di adattarsi a un’ampia varietà di scenari applicativi, mantenendo prestazioni elevate e garantendo compatibilità con servizi futuri. La comprensione e l’uso corretto di questa caratteristica sono essenziali per ingegneri di rete, pianificatori e integratori di sistema.
Se ti interessa approfondire come il 5G gestisce simultaneamente traffico eterogeneo, ti consiglio di leggere anche l’articolo sulla multi-numerology e il concetto di numerologie sovrapposte nel 5G.