【正文】 業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。（3），靈活的頻譜部署。（4）系統(tǒng)支持高速率的同時(shí)，對(duì)于低速率用戶也進(jìn)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(guān)鍵技術(shù)及其研究現(xiàn)狀隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展前景逐漸明朗，同時(shí)具有競(jìng)爭(zhēng)性的新技術(shù)WiMAX的出現(xiàn)，移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商 始在多年3G技術(shù)儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上尋求全新的技術(shù)發(fā)展。相比于第三代移動(dòng)通信技術(shù)，LTE的各項(xiàng)指標(biāo)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(fù)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(yīng)技術(shù)等新技術(shù)在LTE系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[7]。正交頻分復(fù)用OFDM是一種把高速率的串行數(shù)據(jù)通過(guò)頻分復(fù)用來(lái)實(shí)現(xiàn)并行傳輸?shù)亩噍d波傳輸技術(shù)，其思想早在20世紀(jì)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(shí)現(xiàn)是相當(dāng)復(fù)雜的、昂貴的，因而早期并沒(méi)有得到實(shí)際應(yīng)用。OFDM技術(shù)發(fā)展過(guò)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(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)理論形成階段，從理論到實(shí)用階段。近十年來(lái)，OFDM技術(shù)在滿足需求的同時(shí)，找到頻譜效率及功率效率的平衡點(diǎn)。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(yīng)用。OFDM成為L(zhǎng)TE系統(tǒng)的核心技術(shù)主要是因?yàn)镺FDM是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，其接收機(jī)復(fù)雜度低，能夠通過(guò)FFT快速地實(shí)現(xiàn)，易于硬件的實(shí)現(xiàn)。利用正交的子載波避免子載波之間的保護(hù)帶所造成的頻譜浪費(fèi)，同時(shí)也使得頻率選擇性衰落得到了有效抑制。OFDM 也能夠直接擴(kuò)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(yīng)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(wú)線高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)——MIMO其理論、性能、算法和實(shí)現(xiàn)的各方面均被各國(guó)學(xué)者廣泛地進(jìn)行著研究。在MIMO系統(tǒng)理論及性能研究方面己有一批文獻(xiàn)。這些文獻(xiàn)已涉及相當(dāng)廣泛的內(nèi)容，但是由于無(wú)線移動(dòng)通信MIMO信道是一個(gè)時(shí)變、非平穩(wěn)多輸入多輸出系統(tǒng)，尚有大量問(wèn)題需要研究。比如說(shuō)，各文獻(xiàn)大多假定信道為分段恒定衰落信道。這對(duì)于寬帶信號(hào)的4G系統(tǒng)及室外快速移動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不夠的，因此必須采用復(fù)雜的模型進(jìn)行研究。已有不少文獻(xiàn)在進(jìn)行這方面的工作，即對(duì)信道為頻率選擇性衰落和移動(dòng)臺(tái)快速移動(dòng)情況進(jìn)行研究。再有，在基本文獻(xiàn)中，均假定接收機(jī)精確已知多徑信道參數(shù)，為此，必須發(fā)送訓(xùn)練序列對(duì)接收機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練。但是若移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)速度過(guò)快，就使得訓(xùn)練時(shí)間太短，這樣快速信道估計(jì)或盲處理就成為重要的研究?jī)?nèi)容。另外實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是MIMO技術(shù)研究的重要一步。實(shí)際系統(tǒng)研究的一個(gè)重要問(wèn)題是在移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)多天線和多路接收，學(xué)者們正大力進(jìn)行這方面的研究。由于移動(dòng)終端設(shè)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。隨著時(shí)勢(shì)的發(fā)展，未來(lái)移動(dòng)通信廣帶無(wú)線移動(dòng)和無(wú)線接入融合系統(tǒng)成為當(dāng)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(shì)在于能夠提高LTE系統(tǒng)中帶寬利用率，通過(guò)多路數(shù)據(jù)并行傳輸增大系統(tǒng)的容量。MIMO可以通過(guò)空間復(fù)用方式獲得復(fù)用增益，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。也可以通過(guò)分集方式獲得分集增益，可用于對(duì)抗無(wú)線信道衰落。還可以通過(guò)波束賦形技術(shù)來(lái)抑制特定的干擾信號(hào)?？傊琈IMO技術(shù)可以解決由頻譜資源不足而導(dǎo)致的移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。鏈路自適應(yīng)技術(shù)是一種通過(guò)信道不斷變化的特性來(lái)進(jìn)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(jì)技術(shù)和信道反饋結(jié)合使用。無(wú)線信道會(huì)受到多徑傳播、干擾、噪聲等影響，并且還有變化性和隨機(jī)性，鏈路自適應(yīng)技術(shù)可以有效地根據(jù)當(dāng)前的信道狀態(tài)信息對(duì)資源的使用方式，如調(diào)制方式、發(fā)送功率等進(jìn)行調(diào)整，使得數(shù)據(jù)的傳輸更加高效[10]。本文主要是對(duì)LTE系統(tǒng)物理層加密關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一種通過(guò)密鑰控制的星座旋轉(zhuǎn)與星座映射，對(duì)LTE信號(hào)的產(chǎn)生進(jìn)行加密，使得非法接受者，在不知道密鑰的情況下，無(wú)法正確解調(diào)出LTE物理層信號(hào)，從根本上實(shí)現(xiàn)信號(hào)加密，保證信號(hào)的安全傳輸?shù)腖TE物理層點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信加密方案。本文安排如下：第一章 引言，首先介紹了移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)本文的主要工作和論文內(nèi)容安排進(jìn)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(diǎn)，保護(hù)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(biāo)以及原理框圖。第三章 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一種LTE物理層點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的加密方案——星座旋轉(zhuǎn)加密。第四章 總結(jié)與展望，對(duì)全文進(jìn)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(lái)的寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)中，存在兩個(gè)十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：多徑衰落和帶寬效率。OFDM通過(guò)將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)換為若干個(gè)平坦的衰落子信道，從而大大降低了接收端均衡器的復(fù)雜度。而MIMO技術(shù)由于能夠在空間中產(chǎn)生獨(dú)立的并行信道，同時(shí)傳輸多路數(shù)據(jù)流，從而有效地提高了整個(gè)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(shí)現(xiàn)很高的傳輸速率，二是可以通過(guò)分集實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的可靠性，充分利用時(shí)間、頻率和空間三種分集技術(shù)，使無(wú)線系統(tǒng)對(duì)噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。MIMOOFDM技術(shù)已成為未來(lái)寬帶無(wú)線通信的發(fā)展趨勢(shì)。本章主要是論述MIMOOFDM系統(tǒng)中的兩個(gè)最關(guān)鍵的技術(shù)：MIMO和OFDM技術(shù)的基本原理與實(shí)現(xiàn)過(guò)程，在搭建整個(gè)平臺(tái)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(jì)50—60年底提出，1970年OFDM的專利被發(fā)表，其基本思想通過(guò)采用允許子信道頻譜重疊，但相互間又不影響的頻分復(fù)用（FDM）方法來(lái)并行傳送數(shù)據(jù)。OFDM早期的應(yīng)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(jī)和相關(guān)接收機(jī)所需的副載波陣列是由正弦信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的，系統(tǒng)復(fù)雜且昂貴。1972年Weinstein和Ebert提出了使用離散傅立葉變換實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)中的全部調(diào)制和調(diào)解功能的建議，簡(jiǎn)化了振蕩器陣列以及相關(guān)接收機(jī)本地載波之間嚴(yán)格同步的問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)OFDM的全數(shù)字化方案做了理論上的準(zhǔn)備。 80年代后，OFDM的調(diào)整技術(shù)再一次成為研究熱點(diǎn)。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(jìn)入90年代，OFDM的應(yīng)用又涉及到了利用移動(dòng)調(diào)頻和單邊帶信道進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信，陸地移動(dòng)通信，高速數(shù)字用戶環(huán)路（HDSL），非對(duì)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(fù)用技術(shù)。這種技術(shù)是HPA聯(lián)盟工業(yè)規(guī)范的基礎(chǔ)，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(hào)合并成單一的信號(hào)，從而完成信號(hào)傳送。由于這種技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號(hào)的能力，因此常常會(huì)被應(yīng)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(yīng)用已經(jīng)有近40年的歷史，主要運(yùn)用于軍用的無(wú)線高頻通信系統(tǒng)。但是，一個(gè)OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，從而限制了其進(jìn)一步推廣。直到70年代，人們提出了采用離散傅立葉變換來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)載波的調(diào)制，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得OFDM技術(shù)更趨于實(shí)用化。八十年代，人們研究如何將OFDM技術(shù)應(yīng)用于高速M(fèi)ODEM。進(jìn)入九十年代以來(lái)，OFDM技術(shù)的研究深入到無(wú)線調(diào)頻信道上的寬帶數(shù)據(jù)傳輸。在高頻段進(jìn)行高數(shù)據(jù)率無(wú)線通信時(shí)，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?dāng)_的影響十分突出，而OFDM調(diào)制技術(shù)通過(guò)將寬信道分解為大量窄帶信道，克服多徑效應(yīng)，簡(jiǎn)化接收機(jī)設(shè)計(jì)，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(lái)在多種系統(tǒng)得到成功的應(yīng)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(dòng)通訊無(wú)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(guān)鍵技術(shù)之一，預(yù)計(jì)在5G仍然作為主要的調(diào)制方式[13]。 OFDM原理正交頻分復(fù)用技術(shù)，實(shí)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(hào)所需的帶寬要寬得多。如果一個(gè)信道只傳送一路信號(hào)是非常浪費(fèi)的，為了能夠充分利用信道的帶寬，就可以采用頻分復(fù)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(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過(guò)在接收端采用相關(guān)技術(shù)來(lái)分開(kāi)，這樣可以減少子信道之間的相互干擾ICI。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號(hào)間干擾。而且由于每個(gè)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(duì)容易。OFDM中的各個(gè)載波是相互正交的，每個(gè)載波在一個(gè)符號(hào)時(shí)間內(nèi)有整數(shù)個(gè)載波周期，每個(gè)載波的頻譜零點(diǎn)和相鄰載波的零點(diǎn)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(yīng)用OFDM的一個(gè)最主要的原因是它可以有效地對(duì)抗多徑時(shí)延擴(kuò)展。通過(guò)把輸入的數(shù)據(jù)流串并變換到N個(gè)并行的自信道中，使得每個(gè)用于去調(diào)制子載波的數(shù)據(jù)符號(hào)周期可以擴(kuò)大為原始數(shù)據(jù)符號(hào)周期的N倍，因此時(shí)延擴(kuò)展與符號(hào)周期的比值也同樣降低N倍。為了最大限度地消除符號(hào)間干擾，還可以在每個(gè)OFDM符號(hào)之間插入保護(hù)間隔（guard interval），而且該保護(hù)間隔長(zhǎng)度Tg一般要大于無(wú)線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣一個(gè)符號(hào)的多徑分量就不會(huì)對(duì)下一個(gè)符號(hào)造成干擾。在這段保護(hù)間隔內(nèi)，可以不插入任何信號(hào)，即是一段空閑的傳輸時(shí)段。然而在這種情況中，由于多徑傳播的影響，則會(huì)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(hù)間隔示意圖OFDM技術(shù)可以有效地對(duì)抗多徑時(shí)延擴(kuò)展，即抗信道衰落能力，這是它得到廣泛應(yīng)用的最重要原因之一。它通過(guò)將高速的串行數(shù)據(jù)流分解成N個(gè)低速并行數(shù)據(jù)流同時(shí)傳輸，大大增加了每個(gè)符號(hào)的持續(xù)時(shí)間，使得時(shí)延擴(kuò)展與符號(hào)周期的比值降低N倍，因而具有非常好的對(duì)抗ISI的能力。為了最大限度地消除ISI，在每個(gè)OFDM符號(hào)之間要插入保護(hù)間隔（GI），該保護(hù)間隔的長(zhǎng)度一般要大于無(wú)線信道的最大多徑時(shí)延擴(kuò)展tmax，這樣一個(gè)符號(hào)的多徑分量就不會(huì)對(duì)下一個(gè)符號(hào)造成干擾。我們需要重視的是，對(duì)于保護(hù)間隔GI，若插入的是一段空閑的傳輸時(shí)段,則會(huì)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(shí)延小于保護(hù)間隔幾的信號(hào)不會(huì)在解調(diào)過(guò)程中產(chǎn)生ICI，因?yàn)榇藭r(shí)在FFT運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)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(hù)間隔插入方案，是在保護(hù)間隔時(shí)間內(nèi)不插入任何信號(hào)，即是一段空閑的傳輸時(shí)段。然而在這種情況中，由于多徑傳播的影響，則會(huì)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(gè)OFDM符號(hào)中都包括所有的非零子載波信號(hào)，前且也同時(shí)會(huì)出現(xiàn)該OFDM符號(hào)的時(shí)延信號(hào)，由于在FFT運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，某一子載波與帶有時(shí)延的另一子載波之間的周期差不再是整數(shù)，所以當(dāng)接收機(jī)試圖對(duì)其中一個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)時(shí)，另一子載波會(huì)對(duì)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(hào)需要在其保護(hù)間隔內(nèi)填入循環(huán)前綴信號(hào)，即將一個(gè)符號(hào)的最后n個(gè)采樣點(diǎn)復(fù)制到本符號(hào)的開(kāi)頭，這樣就可以保證在FFT周期內(nèi)，OFDM符號(hào)的延時(shí)副本內(nèi)所包含的波形的周期個(gè)數(shù)也是整數(shù)。這樣時(shí)延小于保護(hù)間隔Tg的時(shí)延信號(hào)就不會(huì)在解調(diào)過(guò)程中產(chǎn)生ICI。一般，循環(huán)前綴的選擇是將OFDM符號(hào)尾部的一部分復(fù)制后放到前部，即將符號(hào)周期由T增加至T+△T，△T是保護(hù)間隔，也就是循環(huán)前綴。保護(hù)間隔長(zhǎng)度 △T對(duì)OFDM系統(tǒng)的影響非常大，為了消除信道時(shí)延擴(kuò)展的影響，保護(hù)間隔的長(zhǎng)度要足夠長(zhǎng)。保護(hù)間隔的引入會(huì)帶來(lái)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(dāng)保護(hù)間隔占到20%時(shí)，功率損失不到1dB，信息速率的損失高達(dá)20%，但是插入保護(hù)間隔可以消除ISI和ICI的影響，因此這樣的代價(jià)對(duì)OFDM系統(tǒng)而言是值得的。循環(huán)前綴的插入可以保證時(shí)延小于保護(hù)間隔幾的信號(hào)不會(huì)在解調(diào)過(guò)程中產(chǎn)生ICI，因?yàn)榇藭r(shí)在FFT運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)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(diǎn)OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：OFDM存在很多技術(shù)優(yōu)點(diǎn)見(jiàn)如下，在3G、4G中被運(yùn)用，作為通信方面其有很多優(yōu)勢(shì)：（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(shí)分開(kāi)至少1000個(gè)數(shù)字信號(hào)，而且在干擾的信號(hào)周圍可以安全運(yùn)行的能力將直接威脅到CDMA技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展壯大的態(tài)勢(shì)；（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(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，所以O(shè)FDM能動(dòng)態(tài)地與之相適應(yīng)，并且接通和切斷相應(yīng)的載波以保證持續(xù)地進(jìn)行成功的通信；（3）該技術(shù)可以自動(dòng)地檢測(cè)到傳輸介質(zhì)下哪一個(gè)特定的載波存在高的信號(hào)衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調(diào)制措施來(lái)使指定頻率下的載波進(jìn)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(hào)散播的地區(qū)。高速的數(shù)據(jù)傳播及數(shù)字語(yǔ)