频谱效率
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频谱效率(英语:Spectral efficiency)是指在数码通讯系统中的带宽限制下,可以传送的资料总量。它是在有限的频谱下,物理层通讯协议(有时是介质访问控制,波道接入协议)可以达到的使用效率的量度。[1]
链路频谱效率
[编辑]数码通讯系统的链路频谱效率(Link spectral efficiency)的单位是 bit/s/Hz,[2] 或(bit/s)/Hz(较少用,但更准确)。其定义为净位元率(有用资讯速率,不包括纠错码)或最大吞吐量除以通讯波道或数据链路的带宽(单位:赫兹)。调制效率定义为总位元率(包括纠错码)除以带宽。
频谱效率通常被用于分析数码调制方式的效率,有时也考虑前向纠错码(forward error correction, FEC)和其他物理层开销。在后一种情况下,1个“位元”特指一个用户位元,FEC的开销总是不包括在内的。
- 例1:1kHz带宽中可以传送毎秒1000bit的技术,其频谱效率或调制效率均为1 bit/s/Hz。
- 例2:电话网的V.92调制解调器在模拟电话网上以56,000 bit/s的下行速率和48,000 bit/s的上行速率传输。经由电话交换机的滤波,频率限制在300Hz到3,400Hz之间,带宽相应为 3400 − 300 = 3100 Hz 。频谱效率或调制效率为 56,000/3,100 = 18.1 bit/s/Hz(下行)、48,000/3,100 = 15.5 bit/s/Hz(上行)。
使用FEC 的架空调制方式可达到最大的频谱效率可以利用标本化定理来求得,信号的字母表(计算机科学)利用符号数量M来组合、各符号使用 N = log2 M bit来表示。此情况下频谱效率若不使用编码间干涉的话,无法超过2N bit/s/Hz的效率。举例来说,符号种类有8种、每个各有3bit 的话,频谱效率最高不超过6 bit/s/Hz。
在使用前向纠错编码的情形时频谱效率会降低。比如说使用1/2编码率的FEC时,编码长度会变为1.5倍,频谱效率会降低50%。频谱效率降低的同时FEC可以改善信号的信噪比(并非一定会有改善)。
对某个信噪比通讯回来说、在完全没有传输错误,且编码与调制方式皆处于理想的状况时,其频谱效率的上限可由哈特利定理得出。比如说信噪比1即分贝为0时,无论编码与调制方式如何变化,频谱效率不会超过1 bit/s/Hz。
Goodput(应用层情报使用的量)比一般在此计算的吞吐量还小,其原因为有分组再次传送、超传输协议的架空造成的。
频谱效率这个用语,会产生数值越大的话可以使周波数频谱产生更有效的误解产生。比如手机因为频谱扩散与使用FEC技术使得频谱效率低下,但信噪比不好有时还是可以正常通讯。因此可以使用到比周波带宽数还多的链接、以整体来看其效果可以弥补频谱效率低下的缺点还有过之。如同后面会提到的,具有较为合适尺度代表”单位带宽利用率”单位的bit/s/Hz存在,这是属于码分多工(CDMA)的技术并已成为数码手机的基本构成技术。但是电话线路与有线电视网等由于没有频道相互干扰的问题,其使用的基本上皆为其信噪比下最大频谱效率。
系统频谱效率
[编辑]无线网络是以系统频谱效率'在有限的无线周波数带宽下可以同时支援的客户数与服务进行量化。其单位为bit/s/Hz/area unit、bit/s/Hz/cell、bit/s/Hz/site 等进行计量。有可以把系统能同时支援使用者的吞吐量与goodput的总量以通讯回路的带宽(Hz)来表示。这并不单影响使用单一通讯回路的技术,多元连接手法与无线资源管理技术也受到影响,特别是动态无线资源管理可以得到改善。定义最大goodput时,会排除掉通讯回路间的相互干渉与冲突,高阶通讯协定的架空也是忽略不计的。
手机网络的容量也是以1 MHz 周波数带宽上可以同时最大连接线数来表示,即Erlang/MHz/cell、Erlangs/MHz/sector、Erlangs/MHz/km² 等单位。这个数值也影响到讯息编码技术(数据压缩)、在模拟电话网络也有使用。
- 例: 以频分多址 (FDMA)与固定频道分配(FCA)为基础的手机系统在频率再利用系数是 4的时候、各基地局可以利用的是所有频谱的1/4。根据此推算、最大系统频谱效率(bit/s/Hz/site)是链接频谱效率的 1/4。各基地局使用3个扇形天线将信号分为3扇区时,被称为4/12再利用模式。各部分可以使用全频谱的1/12,因此系统的频谱效率(bit/s/Hz/cell 或 bit/s/Hz/sector)为链接频谱效率的1/12。
即使链接频谱效率(bit/s/Hz)偏低,以 “系统频谱效率”的観点来看,并不一定代表编码效率不好。例如、码分多工(CDMA) 频谱扩散为单一通讯回路(即只有一位使用者)时,频谱效率是不好的,但是由于在同一带宽中有复数的通讯回路存在,因此系统频谱效率非常好。
- 例: 以W-CDMA 3G 手机系统来说、打电话时最大压缩8,500 bit/s时、会造成 5 MHz 带宽的扩散,此时此连接的吞吐量为8,500/5,000,000 = 0.0017 bit/s/Hz。在这情形下同扇区内可以有同时容纳100通电话(有声音)的进行。由于各基地局以3个方向的扇形天线区分为3个扇区,在频谱扩散后、频率再利用系数会变的比1还小。此时的系统频谱效率为 1 · 100 · 0.0017 = 0.17 bit/s/Hz/site亦或 0.17/3 = 0.06 bit/s/Hz/cell(也可换算成 bit/s/Hz/sector)。
频谱效率可以使用固定/动态频道分配、电力控制、 即被称为Link Adaptatio的无线资源管理技术来进行改善。
比较表
[编辑]以下为一般通讯系统的频谱效率数值。
服务 | 规格 | 每秒频道的带宽R
(Mbit/s) |
频道的带宽B
(MHz) |
链接频谱效率 R/B
(bit/s/Hz) |
典型的频率再利用系数 1/K | 系统频谱效率
一般 R/B/K 数值 (bit/s/Hz/site) |
---|---|---|---|---|---|---|
第二世代手机 (2G) | GSM 1993 | 0.013·8 时隙 = 0.104 | 0.2 | 0.52 | 1/7 | 0.17 |
2.75G | GSM + EDGE | 最大 0.384 通常 0.20 | 0.2 | 最大 1.92 通常 1.00 | 1/7 | 0.33 |
2.75G | IS-136HS + EDGE | 最大 0.384 通常 0.27 | 0.2 | 最大 1.92 通常 1.35 | 1/7 | 0.45 |
第三世代手机 (3G) | W-CDMA FDD 1997 | 传到手机时最大 0.384 | 5 | 传到手机时最大 0.077 | 1/7 | 0.51 |
3.5G | HSDPA 2007 | 传到手机时最大 14.4 | 5 | 传到手机时最大 2.88 | 1/7 | 0.71 |
3.5G | HSOPA OFDMA | 传到手机时最大 100 | 10 | 传到手机时最大 5 | 1/7 | 0.71 |
第三世代携帯电话 (3G) | CDMA2000 1x | 传到手机时最大 0.144 | 1.25 | 传到手机时最大 0.115 | 1/7 | 0.51 |
Wi-Fi | IEEE 802.11a/g 2003 | 最大 54 | 20 | 最大 2.7 | 1/3 | 0.9 |
Wi-Fi | IEEE 802.11n Draft 2.0 2007 | 最大 144.4 | 20 | 最大 7.22 | 1/3 | 2.4 |
WiMAX | IEEE 802.16 2004 | 96 | 20 (1.75, 3.5, 7...) | 4.8 | 1/4 | 1.2 |
数码广播 | DAB | 0.576 ~ 1.152 | 1.712 | 0.34 ~ 0.67 | 1/5 | 0.08 ~ 0.17 |
数码广播 | DAB + SFN | 0.576 ~ 1.152 | 1.712 | 0.34 ~ 0.67 | ||
数码电视 | DVB-T | 最大 31.67 通常 22.0 | 8 | 最大 4.0 通常 2.8 | 1/5 | 0.55 |
数码电视 | DVB-T + SFN | 最大 31.67 通常 22.0 | 8 | 最大 4.0 通常 2.8 | ||
数码电视 | DVB-H | 5.5 ~ 11 | 8 | 0.68 ~ 1.4 | 1/5 | 0.14 ~ 0.28 |
数码电视 | DVB-H + SFN | 5.5 ~ 11 | 8 | 0.68 ~ 1.4 | ||
光纤用数码电视TV | 256-QAM | 38 | 6 | 6.33 | 1 | 6.33 |
第四代移动通信(LTE) | TD-LTE、LTE-FDD | 最大下行链路100 | 20 | 5 | 1 | 5 |
第五代移动通信(5G NR) | 5G NR
(NewRadio) |
最大下行链路1000 | 100 | 10 | 1 | 10 |
参见
[编辑]参考文献
[编辑]- ^ G. Miao, J. Zander, K-W Sung, and B. Slimane, Fundamentals of Mobile Data Networks, Cambridge University Press, ISBN 1107143217, 2016.
- ^ Sergio Benedetto and Ezio Biglieri. Principles of Digital Transmission: With Wireless Applications. Springer. 1999 [2022-03-09]. ISBN 0-306-45753-9. (原始内容存档于2021-04-28).