stringtranslate.com

Спектральная эффективность

Спектральная эффективность , эффективность использования спектра или эффективность использования полосы пропускания относится к скорости передачи информации , которая может передаваться по заданной полосе пропускания в конкретной системе связи. Это мера того, насколько эффективно ограниченный частотный спектр используется протоколом физического уровня , а иногда и управлением доступом к среде ( протокол доступа к каналу ). [1]

Спектральная эффективность канала связи

Спектральная эффективность канала цифровой системы связи измеряется в бит / с / Гц [2] или, реже, но однозначно, в ( бит/с)/Гц . Это чистая скорость передачи данных (полезная скорость передачи информации без учета кодов, исправляющих ошибки ) или максимальная пропускная способность , деленная на полосу пропускания в герцах канала связи или канала передачи данных . Альтернативно, спектральная эффективность может быть измерена в бит/символ , что эквивалентно количеству битов на использование канала ( bpcu ), подразумевая, что чистая скорость передачи данных делится на скорость передачи символов (скорость модуляции) или частоту импульсов линейного кода.

Спектральная эффективность канала обычно используется для анализа эффективности метода цифровой модуляции или линейного кода , иногда в сочетании с кодом прямого исправления ошибок (FEC) и другими служебными данными физического уровня. В последнем случае «бит» относится к биту пользовательских данных; Накладные расходы FEC всегда исключаются.

Эффективность модуляции в бит/с — это общая скорость передачи данных (включая любой код с исправлением ошибок), деленная на полосу пропускания.

Пример 1. Метод передачи, использующий полосу пропускания в один килогерц для передачи 1000 бит в секунду, имеет эффективность модуляции 1 (бит/с)/Гц.
Пример 2 : Модем V.92 для телефонной сети может передавать 56 000 бит/с в нисходящем направлении и 48 000 бит/с в восходящем направлении по аналоговой телефонной сети. Из-за фильтрации на телефонной станции диапазон частот ограничен диапазоном от 300 до 3400 герц, что соответствует полосе пропускания 3400–300 = 3100 герц. Спектральная эффективность или эффективность модуляции составляет 56 000/3 100 = 18,1 (бит/с)/Гц в нисходящем направлении и 48 000/3 100 = 15,5 (бит/с)/Гц в восходящем направлении.

Верхняя граница достижимой эффективности модуляции определяется коэффициентом Найквиста или законом Хартли следующим образом: Для сигнального алфавита с M альтернативными символами каждый символ представляет N = log 2 M битов. N — эффективность модуляции, измеренная в бит/символ или bpcu . В случае передачи в полосе частот ( линейное кодирование или амплитудно-импульсная модуляция ) с полосой пропускания в полосе частот (или верхней граничной частотой) B , скорость передачи символов не может превышать 2 B символов/с во избежание межсимвольных помех . Таким образом, спектральная эффективность не может превышать 2 N (бит/с)/Гц в случае передачи в основной полосе частот. В случае передачи в полосе пропускания сигнал с полосой пропускания W может быть преобразован в эквивалентный сигнал основной полосы (с использованием субдискретизации или супергетеродинного приемника ) с верхней частотой среза W /2. Если используются схемы двухполосной модуляции, такие как QAM , ASK , PSK или OFDM , это приводит к максимальной скорости передачи символов W символов/с, а эффективность модуляции не может превышать N (бит/с)/Гц. Если используется цифровая однополосная модуляция , сигнал полосы пропускания с полосой пропускания W соответствует сигналу группового сообщения с полосой пропускания W , что приводит к максимальной скорости передачи символов 2 Вт и достижимой эффективности модуляции 2 N (бит/с)/Гц. .

Пример 3: Модем 16QAM имеет размер алфавита M = 16 альтернативных символов с N = 4 бит/символ или bpcu. Поскольку QAM представляет собой форму передачи с двойной полосой пропускания, спектральная эффективность не может превышать N = 4 (бит/с)/Гц.
Пример 4: Схема модуляции 8VSB (8-уровневая рудиментарная боковая полоса), используемая в стандарте цифрового телевидения ATSC, дает N = 3 бит/символ или bpcu. Поскольку его можно описать как почти односторонний диапазон, эффективность модуляции близка к 2 N = 6 (бит/с)/Гц. На практике ATSC передает общую скорость передачи данных 32 Мбит/с по каналу шириной 6 МГц, что приводит к эффективности модуляции 32/6 = 5,3 (бит/с)/Гц.
Пример 5: Нисходящая линия связи модема V.92 использует амплитудно-импульсную модуляцию со 128 уровнями сигнала, в результате чего N = 7 бит/символ. Поскольку передаваемый сигнал до полосовой фильтрации можно рассматривать как передачу в основной полосе частот, спектральная эффективность не может превышать 2 N = 14 (бит/с)/Гц по всему каналу основной полосы частот (от 0 до 4 кГц). Как видно выше, более высокая спектральная эффективность достигается, если принять во внимание меньшую полосу пропускания.

Если используется код прямого исправления ошибок , спектральная эффективность снижается по сравнению с некодированным показателем эффективности модуляции.

Пример 6: Если добавляется код прямого исправления ошибок (FEC) со скоростью кода 1/2, что означает, что входная скорость передачи данных кодера составляет половину выходной скорости кодера, спектральная эффективность составляет 50% от эффективности модуляции. В обмен на это снижение спектральной эффективности FEC обычно снижает частоту битовых ошибок и обычно обеспечивает работу с более низким отношением сигнал/шум (SNR).

Верхняя граница спектральной эффективности, возможной без битовых ошибок в канале с определенным отношением сигнал/шум, если предполагается идеальное кодирование ошибок и модуляция, дается теоремой Шеннона – Хартли .

Пример 7. Если SNR равно 1, что соответствует 0 децибел , спектральная эффективность линии связи не может превышать 1 (бит/с)/Гц для безошибочного обнаружения (при условии идеального кода, исправляющего ошибки) согласно Шеннону-Хартли, независимо от модуляция и кодирование.

Обратите внимание, что полезная пропускная способность (объем полезной информации прикладного уровня) обычно ниже максимальной пропускной способности , использованной в приведенных выше расчетах, из-за повторной передачи пакетов, более высоких накладных расходов на уровне протокола, управления потоком, предотвращения перегрузки и т. д. С другой стороны, Однако схема сжатия данных, такая как сжатие V.44 или V.42bis , используемая в телефонных модемах, может дать более высокую производительность, если передаваемые данные еще не сжаты эффективно.

Спектральная эффективность линии беспроводной телефонной связи также может быть выражена как максимальное количество одновременных вызовов в частотном спектре 1 МГц в эрлангах на мегагерц или E /MГц . На эту меру также влияет схема исходного кодирования (сжатия данных). Его можно применять как к аналоговой, так и к цифровой передаче.

В беспроводных сетях спектральная эффективность канала может вводить в заблуждение, поскольку более высокие значения не обязательно более эффективны в общем использовании радиоспектра. В беспроводной сети высокая спектральная эффективность канала может привести к высокой чувствительности к внутриканальным помехам (перекрестным помехам), что влияет на пропускную способность. Например, в сотовой телефонной сети с повторным использованием частот расширение спектра и прямое исправление ошибок снижают спектральную эффективность в (бит/с)/Гц, но существенно снижают необходимое соотношение сигнал/шум по сравнению с методами без расширения спектра. Это может обеспечить гораздо более плотное повторное использование географических частот, что компенсирует более низкую спектральную эффективность линии связи, что приводит к примерно одинаковой пропускной способности (тому же числу одновременных телефонных вызовов) в той же полосе пропускания с использованием того же количества передатчиков базовых станций. Как обсуждается ниже, более подходящей мерой для беспроводных сетей была бы спектральная эффективность системы в бит/с/Гц на единицу площади. Однако в закрытых линиях связи, таких как телефонные линии и сети кабельного телевидения, а также в системах беспроводной связи с ограниченным шумом, где помехи совмещенного канала не являются фактором, обычно используется наибольшая спектральная эффективность линии, которая может поддерживаться доступным соотношением сигнал/шум.

Спектральная эффективность системы или зональная спектральная эффективность

В цифровых беспроводных сетях спектральная эффективность системы или спектральная эффективность области обычно измеряется в (бит/с)/Гц на единицу площади , в (бит/с)/Гц на ячейку или в (бит/с)/Гц на сайт. . Это мера количества пользователей или услуг, которые могут одновременно поддерживаться ограниченной полосой радиочастот в определенной географической области. [1] Например, ее можно определить как максимальную совокупную пропускную способность или хорошую пропускную способность , т. е. суммированную по всем пользователям в системе, разделенную на полосу пропускания канала и на зону покрытия или количество сайтов базовых станций. На эту меру влияет не только метод однопользовательской передачи, но также используемые схемы множественного доступа и методы управления радиоресурсами . Его можно существенно улучшить за счет динамического управления радиоресурсами . Если оно определяется как мера максимальной полезной производительности, повторные передачи из-за внутриканальных помех и коллизий исключаются. Накладные расходы протокола более высокого уровня (над подуровнем управления доступом к среде передачи ) обычно игнорируются.

Пример 8: В сотовой системе, основанной на множественном доступе с частотным разделением каналов (FDMA) с планом сотовой связи с фиксированным распределением каналов (FCA) и коэффициентом повторного использования частоты 1/4, каждая базовая станция имеет доступ к 1/4 общей доступной частоты. спектр. Таким образом, максимально возможная спектральная эффективность системы в (бит/с)/Гц на сайт составляет 1/4 спектральной эффективности линии. Каждую базовую станцию ​​можно разделить на 3 ячейки с помощью 3-х секторных антенн, что также известно как схема повторного использования 4/12. Тогда каждая ячейка имеет доступ к 1/12 доступного спектра, а спектральная эффективность системы в (бит/с)/Гц на ячейку или (бит/с)/Гц на сектор равна 1/12 спектральной эффективности линии связи.

Спектральная эффективность системы сотовой сети также может быть выражена как максимальное количество одновременных телефонных вызовов на единицу площади в частотном спектре 1 МГц в E /МГц на ячейку , E/МГц на сектор , E/МГц на сайт или (E /МГц)/м 2 . На эту меру также влияет схема исходного кодирования (сжатия данных). Его также можно использовать в аналоговых сотовых сетях.

Низкая спектральная эффективность канала в (бит/с)/Гц не обязательно означает, что схема кодирования неэффективна с точки зрения спектральной эффективности системы. В качестве примера рассмотрим расширенный спектр мультиплексного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA) , который не является схемой кодирования с особенно эффективной спектральной эффективностью при рассмотрении одного канала или одного пользователя. Однако тот факт, что можно «наслоить» несколько каналов на одну и ту же полосу частот, означает, что использование системного спектра для многоканальной системы CDMA может быть очень хорошим.

Пример 9: В сотовой системе W-CDMA 3G каждый телефонный звонок сжимается до максимальной скорости 8500 бит/с (полезный битрейт) и распределяется по частотному каналу шириной 5 МГц. Это соответствует пропускной способности канала всего 8 500/5 000 000 = 0,0017  (бит/с)/Гц . Предположим, что в одной соте возможно 100 одновременных (не молчаливых) вызовов. Расширение спектра позволяет иметь коэффициент повторного использования частот, равный 1, если каждая базовая станция разделена на 3 ячейки с помощью 3 направленных секторных антенн. Это соответствует эффективности использования спектра системы более 1 × 100 × 0,0017 = 0,17  (бит/с)/Гц на сайт и 0,17/3 = 0,06 (бит/с)/Гц на ячейку или сектор .

Спектральная эффективность может быть повышена с помощью методов управления радиоресурсами , таких как эффективное фиксированное или динамическое распределение каналов , управление мощностью , адаптация канала и схемы разнесения .

Комбинированная мера справедливости и мера спектральной эффективности системы представляет собой справедливо распределяемую спектральную эффективность .

Сравнительная таблица

Примеры прогнозируемых значений числовой спектральной эффективности некоторых распространенных систем связи можно найти в таблице ниже. Эти результаты будут достигнуты не во всех системах. Те, кто находится дальше от передатчика, не получат таких характеристик.

Н/Д означает неприменимо.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Аб Гуован Мяо , Йенс Зандер, Ки Вон Сунг и Бен Слиман, Основы сетей мобильной передачи данных, Cambridge University Press, ISBN  1107143217 , 2016.
  2. ^ Серджио Бенедетто и Эцио Бильери (1999). Принципы цифровой передачи: с помощью беспроводных приложений. Спрингер. ISBN 0-306-45753-9.
  3. ^ CT Bhunia, Сеть информационных технологий и Интернет, New Age International, 2006, стр. 26.
  4. ^ Лал Чанд Годара, «Справочник по антеннам в беспроводной связи», CRC Press, 2002, ISBN 9780849301247 
  5. ^ abcdef Андерс Фурускар, Йонас Нэслунд и Хокан Олофссон (1999), «Edge — повышенная скорость передачи данных для эволюции GSM и TDMA/136», Ericsson Review no. 1
  6. ^ «Система iBurst (TM) KYOCERA предлагает высокую пропускную способность и высокую производительность в эпоху широкополосного доступа» .
  7. ^ ab «Обзор передовых технологий 4G LTE — Keysight (ранее — подразделение электронных измерений Agilent)» . www.keysight.com .
  8. ^ аб Джамбене, Джованни; Али Яхия, Тара (1 ноября 2013 г.). «Планирование LTE для мягкого повторного использования частот». Дни беспроводной связи ИФИП (WD) 2013 . стр. 1–7. дои : 10.1109/WD.2013.6686468. ISBN 978-1-4799-0543-0. S2CID  27200535 – через ResearchGate.
  9. ^ "Архивы LTE-Advanced - ExtremeTech" . ЭкстримТех .
  10. ^ «Информационный документ» (PDF) . www.arubanetworks.com .
  11. ^ ab «TETRA против TETRA2 — основная разница между TETRA и TETRA2». www.rfwireless-world.com .
  12. ^ ab «Замечания по применению» (PDF) . cdn.rohde-schwarz.com .
  13. ^ ab «Брошюра» (PDF) . Tetraforum.pl .
  14. ^ «Данные». cept.org .
  15. ^ abcd «Информационный бюллетень» (PDF) . www.dvb.org .
  16. ^ ab «Список публикаций» (PDF) . mns.ifn.et.tu-dresden.de .
  17. ^ ab «Информационный бюллетень» (PDF) . www.dvb.org .
  18. ^ аб Христопулос, Димитриос; Хацинотас, Симеон; Чжэн, Ган; Гротц, Жоэль; Оттерстен, Бьёрн (4 мая 2012 г.). «Линейные и нелинейные методы совместной многолучевой обработки в спутниковой связи». Журнал EURASIP по беспроводной связи и сетям . 2012 (1). дои : 10.1186/1687-1499-2012-162 .
  19. ^ «Информация» (PDF) . scte-sandiego.org .
  20. ^ [1] [ неработающая ссылка ]