✖


Jump to content

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]

[ редактировать ]

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. схемы двухполосной модуляции, такие как QAM , ASK , PSK или OFDM Если используются , это приводит к максимальной скорости передачи символов W символов/с, а эффективность модуляции не может превышать N (бит/с)/Гц. Если цифровой однополосная модуляция используется , сигнал полосы пропускания с полосой пропускания W соответствует сигналу сообщения основной полосы частот 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 стандарте (8-уровневая рудиментарная боковая полоса), используемая в 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 прямого исправления ошибок используется код , спектральная эффективность снижается по сравнению с некодированным показателем эффективности модуляции.

Пример 6: код прямого исправления ошибок (FEC) со скоростью кода Если добавляется 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

[ редактировать ]

В цифровых беспроводных сетях или спектральная эффективность системы 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, она может быть определена как максимальная совокупная пропускная способность или полезная пропускная способность , т.е. суммированная по всем пользователям в системе, деленная 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 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 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 мультиплексного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA) расширенный спектр , 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 улучшена 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

[ редактировать ]

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.

Спектральная эффективность общих систем связи
Услуга Стандартный Запущен,
год 		Макс. чистая скорость передачи данных
за каждого оператора связи и
пространственный поток,
R (Мбит/с) 		Пропускная способность
за каждого перевозчика,
Б (МГц) 		Макс. спектральная эффективность линии связи,
R/B (бит/(с⋅Гц)) 		Типичный коэффициент повторного использования , 1/K Спектральная эффективность системы,
R / B ⋅ K (бит/(с⋅Гц)) на сайт)
СИСО НЕСМОТРЯ НА
1G сотовая связь НМТ 450 модем 1981 0.0012 0.025 0.45 — 0.142857 1 ⁄ 7 0.064
1G сотовая связь AMPS- модем 1983 0.0003 [3] 0.030 0.001 — 0.142857 1 ⁄ 7 [4] 0.0015
2G сотовая связь GSM 1991 0,104 0,013 × 8 временных интервалов = 0,104 0.200 0.2 0.52 — 0.1111111 1 ⁄ 9 ( 1 ⁄ 3 [5] в 1999 году) 0.17000 0.17 [5] (в 1999 году)
2G сотовая связь D-AMPS 1991 0,039 0,013 × 3 временных интервала = 0,039 0.030 1.3 — 0.1111111 1 ⁄ 9 ( 1 ⁄ 3 [5] в 1999 году) 0.45 0.45 [5] (в 1999 году)
2,75G сотовая связь CDMA2000 1 × голосовая связь 2000 0,0096 0,0096 за телефонный звонок × 22 звонка 1.2288 0,0078 за звонок — 1 0,172 (полная загрузка)
2,75G сотовая связь GSM + EDGE 2003 0,384 (тип. 0,20) 0.2 1,92 (тип. 1,00) — 0.33333 1 ⁄ 3 0.33 [5]
2,75G сотовая связь ИС-136 ГС + КРАЙ 0,384 (тип. 0,27) 0.200 1,92 (тип. 1,35) — 0.33333 1 ⁄ 3 0.45 [5]
3G сотовая связь WCDMA ФДД 2001 0.384 5 0.077 — 1 0.51
3G сотовая связь CDMA2000 1 × ПД 2002 0.153 1.2288 0.125 — 1 0,1720 (полная загрузка)
3G сотовая связь CDMA2000 1×EV-DO Ред.А 2002 3.072 1.2288 2.5 — 1 1.3
Фиксированный WiMAX ИЭЭЭ 802.16d 2004 96 20 4.8 0.25 1 ⁄ 4 1.2
сотовая связь 3,5G ХСДПА 2007 21.1 5 4.22 1 4.22
4G СОБАКА iBurst HC-SDMA 2005 3.9 0.625 7.3 [6] 1 7.3
4G сотовая связь ЛТЕ 2009 81.6 20 4.08 16.32 (4×4) [7] 1 ( 0.33333 1 ⁄ 3 по периметру [8] ) 16.32
4G сотовая связь LTE-расширенный 2013 [9] 75 20 3.75 30.00 (8×8) [7] 1 ( 0.33333 1 ⁄ 3 по периметру [8] ) 30
Wi-Fi ИЭЭЭ 802.11а/г 2003 54 20 2.7 — 0.33333 1 ⁄ 3 [ нужна ссылка ] 0.900
Wi-Fi IEEE 802.11n (Wi-Fi 4) 2007 72,2 (до 150) 20 (до 40) 3,61 (до 3,75) До 15,0 (4×4, 40   МГц) 0.33333 1 ⁄ 3 [ нужна ссылка ] 5,0 (4×4, 40   МГц)
Wi-Fi IEEE 802.11ac (Wi-Fi 5) 2012 433,3 (до 866,7) 80 (до 160) 5.42 До 43,3 (8×8, 160   МГц) [10] 0.33333 1 ⁄ 3 [ нужна ссылка ] 14,4 (8×8, 160   МГц)
Wi-Fi IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6) 2019 600,5 (до 1201) 80 (до 160) 7.5 До 60 (8×8, 160   МГц) 0.33333 1 ⁄ 3 [ нужна ссылка ] 20 (8×8, 160   МГц)
WiGig IEEE 802.11ad 2013 6756 2160 3 — 1 [ нужна ссылка ] 3
Транкинговая радиосистема TETRA , низкий FEC 1998 0,019 4 временных интервала = 0,019 (0,029 без FEC) [11] [12] [13] 0.025 0.8 — 0.142857 1 ⁄ 7 [14] 0.1
Транкинговая радиосистема TETRA II с TEDS , 64-QAM, 150 кГц, низкий FEC 2011 0,538 4 временных интервала = 0,538 [11] [12] [13] 0,150 (масштабируется до 0,025) 3.6 —
Цифровое радио ДАБ 1995 от 0,576 до 1,152 1.712 от 0,34 до 0,67 — 0.200 1 ⁄ 5 от 0,07 до 0,13
Цифровое радио DAB с SFN 1995 от 0,576 до 1,152 1.712 от 0,34 до 0,67 — 1 от 0,34 до 0,67
Цифровое ТВ ДВБ-Т 1997 31,67 (тип. 24) [15] 8 4,0 (тип. 3,0) — 0.143 1 ⁄ 7 [16] 0.57
Цифровое ТВ DVB-T с SFN 1996 31,67 (тип. 24) [15] 8 4,0 (тип. 3,0) — 1 4,0 (тип. 3,0)
Цифровое ТВ ДВБ-Т2 2009 45,5 (тип. 40) [15] 8 5,7 (тип. 5,0) — 0.143 1 ⁄ 7 [16] 0.81
Цифровое ТВ DVB-T2 с SFN 2009 45,5 (тип. 40) [15] 8 5,7 (тип. 5,0) — 1 5,7 (тип. 5,0)
Цифровое ТВ ДВБ-С 1995 33,8 для 5,1 С/Ш (44,4 для 7,8 С/Ш) [17] 27.5 1.2 (1.6) — 0.250 1 ⁄ 4 [18] 0.3 (0.4)
Цифровое ТВ ДВБ-С2 2005 46 для 5,1 С/Ш (58,8 для 7,8 С/Ш) [17] 30 (тип.) 1.5 (2.0) — 0.250 1 ⁄ 4 [18] 0.4 (0.5)
Цифровое ТВ ATSC с DTx 1996 32 19.39 1.6 — 1 3.23
Цифровое ТВ DVB-H 2007 от 5,5 до 11 8 от 0,68 до 1,4 — 0.200 1 ⁄ 5 от 0,14 до 0,28
Цифровое ТВ DVB-H с SFN 2007 от 5,5 до 11 8 от 0,68 до 1,4 — 1 от 0,68 до 1,4
Цифровое кабельное телевидение DVB-C 256-QAM Режим 1994 38 6 6.33 — — —
Широкополосный модем кабельного телевидения DOCSIS 3.1 QAM-4096 25 кГц OFDM , разнос , LDPC 2016 1890 [19] [20] 192 9.84 — — —
Широкополосный модем ADSL2 Нисходящий канал 12 0.962 12.47 — — —
Широкополосный модем ADSL2+ нисходящий канал 28 2.109 13.59 — — —
Телефонный модем V.92 Нисходящая линия связи 1999 0.056 0.004 14.0 — — —

Н/Д означает неприменимо.

См. также

[ редактировать ]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Перейти обратно: а б Гуован Мяо , Йенс Зандер, Ки Вон Сунг и Бен Слиман, «Основы сетей мобильной передачи данных», издательство Кембриджского университета, 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. ^ Перейти обратно: а б с д и ж 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™ от KYOCERA обеспечивает высокую пропускную способность и производительность в эпоху широкополосного доступа» .
  7. ^ Перейти обратно: а б «Обзор передовой технологии 4G LTE — компания Keysight (ранее — подразделение электронных измерений Agilent)» . www.keysight.com .
  8. ^ Перейти обратно: а б 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. ^ «Белая книга» (PDF) . www.arubanetworks.com .
  11. ^ Перейти обратно: а б «TETRA против TETRA2 — Основная разница между TETRA и TETRA2» . www.rfwireless-world.com .
  12. ^ Перейти обратно: а б «Замечания по применению» (PDF) . cdn.rohde-schwarz.com .
  13. ^ Перейти обратно: а б «Брошюра» (PDF) . Tetraforum.pl .
  14. ^ "Данные" . cept.org .
  15. ^ Перейти обратно: а б с д «Информационный бюллетень» (PDF) . www.dvb.org .
  16. ^ Перейти обратно: а б «Список публикаций» (PDF) . mns.ifn.et.tu-dresden.de .
  17. ^ Перейти обратно: а б «Информационный бюллетень» (PDF) . www.dvb.org .
  18. ^ Перейти обратно: а б Христопулос, Димитриос; Хацинотас, Симеон; Чжэн, Ган; Гротц, Жоэль; Оттерстен, Бьорн (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] [ мертвая ссылка ]
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Spectral_efficiency&oldid=1233727757"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 6cbf00a4b0d74b5dbee2ab390350a253__1720615740
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/6c/53/6cbf00a4b0d74b5dbee2ab390350a253.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Spectral efficiency - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)