【正文】 業(yè)務的服務質(zhì)量。（3），靈活的頻譜部署。（4）系統(tǒng)支持高速率的同時，對于低速率用戶也進行了優(yōu)化，并且考慮的小區(qū)邊緣用戶的吞吐量[6]。 LTE物理層關鍵技術(shù)及其研究現(xiàn)狀隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展前景逐漸明朗，同時具有競爭性的新技術(shù)WiMAX的出現(xiàn)，移動通信運營商和設備商 始在多年3G技術(shù)儲備的基礎上尋求全新的技術(shù)發(fā)展。相比于第三代移動通信技術(shù)，LTE的各項指標均有了質(zhì)的飛躍，主要體現(xiàn)在核心技術(shù)上，正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）取代了碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA），新型多天線（Multiple Input Multiple Output， MIM）技術(shù)和鏈路自適應技術(shù)等新技術(shù)在LTE系統(tǒng)中得到了廣泛的應用[7]。正交頻分復用OFDM是一種把高速率的串行數(shù)據(jù)通過頻分復用來實現(xiàn)并行傳輸?shù)亩噍d波傳輸技術(shù)，其思想早在20世紀60年代就已經(jīng)提出了，但由于并行傳輸系統(tǒng)需要基帶成形捧波器陣列，正弦波載波發(fā)生器陣列及相干解調(diào)陣列，采用傳統(tǒng)的模擬的方法實現(xiàn)是相當復雜的、昂貴的，因而早期并沒有得到實際應用。OFDM技術(shù)發(fā)展過程可分為極低頻譜效率的FDM技術(shù)階段，最早的、高頻譜效率的多載波通信系統(tǒng)階段，多載波理論發(fā)展階段，OFDM無線移動通信系統(tǒng)理論形成階段，從理論到實用階段。近十年來，OFDM技術(shù)在滿足需求的同時，找到頻譜效率及功率效率的平衡點。伴隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)高速發(fā)展，OFDM技術(shù)得到了更加廣泛的應用。OFDM成為LTE系統(tǒng)的核心技術(shù)主要是因為OFDM是一項成熟的技術(shù)，其接收機復雜度低，能夠通過FFT快速地實現(xiàn)，易于硬件的實現(xiàn)。利用正交的子載波避免子載波之間的保護帶所造成的頻譜浪費，同時也使得頻率選擇性衰落得到了有效抑制。OFDM 也能夠直接擴展到 OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交頻分多址接入）。OFDM技術(shù)還可以與自適應調(diào)制技術(shù)、MIMO技術(shù)相結(jié)合，提高系統(tǒng)的容量[8]。作為無線高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P鍵技術(shù)——MIMO其理論、性能、算法和實現(xiàn)的各方面均被各國學者廣泛地進行著研究。在MIMO系統(tǒng)理論及性能研究方面己有一批文獻。這些文獻已涉及相當廣泛的內(nèi)容，但是由于無線移動通信MIMO信道是一個時變、非平穩(wěn)多輸入多輸出系統(tǒng)，尚有大量問題需要研究。比如說，各文獻大多假定信道為分段恒定衰落信道。這對于寬帶信號的4G系統(tǒng)及室外快速移動系統(tǒng)來說是不夠的，因此必須采用復雜的模型進行研究。已有不少文獻在進行這方面的工作，即對信道為頻率選擇性衰落和移動臺快速移動情況進行研究。再有，在基本文獻中，均假定接收機精確已知多徑信道參數(shù)，為此，必須發(fā)送訓練序列對接收機進行訓練。但是若移動臺移動速度過快，就使得訓練時間太短，這樣快速信道估計或盲處理就成為重要的研究內(nèi)容。另外實驗系統(tǒng)是MIMO技術(shù)研究的重要一步。實際系統(tǒng)研究的一個重要問題是在移動終端實現(xiàn)多天線和多路接收，學者們正大力進行這方面的研究。由于移動終端設備要求體積小、重量輕、耗電小，因而還有大量工作要做。目前各大公司均在研制實驗系統(tǒng)。隨著時勢的發(fā)展，未來移動通信廣帶無線移動和無線接入融合系統(tǒng)成為當前熱門的研究課題，而MIMO系統(tǒng)是人們研究較多的方向之一[9]。MIMO技術(shù)的優(yōu)勢在于能夠提高LTE系統(tǒng)中帶寬利用率，通過多路數(shù)據(jù)并行傳輸增大系統(tǒng)的容量。MIMO可以通過空間復用方式獲得復用增益，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。也可以通過分集方式獲得分集增益，可用于對抗無線信道衰落。還可以通過波束賦形技術(shù)來抑制特定的干擾信號?？傊?，MIMO技術(shù)可以解決由頻譜資源不足而導致的移動通信技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題。鏈路自適應技術(shù)是一種通過信道不斷變化的特性來進行資源利用的優(yōu)化和系統(tǒng)性能的提升的核心技術(shù)，與信道估計技術(shù)和信道反饋結(jié)合使用。無線信道會受到多徑傳播、干擾、噪聲等影響，并且還有變化性和隨機性，鏈路自適應技術(shù)可以有效地根據(jù)當前的信道狀態(tài)信息對資源的使用方式，如調(diào)制方式、發(fā)送功率等進行調(diào)整，使得數(shù)據(jù)的傳輸更加高效[10]。本文主要是對LTE系統(tǒng)物理層加密關鍵技術(shù)進行研究，設計與實現(xiàn)了一種通過密鑰控制的星座旋轉(zhuǎn)與星座映射，對LTE信號的產(chǎn)生進行加密，使得非法接受者，在不知道密鑰的情況下，無法正確解調(diào)出LTE物理層信號，從根本上實現(xiàn)信號加密，保證信號的安全傳輸?shù)腖TE物理層點對點通信加密方案。本文安排如下：第一章 引言，首先介紹了移動通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，對本文的主要工作和論文內(nèi)容安排進行了概述。 第二章 先介紹了OFDM技術(shù)的基本原理，然后OFDM系統(tǒng)的優(yōu)缺點，保護間隔，循環(huán)前綴，接著介紹了MIMO技術(shù)和原理，最后介紹了MIMOOFDM的基本原理，描述了該技術(shù)指標以及原理框圖。第三章 設計與實現(xiàn)了一種LTE物理層點對點通信的加密方案——星座旋轉(zhuǎn)加密。第四章 總結(jié)與展望，對全文進行了概括性的總結(jié)，探討了今后研究的可能方向。2 MIMOOFDM技術(shù)原理在未來的寬帶無線通信系統(tǒng)中，存在兩個十分嚴峻的挑戰(zhàn)：多徑衰落和帶寬效率。OFDM通過將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)換為若干個平坦的衰落子信道，從而大大降低了接收端均衡器的復雜度。而MIMO技術(shù)由于能夠在空間中產(chǎn)生獨立的并行信道，同時傳輸多路數(shù)據(jù)流，從而有效地提高了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，而且極大地提高了系統(tǒng)的頻譜效率。因此，將OFDM和MIMO兩種技術(shù)相結(jié)合，一是可以實現(xiàn)很高的傳輸速率，二是可以通過分集實現(xiàn)很強的可靠性，充分利用時間、頻率和空間三種分集技術(shù)，使無線系統(tǒng)對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。MIMOOFDM技術(shù)已成為未來寬帶無線通信的發(fā)展趨勢。本章主要是論述MIMOOFDM系統(tǒng)中的兩個最關鍵的技術(shù)：MIMO和OFDM技術(shù)的基本原理與實現(xiàn)過程，在搭建整個平臺前提供理論支持[11]。 OFDM技術(shù) OFDM發(fā)展概述OFDM的概念于20世紀50—60年底提出，1970年OFDM的專利被發(fā)表，其基本思想通過采用允許子信道頻譜重疊，但相互間又不影響的頻分復用（FDM）方法來并行傳送數(shù)據(jù)。OFDM早期的應用有AN/GSC_10高頻可變速率數(shù)傳調(diào)制解調(diào)器等。 早期的OFDM系統(tǒng)中，發(fā)信機和相關接收機所需的副載波陣列是由正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生的，系統(tǒng)復雜且昂貴。1972年Weinstein和Ebert提出了使用離散傅立葉變換實現(xiàn)OFDM系統(tǒng)中的全部調(diào)制和調(diào)解功能的建議，簡化了振蕩器陣列以及相關接收機本地載波之間嚴格同步的問題，為實現(xiàn)OFDM的全數(shù)字化方案做了理論上的準備。 80年代后，OFDM的調(diào)整技術(shù)再一次成為研究熱點。例如，在有線信道的研究中，Hirosaki于1981年用DFT完成的OFDM調(diào)整技術(shù)。進入90年代，OFDM的應用又涉及到了利用移動調(diào)頻和單邊帶信道進行高速數(shù)據(jù)通信，陸地移動通信，高速數(shù)字用戶環(huán)路（HDSL），非對稱數(shù)字用戶環(huán)路（ADSL）及高清晰度數(shù)字電視（HDTV）和陸地廣播等各種通信系統(tǒng)[12]。 OFDM技術(shù)研究現(xiàn)狀OFDM的英文全稱為Orthogonal Frequency Division Multiplexing，中文含義為正交頻分復用技術(shù)。這種技術(shù)是HPA聯(lián)盟工業(yè)規(guī)范的基礎，它采用一種不連續(xù)的多音調(diào)制技術(shù)，將被稱為載波的不同頻率中的大量信號合并成單一的信號，從而完成信號傳送。由于這種技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號的能力，因此常常會被應用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質(zhì)中。OFDM技術(shù)的應用已經(jīng)有近40年的歷史，主要運用于軍用的無線高頻通信系統(tǒng)。但是，一個OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復雜，從而限制了其進一步推廣。直到70年代，人們提出了采用離散傅立葉變換來實現(xiàn)多個載波的調(diào)制，從而簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得OFDM技術(shù)更趨于實用化。八十年代，人們研究如何將OFDM技術(shù)應用于高速MODEM。進入九十年代以來，OFDM技術(shù)的研究深入到無線調(diào)頻信道上的寬帶數(shù)據(jù)傳輸。在高頻段進行高數(shù)據(jù)率無線通信時，將面臨顯著的頻率選擇性衰落。在傳統(tǒng)的單載波通信系統(tǒng)中，碼間串擾的影響十分突出，而OFDM調(diào)制技術(shù)通過將寬信道分解為大量窄帶信道，克服多徑效應，簡化接收機設計，從而大大改善了系統(tǒng)瓶頸。由于OFDM的頻率利用率最高，又適用于FFT算法處理，近年來在多種系統(tǒng)得到成功的應用，在理論和技術(shù)上已經(jīng)成熟。因此，3GPP/3GPP2成員多數(shù)推薦OFDM作為第四代移動通訊無線接入技術(shù)之一。目前，OFDM技術(shù)在4G LTE技術(shù)中已得到使用，是LTE三大關鍵技術(shù)之一，預計在5G仍然作為主要的調(diào)制方式[13]。 OFDM原理正交頻分復用技術(shù)，實際上是MCM MultiCarrier Modulation，多載波調(diào)制的一種。在通信系統(tǒng)中，信道所能提供的帶寬通常比傳送一路信號所需的帶寬要寬得多。如果一個信道只傳送一路信號是非常浪費的，為了能夠充分利用信道的帶寬，就可以采用頻分復用的方法。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾ICI。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。OFDM中的各個載波是相互正交的，每個載波在一個符號時間內(nèi)有整數(shù)個載波周期，每個載波的頻譜零點和相鄰載波的零點重疊，這樣便減小了載波間的干擾。由于載波間有部分重疊，所以它比傳統(tǒng)的FDMA提高了頻帶利用率[14]。 OFDM載波調(diào)制圖應用OFDM的一個最主要的原因是它可以有效地對抗多徑時延擴展。通過把輸入的數(shù)據(jù)流串并變換到N個并行的自信道中，使得每個用于去調(diào)制子載波的數(shù)據(jù)符號周期可以擴大為原始數(shù)據(jù)符號周期的N倍，因此時延擴展與符號周期的比值也同樣降低N倍。為了最大限度地消除符號間干擾，還可以在每個OFDM符號之間插入保護間隔（guard interval），而且該保護間隔長度Tg一般要大于無線信道的最大時延擴展，這樣一個符號的多徑分量就不會對下一個符號造成干擾。在這段保護間隔內(nèi)，可以不插入任何信號，即是一段空閑的傳輸時段。然而在這種情況中，由于多徑傳播的影響，則會產(chǎn)生信道間干擾（ICI），即子載波之間的正交性遭到破壞，不同的子載波之間產(chǎn)生干擾，如下圖所示： 保護間隔示意圖OFDM技術(shù)可以有效地對抗多徑時延擴展，即抗信道衰落能力，這是它得到廣泛應用的最重要原因之一。它通過將高速的串行數(shù)據(jù)流分解成N個低速并行數(shù)據(jù)流同時傳輸，大大增加了每個符號的持續(xù)時間，使得時延擴展與符號周期的比值降低N倍，因而具有非常好的對抗ISI的能力。為了最大限度地消除ISI，在每個OFDM符號之間要插入保護間隔（GI），該保護間隔的長度一般要大于無線信道的最大多徑時延擴展tmax，這樣一個符號的多徑分量就不會對下一個符號造成干擾。我們需要重視的是，對于保護間隔GI，若插入的是一段空閑的傳輸時段,則會破壞各子載波之間的正交性而引入信道間干擾ICI，為了避免產(chǎn)生ICI，一種有效的方法是引入循環(huán)前綴（CP），如圖所示。 循環(huán)前綴示意圖循環(huán)前綴的插入可以保證時延小于保護間隔幾的信號不會在解調(diào)過程中產(chǎn)生ICI，因為此時在FFT運算時間長度內(nèi)仍然可以保持各子載波之間的正交性[15]。傳統(tǒng)的保護間隔插入方案，是在保護間隔時間內(nèi)不插入任何信號，即是一段空閑的傳輸時段。然而在這種情況中，由于多徑傳播的影響，則會產(chǎn)生信道間干擾（ICI），即子載波之間的正交性遭到破壞，不同的子載波之間產(chǎn)生干擾。每個OFDM符號中都包括所有的非零子載波信號，前且也同時會出現(xiàn)該OFDM符號的時延信號，由于在FFT運算時間長度內(nèi)，某一子載波與帶有時延的另一子載波之間的周期差不再是整數(shù)，所以當接收機試圖對其中一個子載波進行解調(diào)時，另一子載波會對此造成干擾，反之相同。為了消除由于多徑所造成的ICI，OFDM符號需要在其保護間隔內(nèi)填入循環(huán)前綴信號，即將一個符號的最后n個采樣點復制到本符號的開頭，這樣就可以保證在FFT周期內(nèi)，OFDM符號的延時副本內(nèi)所包含的波形的周期個數(shù)也是整數(shù)。這樣時延小于保護間隔Tg的時延信號就不會在解調(diào)過程中產(chǎn)生ICI。一般，循環(huán)前綴的選擇是將OFDM符號尾部的一部分復制后放到前部，即將符號周期由T增加至T+△T，△T是保護間隔，也就是循環(huán)前綴。保護間隔長度 △T對OFDM系統(tǒng)的影響非常大，為了消除信道時延擴展的影響，保護間隔的長度要足夠長。保護間隔的引入會帶來功率和信息速率的損失，其中功率損失可以定義為：PLOSS=10log101+Tg/T (21)當保護間隔占到20%時，功率損失不到1dB，信息速率的損失高達20%，但是插入保護間隔可以消除ISI和ICI的影響，因此這樣的代價對OFDM系統(tǒng)而言是值得的。循環(huán)前綴的插入可以保證時延小于保護間隔幾的信號不會在解調(diào)過程中產(chǎn)生ICI，因為此時在FFT運算時間長度內(nèi)仍然可以保持各子載波之間的正交性[16]。 OFDM系統(tǒng)優(yōu)缺點OFDM技術(shù)的優(yōu)點：OFDM存在很多技術(shù)優(yōu)點見如下，在3G、4G中被運用，作為通信方面其有很多優(yōu)勢：（1）在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù)。OFDM技術(shù)能同時分開至少1000個數(shù)字信號，而且在干擾的信號周圍可以安全運行的能力將直接威脅到CDMA技術(shù)的進一步發(fā)展壯大的態(tài)勢；（2）OFDM技術(shù)能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的突然變化，由于通信路徑傳送數(shù)據(jù)的能力會隨時間發(fā)生變化，所以OFDM能動態(tài)地與之相適應，并且接通和切斷相應的載波以保證持續(xù)地進行成功的通信；（3）該技術(shù)可以自動地檢測到傳輸介質(zhì)下哪一個特定的載波存在高的信號衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調(diào)制措施來使指定頻率下的載波進行成功通信；（4）OFDM技術(shù)特別適合使用在高層建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及將信號散播的地區(qū)。高速的數(shù)據(jù)傳播及數(shù)字語