La eficiencia espectral , eficiencia espectral o eficiencia del ancho de banda se refiere a la velocidad de información que se puede transmitir a través de un ancho de banda determinado en un sistema de comunicación específico. Es una medida de la eficiencia con la que el protocolo de capa física y, a veces, el control de acceso al medio (el protocolo de acceso al canal ) utiliza un espectro de frecuencia limitado. [1]
La eficiencia espectral del enlace de un sistema de comunicación digital se mide en bit / s / Hz , [2] o, con menor frecuencia pero sin ambigüedades, en (bit/s)/Hz . Es la tasa de bits neta (tasa de información útil excluyendo los códigos de corrección de errores ) o rendimiento máximo dividido por el ancho de banda en hercios de un canal de comunicación o un enlace de datos . Alternativamente, la eficiencia espectral se puede medir en bit/símbolo , lo que equivale a bits por uso de canal ( bpcu ), lo que implica que la tasa de bits neta se divide por la tasa de símbolos (tasa de modulación) o la tasa de pulso del código de línea.
La eficiencia espectral del enlace se utiliza normalmente para analizar la eficiencia de un método de modulación digital o código de línea , a veces en combinación con un código de corrección de errores directa (FEC) y otra sobrecarga de capa física. En el último caso, un "bit" se refiere a un bit de datos de usuario; Los gastos generales de FEC siempre están excluidos.
La eficiencia de modulación en bit/s es la tasa de bits bruta (incluido cualquier código de corrección de errores) dividida por el ancho de banda.
Un límite superior para la eficiencia de modulación alcanzable viene dado por la tasa de Nyquist o la ley de Hartley de la siguiente manera: Para un alfabeto de señalización con M símbolos alternativos, cada símbolo representa N = log 2 M bits. N es la eficiencia de modulación medida en bit/símbolo o bpcu . En el caso de la transmisión en banda base ( codificación de línea o modulación de amplitud de pulso ) con un ancho de banda de banda base (o frecuencia de corte superior) B , la velocidad de símbolos no puede exceder los 2 B símbolos/s para evitar interferencias entre símbolos . Por tanto, la eficiencia espectral no puede exceder de 2 N (bit/s)/Hz en el caso de transmisión en banda base. En el caso de la transmisión en banda de paso , una señal con ancho de banda de banda de paso W se puede convertir en una señal de banda base equivalente (usando submuestreo o un receptor superheterodino ), con una frecuencia de corte superior W /2. Si se utilizan esquemas de modulación de doble banda lateral tales como QAM, ASK, PSK u OFDM, esto da como resultado una velocidad de símbolo máxima de W símbolos/s, y que la eficiencia de modulación no puede exceder N (bit/s)/Hz. Si se utiliza modulación digital de banda lateral única , la señal de banda de paso con ancho de banda W corresponde a una señal de mensaje de banda base con ancho de banda de banda base W , lo que da como resultado una velocidad de símbolo máxima de 2 W y una eficiencia de modulación alcanzable de 2 N (bit/s)/Hz. .
Si se utiliza un código de corrección de errores directos , la eficiencia espectral se reduce con respecto a la cifra de eficiencia de modulación no codificada.
El teorema de Shannon-Hartley proporciona un límite superior para la eficiencia espectral posible sin errores de bits en un canal con una determinada SNR, si se supone una codificación y modulación de errores ideales .
Tenga en cuenta que el buen rendimiento (la cantidad de información útil de la capa de aplicación) normalmente es inferior al rendimiento máximo utilizado en los cálculos anteriores, debido a las retransmisiones de paquetes, una mayor sobrecarga de la capa de protocolo, control de flujo, prevención de congestión, etc. Sin embargo , el esquema de compresión de datos, como la compresión V.44 o V.42bis utilizada en los módems telefónicos, puede ofrecer un mayor rendimiento si los datos transferidos aún no están comprimidos de manera eficiente.
La eficiencia espectral del enlace de un enlace de telefonía inalámbrica también se puede expresar como el número máximo de llamadas simultáneas en un espectro de frecuencia de 1 MHz en erlangs por megahercio, o E /MHz . Esta medida también se ve afectada por el esquema de codificación fuente (compresión de datos). Puede aplicarse tanto a la transmisión analógica como a la digital.
En las redes inalámbricas, la eficiencia espectral del enlace puede ser algo engañosa, ya que valores más altos no son necesariamente más eficientes en el uso general del espectro radioeléctrico. En una red inalámbrica, una alta eficiencia espectral del enlace puede resultar en una alta sensibilidad a la interferencia cocanal (diafonía), lo que afecta la capacidad. Por ejemplo, en una red de telefonía celular con reutilización de frecuencia, la expansión del espectro y la corrección de errores directos reducen la eficiencia espectral en (bit/s)/Hz pero reducen sustancialmente la relación señal-ruido requerida en comparación con las técnicas de espectro no ensanchado. Esto puede permitir una reutilización de frecuencias geográficas mucho más densa que compense la menor eficiencia espectral del enlace, lo que resulta en aproximadamente la misma capacidad (la misma cantidad de llamadas telefónicas simultáneas) en el mismo ancho de banda, utilizando la misma cantidad de transmisores de estaciones base. Como se analiza más adelante, una medida más relevante para las redes inalámbricas sería la eficiencia espectral del sistema en bit/s/Hz por unidad de área. Sin embargo, en enlaces de comunicación cerrados como líneas telefónicas y redes de televisión por cable, y en sistemas de comunicación inalámbricos con ruido limitado donde la interferencia cocanal no es un factor, generalmente se utiliza la mayor eficiencia espectral del enlace que puede ser soportada por la SNR disponible.
En las redes inalámbricas digitales , la eficiencia espectral del sistema o la eficiencia espectral del área generalmente se mide en (bit/s)/Hz por unidad de área , en (bit/s)/Hz por celda o en (bit/s)/Hz por sitio. . Es una medida de la cantidad de usuarios o servicios que pueden ser soportados simultáneamente por un ancho de banda de radiofrecuencia limitado en un área geográfica definida. [1] Puede definirse, por ejemplo, como el rendimiento máximo agregado o goodput , es decir, sumado a todos los usuarios del sistema, dividido por el ancho de banda del canal y por el área cubierta o número de sitios de estaciones base. Esta medida se ve afectada no sólo por la técnica de transmisión de un solo usuario, sino también por los esquemas de acceso múltiple y las técnicas de gestión de recursos radioeléctricos utilizados. Se puede mejorar sustancialmente mediante la gestión dinámica de recursos de radio . Si se define como una medida del goodput máximo, se excluyen las retransmisiones debidas a interferencias cocanal y colisiones. Normalmente se ignora la sobrecarga del protocolo de capa superior (por encima de la subcapa de control de acceso a los medios ).
La eficiencia espectral del sistema de una red celular también se puede expresar como el número máximo de llamadas telefónicas simultáneas por unidad de área en un espectro de frecuencia de 1 MHz en E /MHz por celda , E/MHz por sector , E/MHz por sitio , o (E /MHz)/ m2 . Esta medida también se ve afectada por el esquema de codificación fuente (compresión de datos). También se puede utilizar en redes celulares analógicas.
Una baja eficiencia espectral del enlace en (bit/s)/Hz no significa necesariamente que un esquema de codificación sea ineficiente desde el punto de vista de la eficiencia espectral del sistema. Como ejemplo, considere el espectro ensanchado del acceso multiplexado por división de código (CDMA) , que no es un esquema de codificación espectralmente eficiente cuando se considera un solo canal o un solo usuario. Sin embargo, el hecho de que se puedan "superponer" múltiples canales en la misma banda de frecuencia significa que la utilización del espectro del sistema para un sistema CDMA multicanal puede ser muy buena.
La eficiencia espectral puede mejorarse mediante técnicas de gestión de recursos radioeléctricos, como la asignación eficiente de canales fijos o dinámicos , el control de potencia , la adaptación de enlaces y los esquemas de diversidad .
Una medida de equidad combinada y una medida de eficiencia espectral del sistema es la eficiencia espectral equitativamente compartida .
En la siguiente tabla se pueden encontrar ejemplos de valores de eficiencia espectral numérica previstos de algunos sistemas de comunicación comunes. Estos resultados no se lograrán en todos los sistemas. Aquellos más alejados del transmisor no obtendrán este rendimiento.
N/A significa no aplicable.