Dynamic Spectrum Management: guida a DSM, DSA e spettro condiviso

Il dynamic spectrum management (DSM), noto anche come dynamic spectrum access (DSA), alloca lo spettro radio in base alla domanda reale e alle condizioni di rete. Analizziamo sensing, condivisione in 5G, DSL e i modelli regolatori di Italia, Francia, USA e Sudafrica.

Che cos'è il dynamic spectrum management e perché è decisivo

Il dynamic spectrum management (DSM), noto anche come dynamic spectrum access (DSA), racchiude l'insieme di tecniche che allocano dinamicamente le risorse dello spettro radio in base alla domanda del momento e alle condizioni della rete. Alla base ci sono concetti presi dalla teoria dell'informazione di rete e dalla teoria dei giochi, e l'obiettivo è superare i limiti dell'assegnazione statica delle frequenze. Il problema, del resto, è ben noto: gran parte dello spettro risulta formalmente occupato ma, di fatto, inutilizzato in molte zone e in molte fasce orarie. In questo scenario, termini come dynamic spectrum sharing (DSS), opportunistic spectrum management, cognitive radio (CR), mercati secondari dello spettro e database dei whitespace indicano approcci complementari verso un unico fine: sfruttare meglio ciò che già esiste.

Come funziona il dynamic spectrum access: sensing, predizione e allocazione

Il dynamic spectrum access non è un'operazione singola, ma si sviluppa attraverso più passaggi. Il primo è lo spectrum sensing: si rileva la presenza del segnale e si cerca di capire se un canale è effettivamente libero. A questa rilevazione se ne aggiungono altre, come la classificazione del segnale e la stima del livello di interferenza. Nelle reti cognitive (cognitive radio networks, CRN), gli utenti secondari (secondary users, SU) sfruttano in modo opportunistico i canali licenziati agli utenti primari (primary users, PU), ma solo a una condizione: l'interferenza cumulativa deve restare sotto una soglia stabilita in anticipo. C'è poi la spectrum prediction, che si affida a modelli di machine learning per prevedere la disponibilità futura dello spettro a partire dai dati storici di utilizzo. E in tutto questo discorso rientrano anche i cosiddetti spectrum holes, o whitespace: sono le porzioni di banda temporaneamente libere che, proprio grazie a questa logica dinamica, diventano utilizzabili.

Tra le tecniche DSM rientrano la link adaptation, la gestione della larghezza di banda, il multi-user MIMO, la pre-cancellazione dell'interferenza stimata e la combinazione di canali non pre-allocati per un singolo utente. C'è poi tutto un filone legato alla gestione intelligente delle risorse: qui sono i motori di apprendimento a scegliere i canali di backup migliori sulla base dello storico, mentre l'occupazione degli utenti primari nel tempo e in frequenza viene rappresentata con un modello On/Off. Un esempio è il paradigma Smart Sensing Enabled Dynamic Spectrum Management (SSDSM), che si basa su un nodo centrale incaricato di formulare una lista ottimale di canali, su controller di tipo fuzzy e su un sensing periodico attivato da regole predefinite. Nelle valutazioni condotte in MATLAB si registrano throughput massimizzato, un rapporto di handoff più contenuto e un ritardo di risposta del servizio ridotto al minimo.

Dynamic spectrum sharing in 5G: access splitting e re-farming

Nel 5G, il dynamic spectrum sharing (DSS) poggia essenzialmente su due meccanismi. Il primo è l'access splitting: una stazione base abilitata al DSS riesce a gestire nello stesso momento più tecnologie di accesso, tipo 4G LTE e 5G NR, sulla medesima banda. Il secondo è il re-farming, che invece sposta gli utenti su una banda piuttosto che su un'altra a seconda delle condizioni della rete e di quanto traffico c'è in quel momento. In pratica, sono gli algoritmi software a fare il lavoro sporco: analizzano il carico e il profilo dell'utente, e poi adattano di conseguenza l'allocazione dello spettro, il throughput e la velocità dei dati.

Il 3GPP ha parlato per la prima volta di Dynamic Spectrum Sharing nel 2017, e da lì si è aperta la strada alla condivisione tra generazioni diverse all'interno della stessa banda. Per rendersi conto delle dimensioni in gioco, basta un dato: sotto i 5 GHz abbiamo a disposizione circa 1200 MHz di spettro, spalmati tra i 700 MHz e i 2,6 GHz. Ed è proprio in questo spazio che si decide la partita della condivisione dinamica, sia tra operatori che tra tecnologie.

Tecniche chiave: link adaptation, MIMO e pre-cancellazione dell'interferenza

Il DSM, però, non è solo una questione di sensing. Prendiamo la link adaptation: serve a tarare i parametri di trasmissione in base a come si comporta il canale in quel momento. Poi c'è la gestione della larghezza di banda, che ridistribuisce le risorse con una certa flessibilità, e il multi-user MIMO, che sfrutta più antenne per servire diversi utenti nello stesso istante. A completare il quadro ci pensa la pre-cancellazione dell'interferenza stimata: in pratica il disturbo noto viene anticipato e compensato già prima che il segnale parta.

C'è poi un'altra strada: mettere insieme canali inutilizzati e non pre-allocati per un singolo utente, così da alzare la capacità effettiva senza calpestare i diritti degli utenti primari. Nel mondo DSL, invece, il dynamic spectrum management lavora su più livelli. Il Livello 1 si affida ad algoritmi autonomi, come l'iterative water-filling, che mitigano la diafonia near-end e far-end adattando la potenza di trasmissione tono per tono. I livelli superiori, invece, introducono un coordinamento centralizzato per massimizzare il throughput aggregato o garantire equità, impostando il problema come un'ottimizzazione soggetta a vincoli regolatori e di qualità del servizio. Guardando alle tendenze più recenti, spiccano gli algoritmi semi-distribuiti che dividono gli utenti in gruppi di toni, le politiche rate-adaptive e gli schemi ibridi che combinano lattice-reduction e Tomlinson-Harashima precoding.

DSM nei sistemi DSL: diafonia e water-filling

Nel mondo delle digital subscriber line, il DSM si trova a fare i conti con un problema fisico piuttosto concreto: la diafonia tra le coppie di rame. Con G.fast, che spinge le frequenze fino a 212 MHz, è soprattutto il far-end crosstalk (FEXT) a diventare il vero collo di bottiglia nelle prestazioni. Per gestire questa situazione si interviene su due fronti: il bit-loading, che distribuisce l'energia tra le portanti, e l'ottimizzazione del band-plan, che decide quali modulazioni adottare per ciascuna di esse.

La logica di fondo è la stessa che si applica allo spettro radio: anziché assegnare le risorse in modo fisso e prestabilito, si adatta la trasmissione a come il mezzo si comporta davvero, momento per momento. Prendiamo il riuso cellulare: in una singola cella si riesce a sfruttare solo il 25% circa delle frequenze, che poi vengono riutilizzate in celle lontane e non contigue. Il restante 75% dello spettro, quindi, tende a restare inutilizzato — e non è comunque disponibile per applicazioni con potenze simili. È proprio questo genere di inefficienza che le tecniche di DSM provano a correggere.

Approcci regolatori: Italia, Francia, USA e Sudafrica

I modelli regolatori mostrano quanto la condivisione dinamica sia già realtà. Nel 2019 l'Italia è stato il primo Paese europeo ad assegnare tre bande pioniere 5G: 700 MHz, 3,6-3,8 GHz e la porzione più ampia in 26,5-27,5 GHz. L'asta ha applicato la clausola 'use it or lease it': i licenziatari possono usare fino a tutto lo spettro assegnato (fino a 1 GHz) dove le frequenze non sono utilizzate da altri licenziatari; ogni titolare ha diritti di prelazione sul proprio lotto, ma deve garantire accesso agli altri operatori. Il MiSE ha gestito una gara competitiva per una soluzione di dynamic spectrum access.

In Francia, nel 2019 ARCEP ha assegnato la banda 2600 TDD MHz (banda #38, 2570-2620 MHz) agli operatori mobili, mentre ATDI ha creato un modulo per le richieste di frequenza online per le assegnazioni PMR. Negli Stati Uniti la FCC ha istituito il CBRS (Citizens Broadband Radio Service) per condividere il broadband wireless nella banda 3550-3700 MHz con tre livelli: utenti incumbent, licenziatari prioritari e utenti autorizzati generali. In Sudafrica, la Fase 2 del regime Dynamic and Opportunistic Spectrum Management di ICASA propone un quadro per il DSS nelle bande S e C, inclusi mercati secondari e protezione degli utenti primari da interferenze dannose; il documento di discussione è stato pubblicato il 3 aprile 2023 (Gazette 48352), con consultazione sulle bozze di regolamento al 16 luglio 2025.

Confronto tra modelli di condivisione e compromessi

I modelli tradizionali, basati su regole statiche, non riflettono le condizioni in tempo reale e producono inefficienze. Gli approcci dinamici guidati da database aggiungono precisione, velocità e flessibilità. Tra i modelli di condivisione gerarchica — incumbent, prioritario, autorizzato generale — quello a tre livelli è considerato forse il più compatibile con la gestione attuale dello spettro, rispetto all'uso esclusivo dinamico e alla condivisione aperta.

La tabella seguente riassume i principali riferimenti regolatori e tecnici citati.

La lettura comparata suggerisce che non esiste un modello unico vincente. L'Italia punta su obblighi di accesso e clausole di utilizzo effettivo; gli Stati Uniti su una struttura a tre livelli che protegge gli incumbent; la Francia su piattaforme di richiesta e assegnazione; il Sudafrica su un quadro ancora in consultazione. La scelta dipende dal grado di maturità del mercato, dalla disponibilità di database affidabili e dalla capacità dei regolatori di monitorare interferenze e rispetto degli obblighi.

Chi guida la ricerca e quali strumenti esistono

Sul fronte accademico, Ying-Chang Liang (University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu), IEEE Fellow dal 2011, ha pubblicato in open access il libro 'Dynamic Spectrum Management: From Cognitive Radio to Blockchain and Artificial Intelligence' (2020). Martin Cave (Imperial College London e Competition Commission) e William Webb (Weightless SIG) sono autori di 'Spectrum Management' (Cambridge University Press, 2015), il cui capitolo 9 è dedicato al dynamic spectrum access.

Tra i regolatori di riferimento figurano MiSE (Italia), ARCEP (Francia), FCC (USA) e ICASA (Sudafrica). Sul versante degli strumenti, ATDI, LS telcom (LS OBSERVER, SpectrumMap) e la Smart Spectrum Database Architecture — che combina database dei whitespace, database delle licenze e gestione cloud — rappresentano le infrastrutture su cui poggia l'operatività quotidiana della condivisione dinamica.

Domande frequenti sul dynamic spectrum management

Che cos'è il dynamic spectrum management?

Il dynamic spectrum management (DSM), detto anche dynamic spectrum access (DSA), alloca dinamicamente le risorse dello spettro radio in base alla domanda corrente e alle condizioni di rete. Utilizza tecniche della teoria dell'informazione di rete e della teoria dei giochi per migliorare l'efficienza spettrale, invece di affidarsi a un'assegnazione fissa delle frequenze.

Come funziona il dynamic spectrum sharing?

Il dynamic spectrum sharing si basa su access splitting e re-farming. Una stazione base abilitata DSS supporta contemporaneamente più tecnologie di accesso, come 4G LTE e 5G NR, mentre algoritmi software analizzano carico di traffico e tipo di utente per adeguare dinamicamente allocazione dello spettro, throughput e velocità dati.

Quali sono le principali tecniche del dynamic spectrum management?

Tra le tecniche figurano link adaptation, gestione della larghezza di banda, multi-user MIMO, pre-cancellazione dell'interferenza stimata, combinazione di canali non pre-allocati, spectrum sensing, spectrum prediction con machine learning e coordinamento centralizzato o semi-distribuito per massimizzare il throughput o garantire equità tra gli utenti.

Come viene regolato il dynamic spectrum access?

I regolatori progettano quadri di condivisione. Esempi sono la clausola 'use it or lease it' dell'Italia nella banda 26,5-27,5 GHz, la piattaforma di condivisione ARCEP a 2,6 GHz in Francia, il modello CBRS a tre livelli della FCC statunitense in 3550-3700 MHz e il quadro DSS proposto da ICASA per le bande S e C.