Области знаний
Партнёрские проектыМатериалы БРЭСпецпроектыСтать автором
Настроить видСменить языкИнформация
О РУВИКИ
Найти статью

Спектральная эффективность

Pause

Экспертиза РАН

Logo-ran-black.png
Проведена экспертиза
Российской академией наук
Подробнее
Aprove.svg

Экспертиза РАН

Arrow-Right.png
Logo-ran.png
Проведена экспертиза
Российской академией наук
Подробнее

Спектральная эффективность (также эффективность использования спектра, эффективность по полосе пропускания; англ. spectral efficiency) — характеристика, определяющая скорость передачи информации, которую можно реализовать в рамках определённой полосы пропускания в конкретной системе связи. Она измеряет, насколько эффективно ограниченный частотный спектр используется протоколом физического уровня (а иногда и протоколом управление доступом к среде — доступ к каналу)[1].

Спектральная эффективность канала

Определение

Спектральная эффективность канала цифровой системы связи выражается в бит/с/Гц[2] (реже — (бит/с)/Гц). Это значение определяется как полезная скорость передачи данных (скорость передачи без учёта корректирующих кодов) или максимальная пропускная способность в битах, делённая на полосу пропускания (в герцах) канала связи или канала передачи данных.

Иногда спектральную эффективность измеряют в бит/символ, что эквивалентно количеству бит на использование канала (bpcu). Это значение вычисляется как отношение полезной скорости передачи данных к скорости передачи символов (скорости модуляции).

Спектральная эффективность канала обычно используется для анализа эффективности метода цифровой модуляции или линейного кодирования. В расчётах спектральной эффективности могут учитываться или не учитываться биты, зарезервированные под помехоустойчивое кодирование (FEC) или другие избыточные данные физического уровня. Если избыточность FEC исключена, «бит» подразумевает исключительно бит пользовательских данных.

Эффективность модуляции в бит/с — это полная скорость передачи данных, включая все биты, используемые для FEC, делённая на занимаемую полосу пропускания.

Пример 1: Передача, использующая одну килогерц полосы для передачи 1 000 бит/с, имеет эффективность модуляции 1 (бит/с)/Гц.
Пример 2: Модем V.92 для телефонной сети передаёт 56 000 бит/с вниз и 48 000 бит/с вверх по аналоговой телефонной линии. Из-за фильтрации в телефонной станции рабочая полоса ограничена диапазоном 300—3 400 Гц, то есть 3 400 − 300 = 3 100 Гц. Спектральная эффективность составляет для приёма: 56 000/3 100 = 18,1 (бит/с)/Гц, для передачи — 48 000/3 100 = 15,5 (бит/с)/Гц.

Верхняя граница

Верхняя граница достижимой эффективности модуляции задаётся критерием Найквиста или законом Хартли. Для алфавита сигналов мощностью M каждый символ кодирует N = log2 M бит. N — это эффективность модуляции в бит/символ или bpcu. В случае базовой полосы (линейное кодирование или модуляция с амплитудной импульсацией) с шириной полосы B (или верхней граничной частотой) скорость передачи символов не может превышать 2B символов/с, чтобы избежать межсимвольных искажений. Следовательно, спектральная эффективность не может превышать 2N (бит/с)/Гц в базовом случае.

В случае полосовой передачи сигнал с полосой W может быть представлен как эквивалентный сигнал базовой полосы (с помощью недосемплирования или гетеродинного приёмника) с верхней частотой W/2. Если используется модуляция с двойной боковой полосой, например QAM, ASK, PSK или OFDM, максимальная символная скорость — W символов/с, а эффективность модуляции не превышает N (бит/с)/Гц. Для цифровой однобокополосной модуляции пассбанд-сигнал с полосой W соответствует сигналу сообщения базовой полосы шириной W, то есть максимальная символная скорость — 2W, а достижимая эффективность модуляции — 2N (бит/с)/Гц.

Пример 3: Модем 16QAM использует алфавит M = 16 символов, N = 4 бит/символ (bpcu). Поскольку QAM — это двойная боковая полоса, спектральная эффективность не превышает N = 4 (бит/с)/Гц.
Пример 4: Модуляция 8VSB (8 уровней однобокополосной модуляции), используемая в стандарте ATSC, имеет N=3 бит/символ (bpcu). Поскольку это почти однобокополосная передача, эффективность близка к 2N = 6 (бит/с)/Гц. На практике ATSC обеспечивает полную скорость 32 Мбит/с на 6 МГц полосы, что даёт эффективность 32/6 = 5,3 (бит/с)/Гц.
Пример 5: Канал V.92 использует амплитудную модуляцию с 128 уровнями, N = 7 бит/символ. Перед фильтрацией сигнал можно считать базовой полосой, а спектральная эффективность — не более 2N = 14 (бит/с)/Гц для канала 0-4 кГц. Как видно выше, большая спектральная эффективность достигается при рассмотрении меньшей пассбанд-полосы.

C использованием помехоустойчивого кодирования

Если используется помехоустойчивое кодирование (FEC), спектральная эффективность будет ниже эффективности незащищённой модуляции.

Пример 6: Если применена FEC с скоростью кода 1/2, когда скорость на входе кодера вдвое меньше на выходе, спектральная эффективность равна 50 % от эффективности модуляции. Взамен достигается, как правило, снижение битовых ошибок и возможность работы при меньших значениях отношения сигнал/шум (OSШ).

Верхняя граница спектральной эффективности канала без ошибок при заданом OSШ (для идеального кодирования и модуляции) задаётся теоремой Шеннона — Хартли.

Пример 7: При OSШ = 1 (0 дБ) максимальная спектральная эффективность не может превышать 1 (бит/с)/Гц для безошибочного приёма (при идеальном корректирующем коде) согласно теореме Шеннона — Хартли, независимо от модуляции и кодирования.

Обсуждение

Следует учитывать, что полезная отдача (goodput, количество пользовательских данных на уровне приложения) обычно ниже максимальной пропускной способности, используемой выше, из-за повторных передач пакетов, дополнительного служебного трафика более высоких протокольных уровней, механизмов управления потоком, избежания перегрузок и других факторов. Однако при использовании схем сжатия, как ИТУ-Т V.44 или V.42bis в телефонных модемах, реальная полезная отдача может быть выше, если передаваемые данные не сжаты заранее.

Спектральная эффективность через беспроводную связь может измеряться как максимальное число одновременных вызовов на 1 МГц спектра (в единицах эрланг/МГц, E/МГц). Этот показатель зависит и от схемы сжатия исходных данных (source coding) и применим как к аналоговой, так и к цифровой передаче.

В беспроводных сетях высокая спектральная эффективность канала не всегда означает лучшее использование спектра в целом. Более высокие значения могут приводить к большей чувствительности к когерентным помехам (и кросс-помехам), что отражается на ёмкости сети. Например, в сотовых сетях с частотным повторным использованием, широкополосные и помехоустойчивые методы снижают спектральную эффективность в (бит/с)/Гц, но позволяют значительно снизить требуемое отношение сигнал/шум, что обеспечивает более тесное частотное повторное использование и компенсирует потери спектральной эффективности, приводя к сопоставимой ёмкости (одинаковое число абонентов) на ту же полосу пропускания, при том же количестве базовых станций. Для таких сетей более релевантна спектральная эффективность системы (в бит/с/Гц на единицу площади). В замкнутых каналах связи, как телефонные линии или сети кабельного ТВ, либо при работе в условиях, когда помехи отсутствуют, используют максимальные значения спектральной эффективности, поддерживаемые доступным OSШ.

undefined

Системная или пространственная спектральная эффективность

В цифровых беспроводных сетях системная спектральная эффективность (или пространственная) измеряется в (бит/с)/Гц на единицу площади, (бит/с)/Гц на ячейку, либо (бит/с)/Гц на станцию. Это мера числа пользователей или сервисов, одновременно поддерживаемых на ограниченном RF-спектре в заданной географической зоне[1]. Она может определяться как максимальная агрегированная пропускная способность или полезная отдача (goodput, суммарные полезные данные всех пользователей), делённая на ширину полосы и площадь покрытия или количество базовых станций. На показатель влияют не только схемы одиночной передачи, но также методы многократный доступ и радиоресурсное управление. Эффективное динамическое управление радиоресурсами способно существенно её повысить. Если определять показатель через максимальную полезную отдачу, retransmissions из-за помех и коллизий не учитываются; служебные накладные расходы выше уровня MAC-подуровня обычно игнорируются.

Пример 8: В сотовых системах с FDMA при фиксированном распределении и факторе повторного использования 1/4 каждая станция получает 1/4 общего спектра, и максимальная системная спектральная эффективность (в бит/с/Гц на станцию) составляет 1/4 канальной спектральной эффективности. Если станция разделена на 3 сектора (антенны), то каждая ячейка получает 1/12 доступного спектра; системная спектральная эффективность на ячейку или сектор — 1/12 канальной эффективности.

Системную спектральную эффективность сотовой сети можно также выразить как максимум числа одновременных вызовов в единице площади на 1 МГц спектра: E/МГц на ячейку, сектор, станцию или (E/МГц)/м². Этот показатель также зависит от схемы сжатия исходных данных и может использоваться для аналоговых сотовых сетей.

Низкая спектральная эффективность в (бит/с)/Гц не обязательно означает неэффективность схемы с точки зрения системной эффективности. Например, кодовое разделение каналов (CDMA) без учёта наложения — не очень эффективно по спектру, если рассматривать один канал или абонента; однако возможность «слоить» несколько каналов на одной полосе частот повышает суммарную эффективную загрузку.

Пример 9: В 3G-системе W-CDMA каждый вызов сжимается до 8 500 бит/с и распределяется по 5-МГц каналу, что даёт канальную эффективность 8 500/5 000 000 = 0,0017 (бит/с)/Гц; допустим, в ячейке могут обслуживаться 100 вызовов одновременно. Благодаря широкополосности, можно использовать фактор повторного использования равный 1. При делении одной станции на 3 сектора системная эффективность составит 1 × 100 × 0,0017 = 0,17 (бит/с)/Гц на станцию и 0,17/3 = 0,06 (бит/с)/Гц на ячейку.

Спектральная эффективность может быть улучшена применением методов управления ресурсами, таких как эффективное выделение каналов, регулировка мощности, адаптация канала, схемы разнообразия.

Совмещённая мера справедливости и системной спектральной эффективности — справедливо разделённая спектральная эффективность.

Сравнительная таблица

Ниже представлены примеры расчётных спектральных эффективностей некоторых распространённых систем связи. Указанные значения могут не достигаться на практике всеми пользователями; абоненты, удалённые от передатчика, могут получать меньшую эффективность.

Спектральная эффективность распространённых систем связи
Служба Стандарт Год запуска Максимальная полезная скорость передачи на несущую и пространственный поток, R (Мбит/с) Ширина полосы на носитель, B (МГц) Максимальная спектральная эффективность канала, R/B (бит/(с⋅Гц)) Типичный фактор повторного использования, 1/K Системная спектральная эффективность, R/B⋅K (бит/(с⋅Гц) на станцию)
SISO MIMO
1G сотовая связь NMT 450 модем 1981 0,0012 0,025 0,45 — 1/7 0,064
1G сотовая связь AMPS модем 1983 0,0003[3] 0,030 0,001 — 1/7[4] 0,0015
2G сотовая связь GSM 1991 0,013 × 8 таймслотов = 0,104 0,2 0,52 — 1/9 (1/3[5] в 1999) 0,17[5] (в 1999)
2G сотовая связь D-AMPS 1991 0,013 × 3 таймслота = 0,039 0,030 1,3 — 1/9 (1/3[5] в 1999) 0,45[5] (в 1999)
2.75G сотовая CDMA2000 1× голос 2000 0,0096 × 22 вызова 1,2288 0,0078 на вызов — 1 0,172 (при максимальной загрузке)
2.75G сотовая GSM + EDGE 2003 0,384 (тип. 0,20) 0,2 1,92 (тип. 1,00) — 1/3 0,33[5]
2.75G сотовая IS-136HS + EDGE 0,384 (тип. 0,27) 0,200 1,92 (тип. 1,35) — 1/3 0,45[5]
3G сотовая WCDMA FDD 2001 0,384 5 0,077 — 1 0,51
3G сотовая CDMA2000 1× PD 2002 0,153 1,2288 0,125 — 1 0,1720 (макс.)
3G сотовая CDMA2000 1×EV-DO Rev.A 2002 3,072 1,2288 2,5 — 1 1,3
Фиксированный WiMAX IEEE 802.16d 2004 96 20 4,8 — 1/4 1,2
3.5G сотовая HSDPA 2007 21,1 5 4,22 — 1 4,22
4G MBWA iBurst HC-SDMA 2005 3,9 0,625 — 7,3[6] 1 7,3
4G сотовая LTE 2009 81,6 20 4,08 16,32 (4×4)[7] 1 (до 1/3[8]) 16,32
4G сотовая LTE-Advanced 2013[9] 75 20 3,75 30,00 (8×8)[7] 1 (до 1/3[8]) 30
Wi-Fi IEEE 802.11a/g 2003 54 20 2,7 — 1/3 0,9
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) 1/3 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] 1/3 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) 1/3 20 (8×8, 160 МГц)
Wi-Fi IEEE 802.11be (Wi-Fi 7) 2024 23 000 (до 46 000) 320 7,2 (до 9,0 с 4096-QAM)[11][12] до 72,0 (16×16, 320 МГц) 1/3 24,0 (16×16, 320 МГц)
WiGig IEEE 802.11ad 2013 6 756 2 160 3 — 1 3
Транкинговая радиосвязь TETRA, малое FEC 1998 4 таймслота = 0,019 (0,029 без FEC)[13][14][15] 0,025 0,8 — 1/7[16] 0,1
Транкинговая радиосвязь TETRA II с TEDS, 64-QAM, 150 кГц, малое FEC 2011 4 таймслота = 0,538[13][14][15] 0,150 (масштабируемо до 0,025) 3,6 —
Цифровое радио DAB 1995 0,576-1,152 1,712 0,34-0,67 — 1/5 0,07-0,13
Цифровое радио DAB с одночастотной сетью 1995 0,576-1,152 1,712 0,34-0,67 — 1 0,34-0,67
Цифровое ТВ DVB-T 1997 31,67 (тип. 24)[17] 8 4,0 (тип. 3,0) — 1/7[18] 0,57
Цифровое ТВ DVB-T с одночастотной сетью 1996 31,67 (тип. 24)[17] 8 4,0 (тип. 3,0) — 1 4,0 (тип. 3,0)
Цифровое ТВ DVB-T2 2009 45,5 (тип. 40)[17] 8 5,7 (тип. 5,0) — 1/7[18] 0,81
Цифровое ТВ DVB-T2 с одночастотной сетью 2009 45,5 (тип. 40)[17] 8 5,7 (тип. 5,0) — 1 5,7 (тип. 5,0)
Цифровое ТВ DVB-S 1995 33,8 при 5,1 С/Ш (44,4 при 7,8 С/Ш)[19] 27,5 1,2 (1,6) — 1/4[20] 0,3 (0,4)
Цифровое ТВ DVB-S2 2005 46 при 5,1 С/Ш (58,8 при 7,8 С/Ш)[19] 30 (тип.) 1,5 (2,0) — 1/4[20] 0,4 (0,5)
Цифровое ТВ ATSC с распределённой передачей (DTx) 1996 32 19,39 1,6 — 1 3,23
Цифровое ТВ DVB-H 2007 5,5-11 8 0,68-1,4 — 1/5 0,14-0,28
Цифровое ТВ DVB-H с одночастотной сетью 2007 5,5-11 8 0,68-1,4 — 1 0,68-1,4
Цифровое кабельное ТВ DVB-C 256-QAM 1994 38 6 6,33 — — —
ШПД-модем DOCSIS 3.1 QAM-4096, 25 кГц OFDM, LDPC 2016 1 890[21][22] 192 9,84 — — —
Цифровая абонентская линия ADSL2 downlink 12 0,962 12,47 — — —
Цифровая абонентская линия ADSL2+ downlink 28 2,109 13,59 — — —
Телефонный модем V.92 downlink 1999 0,056 0,004 14,0 — — —
5G сотовая 5G NR (3GPP Release 15/16) 2019 2 300 (100 МГц, 4×4 MIMO)[23] 100 23 (4×4 MIMO) до 90 (8×8 MIMO, 1024-QAM) 1 23-90
5G-Advanced сотовая 5G NR (3GPP Release 18/19) 2025 3 000+ (100 МГц, 4×4 MIMO)[24] 100 30 (4×4 MIMO) до 120 (8×8 MIMO, 1024-QAM) 1 30-120

N/A — не применяется.

Современные системы связи и перспективы

5G и 5G-Advanced

В системах пятого поколения (5G NR, 3GPP Release 15/16, развёртывание с 2019 года) достигнута канальная спектральная эффективность до 23 (бит/с)/Гц при использовании 4×4 MIMO и 1024-QAM в полосе 100 МГц. При применении 8×8 MIMO эффективность может достигать 90 (бит/с)/Гц[23].

В стандарте 5G-Advanced (3GPP Release 18/19, функциональная заморозка Release 19 ожидается в 2026 году) целевые показатели спектральной эффективности увеличены на 30 % по сравнению с Release 17, а пиковая пропускная способность в восходящем канале — на 40 %. Ожидаемая спектральная эффективность — до 30-120 (бит/с)/Гц в зависимости от конфигурации MIMO[24].

Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be)

Стандарт Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be, ратифицирован в сентябре 2024 года) обеспечивает теоретическую максимальную скорость до 46 Гбит/с за счёт использования каналов шириной 320 МГц в диапазоне 6 ГГц, модуляции 4096-QAM (12 бит/символ) и технологии Multi-Link Operation (MLO), позволяющей одновременно передавать данные по нескольким диапазонам (2,4/5/6 ГГц)[11][12].

Модуляция 4096-QAM обеспечивает примерно 20 % прирост спектральной эффективности по сравнению с 1024-QAM (Wi-Fi 6), однако требует высокого отношения сигнал/шум для надёжной работы. При конфигурации 16×16 MIMO и ширине канала 320 МГц достижима системная спектральная эффективность до 72 (бит/с)/Гц на точку доступа[12][25].

Перспективы 6G

Системы шестого поколения (6G), коммерческое развёртывание которых ожидается к 2030 году в рамках программы ITU-R IMT-2030, нацелены на увеличение спектральной эффективности в 1,5-3 раза по сравнению с 5G (по консервативным оценкам ITU) или до 10 раз (по оптимистичным прогнозам исследований)[26][27].

Ожидаемые целевые показатели 6G включают пиковую скорость передачи данных до 1 Тбит/с, задержку 0,1 мс и спектральную эффективность на уровне 3× относительно 5G NR. Для достижения этих показателей предполагается использование терагерцовых диапазонов, интеллектуальных отражающих поверхностей (RIS), интеграции зондирования и связи (ISAC), а также методов искусственного интеллекта для управления радиоресурсами[27].

Примечания

  1. ↑ 1 2 Гуован Мяо, Йенс Зандер, Ки Вон Сун, Бен Слиман. Fundamentals of Mobile Data Networks. Cambridge University Press, 2016. ISBN 1107143217.
  2. ↑ Серджио Бенедетто, Эцио Биглиери. Principles of Digital Transmission: With Wireless Applications. — Springer, 1999. — ISBN 0-306-45753-9.
  3. ↑ C. T. Bhunia, Information Technology Network And Internet (англ.). New Age International. New Age International (2006). Дата обращения: 19 июня 2024.
  4. ↑ Лал Чанд Годара. Handbook of antennas in wireless communications : [англ.]. — CRC Press, 2002. — ISBN 9780849301247.
  5. ↑ 1 2 3 4 5 6 Anders Furuskär, Jonas Näslund and Håkan Olofsson (1999), Edge—Enhanced data rates for GSM and TDMA/136 evolution (англ.). Ericsson Review (1999). Дата обращения: 19 июня 2024. Архивировано 14 апреля 2008 года.
  6. ↑ KYOCERA's iBurst(TM) System Offers High Capacity, High Performance for the Broadband Era (англ.), TradingMarkets. Архивировано 25 декабря 2008 года. Дата обращения: 19 июня 2024.
  7. ↑ 1 2 4G LTE-Advanced Technology Overview (англ.). keysight.com. Дата обращения: 19 июня 2024.
  8. ↑ 1 2 Giambene, Giovanni. LTE planning for Soft Frequency Reuse // 2013 IFIP Wireless Days (WD) : [англ.] / Giovanni Giambene, Tara Ali Yahiya. — 1 ноября 2013. — P. 1–7. — ISBN 978-1-4799-0543-0. — doi:10.1109/WD.2013.6686468.
  9. ↑ LTE-Advanced Archives - ExtremeTech (англ.). ExtremeTech (25 апреля 2019). Дата обращения: 19 июня 2024. Архивировано 10 сентября 2012 года.
  10. ↑ Whitepaper (англ.). arubanetworks.com. Дата обращения: 19 июня 2024. Архивировано 29 августа 2013 года.
  11. ↑ 1 2 Wi-Fi Standards: Wi-Fi 4, 5, 6, 6E and 7 Compared – IEEE 802.11ax/be (англ.). Industry Electronics (20 сентября 2026). Дата обращения: 21 сентября 2026.
  12. ↑ 1 2 3 September 2026 - IEEE ComSoc Technology Blog (англ.). IEEE ComSoc (19 сентября 2026). Дата обращения: 21 сентября 2026.
  13. ↑ 1 2 TETRA vs TETRA2-Basic difference between TETRA and TETRA2 (англ.). rfwireless-world.com. Дата обращения: 19 июня 2024. Архивировано 23 апреля 2016 года.
  14. ↑ 1 2 Application notes (англ.). rohde-schwarz.com. Дата обращения: 19 июня 2024. Архивировано 29 октября 2021 года.
  15. ↑ 1 2 Brochure (англ.). tetraforum.pl. Дата обращения: 19 июня 2024. Архивировано 19 апреля 2011 года.
  16. ↑ Data (англ.). cept.org. Дата обращения: 19 июня 2024. Архивировано 10 мая 2024 года.
  17. ↑ 1 2 3 4 Fact sheet (англ.). dvb.org. Дата обращения: 19 июня 2024. Архивировано 24 декабря 2013 года.
  18. ↑ 1 2 List publication (англ.). mns.ifn.et.tu-dresden.de. Дата обращения: 19 июня 2024. Архивировано 19 апреля 2024 года.
  19. ↑ 1 2 Factsheet (англ.). dvb.org. Дата обращения: 19 июня 2024. Архивировано 8 октября 2013 года.
  20. ↑ 1 2 Кристопулос, Димитриос; Хацинотас, Симеон; Чжэн, Ган; Гроц, Жоэль; Оттерстен, Бьёрн (4 мая 2012). “Linear and nonlinear techniques for multibeam joint processing in satellite communications”. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking [англ.]. 2012 (1). DOI:10.1186/1687-1499-2012-162. Дата обращения 2024-06-19. |access-date= требует |url= (справка)
  21. ↑ Info (англ.). scte-sandiego.org. Дата обращения: 19 июня 2024. Архивировано 6 мая 2023 года.
  22. ↑ JDSU DOCSIS Evolution (англ.). commtechshow.com. Дата обращения: 19 июня 2024. Архивировано 19 января 2024 года.
  23. ↑ 1 2 3GPP Releases: Which One Does Your Feature Need? (англ.). 5G6G Academy (26 марта 2026). Дата обращения: 21 сентября 2026.
  24. ↑ 1 2 September 2026 - IEEE ComSoc Technology Blog (англ.). IEEE ComSoc (19 сентября 2026). Дата обращения: 21 сентября 2026.
  25. ↑ Features and benefits (англ.). Aruba Networking (17 декабря 2025). Дата обращения: 21 сентября 2026.
  26. ↑ A comprehensive review of developments and challenges in the 6G IoT (англ.). Springer (24 декабря 2025). Дата обращения: 21 сентября 2026.
  27. ↑ 1 2 A Broader Survey on 6G Radio Resource Management (англ.). MDPI Sensors (17 апреля 2026). Дата обращения: 21 сентября 2026.

Категории

Pause