频谱效率

数字通信系统

数字通信系统的链路频谱效率定义为净比特率（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。

简介

Spectrum Effectiveness

比较不同通信系统的有效性时，单看他们的传输速率是不够的，还应该看在这样的传输速率下所占信道的宽度。所以真正衡量数字通信系统传输效率的应当是单位频带内的码元传输速率，即

Spectrum Effectiveness=R/B(码元速率/带宽) 单位为Bd/HZ(波特每赫兹)

数字信号的传输带宽B取决于码元速率R，而码元速率和信息速率Rb有着确定的关系。为了比较不同系统的传输效率，又可定义频谱效率为：

Spectrum Effectiveness=Rb/B(信息速率/带宽) 单位为bps/HZ(比特每秒每赫兹)

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，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（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 = 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。

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 unit、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-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、频率再利用系数会变的比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/动态频道分配、电力控制、即被称为Link Adaptatio的无线资源管理技术来进行改善。

LTE中的频谱效率

E-UTRA在继续维持原有的站点位置情况下，必须大大地提高频谱利用率，同时增加小区的边缘比特速率。

下行频谱效率

在一个高负载的网络中，频谱效率（bits/sec/Hz/site）的目标是R6HSDPA的3～4倍。这个目标是在假定R6的参考性能是基于NodeB的单个发射天线，UE具有增强性能的type1类型的接收机，同时E-UTRA可能最多在NodeB用两个发射天线，在UE端用两个接收天线。

上行频谱效率

在一个高负载的网络中，频谱效率（bit/（s·Hz·site）的目标是3GPPR6E-DCH（在UE是单个发射天线，在NodeB端有两个接收天线）的2～3倍。在UE端用一个最大的单发射天线，在NodeB端有两个接收天线，则可以实现以上目标。

LTE系统的吞吐量如表11-12所示，频谱效率如表11-13所示。

表11-12 LTE系统用户吞吐量仿真评估结果

表11-13 LTE系统频谱效率仿真评估结果

上述结果表明，LTE系统在上行已经完全可以达到TR25.913的需求，即小区和用户吞吐量提高超过3倍。但下行评估结果并没有完全达到需求，例如同时取得3～4倍扇区/平均用户吞吐量提高和2～3倍的小区边缘用户吞吐量提高还有一定的困难。根据某些公司提供的结果，可以通过采用较长的TTI、较小的控制开销和增强型技术实现上述指标。

根据外场测试的结果，在系统70%加载，上行IOT为6dB时，实测的LTE上下行频谱效率如表11-14所示。

表12-14 外场实测LTE频谱效率

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