【原】看了频谱效率对比,你就知道为什么要选5G！

频谱效率(Spectral efficiency)是数字通信系统中在无线带宽额定的前提下单位时间内可以传送的数据总量。在有限频谱下通信协议中物理层可以达到的使用效率(量);

维基百科定义:数字通信系统的链路频谱效率(Link spectral efficiency)的单位是bit/s/Hz或(bit/s)/Hz。其定义为净比特率(有用信息速率,不包括纠错码)或最大吞吐量除以通信信道或数据链路的带宽(单位:赫兹-Hz);调制效率定义为总比特率(包括纠错码)除以带宽。

考量频谱效率是由于在给定带宽内可以传输的数据量有一个上限限制,这个限制就是众所周知的香农-哈特利定理(Shannon-Hartley Theorem),也称为香农限制。

现网中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;在后一种情况中1个“比特”特指一个用户比特(Bit),FEC的开销不包括在内。

频谱效率计算

频谱效率通常是“每秒每赫兹的比特数”或“比特/秒/赫兹"(bits/s/Hz)。也就是说它定义了以每秒比特数 (bps) 为单位的净数据速率除以以赫兹为单位的带宽。净数据率和符号率与原始数据率有关，其中原始数据率包括可用的有效载荷和所有开销。

• 原始数据速率=有效负载+开销

• 净数据速率=原始数据速率–开销

• 频谱效率=净数据速率(bps)/信道带宽(Hz)

例如一个系统使用2 MHz信道带宽，可以支持15Mbps原始数据速率,假设其中2Mbps作为开销,则净数据速率将为13Mpbs,其频谱效率计算如下：

• 频谱效率=13 x10^6/ 2x10^6=6.5 bits/second/Hz

LTE频谱效率

LTE系统可支持的最大信道带宽为20 MHz(不包括载波聚合)。可传输的符号率计算结果为：

• 符号/秒=1200x14x 1000=16,800,000(Symbols/Second)

4G中64 QAM是下行链路的最高调制,每个符号可以携带6位比特,因此原始数据速率如下：

• 原始数据速率=16,800,000x6=100.8 Mbps(不考虑 MIMO）

采用4×4 MIMO方案时理论上原始数据速率可提高四倍,即400 Mbps。假设开销占25%，则净数据速率将达300 Mbps。

在LTE网络中上行链路中没有MIMO,因此最大原始数据可达100 Mbps;当上行链路支持64QAM，扣除25%开销后上行链路的净数据速率将为75 Mbps。而采用16QAM时上行链路网络数速将达到51 Mbps。因此频谱效率分别如下：

• 下行频谱效率=300x10^6 bps/20x10^6Hz=15 bits/second/Hz

• 上行频谱效率1=75 x10^6 bps /20x10^6Hz=3.75 bits/second/Hz

• 上行频谱效率2=51x10^6 bps/20x10^6Hz=2.55bits/second/Hz

*上行频谱效率1是上行采用64QAM；上行频谱效率1是上行采用16QAM。

5G频谱效率

5G(NR)下行能够提供2.31Gbps的吞吐量,上行能够提供2.47Gbps的吞吐量，当单载波按照下表配置带宽100MHz小区时，其频谱效率如下：

• 下行频谱效率=2.31x10^9 bps/100x10^6 Hz=23 bits/second/Hz

• 上行频谱效率=2.47x10^9 bps/100x10^6 Hz=24 bits/second/Hz

注:此处显示值只是考虑到一些假设的理论值。