Efficacité spectrale : 5G-NR et 4G-LTE
À quoi pensez-vous lorsque vous entendez les mots » efficacité spectrale » ? La réponse concerne la quantité d’information adaptée à une largeur de bande de canal donnée ou tout simplement avec quelle efficacité ce morceau de spectre peut être utilisé pour transmettre de l’information. Avant de creuser dans les détails de l’efficacité spectrale, il est important de comprendre qu’il existe une limite à la quantité de données qui peuvent être transmises dans une bande passante donnée et cette limite est bien connue sous le nom de théorème de Shannon-Hartley et communément appelée la limite de Shannon. L’efficacité spectrale est généralement exprimée en bits par seconde par hertz ou bits/s/Hz. En d’autres termes, elle peut être définie comme le débit net de données en bits par seconde (bps) divisé par la bande passante en hertz. Le débit de données nettes et le débit de symboles sont liés au débit de données brutes qui inclut la charge utile utilisable et tous les frais généraux.
- débit de données brutes = charge utile + frais généraux débit de données nettes = débit de données brutes – frais généraux ;
- efficacité spectrale = débit net de données en bps / largeur de bande du canal en Hz.
Par exemple, un système utilise la largeur de bande du canal comme 2 MHz et peut supporter un débit de données brutes de disons 15 Mbps, en supposant que 2 Mbps comme overhead alors le débit de données net sera comme 13 Mpbs, alors son efficacité spectrale peut être calculée comme suit :
- efficacité spectrale= 13 x 10^6 / 2 x 10^6 = 6,5 bits/seconde/Hz.
Calcul de l’efficacité spectrale pour le LTE
Un système LTE peut prendre en charge une largeur de bande de canal maximale de 20 MHz (sans tenir compte de l’agrégation de porteuses). Son débit de symboles peut être calculé comme suit
- symboles/seconde = 1200 x 14 x 1000 = 16 800 000 symboles/seconde.
En considérant la 64-QAM comme la modulation la plus élevée pour la liaison descendante, chaque symbole peut transporter 6 bits fournir un débit de données brut comme suit :
- débit de données brut = 16 800 000 x 6 = 100,8 Mbps (aucun MIMO considéré).
Si l’on considère 4×4 MIMO, théoriquement cela donne des taux de données brutes de 400 Mbps. De même, le débit de données peut être calculé pour la liaison montante. Dans la liaison montante LTE, il n’y a pas de MIMO, donc les données brutes maximales peuvent être de 100 Mbps avec un support 64-QAM dans la liaison montante et après avoir déduit 25 % de frais généraux, le débit net de données pour la liaison montante sera de 75 Mbps. La valeur nette de la liaison montante avec 16-QAM sera de 51 Mbps.
- efficacité spectrale de la liaison descendante = 300 x 10^6 bps / 20 x 10^6 Hz = 15 bits/seconde/Hz. Efficacité spectrale de la liaison montante (64-QAM UL) = 75 x 10^6 bps / 20 x 10^6 Hz = 3,75 bits/seconde/Hz ;
- efficacité spectrale de la liaison montante (16-QAM UL) = 51 x 10^6 bps / 20 x 10^6 Hz = 2,55 bits / seconde / Hz.
Calcul de l’efficacité spectrale pour la nouvelle radio 5G
La 5G est capable de fournir un débit descendant de 2,31 Gbps et un débit montant de 2,47 Gbps avec certaines configurations présentées ci-dessous avec une largeur de bande de canal de 100 MHz (composante à porteuse unique).
- efficacité spectrale de la liaison descendante = 2,31 x 10^9 bps / 100 x 10^6 Hz = 23 bits/seconde/Hz. Efficacité spectrale de la liaison montante = 2,47 x 10^9 bps / 100 x 10^6 Hz = 24 bits/seconde/Hz.
Note : Les valeurs indiquées ici ne sont qu’une valeur théorique considérant certaines hypothèses.
