首先从定义和物理意义角度讨论无线信道的容量是什么,此处内容主要来自于 David Tse-Fundamentals of Wireless Communication。
之后讨论在不同信道以及不同通信场景下,信道容量的值,主要有两个维度:
1、当误码率接近无限小时,通信系统所允许的最高传输速率。
C = m a x ( R b ∣ B E R → 0 ) C=max(R_{\mathrm{b}}|BER \rightarrow 0) C=max(Rb∣BER→0)
2、信道输入与输出的互信息量的最大值。
C = max I ( input;output ) C=\text{max }I(\text{input;output}) C=max I(input;output)
根据采样定理,任何一个带宽为 B B B,时长为 T T T的信号,至少需要 N = 2 B T N=2BT N=2BT个样本才能重建,所以信号空间为 N N N维,所以任意一个信号可以看成是 N N N维欧氏空间中的一个点。
假设给定发送信号功率约束 P P P,高斯白噪声的方差为 σ 2 \sigma^{2} σ2,根据大数定律, N N N维接受矢量将高概位于半径为 N P + σ 2 \sqrt{N{P+\sigma^2}} NP+σ2的超球内,而考虑噪声的影响,对于发射星座点,对应接受矢量应高概位于半径为 N σ \sqrt{N}\sigma Nσ的噪声球附近。如果要无误通信,相邻噪声球不应该重叠,所以物理意义是将多个噪声球填充进入 N N N维信号空间的超球中,最大填充个数则是我们的信道容量:
N ( P + σ 2 ) N N σ 2 N \frac{\sqrt{N\left(P+\sigma^{2}\right)}^{N}}{\sqrt{N \sigma^{2}} N} Nσ2NN(P+σ2)N
比特化后有:
1 T log ( N ( P + σ 2 ) N N σ 2 N ) = B log ( 1 + P σ 2 ) \frac{1}{T} \log \left(\frac{\sqrt{N\left(P+\sigma^{2}\right)}^{N}}{\sqrt{N \sigma^{2}} N}\right)=B \log \left(1+\frac{P}{\sigma^{2}}\right) T1log(Nσ2NN(P+σ2)N)=Blog(1+σ2P)
物理意义图示如下:
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y [ i ] = x [ i ] + n [ i ] y[i]=x[i]+n[i] y[i]=x[i]+n[i]
AWGN信道无衰落,所以接受信噪比是恒定值 γ = P / ( N 0 B ) \gamma=P /\left(N_{0} B\right) γ=P/(N0B)
C = B log 2 ( 1 + γ ) C=B \log _{2}(1+\gamma) C=Blog2(1+γ)
容量最大输入是高斯分布。
香农容量是数据率的上界。
在AWGN基础上加入了平坦衰落,时变的信道增益系数为 g [ i ] , 0 ≤ g [ i ] \sqrt{g[i]}, 0 \leq g[i] g[i],0≤g[i],系统模型为:
y [ i ] = g [ i ] x [ i ] + n [ i ] y[i]=\sqrt{g[i]} x[i]+n[i] y[i]=g[i]x[i]+n[i]
系统框图:
信道功率增益系数 g [ i ] g[i] g[i]服从分布 p ( g ) p(g) p(g),则接受信噪比为:
γ [ i ] = P ˉ g [ i ] / ( N 0 B ) , 0 ≤ γ [ i ] < ∞ \gamma[i]=\bar{P} g[i] /\left(N_{0} B\right), 0 \leq \gamma[i]<\infty γ[i]=Pˉg[i]/(N0B),0≤γ[i]<∞
其中 P ˉ \bar{P} Pˉ为平均发送功率。
对于信道增益的先验信息有三种:
容量求解,用下式:
C = max p ( x ) I ( X ; Y ) = max p ( x ) ∑ x , y p ( x , y ) log ( p ( x , y ) p ( x ) p ( y ) ) C=\max _{p(x)} I(X ; Y)=\max _{p(x)} \sum_{x, y} p(x, y) \log \left(\frac{p(x, y)}{p(x) p(y)}\right) C=p(x)maxI(X;Y)=p(x)maxx,y∑p(x,y)log(p(x)p(y)p(x,y))
求解困难
此时有两种讨论容量的角度:
C = ∫ 0 ∞ B log 2 ( 1 + γ ) p ( γ ) d γ C=\int_{0}^{\infty} B \log _{2}(1+\gamma) p(\gamma) d \gamma C=∫0∞Blog2(1+γ)p(γ)dγ
这是一个理论恒定值,即不可将其理解为,当接受信噪比为 γ \gamma γ时,速率为 B log 2 ( 1 + γ ) B \log _{2}(1+\gamma) Blog2(1+γ),因为发端没有CSI,只能以恒定速率传输
E [ B log 2 ( 1 + γ ) ] = ∫ B log 2 ( 1 + γ ) p ( γ ) d γ ≤ B log 2 ( 1 + E [ γ ] ) = B log 2 ( 1 + γ ˉ ) \begin{aligned} &\begin{aligned} E\left[B \log _{2}(1+\gamma)\right] &=\int B \log _{2}(1+\gamma) p(\gamma) d \gamma \\ & \leq B \log _{2}(1+E[\gamma])\\ &=B \log _{2}(1+\bar{\gamma}) \end{aligned}\\ \end{aligned} E[Blog2(1+γ)]=∫Blog2(1+γ)p(γ)dγ≤Blog2(1+E[γ])=Blog2(1+γˉ)
可见对于相同的平均接受信噪比 γ ˉ \bar{\gamma} γˉ,CSIR的信道容量小于AWGN的信道容量,这说明信道衰落总是会降低容量。
快变信道,因为其要求信道编码应该遍历各个信道状态,而慢变信道造成的编码长度太长。
在允许一定误码时(出错重传)的信道容量,则与各态历经相比则可以获得更高的信道容量。
由可接受中断概率 p o u t p_{out} pout给一个最小的接受信噪比 p out = p ( γ < γ min ) p_{\text {out }}=p\left(\gamma<\gamma_{\min }\right) pout =p(γ<γmin),则中断容量为:
C = B log 2 ( 1 + γ min ) C=B \log _{2}\left(1+\gamma_{\min }\right) C=Blog2(1+γmin)
平均正确接收的信息率为:
C o = ( 1 − p out ) B log 2 ( 1 + γ min ) C_{o}=\left(1-p_{\text {out }}\right) B \log _{2}\left(1+\gamma_{\min }\right) Co=(1−pout )Blog2(1+γmin)
慢变信道
CSIT引入最大的不同在于,发端可以控制信息传输速率以及功率控制,进而提供容量增益。
此时信道容量为:
C = ∫ 0 ∞ C γ p ( γ ) d γ = ∫ 0 ∞ B log 2 ( 1 + γ ) p ( γ ) d γ C=\int_{0}^{\infty} C_{\gamma} p(\gamma) d \gamma=\int_{0}^{\infty} B \log _{2}(1+\gamma) p(\gamma) d \gamma C=∫0∞Cγp(γ)dγ=∫0∞Blog2(1+γ)p(γ)dγ
从上式可以看出,当CSIRT时,如果不进行功率控制,仅根据接收信噪比调整发送速率,不会增加信道容量,但可以有效提高系统的平均传输速率(使其接近CSIR信道容量)
进行功率分配的过程数学化为:
C = max P ( γ ) : ∫ P ( γ ) p ( γ ) d γ = P ˉ ∫ 0 ∞ B log 2 ( 1 + P ( γ ) γ P ˉ ) p ( γ ) d γ C=\max _{P(\gamma): \int P(\gamma) p(\gamma) d \gamma=\bar{P}} \int_{0}^{\infty} B \log _{2}\left(1+\frac{P(\gamma) \gamma}{\bar{P}}\right) p(\gamma) d \gamma C=P(γ):∫P(γ)p(γ)dγ=Pˉmax∫0∞Blog2(1+PˉP(γ)γ)p(γ)dγ
对上式,构造Lagrange:
J ( P ( γ ) ) = ∫ 0 ∞ B log 2 ( 1 + γ P ( γ ) P ˉ ) p ( γ ) d γ − λ ∫ 0 ∞ P ( γ ) p ( γ ) d γ J(P(\gamma))=\int_{0}^{\infty} B \log _{2}\left(1+\frac{\gamma P(\gamma)}{\bar{P}}\right) p(\gamma) d \gamma-\lambda \int_{0}^{\infty} P(\gamma) p(\gamma) d \gamma J(P(γ))=∫0∞Blog2(1+PˉγP(γ))p(γ)dγ−λ∫0∞P(γ)p(γ)dγ
令导数为零求极值:
∂ J ( P ( γ ) ) ∂ P ( γ ) = [ ( B / ln ( 2 ) 1 + γ P ( γ ) / P ˉ ) γ P ˉ − λ ] p ( γ ) = 0 \frac{\partial J(P(\gamma))}{\partial P(\gamma)}=\left[\left(\frac{B / \ln (2)}{1+\gamma P(\gamma) / \bar{P}}\right) \frac{\gamma}{\bar{P}}-\lambda\right] p(\gamma)=0 ∂P(γ)∂J(P(γ))=[(1+γP(γ)/PˉB/ln(2))Pˉγ−λ]p(γ)=0
解得最优功控:
P ( γ ) P ˉ = { 1 γ 0 − 1 γ γ ≥ γ 0 0 γ < γ 0 \frac{P(\gamma)}{\bar{P}}=\left\{\begin{array}{ll} \frac{1}{\gamma_{0}}-\frac{1}{\gamma} & \gamma \geq \gamma_{0} \\ 0 & \gamma<\gamma_{0} \end{array}\right. PˉP(γ)={γ01−γ10γ≥γ0γ<γ0
其中 γ 0 \gamma_{0} γ0为中断门限,表明我们仅在 γ 0 ≤ γ [ i ] < ∞ \gamma_{0} \leq \gamma[i]<\infty γ0≤γ[i]<∞使用信道。且满足:
∫ γ 0 ∞ ( 1 γ 0 − 1 γ ) p ( γ ) d γ = 1 \int_{\gamma_{0}}^{\infty}\left(\frac{1}{\gamma_{0}}-\frac{1}{\gamma}\right) p(\gamma) d \gamma=1 ∫γ0∞(γ01−γ1)p(γ)dγ=1
γ 0 \gamma_{0} γ0无闭式解,通过数值解法求解。
将上式代入原信道容量公式,有:
C = ∫ γ 0 ∞ B log 2 ( γ γ 0 ) p ( γ ) d γ C=\int_{\gamma_{0}}^{\infty} B \log _{2}\left(\frac{\gamma}{\gamma_{0}}\right) p(\gamma) d \gamma C=∫γ0∞Blog2(γ0γ)p(γ)dγ
1 / γ 0 1/\gamma_{0} 1/γ0为水深, 1 / γ 1/\gamma 1/γ为碗深,我们向碗中注水直至水的总体积为总功率。
表明,在数据传输过程中,我们在信道条件好的时候( γ \gamma γ较大时),多分配功率,且用高速率传输;在信道条件差的时候( γ \gamma γ较小时),少分配功率,且用低速率传输;如果信道条件太差(低于 γ 0 \gamma_{0} γ0),则不进行数据传输。
恒速率传输,用功控直接抵消信道衰减的影响,使得整个信道等效于AWGN信道。
信道反转由 P ( γ ) / P ˉ = σ / γ P(\gamma) / \bar{P}=\sigma / \gamma P(γ)/Pˉ=σ/γ确定, σ \sigma σ是满足功率约束条件下的恒定接收信噪比。
零中断信道容量为:
C = B log 2 [ 1 + σ ] = B log 2 [ 1 + 1 E [ 1 / γ ] ] C=B \log _{2}[1+\sigma]=B \log _{2}\left[1+\frac{1}{\mathbf{E}[1 / \gamma]}\right] C=Blog2[1+σ]=Blog2[1+E[1/γ]1]
上述也是零中断信道反转容量,当考虑中断概率时,只有条件好于中断门限才补偿,否则不传:
P ( γ ) P ˉ = { σ γ γ ≥ γ 0 0 γ < γ 0 \frac{P(\gamma)}{\bar{P}}=\left\{\begin{array}{ll} \frac{\sigma}{\gamma} & \gamma \geq \gamma_{0} \\ 0 & \gamma<\gamma_{0} \end{array}\right. PˉP(γ)={γσ0γ≥γ0γ<γ0
则中断概率为 p o u t p_{out} pout时吞吐量为:
C ( p out ) = B log 2 ( 1 + 1 E γ 0 [ 1 / γ ] ) p ( γ ≥ γ 0 ) C\left(p_{\text {out }}\right)=B \log _{2}\left(1+\frac{1}{\mathbf{E}_{\gamma_{0}}[1 / \gamma]}\right) p\left(\gamma \geq \gamma_{0}\right) C(pout )=Blog2(1+Eγ0[1/γ]1)p(γ≥γ0)
取中断概率使得上式最大即为最大中断容量:
C = max γ 0 B log 2 ( 1 + 1 E γ 0 [ 1 / γ ] ) p ( γ ≥ γ 0 ) C=\max _{\gamma_{0}} B \log _{2}\left(1+\frac{1}{\mathbf{E}_{\gamma_{0}}[1 / \gamma]}\right) p\left(\gamma \geq \gamma_{0}\right) C=γ0maxBlog2(1+Eγ0[1/γ]1)p(γ≥γ0)
其中 E γ 0 [ 1 / γ ] ≜ ∫ γ 0 ∞ 1 γ p ( γ ) d γ \mathbf{E}_{\gamma_{0}}[1 / \gamma] \triangleq \int_{\gamma_{0}}^{\infty} \frac{1}{\gamma} p(\gamma) d \gamma Eγ0[1/γ]≜∫γ0∞γ1p(γ)dγ
下面有对数正态分布,瑞利衰落、Nakagami衰落下容量对比,三种信道衰落剧烈程度递减:
如图关注三个问题:
基本等同于平台衰落,仅是问题构建不同,这里只讨论CSIRT
按频率切开:
容量:
C = ∑ max P j : ∑ j P j ≤ P B log 2 ( 1 + ∣ H j ∣ 2 P j N 0 B ) C=\sum_{\max P_{j}: \sum_{j} P_{j} \leq P} B \log _{2}\left(1+\frac{\left|H_{j}\right|^{2} P_{j}}{N_{0} B}\right) C=maxPj:∑jPj≤P∑Blog2(1+N0B∣Hj∣2Pj)
功控采用频率注水:
P j P = { 1 γ 0 − 1 γ j γ j ≥ γ 0 0 γ j < γ 0 \frac{P_{j}}{P}=\left\{\begin{array}{ll} \frac{1}{\gamma_{0}}-\frac{1}{\gamma_{j}} & \gamma_{j} \geq \gamma_{0} \\ 0 & \gamma_{j}<\gamma_{0} \end{array}\right. PPj={γ01−γj10γj≥γ0γj<γ0