一種基于QoS的VLC保密通信系統(tǒng)發(fā)射端設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于QoS的VLC保密通信系統(tǒng)發(fā)射端設(shè)計(jì)方法，本發(fā)明通過對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼并加入人工噪聲，在使得用戶和竊聽者的SNR滿足保密通信的QoS限制條件下，最小化系統(tǒng)直流偏置。本發(fā)明還充分考慮竊聽者信道信息誤差的影響，從而提高系統(tǒng)保密性能的魯棒性。本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)保密通信的同時(shí)，有效降低了系統(tǒng)直流偏置，提高了能量利用率且復(fù)雜度低，易于工程實(shí)現(xiàn)。
【專利說明】
-種基于QoS的VLC保密通信系統(tǒng)發(fā)射端設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于可見光通信領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于服務(wù)質(zhì)量(QoS)的化C保密通信系 統(tǒng)發(fā)射端設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 20世紀(jì)90年代后期，隨著全光接入技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)無(wú)線通信的要求，信息容 量大、部署靈活且維護(hù)方便的可見光通信(VLC)技術(shù)得到了人們的極大關(guān)注，它為無(wú)線寬帶 接入的快速部署提供了一種靈活的解決方案，其應(yīng)用范圍已從軍用和航天邁入民用領(lǐng)域。
[0003] 互聯(lián)網(wǎng)的普及W及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用，給人們的生活帶來(lái)了便利，但是竊聽 和對(duì)數(shù)據(jù)的惡意使用給整個(gè)社會(huì)造成了嚴(yán)重的損失。由于無(wú)線通信的廣播特性，特別容易 被竊聽。人們?cè)诳紤]無(wú)線通信的有效性和可靠性的同時(shí)，更加注重其安全性。物理層安全與 傳統(tǒng)的密鑰加密方式不同，窮舉的攻擊方法對(duì)它毫無(wú)意義，可W實(shí)現(xiàn)完美的安全。因此，物 理層安全越來(lái)越受重視。
[0004] 預(yù)編碼技術(shù)或波束成型技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是一種陣列數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。該技術(shù)運(yùn)用 一些最優(yōu)化準(zhǔn)則調(diào)節(jié)天線陣的各個(gè)天線單元的加權(quán)向量，形成期望方向圖，使得信號(hào)沿著 用戶信道方向發(fā)射，而在竊聽用戶信道方向產(chǎn)生零陷，在保證用戶信噪比（SNR)的同時(shí)降低 竊聽者的SNR。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，提出一種基于QoS的化C保密通信系統(tǒng)發(fā)射端設(shè)計(jì) 方法，在保證保密通信的同時(shí)，最小化直流偏置。
[0006] 技術(shù)方案:一種基于QoS的化C保密通信系統(tǒng)發(fā)射端設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括W 下步驟：
[0007] 步驟1，使用信號(hào)預(yù)編碼向量W對(duì)發(fā)射信號(hào)S進(jìn)行處理，得到XI，計(jì)算式為：
[000引 xi=ws
[0009 ] 其中，W為腺隹列向量，N為L(zhǎng)ED陣列數(shù)，S服從[-1，1 ]上的均勻分布；
[0010] 步驟2,使用人工噪聲預(yù)編碼矩陣F對(duì)人工噪聲Z進(jìn)行處理，得到X2,計(jì)算式為：
[0011] X2 = Fz
[001 ^ 其中，F(xiàn)為N X L矩陣，Z為L(zhǎng)維列向量，L為人工噪聲的維數(shù)，Z的元素服從[-1，1 ]上的 均勻分布且相互獨(dú)立；
[001引步驟3,將處理后的發(fā)射信號(hào)XI、處理后的人工噪聲X2與直流偏置Idc相加，得到實(shí) 際發(fā)射信號(hào)X，計(jì)算式為：
[0014] x = xi+X2+Idc
[0015] 其中，Id。為N維列向量，其元素分別表示各個(gè)L邸陣列的直流偏置；
[0016] 步驟4,使用LED陣列發(fā)射所述實(shí)際發(fā)射信號(hào)x，x的元素分別表示各個(gè)LED陣列的實(shí) 際發(fā)射信號(hào)。
[0017]進(jìn)一步的，所述信號(hào)預(yù)編碼向量w、人工噪聲預(yù)編碼矩陣F和直流偏置Id。的確定方 法為：
[001引步驟al，設(shè)定最大迭代次數(shù)imax、收斂精度ε、用戶最低SN啡良制丫 b、竊聽者最高SNR 限制丫 e，初始化迭代計(jì)數(shù)器i = 1，初始人工噪聲預(yù)編碼矩陣Fo = Onxl，Onxl為元素全為零的N XL矩陣；
[0019] 步驟曰2，解如下凸優(yōu)化問題：
[0020] 優(yōu)化目標(biāo)為：
[0021] 最小化S皿（Idc,i)
[0022] 約束條件為：
[002；3] abs(wi)+abs 化 i)lNxi《Idc,i
[0026] 其中，Idc,i、wi與Fi為第i次迭代過程中Idc、w、F對(duì)應(yīng)的待優(yōu)化變量，sum( ·)表示向 量所有元素之和，abs(.)表示對(duì)矩陣或向量的所有元素取絕對(duì)值，hT表示用戶的N維信道 向量，（·）τ表示轉(zhuǎn)置運(yùn)算，〇s表示發(fā)射信號(hào)S的標(biāo)準(zhǔn)差，erf表示發(fā)射信號(hào)S的方差，丫 b表示用 戶的最低SN啡良制，I I · I h表示向量的二范數(shù)，〇z表示人工噪聲Z中元素的標(biāo)準(zhǔn)差，式表示人 工噪聲Z中元素的方差，On表示用戶接收機(jī)噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差，巧^表示用戶接收機(jī)噪聲的方差， Rg,m表示第m個(gè)竊聽者信道的自相關(guān)矩陣，定義式為&&"? = ￡：{§。名。，6{.}表示期望運(yùn)算， 換表示第m個(gè)竊聽者的N維信道向量，丫 e表示竊聽者的最高SM限制，tr( ·)表示矩陣的跡， 口,2。,表示第m個(gè)竊聽者接收機(jī)噪聲的方差，m=l，2,. .，M，M為竊聽者數(shù)量；
[0027] 步驟 a3,如果 I I vec{abs(Fi-F 廣 1)} I |〇〇<ε 或者 i = imax，進(jìn)行步驟 4;否則，令 i = i+l 并返回步驟2;其中，vec{ ·}表示矩陣?yán)边\(yùn)算，II · I μ表示向量的無(wú)窮范數(shù)；
[0028] 步驟曰4,輸出信號(hào)預(yù)編碼向量w = wi、人工噪聲預(yù)編碼矩陣F = Fi和直流偏置Idc = Idc, i ο
[0029] 有益效果:相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0030] 1.本方法在保證用戶與竊聽者相應(yīng)SM限制的條件下，W降低直流偏置為目標(biāo)，進(jìn) 行迭代優(yōu)化，由于人工噪聲的引入，相比未添加人工噪聲的系統(tǒng)可W顯著降低直流偏置，而 直流偏置不包含任何信息，因而可W提高系統(tǒng)能量利用率。
[0031] 2.該發(fā)明僅僅需要竊聽者的信道矩陣的自相關(guān)陣信息，即竊聽者信道的統(tǒng)計(jì)特 性，無(wú)需對(duì)竊聽者的信道矩陣進(jìn)行精確估計(jì)，可W應(yīng)對(duì)竊聽者信道估計(jì)不準(zhǔn)確的情況。
[0032] 3.所需迭代次數(shù)低，且單次迭代只需要求解一個(gè)凸優(yōu)化問題，計(jì)算復(fù)雜度低，利于 工程實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發(fā)明所提出的基于QoS的化C保密通信系統(tǒng)發(fā)射端的系統(tǒng)框圖；
[0034] 圖2為仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
[0036] 如圖1所示，一種基于QoS的化C保密通信系統(tǒng)發(fā)射端設(shè)計(jì)方法，包括W下步驟：
[0037] 步驟1，使用信號(hào)預(yù)編碼向量W對(duì)發(fā)射信號(hào)S進(jìn)行處理，得到XI，計(jì)算式為：
[003引 xi=ws
[0039] 其中，W為腺隹列向量，N為L(zhǎng)ED陣列數(shù)，S服從[-1，1 ]上的均勻分布。
[0040] 步驟2,使用人工噪聲預(yù)編碼矩陣F對(duì)人工噪聲Z進(jìn)行處理，得到X2,計(jì)算式為：
[0041] x2 = Fz
[0042] 其中，F(xiàn)為N X L矩陣，Z為L(zhǎng)維列向量，L為人工噪聲的維數(shù)，Z的元素服從[-1，1 ]上的 均勻分布且相互獨(dú)立。
[0043] 步驟3,將處理后的發(fā)射信號(hào)XI、處理后的人工噪聲X2與直流偏置Id。相加，得到實(shí) 際發(fā)射信號(hào)X，計(jì)算式為：
[0044] x = xi+X2+Idc
[0045] 其中，Idc為N維列向量，其元素分別表示各個(gè)LED陣列的直流偏置。
[0046] 步驟4,使用LED陣列發(fā)射實(shí)際發(fā)射信號(hào)x，x的元素分別表示各個(gè)LED陣列的實(shí)際發(fā) 射信號(hào)。
[0047] 上述步驟中，信號(hào)預(yù)編碼向量W、人工噪聲預(yù)編碼矩陣F和直流偏置Id。的確定方法 為：
[004引步驟al，設(shè)定最大迭代次數(shù)imax、收斂精度ε、用戶最低SN啡良制丫 b、竊聽者最高SNR 限制丫 e，初始化迭代計(jì)數(shù)器i = 1，初始人工噪聲預(yù)編碼矩陣Fo = Onxl，Onxl為元素全為零的N XL矩陣。
[0049] 具體實(shí)施中，imax越大，ε越小，所得結(jié)果越好，直流偏置越小，但相應(yīng)的會(huì)提高復(fù)雜 度，由實(shí)際中對(duì)復(fù)雜度的要求決定；丫 b，丫 e由實(shí)際系統(tǒng)對(duì)用戶和竊聽者的SNR要求決定。
[0050] 步驟曰2，解如下凸優(yōu)化問題：
[0051] 優(yōu)化目標(biāo)為：
[0052] 最小化S皿（Idc, i)
[0053] 約束條件為：
[0057]其中，Idc,i、wi與Fi為第i次迭代過程中Idc、w、F對(duì)應(yīng)的待優(yōu)化變量，sum( ·)表示向 量所有元素之和，abs( ·)表示對(duì)矩陣或向量的所有元素取絕對(duì)值，hT表示用戶的N維信道 向量，（·）τ表示轉(zhuǎn)置運(yùn)算，〇s表示發(fā)射信號(hào)S的標(biāo)準(zhǔn)差，，的表示發(fā)射信號(hào)S的方差，丫 b表示 用戶的最低SN啡良制，I I · I h表示向量的二范數(shù)，〇z表示人工噪聲Z中元素的標(biāo)準(zhǔn)差，表 示人工噪聲Ζ中元素的方差，On表示用戶接收機(jī)噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差，表示用戶接收機(jī)噪聲的方 差，Rg,m表示第m個(gè)竊聽者信道的自相關(guān)矩陣，定義式為Rg.,"=怎{g，，,g：：；}，E{ · }表示期望運(yùn) 算，茲表示第m個(gè)竊聽者的N維信道向量，丫 e表示竊聽者的最高SM限制，t;r( ·)表示矩陣的 跡，巧I?表示第m個(gè)竊聽者接收機(jī)噪聲的方差，m=l，2,. .，M，M為竊聽者數(shù)量。
[005引步驟曰3,如果I |vec{abs(Fi-Fi-i)} I |~<ε或者i = imax，進(jìn)行步驟4;否則，令迭代計(jì) 數(shù)器加1，即令i = i+l并返回步驟2;其中，vec{ · }表示矩陣?yán)边\(yùn)算，II · 11~表示向量的 無(wú)窮范數(shù)。
[0059] 步驟曰4,輸出信號(hào)預(yù)編碼向量w = wi、人工噪聲預(yù)編碼矩陣F = Fi和直流偏置Idc = Idc, i ο
[0060] 本發(fā)明在對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼的同時(shí)加入人工噪聲，在保證保密通信的同時(shí)， 最小化系統(tǒng)直流偏置，有效提高了系統(tǒng)的能量利用率。在實(shí)際系統(tǒng)中，由于竊聽者并非本系 統(tǒng)的合法用戶，很難得到其精確的信道信息。本發(fā)明僅需要竊聽者信道的統(tǒng)計(jì)信息即可正 常工作，保證了系統(tǒng)保密性能的魯棒性。
[0061] 為了驗(yàn)證本發(fā)明效果，與僅對(duì)發(fā)射信號(hào)做預(yù)編碼，不加入人工噪聲的傳統(tǒng)方法進(jìn) 行了仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)。仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)所設(shè)及的參數(shù)如表1所示：
[0062] 表 1
[0063]
[0064] 此仿真場(chǎng)景中，竊聽者數(shù)量多，竊聽者與用戶距離近，用戶與竊聽者的SNR要求差 距大，對(duì)系統(tǒng)的安全性能要求高。由如圖2所示的仿真結(jié)果可知，本方法可W滿足安全性能 的要求，并且相比不加入人工噪聲的傳統(tǒng)方法，有效降低了直流偏置。
[0065] W上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來(lái)說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可w做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，運(yùn)些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于QoS的VLC保密通信系統(tǒng)發(fā)射端設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1，使用信號(hào)預(yù)編碼向量w對(duì)發(fā)射信號(hào)s進(jìn)行處理，得到X1，計(jì)算式為： X1=WS 其中，wSN維列向量，N為L(zhǎng)ED陣列數(shù)，S服從[-1，1 ]上的均勻分布； 步驟2,使用人工噪聲預(yù)編碼矩陣F對(duì)人工噪聲z進(jìn)行處理，得到X2,計(jì)算式為： X2 = FZ 其中，F(xiàn)為NXL矩陣，z為L(zhǎng)維列向量，L為人工噪聲的維數(shù)，z的元素服從[_1，1]上的均勻 分布且相互獨(dú)立； 步驟3,將處理后的發(fā)射信號(hào)X1、處理后的人工噪聲X2與直流偏置Id。相加，得到實(shí)際發(fā)射 信號(hào)X，計(jì)算式為： X - Xl+X2+Idc 其中，Id。為N維列向量，其元素分別表示各個(gè)LED陣列的直流偏置； 步驟4,使用LED陣列發(fā)射所述實(shí)際發(fā)射信號(hào)x，x的元素分別表示各個(gè)LED陣列的實(shí)際發(fā) 射信號(hào)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于QoS的VLC保密通信系統(tǒng)發(fā)射端設(shè)計(jì)方法，其特征在 于:所述信號(hào)預(yù)編碼向量w、人工噪聲預(yù)編碼矩陣F和直流偏置Id。的確定方法為： 步驟al，設(shè)定最大迭代次數(shù)imax、收斂精度ε、用戶最低SNR限制yb、竊聽者最高SNR限制 γ e，初始化迭代計(jì)數(shù)器i = 1，初始人工噪聲預(yù)編碼矩陣Fo = Onxl，Onxl為元素全為零的N X L 矩陣； 步驟a2,解如下凸優(yōu)化問題： 優(yōu)化目標(biāo)為： 最小化 sum(Idc,i) 約束條件為： abs(wi)+abs(Fi)lNxi^Idc,i其中，Idc^iii與Fi為第i次迭代過程中Idc；、w、F對(duì)應(yīng)的待優(yōu)化變量，sum( ·)表示向量所 有元素之和，abs( ·)表示對(duì)矩陣或向量的所有元素取絕對(duì)值，hT表示用戶的N維信道向量， (· )τ表示轉(zhuǎn)置運(yùn)算，〇s表示發(fā)射信號(hào)s的標(biāo)準(zhǔn)差，W表示發(fā)射信號(hào)s的方差，yb表示用戶的 最低SNR限制，I I · I |2表示向量的二范數(shù)，σζ表示人工噪聲Z中元素的標(biāo)準(zhǔn)差，crz 2表示人工 噪聲z中元素的方差，〇n表示用戶接收機(jī)噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差，表示用戶接收機(jī)噪聲的方差，R g,m 表示第m個(gè)竊聽者信道的自相關(guān)矩陣，定義式為Rg;w = i^g",gU，E{ · }表示期望運(yùn)算，g【,表 示第m個(gè)竊聽者的N維信道向量，ye表示竊聽者的最高SNR限制，tr( ·)表示矩陣的跡， 表示第m個(gè)竊聽者接收機(jī)噪聲的方差，m=l，2,. .，Μ，Μ為竊聽者數(shù)量； 步驟a3,如果| | vec{abs(Fi_Fi_i)} | |~〈ε或者i = imax，進(jìn)行步驟4;否則，令i = i + l并返 回步驟2;其中，vec{ ·}表示矩陣?yán)边\(yùn)算，Μ · | μ表示向量的無(wú)窮范數(shù)； 步驟a4,輸出信號(hào)預(yù)編碼向量w=Wi、人工噪聲預(yù)編碼矩陣F = Fi和直流偏置Iddti。
【文檔編號(hào)】H04B10/116GK106059640SQ201610511107
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月30日
【發(fā)明人】沈弘, 鄧榆欽, 趙春明
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)