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1、信息论与编码信息论与编码第第7 7章章 多用户信息论多用户信息论北京大学出版社北京大学出版社9/18/2024多用户信息论引言引言 随着网络通信技术的发展，以单信源、单信宿为基础建立起的经典信息随着网络通信技术的发展，以单信源、单信宿为基础建立起的经典信息论，已经无法满足研究通信网络的编码和信道容量问题的需要，于是多用论，已经无法满足研究通信网络的编码和信道容量问题的需要，于是多用户信息论（网络信息论）成为人们关注的热点，并在实际的通信系统中已户信息论（网络信息论）成为人们关注的热点，并在实际的通信系统中已经得到广泛的应用。经得到广泛的应用。u案例一：案例一： 卫星通信。地球上的卫星通信。地球
2、上的无线电通信无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信，站间利用卫星作为中继而进行的通信，卫星和地面之间的下行通道就是多用户信道中的广播信道，卫星将来自各卫星和地面之间的下行通道就是多用户信道中的广播信道，卫星将来自各地面站的信息经过编码后统一发回地面，各地面站经过各自的译码器译出地面站的信息经过编码后统一发回地面，各地面站经过各自的译码器译出所需信息。所需信息。u案例二：案例二： 微波中继通信。它是指利用微波作为载波，采用中继（接力）方式在微波中继通信。它是指利用微波作为载波，采用中继（接力）方式在地面上进行无线通信，一对地面站可经过一个或多个卫星中转或经地面通地面上进行无线通信，一对地面
3、站可经过一个或多个卫星中转或经地面通信转接实现单向通信，卫星和地面站之间的通道就是中继信道。信转接实现单向通信，卫星和地面站之间的通道就是中继信道。第第7章章 多用户信息论多用户信息论多用户信息论7.1 7.1 多用户信道多用户信道 前面讨论的信道均只有一个输入端和一个输出端，称为单用户信道，采用单前面讨论的信道均只有一个输入端和一个输出端，称为单用户信道，采用单用户信道的系统称为单路通信系统。前面讨论的是两个用户之间（一个信源，一用户信道的系统称为单路通信系统。前面讨论的是两个用户之间（一个信源，一个信宿）的通信问题，情况比较简单，适用于作深入的理论分析。但实际的通信个信宿）的通信问题，情况
4、比较简单，适用于作深入的理论分析。但实际的通信系统是多用户通信系统，例如，单向的无线电台、电视台广播、有线广播或双向系统是多用户通信系统，例如，单向的无线电台、电视台广播、有线广播或双向的计算机通信、网络通信等，这些均属于多用户信道。的计算机通信、网络通信等，这些均属于多用户信道。7.1.1 多用户通信 多用户通信近些年来得到了很大发展，特别是以卫星通信、移动无线和基于多用户通信近些年来得到了很大发展，特别是以卫星通信、移动无线和基于扩频的扩频的CDMACDMA等典型多址技术的应用，更具长足发展的前景。等典型多址技术的应用，更具长足发展的前景。 多用户通信就是指多个用户通过一定接入方式和基于通
5、信资源的某种正交分割多用户通信就是指多个用户通过一定接入方式和基于通信资源的某种正交分割方式，同时共享该信道资源，简而言之，多用户通信就是一个通信信道被多个用户方式，同时共享该信道资源，简而言之，多用户通信就是一个通信信道被多个用户同时使用。由定义表明多用户通信覆盖广泛的通信领域，并包括较为传统的各种复同时使用。由定义表明多用户通信覆盖广泛的通信领域，并包括较为传统的各种复用和近些年大量发展的光波分复用，各种多址模式和随机接入（多址）方式，以及用和近些年大量发展的光波分复用，各种多址模式和随机接入（多址）方式，以及广播系统等。广播系统等。第第7章章 多用户信息论多用户信息论多用户信息论 多址是
6、在相应复用形式的基础上脱颖而出的，它突出强调了多用户的多址是在相应复用形式的基础上脱颖而出的，它突出强调了多用户的“接入接入”特特点点多用户（比一般复用系统大得多的用户数）可在地球广阔领域（地、空、多用户（比一般复用系统大得多的用户数）可在地球广阔领域（地、空、海域）实施个体分布性、遥远分散性的灵活与随机接入，多址模式就是如此超出已海域）实施个体分布性、遥远分散性的灵活与随机接入，多址模式就是如此超出已有复用概念的特殊接入方式下的复用。多址的类型有很多，如时分多址有复用概念的特殊接入方式下的复用。多址的类型有很多，如时分多址(TDMA)(TDMA)，码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)，频
7、分多址，频分多址(FDMA)(FDMA)等，这些方式在实际的通信系统中都得到了等，这些方式在实际的通信系统中都得到了广泛的应用。广泛的应用。 在我们的生活中，一些实际的通信系统如电话交换网、广播系统网、卫星电视在我们的生活中，一些实际的通信系统如电话交换网、广播系统网、卫星电视网等都是多用户通信系统，也称为网络通信系统。这些系统的输入端涉及到两个或网等都是多用户通信系统，也称为网络通信系统。这些系统的输入端涉及到两个或两个以上的信源，或者输出端涉及到两个或两个以上的信宿（终端或用户）。近年两个以上的信源，或者输出端涉及到两个或两个以上的信宿（终端或用户）。近年来，随着手机和个人计算机的普及，推
8、动了移动通信和以计算机为中心的互联网的来，随着手机和个人计算机的普及，推动了移动通信和以计算机为中心的互联网的迅速发展，形成了全国性甚至全球性的通信，在这些通信网中，信息是在多用户和迅速发展，形成了全国性甚至全球性的通信，在这些通信网中，信息是在多用户和多方向中流通的，实际上都是多用户通信。多方向中流通的，实际上都是多用户通信。7.1.2 7.1.2 多用户信道的分类多用户信道的分类 多用户信道可以允许多个输入端和输出端，一般情况下可以将多用户信道划多用户信道可以允许多个输入端和输出端，一般情况下可以将多用户信道划分成下列几种典型类型。分成下列几种典型类型。第第7章章 多用户信息论多用户信息论
9、多用户信息论多址接入信道多址接入信道 多址接入信道是指多个用户的信息用各自的编码器编码后，送入同一信道传输多址接入信道是指多个用户的信息用各自的编码器编码后，送入同一信道传输到信宿，而信宿端却只有一个译码器进行译码，然后将译码后的信号分送给多个不到信宿，而信宿端却只有一个译码器进行译码，然后将译码后的信号分送给多个不同的用户。显然，这是有多个输入端（多个译码器）和一个输出端（一个译码器）同的用户。显然，这是有多个输入端（多个译码器）和一个输出端（一个译码器）的多用户信道。的多用户信道。 卫星通信系统中，个地面站同时与一个公用卫星进行通信的上行链路就是多址卫星通信系统中，个地面站同时与一个公用卫
10、星进行通信的上行链路就是多址接入信道的实例。同卫星通信系统的上行通道一样，移动通信系统中多个移动终端接入信道的实例。同卫星通信系统的上行通道一样，移动通信系统中多个移动终端（手机）与基站通信的上行链路也是一种典型的多址接入信道，如图（手机）与基站通信的上行链路也是一种典型的多址接入信道，如图7.17.1所示。第所示。第一代和第二代移动通信分别采用时分多址、频分多址技术，无线资源在时域或频域一代和第二代移动通信分别采用时分多址、频分多址技术，无线资源在时域或频域被划分成多个独立的信道，实现多用户信息传输，但从信息论的角度来看，这些技被划分成多个独立的信道，实现多用户信息传输，但从信息论的角度来看
11、，这些技术并不是最优的，信道利用率有待进一步的提高。第三代移动通信系统，如术并不是最优的，信道利用率有待进一步的提高。第三代移动通信系统，如CDMA2000CDMA2000，WCDMAWCDMA，TD-SCDMATD-SCDMA均采用码分多址技术，能够更好地利用信道均采用码分多址技术，能够更好地利用信道资源。资源。 第第7章章 多用户信息论多用户信息论多用户信息论图图7.1 移动通信系统上行链路移动通信系统上行链路第第7章章 多用户信息论多用户信息论多用户信息论广播信道广播信道 广播信道与多址接入信道正好相反，这种信道将多个信源的信息放在一起进广播信道与多址接入信道正好相反，这种信道将多个信源
12、的信息放在一起进行统一编码，然后送入信道，在信宿端则有多个译码器，多个译码器对应译出多个行统一编码，然后送入信道，在信宿端则有多个译码器，多个译码器对应译出多个信源的信息，分别送给对应的多个用户。显然，这是一个输入端（一个编码器）和信源的信息，分别送给对应的多个用户。显然，这是一个输入端（一个编码器）和多个输出端（多个译码器）的多用户信道。多个输出端（多个译码器）的多用户信道。 卫星通信系统中卫星和地面之间的下行通道，如图卫星通信系统中卫星和地面之间的下行通道，如图7.2所示。它和广播电视台到所示。它和广播电视台到电视接收机之间的通道都是最常见的广播信道。电视接收机之间的通道都是最常见的广播信
13、道。第第7章章 多用户信息论多用户信息论图图7.2 7.2 卫星通信系统的下行信道卫星通信系统的下行信道多用户信息论中继信道中继信道 中继信道是广播信道和多址接入信道的一种组合，如图中继信道是广播信道和多址接入信道的一种组合，如图7.37.3所示。它是两个用所示。它是两个用户之间通过多种途径进行中转通信时所用到的单向信道。输入信源在传输过程中经户之间通过多种途径进行中转通信时所用到的单向信道。输入信源在传输过程中经过广播信道同时送至中继器（可以是多级）和终端，中继器的输出（也可能是多个）过广播信道同时送至中继器（可以是多级）和终端，中继器的输出（也可能是多个）和原始信源再以多址接入信道的方式送
14、至终端，此时的广播信道和多址接入信道构和原始信源再以多址接入信道的方式送至终端，此时的广播信道和多址接入信道构成中继信道。成中继信道。第第7章章 多用户信息论多用户信息论图图7.3 7.3 中继信道中继信道多用户信息论 如图如图7.47.4所示的中继微波接力通信系统就属于这类模型。事实上，如果考虑到所示的中继微波接力通信系统就属于这类模型。事实上，如果考虑到多径效应，信号往往可以通过直接入射和多次反射等途径达到终端，因而实际的多径效应，信号往往可以通过直接入射和多次反射等途径达到终端，因而实际的空间环境均可视为广义的中继信道。空间环境均可视为广义的中继信道。图图7.4 7.4 多径效应下的中继
15、信道多径效应下的中继信道第第7章章 多用户信息论多用户信息论多用户信息论串扰信道串扰信道 当两对或多对用户利用公共信道传送信息时，彼此之间可能发生串扰，这种信当两对或多对用户利用公共信道传送信息时，彼此之间可能发生串扰，这种信道称为串扰信道，如图道称为串扰信道，如图7.5所示。所示。第第7章章 多用户信息论多用户信息论 图图7.5 7.5 串扰信道串扰信道 串扰是通信系统中普遍存在的现象，尤其是在高频电子线路中，必须考虑信道之间串扰是通信系统中普遍存在的现象，尤其是在高频电子线路中，必须考虑信道之间的电磁干扰（的电磁干扰（EMIEMI）和电磁兼容（）和电磁兼容（EMCEMC）。）。多用户信息论
16、双向信道双向信道 双向信道有两个发送端和两个接收端，在双向信道上，一对用户的每一方在通双向信道有两个发送端和两个接收端，在双向信道上，一对用户的每一方在通信时可以同时发送和接收，在信道的两端都有一个入口和一个出口，如图信时可以同时发送和接收，在信道的两端都有一个入口和一个出口，如图7.67.6所示。所示。图图7.6 7.6 双向信道双向信道第第7章章 多用户信息论多用户信息论多用户信息论 在计算机网络中双机直联线搭建的双机系统就是一种典型的双向通信系统，如在计算机网络中双机直联线搭建的双机系统就是一种典型的双向通信系统，如图图7.77.7所示，计算机作为信源所示，计算机作为信源1 1和信宿和信
17、宿2 2，计算机作为信宿，计算机作为信宿1 1和信源和信源2.2.第第7章章 多用户信息论多用户信息论图图7.7 7.7 双机直联系统双机直联系统多用户信息论具有反馈的信道具有反馈的信道 系统的译码器输出有部分信息反馈传送到编码器，这种信道称为具有反馈的信系统的译码器输出有部分信息反馈传送到编码器，这种信道称为具有反馈的信道，如图道，如图7.87.8所示。图中所示。图中(a)(a)是具有反馈的简单信道，它是在香农的单向通信系统上是具有反馈的简单信道，它是在香农的单向通信系统上加了一个反馈线路。图中加了一个反馈线路。图中(b)(b)是具有反馈的多元信道，它是在多元接入信道上加了从是具有反馈的多元
18、信道，它是在多元接入信道上加了从译码器到编码器的反馈信号。译码器到编码器的反馈信号。第第7章章 多用户信息论多用户信息论(a) (a) 具有反馈的简单信道具有反馈的简单信道多用户信息论(b) (b) 具有反馈的多元信道具有反馈的多元信道图图7.8 7.8 具有反馈的信道具有反馈的信道第第7章章 多用户信息论多用户信息论多用户信息论 前面简单的介绍了多址接入信道，现在以两个输入的多址接入信道为例来说明信前面简单的介绍了多址接入信道，现在以两个输入的多址接入信道为例来说明信道容量。两个输入的多址接入信道如图道容量。两个输入的多址接入信道如图7.97.9所示。所示。 图图7.9 7.9 二元接入多用
19、户信道二元接入多用户信道 设两个输入变量分别为设两个输入变量分别为 和和 ，一个输出变量为，一个输出变量为 ，则信道特性可用转移条件概，则信道特性可用转移条件概率率 来表征。在离散情况下可用来表征。在离散情况下可用 来表示，即在来表示，即在 的条件下的条件下 的条件概率。的条件概率。 第第7章章 多用户信息论多用户信息论7.2 7.2 多址接入信道多址接入信道 多用户信息论第第7章章 多用户信息论多用户信息论多用户信息论第第7章章 多用户信息论多用户信息论多用户信息论第第7章章 多用户信息论多用户信息论多用户信息论第第7章章 多用户信息论多用户信息论多用户信息论第第7章章 多用户信息论多用户信息论7.3 广播信道 多用户信息论第第7章章 多用户信息论多用户信息论多用户信息论第第7章章 多用户信息论多用户信息论多用户信息论第第7章章 多用户信息论多用户信息论多用户信息论第第7章章 多用户信息论多用户信息论多用户信息论第第7章章 多用户信息论多用户信息论多用户信息论第第7章章 多用户信息论多用户信息论7.4 7.4 多用户信道的编码定理多用户信道的编码定理 多用户信息论第第7章章 多用户信息论多用户信息论多用户信息论
