Спектральная эффективность

Скорость передачи информации, которая может быть передана по заданной полосе пропускания

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

Спектральная эффективность 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 битов (скорость полезной информации, исключая коды коррекции ошибок ) или максимальная пропускная способность, деленная на ширину полосы пропускания в герцах канала связи или канала передачи данных . В качестве альтернативы спектральная эффективность может измеряться в бит/символ , что эквивалентно использованию битов на канал ( bpcu ), подразумевая, что чистая скорость передачи битов делится на скорость символов (скорость модуляции) или скорость 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 накладными расходами 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 коррекции ошибок), деленная на ширину полосы 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 Гц, что соответствует полосе пропускания 3400 − 300 = 3100 Гц. Спектральная эффективность или эффективность модуляции составляет 56 000/3100 = 18,1 (бит/с)/Гц в нисходящем направлении и 48 000/3100 = 15,5 (бит/с)/Гц в восходящем направлении.

Верхняя граница достижимой эффективности модуляции задается скоростью Найквиста или законом Хартли следующим образом: для алфавита сигнализации с M альтернативными символами каждый символ представляет N = log ₂ M бит. N - эффективность модуляции, измеряемая в бит/символ или bpcu . В случае передачи в основной полосе частот ( линейное кодирование или амплитудно-импульсная модуляция ) с шириной полосы частот (или верхней частотой среза) B скорость передачи символов не может превышать 2 B символов/с, чтобы избежать 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 шириной полосы пропускания W может быть преобразован в эквивалентный сигнал в основной полосе частот (используя субдискретизацию или супергетеродинный приемник ) с верхней частотой среза W /2. Если используются схемы модуляции с двойной боковой полосой, 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 модуляция с одной боковой полосой , сигнал полосы пропускания с шириной полосы W соответствует сигналу сообщения основной полосы с шириной полосы W , что приводит к максимальной скорости передачи символов 2 W 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 является формой передачи с двойной боковой 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 ее можно описать как почти однополосную, 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 дает эффективность модуляции 32/6 = 5,3 (бит/с)/Гц.

Пример 5: Нисходящая линия связи модема V.92 использует амплитудно-импульсную модуляцию с 128 уровнями сигнала, что приводит к N = 7 бит/символ. Поскольку передаваемый сигнал до фильтрации полосы пропускания можно рассматривать как передачу в основной полосе пропускания, спектральная эффективность не может превышать 2 N = 14 (бит/с)/Гц по всему каналу основной полосы пропускания (от 0 до 4 кГц). Как показано выше, более высокая спектральная эффективность достигается, если мы рассматриваем меньшую полосу пропускания.

Если используется код с прямой коррекцией ошибок , спектральная эффективность снижается по сравнению с эффективностью некодированной модуляции.

Пример 6: Если добавляется код прямой коррекции ошибок (FEC) с кодовой скоростью 1/2, что означает, что входная скорость передачи битов кодера составляет половину выходной скорости кодера, спектральная эффективность составляет 50% от эффективности модуляции. В обмен на это снижение спектральной эффективности FEC обычно снижает частоту ошибок по битам и, как правило, обеспечивает работу при более низком отношении сигнал/шум (SNR).

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

Пример 7: Если SNR равен 1, что соответствует 0 децибел , спектральная эффективность канала не может превышать 1 (бит/с)/Гц для безошибочного обнаружения (предполагая идеальный код с исправлением ошибок) согласно Шеннону–Хартли независимо от модуляции и кодирования.

Обратите внимание, что полезная пропускная способность (объем полезной информации на уровне приложений) обычно ниже максимальной пропускной способности , используемой в приведенных выше расчетах, из-за повторных передач пакетов, более высоких накладных расходов на уровне протокола, управления потоком, предотвращения перегрузок и т. д. С другой стороны, схема сжатия данных, такая как сжатие V.44 или V.42bis, используемое в телефонных модемах, может, однако, обеспечить более высокую полезную пропускную способность, если передаваемые данные еще не сжаты эффективно.

Спектральная эффективность канала беспроводной телефонии может быть также выражена как максимальное количество одновременных вызовов в диапазоне частот 1 МГц в эрлангах на мегагерц, или E /MHz . Эта мера также зависит от схемы кодирования источника (сжатия данных). Она может применяться как к аналоговой, так и к цифровой передаче.

В беспроводных сетях спектральная эффективность канала может быть несколько обманчивой, так как большие значения не обязательно более эффективны в их общем использовании радиоспектра. В беспроводной сети высокая спектральная эффективность канала может привести к высокой чувствительности к помехам в соседнем канале (перекрестным помехам), что влияет на емкость. Например, в сотовой телефонной сети с повторным использованием частот расширение спектра и прямая коррекция ошибок снижают спектральную эффективность в (бит/с)/Гц, но существенно снижают требуемое отношение сигнал/шум по сравнению с методами без расширения спектра. Это может обеспечить гораздо более плотное географическое повторное использование частот, которое компенсирует более низкую спектральную эффективность канала, что приводит к примерно той же емкости (тому же количеству одновременных телефонных звонков) в той же полосе пропускания, используя то же количество передатчиков базовой станции. Как обсуждается ниже, более подходящей мерой для беспроводных сетей будет спектральная эффективность системы в бит/с/Гц на единицу площади. Однако в закрытых каналах связи, таких как телефонные линии и сети кабельного телевидения, а также в беспроводных системах связи с ограниченным уровнем шума, где помехи в совмещенном канале не являются существенным фактором, обычно используется наибольшая спектральная эффективность канала, которую может поддерживать доступное отношение сигнал/шум.

Спектральная эффективность системы или спектральная эффективность области

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 пропускания радиочастот в определенной географической области. ^[1] Например, ее можно определить как максимальную агрегированную пропускную способность или goodput , т. е. суммированную по всем пользователям в системе, деленную на полосу пропускания канала и на покрытую область или количество сайтов базовых станций. На эту меру влияет не только метод однопользовательской передачи, но и схемы множественного доступа и используемые методы управления радиоресурсами . Ее можно существенно улучшить с помощью динамического управления радиоресурсами . Если ее определить как меру максимальной goodput, то повторные передачи из-за помех и столкновений в одном канале исключаются. Накладные расходы протокола более высокого уровня (выше подуровня управления доступом к среде ) обычно игнорируются.

Пример 8: В сотовой системе, основанной на частотном разделении множественного доступа (FDMA) с фиксированным распределением каналов (FCA) с использованием коэффициента повторного использования частоты 1/4, каждая базовая станция имеет доступ к 1/4 от общего доступного частотного спектра. Таким образом, максимально возможная спектральная эффективность системы в (бит/с)/Гц на сайт составляет 1/4 от спектральной эффективности канала. Каждая базовая станция может быть разделена на 3 ячейки с помощью 3 секторных антенн, также известных как шаблон повторного использования 4/12. Тогда каждая ячейка имеет доступ к 1/12 от доступного спектра, а спектральная эффективность системы в (бит/с)/Гц на ячейку или (бит/с)/Гц на сектор составляет 1/12 от спектральной эффективности канала.

Спектральная эффективность системы сотовой сети может также быть выражена как максимальное количество одновременных телефонных вызовов на единицу площади в диапазоне частот 1 МГц в E /МГц на ячейку , E/МГц на сектор , E/МГц на сайт или (E/МГц)/м ² . Эта мера также зависит от схемы кодирования источника (сжатия данных). Она может использоваться и 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 расширение спектра с помощью кодового разделения мультиплексного доступа (CDMA) , которое не является особенно спектрально эффективной схемой кодирования при рассмотрении одного канала или одного пользователя. Однако тот факт, что можно «наслаивать» несколько каналов на одну и ту же полосу частот, означает, что использование спектра системы для многоканальной системы CDMA может быть очень хорошим.

Пример 9: В сотовой системе W-CDMA 3G каждый телефонный звонок сжимается до максимума 8500 бит/с (полезный битрейт) и распределяется по частотному каналу шириной 5 МГц. Это соответствует пропускной способности канала всего 8500/5000000 = 0,0017  (бит/с)/Гц . Предположим, что в одной и той же ячейке возможны 100 одновременных (не молчаливых) звонков. Расширенный спектр позволяет иметь такой низкий коэффициент повторного использования частоты, как 1, если каждая базовая станция разделена на 3 ячейки с помощью 3 направленных секторных антенн. Это соответствует эффективности 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 .

Эффективность использования спектра можно повысить с помощью методов управления радиоресурсами, таких как эффективное фиксированное или динамическое распределение каналов , управление мощностью , адаптация каналов и схемы разнесения .

Объединенная мера справедливости и мера спектральной эффективности системы — это справедливо распределенная спектральная эффективность .

Сравнительная таблица

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

N/A означает неприменимо.

Смотрите также

• Бод
• Спектральная эффективность CDMA
• Пропускная способность канала
• Сравнение стандартов мобильных телефонов
• Закон Купера
• Хорошая производительность
• Пропускная способность сети
• Порядки величины (скорость передачи данных)
• Управление радиоресурсами (RRM)
• Пространственная емкость

Ссылки

1. Guowang Miao , Jens Zander, Ki Won Sung и Ben Slimane, Основы мобильных сетей передачи данных, Cambridge University Press, ISBN  1107143217 , 2016.
2. Серджио Бенедетто и Эцио Бильери (1999). Принципы цифровой передачи: с беспроводными приложениями. Springer. ISBN 0-306-45753-9.
3. CT Bhunia, Информационные технологии, сети и Интернет, New Age International, 2006, стр. 26.
4. Лал Чанд Годара, «Справочник по антеннам в беспроводной связи», CRC Press, 2002, ISBN 9780849301247 
5. 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) компании KYOCERA обеспечивает высокую емкость и производительность в эпоху широкополосной связи».
7. "Обзор технологии 4G LTE-Advanced - Keysight (ранее Agilent's Electronic Measurement)". www.keysight.com .
8. 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". ExtremeTech .
10. "Белая книга" (PDF) . www.arubanetworks.com .
11. "TETRA против TETRA2-Основные различия между TETRA и TETRA2". www.rfwireless-world.com .
12. "Примечания по применению" (PDF) . cdn.rohde-schwarz.com .
13. "Брошюра" (PDF) . tetraforum.pl .
14. "Данные". cept.org .
15. "Информационный бюллетень" (PDF) . www.dvb.org .
16. "Список публикаций" (PDF) . mns.ifn.et.tu-dresden.de .
17. "Информационный листок" (PDF) . www.dvb.org .
18. Christopoulos, Dimitrios; Chatzinotas, Symeon; Zheng, Gan; Grotz, Joël; Ottersten, Björn (4 мая 2012 г.). "Линейные и нелинейные методы многолучевой совместной обработки в спутниковой связи". EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking . 2012 (1). doi : 10.1186/1687-1499-2012-162 .
19. "Информация" (PDF) . scte-sandiego.org .
20. [1] ^{[ мертвая ссылка ]}