スペクトル効率

スペクトル効率とは

スペクトル効率（Spectral efficiency）は、デジタル通信システムが、限られた周波数帯域をどれだけ効率的に利用して情報を伝送できるかを示す指標です。これは、通信システムのパフォーマンスを評価する上で非常に重要な概念です。スペクトル効率が高いほど、同じ帯域幅でより多くのデータを送受信できることになります。

リンクスペクトル効率

リンクスペクトル効率は、特定の通信路におけるデータ伝送効率を表し、単位はbit/s/Hzで示されます。これは、特定の変調方式を用いたポイントツーポイント接続において、1Hzの帯域幅あたりに何ビットのデータを伝送できるかを示します。

例えば、1kHzの帯域幅で毎秒1000ビットを転送するシステムの場合、スペクトル効率は1 bit/s/Hzとなります。電話回線モデムの例では、V.92モデムが下りで56,000bit/s、上りで48,000bit/sの転送速度を持ち、帯域幅が3,100Hzである場合、下りのスペクトル効率は18.1bit/s/Hz、上りは15.5bit/s/Hzとなります。

リンクスペクトル効率の限界

変調方式で達成できる最大スペクトル効率は、標本化定理に基づき、使用する符号の種類数（M）と、各符号を表すビット数（N = log2 M）によって制限されます。符号間干渉がない場合、スペクトル効率は2N bit/s/Hzを超えることはできません。

前方誤り訂正（FEC）符号を使用すると、スペクトル効率は低下しますが、信号のSN比を改善できます。ただし、FECの使用によって必ずしもSN比が改善されるとは限りません。また、あるSN比の通信路におけるスペクトル効率の上限は、シャノン＝ハートレーの定理によって規定されます。SN比が1（0デシベル）の場合、リンクスペクトル効率は1 bit/s/Hzを超えることはありません。

一般的に、アプリケーション層で利用可能なグッドプットは、ここで計算されるスループットよりも小さくなります。これは、パケットの再送や上位プロトコルのオーバーヘッドが影響するためです。

システムスペクトル効率

システムスペクトル効率は、無線ネットワークにおいて、有限な周波数帯域で同時にサポート可能なユーザー数やサービス量を表す指標です。単位はbit/s/Hz/area unit、bit/s/Hz/cell、bit/s/Hz/siteなどで示されます。

システムスペクトル効率は、ネットワーク全体のスループットを帯域幅で割った値で表され、多元接続手法や無線資源管理技法によって改善されます。特に、動的な無線資源管理が効率向上に大きく貢献します。この効率は、通信路間の相互干渉や再送による影響は除外して計算されます。

携帯電話ネットワークの容量は、1MHzの周波数スペクトル上での最大同時接続回線数で表されることもあり、Erlangs/MHz/cell、Erlangs/MHz/sector、Erlangs/MHz/km²といった単位が用いられます。

システムスペクトル効率の具体例

例えば、周波数分割多元接続（FDMA）を用いた携帯電話システムでは、周波数再利用係数が4の場合、各基地局は利用可能な周波数スペクトルの1/4にアクセスします。このため、最大システムスペクトル効率はリンクスペクトル効率の1/4となります。セクタアンテナを用いて各基地局を3セルに分割する場合、システムスペクトル効率はさらに低下します。

CDMA方式のように、リンクスペクトル効率が低い場合でも、システム全体で見ると効率的な場合があります。これは、同じ周波数帯域で複数の通信路を重ねることができるためです。例えば、W-CDMA 3G携帯電話システムでは、リンクのスループットが低くても、システム全体では高い効率を実現できます。

スペクトル効率の改善

スペクトル効率は、固定/動的なチャネル割り当て、電力制御、リンクアダプテーションなどの無線資源管理技術によって改善することができます。

注意点

スペクトル効率という用語は、値が大きいほど効率が良いという誤解を生む可能性があります。特に、スペクトラム拡散やFECなどの技術を使用すると、リンクスペクトル効率は低下しますが、通信の信頼性やシステム全体の効率が向上することがあります。そのため、単に値の大小で判断するのではなく、システム全体としての効率を考慮する必要があります。

まとめ

スペクトル効率は、デジタル通信システムの効率を評価するための重要な指標であり、リンクスペクトル効率とシステムスペクトル効率の2つの側面から理解することが重要です。これらの効率を向上させるための技術は、より多くの情報をより効率的に伝送するための鍵となります。

参考文献

スループット
グッドプット
通信路容量

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