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北京电子科技学院 LTE系统物理层加密关键技术设计与实现（此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！） 学号：20113225LTE系统物理层加密关键技术设计与实现Design and implementation of encryption key technology of the physical layer LTE system系 别： 通信工程系专 业： 通信工程班 级： 2班学生姓名： 贺海洋指导教师： 许萍、张昕然 副教授、助教日 期： 2015年3月至2015年6月摘要宽带无线通信是信息化社会发展的助推器，它正在改变人们的生活方式。近年来，随着信息技术的迅猛发展，移动通信技术在全球范围内得到了迅猛的发展及应用，各种全新的无线通信概念层出不穷、各种新的体制及其关键技术日新月异。由于正交频分复用（OFDM）技术可以高效地利用频谱资源并有效地对抗频率选择性衰落，多入多出（MIMO）利用多个天线实现多发多收，在不增加带宽和发送功率的情况下，可以成倍提高信道容量，因此OFDM-MIMO技术被广泛认为是超三代通信系统（B3G)的关键技术，是当今移动通信领域研究的热点。面对移动通信系统日益增长的高数据带宽及安全性需求，LTE系统引入了OFDM和MIMO等关键技术。以LTE系统物理层加密关键技术为核心与OFDM调制相结合的加密算法，相较于传统密码学加密算法，其能够更好对空口数据进行保护。同时，与OFDM调制相结合的LTE系统物理层加密关键技术是对信号进行加密，相比于传统密码学加密算法对数据进行加密，符号传输的速率远远低于数据传输速率。本文设计并实现一种LTE系统物理层点对点加密关键技术方案，通过密钥控制的星座映射与星座旋转，对LTE物理层信号进行加密，使得非法接受者，在不知道密钥的情况下，无法正确解调出LTE物理层信号，从根本上实现信号加密，保证信号的安全传输。【关键词】LTE MIMO OFDM 星座旋转 加密AbstractBroadband wireless communication 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 communications technology on a global scale has been rapid development and application of a variety of new wireless communication 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 combat 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 OFDM-MIMO technology is widely considered Beyond Third Generation in mobile communication system （B3G) key technology is a hot area of today's mobile communications research. Faced with the growing mobile communication 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 combined with OFDM modulation, the traditional cryptography encryption algorithms compared to its better air port data protection. Meanwhile, LTE physical layer encryption key technology and the combination of OFDM modulation signal is encrypted, compared 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目录1绪论11.1移动通信的发展概述11.1.1 LTE演进与技术特点31.1.2 LTE物理层关键技术及其研究现状41.2本文的主要工作和内容安排52 MIMO-OFDM技术原理72.1 OFDM技术72.1.1 OFDM发展概述72.1.2 OFDM技术研究现状72.1.3 OFDM原理82.1.4保护间隔和循环前缀92.1.5保护间隔插入的原理102.1.7 OFDM系统优缺点112.2 MIMO技术132.2.1 MIMO发展概述132.2.2 MIMO技术研究现状142.2.3 MIMO原理152.3 MIMO-OFDM系统162.3.1 MIMO、OFDM系统组合的必要性172.3.2 MIMO-OFDM系统模型172.3.3 MIMO-OFDM系统的关键技术183 LTE物理层星座旋转加密设计与实现223.1 LTE系统模型223.2星座旋转加密设计223.3星座旋转加密设计与实现234总结与展望294.1总结294.2展望29致谢31参考文献321绪论本章首先对LTE的演进、技术特点以及物理层的关键技术进行了简要的介绍；其次介绍了本文重点研究的LTE物理层中基于空间复用的MIMO编码技术的发展情况和研究意义；最后给出了本文的研究内容与结构安排。1.1移动通信的发展概述“使用一代，研究一代，准备一代”是维持国家和企业领先地位的基本方式之一，这一思想也适用于移动通信系统的发展。个人移动通信系统的发展已经经历了三代。这三代技术的介绍和典型代表如下所述：第一代（1G）移动通信系统采用模拟技术，基于FDMA，主要支持语音业务，不能传输数据的系统。具有代表性的有上世纪70到80年代的美国高级移动电话业务（AMPS）、北欧移动电话系统（NMT）和全接入通信系统（TACS）。但这类系统存在信号质量不好、安全保密性差、手机体积重量太大等缺点。第二代（2G）移动通信系统采用了数字技术，基于TDMA或CDMA，主要支持语音业务，改进后的2G 系统一般被称为2.5代（2.5G）系统，可以支持较低速率的数据业务，数据传输速率最高可达32kbit/s，实际中一般只有9.6bit/s。代表性的有全球移动通信系统（GSM）、数字高级移动电话业务（D-AMPS）、码分多址复用（IS-95CDMA）以及个人数字蜂窝通信系统（PDC），其中GSM系统应用最广泛。2G系统除提供语音业务之外，具备了提供低速数据服务和短消息服务的能力。第三代（3G）移动通信系统采用更高级的数字技术，基于CDMA，可以支持速率较高的数据业务，最高数据传输速率可达到2Mbit/s。其典型代表有我国提出的TD-SCDMA系统、欧洲提出的WCDMA系统，和美国提出的CDMA2000系统。这些系统除了提供语音通信服务外还能够提供多媒体业务，能为用户提供更高数据速率的移动接入1。3G 标准化的具体工作由移动通信领域的两大标准组织3GPP（3rd Generation Partnership Project）和3GPP2（3rd Generation Partnership Project）负责，完成从标准到商用发展的具体过程。3GPP和3GPP2也一直在不断完善3G系统的性能。然而，从计算机通信网络发展而来的另一类移动通信网，以其信息速率更高为特征，移动性和个人化服务也在不断改善，因而表现出旺盛的生命力和巨大的市场竞争力。2004年初，以IEEE 802系列为代表的无线接入网络，大多采用了OFDM技术作为核心技术，具有较高的数据速率（实际上速率的提升主要是靠使用更大的带宽，而OFDM技术更适合用于带宽较大的场合），成为了无线通信领域讨论的热门话题，尤其是具有移动性的IEEE 802.16e标准（俗称WiMAX：Worldwide Interoperability for Microwave Access，可译作全球互通微波接入系统），使得业界对由电信网络发展而来的3G系统产生了怀疑，在电信界引起了很大的震动，从而使未来移动通信系统的发展及演进问题成为广泛的研究热点2。未来移动通信系统目前还没有统一的名称，常见的有LTE、B3G、E3G、3.9G、4G等，术语B3G由ITU定义。在2005年10月18日结束的ITU-RWP8F的第17次会议上，ITU为B3G技术定义了一个正式的名称IMT-Advanced。国内学者经常采用术语E3G来表示增强型3G技术（Enhanced 3G），本论文认为术语E3G 与术语B3G（Beyond 3G）的含义基本相同，本论文统一采用术语B3G来表示未来移动通信系统的总称。以宽带和提供多媒体业务为特征的新一代移动通信系统的发展，将以市场为导向，带动新技术和业务的发展，不断探索新型的经营模式。移动通信终端将呈现综合化、智能化和多媒体化的发展趋势。未来的无线终端的功能和性能将更加强大，成为集数据处理、多媒体视听和无线通信于一体的个人数据通信中心3。3GPP和3GPP2已经分别制订了以移动通信长期演进为主要议题的长期演进（LTE：Long Term Evolution和无线接口演进（AIE：Air Interface Evolution）计划，均已经决定采用G-OFDM作为核心技术。按照目前的规划，无线传输峰值速率将至少达到100Mbps，这将极大地促进移动数据业务的发展。国内国外许多组织和团体已经在B3G、4G方面开展了几年的研究。普遍认为，4G通信系统并没有完全脱离以前的通信技术，而是在传统通信网络和通信技术的基础上不断提高移动通信的网络效率，增加其功能。因此，从传输技术上看，4G应当包括3G演进技术和其它全新的无线传输技术。相对目前的3G系统，4G系统除了更高传输速率、频带效率和覆盖范围以外，还要适应基于分组的突发业务。4G整个系统将基于IPV6核心网的互联互通、支持端到端的分类QoS，能够更好地支持更为广泛的媒体业务类型。为实现以上目标，3GPP、3GPP2和Future计划分别针对TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000空中接口标准提出了各自的技术演进规划4。1.1.1 LTE演进与技术特点LTE项目是第三代移动合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project， 3GPP)对通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunications System， UTVIS)的长期演进。LTE旨在降低系统的时延、提高数据的传输速率并增大系统容量。图1.1 LTE发展情况3GPP LTE项目是用来制定3G演进型的系统规范。LTE标准演进如图所示，从2004年LTE研究项目立项以及目标需求的制定，到2008年12月，定义了LTE基本功能的R8版本正式发布，LTE现在部分国家已经 始商用。其规范比较稳定，其后续的增强版本LTE-Advanced技术也已经发布并通过了ITU的验收，成为真正的4G技术5。LTE是为了确保3G系统未来的持续竞争力，为用户需求提供更高的数据速率和服务质量。3GPP组织通过对市场需求做了相应的讨论，分析系统的设计目标，进行了LTE系统的具体设计工作，相对于现有的3G系统，LTE演进技术有以下四个特点：（1）系统最大带宽为20MHz，上下行峰值速率有巨大的提升。采用MIMO、OFDM作为其关键技术，通信速率及频谱效率得到了很大的提高。（2）LTE系统基于分组交换，通过系统设计及严格的QoS机制，保证了实时业务的服务质量。（3）支持1.4MHz-20MHz的带宽，灵活的频谱部署。（4）系统支持高速率的同时，对于低速率用户也进行了优化，并且考虑的小区边缘用户的吞吐量6。1.1.2 LTE物理层关键技术及其研究现状随着移动互联网的发展前景逐渐明朗，同时具有竞争性的新技术WiMAX的出现，移动通信运营商和设备商 始在多年3G技术储备的基础上寻求全新的技术发展。相比于第三代移动通信技术，LTE的各项指标均有了质的飞跃，主要体现在核心技术上，正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）取代了码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA），新型多天线（Multiple Input Multiple Output， MIM）技术和链路自适应技术等新技术在LTE系统中得到了广泛的应用7。正交频分复用OFDM是一种把高速率的串行数据通过频分复用来实现并行传输的多载波传输技术，其思想早在20世纪60年代就已经提出了，但由于并行传输系统需要基带成形捧波器阵列，正弦波载波发生器阵列及相干解调阵列，采用传统的模拟的方法实现是相当复杂的、昂贵的，因而早期并没有得到实际应用。OFDM技术发展过程可分为极低频谱效率的FDM技术阶段，最早的、高频谱效率的多载波通信系统阶段，多载波理论发展阶段，OFDM无线移动通信系统理论形成阶段，从理论到实用阶段。 近十年来，OFDM技术在满足需求的同时，找到频谱效率及功率效率的平衡点。伴随着大规模集成电路技术高速发展，OFDM技术得到了更加广泛的应用。OFDM成为LTE系统的核心技术主要是因为OFDM是一项成熟的技术，其接收机复杂度低，能够通过FFT快速地实现，易于硬件的实现;利用正交的子载波避免子载波之间的保护带所造成的频谱浪费，同时也使得频率选择性衰落得到了有效抑制。OFDM 也能够直接扩展到 OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址接入）。OFDM技术还可以与自适应调制技术、MIMO技术相结合，提高系统的容量8。作为无线高速数据传输的关键技术MIMO其理论、性能、算法和实现的各方面均被各国学者广泛地进行着研究。在MIMO系统理论及性能研究方面己有一批文献。这些文献已涉及相当广泛的内容，但是由于无线移动通信MIMO信道是一个时变、非平稳多输入多输出系统，尚有大量问题需要研究。比如说，各文献大多假定信道为分段-恒定衰落信道。这对于宽带信号的4G系统及室外快速移动系统来说是不够的，因此必须采用复杂的模型进行研究。已有不少文献在进行这方面的工作，即对信道为频率选择性衰落和移动台快速移动情况进行研究。再有，在基本文献中，均假定接收机精确已知多径信道参数，为此，必须发送训练序列对接收机进行训练。但是若移动台移动速度过快，就使得训练时间太短，这样快速信道估计或盲处理就成为重要的研究内容。另外实验系统是MIMO技术研究的重要一步。实际系统研究的一个重要问题是在移动终端实现多天线和多路接收，学者们正大力进行这方面的研究。由于移动终端设备要求体积小、重量轻、耗电小，因而还有大量工作要做。目前各大公司均在研制实验系统。随着时势的发展，未来移动通信广带无线移动和无线接入融合系统成为当前热门的研究课题，而MIMO系统是人们研究较多的方向之一9。MIMO技术的优势在于能够提高LTE系统中带宽利用率，通过多路数据并行传输增大系统的容量。MIMO可以通过空间复用方式获得复用增益，提高了数据传输的速度;也可以通过分集方式获得分集增益，可用于对抗无线信道衰落;还可以通过波束赋形技术来抑制特定的干扰信号。总之，MIMO技术可以解决由频谱资源不足而导致的移动通信技术发展的瓶颈问题。链路自适应技术是一种通过信道不断变化的特性来进行资源利用的优化和系统性能的提升的核心技术，与信道估计技术和信道反馈结合使用。无线信道会受到多径传播、干扰、噪声等影响，并且还有变化性和随机性，链路自适应技术可以有效地根据当前的信道状态信息对资源的使用方式，如调制方式、发送功率等进行调整，使得数据的传输更加高效10。1.2本文的主要工作和内容安排本文主要是对LTE系统物理层加密关键技术进行研究，设计与实现了一种通过密钥控制的星座旋转与星座映射，对LTE信号的产生进行加密，使得非法接受者，在不知道密钥的情况下，无法正确解调出LTE物理层信号，从根本上实现信号加密，保证信号的安全传输的LTE物理层点对点通信加密方案。本文安排如下：第一章 引言，首先介绍了移动通信系统的发展现状，对本文的主要工作和论文内容安排进行了概述。 第二章 先介绍了OFDM技术的基本原理，然后OFDM系统的优缺点，保护间隔，循环前缀，接着介绍了MIMO技术和原理，最后介绍了MIMO-OFDM的基本原理，描述了该技术指标以及原理框图。第三章 设计与实现了一种LTE物理层点对点通信的加密方案星座旋转加密。第四章 总结与展望，对全文进行了概括性的总结，探讨了今后研究的可能方向。2 MIMO-OFDM技术原理在未来的宽带无线通信系统中，存在两个十分严峻的挑战：多径衰落和带宽效率。OFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为若干个平坦的衰落子信道，从而大大降低了接收端均衡器的复杂度。而MIMO技术由于能够在空间中产生独立的并行信道，同时传输多路数据流，从而有效地提高了整个系统的数据传输速率，而且极大地提高了系统的频谱效率。因此，将OFDM和MIMO两种技术相结合，一是可以实现很高的传输速率，二是可以通过分集实现很强的可靠性，充分利用时间、频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。MIMO-OFDM技术已成为未来宽带无线通信的发展趋势。本章主要是论述MIMO-OFDM系统中的两个最关键的技术：MIMO和OFDM技术的基本原理与实现过程，在搭建整个平台前提供理论支持11。2.1 OFDM技术2.1.1 OFDM发展概述OFDM的概念于20世纪5060年底提出，1970年OFDM的专利被发表，其基本思想通过采用允许子信道频谱重叠，但相互间又不影响的频分复用（FDM）方法来并行传送数据。OFDM早期的应用有AN/GSC_10高频可变速率数传调制解调器等。 早期的OFDM系统中，发信机和相关接收机所需的副载波阵列是由正弦信号发生器产生的，系统复杂且昂贵。1972年Weinstein和Ebert提出了使用离散傅立叶变换实现OFDM系统中的全部调制和调解功能的建议，简化了振荡器阵列以及相关接收机本地载波之间严格同步的问题，为实现OFDM的全数字化方案做了理论上的准备。 80年代后，OFDM的调整技术再一次成为研究热点。例如，在有线信道的研究中，Hirosaki于1981年用DFT完成的OFDM调整技术，试验成功了16QAM多路并行传送19.2kbit/s的电话线MODEM。进入90年代，OFDM的应用又涉及到了利用移动调频和单边带信道进行高速数据通信，陆地移动通信，高速数字用户环路（HDSL），非对称数字用户环路（ADSL）及高清晰度数字电视（HDTV）和陆地广播等各种通信系统12。2.1.2 OFDM技术研究现状OFDM的英文全称为Orthogonal Frequency Division Multiplexing，中文含义为正交频分复用技术。这种技术是HPA联盟工业规范的基础，它采用一种不连续的多音调制技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被应用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。OFDM技术的应用已经有近40年的历史，主要运用于军用的无线高频通信系统。但是，一个OFDM系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。直到70年代，人们提出了采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制，从而简化了系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化。八十年代，人们研究如何将OFDM技术应用于高速MODEM。进入九十年代以来，OFDM技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。在高频段进行高数据率无线通信时，将面临显著的频率选择性衰落。在传统的单载波通信系统中，码间串扰的影响十分突出，而OFDM调制技术通过将宽信道分解为大量窄带信道，克服多径效应，简化接收机设计，从而大大改善了系统瓶颈。由于OFDM的频率利用率最高，又适用于FFT算法处理，近年来在多种系统得到成功的应用，在理论和技术上已经成熟。因此，3GPP/3GPP2成员多数推荐OFDM作为第四代移动通讯无线接入技术之一。目前，OFDM技术在4G LTE技术中已得到使用，是LTE三大关键技术之一，预计在5G仍然作为主要的调制方式13。2.1.3 OFDM原理正交频分复用技术，实际上是MCM Multi-Carrier Modulation，多载波调制的一种。在通信系统中，信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽要宽得多。如果一个信道只传送一路信号是非常浪费的，为了能够充分利用信道的带宽，就可以采用频分复用的方法。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰ICI。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。OFDM中的各个载波是相互正交的，每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期，每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠，这样便减小了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠，所以它比传统的FDMA提高了频带利用率14。图2.1 OFDM载波调制图2.1.4保护间隔和循环前缀应用OFDM的一个最主要的原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。通过把输入的数据流串并变换到N个并行的自信道中，使得每个用于去调制子载波的数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的N倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低N倍。为了最大限度地消除符号间干扰，还可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔（guard interval），而且该保护间隔长度Tg一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。 在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段。然而在这种情况中，由于多径传播的影响，则会产生信道间干扰（ICI），即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰，如下图所示：图2.2 保护间隔示意图OFDM技术可以有效地对抗多径时延扩展，即抗信道衰落能力，这是它得到广泛应用的最重要原因之一。它通过将高速的串行数据流分解成N个低速并行数据流同时传输，大大增加了每个符号的持续时间，使得时延扩展与符号周期的比值降低N倍，因而具有非常好的对抗ISI的能力。为了最大限度地消除ISI，在每个OFDM符号之间要插入保护间隔（GI），该保护间隔的长度一般要大于无线信道的最大多径时延扩展tmax，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。我们需要重视的是，对于保护间隔GI，若插入的是一段空闲的传输时段,则会破坏各子载波之间的正交性而引入信道间干扰ICI，为了避免产生ICI，一种有效的方法是引入循环前缀（CP），如图所示。图2.3 循环前缀示意图循环前缀的插入可以保证时延小于保护间隔几的信号不会在解调过程中产生ICI，因为此时在FFT运算时间长度内仍然可以保持各子载波之间的正交性15。2.1.5保护间隔插入的原理传统的保护间隔插入方案，是在保护间隔时间内不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段。然而在这种情况中，由于多径传播的影响，则会产生信道间干扰（ICI），即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰。每个OFDM符号中都包括所有的非零子载波信号，前且也同时会出现该OFDM符号的时延信号，由于在FFT运算时间长度内，某一子载波与带有时延的另一子载波之间的周期差不再是整数，所以当接收机试图对其中一个子载波进行解调时，另一子载波会对此造成干扰，反之相同。为了消除由于多径所造成的ICI，OFDM符号需要在其保护间隔内填入循环前缀信号，即将一个符号的最后n个采样点复制到本符号的开头，这样就可以保证在FFT周期内，OFDM符号的延时副本内所包含的波形的周期个数也是整数。这样时延小于保护间隔Tg的时延信号就不会在解调过程中产生ICI。2.1.6插入保护间隔后的系统分析一般，循环前缀的选择是将OFDM符号尾部的一部分复制后放到前部，即将符号周期由T增加至T+T，T是保护间隔，也就是循环前缀。保护间隔长度 T对OFDM系统的影响非常大，为了消除信道时延扩展的影响，保护间隔的长度要足够长。保护间隔的引入会带来功率和信息速率的损失，其中功率损失可以定义为：PLOSS=10log101+Tg/T(2-1)当保护间隔占到20% 时，功率损失不到1dB，信息速率的损失高达20%，但是插入保护间隔可以消除ISI和ICI的影响，因此这样的代价对OFDM系统而言是值得的。循环前缀的插入可以保证时延小于保护间隔几的信号不会在解调过程中产生ICI，因为此时在FFT运算时间长度内仍然可以保持各子载波之间的正交性16。2.1.7 OFDM系统优缺点OFDM技术的优点：OFDM存在很多技术优点见如下，在3G、4G中被运用，作为通信方面其有很多优势：（1）在窄带带宽下也能够发出大量的数据。OFDM技术能同时分开至少1000个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全运行的能力将直接威胁到CDMA技术的进一步发展壮大的态势；（2）OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化，由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，所以OFDM能动态地与之相适应，并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信；（3）该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信；（4）OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响。（5）OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。（6）可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多。（7）通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高。（8）OFDM技术抗窄带干扰性很强，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。（9）可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法；（10）信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要；当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。（baud即波特；1Baud=log2M（bit/s），其中M是信号的编码级数）。OFDM技术的缺点：虽然OFDM有上述优点，但是同样其信号调制机制也使得OFDM信号在传输过程中存在着一些劣势：（1）对相位噪声和载波频偏十分敏感这是OFDM技术一个致命的缺点，整个OFDM系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格，任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性，引起ICI。同样，相位噪声也会导致码元星座点的旋转、扩散，形成ICI。而单载波系统就没有这个问题，相位噪声和载波频偏仅仅是降低了接收到的信噪比SNR，而不会引起互相之间的干扰。（2）峰均比过大OFDM信号由多个子载波信号组成，这些子载波信号由不同的调制符号独立调制。同传统的恒包络的调制方法相比，OFDM调制存在一个很高的峰值因子。因为OFDM信号是很多个小信号的总和，这些小信号的相位是由要传输的数据序列决定的。对某些数据，这些小信号可能同相，而在幅度上叠加在一起从而产生很大的瞬时峰值幅度。而峰均比过大，将会增加A/D和D/A的复杂性，而且会降低射频功率放大器的效率。同时，在发射端，放大器的最大输出功率就限制了信号的峰值，这会在OFDM频段内和相邻频段之间产生干扰。（3）所需线性范围宽由于OFDM系统峰值平均功率比（PAPR）大，对非线性放大更为敏感，故OFDM调制系统比单载波系统对放大器的线性范围要求更高17。2.2 MIMO技术2.2.1 MIMO发展概述实际上多输入多输出（MIMO）技术由来已久，早在1908年马可尼就提出用它来抗衰落。在20世纪70年代有人提出将多入多出技术用于通信系统，但是对无线移动通信系统多入多出技术产生巨大推动的奠基工作则是上世纪90年代由AT&TBell实验室的学者完成的。1990年代，全世界无线通信领域都针对多天线系统进行研究，希望创作出能指向接收者之波束成型技术，亦即是所谓智慧型天线一种能使波束聪明地追踪接收者（即移动电话）的技术，如同有个人持着天线到处移动，就像一道自手电筒射出的光束可追踪一位在黑暗中移动的人一样。智慧型天线借由波束对其指向（亦即对目标接收者）的相长干涉（constructive interference）及同时间该波束对目标接收者指向以外其他方向之相消干涉（destructive interference）来增加信号增益，以实现上述智慧型天线的优点，并对于此发送单位上的多天线间，采用较窄的天线间距来实现此波束。一般以发送信号之一半波长作为实体的天线间距，以满足空间上的采样定理且避免旁瓣辐射，亦即空间上的混叠。波束成型技术的缺点乃是在都市的环境中，信号容易朝向建筑物或移动的车辆等目标分散，因而模糊其波束的集中特性（即相长干涉），丧失多数的信号增益及减少干扰的特性。然而此项缺点却随着空间分集及空间多工的技术在1990年代末的发展，而突然转变为优势。这些方法利用多径（multipath propagation）现象来增加数据吞吐量、传送距离，或减少比特错误率。这些型态的系统在选择实体的天线间距时，通常以大于被发送信号的波长的距离为实作，以确保 MIMO 频道间的低关联性及高分集阶数（diversity order）18。2.2.2 MIMO技术研究现状为了在未来移动通信系统中实现大容量、高速以及提高频谱利用率的目标，多输入多输出（MIMO）系统的概念应运而生。多输入多输出（MIMO）或多发多收天线（MTMR）技术在无线移动通信领域的应用是具有革命意义的重大技术进步，并且被广泛认为是第三代及未来移动通信系统与个人通信系统实现高数据速率，提高传输质量的重要途径之一。由于该技术在解决未来无线互联网业务容量需求瓶颈问题上所具有的优势，因而居于当今技术进步列表中的重要位置。多输入多输出（MIMO）系统是基于无线通信分集技术而发展起来的，其定义可以简单描述为在其发射端和接收端均采用了多天线配置的无线通信系统，所以称之为MIMO系统。MIMO系统中，在发送端，串行数据符号流在经过空时处理后被送到多个发射天线进行发射；在接收端通过各种空时检测技术进行数据符号的恢复。为了保证各个子数据符号流能够被有效地分离，要求各个天线之间必须保持足够的距离，以防止接收信号之间过大的相关性19。在新一代移动通信系统中，MIMO技术的理论、算法和实现等都得到了广泛的研究。虽然在MIMO系统理论以及性能研究方面已有非常多的研究成果，但是由于无线移动通信中复杂的无线传播环境，因此尚有大量问题需要研究。（1）如何在宽带应用中找到一种具有优化的性能及复杂度折中的信号处理方案以实现MIMO带来的提高频谱效率的优势。已经有不少的文献对这方面进行了研究，即对信道为频率选择性衰落和移动台快速移动的情况进行了研究。其主要途径可以分为两种：l）空时均衡MIMO系统：典型的方法包括线性MIMO均衡、MIMO判决反馈（DF）均衡以及