Eficiencia espectral
Velocidad de información que se puede transmitir en un ancho de banda determinado

La eficiencia espectral , la eficiencia del espectro o la eficiencia del ancho de banda se refieren a la tasa 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 la capa física utiliza un espectro de frecuencia limitado y, a veces, el control de acceso al medio (el protocolo de acceso al canal ). [1]

La eficiencia espectral de enlace de un sistema de comunicación digital se mide en bit / s / Hz [2] o, con menor frecuencia pero de manera inequívoca, en (bit/s)/Hz . Es la tasa de bits neta ( tasa de información útil excluyendo códigos de corrección de errores ) o el rendimiento máximo dividido por el ancho de banda en hercios de un canal de comunicación o un enlace de datos . Alternativamente, la eficiencia espectral puede medirse en bit/símbolo , que es equivalente 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 pulsos de código de línea.

La eficiencia espectral del enlace se utiliza normalmente para analizar la eficiencia de un método de modulación digital o un código de línea , a veces en combinación con un código de corrección de errores de avance (FEC) y otros gastos generales de la capa física. En este último caso, un "bit" se refiere a un bit de datos de usuario; los gastos generales de FEC siempre se excluyen.

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.

Ejemplo 1 : Una técnica de transmisión que utiliza un kilohercio de ancho de banda para transmitir 1.000 bits por segundo tiene una eficiencia de modulación de 1 (bit/s)/Hz.
Ejemplo 2 : Un módem V.92 para la red telefónica puede transferir 56.000 bit/s de bajada y 48.000 bit/s de subida a través de una red telefónica analógica. Debido al filtrado en la central telefónica, el rango de frecuencia está limitado a entre 300 y 3.400 hertzios, lo que corresponde a un ancho de banda de 3.400 − 300 = 3.100 hertzios. La eficiencia espectral o eficiencia de modulación es 56.000/3.100 = 18,1 (bit/s)/Hz de bajada y 48.000/3.100 = 15,5 (bit/s)/Hz de subida.

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 transmisión de 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 tasa de símbolos no puede superar los 2 B símbolos/s con vistas a evitar interferencias entre símbolos . Por lo tanto, la eficiencia espectral no puede superar los 2 N (bit/s)/Hz en el caso de transmisión de banda base. En el caso de transmisión de banda de paso , una señal con un ancho de banda de banda de paso W se puede convertir en una señal de banda base equivalente (utilizando submuestreo o un receptor superheterodino ), con una frecuencia de corte superior W /2. Si se utilizan esquemas de modulación de doble banda lateral, como QAM , ASK , PSK u OFDM , esto da como resultado una velocidad de símbolo máxima de W símbolos/s, y la eficiencia de modulación no puede superar 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.

Ejemplo 3: Un módem 16QAM tiene un tamaño de alfabeto de M = 16 símbolos alternativos, con N = 4 bit/símbolo o bpcu. Dado que QAM es una forma de transmisión de banda de paso de banda lateral doble, la eficiencia espectral no puede superar N = 4 (bit/s)/Hz.
Ejemplo 4: El esquema de modulación 8VSB (banda lateral vestigial de 8 niveles) utilizado en el estándar de televisión digital ATSC da N = 3 bit/símbolo o bpcu. Dado que puede describirse como una banda lateral prácticamente única, la eficiencia de modulación es cercana a 2 N = 6 (bit/s)/Hz. En la práctica, ATSC transfiere una tasa de bits bruta de 32 Mbit/s sobre un canal de 6 MHz de ancho, lo que da como resultado una eficiencia de modulación de 32/6 = 5,3 (bit/s)/Hz.
Ejemplo 5: El enlace descendente de un módem V.92 utiliza una modulación de amplitud de pulso con 128 niveles de señal, lo que da como resultado N = 7 bit/símbolo. Dado que la señal transmitida antes del filtrado de banda de paso puede considerarse como transmisión de banda base, la eficiencia espectral no puede superar 2 N = 14 (bit/s)/Hz en todo el canal de banda base (0 a 4 kHz). Como se vio anteriormente, se logra una mayor eficiencia espectral si consideramos el ancho de banda de paso más pequeño.

Si se utiliza un código de corrección de errores hacia adelante , la eficiencia espectral se reduce con respecto a la cifra de eficiencia de modulación no codificada.

Ejemplo 6: Si se agrega un código de corrección de errores hacia adelante (FEC) con una tasa de código 1/2, lo que significa que la tasa de bits de entrada del codificador es la mitad de la tasa de salida del codificador, la eficiencia espectral es el 50 % de la eficiencia de modulación. A cambio de esta reducción en la eficiencia espectral, la FEC generalmente reduce la tasa de errores de bits y, por lo general, permite el funcionamiento con una relación señal-ruido (SNR) más baja.

El teorema de Shannon-Hartley proporciona un límite superior para la eficiencia espectral posible sin errores de bit en un canal con una determinada relación señal-ruido, si se supone una codificación y modulación de errores ideales .

Ejemplo 7: Si la relación señal-ruido (SNR) es 1, correspondiente a 0 decibeles , la eficiencia espectral del enlace no puede superar 1 (bit/s)/Hz para una detección sin errores (asumiendo un código de corrección de errores ideal) según Shannon-Hartley, independientemente de la modulación y la codificación.

Tenga en cuenta que el rendimiento útil (la cantidad de información útil de la capa de aplicación) normalmente es menor que el rendimiento máximo utilizado en los cálculos anteriores, debido a retransmisiones de paquetes, mayor sobrecarga de la capa de protocolo, control de flujo, prevención de congestión, etc. Por otro lado, un esquema de compresión de datos, como la compresión V.44 o V.42bis utilizada en módems telefónicos, puede, sin embargo, dar un rendimiento útil mayor si los datos transferidos no están ya comprimidos de manera eficiente.

La eficiencia espectral de un enlace de telefonía inalámbrica también puede expresarse como el número máximo de llamadas simultáneas en un espectro de frecuencia de 1 MHz en erlangs por megahertz o E /MHz . Esta medida también se ve afectada por el esquema de codificación de la 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 los valores más altos no son necesariamente más eficientes en su 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 frecuencias, la dispersión del espectro y la corrección de errores de avance reducen la eficiencia espectral en (bit/s)/Hz pero disminuyen sustancialmente la relación señal/ruido requerida en comparación con las técnicas de espectro no disperso. Esto puede permitir una reutilización de frecuencias geográficas mucho más densa que compensa la menor eficiencia espectral del enlace, lo que resulta en aproximadamente la misma capacidad (la misma cantidad de llamadas telefónicas simultáneas) sobre el mismo ancho de banda, utilizando la misma cantidad de transmisores de estación base. Como se analiza a continuación, 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 inalámbrica con ruido limitado donde la interferencia co-canal no es un factor, generalmente se utiliza la mayor eficiencia espectral de enlace que pueda soportar la relación señal-ruido disponible.

Eficiencia espectral del sistema o eficiencia espectral del área

En las redes inalámbricas digitales , la eficiencia espectral del sistema o la eficiencia espectral del área se mide típicamente 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] Por ejemplo, puede definirse como el rendimiento máximo agregado o goodput , es decir, sumado sobre todos los usuarios en el sistema, dividido por el ancho de banda del canal y por el área cubierta o el número de sitios de estación base. Esta medida se ve afectada no solo por la técnica de transmisión de un solo usuario, sino también por esquemas de acceso múltiple y técnicas de gestión de recursos de radio utilizadas. Puede mejorarse sustancialmente mediante la gestión dinámica de recursos de radio . Si se define como una medida del goodput máximo, se excluyen las retransmisiones debido a interferencias y colisiones co-canal. La sobrecarga del protocolo de capa superior (por encima de la subcapa de control de acceso al medio ) normalmente se descuida.

Ejemplo 8: En un sistema celular basado en acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA) con un plan de celdas de asignación de canal fijo (FCA) que utiliza un factor de reutilización de frecuencia de 1/4, cada estación base tiene acceso a 1/4 del espectro de frecuencia total disponible. Por lo tanto, la máxima eficiencia espectral posible del sistema en (bit/s)/Hz por sitio es 1/4 de la eficiencia espectral del enlace. Cada estación base puede dividirse en 3 celdas por medio de 3 antenas sectoriales, también conocido como patrón de reutilización 4/12. Entonces, cada celda tiene acceso a 1/12 del espectro disponible, y la eficiencia espectral del sistema en (bit/s)/Hz por celda o (bit/s)/Hz por sector es 1/12 de la eficiencia espectral del enlace.

La eficiencia espectral del sistema de una red celular también puede expresarse como el número máximo de llamadas telefónicas simultáneas por unidad de área sobre 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 de fuente (compresión de datos). También puede utilizarse 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 particularmente eficiente desde el punto de vista espectral 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.

Ejemplo 9: En el sistema celular W-CDMA 3G, cada llamada telefónica se comprime a un máximo de 8.500 bit/s (la tasa de bits útil) y se distribuye en un canal de frecuencia de 5 MHz de ancho. Esto corresponde a un rendimiento del enlace de sólo 8.500/5.000.000 = 0,0017  (bit/s)/Hz . Supongamos que son posibles 100 llamadas simultáneas (no silenciosas) en la misma celda. El espectro ensanchado permite tener un factor de reutilización de frecuencia tan bajo como 1, si cada estación base se divide en 3 celdas por medio de 3 antenas sectoriales direccionales. Esto corresponde a una eficiencia del espectro del sistema de más de 1 × 100 × 0,0017 = 0,17  (bit/s)/Hz por sitio y 0,17/3 = 0,06 (bit/s)/Hz por celda o sector .

La eficiencia espectral se puede mejorar mediante técnicas de gestión de recursos de radio, como asignación eficiente de canales fijos o dinámicos , control de potencia , adaptación de enlaces y esquemas de diversidad .

Una medida combinada de equidad y eficiencia espectral del sistema es la eficiencia espectral compartida de manera justa .

Tabla comparativa

En la siguiente tabla se pueden encontrar ejemplos de valores numéricos de eficiencia espectral previstos para algunos sistemas de comunicación comunes. Estos resultados no se conseguirán en todos los sistemas. Aquellos que se encuentren más alejados del transmisor no obtendrán este rendimiento.

Eficiencia espectral de los sistemas de comunicación más comunes
ServicioEstándarLanzado,
año		Tasa de bits neta máxima
por portadora y
flujo espacial,
R (Mbit/s)		Ancho de banda
por portadora,
B (MHz)		Eficiencia espectral máxima del enlace,
R/B (bit/(s⋅Hz))		Factor de reutilización típico , 1/KEficiencia espectral del sistema,
R / B ⋅ K ( bit/(s⋅Hz) ) por sitio)
SISOMIMO
Celular 1GMódem NMT 45019810,00120,0250,45—0,1428571 ⁄ 70,064
Celular 1GMódem AMPS19830,0003 [3]0,0300,001—0,1428571 ⁄ 7 [4]0,0015
Celular 2GGSM19910,1040,013 × 8 intervalos de tiempo = 0,1040,2000,20,52—0,11111111 ⁄ 9 ( 1 ⁄ 3 [5] en 1999)0,170000,17 [5] (en 1999)
Celular 2GAmplificadores D19910,0390,013 × 3 intervalos de tiempo = 0,0390,0301.3—0,11111111 ⁄ 9 ( 1 ⁄ 3 [5] en 1999)0,450,45 [5] (en 1999)
Celular 2,75GCDMA2000 1× voz20000,00960,0096 por llamada telefónica × 22 llamadas1.22880,0078 por llamada—10,172 (completamente cargado)
Celular 2,75GGSM + EDGE20030,384 (típico 0,20)0,21,92 (típico 1,00)—0,333331 ⁄ 30,33 [5]
Celular 2,75GIS-136 HS + BORDE0,384 (típico 0,27)0,2001,92 (típico 1,35)—0,333331 ⁄ 30,45 [5]
Celular 3GWCDMA FDD20010,38450,077—10,51
Celular 3GCDMA2000 1× DP20020,1531.22880,125—10,1720 (completamente cargado)
Celular 3GCDMA2000 1×EV-DO Rev.A20023.0721.22882.5—11.3
WiMAX fijoIEEE802.16d200496204.80,251 ⁄ 41.2
Celular 3.5GHSDPA200721.154.2214.22
Banda ancha móvil 4GiBurst HC-SDMA20053.90,6257.3 [6]17.3
Celular 4GLTE200981.6204.0816.32 (4×4) [7]1 ( 1 ⁄ 3 en los perímetros [8] )0,3333316.32
Celular 4GLTE avanzado2013 [9]75203,7530,00 (8×8) [7]1 ( 1 ⁄ 3 en los perímetros [8] )0,3333330
WifiIEEE 802.11a/g200354202.7—0,333331 ⁄ 3 [ cita requerida ]0.900
WifiIEEE 802.11n (Wi-Fi 4)200772,2 (hasta 150)20 (hasta 40)3,61 (hasta 3,75)Hasta 15,0 (4x4, 40  MHz)0,333331 ⁄ 3 [ cita requerida ]5.0 (4x4, 40  MHz)
WifiIEEE 802.11ac (Wi-Fi 5)2012433,3 (hasta 866,7)80 (hasta 160)5.42Hasta 43,3 (8×8, 160  MHz) [10]0,333331 ⁄ 3 [ cita requerida ]14,4 (8x8, 160  MHz)
WifiIEEE 802.11ax (Wi-Fi 6)2019600,5 (hasta 1201)80 (hasta 160)7.5Hasta 60 (8x8, 160  MHz)0,333331 ⁄ 3 [ cita requerida ]20 (8x8, 160  MHz)
WiGigIEEE 802.11ad2013675621603—1 [ cita requerida ]3
Sistema de radio troncalizadoTETRA , FEC bajo19980,0194 intervalos de tiempo = 0,019 (0,029 sin FEC) [11] [12] [13]0,0250,8—0,1428571 ⁄ 7 [14]0,1
Sistema de radio troncalizadoTETRA II con TEDS , 64-QAM, 150 kHz, FEC bajo20110,5384 intervalos de tiempo = 0,538 [11] [12] [13]0,150 (escalable a 0,025)3.6—
Radio digitalLENGUADO19950,576 a 1,1521.7120,34 a 0,67—0,2001 ⁄ 50,07 a 0,13
Radio digitalDAB con SFN19950,576 a 1,1521.7120,34 a 0,67—10,34 a 0,67
Televisión digitalDVB-T199731,67 (típico 24) [15]84.0 (típico 3.0)—0,1431 ⁄ 7 [16]0,57
Televisión digitalDVB-T con SFN199631,67 (típico 24) [15]84.0 (típico 3.0)—14.0 (típico 3.0)
Televisión digitalDVB-T2200945,5 (típico 40) [15]85.7 (típico 5.0)—0,1431 ⁄ 7 [16]0,81
Televisión digitalDVB-T2 con SFN200945,5 (típico 40) [15]85.7 (típico 5.0)—15.7 (típico 5.0)
Televisión digitalDVB-S199533,8 para 5,1 C/N (44,4 para 7,8 C/N) [17]27.51.2 (1.6)—0,2501 ⁄ 4 [18]0,3 (0,4)
Televisión digitalDVB-S2200546 para 5,1 C/N (58,8 para 7,8 C/N) [17]30 (típico)1,5 (2,0)—0,2501 ⁄ 4 [18]0,4 (0,5)
Televisión digitalATSC con DTx19963219.391.6—13.23
Televisión digitalDVB-H20075,5 a 1180,68 a 1,4—0,2001 ⁄ 50,14 a 0,28
Televisión digitalDVB-H con SFN20075,5 a 1180,68 a 1,4—10,68 a 1,4
Televisión por cable digital Modo DVB-C 256-QAM19943866.33———
Módem CATV de banda anchaDOCSIS 3.1 QAM-4096 , espaciado OFDM de 25 kHz , LDPC20161890 [19] [20]1929.84———
Módem de banda anchaEnlace descendente ADSL2120,96212.47———
Módem de banda anchaEnlace descendente ADSL2+282.10913.59———
Módem telefónicoEnlace descendente V.9219990,0560,00414.0———

N/A significa no aplicable.

Véase también

Referencias

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