頻譜效率
来自维基百科,自由的百科全书
来自维基百科,自由的百科全书
頻譜效率(英語:Spectral efficiency)是指在數位通信系統中的頻寬限制下,可以傳送的資料總量。它是在有限的頻譜下,物理層通信協議(有时是介质访问控制,信道接入协议)可以達到的使用效率的量度。[1]
数字通信系统的链路频谱效率(Link spectral efficiency)的單位是 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)。调制效率定义为總比特率(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。
使用FEC 的架空調變方式可達到最大的頻譜効率可以利用標本化定理來求得,信号的字母表(計算機科学)利用符號數量M來組合、各符号使用 N = log2 M bit來表示。此情況下頻譜效率若不使用編碼間干涉的話,無法超過2N bit/s/Hz的效率。舉例來說,符號種類有8種、每個各有3bit 的話,頻譜効率最高不超過6 bit/s/Hz。
在使用前向錯誤更正編碼的情形時頻譜效率會降低。比如說使用1/2編碼率的FEC時,編碼長度會變為1.5倍,頻譜效率會降低50%。頻譜效率降低的同時FEC可以改善信號的信噪比(並非一定會有改善)。
對某個信噪比通信回來說、在完全沒有傳輸錯誤,且編碼與調變方式皆處於理想的狀況時,其頻譜效率的上限可由哈特利定理得出。比如說信噪比1即分貝為0時,無論編碼與調變方式如何變化,頻譜效率不會超過1 bit/s/Hz。
Goodput(應用層情報使用的量)比一般在此計算的吞吐量還小,其原因為有封包再次傳送、超傳輸協議的架空造成的。
頻譜效率這個用語,會產生數值越大的話可以使周波數頻譜產生更有效的誤解產生。比如手機因為頻譜擴散與使用FEC技術使得頻譜效率低下,但信噪比不好有時還是可以正常通信。因此可以使用到比周波頻寬數還多的鏈結、以整體來看其效果可以彌補頻譜效率低下的缺點還有過之。如同後面會提到的,具有較為合適尺度代表”單位頻寬利用率”單位的bit/s/Hz存在,這是屬於分碼多工(CDMA)的技術並已成為數位手機的基本構成技術。但是電話線路與有線電視網等由於沒有頻道相互干擾的問題,其使用的基本上皆為其信噪比下最大頻譜效率。
無線網路是以系統頻譜效率'在有限的無線周波数頻寬下可以同時支援的客戶數與服務進行量化。其單位為bit/s/Hz/area unit、bit/s/Hz/cell、bit/s/Hz/site 等進行計量。有可以把系統能同時支援使用者的吞吐量與goodput的總量以通信迴路的頻寬(Hz)來表示。這並不單影響使用單一通信迴路的技術,多元連接手法與無線資源管理技術也受到影響,特別是動態無線資源管理可以得到改善。定義最大goodput時,會排除掉通信迴路間的相互干渉與衝突,高階通訊協定的架空也是忽略不計的。
手機網絡的容量也是以1 MHz 周波數頻寬上可以同時最大連接線数來表示,即Erlang/MHz/cell、Erlangs/MHz/sector、Erlangs/MHz/km² 等單位。這個數值也影響到訊息編碼技術(數據壓縮)、在類比電話網絡也有使用。
即使鏈結頻譜效率(bit/s/Hz)偏低,以 “系統頻譜效率”的観点來看,並不一定代表編碼效率不好。例如、分碼多工(CDMA) 頻譜擴散為單一通信回路(即只有一位使用者)時,頻譜效率是不好的,但是由於在同一頻寬中有複數的通信回路存在,因此系統頻譜效率非常好。
頻譜效率可以使用固定/動態頻道分配、電力控制、 即被稱為Link Adaptatio的無線資源管理技術來進行改善。
以下為一般通信系統的頻譜效率數值。
服務 | 規格 | 每秒頻道的頻寬R
(Mbit/s) |
頻道的頻寬B
(MHz) |
鏈結頻譜效率 R/B
(bit/s/Hz) |
典型的頻率再利用係数 1/K | 系統頻譜效率
一般 R/B/K 數值 (bit/s/Hz/site) |
---|---|---|---|---|---|---|
第二世代手機 (2G) | GSM 1993 | 0.013·8 時隙 = 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 |
第三世代手機 (3G) | W-CDMA FDD 1997 | 傳到手機時最大 0.384 | 5 | 傳到手機時最大 0.077 | 1/7 | 0.51 |
3.5G | HSDPA 2007 | 傳到手機時最大 14.4 | 5 | 傳到手機時最大 2.88 | 1/7 | 0.71 |
3.5G | HSOPA OFDMA | 傳到手機時最大 100 | 10 | 傳到手機時最大 5 | 1/7 | 0.71 |
第三世代携帯電話 (3G) | CDMA2000 1x | 傳到手機時最大 0.144 | 1.25 | 傳到手機時最大 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 |
數位廣播 | DAB | 0.576 ~ 1.152 | 1.712 | 0.34 ~ 0.67 | 1/5 | 0.08 ~ 0.17 |
數位廣播 | DAB + SFN | 0.576 ~ 1.152 | 1.712 | 0.34 ~ 0.67 | ||
數位電視 | DVB-T | 最大 31.67 通常 22.0 | 8 | 最大 4.0 通常 2.8 | 1/5 | 0.55 |
數位電視 | DVB-T + SFN | 最大 31.67 通常 22.0 | 8 | 最大 4.0 通常 2.8 | ||
數位電視 | DVB-H | 5.5 ~ 11 | 8 | 0.68 ~ 1.4 | 1/5 | 0.14 ~ 0.28 |
數位電視 | DVB-H + SFN | 5.5 ~ 11 | 8 | 0.68 ~ 1.4 | ||
光纖用數位電視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 |