[发明专利]一种基于QoS的VLC保密通信系统发射端设计方法

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。

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，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，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(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。