無(wú)線信道的信道容量.ppt

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1、第四章無(wú)線信道的信道容量4.1AWGN信道容量4.2平坦衰落信道的容量4.2.1信道和系統(tǒng)模型4.2.2信道分布信息已知4.2.3接收端已知CSI4.2.4收發(fā)兩端都已知CSI4.2.5接收分集的信道容量4.2.6容量對(duì)比4.3頻率選擇性衰落信道的容量4.3.1時(shí)不變信道4.3.2時(shí)變信道第四章無(wú)線信道的信道容量4.1AWGN信道容量本章討論單用戶單天線系統(tǒng)的信道容量，包括時(shí)變信道和時(shí)不變信道的情況。首先介紹很熟悉的時(shí)不變加性高斯白噪聲信道的容量公式，然后研究時(shí)變平衰落信道的容量。一個(gè)離散時(shí)間加性高斯白噪聲信道：y[i]=x[i]+n[i]。假設(shè)信道帶寬為B，接

2、收信號(hào)功率是P。接收信噪比定義為x[i]的功率除以n[i]的功率，是恒定值。白噪聲的單邊功率譜密度是。AWGN信道的容量由著名的香農(nóng)公式給出：第四章無(wú)線信道的信道容量4.2平坦衰落信道的容量4.2.1信道和系統(tǒng)模型編碼器譯碼器發(fā)送機(jī)接收機(jī)信道wX[i]n[i]y[i]平衰落信道及系統(tǒng)模型如圖所示的平穩(wěn)遍歷離散時(shí)間信道，時(shí)變的信道增益為,信道的功率增益g[i]服從某種分布p[g],假設(shè)g[i]與信道的輸入無(wú)關(guān)。在分塊衰落信道中，g[i]在某一分塊時(shí)間T內(nèi)保持不變，之后依其分布p[g]變?yōu)榱硪粋€(gè)獨(dú)立的值。瞬時(shí)接收信噪比為，其均值為。由于恒定，g[i]的分布就決定了的

3、分布。第四章無(wú)線信道的信道容量4.2平坦衰落信道的容量4.2.1信道和系統(tǒng)模型信道容量取決于發(fā)送端和接收端對(duì)g[i]的了解概況，分為以下三種：（1）信道分布信息CDI已知：發(fā)送端和接收端都已知g[i]的分布。（2）接收端已知CSI：接收端已知g[i]在時(shí)刻i的值，且發(fā)送端和接收端都已知g[i]的分布。（3）發(fā)送端和接收端都已知CSI：發(fā)送端和接收端都已知g[i]在時(shí)刻i的值及g[i]的分布。瞬時(shí)信噪比為g[i]和常數(shù)的乘積，所以知道g[i]的CSI或CDI等于知道的CSI和CDI。第四章無(wú)線信道的信道容量4.2.2信道分部信息已知（CDI已知）已知CDI時(shí)，可到

4、達(dá)容量的輸入分布問(wèn)題在兩種情形下是可以求解的，一是獨(dú)立同分布的瑞利衰落信道，二是有限狀態(tài)馬爾科夫（FSMC）信道。在獨(dú)立同分布的瑞利衰落信道中，功率增益服從指數(shù)分布，并且對(duì)于不同的信道使用。信道增益是獨(dú)立變化的。具體分布函數(shù)及對(duì)應(yīng)的信道容量并無(wú)閉式解，只能以數(shù)值方法求得。FSMC的容量取決于信道在所有過(guò)去輸入和輸出條件下的極限分布，可用迭代的方法求出。如同獨(dú)立同分布瑞利衰落的情形，對(duì)于FSMC這樣簡(jiǎn)單的分布，信道容量的分析也非常復(fù)雜。由此可見(jiàn)，僅CDI已知時(shí)，信道容量的分析以及由此尋求相應(yīng)的設(shè)計(jì)思路都是非常困難的。第四章無(wú)線信道的信道容量4.2.3接收端已知CS

5、I此時(shí)有兩種信道容量的定義：一種是香農(nóng)容量，也叫遍歷容量，另一種是帶中斷容量，這兩種容量對(duì)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)都有重要的意義。1、香農(nóng)容量香農(nóng)容量定義為可使誤碼率任意小的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。對(duì)于給定平均功率限制且接收端已知CSI的衰落信道，香農(nóng)容量為：對(duì)于相同的平均信噪比，接收端已知CSI時(shí)的香農(nóng)容量要比AWGN信道容量小，即僅接收端已知CSI時(shí)衰落將使容量減小。第四章無(wú)線信道的信道容量4.2.3接收端已知CSI2、帶中斷的容量帶中斷容量定義為中斷率下信道能傳送的最大的恒定傳輸速率。帶中斷容量允許在某個(gè)突發(fā)時(shí)段以一定的概率譯錯(cuò)所傳輸?shù)谋忍?。發(fā)送端確定一個(gè)最小接收信噪比，再

6、按這個(gè)信噪比確定一個(gè)速率，然后在所有突發(fā)中以這個(gè)速率傳輸。如果接收的瞬時(shí)信噪比大于或等于，則能正確譯碼。若接收信噪比小于，就不能以接近1的概率譯對(duì)突發(fā)中的所有數(shù)據(jù)比特，此時(shí)接收機(jī)將指示出現(xiàn)了一次中斷。出現(xiàn)中斷的概率為。在所有突發(fā)中，正確傳輸?shù)母怕适?，所以平均正確接收的數(shù)據(jù)速率為第四章無(wú)線信道的信道容量4.2.4接收兩端都已知CSI允許瞬時(shí)的發(fā)送功率隨變化，并受限于平均功率：編碼器信道估計(jì)發(fā)送機(jī)接收機(jī)信道wX[i]n[i]y[i]收發(fā)兩端都已知CSI時(shí)的系統(tǒng)模型功率控制P[i]譯碼器將平均功率受限下的衰落信道容量定義為：香農(nóng)容量第四章無(wú)線信道的信道容量4.2.4接

7、收兩端都已知CSI多路復(fù)用情況：按約束條件得到使香農(nóng)容量最大的最佳功率分配為：上式的最優(yōu)功率分配方法是時(shí)域的注水發(fā)功控。根據(jù)上式，得到信道容量公式為第四章無(wú)線信道的信道容量4.2.4接收兩端都已知CSI兩種次佳的傳輸方法：零中斷容量與信道反轉(zhuǎn)、中斷容量與截?cái)嗍叫诺婪崔D(zhuǎn)。零中斷容量與信道反轉(zhuǎn)它依靠發(fā)送端已知的CSI使接收端保持恒定接收功率，這種功率分配叫做信道反轉(zhuǎn)。信道反轉(zhuǎn)后衰落信道的容量就是信噪比為的AWGN信道的容量其優(yōu)點(diǎn)是可以不用考慮信道的狀態(tài)而以固定速率進(jìn)行傳輸。由于在所有信道狀態(tài)下傳輸速率不變，傳輸過(guò)程不會(huì)發(fā)生中斷，所以上式的容量又叫做零中斷容量。中斷容

8、量與截?cái)嗍叫诺婪崔D(zhuǎn)衰落信