本发明涉及可见光通信，尤其是一种最大化安全传输速率的VLC保密通信系统发射方法。
背景技术：
无线通信在人们的生活中占有十分重要的位置，近年来，随着固态照明技术的普及，发光二极管(LED)的应用越来越广泛。LED不仅具有低功耗、节能、环保等优点，还拥有切换快、灵敏度高和调制性能好等特点，因而被用于可见光通信(VLC)。
近年来，无线通信的安全性问题受到广泛关注。传统密码法直接传输加密后的信息，导致窃听者也能接收到信号，随着破译算法的日益精进，在某些高安全性要求的环境下，该方法存在潜在的安全隐患。
技术实现要素：
发明目的：针对上述现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种最大化安全传输速率的VLC保密通信系统发射方法，该方法能够在保证发射信号非负以及直流偏置受限的情况下，获得最大系统安全传输速率。
技术方案：一种最大化安全传输速率的VLC保密通信系统发射方法，包括如下步骤：
(1)使用发射波束成型向量w对发射信号s进行处理，得到x1：
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；
(2)将处理后的发射信号x1与直流偏置Idc相加，得到实际发射信号x：
x＝x1+Idc
其中，Idc＝idc1N×1，Idc的元素分别表示各个LED阵列的直流偏置，1N×1表示元素全为1的N维列向量；
(3)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。
进一步的，步骤(1)中所述发射波束成型向量w的确定方法为：
(1.1)解凸优化问题：
优化目标为：
最大化
其中，hT表示用户的N维信道向量，与η为待优化变量，表示用户接收机噪声的方差；
约束条件为：
η≥0
其中，为idc和imax-idc的最小值，imax为LED阵列的最大允许直流偏置，gT表示窃听者的N维信道向量，diag{A}为由矩阵A的对角线元素组成的列向量，表示窃听者接收机噪声的方差，表示矩阵A半正定；
(1.2)首先计算然后利用特征值分解求出Rw的最大特征值λmax与λmax对应的单位特征向量u，进而得到发射波束成型向量
进一步的，步骤(3)中所述使用LED阵列发射实际发射信号具体包括：
(3.1)N路实际发射信号x分别经D/A转换器转换为模拟信号；
(3.2)将步骤(3.1)中得到的模拟信号经放大器放大之后驱动相应的LED阵列，由电信号转换为光信号。
有益效果：本发明在保证发射信号非负以及直流偏置受限的条件下，以最大化安全传输速率为目标，针对发射波束成型进行优化，显著提高了系统安全性能；采用阵列加权形成的波束方向图在合法用户方向形成最大增益而在窃听用户方向形成零陷，利用物理层安全技术通过充分利用无线信道复杂的空间特性和时变特性，使窃听者无法接收到信号，直接从物理层保障信息传输的安全性。从而达到防窃听的目的。并且本发明仅需要求解一个凸优化问题，计算复杂度较低，利于工程实现。
附图说明
图1是本发明所提出的最大化安全传输速率的VLC保密通信系统发射端的系统框图；
图2是仿真实验结果图。
具体实施方式
下面通过一个最佳实施例并结合附图对本技术方案进行详细说明。
本发明的典型应用场景中，VLC系统的发射端包含多个LED阵列，每个LED阵列由多个LED组成，各个LED阵列可以发射不同的信号，每个LED阵列内的LED发射相同的信号，该系统利用LED阵列将发送信号转换为光信号，然后通过光路发往用户，用户采用光电二极管(PD)接收信号，为防止信号被窃听者截取，本发明通过对发送信号进行预处理，使得窃听者难以接收到信号，如图1所示，具体步骤如下：
(1)使用发射波束成型向量w对发射信号s进行处理，得到x1：
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；发射波束成型向量w的确定方法为：
(1.1)解凸优化问题：
优化目标为：
最大化
其中，(·)T表示转置运算，hT表示用户的N维信道向量，与η为待优化变量，表示用户接收机噪声的方差；
约束条件为：
η≥0
其中，为idc和imax-idc的最小值，imax为LED阵列的最大允许直流偏置，gT表示窃听者的N维信道向量，diag{A}为由矩阵A的对角线元素组成的列向量，表示窃听者接收机噪声的方差，表示矩阵A半正定；
(1.2)首先计算然后利用特征值分解求出Rw的最大特征值λmax与λmax对应的单位特征向量u，进而得到发射波束成型向量
(2)将处理后的发射信号x1与直流偏置Idc相加，得到实际发射信号x：
x＝x1+Idc
其中，Idc＝idc1N×1，Idc的元素分别表示各个LED阵列的直流偏置，1N×1表示元素全为1的N维列向量；
(3)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。本步骤以最大化安全传输速率为目标，在LED直流偏置电流受限的情况下，通过凸优化解得最优的预编码向量w。相对于不考虑窃听者的传统传统方法可显著提高保密性能。
其中，使用LED阵列发射实际发射信号具体包括：
(3.1)N路实际发射信号x分别经D/A(数字/模拟)转换器转换为模拟信号；
(3.2)将步骤(3.1)中得到的模拟信号经放大器放大之后驱动相应的LED阵列，由电信号转换为光信号。
例如，x的第1个元素经D/A变换与放大后驱动第1个LED阵列。
为了验证本发明的效果，进行了仿真实验，仿真实验所涉及的参数如下表所示：
图2为仿真对比实验结果，如图所示，在LED的直流驱动电流idc相同的情况下，本发明方法相对于未考虑窃听者的传统方法，显著提高了安全传输速率，即系统的保密性能。
本发明采用的物理层安全技术通过充分利用无线信道复杂的空间特性和时变特性，使窃听者无法接收到信号，直接从物理层保障信息传输的安全性。
波束成型通过对发射信息加权使得发射信息在不同的方向具有不同的增益，从而影响该方向接收者接收到的信号干扰噪声比。如果在一个通信系统中同时存在合法用户和窃听用户，那么阵列加权形成的波束方向图希望在合法用户方向形成最大增益而在窃听用户方向形成零陷，从而达到防窃听的目的。
本发明在保证发射信号非负以及直流偏置受限的条件下，针对发射波束成型进行优化，使得系统安全传输速率最大化。本发明中的波束成型优化方法复杂度较低，易于工程实现。
以上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。