Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Спектральная эффективность , эффективность использования спектра или эффективность использования полосы пропускания относятся 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 контролем доступа к среде ( протокол доступа к каналу ). [1]

Спектральная эффективность ссылки [ править ]

Ссылка спектральная эффективность цифровой системы связи измеряется в бит / с / Гц , [2] или, реже , но однозначно, в (бит / с) / Гц . Это чистый битрейт ( скорость полезной информации, исключая коды с исправлением ошибок ) или максимальная пропускная способность, деленная на полосу пропускания в герцах канала связи или канала передачи данных . В качестве альтернативы спектральная эффективность может быть измерена в битах / символах , что эквивалентно использованию количества битов на канал ( bpcu), подразумевая, что чистая битовая скорость делится на символьную скорость (скорость модуляции) или частоту импульсов линейного кода.

Спектральная эффективность линии связи 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 представляет собой валовой битрейт (включая любую коррекцию ошибок коды) , деленный на ширине полосы.

Пример 1. Метод передачи с использованием полосы 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 в телефонной станции диапазон частот ограничен между 300 Гц и 3400 Гц, что соответствует полосе пропускания 3400–300 = 3100 Гц. Спектральная эффективность или эффективность модуляции составляет 56000/3100 = 18,1 (бит / с) / Гц в нисходящем направлении и 48000/3100 = 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 битов. N - эффективность модуляции, измеряемая в битах / символах или битах / битах . В случае передачи основной полосы частот ( линейное кодирование или амплитудно-импульсная модуляция ) с полосой модулирующих сигналов ( или верхней частотой отсечки) B , скорость передачи символов не может превышать 2 млрд символов / с во избежаниемежсимвольная интерференция . Таким образом, спектральная эффективность не может превышать 2 N (бит / с) / Гц в случае передачи основной полосы частот. В случае передачи полосы пропускания сигнал с полосой пропускания W может быть преобразован в эквивалентный сигнал основной полосы частот (с использованием недодискретизации 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 символьной скорости W символов / с, а эффективность модуляции не может превышать N (бит / с) / Гц. Если используется цифровая однополосная модуляция , сигнал полосы пропускания с полосой пропускания Wсоответствует сигналу сообщения основной полосы частот с полосой частот модулирующих сигналов W , что приводит к максимальной символьной скорости 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 является формой передачи с двойной боковой полосой пропускания, спектральная эффективность не может превышать N = 4 (бит / с) / Гц.
Пример 4: 8VSB (8 уровня подавленного боковой) схема модуляции , используемая в цифровом телевизионном стандарте ATSC дает N = 3 бит / символ или bpcu. Поскольку ее можно описать как почти одностороннюю полосу, эффективность модуляции близка к 2 N = 6 (бит / с) / Гц. На практике ATSC передает общую скорость передачи 32 Мбит / с по каналу шириной 6 МГц, в результате чего эффективность модуляции составляет 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 переданный сигнал до фильтрации полосы пропускания можно рассматривать как передачу основной полосы 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 мы учитываем меньшую ширину полосы пропускания.

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

Пример 6: Если добавлен код прямого исправления ошибок (FEC) с кодовой скоростью 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 ошибок по битам и обычно позволяет работать с более низким отношением сигнал / шум (SNR).

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

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

Обратите внимание, что полезная пропускная способность (объем полезной информации прикладного уровня) обычно ниже максимальной пропускной способности, используемой в приведенных выше расчетах, из-за повторной передачи пакетов, накладных расходов более высокого уровня протокола, управления потоком, предотвращения перегрузки и т. Д. схема сжатия данных, такие как V.44 или V.42bis сжатие , используемое в телефонных модемах, однако , может обеспечить более высокую , если полезную пропускную способность переданных данных уже не эффективно сжаты.

Спектральная эффективность канала беспроводной телефонной связи также может быть выражена как максимальное количество одновременных вызовов в диапазоне частот 1 МГц в эрлангах на мегагерц или E / МГц . На эту меру также влияет схема кодирования источника (сжатия данных). Его можно применять как для аналоговой, так и для цифровой передачи.

В беспроводных сетях спектральная эффективность канала может несколько вводить в заблуждение, поскольку большие значения не обязательно более эффективны при общем использовании радиочастотного спектра. В беспроводной сети высокая спектральная эффективность канала связи может привести к высокой чувствительности к межканальным помехам (перекрестным помехам), которые влияют на пропускную способность. Например, в сотовой телефонной сети с повторным использованием частот, расширением спектра и прямым исправлением ошибок.снизить спектральную эффективность в (бит / с) / Гц, но существенно снизить требуемое отношение сигнал / шум по сравнению с методами без расширения спектра. Это может обеспечить более плотное повторное использование географической частоты, которое компенсирует спектральную эффективность более низкого канала, что приводит к примерно такой же пропускной способности (такое же количество одновременных телефонных вызовов) в той же полосе пропускания при использовании того же количества передатчиков базовых станций. Как обсуждается ниже, более актуальной мерой для беспроводных сетей будет 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 в совмещенном канале не являются фактором, обычно используется наибольшая спектральная эффективность линии связи, которая может поддерживаться доступным SNR.

Спектральная эффективность системы или спектральная эффективность области [ править ]

В цифровых беспроводных сетей , то система спектральная эффективность или область спектральной эффективности обычно измеряется в (бит / с) / Гц на единицу площади , в (бит / с) / Гц на ячейку , или в (бит / с) / Гц на сайте . Это мера количества пользователей или услуг, которые могут одновременно поддерживаться ограниченной полосой радиочастот в определенной географической области. [1] Например, это может быть определено как максимальная совокупная пропускная способность или полезная производительность., то есть суммированные по всем пользователям в системе, деленные на ширину полосы канала и на покрываемую площадь или количество узлов базовых станций. На эту меру влияет не только метод передачи одним пользователем, но также используемые схемы множественного доступа и методы управления радиоресурсами . Его можно существенно улучшить за счет динамического управления радиоресурсами . Если это определено как мера максимальной полезной пропускной способности, повторные передачи из-за межканальных помех и конфликтов исключаются. Накладные расходы протокола более высокого уровня (выше подуровня управления доступом к среде) обычно не учитываются.

Пример 8: В сотовой системе, основанной на множественном доступе с частотным разделением каналов (FDMA) с планом ячейки с фиксированным распределением каналов (FCA) с 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 связи. Каждая базовая станция может быть разделена на 3 соты с помощью 3-х секторных антенн, что также известно как шаблон повторного использования 4/12. Тогда каждая ячейка имеет доступ к 1/12 доступного спектра, и спектральная эффективность системы в (бит / с) / Гц на ячейку или (бит / с) / Гц на сектор составляет 1/12 спектральной эффективности канала.

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 кодирования источника (сжатия данных). Его также можно использовать в аналоговых сотовых сетях.

Низкая спектральная эффективность линии связи в (бит / с) / Гц не обязательно означает, что схема кодирования неэффективна с точки зрения спектральной эффективности системы. В качестве примера рассмотрим расширенный спектр мультиплексированного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA) , который не является особенно эффективной схемой кодирования при рассмотрении одного канала или одного пользователя. Однако тот факт, что можно «наслоить» несколько каналов в одной и той же полосе 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 максимальной скорости 8 500 бит / с (полезный битрейт) и распределяется по частотному каналу шириной 5 МГц. Это соответствует пропускной способности канала только 8 500/5 000 000 = 0,0017  (бит / с) / Гц . Предположим, что в одной ячейке возможны 100 одновременных (не бесшумных) вызовов. 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 спектральной эффективности 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 улучшена с помощью методов управления радиоресурсами , таких как эффективное фиксированное или динамическое выделение каналов , управление мощностью , адаптация линии связи и схемы разнесения .

Комбинированная мера справедливости и мера спектральной эффективности системы - это довольно общая спектральная эффективность .

Таблица сравнения [ править ]

Примеры прогнозируемых численных значений 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 эту производительность.

Спектральная эффективность обычных систем связи
УслугаСтандартЗапущен,
год		Максимум. чистый битрейт
на несущую и
пространственный поток,
R (Мбит / с)		Полоса пропускания
на несущую,
Б (МГц)		Максимум. спектральная эффективность линии связи,
R / B (бит / с⋅Гц)		Типичный коэффициент повторного использования , 1 / KSystem спектральная эффективность,
R / B ⋅ K (бит / s⋅Hz на сайте)
SISOMIMO
1G сотовая связьМодем NMT 4501981 г.0,00120,0250,45N / A0,142857 1 / 70,064
1G сотовая связьAMPS модем1983 г.0,0003 [3]0,0300,001N / A0,142857 1 / 7 [4]0,0015
2G сотовая связьGSM1991 г.0,104 0,013 × 8 временных интервалов = 0,1040.200 0,20,52N / A0,1111111 1 / 9 ( 1 / 3 [5] в 1999 году)0,17000 0,17 [5] (в 1999 г.)
2G сотовая связьD-AMPS1991 г.0,039 0,013 × 3 временных интервала = 0,0390,0301.3N / A0,1111111 1 / 9 ( 1 / 3 [5] в 1999 году)0,45 0,45 [5] (в 1999 г.)
2.75G сотовой связиCDMA2000 1 × голос2000 г.0,0096 0,0096 за телефонный звонок × 22 звонка1,22880,0078 за звонокN / A10,172 (при полной загрузке)
2.75G сотовой связиGSM + EDGE2003 г.0,384 (тип. 0,20)0,21,92 (тип. 1,00)N / A0,33333 1 / 30,33 [5]
2.75G сотовой связиИС-136 HS + EDGE0,384 (тип. 0,27)0.2001,92 (тип 1,35)N / A0,33333 1 / 30,45 [5]
3G сотовая связьWCDMA FDD2001 г.0,38450,077N / A10,51
3G сотовая связьCDMA2000 1 × PD2002 г.0,1531,22880,125N / A10,1720 (при полной загрузке)
3G сотовая связьCDMA2000 1 × EV-DO Rev.A2002 г.3,0721,22882,5N / A11.3
Фиксированный WiMAXIEEE 802.16d2004 г.96204.80,25 1 / 41.2
Сотовая связь 3.5GHSDPA2007 г.21,154,2214,22
4G MBWAiBurst HC-SDMA2005 г.3.90,6257.3 [6]17.3
4G сотовая связьLTE2009 г.81,6204,0816,32 (4 × 4) [7]1 ( 1 / 3 в периметров [8] )0,33333 16,32
4G сотовая связьLTE-Advanced2013 [9]75203,7530,00 (8 × 8) [7]1 ( 1 / 3 в периметров [8] )0,33333 30
Вай-файIEEE 802.11a / g2003 г.54202,7N / A0,33333 1 / 3 [ править ]0,900
Вай-файIEEE 802.11n2007 г.72,2 (до 150)20 (до 40)3,61 (до 3,75)До 15,0 (4 × 4, 40  МГц)0,33333 1 / 3 [ править ]5,0 (4 × 4, 40  МГц)
Вай-файIEEE 802.11ac2012 г.433,3 (до 866,7)80 (до 160)5,42До 43,3 (8 × 8, 160  МГц) [10]0,33333 1 / 3 [ править ]14,4 (8 × 8, 160  МГц)
Вай-файIEEE 802.11ax2019 г.600,5 (до 1201)80 (до 160)7,5До 60 (8 × 8, 160  МГц)0,33333 1 / 3 [ править ]20 (8 × 8, 160  МГц)
WiGigIEEE 802.11ad2013675621603N / A1 [ необходима ссылка ]3
Магистральная радиосистемаTETRA , низкий FEC1998 г.0,019 4 временных интервала = 0,019 (0,029 без FEC) [11] [12] [13]0,0250,8N / A0,142857 1 / 7 [14]0,1
Магистральная радиосистемаTETRA II с TEDS , 64-QAM, 150 кГц, низкий FEC2011 г.0,538 4 временных интервала = 0,538 [11] [12] [13]0,150 (масштабируется до 0,025)3,6N / A
Цифровое радиоDAB1995 г.От 0,576 до 1,1521,712От 0,34 до 0,67N / A0.200 1 / 5От 0,07 до 0,13
Цифровое радиоDAB с SFN1995 г.От 0,576 до 1,1521,712От 0,34 до 0,67N / A1От 0,34 до 0,67
Цифровое ТВDVB-T1997 г.31,67 (тип. 24) [15]84,0 (тип. 3,0)N / A0,143 1 / 7 [16]0,57
Цифровое ТВDVB-T с SFN1996 г.31,67 (тип. 24) [15]84,0 (тип. 3,0)N / A14,0 (тип. 3,0)
Цифровое ТВDVB-T22009 г.45,5 (тип. 40) [15]85,7 (тип. 5,0)N / A0,143 1 / 7 [16]0,81
Цифровое ТВDVB-T2 с SFN2009 г.45,5 (тип. 40) [15]85,7 (тип. 5,0)N / A15,7 (тип. 5,0)
Цифровое ТВDVB-S1995 г.33,8 для 5,1 C / N (44,4 для 7,8 C / N) [17]27,51,2 (1,6)N / A0,250 1 / 4 [18]0,3 (0,4)
Цифровое ТВDVB-S22005 г.46 для 5,1 C / N (58,8 для 7,8 C / N) [17]30 (тип.)1,5 (2,0)N / A0,250 1 / 4 [18]0,4 (0,5)
Цифровое ТВATSC с DTx1996 г.3219,391.6N / A13,23
Цифровое ТВDVB-H2007 г.5,5 к 118От 0,68 до 1,4N / A0.200 1 / 5От 0,14 до 0,28
Цифровое ТВDVB-H с SFN2007 г.5,5 к 118От 0,68 до 1,4N / A1От 0,68 до 1,4
Цифровое кабельное телевидение Режим DVB-C 256-QAM1994 г.3866,33N / AN / AN / A
Широкополосный модем CATVDOCSIS 3.1 QAM-4096 , интервал OFDM 25 кГц , LDPC2016 г.1890 [19] [20]1929,84N / AN / AN / A
Широкополосный модемADSL2 нисходящий канал120,96212,47N / AN / AN / A
Широкополосный модемADSL2 + нисходящий канал28 год2,10913,59N / AN / AN / A
Телефонный модемV.92 нисходящий канал1999 г.0,0560,00414.0N / AN / AN / A

N / A означает неприменимо.

См. Также [ править ]

  • Бод
  • Спектральная эффективность CDMA
  • Емкость канала
  • Сравнение стандартов мобильных телефонов
  • Закон Купера
  • Goodput
  • Управление радиоресурсами (RRM)
  • Пространственная емкость
  • Пропускная способность
  • Порядки величины (битрейт)

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Гуованг Мяо , Йенс Зандер, Ки Вон Сон и Бен Слиман, Основы сетей мобильной передачи данных, Cambridge University Press, ISBN  1107143217 , 2016.
  2. ^ Серхио Бенедетто и Эцио Biglieri (1999). Принципы цифровой передачи: с беспроводными приложениями . Springer. ISBN 0-306-45753-9.
  3. ^ CT Bhunia, Сеть информационных технологий и Интернет , New Age International, 2006, стр. 26.
  4. ^ Лал Чанд Годара, "Справочник антенн в беспроводной связи" , CRC Press, 2002, ISBN 9780849301247 
  5. ^ a b c d e f Андерс Фурускер, Йонас Нэслунд и Хокан Олофссон (1999), « Edge - повышенная скорость передачи данных для эволюции GSM и TDMA / 136 », Обзор Ericsson no. 1
  6. ^ "Система iBurst (TM) от KYOCERA предлагает высокую пропускную способность и производительность в эпоху широкополосного доступа" . Архивировано из оригинала на 2018-05-22.
  7. ^ a b «Обзор передовых технологий 4G LTE - Keysight (ранее Agilent's Electronic Measurement)» . www.keysight.com .
  8. ^ a b Джамбене, Джованни; Али Яхия, Тара (1 ноября 2013 г.). «Планирование LTE для мягкого повторного использования частоты» . doi : 10.1109 / WD.2013.6686468 - через ResearchGate.
  9. ^ "Архивы LTE-Advanced - ExtremeTech" . ExtremeTech .
  10. ^ "Белая книга" (PDF) . www.arubanetworks.com .
  11. ^ a b «TETRA и TETRA2 - Основная разница между TETRA и TETRA2» . www.rfwireless-world.com .
  12. ^ a b «Примечания к применению» (PDF) . cdn.rohde-schwarz.com .
  13. ^ a b «Брошюра» (PDF) . tetraforum.pl .
  14. ^ «Данные» . cept.org .
  15. ^ a b c d "Информационный бюллетень" (PDF) . www.dvb.org .
  16. ^ a b «Список публикаций» (PDF) . mns.ifn.et.tu-dresden.de .
  17. ^ a b «Информационный бюллетень» (PDF) . www.dvb.org .
  18. ^ a b Христопулос, Димитриос; Хатзинотас, Симеон; Чжэн, Гань; Гроц, Жоэль; Оттерстен, Бьорн (4 мая 2012 г.). «Линейные и нелинейные методы многолучевой совместной обработки в спутниковой связи» . Журнал EURASIP по беспроводным коммуникациям и сетям . 2012 (1). DOI : 10.1186 / 1687-1499-2012-162 .
  19. ^ "Информация" (PDF) . scte-sandiego.org .
  20. ^ [1] [ неработающая ссылка ]