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スペクトル効率（またはスペクトル効率または帯域幅効率）とは、特定の通信システムにおいて、与えられた帯域幅で伝送できる情報量のことを指します。これは、物理層プロトコル、場合によっては媒体アクセス制御（チャネルアクセスプロトコル）によって、限られた周波数スペクトルがどれだけ効率的に利用されているかを示す指標です。[ 1 ]
デジタル通信システムのリンクスペクトル効率は、bit/s/Hz [ 2 ] または、頻度は低いものの明確に (bit/s)/Hz で測定されます。これは、通信チャネルまたはデータリンクの帯域幅(ヘルツ単位)で割った、正味ビットレート(誤り訂正符号を除く有効情報レート) または最大スループットです。
あるいは、あまり一般的ではないが、スペクトル効率はビット/シンボルで測定される場合もある。これは、チャネル使用あたりのビット数（bpcu ）に相当する。これは、正味ビットレートをシンボルレート（変調レート）で割ることによって計算できる。
リンクスペクトル効率は、一般的にデジタル変調方式または回線符号の効率を分析するために使用されます。スペクトル効率の計算では、前方誤り訂正（FEC）符号やその他の物理層オーバーヘッドに使用されるビット数をカウントする場合とカウントしない場合があります。FECオーバーヘッドを除外する場合、「ビット」はユーザデータビットのみを指します。
ビット/秒で表される変調効率は、FECに使用されるビットを含む総ビットレートを帯域幅で割ったものです。
達成可能な変調効率の上限は、ナイキストレートまたはハートレーの法則によって次のように与えられます。M個の代替シンボルを持つ信号アルファベットの場合、各シンボルはN = log 2 Mビットを表します。Nは、ビット/シンボルまたはbpcuで測定される変調効率です。ベースバンド帯域幅 (または上限カットオフ周波数) Bを持つベースバンド伝送 (ラインコーディングまたはパルス振幅変調)の場合、シンボル間干渉を避けるために、シンボルレートは2 Bシンボル/秒を超えることはできません。したがって、ベースバンド伝送の場合、スペクトル効率は 2 N (ビット/秒)/Hz を超えることはできません。
通過帯域伝送の場合、通過帯域帯域幅Wの信号は、アンダーサンプリングまたはスーパーヘテロダイン受信機を使用して、上限カットオフ周波数W /2 の等価ベースバンド信号に変換できます。QAM 、ASK、PSK 、OFDMなどのダブルサイドバンド変調方式を使用すると、最大シンボルレートはWシンボル/秒となり、変調効率はN (bit/s)/Hzを超えることはできません。デジタルシングルサイドバンド変調を使用すると、帯域幅Wの通過帯域信号は、ベースバンド帯域幅Wのベースバンドメッセージ信号に対応し、最大シンボルレートは 2 W、達成可能な変調効率は 2 N (bit/s)/Hz となります。
前方誤り訂正符号を使用する場合、スペクトル効率は符号化されていない変調の効率値よりも低下する。
特定のSNRを持つチャネルにおいて、理想的な誤り符号化と変調を仮定した場合、ビット誤りなしで可能な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与えられる。
パケットの再送信、プロトコル層のオーバーヘッドの増加、フロー制御、輻輳回避などにより、グッドプット（アプリケーション層の有用な情報量）は通常、上記の計算で使用した最大スループットよりも低くなります。一方、電話モデムで使用されるV.44やV.42bis圧縮などのデータ圧縮方式は、転送されるデータが既に効率的に圧縮されていない場合、グッドプットが高くなる可能性があります。
無線電話回線のスペクトル効率は、1MHzの 周波数帯域における同時通話の最大数を、メガヘルツあたりのアーラン数（ E /MHz ）で表すこともできます。この指標は、ソースコーディング（データ圧縮）方式にも影響されます。アナログ伝送とデジタル伝送の両方に適用可能です。
無線ネットワークでは、リンクスペクトル効率はやや誤解を招く可能性があります。なぜなら、値が大きいほど無線スペクトルの全体的な利用効率が高いとは限らないからです。無線ネットワークでは、リンクスペクトル効率が高いと、同一チャネル干渉（クロストーク）に対する感度が高くなり、容量に影響を及ぼします。例えば、周波数再利用方式を採用した携帯電話ネットワークでは、スペクトル拡散と前方誤り訂正によってスペクトル効率（ビット/秒/Hz）は低下しますが、非拡散方式と比較して必要な信号対雑音比が大幅に低下します。これにより、より高密度な地理的周波数再利用が可能になり、低いリンクスペクトル効率を補うことができます。結果として、同じ帯域幅で同じ数の基地局送信機を使用しても、ほぼ同じ容量（同時通話数）が得られます。後述するように、無線ネットワークにとってより適切な指標は、単位面積あたりのビット/秒/Hzで表されるシステムスペクトル効率です。しかし、電話回線やケーブルテレビネットワークなどの閉鎖型通信リンク、および同一チャネル干渉が問題とならないノイズ制限型無線通信システムでは、利用可能なSNRでサポートできる最大のリンクスペクトル効率が一般的に使用されます。
デジタル無線ネットワークでは、システムスペクトル効率またはエリアスペクトル効率は、通常、単位面積あたりの (bit/s)/Hz、セルあたりの(bit/s)/Hz、またはサイトあたりの (bit/s)/Hzで測定されます。これは、定義された地理的エリアで限られた無線周波数帯域幅によって同時にサポートできるユーザーまたはサービスの量の尺度です。[ 1 ]これは、たとえば、システム内のすべてのユーザーについて合計した最大集約スループットまたはグッドプットとして定義され、チャネル帯域幅とカバーエリアまたは基地局サイト数で割られます。この尺度は、シングルユーザー伝送技術だけでなく、使用される多重アクセス方式と無線リソース管理技術にも影響されます。動的な無線リソース管理によって大幅に改善できます。最大グッドプットの尺度として定義される場合、同一チャネル干渉と衝突による再送信は除外されます。上位レイヤプロトコルのオーバーヘッド (メディアアクセス制御サブレイヤより上) は通常無視されます。
セルラーネットワークのシステムスペクトル効率は、 1MHzの周波数スペクトルにおける単位面積あたりの同時通話数の最大値として、セルあたりE /MHz 、セクターあたりE/MHz、サイトあたりE/MHz、または(E/MHz)/m²で表すこともできます。この指標は、ソースコーディング（データ圧縮）方式にも影響されます。アナログセルラーネットワークでも使用できます。
リンクのスペクトル効率（ビット/秒/Hz）が低いからといって、必ずしもシステム全体のスペクトル効率の観点から符号化方式が非効率であるとは限りません。例えば、符号分割多重アクセス（CDMA）スペクトラム拡散方式を考えてみましょう。これは、単一チャネルまたは単一ユーザーの場合、特にスペクトル効率の高い符号化方式ではありません。しかし、同じ周波数帯域に複数のチャネルを「重ね合わせる」ことができるため、マルチチャネルCDMAシステムではシステム全体のスペクトル利用効率が非常に高くなる可能性があります。
スペクトル効率は、効率的な固定または動的チャネル割り当て、電力制御、リンク適応、ダイバーシティ方式などの無線リソース管理技術によって改善できます。
公平性指標とシステムスペクトル効率指標を組み合わせたものが、公平に共有されたスペクトル効率である。
一般的な通信システムの予測スペクトル効率値の数値例を以下の表に示します。これらの結果はすべてのシステムで達成されるわけではありません。送信機から遠いシステムでは、この性能は得られません。
N/Aは該当しないことを意味します。