一种基于QoS的VLC保密通信系统发射端设计方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
-种基于QoS的VLC保密通信系统发射端设计方法
技术领域
[0001] 本发明属于可见光通信领域，尤其设及一种基于服务质量(QoS)的化C保密通信系 统发射端设计方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 互联网的普及W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W实现完美的安全。因此，物 理层安全越来越受重视。
[0004] 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】
[0005] 发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于QoS的化C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。
[0006] 技术方案:一种基于QoS的化C保密通信系统发射端设计方法，其特征在于，包括W 下步骤：
[0007] 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XI，计算式为：
[000引 xi=ws
[0009 ] 其中，W为腺隹列向量，N为LED阵列数，S服从[-1，1 ]上的均匀分布；
[0010] 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：
[0011] X2 = Fz
[001 ^ 其中，F为N X 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；
[001引步骤3,将处理后的发射信号XI、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：
[0014] x = xi+X2+Idc
[0015] 其中，Id。为N维列向量，其元素分别表示各个L邸阵列的直流偏置；
[0016] 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。
[0017]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Id。的确定方 法为：
[001引步骤al，设定最大迭代次数imax、收敛精度ε、用户最低SN啡良制丫 b、窃听者最高SNR 限制丫 e，初始化迭代计数器i = 1，初始人工噪声预编码矩阵Fo = Onxl，Onxl为元素全为零的N XL矩阵；
[0019] 步骤曰2，解如下凸优化问题：
[0020] 优化目标为：
[0021] 最小化S皿（Idc,i)
[0022] 约束条件为：
[002；3] abs(wi)+abs 化 i)lNxi《Idc,i
[0026] 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，（·）τ表示转置运算，〇s表示发射信号S的标准差，erf表示发射信号S的方差，丫 b表示用 户的最低SN啡良制，I I · I h表示向量的二范数，〇z表示人工噪声Z中元素的标准差，式表示人 工噪声Z中元素的方差，On表示用户接收机噪声的标准差，巧^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&&"? = ￡：{§。名。，6{.}表示期望运算， 换表示第m个窃听者的N维信道向量，丫 e表示窃听者的最高SM限制，tr( ·)表示矩阵的迹， 口,2。,表示第m个窃听者接收机噪声的方差，m=l，2,. .，M，M为窃听者数量；
[0027] 步骤 a3,如果 I I vec{abs(Fi-F 广 1)} I |〇〇<ε 或者 i = imax，进行步骤 4;否则，令 i = i+l 并返回步骤2;其中，vec{ ·}表示矩阵拉直运算，II · I μ表示向量的无穷范数；
[0028] 步骤曰4,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 ο
[0029] 有益效果:相比现有技术，本发明具有W下优点：
[0030] 1.本方法在保证用户与窃听者相应SM限制的条件下，W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W显著降低直流偏置，而 直流偏置不包含任何信息，因而可W提高系统能量利用率。
[0031] 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W应对窃听者信道估计不准确的情况。
[0032] 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】
[0033] 图1为本发明所提出的基于QoS的化C保密通信系统发射端的系统框图；
[0034] 图2为仿真对比实验结果。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0036] 如图1所示，一种基于QoS的化C保密通信系统发射端设计方法，包括W下步骤：
[0037] 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XI，计算式为：
[003引 xi=ws
[0039] 其中，W为腺隹列向量，N为LED阵列数，S服从[-1，1 ]上的均匀分布。
[0040] 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：
[0041] x2 = Fz
[0042] 其中，F为N X 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。
[0043] 步骤3,将处理后的发射信号XI、处理后的人工噪声X2与直流偏置Id。相加，得到实 际发射信号X，计算式为：
[0044] x = xi+X2+Idc
[0045] 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。
[0046] 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。
[0047] 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Id。的确定方法 为：
[004引步骤al，设定最大迭代次数imax、收敛精度ε、用户最低SN啡良制丫 b、窃听者最高SNR 限制丫 e，初始化迭代计数器i = 1，初始人工噪声预编码矩阵Fo = Onxl，Onxl为元素全为零的N XL矩阵。
[0049] 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；丫 b，丫 e由实际系统对用户和窃听者的SNR要求决定。
[0050] 步骤曰2，解如下凸优化问题：
[0051] 优化目标为：
[0052] 最小化S皿（Idc, i)
[0053] 约束条件为：
[0057]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，（·）τ表示转置运算，〇s表示发射信号S的标准差，，的表示发射信号S的方差，丫 b表示 用户的最低SN啡良制，I I · I h表示向量的二范数，〇z表示人工噪声Z中元素的标准差，表 示人工噪声Ζ中元素的方差，On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Rg.,"=怎{g，，,g：：；}，E{ · }表示期望运 算，茲表示第m个窃听者的N维信道向量，丫 e表示窃听者的最高SM限制，t;r( ·)表示矩阵的 迹，巧I?表示第m个窃听者接收机噪声的方差，m=l，2,. .，M，M为窃听者数量。
[005引步骤曰3,如果I |vec{abs(Fi-Fi-i)} I |~<ε或者i = imax，进行步骤4;否则，令迭代计 数器加1，即令i = i+l并返回步骤2;其中，vec{ · }表示矩阵拉直运算，II · 11~表示向量的 无穷范数。
[0059] 步骤曰4,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 ο
[0060] 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。
[0061] 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。仿真对比实验所设及的参数如表1所示：
[0062] 表 1
[0063]
[0064] 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W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。
[0065] W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w做出若干改进和润饰，运些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
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，wSN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NXL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Id。相加，得到实际发射 信号X，计算式为： X - Xl+X2+Idc 其中，Id。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。2. 根据权利要求1所述的一种基于QoS的VLC保密通信系统发射端设计方法，其特征在 于: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Id。的确定方法为： 步骤al，设定最大迭代次数imax、收敛精度ε、用户最低SNR限制yb、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Fo = Onxl，Onxl为元素全为零的N X 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)lNxi^Idc,i其中，Idc^iii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， (· )τ表示转置运算，〇s表示发射信号s的标准差，W表示发射信号s的方差，yb表示用户的 最低SNR限制，I I · I |2表示向量的二范数，σζ表示人工噪声Z中元素的标准差，crz 2表示人工 噪声z中元素的方差，〇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Rg;w = i^g",gU，E{ · }表示期望运算，g【,表 示第m个窃听者的N维信道向量，ye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=l，2,. .，Μ，Μ为窃听者数量； 步骤a3,如果| | vec{abs(Fi_Fi_i)} | |~〈ε或者i = imax，进行步骤4;否则，令i = i + l并返 回步骤2;其中，vec{ ·}表示矩阵拉直运算，Μ · | μ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Iddti。
【文档编号】H04B10/116GK106059640SQ201610511107
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】沈弘, 邓榆钦, 赵春明
【申请人】东南大学