CN106059640B - 一种基于QoS的VLC保密通信系统发射端设计方法 - Google Patents

一种基于QoS的VLC保密通信系统发射端设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于QoS的VLC保密通信系统发射端设计方法,本发明通过对发射信号进行预编码并加入人工噪声,在使得用户和窃听者的SNR满足保密通信的QoS限制条件下,最小化系统直流偏置。本发明还充分考虑窃听者信道信息误差的影响,从而提高系统保密性能的鲁棒性。本发明在实现保密通信的同时,有效降低了系统直流偏置,提高了能量利用率且复杂度低,易于工程实现。

Description

一种基于QoS的VLC保密通信系统发射端设计方法
技术领域
本发明属于可见光通信领域,尤其涉及一种基于服务质量(QoS)的VLC保密通信系统发射端设计方法。
背景技术
20世纪90年代后期,随着全光接入技术的发展和人们对无线通信的要求,信息容量大、部署灵活且维护方便的可见光通信(VLC)技术得到了人们的极大关注,它为无线宽带接入的快速部署提供了一种灵活的解决方案,其应用范围已从军用和航天迈入民用领域。
互联网的普及以及无线网络的大规模应用,给人们的生活带来了便利,但是窃听和对数据的恶意使用给整个社会造成了严重的损失。由于无线通信的广播特性,特别容易被窃听。人们在考虑无线通信的有效性和可靠性的同时,更加注重其安全性。物理层安全与传统的密钥加密方式不同,穷举的攻击方法对它毫无意义,可以实现完美的安全。因此,物理层安全越来越受重视。
预编码技术或波束成型技术,其实质是一种阵列数字信号处理技术。该技术运用一些最优化准则调节天线阵的各个天线单元的加权向量,形成期望方向图,使得信号沿着用户信道方向发射,而在窃听用户信道方向产生零陷,在保证用户信噪比(SNR)的同时降低窃听者的SNR。
发明内容
发明目的:针对上述现有技术,提出一种基于QoS的VLC保密通信系统发射端设计方法,在保证保密通信的同时,最小化直流偏置。
技术方案:一种基于QoS的VLC保密通信系统发射端设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,使用信号预编码向量w对发射信号s进行处理,得到x1,计算式为:
x1=ws
其中,w为N维列向量,N为LED阵列数,s服从[-1,1]上的均匀分布;
步骤2,使用人工噪声预编码矩阵F对人工噪声z进行处理,得到x2,计算式为:
x2=Fz
其中,F为N×L矩阵,z为L维列向量,L为人工噪声的维数,z的元素服从[-1,1]上的均匀分布且相互独立;
步骤3,将处理后的发射信号x1、处理后的人工噪声x2与直流偏置Idc相加,得到实际发射信号x,计算式为:
x=x1+x2+Idc
其中,Idc为N维列向量,其元素分别表示各个LED阵列的直流偏置;
步骤4,使用LED阵列发射所述实际发射信号x,x的元素分别表示各个LED阵列的实际发射信号。
进一步的,所述信号预编码向量w、人工噪声预编码矩阵F和直流偏置Idc的确定方法为:
步骤a1,设定最大迭代次数imax、收敛精度ε、用户最低SNR限制γb、窃听者最高SNR限制γe,初始化迭代计数器i=1,初始人工噪声预编码矩阵F0=0N×L,0N×L为元素全为零的N×L矩阵;
步骤a2,解如下凸优化问题:
优化目标为:
最小化sum(Idc,i)
约束条件为:
abs(wi)+abs(Fi)1N×1≤Idc,i
其中,Idc,i、wi与Fi为第i次迭代过程中Idc、w、F对应的待优化变量,sum(·)表示向量所有元素之和,abs(·)表示对矩阵或向量的所有元素取绝对值,hT表示用户的N维信道向量,(·)T表示转置运算,σs表示发射信号s的标准差,表示发射信号s的方差,γb表示用户的最低SNR限制,||·||2表示向量的二范数,σz表示人工噪声z中元素的标准差,表示人工噪声z中元素的方差,σn表示用户接收机噪声的标准差,表示用户接收机噪声的方差,Rg,m表示第m个窃听者信道的自相关矩阵,定义式为E{·}表示期望运算,表示第m个窃听者的N维信道向量,γe表示窃听者的最高SNR限制,tr(·)表示矩阵的迹,表示第m个窃听者接收机噪声的方差,m=1,2,..,M,M为窃听者数量;
步骤a3,如果||vec{abs(Fi-Fi-1)}||<ε或者i=imax,进行步骤4;否则,令i=i+1并返回步骤2;其中,vec{·}表示矩阵拉直运算,||·||表示向量的无穷范数;
步骤a4,输出信号预编码向量w=wi、人工噪声预编码矩阵F=Fi和直流偏置Idc=Idc,i
有益效果:相比现有技术,本发明具有以下优点:
1.本方法在保证用户与窃听者相应SNR限制的条件下,以降低直流偏置为目标,进行迭代优化,由于人工噪声的引入,相比未添加人工噪声的系统可以显著降低直流偏置,而直流偏置不包含任何信息,因而可以提高系统能量利用率。
2.该发明仅仅需要窃听者的信道矩阵的自相关阵信息,即窃听者信道的统计特性,无需对窃听者的信道矩阵进行精确估计,可以应对窃听者信道估计不准确的情况。
3.所需迭代次数低,且单次迭代只需要求解一个凸优化问题,计算复杂度低,利于工程实现。
附图说明
图1为本发明所提出的基于QoS的VLC保密通信系统发射端的系统框图;
图2为仿真对比实验结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示,一种基于QoS的VLC保密通信系统发射端设计方法,包括以下步骤:
步骤1,使用信号预编码向量w对发射信号s进行处理,得到x1,计算式为:
x1=ws
其中,w为N维列向量,N为LED阵列数,s服从[-1,1]上的均匀分布。
步骤2,使用人工噪声预编码矩阵F对人工噪声z进行处理,得到x2,计算式为:
x2=Fz
其中,F为N×L矩阵,z为L维列向量,L为人工噪声的维数,z的元素服从[-1,1]上的均匀分布且相互独立。
步骤3,将处理后的发射信号x1、处理后的人工噪声x2与直流偏置Idc相加,得到实际发射信号x,计算式为:
x=x1+x2+Idc
其中,Idc为N维列向量,其元素分别表示各个LED阵列的直流偏置。
步骤4,使用LED阵列发射实际发射信号x,x的元素分别表示各个LED阵列的实际发射信号。
上述步骤中,信号预编码向量w、人工噪声预编码矩阵F和直流偏置Idc的确定方法为:
步骤a1,设定最大迭代次数imax、收敛精度ε、用户最低SNR限制γb、窃听者最高SNR限制γe,初始化迭代计数器i=1,初始人工噪声预编码矩阵F0=0N×L,0N×L为元素全为零的N×L矩阵。
具体实施中,imax越大,ε越小,所得结果越好,直流偏置越小,但相应的会提高复杂度,由实际中对复杂度的要求决定;γb,γe由实际系统对用户和窃听者的SNR要求决定。
步骤a2,解如下凸优化问题:
优化目标为:
最小化sum(Idc,i)
约束条件为:
abs(wi)+abs(Fi)1N×1≤Idc,i
其中,Idc,i、wi与Fi为第i次迭代过程中Idc、w、F对应的待优化变量,sum(·)表示向量所有元素之和,abs(·)表示对矩阵或向量的所有元素取绝对值,hT表示用户的N维信道向量,(·)T表示转置运算,σs表示发射信号s的标准差,,表示发射信号s的方差,γb表示用户的最低SNR限制,||·||2表示向量的二范数,σz表示人工噪声z中元素的标准差,表示人工噪声z中元素的方差,σn表示用户接收机噪声的标准差,表示用户接收机噪声的方差,Rg,m表示第m个窃听者信道的自相关矩阵,定义式为E{·}表示期望运算,表示第m个窃听者的N维信道向量,γe表示窃听者的最高SNR限制,tr(·)表示矩阵的迹,表示第m个窃听者接收机噪声的方差,m=1,2,..,M,M为窃听者数量。
步骤a3,如果||vec{abs(Fi-Fi-1)}||<ε或者i=imax,进行步骤4;否则,令迭代计数器加1,即令i=i+1并返回步骤2;其中,vec{·}表示矩阵拉直运算,||·||表示向量的无穷范数。
步骤a4,输出信号预编码向量w=wi、人工噪声预编码矩阵F=Fi和直流偏置Idc=Idc,i
本发明在对发射信号进行预编码的同时加入人工噪声,在保证保密通信的同时,最小化系统直流偏置,有效提高了系统的能量利用率。在实际系统中,由于窃听者并非本系统的合法用户,很难得到其精确的信道信息。本发明仅需要窃听者信道的统计信息即可正常工作,保证了系统保密性能的鲁棒性。
为了验证本发明效果,与仅对发射信号做预编码,不加入人工噪声的传统方法进行了仿真对比实验。仿真对比实验所涉及的参数如表1所示:
表1
此仿真场景中,窃听者数量多,窃听者与用户距离近,用户与窃听者的SNR要求差距大,对系统的安全性能要求高。由如图2所示的仿真结果可知,本方法可以满足安全性能的要求,并且相比不加入人工噪声的传统方法,有效降低了直流偏置。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于QoS的VLC保密通信系统发射端设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,使用信号预编码向量w对发射信号s进行处理,得到x1,计算式为:
x1=ws
其中,w为N维列向量,N为LED阵列数,s服从[-1,1]上的均匀分布;
步骤2,使用人工噪声预编码矩阵F对人工噪声z进行处理,得到x2,计算式为:
x2=Fz
其中,F为N×L矩阵,z为L维列向量,L为人工噪声的维数,z的元素服从[-1,1]上的均匀分布且相互独立;
步骤3,将处理后的发射信号x1、处理后的人工噪声x2与直流偏置Idc相加,得到实际发射信号x,计算式为:
x=x1+x2+Idc
其中,Idc为N维列向量,其元素分别表示各个LED阵列的直流偏置;
步骤4,使用LED阵列发射所述实际发射信号x,x的元素分别表示各个LED阵列的实际发射信号;
所述信号预编码向量w、人工噪声预编码矩阵F和直流偏置Idc的确定方法为:
步骤a1,设定最大迭代次数imax、收敛精度ε、用户最低SNR限制γb、窃听者最高SNR限制γe,初始化迭代计数器i=1,初始人工噪声预编码矩阵F0=0N×L,0N×L为元素全为零的N×L矩阵;
步骤a2,解如下凸优化问题:
优化目标为:
最小化sum(Idc,i)
约束条件为:
abs(wi)+abs(Fi)1N×1≤Idc,i
其中,Idc,i、wi与Fi为第i次迭代过程中Idc、w、F对应的待优化变量,sum(·)表示向量所有元素之和,abs(·)表示对矩阵或向量的所有元素取绝对值,hT表示用户的N维信道向量,(·)T表示转置运算,σs表示发射信号s的标准差,表示发射信号s的方差,γb表示用户的最低SNR限制,||·||2表示向量的二范数,σz表示人工噪声z中元素的标准差,表示人工噪声z中元素的方差,σn表示用户接收机噪声的标准差,表示用户接收机噪声的方差,Rg,m表示第m个窃听者信道的自相关矩阵,定义式为E{·}表示期望运算,表示第m个窃听者的N维信道向量,γe表示窃听者的最高SNR限制,tr(·)表示矩阵的迹,表示第m个窃听者接收机噪声的方差,m=1,2,..,M,M为窃听者数量;
步骤a3,如果||vec{abs(Fi-Fi-1)}||<ε或者i=imax,进行步骤4;否则,令i=i+1并返回步骤2;其中,vec{·}表示矩阵拉直运算,||·||表示向量的无穷范数;
步骤a4,输出信号预编码向量w=wi、人工噪声预编码矩阵F=Fi和直流偏置Idc=Idc,i
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