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中英对照频谱效率
频谱效率
频谱效率(Spectralefficiency、Spectrumefficiency)是指在数位通信系统中的带宽限制下,可以传送的资料总量。
在有限的波频谱下,物理层通信协议可以达到的使用效率有一定的限度。
Ø链路频谱效率
数字通信系统的链路频谱效率(Linkspectralefficiency)的单位是bit/s/Hz,或(bit/s)/Hz(较少用,但更准确)。
其定义为净比特率(有用信息速率,不包括纠错码)或最大吞吐量除以通信信道或数据链路的带宽(单位:
赫兹)。
调制效率定义为净比特率(包括纠错码)除以带宽。
频谱效率通常被用于分析数字调制方式的效率,有时也考虑前向纠错码(forwarderrorcorrection,FEC)和其他物理层开销。
在后一种情况下,1个“比特”特指一个用户比特,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1bit/s/Hz。
例2:
电话网的V.92调制解调器在模拟电话网上以56,000bit/s的下行速率和48,000bit/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=3100Hz。
频谱效率或调制效率为56,000/3,100=18.1bit/s/Hz(下行)、48,000/3,100=15.5bit/s/Hz(上行)。
使用FEC的架空调变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=log2Mbit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2Nbit/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6bit/s/Hz。
在使用前向错误更正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SN比(并非一定会有改善)。
对某个SN比通信回来说、在完全没有传输错误,且编码与调变方式皆处于理想的状况时,其频谱效率的上限可哈特利定理得出。
比如说SN比1即分贝为0时,无论编码与调变方式如何变化,频谱效率不会超过1bit/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,其原因为有封包再次传送、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SN比不好有时还是可以正常通信。
因此可以使用到比周波带宽数还多的链结、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,这是属于分码多工(CDMA)的技术并已成为数位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SN比下最大频谱效率。
Ø系统频谱效率
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/areaunit、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的总量以通信回路的带宽(Hz)来表示。
这并不单影响使用单一通信回路的技术,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,会排除掉通信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1MHz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)、在类比电话网络也有使用。
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)是链结频谱效率的1/4。
各基地局使用3个扇形天线将讯号分为3扇区时,被称为4/12再利用模式。
各部份可以使用全频谱的1/12,因此系统的频谱效率(bit/s/Hz/cell或bit/s/Hz/sector)为链结频谱效率的1/12。
即使链结频谱效率(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、分码多工(CDMA)频谱扩散为单一通信回路(即只有依未使用者)时,频谱效率是不好的,但是由于在同一带宽中有复数的通信回路存在,因次系统频谱效率非常好。
例:
以W-CDMA3G手机系统来说、打电话时最大压缩8,500bit/s时、会造成5MHz带宽的扩散,此时此连接的吞吐量为8,500/5,000,000=0.0017bit/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=0.17bit/s/Hz/site亦或0.17/3=0.06bit/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LinkAdaptatio的无线资源管理技术来进行改善。
比较表如下
表1:
一般通信系统的频谱效率数值
一般通信系统的频谱效率服务
规格
每秒频道的带宽R
(Mbit/s)
频道的带宽B
(MHz)
链结频谱效率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)
GSM1993
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-CDMAFDD1997
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
HSDPA2007
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
HSOPAOFDMA
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)
CDMA20001x
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
IEEE802.11a/g2003
最大54
20
最大2.7
1/3
0.9
Wi-Fi
IEEE802.11nDraft2.02007
最大144.4
20
最大7.22
1/3
2.4
WiMAX
IEEE802.162004
96
20(1.75,3.5,7...)
4.8
1/4
1.2
数位广播
DAB
0.576~1.152
1.712
0.34~0.67
1/5
0.08~0.17
数位广播
DAB+SFN
0.576~1.152
1.712
0.34~0.67
数位电视
DVB-T
最大31.67通常22.0
8
最大4.0通常2.8
1/5
0.55
数位电视
DVB-T+SFN
最大31.67通常22.0
8
最大4.0通常2.8
数位电视
DVB-H
5.5~11
8
0.68~1.4
1/5
0.14~0.28
数位电视
DVB-H+SFN
5.5~11
8
0.68~1.4
光纤用数位电视TV
256-QAM
38
6
6.33
1
6.33
Spectralefficiency
Spectralefficiency,spectrumefficiencyorbandwidthefficiencyreferstotheinformationratethatcanbetransmittedoveragivenbandwidthinaspecificcommunicationsystem.Itisameasureofhowefficientlyalimitedfrequencyspectrumisutilizedbythephysicallayerprotocol,andsometimesbythemediaaccesscontrol(thechannelaccessprotocol).
Linkspectralefficiency
Thelinkspectralefficiencyofadigitalcommunicationsystemismeasuredinbit/s/Hz,[1]or,lessfrequentlybutunambiguously,in(bit/s)/Hz.Itisthenetbitrate(usefulinformationrateexcludingerror-correctingcodes)ormaximumthroughputdividedbythebandwidthinhertzofacommunicationchanneloradatalink.Alternatively,thespectralefficiencymaybemeasuredininbit/symbol,whichisequivalenttobitsperchanneluse(bpcu),implyingthatthenetbitrateisdividedbythesymbolrate(modulationrate)orlinecodepulserate.
Linkspectralefficiencyistypicallyusedtoanalysetheefficiencyofadigitalmodulationmethodorlinecode,sometimesincombinationwithaforwarderrorcorrection(FEC)codeandotherphysicallayeroverhead.Inthelattercase,a"bit"referstoauserdatabit;FECoverheadisalwaysexcluded.
Themodulationefficiencyinbit/sisthegrossbitrate(includinganyerror-correctingcode)dividedbythebandwidth.
Example1:
Atransmissiontechniqueusingonekilohertzofbandwidthtotransmit1,000bitspersecondhasamodulationefficiencyof1(bit/s)/Hz.
Example2:
AV.92modemforthetelephonenetworkcantransfer56,000bit/sdownstreamand48,000bit/supstreamoverananalogtelephonenetwork.Duetofilteringinthetelephoneexchange,thefrequencyrangeislimitedtobetween300hertzand3,400hertz,correspondingtoabandwidthof3,400−300=3,100hertz.Thespectralefficiencyormodulationefficiencyis56,000/3,100=18.1(bit/s)/Hzdownstream,and48,000/3,100=15.5(bit/s)/Hzupstream.
AnupperboundfortheattainablemodulationefficiencyisgivenbytheNyquistrateorHartley'slawasfollows:
ForasignalingalphabetwithMalternativesymbols,eachsymbolrepresentsN=log2Mbits.Nisthemodulationefficiencymeasuredinbit/symbolorbpcu.Inthecaseofbasebandtransmission(linecodingorpulse-amplitudemodulation)withabasebandbandwidth(oruppercut-offfrequency)B,thesymbolratecannotexceed2Bsymbols/sinviewtoavoidintersymbolinterference.Thus,thespectralefficiencycannotexceed2N(bit/s)/Hzinthebasebandtransmissioncase.Inthepassbandtransmissioncase,asignalwithpassbandbandwidthWcanbeconvertedtoanequivalentbasebandsignal(usingundersamplingorasuperheterodynereceiver),withuppercut-offfrequencyW/2.Ifdouble-sidebandmodulationschemessuchasQAM,ASK,PSKorOFDMareused,thisresultsinamaximumsymbolrateofWsymbols/s,andinthatthemodulationefficiencycannotexceedN(bit/s)/Hz.Ifdigitalsingle-sidebandmodulationisused,thepassbandsignalwithbandwidthWcorrespondstoabasebandmessagesignalwithbasebandbandwidthW,resultinginamaximumsymbolrateof2Wandanattainablemodulationefficiencyof2N(bit/s)/Hz.
Example3:
An16QAMmodemhasanalphabetsizeofM=16alternativesymbols,withN=4bit/symbolorbpcu.SinceQAMisaformofdoublesidebandpassbandtransmission,thespectralefficiencycannotexceedN=4(bit/s)/Hz.
Example4:
The8VSB(8-levelvestigialsideband)modulationschemeusedintheATSCdigitaltelevisionstandardgivesN=3bit/symbolorbpcu.Sinceitcanbedescribedasnearlysingle-sideband,themodulationefficiencyiscloseto2N=6(bit/s)/Hz.Inpractice,ATSCtransfersagrossbitrateof32Mbit/sovera6MHzwidechannel,resultinginamodulationefficiencyof32/6=5.3(bit/s)/Hz.
Example5:
ThedownlinkofaV.92modemusesapulse-amplitudemodulationwith128signallevels,resultinginN=7bit/symbol.Sincethetransmittedsignalbeforepassbandfilteringcanbeconsideredasbasebandtransmission,thespectralefficiencycannotexceed2N=14(bit/s)/Hzoverthefullbasebandchannel(0to4kHz).Asseenabove,ahigherspectralefficiencyisachievedifweconsiderthesmallerpassbandbandwidth.
Ifaforwarderrorcorrectioncodeisused,thespectralefficiencyisreducedfromtheuncodedmodulationefficiencyfigure.
Example6:
Ifaforwarderrorcorrection(FEC)codewithcoderate1/2isadded,meaningthattheencoderinputbitrateisonehalftheencoderoutputrate,thespectralefficiencyis50%ofthemodulationefficiency.Inexchangeforthisreductioninspectralefficiency,FECusuallyreducesthebit-errorrate,andtypicallyenablesoperationatalowersignaltonoiseratio(SNR).
AnupperboundforthespectralefficiencypossiblewithoutbiterrorsinachannelwithacertainSNR,ifidealerrorcodingandmodulationisassumed,isgivenbytheShannon-Hartleytheorem.
Example7:
IftheSNRis1timesexpressedasaratio,correspondingto0decibel,thelinkspectralefficiencycannotexceed1(bit/s)/Hzforerror-freedetection(assuminganidealerror-correctingcode)accordingtoShannon-Hartleyregardlessofthemodulationandcoding.
Notethatthegoodput(theamountofapplicationlayerusefulinformation)isnormallylowerthanthemaximumthroughputusedintheabovecalculations,becauseofpacketretransmissions,higherprotocollayeroverhead,flowcontrol,congestionavoidance,etc.Ontheotherhand,adatacompressionscheme,suchastheV.44orV.42biscompressionusedintelephonemodems,mayhowevergivehighergoodputifthetransferreddataisnotalreadyefficientlycompressed.
Thelinkspectralefficiencyofawirelesstelephonylinkmayalsobeexpressedasthemaximumnumberofsimultaneouscallsover1MHzfrequencyspectruminerlangspermegahertz,orE/MHz.Thismeasureisalsoaffectedbythesourcecoding(datacompression)scheme.Itmaybeappliedtoanalogaswellasdigitaltransmission.
Inwirelessnetworks,thelinkspectralefficiencycanbesomewhatmisleading,aslargervaluesarenotnecessarilymoreefficientintheiroveralluseofradiospectrum.Inawirelessnetwork,highlinkspectralefficiencymayresultinhighsensitivitytoco-channel
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