【正文】 北京電子科技學(xué)院 LTE系統(tǒng)物理層加密關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計與實現(xiàn) 學(xué)號：20113225畢業(yè)論文LTE系統(tǒng)物理層加密關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計與實現(xiàn)Design and implementation of encryption key technology of the physical layer LTE system系 別： 通信工程系專 業(yè)： 通信工程班 級： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 日 期： 2015年3月至2015年6月摘 要寬帶無線通信是信息化社會發(fā)展的助推器，它正在改變?nèi)藗兊纳罘绞健＝陙?，隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，移動通信技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到了迅猛的發(fā)展及應(yīng)用，各種全新的無線通信概念層出不窮、各種新的體制及其關(guān)鍵技術(shù)日新月異。由于正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)可以高效地利用頻譜資源并有效地對抗頻率選擇性衰落，多入多出（MIMO）利用多個天線實現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加帶寬和發(fā)送功率的情況下，可以成倍提高信道容量，因此OFDMMIMO技術(shù)被廣泛認(rèn)為是超三代通信系統(tǒng)（B3G)的關(guān)鍵技術(shù)，是當(dāng)今移動通信領(lǐng)域研究的熱點。面對移動通信系統(tǒng)日益增長的高數(shù)據(jù)帶寬及安全性需求，LTE系統(tǒng)引入了OFDM和MIMO等關(guān)鍵技術(shù)。以LTE系統(tǒng)物理層加密關(guān)鍵技術(shù)為核心與OFDM調(diào)制相結(jié)合的加密算法，相較于傳統(tǒng)密碼學(xué)加密算法，其能夠更好對空口數(shù)據(jù)進行保護。同時，與OFDM調(diào)制相結(jié)合的LTE系統(tǒng)物理層加密關(guān)鍵技術(shù)是對信號進行加密，相比于傳統(tǒng)密碼學(xué)加密算法對數(shù)據(jù)進行加密，符號傳輸?shù)乃俾蔬h遠低于數(shù)據(jù)傳輸速率。本文設(shè)計并實現(xiàn)一種LTE系統(tǒng)物理層點對點加密關(guān)鍵技術(shù)方案，通過密鑰控制的星座映射與星座旋轉(zhuǎn)，對LTE物理層信號進行加密，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?！娟P(guān)鍵詞】LTE MIMO OFDM 星座旋轉(zhuǎn) 加密AbstractBroadband wireless munication is a booster of information society development, which is changing the way people live. In recent years, with the rapid development of information technology, mobile munications technology on a global scale has been rapid development and application of a variety of new wireless munication concept endless variety of new system and its key technology advances. Since the orthogonal frequency division multiplexing （OFDM) technology and efficient use of spectrum resources effectively bat frequency selective fading, multiple input multiple output （MIMO) using a plurality of antennas to achieve multiple overcharged, without increasing bandwidth and transmission power case, it can exponentially increase channel capacity, so OFDMMIMO technology is widely considered Beyond Third Generation in mobile munication system （B3G) key technology is a hot area of today39。s mobile munications research. Faced with the growing mobile munication system of high data bandwidth and security requirements, LTE systems introduce key technologies such as OFDM and MIMO. LTE physical layer encryption key for the encryption algorithm core technology bined with OFDM modulation, the traditional cryptography encryption algorithms pared to its better air port data protection. Meanwhile, LTE physical layer encryption key technology and the bination of OFDM modulation signal is encrypted, pared to traditional cryptography encryption algorithm to encrypt data transmitted symbol rate is far below the data transfer rate.Designed and implemented a LTE physical layer of point to point encryption key technical solutions, constellation mapping and constellation rotation through key control for generating LTE physical layer signal is encrypted, so that illegal recipients, without knowing the key case cannot correctly demodulate LTE physical layer signal, signal encryption fundamental to ensure the safety of the transmission signal.【Keywords】LTE MIMO OFDM Constellation rotation Encryption目 錄1緒論 1 1 LTE演進與技術(shù)特點 3 LTE物理層關(guān)鍵技術(shù)及其研究現(xiàn)狀 4 52 MIMOOFDM技術(shù)原理 7 OFDM技術(shù) 7 OFDM發(fā)展概述 7 OFDM技術(shù)研究現(xiàn)狀 7 OFDM原理 8 9 10 OFDM系統(tǒng)優(yōu)缺點 11 MIMO技術(shù) 13 MIMO發(fā)展概述 13 MIMO技術(shù)研究現(xiàn)狀 14 MIMO原理 15 MIMOOFDM系統(tǒng) 16 MIMO、OFDM系統(tǒng)組合的必要性 17 MIMOOFDM系統(tǒng)模型 17 MIMOOFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 183 LTE物理層星座旋轉(zhuǎn)加密設(shè)計與實現(xiàn) 22 LTE系統(tǒng)模型 22 22 234總結(jié)與展望 29 29 29致謝 31參考文獻 321緒論本章首先對LTE的演進、技術(shù)特點以及物理層的關(guān)鍵技術(shù)進行了簡要的介紹；其次介紹了本文重點研究的LTE物理層中基于空間復(fù)用的MIMO編碼技術(shù)的發(fā)展情況和研究意義；最后給出了本文的研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排。“使用一代，研究一代，準(zhǔn)備一代”是維持國家和企業(yè)領(lǐng)先地位的基本方式之一，這一思想也適用于移動通信系統(tǒng)的發(fā)展。個人移動通信系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了三代。這三代技術(shù)的介紹和典型代表如下所述：第一代（1G）移動通信系統(tǒng)采用模擬技術(shù)，基于FDMA，主要支持語音業(yè)務(wù)，不能傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。具有代表性的有上世紀(jì)70到80年代的美國高級移動電話業(yè)務(wù)（AMPS）、北歐移動電話系統(tǒng)（NMT）和全接入通信系統(tǒng)（TACS）。但這類系統(tǒng)存在信號質(zhì)量不好、安全保密性差、手機體積重量太大等缺點。第二代（2G）移動通信系統(tǒng)采用了數(shù)字技術(shù)，基于TDMA或CDMA，主要支持語音業(yè)務(wù)，改進后的2G （）系統(tǒng)，可以支持較低速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達32kbit/s。代表性的有全球移動通信系統(tǒng)（GSM）、數(shù)字高級移動電話業(yè)務(wù)（DAMPS）、碼分多址復(fù)用（IS95CDMA）以及個人數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)（PDC），其中GSM系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛。2G系統(tǒng)除提供語音業(yè)務(wù)之外，具備了提供低速數(shù)據(jù)服務(wù)和短消息服務(wù)的能力。第三代（3G）移動通信系統(tǒng)采用更高級的數(shù)字技術(shù)，基于CDMA，可以支持速率較高的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達到2Mbit/s。其典型代表有我國提出的TDSCDMA系統(tǒng)、歐洲提出的WCDMA系統(tǒng)，和美國提出的CDMA2000系統(tǒng)。這些系統(tǒng)除了提供語音通信服務(wù)外還能夠提供多媒體業(yè)務(wù)，能為用戶提供更高數(shù)據(jù)速率的移動接入[1]。3G 標(biāo)準(zhǔn)化的具體工作由移動通信領(lǐng)域的兩大標(biāo)準(zhǔn)組織——3GPP（3rd Generation Partnership Project）和3GPP2（3rd Generation Partnership Project）負(fù)責(zé)，完成從標(biāo)準(zhǔn)到商用發(fā)展的具體過程。3GPP和3GPP2也一直在不斷完善3G系統(tǒng)的性能。然而，從計算機通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來的另一類移動通信網(wǎng)，以其信息速率更高為特征，移動性和個人化服務(wù)也在不斷改善，因而表現(xiàn)出旺盛的生命力和巨大的市場競爭力。2004年初，以IEEE 802系列為代表的無線接入網(wǎng)絡(luò)，大多采用了OFDM技術(shù)作為核心技術(shù)，具有較高的數(shù)據(jù)速率（實際上速率的提升主要是靠使用更大的帶寬，而OFDM技術(shù)更適合用于帶寬較大的場合），成為了無線通信領(lǐng)域討論的熱門話題，尤其是具有移動性的IEEE （俗稱WiMAX：Worldwide Interoperability for Microwave Access，可譯作全球互通微波接入系統(tǒng)），使得業(yè)界對由電信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來的3G系統(tǒng)產(chǎn)生了懷疑，在電信界引起了很大的震動，從而使未來移動通信系統(tǒng)的發(fā)展及演進問題成為廣泛的研究熱點[2]。未來移動通信系統(tǒng)目前還沒有統(tǒng)一的名稱，常見的有LTE、B3G、E3G、4G等，術(shù)語B3G由ITU定義。在2005年10月18日結(jié)束的ITURWP8F的第17次會議上，ITU為B3G技術(shù)定義了一個正式的名稱IMTAdvanced。國內(nèi)學(xué)者經(jīng)常采用術(shù)語E3G來表示增強型3G技術(shù)（Enhanced 3G），本論文認(rèn)為術(shù)語E3G 與術(shù)語B3G（Beyond 3G）的含義基本相同，本論文統(tǒng)一采用術(shù)語B3G來表示未來移動通信系統(tǒng)的總稱。以寬帶和提供多媒體業(yè)務(wù)為特征的新一代移動通信系統(tǒng)的發(fā)展，將以市場為導(dǎo)向，帶動新技術(shù)和業(yè)務(wù)的發(fā)展，不斷探索新型的經(jīng)營模式。移動通信終端將呈現(xiàn)綜合化、智能化和多媒體化的發(fā)展趨勢。未來的無線終端的功能和性能將更加強大，成為集數(shù)據(jù)處理、多媒體視聽和無線通信于一體的個人數(shù)據(jù)通信中心[3]。3GPP和3GPP2已經(jīng)分別制訂了以移動通信長期演進為主要議題的長期演進（LTE：Long Term Evolution和無線接口演進（AIE：Air Interface Evolution）計劃，均已經(jīng)決定采用GOFDM作為核心技術(shù)。按照目前的規(guī)劃，無線傳輸峰值速率將至少達到100Mbps，這將極大地促進移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展。國內(nèi)國外許多組織和團體已經(jīng)在B3G、4G方面開展了幾年的研究。普遍認(rèn)為，4G通信系統(tǒng)并沒有完全脫離以前的通信技術(shù)，而是在傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷提高移動通信的網(wǎng)絡(luò)效率，增加其功能。因此，從傳輸技術(shù)上看，4G應(yīng)當(dāng)包括3G演進技術(shù)和其它全新的無線傳輸技術(shù)。相對目前的3G系統(tǒng)，4G系統(tǒng)除了更高傳輸速率、頻帶效率和覆蓋范圍以外，還要適應(yīng)基于分組的突發(fā)業(yè)務(wù)。4G整個系統(tǒng)將基于IPV6核心網(wǎng)的互聯(lián)互通、支持端到端的分類QoS，能夠更好地支持更為廣泛的媒體業(yè)務(wù)類型。為實現(xiàn)以上目標(biāo)，3GPP、3GPP2和Future計劃分別針對TDSCDMA、WCDMA、CDMA2000空中接口標(biāo)準(zhǔn)提出了各自的技術(shù)演進規(guī)劃[4]。 LTE演進與技術(shù)特點LTE項目是第三代移動合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project， 3GPP)對通用移動通信系統(tǒng)（Universal Mobile Telemunications System， UT]VIS)的長期演進。LTE旨在降低系統(tǒng)的時延、提高數(shù)據(jù)的傳輸速率并增大系統(tǒng)容量。 LTE發(fā)展情況3GPP LTE項目是用來制定3G演進型的系統(tǒng)規(guī)范。LTE標(biāo)準(zhǔn)演進如圖所示，從2004年LTE研究項目立項以及目標(biāo)需求的制定，到2008年12月，定義了LTE基本功能的R8版本正式發(fā)布，LTE現(xiàn)在部分國家已經(jīng) 始商用。其規(guī)范比較穩(wěn)定，其后續(xù)的增強版本LTEAdvanced技術(shù)也已經(jīng)發(fā)布并通過了ITU的驗收，成為真正的4G技術(shù)[5]。LTE是為了確保3G系統(tǒng)未來的持續(xù)競爭力，為用戶需求提供更高的數(shù)據(jù)速率和服務(wù)質(zhì)量。3GPP組織通過對市場需求做了相應(yīng)的討論，分析系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，進行了LTE系統(tǒng)的具體設(shè)計工作，相對于現(xiàn)有的3G系統(tǒng)，LTE演進技術(shù)有以下四個特點：（1）系統(tǒng)最大帶寬為20MHz，上下行峰值速率有巨大的提升。采用MIMO、OFDM作為其關(guān)鍵技術(shù)，通信速率及頻譜效率得到了很大的提高。（2）LTE系統(tǒng)基于分組交換，通過系統(tǒng)設(shè)計及嚴(yán)格的QoS機制，保證了實時