传输有效性和安全性对于现代通信系统是非常重要的,新一代无线通信系统要求网络能够为移动用户提供高速、可靠、安全的无线传输条件。信道容量作为信息传输速率的一个重要衡量标准,在通信传输有效性的研究中占有重要地位。而通信安全的目的则是保证发送方的信息能够安全到达接收方而不被非法第三方所窃听。本文围绕CDMA和MIMO通信系统,着重分析了这两种通信系统的传输有效性和安全性问题。基于以上两个问题的分析,全文以统计物理方法为系统框架,在以下四个方面作了相应的研究工作。在第一部分内容中,我们采用频率选择性信道模型作基础,侧重于分析CDMA通信系统的信道容量,研究了信噪比、系统负载等参数对信道容量的影响。此外,在接收机进行信道估计的过程中,难免会产生估计误差。本文以最小均方误差估计为例,分析了信道估计误差对信道容量的影响。这部分内容的主要结论有:(a)如果将频率选择性信道看作是一个横截滤波器,那么实际的信道容量随横截滤波器的抽头数目增加而降低; (b)当接收机对信道进行估计时,信道估计误差的方差值扩大时,信道容量的损失越严重。在第二部分内容中,本文首次采用统计物理方法分析CDMA通信系统的安全性。与传统的CDMA通信系统安全性分析不同的地方在于:本文分析的是CDMA通信系统物理层的安全性问题,而以往的分析则主要基于密码体制并将有关的安全性问题放在物理层之上进行考虑。本文之所以展开CDMA通信系统物理层安全性分析,主要是基于以下事实:经典密码体制在密文传输过程中,均假设加密机与解密机之间的信道是传输无差错的完美信道。然而,由于无线通信信道存在噪声和其它干扰,使得这一假设难以成立。为此,本文首先提出了高斯CDMA窃听信道的概念和相应的安全性准则,并在此基础上对CDMA通信系安全性进行了分析,有关的仿真结果验证了理论分析的正确性。这部分内容的主要结论有:(a)通过统计物理方法分析表明,在大系统极限条件下,CDMA通信系统中的任意一个处于激活状态的用户在CDMA窃听信道上传输信息时,其效果等同于该用户在高斯窃听信道上进行信息传输。(b)当系统中处于激活状态的用户数目减少时,在保证必要的系统安全性的条件下,用户的传输速率可以增大; (c)扩频码长度的增加,有利于提高系统的安全性。与CDMA通信系统的信道容量分析相对应,本文第三部分分析了MIMO通信系统的信道容量。然而与第一部分中的CDMA通信系统不同的是,MIMO系统中由于采用了多天线技术,其信道传输函数较之CDMA通信系统复杂。因而,本部分内容侧重于分析MIMO信道的特性,如天线数目、散射体等因素对MIMO通信系统的信道容量的影响。这部分内容的主要结论有:当接收天线数目一定的条件下,发送天线数目增加有利于信道容量的提高;此外,散射体数目的增多可以提高MIMO信道的信道容量。在以往MIMO通信系统的性能分析中,对多天线技术提高系统吞吐量和传输可靠性的研究基本占主导地位。本文最后一部分,选择了MIMO通信系统的安全性作为切入点,分析了多天线技术在通信系统传输安全性方面的有关问题。这部分内容的主要结论有:(a)在以往的有关窃听信道的相关研究中,一般认为只要窃听信道引入噪声,那么发送方和合法接收方总能实现无条件的安全通信。但是本文认为,当窃听者在借助多天线技术的条件下,即使窃听时引入噪声,窃听方依然能使得系统的安全信道容量趋于零。也就是说,以往有关窃听信道的结论在多天线条件下难以成立; (b)当安全信道容量趋于零时,窃听者与合法接收方所使用的天线个数所需满足的关系在本文中进行了定量的分析; (c)合法接收方Bob接收信号时采用更多数目的天线对于取得更好的安全性是有好处的,但是对于发送端Alice而言,增大其天线数目对于Alice和Bob之间的安全通信不一定总是有帮助,因为发送端的天线数目增多将更方便Eve窃听有关的信息。以上四个部分的内容,均统一在一种统计物理分析方法的体系结构中。统计物理的基本概念之所以能在上述内容的研究中得以应用,简单来说,其原因在于信息熵与统计物理中熵的概念之间存在密切联系。在研究信道容量时,由于信道容量与互信息及信息熵有直接关系,所以在一定条件下可以找到信道容量与统计物理基本概念之间的联系。同样的道理,在进行系统安全性分析时,由于安全性准则与发送者与窃听者之间的互信息有关,安全性分析也能与统计物理概念联系起来。