OFDMA是下一代移动通信IMT-Advanced的核心技术,其资源分配问题吸引了工业界和学术界的广泛关注。已有的研究是将OFDMA资源分配表述为优化问题,并应用凸优化或其它优化算法数值求解。目前,这类方法尚不能解析的评估系统性能,无法研究系统参数的内在联系。本研究旨在通过解析方法从理论框架和实用算法两个层面来揭示支配OFDMA资源分配性能的基本规律,为OFDMA系统的设计奠定基础。本论文围绕系统模型、性能指标和分析方法这三个要素展开研究,旨在解决以下五个方面的科学问题:OFDMA系统建模、资源分配的性能刻画,OFDMA资源分配的极限性能,联合编码的性能评估,子载波分配算法设计。本论文综合运用了随机图论、广义匹配、大偏差原理、Meijer’s G-函数等数学工具。所取得的主要成果包括:为OFDMA系统建立了随机二分图模型;提出了中断指数界的概念,以衡量OFDMA资源分配的综合性能;针对连续子载波分配系统、非连续子载波分配的无编码系统和非连续子载波分配的编码系统提出了用于子载波分配的等概最大匹配方法、等概最大约束H-匹配方法和等概最大f-匹配方法,并计算了这些方法的中断概率和最优分集–复用折衷;导出了频域联合编码的中断指数界;设计了低复杂度的最优子载波分配算法。本论文建立的理论框架将中断概率、误码指数界、传输速率、中断容量、遍历容量和分集-复用折衷纳入了统一的体系,全面的衡量了相干带宽、信噪比和用户数等系统参数与资源分配性能的内在联系。所采用的广义匹配方法不仅完全利用了信道提供的分集增益和复用增益,还充分利用了多用户分集。在相干带宽少于用户数时,不需任何频域联合编码,就可以使OFDMA系统达到最优中断性能。由此导出的子载波分配算法的复杂度仅为O(N2/3)(N是子载波数),远低于迭代算法或启发式算法。这些算法仅需要每个子载波有1bit的信道状态信息,对信道测量的要求低、信令开销小。中断指数界的方法还解决了于上世纪九十年代初提出的块衰落信道的中断概率计算问题。