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

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I_dc相加，得到实际发射信号x，计算式为：

x＝x₁+x₂+I_dc

其中，I_dc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I_dc的确定方法为：

步骤a1，设定最大迭代次数i_max、收敛精度ε、用户最低SNR限制γ_b、窃听者最高SNR限制γ_e，初始化迭代计数器i＝1，初始人工噪声预编码矩阵F₀＝0_N×L，0_N×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(I_dc,i)

约束条件为：

abs(w_i)+abs(F_i)1_N×1≤I_dc,i

其中，I_dc,i、w_i与F_i为第i次迭代过程中I_dc、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，h^T表示用户的N维信道向量，(·)^T表示转置运算，σ_s表示发射信号s的标准差，表示发射信号s的方差，γ_b表示用户的最低SNR限制，||·||₂表示向量的二范数，σ_z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，σ_n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，R_g,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，γ_e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(F_i-F_i-₁)}||_∞<ε或者i＝i_max，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＝w_i、人工噪声预编码矩阵F＝F_i和直流偏置I_dc＝I_dc,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I_dc相加，得到实际发射信号x，计算式为：

x＝x₁+x₂+I_dc

其中，I_dc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I_dc的确定方法为：

步骤a1，设定最大迭代次数i_max、收敛精度ε、用户最低SNR限制γ_b、窃听者最高SNR限制γ_e，初始化迭代计数器i＝1，初始人工噪声预编码矩阵F₀＝0_N×L，0_N×L为元素全为零的N×L矩阵。

具体实施中，i_max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；γ_b，γ_e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(I_dc,i)

约束条件为：

abs(w_i)+abs(F_i)1_N×1≤I_dc,i

其中，I_dc,i、w_i与F_i为第i次迭代过程中I_dc、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，h^T表示用户的N维信道向量，(·)^T表示转置运算，σ_s表示发射信号s的标准差，，表示发射信号s的方差，γ_b表示用户的最低SNR限制，||·||₂表示向量的二范数，σ_z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，σ_n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，R_g,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，γ_e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(F_i-F_i-1)}||_∞<ε或者i＝i_max，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＝w_i、人工噪声预编码矩阵F＝F_i和直流偏置I_dc＝I_dc,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I_dc相加，得到实际发射信号x，计算式为：

x＝x₁+x₂+I_dc

其中，I_dc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I_dc的确定方法为：

步骤a1，设定最大迭代次数i_max、收敛精度ε、用户最低SNR限制γ_b、窃听者最高SNR限制γ_e，初始化迭代计数器i＝1，初始人工噪声预编码矩阵F₀＝0_N×L，0_N×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(I_dc,i)

约束条件为：

abs(w_i)+abs(F_i)1_N×1≤I_dc,i

其中，I_dc,i、w_i与F_i为第i次迭代过程中I_dc、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，h^T表示用户的N维信道向量，(·)^T表示转置运算，σ_s表示发射信号s的标准差，表示发射信号s的方差，γ_b表示用户的最低SNR限制，||·||₂表示向量的二范数，σ_z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，σ_n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，R_g,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，γ_e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(F_i-F_i-1)}||_∞<ε或者i＝i_max，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＝w_i、人工噪声预编码矩阵F＝F_i和直流偏置I_dc＝I_dc,i。