本科毕业论文LTE系统物理层加密关键技术设计与实现.docx

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本科毕业论文LTE系统物理层加密关键技术设计与实现

学号：

20113225

毕业论文

LTE系统物理层加密关键技术设计与实现

DesignandimplementationofencryptionkeytechnologyofthephysicallayerLTEsystem

系别：

通信工程系

专业：

通信工程

班级：

学生姓名：

指导教师：

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】LTEMIMOOFDM星座旋转加密

Abstract

Broadbandwirelesscommunicationisaboosterofinformationsocietydevelopment,whichischangingthewaypeoplelive.Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofinformationtechnology,mobilecommunicationstechnologyonaglobalscalehasbeenrapiddevelopmentandapplicationofavarietyofnewwirelesscommunicationconceptendlessvarietyofnewsystemanditskeytechnologyadvances.Sincetheorthogonalfrequencydivisionmultiplexing（OFDM）technologyandefficientuseofspectrumresourceseffectivelycombatfrequencyselectivefading,multipleinputmultipleoutput（MIMO）usingapluralityofantennastoachievemultipleovercharged,withoutincreasingbandwidthandtransmissionpowercase,itcanexponentiallyincreasechannelcapacity,soOFDM-MIMOtechnologyiswidelyconsideredBeyondThirdGenerationinmobilecommunicationsystem（B3G）keytechnologyisahotareaoftoday'smobilecommunicationsresearch.

Facedwiththegrowingmobilecommunicationsystemofhighdatabandwidthandsecurityrequirements,LTEsystemsintroducekeytechnologiessuchasOFDMandMIMO.LTEphysicallayerencryptionkeyfortheencryptionalgorithmcoretechnologycombinedwithOFDMmodulation,thetraditionalcryptographyencryptionalgorithmscomparedtoitsbetterairportdataprotection.Meanwhile,LTEphysicallayerencryptionkeytechnologyandthecombinationofOFDMmodulationsignalisencrypted,comparedtotraditionalcryptographyencryptionalgorithmtoencryptdatatransmittedsymbolrateisfarbelowthedatatransferrate.

DesignedandimplementedaLTEphysicallayerofpointtopointencryptionkeytechnicalsolutions,constellationmappingandconstellationrotationthroughkeycontrolforgeneratingLTEphysicallayersignalisencrypted,sothatillegalrecipients,withoutknowingthekeycasecannotcorrectlydemodulateLTEphysicallayersignal,signalencryptionfundamentaltoensurethesafetyofthetransmissionsignal.

【Keywords】LTEMIMOOFDMConstellationrotationEncryption

目录

1绪论1

1.1移动通信的发展概述1

1.1.1LTE演进与技术特点3

1.1.2LTE物理层关键技术及其研究现状4

1.2本文的主要工作和内容安排5

2MIMO-OFDM技术原理7

2.1OFDM技术7

2.1.1OFDM发展概述7

2.1.2OFDM技术研究现状7

2.1.3OFDM原理8

2.1.4保护间隔和循环前缀9

2.1.5保护间隔插入的原理10

2.1.7OFDM系统优缺点11

2.2MIMO技术13

2.2.1MIMO发展概述13

2.2.2MIMO技术研究现状14

2.2.3MIMO原理15

2.3MIMO-OFDM系统16

2.3.1MIMO、OFDM系统组合的必要性17

2.3.2MIMO-OFDM系统模型17

2.3.3MIMO-OFDM系统的关键技术18

3LTE物理层星座旋转加密设计与实现22

3.1LTE系统模型22

3.2星座旋转加密设计22

3.3星座旋转加密设计与实现23

4总结与展望29

4.1总结29

4.2展望29

致谢31

参考文献32

1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（3rdGenerationPartnershipProject）和3GPP2（3rdGenerationPartnershipProject）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IEEE802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IEEE802.16e标准（俗称WiMAX：

WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess，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（Enhanced3G），本论文认为术语E3G与术语B3G（Beyond3G）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：

LongTermEvolution和无线接口演进（AIE：

AirInterfaceEvolution）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]。

1.1.1LTE演进与技术特点

LTE项目是第三代移动合作伙伴计划（3rdGenerationPartnershipProject，3GPP）对通用移动通信系统（UniversalMobileTelecommunicationsSystem，UT]VIS）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1.1LTE发展情况

3GPPLTE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]。

1.1.2LTE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（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）取代了码分多址（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA），新型多天线（MultipleInputMultipleOutput，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（OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，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。

2MIMO-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]。

2.1OFDM技术

2.1.1OFDM发展概述

OFDM的概念于20世纪50—60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]。

2.1.2OFDM技术研究现状

OFDM的英文全称为OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，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4GLTE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]。

2.1.3OFDM原理

正交频分复用技术，实际上是MCMMulti-CarrierModulation，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