스펙트럼 효율

Spectral efficiency

스펙트럼 효율, 스펙트럼 효율 또는 대역폭 효율은 특정 통신 시스템에서 주어진 대역폭을 통해 전송될 수 있는 정보 속도를 말합니다.이는 제한된 주파수 스펙트럼이 물리적 계층 프로토콜에 의해 얼마나 효율적으로 사용되는지를 나타내는 척도이며, 때로는 매체 액세스 제어(채널 액세스 프로토콜)[1]에 의해 사용됩니다.

링크 스펙트럼 효율

디지털 통신 시스템의 링크 스펙트럼 효율은 비트/초/[2]Hz 단위로 측정되며, 빈도는 낮지만 모호하지는 않지만 (비트/초)/Hz 단위로 측정됩니다.이는 네트워크 비트레이트(오류 정정 코드를 제외한 유용한 정보 레이트) 또는 최대 스루풋을 통신 채널 또는 데이터 링크의 대역폭(헤르츠)으로 나눈 값입니다.또는 스펙트럼 효율은 비트/심볼 단위로 측정할 수 있으며, 이는 채널별 사용(bcu)에 상당하며, 이는 순 비트 레이트가 심볼 레이트(변조 레이트) 또는 라인 코드 펄스 레이트로 분할됨을 의미한다.

링크 스펙트럼 효율은 일반적으로 디지털 변조 방식 또는 회선 코드의 효율을 분석하기 위해 사용되며, 때로는 Forward Error Correction(FEC; 전방 오류 수정) 코드 및 기타 물리층 오버헤드와 조합됩니다.후자의 경우 "비트"는 사용자 데이터 비트를 나타냅니다.FEC 오버헤드는 항상 제외됩니다.

변조 효율(비트/초)은 총 비트레이트(에러 정정 코드 포함)를 대역폭으로 나눈 값입니다.

예 1: 1킬로헤르츠의 대역폭을 사용하여 초당 1,000비트를 전송하는 전송 기술은 변조 효율이 1(비트/초)/Hz입니다.
예 2: 전화 네트워크용 V.92 모뎀은 아날로그 전화 네트워크를 통해 56,000비트/초 다운스트림 및 48,000비트/초를 전송할 수 있습니다.전화 교환기의 필터링으로 인해 주파수 범위는 300Hz ~ 3,400Hz로 제한되며, 이는 대역폭 3,400 ~ 300 = 3,100Hz에 해당합니다.스펙트럼 효율 또는 변조 효율은 56,000/3,100 = 18.1 (비트/초)/Hz 다운스트림이고 48,000/3,100 = 15.5 (비트/초)/Hz 업스트림입니다.

도달 가능한 변조 효율의 상한은 나이키스트 비율 또는 하틀리의 법칙에 의해 다음과 같이 지정됩니다.M개의 대체 기호가 있는 신호 알파벳의 경우, 각 기호는 N = 로그2 M 비트를 나타냅니다.N은 비트/심볼 또는 bpcu로 측정한 변조 효율입니다.베이스밴드 대역폭(또는 상한 컷오프 주파수) B에 의한 베이스밴드 전송(라인 부호화 또는 펄스 진폭 변조)의 경우 심볼 간 간섭을 피하기 위해 심볼 레이트는 2B 심볼/초를 초과할 수 없다.따라서 베이스밴드 전송 케이스의 스펙트럼 효율은 2N(비트/초)/Hz를 초과할 수 없습니다.패스밴드 전송 케이스에서는 패스밴드 대역폭 W의 신호를 상위 컷오프 주파수 W/2의 등가 베이스밴드 신호(언더샘플링 또는 슈퍼헤테로다인 수신기를 이용)로 변환할 수 있다.QAM, ASK, PSK 또는 OFDM과 같은 더블 사이드 밴드 변조 방식을 사용하는 경우 최대 심볼 레이트는 W 심볼 레이트가 되고 변조 효율은 N(비트/초)/Hz를 초과할 수 없습니다.디지털 싱글 사이드 밴드 변조를 사용하면 대역폭 W의 패스 밴드 신호가 베이스 밴드 대역폭 W의 베이스 밴드 메시지 신호에 대응하여 최대 심볼 레이트가 2W, 변조 효율이 2N(비트/초)/Hz가 된다.

예 3: 16QAM 모뎀의 알파벳 크기는 M = 16 대체 기호이며, N = 4비트/4비트 또는 bpcu입니다.QAM은 더블 사이드 밴드 통과 대역 전송의 한 형태이기 때문에 스펙트럼 효율은 N = 4 (비트/초)/Hz를 초과할 수 없습니다.
예 4: ATSC 디지털 텔레비전 표준에서 사용되는 8VSB(8-level 잔존 사이드 밴드) 변조 방식은 N=3비트/120 또는 bpu를 제공합니다.거의 단측 대역으로 설명할 수 있기 때문에 변조 효율은 2N = 6(비트/초)/Hz에 가깝습니다.실제로 ATSC는 6MHz 와이드 채널을 통해 32Mbit/s의 총 비트 전송률을 전송하여 32/6 = 5.3(비트/초)/Hz의 변조 효율을 생성합니다.
예 5: V.92 모뎀의 다운링크는 128개의 신호 레벨을 가진 펄스 주파수 변조를 사용하여 N = 7비트/패킷이 됩니다.통과 대역 필터링 전 송신 신호는 베이스 밴드 전송으로 간주할 수 있으므로 스펙트럼 효율은 전체 베이스 밴드 채널(0 ~4 kHz)에서 2N = 14(비트/초)/Hz를 초과할 수 없습니다.위에서 보듯이, 더 작은 패스밴드 대역폭을 고려한다면 더 높은 스펙트럼 효율이 달성됩니다.

순방향 오차 보정 코드를 사용하면, 부호화되지 않은 변조 효율 수치로부터 스펙트럼 효율이 저하된다.

예 6: 코드 레이트가 1/2인 Forward Error Correction(FEC; 전송 오류 수정) 코드가 추가되면 인코더 입력 비트레이트가 인코더 출력 레이트의 절반임을 의미하며 스펙트럼 효율은 변조 효율의 50%가 됩니다.이러한 스펙트럼 효율의 저하의 대가로 FEC는 통상 비트 에러 레이트를 삭감해, 통상, 낮은 Signal-to-Noise Ratio(SNR; 신호 대 잡음비)로 동작할 수 있도록 합니다.

이상적인 오류 코딩 및 변조를 가정할 경우 특정 SNR을 가진 채널에서 비트 오류 없이 가능한 스펙트럼 효율의 상한을 섀넌-하틀리 정리에 의해 구한다.

예 7: SNR이 1이고 데시벨에 해당하는 경우, 변조 및 부호화에 관계없이 섀넌-하틀리에 따르면 링크 스펙트럼 효율은 무오류 검출(이상적인 오류 정정 코드 가정)을 위해 1(비트/초)/Hz를 초과할 수 없습니다.

goodput(어플리케이션레이어의 유용한 정보의 양)은 패킷 재전송, 높은 프로토콜 레이어 오버헤드, 흐름 제어, 폭주 회피 등으로 인해 일반적으로 위의 계산에 사용되는 최대 throughput보다 낮습니다.한편, 전화 모뎀에서 사용되는 V.44 또는 V.42bis 압축등의 데이터 압축 방식에서는, 전송 된 데이터가 아직 효율적으로 압축되어 있지 않은 경우는, 보다 높은 처리 능력을 얻을 수 있습니다.

무선 텔레포니링크의 링크스펙트럼 효율은 1MHz 주파수 스펙트럼에 걸친 동시 콜의 최대 수(메가헤르츠당 얼랑 단위)로 나타낼 수도 있습니다.이 척도는 소스 코딩(데이터 압축) 방식의 영향도 받습니다.디지털 전송뿐만 아니라 아날로그 전송에도 적용될 수 있습니다.

무선 네트워크에서는, 큰 값이 무선 스펙트럼의 전체적인 사용에 있어서 반드시 더 효율적인 것은 아니기 때문에, 링크 스펙트럼 효율은 다소 오해의 소지가 있습니다.무선 네트워크에서는 링크 스펙트럼 효율이 높으면 co-channel 간섭(crosstalk)에 대한 감도가 높아져 capacity에 영향을 줄 수 있습니다.예를 들어 주파수 재사용이 있는 휴대전화 네트워크에서 스펙트럼 확산 및 순방향 오류 보정은 (비트/초)/Hz 단위의 스펙트럼 효율을 감소시키지만 비확산 스펙트럼 기술에 비해 필요한 신호 대 잡음비는 상당히 낮습니다.이것에 의해, 링크의 스펙트럼 효율이 저하하는 것을 보상하는, 보다 고밀도의 지리적 주파수 재이용이 가능하게 되어, 같은 수의 베이스 스테이션 송신기를 사용해 같은 대역폭상에서 거의 같은 용량(동시 전화 콜의 수)을 얻을 수 있습니다.아래에서 설명한 바와 같이 무선 네트워크의 보다 적절한 척도는 단위 면적당 비트/초/Hz 단위의 시스템 스펙트럼 효율입니다.다만, 전화 회선이나 케이블 TV 네트워크등의 폐쇄형 통신 링크나, 코채널 간섭이 요인이 되지 않는 노이즈 제한 무선 통신 시스템에서는, 일반적으로, 이용 가능한 SNR에 의해서 서포트될 수 있는 최대의 링크 스펙트럼 효율이 사용됩니다.

시스템 스펙트럼 효율 또는 면적 스펙트럼 효율

디지털 무선 네트워크에서 시스템 스펙트럼 효율 또는 영역 스펙트럼 효율은 일반적으로 단위 영역당 (비트/초)/Hz, 셀당 (비트/초)/Hz 또는 사이트당 (비트/초)/Hz 단위로 측정됩니다.이는 정의된 지리적 [1]영역에서 제한된 무선 주파수 대역폭으로 동시에 지원할 수 있는 사용자 또는 서비스의 양을 측정합니다.예를 들어, 최대 집계 스루풋 또는 굿풋으로 정의할 수 있습니다.즉, 시스템 내의 모든 사용자에 대해 합산하여 채널 대역폭과 커버되는 영역 또는 기지국 사이트의 수로 나눌 수 있습니다.이 조치는 단일 사용자 전송 기술뿐만 아니라 여러 액세스 방식 및 사용되는 무선 자원 관리 기술에도 영향을 받습니다.동적 무선 자원 관리를 통해 대폭 개선할 수 있습니다.이것이 최대 굿풋의 척도로 정의되어 있는 경우, 동일 채널의 간섭 및 충돌에 의한 재발송신은 제외됩니다.(미디어 액세스컨트롤 서브레이어 위) 상위 레이어 프로토콜 오버헤드는 일반적으로 무시됩니다.

예 8: Frequency-Division Multiple Access(FDMA; 주파수분할다중접속)에 기초한 셀룰러 시스템에서는 주파수 재이용 계수가 1/4인 고정채널 할당(FCA) 셀플랜을 사용하는 경우 각 기지국은 사용 가능한 주파수 스펙트럼의 1/4에 액세스 할 수 있습니다.따라서 사이트당 (비트/초)/Hz 단위의 최대 시스템 스펙트럼 효율은 링크 스펙트럼 효율의 1/4이다.각 기지국은 4/12 재사용 패턴이라고도 하는 3개의 섹터 안테나를 통해 3개의 셀로 분할할 수 있습니다.그러면 각 셀은 사용 가능한 스펙트럼의 1/12에 접근할 수 있으며, 셀당 (비트/초)/Hz 또는 섹터당 (비트/초)/Hz 단위의 시스템 스펙트럼 효율은 링크 스펙트럼 효율의 1/12이다.

셀당 E/MHz 주파수 스펙트럼, 섹터당 E/MHz, 사이트당 E/MHz 또는 (E/MHz)/m의2 1MHz 주파수 스펙트럼을 넘는 영역 단위당 동시 통화의 최대 수로 나타낼 수도 있습니다.이 척도는 소스 코딩(데이터 압축) 방식의 영향도 받습니다.아날로그 셀룰러 네트워크에서도 사용할 수 있습니다.

(bit/s)/Hz에서의 링크 스펙트럼 효율이 낮다고 해서 시스템 스펙트럼 효율의 관점에서 부호화 방식이 비효율적인 것은 아닙니다.예를 들어 Code Division Multiplexed Access(CDMA; 코드분할다중접속) 확산 스펙트럼에 대해 생각해 보겠습니다.이것은 단일 채널 또는 단일 사용자를 고려할 때 특별히 스펙트럼 효율이 높은 부호화 방식이 아닙니다.단, 같은 주파수 대역에서 여러 채널을 '레이어'할 수 있다는 것은 멀티채널 CDMA 시스템의 시스템스펙트럼 이용률이 매우 우수하다는 것을 의미합니다.

예 9: W-CDMA 3G 셀룰러 시스템에서는 모든 콜이 최대 8,500비트/초(유효한 비트레이트)로 압축되어 5MHz 와이드 주파수 채널로 분산됩니다.이는 8,500/5000,000 = 0.0017(비트/초)/Hz의 링크 스루풋에 해당합니다.같은 셀 내에서 100개의 동시(비사일런트) 콜이 가능하다고 가정합니다.스펙트럼 확산은 각 기지국을 3개의 지향성 섹터 안테나에 의해 3개의 셀로 분할할 경우 1만큼 낮은 주파수 재사용 계수를 가질 수 있다.이는 현장당 1 × 100 × 0.0017 = 0.17 (비트/초)/Hz 이상의 시스템 스펙트럼 효율과 셀 또는 섹터당 0.17/3 = 0.06 (비트/초)/Hz에 해당한다.

스펙트럼 효율은 효율적인 고정 또는 동적 채널 할당, 전력 제어, 링크 적응 및 다양성 체계와 같은 무선 자원 관리 기법에 의해 개선될 수 있다.

공정성 측정과 시스템 스펙트럼 효율 측정의 조합은 공평하게 공유되는 스펙트럼 효율이다.

비교표

일부 일반적인 통신 시스템의 예측된 수치 스펙트럼 효율 값의 예는 아래 표에서 찾을 수 있다.이러한 결과는 모든 시스템에서 얻을 수 있는 것은 아닙니다.송신기에서 멀리 떨어져 있는 사람은 이 퍼포먼스를 얻을 수 없습니다.

공통 통신 시스템의 스펙트럼 효율
서비스 표준. 개시,
연도		 최대 순 비트 전송률
통신사별 및
공간 스트림,
R(Mbit/s)		 대역폭
통신사별,
B(MHz)		 최대 링크 스펙트럼 효율,
R/B (비트/(sµHz))		 일반적인 재사용 계수 1/K 시스템 스펙트럼 효율,
사이트당 R/BµK(비트/(sµHz))
SISO 미모
1G 셀 NMT 450 모뎀 1981 0.0012 0.025 0.45 — 0.142857 1/7 0.064
1G 셀 AMPS 모뎀 1983 0.0003[3] 0.030 0.001 — 0.142857 1/7[4] 0.0015
2G 셀 GSM 1991 0.104 0.013 × 8 타임슬롯 = 0.14 0.200 0.2 0.52 — 0.111111 1µ9(1999년에는 1µ3[5]) 0.17000 0.17[5](1999년)
2G 셀 D-AMPS 1991 0.039 0.013 × 3 타임슬롯 = 0.039 0.030 1.3 — 0.111111 1µ9(1999년에는 1µ3[5]) 0.45 0.45[5](1999년)
2.75G 셀룰러 CDMA2000 1×음성 2000 전화 통화당 0.0096 0.0096 × 22 콜 1.2288 콜당 0.0078 — 1 0.120 (완전 로드)
2.75G 셀룰러 GSM + 에지 2003 0.384 (표준.20) 0.2 1.92 (표준 1.00) — 0.33333 1/3 0.33[5]
2.75G 셀룰러 IS-136HS + 엣지 0.384 (표준 0.27) 0.200 1.92 (표준 1.35) — 0.33333 1/3 0.45[5]
3G 셀 WCDMA FDD 2001 0.384 5 0.077 — 1 0.51
3G 셀 CDMA2000 1×PD 2002 0.153 1.2288 0.125 — 1 0.1720(완전 로드)
3G 셀 CDMA2000 1×EV-DO Rev.a 2002 3.072 1.2288 2.5 — 1 1.3
고정 WiMAX IEEE 802.16d 2004 96 20 4.8 0.25 1×4 1.2
3.5G 셀룰러 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 셀 LTE 2009 81.6 20 4.08 16.32(4×4) 1 (주변[8] 0.3333 1µ3) 16.32
4G 셀 LTE 어드밴스드 2013년[9] 75 20 3.75 30.00 (8×8) [7] 1 (주변[8] 0.3333 1µ3) 30
와이파이 IEEE 802.11 a/g 2003 54 20 2.7 — 0.33333 1/3[필요한 건] 0.900
와이파이 IEEE 802.11n (Wi-Fi 4) 2007 72.2 (최대 150) 20(최대 40) 3.61 (최대 3.75) 최대 15.0(4×4, 40MHz) 0.33333 1/3[필요한 건] 5.0(4×4, 40MHz)
와이파이 IEEE 802.11ac (Wi-Fi 5) 2012 433.3 (최대 866.7) 80(최대 160) 5.42 최대 43.3(8×8, 160MHz)[10] 0.33333 1/3[필요한 건] 14.4(8×8, 160MHz)
와이파이 IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6) 2019 600.5 (최대 1201) 80(최대 160) 7.5 최대 60(8×8, 160MHz) 0.33333 1/3[필요한 건] 20(8×8, 160MHz)
WiGig IEEE 802.11ad 2013 6756 2160 3 — 1개[citation needed] 3
중계 무선 시스템 테트라, 저FEC 1998 0.019 4개의 타임슬롯 = 0.019 ([11][12][13]FEC 미포함 0.029) 0.025 0.8 — 0.142857 1/7[14] 0.1
중계 무선 시스템 TEDS 탑재 TETRA II, 64-QAM, 150kHz, 저FEC 2011 0.538 4 타임슬롯 = 0.538[11][12][13] 0.150 (0.025로 변경) 3.6 —
디지털 라디오 DAB 1995 0.576 ~ 1.120 1.712 0.34 ~ 0.67 — 0.200 1/5 0.07 ~ 0.13
디지털 라디오 SFN과의 DAB 1995 0.576 ~ 1.120 1.712 0.34 ~ 0.67 — 1 0.34 ~ 0.67
디지털 TV DVB-T 1997 31.67 (표준 24)[15] 8 4.0 (표준 3.0) — 0.143 1/7[16] 0.57
디지털 TV SFN 탑재 DVB-T 1996 31.67 (표준 24)[15] 8 4.0 (표준 3.0) — 1 4.0 (표준 3.0)
디지털 TV DVB-T2 2009 45.5 (표준 40)[15] 8 5.7 (표준 5.0) — 0.143 1/7[16] 0.81
디지털 TV SFN 탑재 DVB-T2 2009 45.5 (표준 40)[15] 8 5.7 (표준 5.0) — 1 5.7 (표준 5.0)
디지털 TV DVB-S 1995 5.1 C/N의 경우 33.8(7.8 C/[17]N의 경우 44.4) 27.5 1.2 (1.6) — 0.250 1×4[18] 0.3 (0.4)
디지털 TV DVB-S2 2005 5.1 C/N의 경우 46(7.8 C/[17]N의 경우 58.8) 30 (표준) 1.5 (2.0) — 0.250 1×4[18] 0.4 (0.5)
디지털 TV ATSC와 DTx 1996 32 19.39 1.6 — 1 3.23
디지털 TV DVB-H 2007 5.5 ~ 11 8 0.68 ~ 1.4 — 0.200 1/5 0.14 ~ 0.28
디지털 TV DVB-H(SFN 포함) 2007 5.5 ~ 11 8 0.68 ~ 1.4 — 1 0.68 ~ 1.4
디지털 케이블 TV DVB-C 256-QAM 모드 1994 38 6 6.33 — — —
광대역 CATV 모뎀 DOCSIS 3.1 QAM-4096, 25kHz OFDM 간격, LDPC 2016 1890년[19][20] 192 9.84 — — —
광대역 모뎀 ADSL2 다운링크 12 0.962 12.47 — — —
광대역 모뎀 ADSL2+ 다운링크 28 2.109 13.59 — — —
전화 모뎀 V.92 다운링크 1999 0.056 0.004 14.0 — — —

N/A는 해당되지 않음을 의미합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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