多用戶信息論

關(guān)于多用戶信息論

引言

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，以單信源、單信宿為基礎(chǔ)建立起的經(jīng)典信息論，已經(jīng)無(wú)法滿足研究通信網(wǎng)絡(luò)的編碼和信道容量問(wèn)題的需要，于是多用戶信息論（網(wǎng)絡(luò)信息論）成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，并在實(shí)際的通信系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。案例一：衛(wèi)星通信。地球上的無(wú)線電通信站間利用衛(wèi)星作為中繼而進(jìn)行的通信，衛(wèi)星和地面之間的下行通道就是多用戶信道中的廣播信道，衛(wèi)星將來(lái)自各地面站的信息經(jīng)過(guò)編碼后統(tǒng)一發(fā)回地面，各地面站經(jīng)過(guò)各自的譯碼器譯出所需信息。案例二：微波中繼通信。它是指利用微波作為載波，采用中繼（接力）方式在地面上進(jìn)行無(wú)線通信，一對(duì)地面站可經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)或經(jīng)地面通信轉(zhuǎn)接實(shí)現(xiàn)單向通信，衛(wèi)星和地面站之間的通道就是中繼信道。

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7.1多用戶信道

前面討論的信道均只有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，稱為單用戶信道，采用單用戶信道的系統(tǒng)稱為單路通信系統(tǒng)。前面討論的是兩個(gè)用戶之間（一個(gè)信源，一個(gè)信宿）的通信問(wèn)題，情況比較簡(jiǎn)單，適用于作深入的理論分析。但實(shí)際的通信系統(tǒng)是多用戶通信系統(tǒng)，例如，單向的無(wú)線電臺(tái)、電視臺(tái)廣播、有線廣播或雙向的計(jì)算機(jī)通信、網(wǎng)絡(luò)通信等，這些均屬于多用戶信道。7.1.1多用戶通信多用戶通信近些年來(lái)得到了很大發(fā)展，特別是以衛(wèi)星通信、移動(dòng)無(wú)線和基于擴(kuò)頻的CDMA等典型多址技術(shù)的應(yīng)用，更具長(zhǎng)足發(fā)展的前景。多用戶通信就是指多個(gè)用戶通過(guò)一定接入方式和基于通信資源的某種正交分割方式，同時(shí)共享該信道資源，簡(jiǎn)而言之，多用戶通信就是一個(gè)通信信道被多個(gè)用戶同時(shí)使用。由定義表明多用戶通信覆蓋廣泛的通信領(lǐng)域，并包括較為傳統(tǒng)的各種復(fù)用和近些年大量發(fā)展的光波分復(fù)用，各種多址模式和隨機(jī)接入（多址）方式，以及廣播系統(tǒng)等。

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多址是在相應(yīng)復(fù)用形式的基礎(chǔ)上脫穎而出的，它突出強(qiáng)調(diào)了多用戶的“接入”特點(diǎn)———多用戶（比一般復(fù)用系統(tǒng)大得多的用戶數(shù)）可在地球廣闊領(lǐng)域（地、空、海域）實(shí)施個(gè)體分布性、遙遠(yuǎn)分散性的靈活與隨機(jī)接入，多址模式就是如此超出已有復(fù)用概念的特殊接入方式下的復(fù)用。多址的類型有很多，如時(shí)分多址(TDMA)，碼分多址(CDMA)，頻分多址(FDMA)等，這些方式在實(shí)際的通信系統(tǒng)中都得到了廣泛的應(yīng)用。在我們的生活中，一些實(shí)際的通信系統(tǒng)如電話交換網(wǎng)、廣播系統(tǒng)網(wǎng)、衛(wèi)星電視網(wǎng)等都是多用戶通信系統(tǒng)，也稱為網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的輸入端涉及到兩個(gè)或兩個(gè)以上的信源，或者輸出端涉及到兩個(gè)或兩個(gè)以上的信宿（終端或用戶）。近年來(lái)，隨著手機(jī)和個(gè)人計(jì)算機(jī)的普及，推動(dòng)了移動(dòng)通信和以計(jì)算機(jī)為中心的互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，形成了全國(guó)性甚至全球性的通信，在這些通信網(wǎng)中，信息是在多用戶和多方向中流通的，實(shí)際上都是多用戶通信。7.1.2多用戶信道的分類

多用戶信道可以允許多個(gè)輸入端和輸出端，一般情況下可以將多用戶信道劃分成下列幾種典型類型。

第7章多用戶信息論第4頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天⒈多址接入信道多址接入信道是指多個(gè)用戶的信息用各自的編碼器編碼后，送入同一信道傳輸?shù)叫潘蓿潘薅藚s只有一個(gè)譯碼器進(jìn)行譯碼，然后將譯碼后的信號(hào)分送給多個(gè)不同的用戶。顯然，這是有多個(gè)輸入端（多個(gè)譯碼器）和一個(gè)輸出端（一個(gè)譯碼器）的多用戶信道。衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，個(gè)地面站同時(shí)與一個(gè)公用衛(wèi)星進(jìn)行通信的上行鏈路就是多址接入信道的實(shí)例。同衛(wèi)星通信系統(tǒng)的上行通道一樣，移動(dòng)通信系統(tǒng)中多個(gè)移動(dòng)終端（手機(jī)）與基站通信的上行鏈路也是一種典型的多址接入信道，如圖7.1所示。第一代和第二代移動(dòng)通信分別采用時(shí)分多址、頻分多址技術(shù)，無(wú)線資源在時(shí)域或頻域被劃分成多個(gè)獨(dú)立的信道，實(shí)現(xiàn)多用戶信息傳輸，但從信息論的角度來(lái)看，這些技術(shù)并不是最優(yōu)的，信道利用率有待進(jìn)一步的提高。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)，如CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA均采用碼分多址技術(shù)，能夠更好地利用信道資源。

第7章多用戶信息論第5頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖7.1移動(dòng)通信系統(tǒng)上行鏈路

第7章多用戶信息論第6頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天⒉廣播信道廣播信道與多址接入信道正好相反，這種信道將多個(gè)信源的信息放在一起進(jìn)行統(tǒng)一編碼，然后送入信道，在信宿端則有多個(gè)譯碼器，多個(gè)譯碼器對(duì)應(yīng)譯出多個(gè)信源的信息，分別送給對(duì)應(yīng)的多個(gè)用戶。顯然，這是一個(gè)輸入端（一個(gè)編碼器）和多個(gè)輸出端（多個(gè)譯碼器）的多用戶信道。衛(wèi)星通信系統(tǒng)中衛(wèi)星和地面之間的下行通道，如圖7.2所示。它和廣播電視臺(tái)到電視接收機(jī)之間的通道都是最常見的廣播信道。

第7章多用戶信息論圖7.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)的下行信道第7頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天⒊中繼信道中繼信道是廣播信道和多址接入信道的一種組合，如圖7.3所示。它是兩個(gè)用戶之間通過(guò)多種途徑進(jìn)行中轉(zhuǎn)通信時(shí)所用到的單向信道。輸入信源在傳輸過(guò)程中經(jīng)過(guò)廣播信道同時(shí)送至中繼器（可以是多級(jí)）和終端，中繼器的輸出（也可能是多個(gè)）和原始信源再以多址接入信道的方式送至終端，此時(shí)的廣播信道和多址接入信道構(gòu)成中繼信道。

第7章多用戶信息論圖7.3中繼信道第8頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天

如圖7.4所示的中繼微波接力通信系統(tǒng)就屬于這類模型。事實(shí)上，如果考慮到多徑效應(yīng)，信號(hào)往往可以通過(guò)直接入射和多次反射等途徑達(dá)到終端，因而實(shí)際的空間環(huán)境均可視為廣義的中繼信道。圖7.4多徑效應(yīng)下的中繼信道

第7章多用戶信息論第9頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天⒋串?dāng)_信道當(dāng)兩對(duì)或多對(duì)用戶利用公共信道傳送信息時(shí)，彼此之間可能發(fā)生串?dāng)_，這種信道稱為串?dāng)_信道，如圖7.5所示。

第7章多用戶信息論

圖7.5串?dāng)_信道串?dāng)_是通信系統(tǒng)中普遍存在的現(xiàn)象，尤其是在高頻電子線路中，必須考慮信道之間的電磁干擾（EMI）和電磁兼容（EMC）。第10頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天⒌雙向信道雙向信道有兩個(gè)發(fā)送端和兩個(gè)接收端，在雙向信道上，一對(duì)用戶的每一方在通信時(shí)可以同時(shí)發(fā)送和接收，在信道的兩端都有一個(gè)入口和一個(gè)出口，如圖7.6所示。圖7.6雙向信道

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在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中雙機(jī)直聯(lián)線搭建的雙機(jī)系統(tǒng)就是一種典型的雙向通信系統(tǒng)，如圖7.7所示，計(jì)算機(jī)作為信源1和信宿2，計(jì)算機(jī)作為信宿1和信源2.

第7章多用戶信息論圖7.7雙機(jī)直聯(lián)系統(tǒng)第12頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天⒍具有反饋的信道系統(tǒng)的譯碼器輸出有部分信息反饋傳送到編碼器，這種信道稱為具有反饋的信道，如圖7.8所示。圖中(a)是具有反饋的簡(jiǎn)單信道，它是在香農(nóng)的單向通信系統(tǒng)上加了一個(gè)反饋線路。圖中(b)是具有反饋的多元信道，它是在多元接入信道上加了從譯碼器到編碼器的反饋信號(hào)。

第7章多用戶信息論(a)具有反饋的簡(jiǎn)單信道第13頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天(b)具有反饋的多元信道圖7.8具有反饋的信道

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前面簡(jiǎn)單的介紹了多址接入信道，現(xiàn)在以兩個(gè)輸入的多址接入信道為例來(lái)說(shuō)明信道容量。兩個(gè)輸入的多址接入信道如圖7.9所示。

圖7.9二元接入多用戶信道設(shè)兩個(gè)輸入變量分別為和，一個(gè)輸出變量為，則信道特性可用轉(zhuǎn)移條件概率來(lái)表征。在離散情況下可用來(lái)表示，即在的條件下的條件概率。

第7章多用戶信息論7.2多址接入信道

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第7章多用戶信息論7.3廣播信道

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