【正文】 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(dòng)通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，移動(dòng)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(wú)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。同時(shí)，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(duì)信號(hào)進(jìn)行加密，相比于傳統(tǒng)密碼學(xué)加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，符號(hào)傳輸?shù)乃俾蔬h(yuǎn)遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)傳輸速率?！笆褂靡淮芯恳淮?，準(zhǔn)備一代”是維持國(guó)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(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展。但這類系統(tǒng)存在信號(hào)質(zhì)量不好、安全保密性差、手機(jī)體積重量太大等缺點(diǎn)。第三代（3G）移動(dòng)通信系統(tǒng)采用更高級(jí)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(dá)到2Mbit/s。3GPP和3GPP2也一直在不斷完善3G系統(tǒng)的性能。在2005年10月18日結(jié)束的ITURWP8F的第17次會(huì)議上，ITU為B3G技術(shù)定義了一個(gè)正式的名稱IMTAdvanced。未來(lái)的無(wú)線終端的功能和性能將更加強(qiáng)大，成為集數(shù)據(jù)處理、多媒體視聽和無(wú)線通信于一體的個(gè)人數(shù)據(jù)通信中心[3]。普遍認(rèn)為，4G通信系統(tǒng)并沒(méi)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(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)效率，增加其功能。為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，3GPP、3GPP2和Future計(jì)劃分別針對(duì)TDSCDMA、WCDMA、CDMA2000空中接口標(biāo)準(zhǔn)提出了各自的技術(shù)演進(jìn)規(guī)劃[4]。LTE標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)如圖所示，從2004年LTE研究項(xiàng)目立項(xiàng)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(guó)家已經(jīng) 始商用。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。 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。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。在MIMO系統(tǒng)理論及性能研究方面己有一批文獻(xiàn)。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。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。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?？傊?，MIMO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。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。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。MIMOOFDM技術(shù)已成為未來(lái)寬帶無(wú)線通信的發(fā)展趨勢(shì)。 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。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)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)。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。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。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。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。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。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。 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]。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)。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%OFDM技術(shù)能同時(shí)分開至少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)。對(duì)這些子信道還可以采用糾錯(cuò)碼來(lái)進(jìn)行糾錯(cuò)。OFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴(yán)重，就沒(méi)有必要再加時(shí)域均衡器。（baud即波特；1Baud=log2M（bit/s），其中M是信號(hào)的編碼級(jí)數(shù)）。（2）峰均比過(guò)大OFDM信號(hào)由多個(gè)子載波信號(hào)組成，這些子載波信號(hào)由不同的調(diào)制符號(hào)獨(dú)立調(diào)制。而峰均比過(guò)大，將會(huì)增加A/D和D/A的復(fù)雜性，而且會(huì)降低射頻功率放大器的效率。在20世紀(jì)70年代有人提出將多入多出技術(shù)用于通信系統(tǒng)，但是對(duì)無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)多入多出技術(shù)產(chǎn)生巨大推動(dòng)的奠基工作則是上世紀(jì)90年代由ATamp。一般以發(fā)送信號(hào)之一半波長(zhǎng)作為實(shí)體的天線間距，以滿足空間上的采樣定理且避免旁瓣輻射，亦即空間上的混疊。這些型態(tài)的系統(tǒng)在選擇實(shí)體的天線間距時(shí)，通常以大于被發(fā)送信號(hào)的波長(zhǎng)的距離為實(shí)作，以確保 MIMO 頻道間的低關(guān)聯(lián)性及高分集階數(shù)（diversity order）[18。多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)是基于無(wú)線通信分集技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的，其定義可以簡(jiǎn)單描述為在其發(fā)射端和接收端均采用了多天線配置的無(wú)線通信系統(tǒng)，所以稱之為MIMO系統(tǒng)。雖然在MIMO系統(tǒng)理論以及性能研究方面已有非常多的研究成果，但是由于無(wú)線移動(dòng)通信中復(fù)雜的無(wú)線傳播環(huán)境，因此尚有大量問(wèn)題需要研究。（2）另一個(gè)研究的重點(diǎn)就是MIMO信道。例如，在發(fā)射機(jī)已知部分信道信息的情況下給出了一種基于線性變換的結(jié)合普通發(fā)射數(shù)字波束形成技術(shù)和正交空時(shí)分組碼技術(shù)的MIMO處理結(jié)果，以實(shí)現(xiàn)對(duì)信道信息的充分利用，于是如何在發(fā)射端獲得信道信息以及利用信道信息就成為了一個(gè)研究的熱點(diǎn)。新的空時(shí)編碼方法，例如空時(shí)Turbo碼，正在不斷地提出，以改善MIMO的性能，減少空時(shí)編碼系統(tǒng)的復(fù)雜性，更好地適應(yīng)新一代無(wú)線通信系統(tǒng)的要求和信道的實(shí)際情況[20]。同時(shí)。MIMO技術(shù)大致可以分為兩類：發(fā)射/接收分集和空間復(fù)用。如果各個(gè)天線之間的衰落是獨(dú)立的，可以獲得最大的分集增益為n，平均誤差概率可以減小到，單天線衰落信道的平均誤差概率為 。廣義上來(lái)說(shuō)，智能天線技術(shù)也可以算一種天線分集技術(shù)。如果在這些并行的子信道上傳輸不同的信息流，可以提供傳輸數(shù)據(jù)速率，這被稱為空間復(fù)用?？臻g復(fù)用能最大化MIMO系統(tǒng)的平均發(fā)射速率，但只能獲得有限的分集增益。目前解決MIMO系統(tǒng)中的頻率選擇性衰落的方案一般是利用均衡技術(shù)，還有一種是利用OFDM。 MIMO、OFDM系統(tǒng)組合的必要性在高速寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)中，多徑效應(yīng)、頻率選擇性衰落和帶寬效率是信號(hào)傳輸過(guò)程中必須考慮的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。OFDM技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種多載波窄帶調(diào)制，可以將寬帶信道轉(zhuǎn)化成若干個(gè)平坦的窄帶子信道，每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，所以每個(gè)子信道上的頻率選擇性衰落可以看作是平坦性衰落。MIMOOFDM系統(tǒng)內(nèi)組合了多輸入和多輸出天線和正交頻分復(fù)用調(diào)制兩大關(guān)鍵技術(shù)。并分別通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行同步，在去循環(huán)前綴后通過(guò)FFT解調(diào)剩下的OFDM符號(hào)；此時(shí)，時(shí)延數(shù)據(jù)變換成為頻域數(shù)據(jù)，接下來(lái)在頻域內(nèi)，從解調(diào)后的OFDM符號(hào)中提取出頻率導(dǎo)頻，然后通過(guò)精細(xì)的頻率同步和定時(shí)，準(zhǔn)確地提取出導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)符號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)還原?？諘r(shí)信號(hào)處理包括發(fā)射端的信令方案和接收端的檢測(cè)算法。一般而言，空時(shí)編碼包括空時(shí)格碼（STTC: SpaceTime Trellis Code）和空時(shí)分組碼（STBC:SpaceTime Block Code）。MIMO技術(shù)的空間復(fù)用就是在接收端和發(fā)射端使用多個(gè)天線，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一信道上使用多個(gè)數(shù)據(jù)通道發(fā)射信號(hào)，從而使得信道容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增加。其中最基本的形式是針對(duì)平衰落信道的VBLAST結(jié)構(gòu)，它沒(méi)有得到空間分集，而是純粹的MIMO多路傳輸，可獲得最大速率或流量增益。（2）同步技術(shù)：對(duì)于無(wú)線通信來(lái)說(shuō)，無(wú)線信道存在時(shí)變性，在傳輸中存在的頻率偏移會(huì)使MIMOOFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，相位噪聲對(duì)系統(tǒng)也有很大的損害。為解決MIMOOFDM的同步問(wèn)題，出現(xiàn)了多種同步算法，主要是針對(duì)循環(huán)擴(kuò)展和特殊的訓(xùn)練序列以及導(dǎo)頻信號(hào)來(lái)進(jìn)行，其中較常用的有利用奇異值分解的ESPRIT同步算法和ML估計(jì)算法，其中ESPRIT算法雖然估計(jì)精度高，但計(jì)算復(fù)雜、計(jì)算量大；而ML算法利用OFDM信號(hào)的循環(huán)前綴，可以有效地對(duì)MIMOOFDM信號(hào)進(jìn)行頻偏和時(shí)偏的聯(lián)合估計(jì)，而且與ESPRIT算法相比，其計(jì)算量要小得多。然而對(duì)于MIMOOFDM系統(tǒng)，不同的信號(hào)同時(shí)從不同的天線發(fā)射出去，對(duì)于每一個(gè)天線、每一個(gè)子載波都會(huì)對(duì)應(yīng)很多個(gè)信道參數(shù)，信道參數(shù)太多，對(duì)信道估計(jì)帶來(lái)了較大的困難。而其中最受人們關(guān)注、理論最成熟的是Turbo碼和LDPC碼。LDPC（低密度奇偶校驗(yàn)碼）是一類可以用非常稀疏的Paritycheck（奇偶校驗(yàn)矩陣）或BiPartite graph（二分圖）定義的線性分組糾錯(cuò)碼。這樣，就需要根據(jù)各個(gè)子信道的實(shí)際傳輸情況靈活地分配發(fā)送功率和信息比特，以最大限度地提高系統(tǒng)容量。在頻率選擇性衰落信道中，隨著平均信噪比的增加，系統(tǒng)的誤碼率下降十分緩慢。3 LTE物理層星座旋轉(zhuǎn)加密設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) LTE系統(tǒng)模型 LTE系統(tǒng)簡(jiǎn)單模型如圖所示，該系統(tǒng)模型主要有4個(gè)重要部分組成，分別是串并/并串轉(zhuǎn)換、星座映射、DFT變換/DFT逆變換和IFFT/FFT。若約定的值為M（這里M即為18），旋轉(zhuǎn)的角度即為(1~M)/M*2π。解密代碼如下：source_modulation_QPSK_de_rot=modulation_after_Q_de_interleave.*conj(rot_phase)。 隨機(jī)旋轉(zhuǎn)加密之后的星座圖Step3： Q路的頻域交織，交織矩陣收發(fā)雙發(fā)知道，I=real(source_modulation_QPSK_rot)。 Q_interleave(:,i)=reshape(temp.39。Step5：插入循環(huán)前綴insert_cp_symbol_with_QPSK=[ifft_symbol_with_QPSK(carrier_countCP_length+1:carrier_count, ifft_symbol_with_QPSK)]。Q_receive=imag(symbol_after_fft_with_QPSK)。,carrier_count,1)。%de_modulationd是自己寫的QPSK解調(diào)函數(shù)Step10：非法用戶不知道相位情況下進(jìn)行解調(diào)rot_phase_FEI=exp(2*pi.*randint(carrier_count,ofdm_symbol_num,18(.*j/18)。 [bit_err_with_QPSK_FEIFA,wuyongbianliang]=biterr(it_after_demodulation_with_QPSK_FEIFA, bit_source_QPSK)。 非法用戶與合法永福的誤比特率 4總結(jié)與展望本文介紹了LTE相關(guān)研究背景、意義，對(duì)LTE物理層進(jìn)行了分析，介紹了發(fā)展情況與原理，對(duì)MIMO技術(shù)的原理做了闡述與分析，對(duì)MIMOOFDM系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)做了簡(jiǎn)單介紹。隨著各種無(wú)線通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展和全面部署以及多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣泛共存，用戶除了對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)傳輸性能（有效性和可靠性）的需求越來(lái)越大之外，對(duì)通信的安全性能也提出了越來(lái)越高的要求，尤其是涉及國(guó)家安全、軍事信息和商業(yè)機(jī)密的無(wú)線通信系統(tǒng)，對(duì)通信的安全性能與傳輸性能都有較高要求。密碼體系假設(shè)加密機(jī)輸出的密文和保密機(jī)接收的密文完全一致，即加密機(jī)與解密機(jī)之間的信道是傳輸無(wú)差錯(cuò)的完美信道，且接收者必須知道用于解密的密鑰。與經(jīng)典的密碼體系不同，物理層保密充分利用無(wú)線通信系統(tǒng)本身的物理信號(hào)和無(wú)線信道的特征，在信號(hào)傳輸層面保證無(wú)線通信的安全性。同時(shí)，非常感謝通信工程系的其他各位老師，各位老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度讓我受益匪淺，無(wú)論是開題還是中期答辯，都非常嚴(yán)格，這使我對(duì)自己的研究也更加深入。同時(shí)也非常感謝通信工程系11級(jí)2班這個(gè)集體以及整個(gè)通信工程系，在集體中，我感到非常的團(tuán)結(jié)和友好。時(shí)光荏苒，白駒過(guò)隙，大學(xué)的學(xué)習(xí)即將結(jié)束，心中充滿無(wú)限感激和留戀之情。t e naturally or easily to them, and so they are