多用戶信息論

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引言

隨著網絡通信技術的發(fā)展，以單信源、單信宿為基礎建立起的經典信息論，已經無法滿足研究通信網絡的編碼和信道容量問題的需要，于是多用戶信息論（網絡信息論）成為人們關注的熱點，并在實際的通信系統(tǒng)中已經得到廣泛的應用。案例一：衛(wèi)星通信。地球上的無線電通信站間利用衛(wèi)星作為中繼而進行的通信，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)星將來自各地面站的信息經過編碼后統(tǒng)一發(fā)回地面，各地面站經過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）方式在地面上進行無線通信，一對地面站可經過一個或多個衛(wèi)星中轉或經地面通信轉接實現單向通信，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輸入端和一個輸出端，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)。前面討論的是兩個用戶之間（一個信源，一個信宿）的通信問題，情況比較簡單，適用于作深入的理論分析。但實際的通信系統(tǒng)是多用戶通信系統(tǒng)，例如，單向的無線電臺、電視臺廣播、有線廣播或雙向的計算機通信、網絡通信等，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得到了很大發(fā)展，特別是以衛(wèi)星通信、移動無線和基于擴頻的CDMA等典型多址技術的應用，更具長足發(fā)展的前景。多用戶通信就是指多個用戶通過一定接入方式和基于通信資源的某種正交分割方式，同時共享該信道資源，簡而言之，多用戶通信就是一個通信信道被多個用戶同時使用。由定義表明多用戶通信覆蓋廣泛的通信領域，并包括較為傳統(tǒng)的各種復用和近些年大量發(fā)展的光波分復用，各種多址模式和隨機接入（多址）方式，以及廣播系統(tǒng)等。

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多址是在相應復用形式的基礎上脫穎而出的，它突出強調了多用戶的“接入”特點———多用戶（比一般復用系統(tǒng)大得多的用戶數）可在地球廣闊領域（地、空、海域）實施個體分布性、遙遠分散性的靈活與隨機接入，多址模式就是如此超出已有復用概念的特殊接入方式下的復用。多址的類型有很多，如時分多址(TDMA)，碼分多址(CDMA)，頻分多址(FDMA)等，這些方式在實際的通信系統(tǒng)中都得到了廣泛的應用。在我們的生活中，一些實際的通信系統(tǒng)如電話交換網、廣播系統(tǒng)網、衛(wèi)星電視網等都是多用戶通信系統(tǒng)，也稱為網絡通信系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的輸入端涉及到兩個或兩個以上的信源，或者輸出端涉及到兩個或兩個以上的信宿（終端或用戶）。近年來，隨著手機和個人計算機的普及，推動了移動通信和以計算機為中心的互聯網的迅速發(fā)展，形成了全國性甚至全球性的通信，在這些通信網中，信息是在多用戶和多方向中流通的，實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,共28頁，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用戶的信息用各自的編碼器編碼后，送入同一信道傳輸到信宿，而信宿端卻只有一個譯碼器進行譯碼，然后將譯碼后的信號分送給多個不同的用戶。顯然，這是有多個輸入端（多個譯碼器）和一個輸出端（一個譯碼器）的多用戶信道。衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，個地面站同時與一個公用衛(wèi)星進行通信的上行鏈路就是多址接入信道的實例。同衛(wèi)星通信系統(tǒng)的上行通道一樣，移動通信系統(tǒng)中多個移動終端（手機）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通信分別采用時分多址、頻分多址技術，無線資源在時域或頻域被劃分成多個獨立的信道，實現多用戶信息傳輸，但從信息論的角度來看，這些技術并不是最優(yōu)的，信道利用率有待進一步的提高。第三代移動通信系統(tǒng)，如CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA均采用碼分多址技術，能夠更好地利用信道資源。

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

第7章多用戶信息論第6頁,共28頁，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，這種信道將多個信源的信息放在一起進行統(tǒng)一編碼，然后送入信道，在信宿端則有多個譯碼器，多個譯碼器對應譯出多個信源的信息，分別送給對應的多個用戶。顯然，這是一個輸入端（一個編碼器）和多個輸出端（多個譯碼器）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。它和廣播電視臺到電視接收機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,共28頁，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。它是兩個用戶之間通過多種途徑進行中轉通信時所用到的單向信道。輸入信源在傳輸過程中經過廣播信道同時送至中繼器（可以是多級）和終端，中繼器的輸出（也可能是多個）和原始信源再以多址接入信道的方式送至終端，此時的廣播信道和多址接入信道構成中繼信道。

第7章多用戶信息論圖7.3中繼信道第8頁,共28頁，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。事實上，如果考慮到多徑效應，信號往往可以通過直接入射和多次反射等途徑達到終端，因而實際的空間環(huán)境均可視為廣義的中繼信道。圖7.4多徑效應下的中繼信道

第7章多用戶信息論第9頁,共28頁，2024年2月25日，星期天⒋串擾信道當兩對或多對用戶利用公共信道傳送信息時，彼此之間可能發(fā)生串擾，這種信道稱為串擾信道，如圖7.5所示。

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圖7.5串擾信道串擾是通信系統(tǒng)中普遍存在的現象，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,共28頁，2024年2月25日，星期天⒌雙向信道雙向信道有兩個發(fā)送端和兩個接收端，在雙向信道上，一對用戶的每一方在通信時可以同時發(fā)送和接收，在信道的兩端都有一個入口和一個出口，如圖7.6所示。圖7.6雙向信道

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在計算機網絡中雙機直聯線搭建的雙機系統(tǒng)就是一種典型的雙向通信系統(tǒng)，如圖7.7所示，計算機作為信源1和信宿2，計算機作為信宿1和信源2.

第7章多用戶信息論圖7.7雙機直聯系統(tǒng)第12頁,共28頁，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)是具有反饋的簡單信道，它是在香農的單向通信系統(tǒng)上加了一個反饋線路。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。

第7章多用戶信息論(a)具有反饋的簡單信道第13頁,共28頁，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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前面簡單的介紹了多址接入信道，現在以兩個輸入的多址接入信道為例來說明信道容量。兩個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兩個輸入變量分別為和，一個輸出變量為，則信道特性可用轉移條件概率來表征。在離散情況下可用來表示，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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