الكفاءة الطيفية
تشير الكفاءة الطيفية ( أو كفاءة النطاق الترددي ) إلى معدل نقل المعلومات عبر نطاق ترددي محدد في نظام اتصالات معين. وهي مقياس لمدى كفاءة استخدام الطيف الترددي المحدود بواسطة بروتوكول الطبقة الفيزيائية ، وأحيانًا بواسطة بروتوكول التحكم في الوصول إلى الوسائط ( بروتوكول الوصول إلى القناة ). [ 1 ]
كفاءة الطيف للرابط
تعريف
تُقاس كفاءة الطيف للوصلة في نظام الاتصالات الرقمية بوحدة بت / ثانية / هرتز ، [ 2 ] أو ، بشكل أقل شيوعًا ولكن بشكل واضح، بوحدة (بت/ثانية)/هرتز . وهي معدل البتات الصافي (معدل المعلومات المفيدة باستثناء رموز تصحيح الأخطاء ) أو أقصى إنتاجية مقسومة على عرض النطاق الترددي بالهرتز لقناة الاتصال أو وصلة البيانات .
بدلاً من ذلك، وبشكل أقل شيوعاً، يمكن قياس الكفاءة الطيفية بوحدة بت/رمز ، وهو ما يعادل عدد البتات المستخدمة لكل قناة ( bpcu ). ويمكن حساب ذلك بقسمة معدل البتات الصافي على معدل الرموز (معدل التضمين).
تُستخدم كفاءة الطيف للوصلة عادةً لتحليل كفاءة طريقة التضمين الرقمي أو رمز الخط . قد تشمل حسابات كفاءة الطيف البتات المستخدمة لرمز تصحيح الأخطاء الأمامية (FEC) وغيرها من البيانات الإضافية للطبقة الفيزيائية، أو قد لا تشملها. في حال استبعاد بيانات FEC الإضافية، يُقصد بـ "البت" بت بيانات المستخدم فقط.
كفاءة التعديل بالبت/ثانية هي معدل البت الإجمالي ، والذي يشمل أي بتات مستخدمة لتصحيح الأخطاء الأمامية، مقسومًا على عرض النطاق الترددي.
- مثال 1 : تقنية الإرسال التي تستخدم عرض نطاق ترددي واحد كيلوهرتز لنقل 1000 بت في الثانية لها كفاءة تعديل تبلغ 1 (بت/ثانية)/هرتز.
- مثال ٢ : يمكن لمودم V.92 لشبكة الهاتف نقل ٥٦٠٠٠ بت/ثانية في اتجاه التنزيل و ٤٨٠٠٠ بت/ثانية في اتجاه الرفع عبر شبكة هاتف تناظرية. ونظرًا لوجود مرشحات في مقسم الهاتف، فإن نطاق التردد محدود بين ٣٠٠ هرتز و٣٤٠٠ هرتز، ما يُعادل عرض نطاق ترددي قدره ٣٤٠٠ - ٣٠٠ = ٣١٠٠ هرتز. تبلغ كفاءة الطيف أو كفاءة التضمين ٥٦٠٠٠/٣١٠٠ = ١٨.١ بت/ثانية/هرتز في اتجاه التنزيل، و ٤٨٠٠٠/٣١٠٠ = ١٥.٥ بت/ثانية/هرتز في اتجاه الرفع.
الحد الأعلى
يُحدد معدل نايكويست أو قانون هارتلي الحد الأعلى لكفاءة التضمين الممكنة كما يلي: بالنسبة لأبجدية إشارات تحتوي على M رمزًا بديلًا، يُمثل كل رمز N = log₂ M بت . N هي كفاءة التضمين مُقاسة بوحدة بت/رمز أو bpcu . في حالة الإرسال في النطاق الأساسي ( ترميز الخط أو تضمين سعة النبضة ) بعرض نطاق أساسي (أو تردد قطع علوي) B ، لا يمكن أن يتجاوز معدل الرموز 2B رمز/ثانية لتجنب التداخل بين الرموز . وبالتالي، لا يمكن أن تتجاوز الكفاءة الطيفية 2N ( بت/ثانية)/هرتز في حالة الإرسال في النطاق الأساسي.
في حالة الإرسال عبر نطاق التمرير ، يمكن تحويل إشارة ذات عرض نطاق تمرير W إلى إشارة مكافئة في نطاق القاعدة (باستخدام أخذ عينات ناقصة أو مستقبل سوبر هيتروداين )، بتردد قطع علوي W /2. عند استخدام أنظمة تعديل ثنائية النطاق الجانبي مثل QAM أو ASK أو PSK أو OFDM ، ينتج عن ذلك معدل رموز أقصى يبلغ W رمز/ثانية، ولا يمكن أن تتجاوز كفاءة التعديل N (بت/ثانية)/هرتز. أما عند استخدام تعديل رقمي أحادي النطاق الجانبي ، فإن إشارة نطاق التمرير ذات عرض النطاق W تُقابل إشارة رسالة في نطاق القاعدة بعرض نطاق القاعدة W ، مما ينتج عنه معدل رموز أقصى يبلغ 2W وكفاءة تعديل ممكنة تبلغ 2N ( بت/ثانية)/هرتز.
- مثال 3: يحتوي مودم 16QAM على أبجدية بحجم M = 16 رمزًا بديلًا، مع N = 4 بت/رمز أو bpcu. بما أن QAM هو شكل من أشكال الإرسال ذي النطاق الجانبي المزدوج، فلا يمكن أن تتجاوز الكفاءة الطيفية N = 4 (بت/ثانية)/هرتز .
- مثال 4: يُعطي نظام التضمين 8VSB (النطاق الجانبي المتبقي ذو 8 مستويات) المستخدم في معيار التلفزيون الرقمي ATSC معدل بت N = 3 بت/رمز أو bpcu. وبما أنه يُمكن وصفه بأنه نطاق جانبي أحادي تقريبًا، فإن كفاءة التضمين تقارب 2N = 6 بت/ثانية/هرتز . عمليًا، ينقل ATSC معدل بت إجمالي قدره 32 ميجابت/ثانية عبر قناة عرضها 6 ميجاهرتز، مما ينتج عنه كفاءة تضمين قدرها 32/6 = 5.3 بت/ثانية/هرتز .
- مثال 5: يستخدم مودم V.92 في وصلة الإرسال الهابطة تعديل سعة النبضة بـ 128 مستوى إشارة، مما ينتج عنه N = 7 بت/رمز. وبما أن الإشارة المرسلة قبل ترشيح نطاق التمرير تُعتبر إرسالًا في النطاق الأساسي، فإن الكفاءة الطيفية لا يمكن أن تتجاوز 2N = 14 بت/ثانية/هرتز عبر قناة النطاق الأساسي بالكامل (من 0 إلى 4 كيلوهرتز). وكما هو موضح أعلاه، تتحقق كفاءة طيفية أعلى عند استخدام نطاق تمرير أصغر.
مع تصحيح الأخطاء الأمامية
في حالة استخدام رمز تصحيح الخطأ الأمامي ، تنخفض الكفاءة الطيفية عن رقم كفاءة التعديل غير المشفر.
- مثال 6: عند إضافة رمز تصحيح الخطأ الأمامي (FEC) بمعدل ترميز 1/2، أي أن معدل بتات الإدخال للمشفّر يساوي نصف معدل بتات الإخراج، تصبح الكفاءة الطيفية 50% من كفاءة التضمين. في المقابل، يُقلل رمز تصحيح الخطأ الأمامي عادةً من معدل خطأ البت ، ويُمكّن عادةً من التشغيل بنسبة إشارة إلى ضوضاء (SNR) أقل.
يتم إعطاء الحد الأعلى للكفاءة الطيفية الممكنة بدون أخطاء في البت في قناة ذات نسبة إشارة إلى ضوضاء معينة، إذا تم افتراض ترميز وتعديل مثاليين للأخطاء، بواسطة نظرية شانون-هارتلي .
- المثال 7: إذا كانت نسبة الإشارة إلى الضوضاء 1، والتي تقابل 0 ديسيبل ، فلا يمكن أن تتجاوز كفاءة الطيف للرابط 1 (بت/ثانية)/هرتز للكشف الخالي من الأخطاء (بافتراض رمز تصحيح الأخطاء المثالي) وفقًا لشانون-هارتلي بغض النظر عن التضمين والترميز.
مناقشة
لاحظ أن معدل الإنتاجية الجيد (كمية المعلومات المفيدة في طبقة التطبيق) يكون عادةً أقل من الحد الأقصى للإنتاجية المستخدمة في الحسابات المذكورة أعلاه، وذلك بسبب إعادة إرسال الحزم، وزيادة الحمل الزائد على طبقة البروتوكول، والتحكم في التدفق، وتجنب الازدحام، وما إلى ذلك. من ناحية أخرى، قد يوفر نظام ضغط البيانات، مثل ضغط V.44 أو V.42bis المستخدم في أجهزة مودم الهاتف، معدل إنتاجية جيد أعلى إذا لم تكن البيانات المنقولة مضغوطة بكفاءة بالفعل.
يمكن التعبير عن كفاءة الطيف الترددي لوصلة الهاتف اللاسلكي أيضًا بأقصى عدد من المكالمات المتزامنة على نطاق ترددي يبلغ 1 ميجاهرتز، بوحدة إرلانج لكل ميجاهرتز ( E /MHz ). ويتأثر هذا المقياس أيضًا بنظام ترميز المصدر (ضغط البيانات). ويمكن تطبيقه على الإرسال التناظري والرقمي على حد سواء.
في الشبكات اللاسلكية، قد يكون قياس كفاءة الطيف للوصلة مضللاً بعض الشيء، إذ لا تعني القيم الأعلى بالضرورة كفاءةً أكبر في الاستخدام الإجمالي للطيف الراديوي. ففي الشبكة اللاسلكية، قد تؤدي كفاءة الطيف العالية للوصلة إلى حساسية عالية للتداخل بين القنوات المتجاورة (التشويش المتبادل)، مما يؤثر على السعة. على سبيل المثال، في شبكة الهاتف الخلوي التي تعتمد على إعادة استخدام التردد، يقلل نشر الطيف وتصحيح الخطأ الأمامي من كفاءة الطيف (بت/ثانية/هرتز)، ولكنه يخفض بشكل كبير نسبة الإشارة إلى الضوضاء المطلوبة مقارنةً بتقنيات الطيف غير المنتشرة. وهذا يسمح بإعادة استخدام التردد جغرافياً بكثافة أكبر، مما يعوض انخفاض كفاءة الطيف للوصلة، وينتج عنه سعة مماثلة تقريباً (نفس عدد المكالمات الهاتفية المتزامنة) على نفس عرض النطاق الترددي، باستخدام نفس عدد أجهزة إرسال المحطات الأساسية. وكما سيتم توضيحه لاحقاً، يُعد قياس كفاءة الطيف للنظام (بت/ثانية/هرتز لكل وحدة مساحة) مقياساً أكثر ملاءمة للشبكات اللاسلكية. ومع ذلك، في روابط الاتصال المغلقة مثل خطوط الهاتف وشبكات التلفزيون الكبلي، وفي نظام الاتصالات اللاسلكية المحدود بالضوضاء حيث لا يمثل تداخل القناة المشتركة عاملاً، يتم استخدام أكبر كفاءة طيفية للرابط يمكن دعمها بواسطة نسبة الإشارة إلى الضوضاء المتاحة بشكل عام.
الكفاءة الطيفية للنظام أو الكفاءة الطيفية للمساحة
في الشبكات اللاسلكية الرقمية ، تُقاس كفاءة الطيف للنظام أو كفاءة الطيف للمنطقة عادةً بوحدة بت/ثانية/هرتز لكل وحدة مساحة ، أو بوحدة بت/ثانية/هرتز لكل خلية ، أو بوحدة بت/ثانية/هرتز لكل موقع . وهي مقياس لعدد المستخدمين أو الخدمات التي يمكن دعمها في وقت واحد بواسطة نطاق ترددي محدود في منطقة جغرافية محددة. [ 1 ] يمكن تعريفها، على سبيل المثال، بأنها الحد الأقصى للإنتاجية الإجمالية أو الإنتاجية الجيدة ، أي مجموع جميع المستخدمين في النظام، مقسومًا على عرض نطاق القناة وعلى المنطقة المغطاة أو عدد مواقع المحطات الأساسية. يتأثر هذا المقياس ليس فقط بتقنية الإرسال أحادي المستخدم، ولكن أيضًا بأنظمة الوصول المتعدد وتقنيات إدارة موارد الراديو المستخدمة. ويمكن تحسينه بشكل كبير من خلال الإدارة الديناميكية لموارد الراديو . إذا تم تعريفه كمقياس للحد الأقصى للإنتاجية الجيدة، فسيتم استبعاد عمليات إعادة الإرسال الناتجة عن التداخل والتصادمات بين القنوات المتجاورة. وعادةً ما يتم إهمال عبء بروتوكول الطبقة العليا (فوق طبقة التحكم في الوصول إلى الوسائط ).
- مثال 8: في نظام خلوي يعتمد على تقنية الوصول المتعدد بتقسيم التردد (FDMA) مع خطة تخصيص قنوات ثابتة (FCA) باستخدام عامل إعادة استخدام تردد 1/4، تتمتع كل محطة أساسية بإمكانية الوصول إلى 1/4 من إجمالي طيف التردد المتاح. وبالتالي، فإن أقصى كفاءة طيفية ممكنة للنظام (بت/ثانية)/هرتز لكل موقع هي 1/4 من كفاءة الطيف للوصلة. يمكن تقسيم كل محطة أساسية إلى 3 خلايا باستخدام 3 هوائيات قطاعية، وهو ما يُعرف أيضًا بنمط إعادة استخدام 4/12. عندئذٍ، تتمتع كل خلية بإمكانية الوصول إلى 1/12 من الطيف المتاح، وتكون كفاءة النظام الطيفية (بت/ثانية)/هرتز لكل خلية أو (بت/ثانية)/هرتز لكل قطاع هي 1/12 من كفاءة الطيف للوصلة.
يمكن التعبير عن كفاءة الطيف الترددي لنظام الشبكة الخلوية أيضًا كأقصى عدد للمكالمات الهاتفية المتزامنة لكل وحدة مساحة ضمن نطاق تردد 1 ميجاهرتز، وذلك بوحدة E /MHz لكل خلية ، أو E/MHz لكل قطاع ، أو E/MHz لكل موقع ، أو (E/MHz)/م² . ويتأثر هذا المقياس أيضًا بنظام ترميز المصدر (ضغط البيانات). ويمكن استخدامه في الشبكات الخلوية التناظرية أيضًا.
لا يعني انخفاض كفاءة الطيف للوصلة (بت/ثانية)/هرتز بالضرورة أن نظام التشفير غير فعال من منظور كفاءة الطيف للنظام. على سبيل المثال، لنأخذ تقنية الوصول المتعدد بتقسيم الشفرة (CDMA) ذات الطيف المنتشر ، والتي لا تُعد نظام تشفير فعالًا من حيث الطيف عند النظر إلى قناة واحدة أو مستخدم واحد. مع ذلك، فإن إمكانية "تراكب" قنوات متعددة على نفس نطاق التردد تعني أن استخدام طيف النظام في نظام CDMA متعدد القنوات يمكن أن يكون ممتازًا.
- مثال 9: في نظام الاتصالات الخلوية W-CDMA 3G، تُضغط كل مكالمة هاتفية إلى 8500 بت/ثانية كحد أقصى (معدل البتات المُستخدَم)، وتُوزَّع على قناة ترددية بعرض 5 ميجاهرتز. يُعادل هذا معدل نقل بيانات للرابط يبلغ 8500/5000000 = 0.0017 بت/ثانية/هرتز . لنفترض إمكانية إجراء 100 مكالمة متزامنة (غير صامتة) في الخلية نفسها. يُتيح طيف الانتشار إمكانية الحصول على عامل إعادة استخدام تردد منخفض يصل إلى 1، إذا قُسِّمت كل محطة أساسية إلى 3 خلايا باستخدام 3 هوائيات قطاعية اتجاهية. يُعادل هذا كفاءة طيفية للنظام تزيد عن 1 × 100 × 0.0017 = 0.17 بت/ثانية/هرتز لكل موقع ، و 0.17/3 = 0.06 بت/ثانية/هرتز لكل خلية أو قطاع .
يمكن تحسين الكفاءة الطيفية من خلال تقنيات إدارة موارد الراديو مثل تخصيص القنوات الثابتة أو الديناميكية الفعالة ، والتحكم في الطاقة ، وتكييف الروابط ، ومخططات التنوع .
الكفاءة الطيفية المشتركة بشكل عادل هي مقياس مشترك للإنصاف وكفاءة الطيف للنظام .
جدول المقارنة
يمكن الاطلاع على أمثلة لقيم الكفاءة الطيفية العددية المتوقعة لبعض أنظمة الاتصالات الشائعة في الجدول أدناه. لن تتحقق هذه النتائج في جميع الأنظمة، ولن تحصل الأنظمة الأبعد عن جهاز الإرسال على هذا الأداء.
| الكفاءة الطيفية لأنظمة الاتصالات الشائعة | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
N/A تعني غير قابل للتطبيق.
انظر أيضاً
مراجع
- 1 2 غووانغ مياو ، ينس زاندر، كي وون سونغ، وبن سليمان، أساسيات شبكات البيانات المتنقلة، مطبعة جامعة كامبريدج، ISBN 1107143217، 2016.
- ↑ سيرجيو بينيديتو وإيزيو بيغلييري (1999). مبادئ الإرسال الرقمي: مع تطبيقات لاسلكية . سبرينغر. ISBN 0-306-45753-9.
- ↑ سي تي بهونيا، شبكة تكنولوجيا المعلومات والإنترنت ، نيو إيج إنترناشونال، 2006، الصفحة 26.
- ↑ لال تشاند غودارا، "دليل الهوائيات في الاتصالات اللاسلكية" ، دار نشر سي آر سي، 2002، رقم ISBN 9780849301247
- 1 2 3 4 5 6 أندرس فوروسكار، جوناس ناسلوند وهاكان أولوفسون (1999)، " الحافة - معدلات بيانات محسنة لتطور GSM وTDMA/136 "، مراجعة إريكسون رقم. 1
- ↑ "يوفر نظام iBurst™ من KYOCERA سعة عالية وأداءً عالياً لعصر النطاق العريض" .
- 1 2 "نظرة عامة على تقنية الجيل الرابع LTE المتقدمة - Keysight (المعروفة سابقًا باسم Agilent's Electronic Measurement)" . keysight.com .
- 1 2 جيامبين، جيوفاني؛ علي يحيى، تارا (1 نوفمبر 2013). "تخطيط LTE لإعادة استخدام التردد الناعم" . أيام IFIP اللاسلكية (WD) لعام 2013 . الصفحات من 1 إلى 7. دوى : 10.1109/WD.2013.6686468 . رقم ISBN 978-1-4799-0543-0. S2CID 27200535 – عبر ResearchGate.
- ↑ "أرشيفات LTE-Advanced - إكستريم تك" . إكستريم تك . 25 أبريل 2019.
- ↑ "الورقة البيضاء" (ملف PDF) . arubanetworks.com .
- 1 2 "TETRA مقابل TETRA2 - الفرق الأساسي بين TETRA و TETRA2" . rfwireless-world.com .
- 1 2 "ملاحظات التطبيق" (ملف PDF) . cdn.rohde-schwarz.com .
- 1 2 "كتيب" (PDF) . tetraforum.pl .
- ↑ "البيانات" . cept.org .
- 1 2 3 4 "صحيفة حقائق" (PDF) . dvb.org .
- 1 2 "قائمة المنشورات" (PDF) . mns.ifn.et.tu-dresden.de .
- 1 2 "صحيفة حقائق" (PDF) . dvb.org .
- 1 2 كريستوبولوس، ديميتريوس؛ تشاتزينوتاس، سيميون؛ تشنغ، غان؛ غروتز، جويل؛ أوتيرستين، بيورن (4 مايو 2012). "التقنيات الخطية وغير الخطية للمعالجة المشتركة متعددة الحزم في اتصالات الأقمار الصناعية" . مجلة EURASIP للاتصالات اللاسلكية والشبكات . 2012 (1). doi : 10.1186/1687-1499-2012-162 .
- ↑ "معلومات" (ملف PDF) . scte-sandiego.org .
- ↑
- أداء الشبكة
- الشبكات اللاسلكية
- نظرية المعلومات
- نظرية الاتصالات السلكية واللاسلكية
- إدارة موارد الراديو
