リンクスペクトル効率
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2022/04/29 14:45 UTC 版)
「スペクトル効率」の記事における「リンクスペクトル効率」の解説
リンクスペクトル効率（Link spectral efficiency）の単位は bit/s/Hz であり、特定の変調方式を使った論理的なポイントツーポイントのリンクでの通信路容量（あるいはスループット）を表す。前方誤り訂正 (FEC) 符号が変調方式に取り入れられている場合、ここでの「ビット」はユーザデータのビットであり、FEC のオーバヘッドは除外される。 1kHzの帯域幅で毎秒1000ビットを転送する技術では、スペクトル効率は 1 bit/s/Hz となる。 電話回線のモデムの例: 電話回線用のV.92モデムは下りでは 56,000 bit/s、上りでは 48,000 bit/s の転送が可能である。電話交換機でのフィルタリングにより、周波数は 300Hz から 3,400Hz に制限され、帯域幅は 3400 − 300 = 3100 Hz となる。スペクトル効率は、下りでは 56,000/3,100 = 18.1 bit/s/Hz、上りでは 48,000/3,100 = 15.5 bit/s/Hz となる。 FEC を除外した変調方式で達成できる最大スペクトル効率は、標本化定理から次のように求められる。信号のアルファベットが M 個の符号から構成され、各符号を N = log2 M ビットで表すとする。その場合のスペクトル効率は符号間干渉を使わない場合、2N bit/s/Hz を越えることはできない。例えば、符号が 8 種類で、それぞれ 3 ビットで表されるとすると、スペクトル効率は 6 bit/s/Hz を越えられない。 前方誤り訂正符号が使われる場合、スペクトル効率は低下する。例えば、符号レート 1/2 の FEC を付与すると、符号長が 1.5 倍となり、スペクトル効率は 50% 低下する。スペクトル効率を低下させるのと引き換えに、FEC は信号のSN比を改善する（常に改善できるとは限らない）。 あるSN比の通信路で、ビット誤りなしで通信できるスペクトル効率の上限は、符号化や変調方式が理想的なものであるとした場合、シャノン＝ハートレーの定理で与えられる。例えば、SN比が 1 すなわち 0 デシベルであった場合、符号や変調方式がどうであってもリンクスペクトル効率は 1 bit/s/Hz を越えられない。 グッドプット（アプリケーション層で使える情報の量）は、一般にここで計算されるスループットよりも小さい。なぜなら、パケットの再送があったり、上位プロトコルのオーバヘッドがあったりするからである。 スペクトル効率という用語は、値が大きければ周波数スペクトルをより効率的に活用しているという誤解を生む。例えば、携帯電話はスペクトラム拡散や FEC といった技法を使っているためスペクトル効率（bit/s/Hz）は低下するが、SN比が悪くても通信可能となっている。このため、周波数帯域をより多数のリンクで使うことができ、全体としてはスペクトル効率の低下以上の効果が得られる。後述するように、より適切な尺度として単位帯域当たりの bit/s/Hz があり、これがCDMA方式のデジタル携帯電話の基本となっている。しかし、電話回線やケーブルTVネットワークでは、チャンネル間の相互干渉は問題とならず、所与のSN比での最大スペクトル効率が一般に使われている。
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