频谱效率

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)

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。

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。

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