一种基于可见光信道的数据安全传输方法及系统与流程

文档序号：22923174发布日期：2020-11-13 16:15阅读：153来源：国知局

本发明涉及数据传输技术领域，尤其涉及一种基于可见光信道的数据安全传输方法及系统。

背景技术：

随着跨网业务的发展，数据的跨网传输交互量越来越大，而传统的网闸隔离传输装置如光盘摆渡机，u盘传输装置等都受到本身的传输速率与低安全性的因素的影响，已经无法跟上跨网发展的脚步。所以，我们急需一种低成本、高速率、高安全并能充分发挥其优越性能的传输媒介来满足互联网数据传输的需求。

随着led技术的问世与发展，其发光效率与光强都远远超过了白炽灯，覆盖了整个可见光谱范围，通过把led技术与通信技术结合，提供了一种全新的无线光通信技术——可见光通信技术。所以为了实现可见光在通信领域的应用，需要研究各种提高可见光通信系统安全性、传输速率与网络容量的方法和技术。

由于当vlc电路接收光数据信号并转换为电信号进行传输时，其信道状态是动态可变并不可预料的，造成数据传输过程中的误码率较高，从而使得数据输送的准确率较低。

技术实现要素：

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于可见光信道的数据安全传输方法及系统，实现了发射端与接收端之间通过可见光信道进行安全稳定的数据交互。

本发明提出的一种基于可见光信道的数据安全传输方法，包括：

发射端生成待传输信号，将待传输信号转化为发射信号向量；

将发射信号向量输送到已优化完成的可见光信道模型中，所述可见光信道模型包括正交频分复用和编码矩阵；

发射信号向量通过正交频分复用得到时域aco-ofdm信号矢量s；

时域aco-ofdm信号矢量s通过编码矩阵进行预编码，得到优化后的待传输数据；

将待传输数据通过可见光多径通道输送到接收端，以完成数据传输。

进一步地，在所述发射信号向量通过正交频分复用得到时域aco-ofdm信号矢量s之前，包括：

对串行的发射信号向量进行串并转换，得到并行的发射信号向量；

对并行的发射信号向量进行正交振幅调制，得到正交调制后的发射信号向量。

进一步地，在所述发射信号向量通过正交频分复用得到时域aco-ofdm信号矢量s中，包括：

将可见光信道模型中的传输信道分成若干个正交子信道，每个子信道中均设置有子载波；

将正交调制后的发射信号向量分别输送到若干个正交子信道中，通过子载波进行调制，得到载波调制后的发射信号向量；

分别对载波调制后的发射信号向量依次进行离散逆傅里叶变换、并串转换，得到ofdm信号；

对ofdm信号进行循环前缀处理，得到aco-ofdm信号矢量s。

进一步地，在所述时域aco-ofdm信号矢量s通过编码矩阵进行预编码，得到优化后的待传输数据中，包括：

利用遗传算法计算得到预编码方阵x，所述预编码方阵x的主对角线上元素为发射不同可见光的led灯的发射功率，非对角线元素为零。

时域aco-ofdm信号矢量s乘以预编码方阵x，得到优化后的待传输数据。

进一步地，在所述利用遗传算法计算得到预编码方阵x中，包括：

设置初始种群规模为n，不同led灯的发射功率与不同个体的染色体基因对应，则对应预编码方阵x的数量为n；

将不同led灯的发射功率进行排序，得到种群染色体的基因排序；

以接收端接收待传输数据的最小欧氏距离最大的原则，优化收敛初始种群，直至得到最优解，最优解对应于预编码方阵x。

进一步地，在所述将待传输数据通过可见光多径通道输送到接收端，以完成数据传输中，包括：

对待传输数据进行数模转换，得到模拟发射信号；

对不同信道中的模拟发射信号进行加密后，通过可见光多径通道输送到接收端。

进一步地，用于接收端，包括：

对接收到的待传输数据进行模数转化，得到接收数据；

对接收数据进行反正交频分复用处理，得到反ofdm信号；

对ofdm信号分别进行子载波逆调制、并串转换，得到与发射端所生成的发射信号对应的接收信号。

8、根据权利要求1-6任一所述的基于可见光信道的数据安全传输方法，其特征在于，可见光信道模型的构建模型如下：

r(t)＝αs(t)·g(t)+n(t)。

其中，r(t)是接收端光电探测器的接收信号，s(t)是待传输数据对应的光信号；n(t)是发送端的探测器响应度；g(t)表示发送端的脉冲信号。

一种基于可见光信道的数据安全传输方法，包括信号生成转化模块、输入模块、正交频分模块、预编码模块和传输模块；

信号生成转化模块用于发射端生成待传输信号，将待传输信号转化为发射信号向量；

输入模块用于将发射信号向量输送到已优化完成的可见光信道模型中，所述可见光信道模型包括正交频分复用和编码矩阵；

正交频分模块用于发射信号向量通过正交频分复用得到时域aco-ofdm信号矢量s；

预编码模块用于时域aco-ofdm信号矢量s通过编码矩阵进行预编码，得到优化后的待传输数据；

传输模块用于将待传输数据通过可见光多径通道输送到接收端，以完成数据传输。

进一步地，正交频分模块包括信道划分模块、载波调制模块、变换调制模块、循环前缀加载模块；

信道划分模块用于将可见光信道模型中的传输信道分成若干个正交子信道，每个子信道中均设置有子载波；

载波调制模块用于将正交调制后的发射信号向量分别输送到若干个正交子信道中，通过子载波进行调制，得到载波调制后的发射信号向量；

变换调制模块用于分别对载波调制后的发射信号向量依次进行离散逆傅里叶变换、并串转换，得到ofdm信号；

循环前缀加载模块用于对ofdm信号进行循环前缀处理，得到aco-ofdm信号矢量s。

本发明提供的一种基于可见光信道的数据安全传输方法及系统的优点在于：本发明结构中提供的一种基于可见光信道的数据安全传输方法及系统，对发射信号进行正交幅度调制(qam)、多载波调制后得到时域aco-ofdm信号，然后通过编码矩阵对时域aco-ofdm信号进行优化，所得到优化后的待传输数据可以通过发射可见光的led灯通道进行稳定传输，实现了发射端与接收端之间通过可见光信道进行稳定数据交互的优点；采用预编码方阵x与时域aco-ofdm信号矢量s相乘，实现对时域aco-ofdm信号的预编码，使得时域aco-ofdm信号可以在led灯形成的动态信道中稳定传输，降低了系统的传输误码率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

具体实施方式

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

如图1所示，本发明提出的一种基于可见光信道的数据安全传输方法，包括：

s1：发射端生成待传输信号，将待传输信号转化为发射信号向量；

发射端首先生成一个发射信号，用于发射到接收端，以实现接收端接收到发送单发送的数据信息，接收端可以根据数据信息作出相应的响应或者动作指令；将发射信号通过转函数转化为发射信号向量便于传对输信号的数字化处理。

s2：将发射信号向量输送到已优化完成的可见光信道模型中，所述可见光信道模型包括正交频分复用和编码矩阵；

可见光信道模型的构建模型如下：

r(t)＝αs(t)·g(t)+n(t)。

其中，r(t)是接收端光电探测器的接收信号，s(t)是待传输数据对应的光信号；n(t)是发送端的探测器响应度(一般为加性高斯白噪声)；g(t)表示发送端的脉冲信号。

在对可见光信道模型进行训练时，可以通过计算机随机生成若干二进制数列，通过若干二进制数列对构建完成的可见光信道模型进行处理，以训练可见光信道模型，得到分级通信优化后的可见光信道模型，然后通过优化后的可见光信道模型对待传输信号进行可见光输送。

s3：发射信号向量通过正交频分复用得到时域aco-ofdm信号矢量s；

s4：时域aco-ofdm信号矢量s通过编码矩阵进行预编码，得到优化后的待传输数据；

通常以接收端接收待传输数据的最小欧氏距离对整个可见光mimo(多进多出)通信的通信误码率有所影响，一般来讲，最小欧式距离越大，误码率也就越低。因此，要想最大化接收信号的最小欧氏距离，改善通信系统的码率性能，可以对发射信号对应的时域aco-ofdm信号矢量s进行预编码，以改善对整个可见光mimo(多进多出)通信的误码率。

s5：将待传输数据通过可见光多径通道输送到接收端，以完成数据传输。

发射信号通过可见光信道模型处理后得到具有多信道的待传输数据(光信号)，因此可以分别通过可以发射可见过的led灯形成的信道进行传输。

通过步骤s1至s5通过对发射信号进行正交幅度调制(qam)、多载波调制后得到时域aco-ofdm信号，然后通过编码矩阵对时域aco-ofdm信号进行优化，所得到优化后的待传输数据可以通过发射可见光的led灯通道进行稳定传输，实现了发射端与接收端之间通过可见光信道进行稳定数据交互的优点。

本申请利用多径通道效应来改善通信质量。在整个可见光mimo通信系统中，发射端和接收端双方使用多副可以同时工作的天线进行通信。可见光mimo通信系统通常采用信号处理技术来显著增强可靠性、传输范围和吞吐量。发射端采用这些技术同时发送多路发射信号，接收端再从这些信号中将数据恢复出来，实现发射端与接收端之间的多径信道的高质量传输。

在步骤s3：发射信号向量通过正交频分复用得到时域aco-ofdm信号矢量s之前，包括：

s301：对串行的发射信号向量进行串并转换，得到并行的发射信号向量；

将信道分成若干正交子信道，将发射信号向量进行串并转换，实现将高速发射信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输，实现发射信号的并行传输处理。

s302：对并行的发射信号向量进行正交振幅调制，得到正交调制后的发射信号向量。

对并行的发射信号向量进行正交调制，可以减少各个信道之间的相互干扰(isi)。

通过步骤s301至s302可知，通过正交振幅调制(qam)，实现并行的发射信号向量的传输。

在步骤s3：发射信号向量通过正交频分复用得到时域aco-ofdm信号矢量s中，包括：

s31：将可见光信道模型中的传输信道分成若干个正交子信道，每个子信道中均设置有子载波；

每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除码间串扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

s32：将正交调制后的发射信号向量分别输送到若干个正交子信道中，通过子载波进行调制，得到载波调制后的发射信号向量；

s33：分别对载波调制后的发射信号向量依次进行离散逆傅里叶变换、并串转换，得到ofdm信号；

发射信号向量对应的声波经过离散逆傅里叶变换进行降噪筛选，使得所到的ofdm信号对应的声波更稳定、更清晰。

s34：对ofdm信号进行循环前缀处理，得到aco-ofdm信号矢量s。

在ofdm系统的加入保护间隔，主要是为了消除多径所造成的isi(子载波之间的正交性遭到破坏而产生不同子载波之间的干扰)。其方法是在ofdm信号进行循环前缀处理，以保证在快四傅里叶变换周期内ofdm信号的时延副本内包含的波形周期个数也是整数。这样，时延小于ofdm信号就不会在接收端解调过程中产生isi。

通过步骤s31至s34，通过使用正交频分复用技术(ofdm)对待传输信号进行处理，得到时域aco-ofdm信号。

在s4：所述时域aco-ofdm信号矢量s通过编码矩阵进行预编码，得到优化后的待传输数据中，包括：

s41：利用遗传算法计算得到预编码方阵x，所述预编码方阵x的主对角线上元素为发射不同可见光的led灯的发射功率，非对角线元素为零。

通常接收端接收信号的最小欧式距离对可见光mimo通信系统的通信误码率上界有所影响，一般来讲，最小欧式距离越大，误码率也就越低。因此，要想最大化接收信号的最小欧氏距离，改善系统误码率性能，可以对发射信号进行预编码。

因此，设预编码方阵x为对角矩阵，规定其主对角线上元素为不同led的发射功率，且必须满足值均大于零，非对角线元素全为零，其中不同led均是规格一致的。然后通过时域aco-ofdm信号矢量s与预编码方阵x相乘，使接收端的接收信号矢量之间的最小欧氏距离最大化，于是可以把最优的预编码方阵x的求解转换成最优化问题。

通过遗传算法对预编码方阵x进行优化：(1)首先生成初始种群，设置初始种群规模为n，不同led灯的发射功率与不同个体的染色体基因对应，即每个led灯的发射功率与每个体的染色体基因对应，则对应预编码方阵x的数量为n，将不同led灯的发射功率进行排序，得到种群染色体的基因排序；本实例中使用实数编码方式，把每个功率优化因子对应为染色体的一个基因进行编码，对于第t个体，其染色体的基因排列为：因此其中，diag[]为对角矩阵，ρj为第j(j＝1、2…nt)个led发射功率对应的功率优化因子。

对每个led通过功率优化因子0<ρj<1调整功率值，ρj满足约束条件例如种群规模设为1000，代表着生成的预编码方阵x的数量为1000个。

根据公知常识，不同led因发射功率不同，所对应的功率优化因子(常数)也是不同的，led发射功率与功率优化因子存在一一对应关系，因此本申请将功率优化因子与染色体的基因对应，因此在遗传算法中ρj也表示为第j个体的染色体基因排列，通过遗传算法的种群收敛得到最优解，即可得到不同led的发射功率，将不同led的发射功率进行组合即可得到预编码方阵x。

(2)以接收端接收待传输数据的最小欧氏距离最大的原则，优化收敛初始种群，直至得到最优解，最优解对应于预编码方阵x。

计算种群的适应度，由于优化目标是使接收信号的最小欧式距离最大，所以种群个体的适应度值和与它对应的接收信号的最小欧式距离呈正相关，即最小欧式距离越大，适应度的值也越大，考虑其个体适应度需为正值，故直接采用最小欧式距离为适应度，则第t个体的适应度fit(ρt)可以表示为：

其中，ρt为第t个体的染色体基因排列，sp-sq表示接收端任取p、q两点之间的距离，diag(ρt)表示主对角线为ρt的对角矩阵。

由上述公式可以看出，接收端接收信号的最小欧式距离越大，个体的适应度值越大，从而可以使种群中能够提供更大最小欧式距离的个体进入下一代种群的概率更高。

例如：随机抽选种群中两个任意由ρj组成的预编码方阵x，分别用x1、x2表达，以四行矩阵4×4mimo-aco-ofdm举例，j选值为1、2、3、4，则：

将所选中的预编码方阵对角线上的元素进行交叉，以x1为例，其可供选择的交叉位置有三种可能结果，即结果1：与之间，结果2：与之间，结果3：与之间。

当所选位置属于结果1，则被选择的预编码方阵x1中对角线上两个元素与被选择的预编码方阵码w2中对角线上两个元素进行交叉；当所选位置属于结果2，则被选择的预编码方阵w1中对角线上一个元素与被选择的预编码方阵w2中对角线上一个元素进行交叉；当所选位置属于结果3，则被选择的预编码方阵x1中对角线上三个元素与被选择的预编码方阵x2中对角线上三个元素进行交叉；而变异操作，即随机改变预编码方阵对角线上的数值，但该数值需要满足大于0，且改变后对角线上的元素之和不超过led阵列总功率值，通过上述操作后不断生成新种群，直到种群收敛得到最优解。

通过上述操作后不断生成新种群，直到种群收敛得到最优解，即得到不同led的发射功率，将发射功率进行组合，得到优化后的预编码方阵x，以改善可见光mimo通信系统的通信误码率。

s42：时域aco-ofdm信号矢量s乘以预编码方阵x，得到优化后的待传输数据。

进一步地，在步骤s5：将待传输数据通过可见光多径通道输送到接收端，以完成数据传输中，包括：

s51：对待传输数据进行数模转换，得到模拟发射信号；

将数字信号转化为模拟光信号，便于在不同led灯组成的不同信道中进行多径传输。

s52：对不同信道中的模拟发射信号进行加密后，通过可见光多径通道输送到接收端。

采用国密sm4算法在发射端对数据传输过程进行加密，在接收端解密后再进行处理。

进一步地，接收端接收到发射端的发射信号时，首先对发射信号进行解密，解密时将将国密sm4的轮密钥的使用顺序逆向进行即可，然后进行如下处理，以获取与发射信号对应的接收信号，包括：

s61：对接收到的待传输数据进行模数转化，得到接收数据；

s62：对接收数据进行反正交频分复用处理，得到反ofdm信号；

s63：对ofdm信号分别进行子载波逆调制、并串转换，得到与发射端所生成的发射信号对应的接收信号。

通过步骤s61至s63可知，接收端是对发射端对数据一系列处理的逆运算，将处理后的发射信号解算得到接收信号，其中，发射信号与接收信号是对应的。