为了应对人们不断增长的无线业务需求,国际电信联盟(ITU)于2008年正式启动了第四代无线移动通信系统(4G)的标准征集工作。ITU希望4G系统能够提供最高可达1Gbps的下行峰值速率。要实现这样的目标,首先需要考虑如何使4G系统实现最高可达100MHz的系统带宽。载波聚合(CA)技术是4G系统中最为重要的技术之-它不仅能够帮助4G系统以非常灵活的方式实现大系统带宽,还能使4G系统保持良好的后向兼容性,从而加快4G系统的商用进程。本论文以基于CA技术的无线通信系统,即无线载波聚合系统,为研究对象,主要关注以3G长期演进高级系统(LTE-Advanced)为代表的基于OFDM的下行无线载波聚合系统的性能分析与优化问题。应用了CA技术是无线载波聚合系统的基本特征,因此,无线载波系统中必然存在多个载波。这些载波都具有独立的中心载频和指定的带宽,并且可以按照一定的方式聚合起来以形成更大的系统传输带宽,因此,也被称为无线载波聚合系统的成员载波,是无线载波聚合系统中最基本的元素。根据系统中各个成员载波是否位于相同的频带,本论文在对无线载波聚合系统的性能进行研究时主要考虑了2种场景,即频带内聚合场景与频带间聚合场景。在每个场景下,根据所采用的业务到达模式的不同,又进一步分为单流业务到达和多流业务到达2种情况。在频带内聚合场景下,本论文的主要研究思路是：首先基于基本的系统资源调度方案对无线载波聚合系统的性能进行分析,然后根据分析结果,通过设计先进的系统资源调度方案对无线载波聚合系统的性能进行优化。在频带间聚合场景下,本论文的主要研究思路是：考虑到用户在位于不同频带的成员载波上传输时所能达到的传输速率会存在差异这一特点,通过对频带内聚合场景下所给出的系统资源调度方案的改进,对无载波聚合系统的性能进行优化。论文的主要创新性工作如下：1、在频带内聚合单流业务到达的场景下,基于完全联合和完全独立这2种基本的成员载波协作方式,本论文在第三章中设计了联合载波调度(JCS)方案和独立载波调度(ICS)方案,并给出了ICS方案下3种用户分配准则：随机分配(RA)、轮流分配(AA)和加入最短队列(JSQ)。运用排队理论,本论文对采用JCS与ICS方案时系统的资源利用率性能进行了分析。分析表明：1)采用JCS方案时所能获得的系统性能优于采用ICS方案时所获得的,并且这种增益会随着系统中成员载波数的增加而增大；2)用户分配准则会影响采用ICS方案时的系统性能。在所给出的3种用户分配准则中,采用JSQ准则时系统性能最好,AA其次,RA最差。2、在频带内聚合单流业务到达的场景下,根据在JCS和ICS方案下对系统性能的分析结果,本论文在第三章中提出了一种动态的成员载波协作方式,并基于此方式设计了动态协作载波调度(DCCS)方案。在DCCS方案中,给出了2种通用的实现成员载波协作的算法。仿真结果表明,在成员载波接入理想的前提下,在DCCS方案中采用任意的用户分配准则和任意的成员载波协作算法都能使系统达到与采用JCS方案时相同的性能,但整体复杂度却更低。在所使用的3种用户分配准则中,采用JSQ准则时系统的整体复杂度最低,AA其次,RA最差。3、在频带内聚合多流业务到达的场景下,本论文在第四章中基于完全联合和完全独立这2种基本的成员载波协作方式,设计了联合用户调度(JUS)方案和独立随机用户调度(SRUS)方案。仿真分析表明：1)当系统的工作负荷大于50%后,采用SRUS方案与采用JUS方案所获得的系统性能差距不大；2)当系统的工作负荷较小时,采用SRUS方案时的系统性能与采用JUS方案时的有明显差距,最大甚至达到100%。根据仿真分析结果,本论文提出了一种用于系统非满负荷(finite buffer)工作状态下的先进资源调度方案,即独立数据突发级调度(SBLS)方案。通过将系统中成员载波层次的资源调度颗粒度从SRUS方案中的用户级减小为数据突发级以及保留SRUS方案中的用户单成员载波接入限制,SBLS方案可以在不明显增加系统整体复杂度的前提下使系统获得比采用SRUS方案时更好的性能。4、在频带间聚合多流业务到达的场景下,考虑到同一用户在位于不同频带的成员载波上进行传输时所经历的无线传输衰落存在差异,本论文在第五章中提出了一种基于平均信号干扰噪声比(SINR)差值排序的用户分配算法。仿真结果表明,当系统处于满负荷(full buffer)工作状态时,采用本论文所提出的用户分配算法,与采用随机的用户分配算法相比,能使系统获得更好的性能,并且这种性能增益会随着系统中成员载波所处频带差距的变大而增大。5、在单流业务到达且成员载波所处的频带和带宽可任意配置的场景下,以最小化系统中平均用户积压为优化目标,本论文在第五章中推导出了在ICS方案下采用RA准则对用户进行分配时的最优分配权值以及相应的系统最小平均用户积压的解析表达式。