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