（经典文章uplink）Information capacity and power control in single-cell multiuser communications（1995）

摘要：本文在用户衰落被完美测量的情况下，提出一种可最大程度提高单小区多用户通信平坦衰落的信息容量的功率控制。主要特征为：在任何特定的时刻，只有一个用户在整个带宽上进行传输，并且在信道良好时为用户分配更多的功率，而在信道不良时为用户分配更少的功率。另外，这些特征与衰落的统计无关。

本文给出了单径瑞利衰落情况下的数值结果。 结果表明，可以在理想功率控制（高斯）信道上实现容量的增加，尤其是在用户数量很大的情况下。 通过检查对立信令的误码率，结果显示了衰落信道上多用户通信中的固有多样性。

引言：

在当今使用的多用户蜂窝系统中，位于一个小区中的用户与该小区的中央基站之间存在两条主要的通信链路，即上行链路和下行链路。上行链路是指从用户到基站的信息流，它是经典多用户信道或多对一通信问题的示例（请参见[I]）。下行链路是相反的情况，即从基站到用户的信息流。这是广播频道或一对多通信问题的示例（再次参见[I]）。最近，人们对确定此类系统的容量非常感兴趣。在[21中，针对非衰落的高斯信道解决了单小区和多小区系统中的上行链路信道的信息容量。[31]表明在线性小区和六边形阵列中建模的多小区情况下，上行信道的容量没有衰减。关于衰落信道容量的最新工作包括[41，[51]。在[61]中，考虑了在平均功率约束下最大化单用户瑞利衰落信道容量的最佳功率控制方案。在这里，我们通过考虑单小区通信系统中的上行链路，将类似的想法扩展到多用户信道。所谓单小区，是指我们实际上只有一个单小区系统，或者我们认为来自相邻小区的干扰可以忽略不计。

在蜂窝环境中，来自不同用户的信号在具有不同特性的信道上传输，导致基站接收的功率不同。给定用户的平均接收功率与用户到基站的距离有关，相应地，信号强度或路径损耗也存在一定的损失。另一方面，由于多径衰落，瞬时功率通常是随时间变化的[71]。为了减轻这些情况，功率控制用于均衡基站处的接收功率。采用功率控制的系统使用基站接收功率的估计值来控制用户的发射功率。这通常以两种方式完成，即开环或闭环功率控制。前者指的是假设上行链路和下行链路信道高度相关，并且基站接收功率的估计是基于用户接收到的信号的。在后者中，在基站中执行估计，然后基站指示用户通过下行链路信道以一定功率进行发送。假设接收功率变化不会太快，功率控制器只需通过反转通道的路径损耗和衰落效应，尝试将所有接收功率保持在一定的标称水平。如果我们假设接收到的功率是完美估计的（在本文中就是这种情况，开环功率控制），那么我们就可以称之为“完美”功率控制。另外，如果基站处的信号被加性高斯白噪声破坏，则该信道将转换为信息容量已知的纯高斯多用户信道。

上行链路信道容量：

最优功率控制：

单径瑞利衰落的数值结果：

我们看到即使在两个用户的情况下，最佳功率控制的瑞利信道也具有比高斯信道更高的容量。 随着K的增加，我们看到最优方案的容量显着增加。 这不足为奇，因为对于许多用户而言，其中一个信道良好的概率很高，这意味着相应的用户可以高速率进行传输。 此外，如第2节所述，没有功率控制的瑞利信道的容量会随着用户数量的增加而迅速趋向于高斯信道的容量。

我们看到，当平均功率严重不匹配时，更强大的用户会受到青睐，因为它支配了和速率容量。 这意味着当平均功率没有得到很好的控制时，和速率容量就不是一个好的品质因数。

结论：

这项工作解决了衰落损坏的单小区多用户系统上行链路的功率控制。 使用速率总和作为品质因数并限制平均发射功率，我们发现了一种最佳功率控制方案，其主要特性与衰落统计无关。 最有趣的结果是，为了获得容量，只有一个用户可以在任何给定时间在整个带宽上进行传输。相对于所有用户的平均接收功率，该用户在特定时刻具有最强的信号。 也可能没有用户使用该信道，如果所有用户收到的功率都低于某个阈值，就会发生这种情况。有趣的是，最佳方案的工作方式与常规功率控制相反，因为它分配了 当用户接收到的功率较高时，为用户提供的功率更多，而当用户接收的功率较低时，则为用户提供的功率更少。

我们已经给出了瑞利衰落容量的数值结果。 他们表明，相对于传统的功率控制，对于较大的K而言，可以进行重大改进，尤其是在用户数量很多时。 为了使该方案有效，平均接收功率应尽可能接近相等。 我们已经使用次优方案确定了带有对等信号的误码率，其中只有最强瞬时信道上的用户才能发送。 以这种方式利用固有的多样性可以产生可观的性能回报。

我们目前正在努力为多接收器（多小区）情况和频率选择信道获得相似的结果。 同样，找到其他衰落环境（例如对数正态和Ricean）的数值结果也会很有趣。 为了评估这种方案的可行性，应确定衰落动力学和用户数量对平均发射时间的依赖性。