通信技术

首页 > 通信技术

频谱效率

2018-07-20 16:05:09    

频谱效率英语:Spectral efficiency)是指在数字通信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,物理层通信协议(有时是介质访问控制,信道接入协议)可以达到的使用效率的量度。[1]

目录

  • 1 链路频谱效率
  • 2 系统频谱效率
  • 3 比较表
  • 4 参见
  • 5 参考文献

链路频谱效率

数字通信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)。调制效率定义为总比特率(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(forward error correction, 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)。

对某个信噪比通信回来说、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信。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)的技术并已成为数字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信道相互干扰的问题,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

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 unitbit/s/Hz/cellbit/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,高阶通信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)与固定信道分配(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) 频谱扩散为单一通信回路(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信回路存在,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、频率再利用系树会变的比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/动态信道分配、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

以下为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 每秒信道的带宽R

(Mbit/s)

信道的带宽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
数字广播 DAB 0.576 ~ 1.152 1.712 0.34 ~ 0.67 1/5 0.08 ~ 0.17
数字广播 DAB + SFN 0.576 ~ 1.152 1.712 0.34 ~ 0.67
数字电视 DVB-T 最大 31.67 通常 22.0 8 最大 4.0 通常 2.8 1/5 0.55
数字电视 DVB-T + SFN 最大 31.67 通常 22.0 8 最大 4.0 通常 2.8
数字电视 DVB-H 5.5 ~ 11 8 0.68 ~ 1.4 1/5 0.14 ~ 0.28
数字电视 DVB-H + SFN 5.5 ~ 11 8 0.68 ~ 1.4
光纤用数字电视TV 256-QAM 38 6 6.33 1 6.33

参见

  • 波特率
  • CDMA的频谱效率英语CDMA spectral efficiency
  • 信道容量
  • 手机标准比较英语Comparison of mobile phone standards
  • 有效吞吐量英语Goodput
  • 无线资源管理(RRM)
  • 空间容量英语Spatial capacity
  • 吞吐量
  • 数量级 (比特率)英语Orders of magnitude (bit rate)

参考文献

  1. ^ G. Miao, J. Zander, K-W Sung, and B. Slimane, Fundamentals of Mobile Data Networks, Cambridge University Press, ISBN 1107143217, 2016.
  2. ^ Sergio Benedetto and Ezio Biglieri. Principles of Digital Transmission: With Wireless Applications. Springer. 1999. ISBN 0-306-45753-9. 

相关推荐