Subcarrier Spacing w 5G – wartości i znaczenie dla systemu

Subcarrier Spacing w 5G – wartości i znaczenie dla systemu

Dziś przyjrzymy się kluczowemu parametrowi w technologii 5G – subcarrier spacing (SCS). To jeden z fundamentów fizycznej warstwy NR (New Radio), który bezpośrednio wpływa na sposób wykorzystania zasobów częstotliwościowych, propagację sygnału, opóźnienia oraz elastyczność w różnych scenariuszach wdrożeniowych.

Definicja i podstawy SCS

Subcarrier spacing (SCS) odnosi się do odstępu w hercach pomiędzy sąsiadującymi podnośnymi w systemie OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). W LTE odstęp ten był ustalony na stałe (15 kHz), natomiast w 5G wprowadzono możliwość wyboru jednej z kilku zdefiniowanych wartości, co umożliwia lepsze dostosowanie warstwy fizycznej do potrzeb różnych aplikacji i pasm częstotliwości.

Powiązanie z czasem symbolu i ramkami transmisyjnymi

Wybór SCS ma bezpośredni wpływ na długość symbolu OFDM oraz strukturę ramek. Im większa wartość SCS, tym krótszy czas trwania symbolu. To przekłada się na niższe opóźnienia transmisji, co jest kluczowe w scenariuszach takich jak autonomiczne pojazdy, komunikacja V2X czy zdalne sterowanie maszynami.

Dzięki skalowalnemu podejściu do struktury ramki, 5G umożliwia dynamiczne dostosowywanie parametrów transmisji do wymagań aplikacji – od szerokopasmowego dostępu domowego po komunikację krytyczną.

Wpływ SCS na propagację i interferencje

Wartości SCS mają również znaczenie z punktu widzenia propagacji fal radiowych. Niższe częstotliwości i mniejsze odstępy między podnośnymi są korzystne przy dłuższych dystansach, ponieważ tolerują większe opóźnienia i są mniej podatne na zjawiska takie jak zanik wielodrogowy (multipath fading). Natomiast wyższe wartości SCS lepiej sprawdzają się w środowiskach miejskich o dużej gęstości użytkowników i krótkim zasięgu, gdzie dominują transmisje na wysokich częstotliwościach (np. mmWave).

Zwiększając SCS, zmniejszamy również podatność systemu na zakłócenia fazowe (phase noise) i dryf częstotliwości lokalnych oscylatorów, co jest szczególnie ważne przy wysokich częstotliwościach nośnych.

SCS a elastyczność spektralna

5G umożliwia współistnienie wielu systemów i warstw logicznych w ramach jednej struktury transmisyjnej. Dzięki różnym wartościom SCS możliwe jest zestawienie niezależnych łańcuchów transmisyjnych (tzw. numerologii) w obrębie jednego pasma – np. jedna warstwa może realizować połączenia o niskim opóźnieniu przy SCS=60 kHz, a inna – równolegle – zapewniać szerokopasmową transmisję wideo przy SCS=30 kHz.

Taka elastyczność spektralna jest nieosiągalna w poprzednich generacjach systemów mobilnych i stanowi jeden z fundamentów architektury 5G NR. Przemyślany dobór SCS umożliwia dynamiczne zarządzanie zasobami i efektywne planowanie sieci.

Zależności między SCS a mobilnością terminali

Wyższe wartości SCS przekładają się na większą odporność systemu na efekty Dopplera, które powstają przy szybkich ruchach terminali użytkownika. Dzięki temu sieć może utrzymać stabilne połączenie z użytkownikami poruszającymi się z dużą prędkością – np. w pociągach czy pojazdach autonomicznych. SCS=120 kHz jest często stosowane w takich przypadkach, ponieważ zapewnia równowagę między opóźnieniem, przepustowością a odpornością na przesunięcia częstotliwości.

Wydajność energetyczna a dobór SCS

Wybór SCS ma również wpływ na zużycie energii przez urządzenia końcowe. Niższe wartości, takie jak 15 lub 30 kHz, oznaczają dłuższe czasy trwania symboli, co umożliwia dłuższe okresy uśpienia w trybach oszczędzania energii. To istotne np. w przypadku czujników IoT lub urządzeń działających na zasilaniu bateryjnym.

Natomiast przy wyższych wartościach SCS (np. 120 kHz) rośnie liczba przetwarzanych symboli na jednostkę czasu, co zwiększa zapotrzebowanie energetyczne, ale też pozwala na skrócenie całkowitego czasu transmisji danych – to może być korzystne, jeśli zależy nam na szybkim opróżnieniu bufora lub niskiej latencji.

Przykład zastosowania SCS w sieci 5G

W środowisku miejskim z dostępem do pasma TDD 3,5 GHz operator może zastosować mieszane podejście: warstwa makro wykorzystuje SCS=30 kHz dla zasięgu i przepustowości, a warstwa small cells – SCS=60 kHz dla wsparcia transmisji o niskim opóźnieniu w pobliżu użytkownika końcowego. Dzięki temu możliwe jest zapewnienie zarówno szerokiego pokrycia, jak i wysokiej jakości usług.

Podsumowanie znaczenia SCS w architekturze 5G

Subcarrier spacing to kluczowy parametr fizyczny w architekturze 5G NR, determinujący strukturę czasowo-częstotliwościową, opóźnienia, efektywność widmową oraz elastyczność wdrożeniową. Umożliwia projektowanie sieci dostosowanych do różnych scenariuszy – od urządzeń IoT po ultra-szybkie strumienie danych w paśmie mmWave. Dobór odpowiedniej wartości SCS zależy od wielu czynników, w tym dostępnego pasma, wymaganej przepustowości, tolerancji na opóźnienia oraz charakterystyki propagacyjnej danego środowiska.

Jeśli chcesz lepiej zrozumieć, jak SCS wpływa na mechanizmy alokacji zasobów w 5G, warto przeanalizować szczegółowo strukturę slotów i ramki czasowej w NR.