CN108923854A - 一种确定及对抗室内可见光通信不安全区的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定室内可见光通信不安全区的方法,针对由发射机、合法用户和窃听用户构成的室内可见光通信网,以发射机在接收平面的投影点为圆心,以该投影点到合法用户的距离为半径的圆盘来确定不安全区。当窃听用户位于该不安全区时,将无法保证信息的安全传输。鉴于此,本发明公开了一种对抗不安全区的方法,可以消除或者尽可能地缩小不安全区,从而保证信息尽可能安全的传输。
Description
技术领域
本发明涉及室内可见光通信物理层安全技术领域,尤其涉及一种确定及对抗可见光通信不安全区的方法。
背景技术
可见光通信(Visible Light Communications,VLC)是在发光二极管(LightEmitting Diode,LED)等技术上发展起来的一种新型、短距离、高速的无线通信技术。它以LED作为光源,通过发出肉眼察觉不到的、高速明暗闪烁的可见光信号来传输信息,在接收端利用光电二极管(Photodiode,PD)完成光电转换,然后进行电信号的接收、再生、解调实现信息的传递。
从1999年被提出至今,VLC取得了快速的发展。目前,VLC的研究重点正逐渐从链路级通信转向组网方面。在未来室内VLC网络场景下,用户数据的私有性和保密性将变得格外重要。VLC虽然具有视距传播特性,但仍具有广播特性,这种广播特性在为数据传输提供便利的同时,也为窃听用户接入网络和窃听信息提供了可乘之机,这给合法用户的数据传输造成了潜在的安全隐患。
从信息论角度看,最早解决无线通信网络安全问题的是基于计算量的加密技术,主要包括通信信息加密、密钥管理、安全通信协议等。然而这类技术都是从协议栈的上层通过接入控制、密码保护和端到端加密等解决网络安全问题,其安全性是建立在窃听用户计算能力有限的基础之上,目前其安全性面临诸多问题。一方面,由于无线网络中用户的移动性和资源的有限性,传统加密算法、密钥分发和管理将变得异常复杂。另一方面,随着高性能计算的飞速发展,尤其是量子计算机的出现,基于计算量的加密机制的安全性受到挑战,容易造成安全信息的泄露。因此,传统基于计算量的加密技术已经无法满足未来通信的安全需求,国内外学者开始寻求新的网络安全技术。
在网络安全技术发展的过程中,协议栈中的物理层却一直被忽视。物理层作为协议栈的最底层,是整个网络的基础。如何充分利用无线信道的传输特性,把看似不利的因素转变为有利于提升通信网络安全性能的因素,成为近年来无线通信技术发展的一个重要方向。在这种背景下,物理层安全逐渐受到广泛关注。
在传统无线射频通信网络的物理层安全研究中,由于无线射频信号在无线信道传输具有广播特性,整个无线网络范围都是潜在的不安全区,也即窃听用户不论处于网络的哪个位置,都有可能窃听到信息。因此在传统无线射频通信网络中,无法直接确定不安全区。与传统无线射频通信不同,VLC的信道增益服从朗伯辐射模型,具有视距传播特性,这种信道特性为确定VLC的不安全区域提供了可能。针对VLC的物理层安全,本发明将提供一种确定VLC不安全区的方法,并提供一种对抗不安全区的方案,以尽可能高地提升网络的保密性能。
发明内容
针对室内VLC网络,本发明提供了一种确定及对抗VLC不安全区的方法。基于物理层安全中的保密容量分析,本发明确定了保密通信的不安全区。当窃听者位于不安全区时,将无法保证信息的安全传输;然后,在确定不安全区的基础上,采用相关算法来消除或者尽可能地缩小不安全区。
本发明公开了一种确定室内可见光通信不安全区的方法,基于物理层安全中的保密容量分析,保密容量Cs定义为:
其中,I(·;·)表示互信息,fX(x)表示输入信号的概率密度函数;
在不安全区内,可见光通信的保密容量为零,信息无法安全传输;在不安全区外,可见光通信的保密容量为正,信息可安全传输。
基于一个具有N个发射机(Alice 1,Alice 2,……,Alice N),一个合法用户和一个窃听用户的可见光通信系统,N个发射机坐标分别为(a1,b1,c),(a2,b2,c),……,(aN,bN,c),合法用户和窃听用户的坐标分别为(d,e,f)和(x,y,f),不安全区是由S1,S2,……,SN构成的并集区域,即S1∪S2∪…∪SN,其中区域Si为一个以Alice i在接收机平面的投影点(ai,bi,f)为圆心,以投影点(ai,bi,f)到合法用户的距离为半径的圆盘区域。
本发明还公开了一种对抗可见光通信不安全区的方法,包括以下步骤:
Step 1:初始化:给定N个发射机,分别为Alice 1,Alice 2,……,Alice N;构建坐标系,发射机坐标分别记为(a1,b1,c),(a2,b2,c),……,(aN,bN,c);
Step 2:合法用户将其信道状态信息通过反向链路反馈给发射机;
Step 3:发射机对合法用户进行定位,获取到合法用户的位置坐标为(d,e,f);
Step 4:计算合法用户位置坐标在天花板上的投影点,得(d,e,c);
Step 5:计算投影点(d,e,c)到各发射机的距离Ln;
Step 6:选择距离最小的发射机用于通信,其中
Step 7:发射机检测合法用户位置是否移动;若位置移动,则跳转到Step 2;否则,结束。
所述合法用户为移动终端用户。
有益效果:本发明与现有技术相比,通过采用本发明所提的对抗不安全区算法,VLC系统的不安全区可以尽可能地减小,从而确保系统安全通信的区域尽可能地大。特别地,当Bob在某个发射机正下方时,不安全区消失,此时不管Eve位于何处,均可实现安全通信,如图6所示。当Bob不在某个发射机正下方时,通过采用本发明算法可以使得不安全区最小,如图7所示。
附图说明
图1由一个发射机、一个合法用户和一个窃听用户构成的室内VLC网络;
图2Alice、Bob和Eve的相对位置和角度关系;
图3VLC网络具有一个发射机时的不安全区;
图4VLC网络具有三个发射机时的不安全区;
图5对抗不安全区的算法流程图;
图6当Bob在所选发射机正下方时的不安全区;
图7当Bob不在所选发射机正下方时的不安全区。
具体实施方式
下面结合附图进一步阐述本发明。
考虑一个由发射机(Alice),合法用户(Bob)和窃听用户(Eve)构成的室内VLC网络,如图1所示。发射机位于房间的天花板上,合法用户和窃听用户被放置在地板上。当发射机向合法用户发送数据信息时,窃听用户也可以接收到发送给合法用户的信号。在网络中,发射机利用LED灯来传输光强度信号,而合法用户和窃听用户则通过光电二极管(PD)来接收光信号,并执行光电转换。合法用户和窃听用户接收的信号可以分别表示为:
其中,X是传输的光强信号,HB和HE分别表示主信道和窃听信道的信道增益。Z~N(0,σ2)表示Bob和Eve处的加性高斯白噪声,其中σ2为噪声方差。
在室内VLC中,信道增益Hk(k=B or E)可以表示为
其中,m是朗伯辐射的阶数,Ar是光电二极管PD的接收面积,Ts和g分别为PD的光学滤波器增益和集中器增益,Ψ是PD的视场角。Dk,和ψk分别为从Alice到Bob(k=B)或Eve(k=E)的距离、辐射角和入射角,如图2所示。显然,当Alice,Bob和Eve的位置固定时,信道增益HB和HE均为常量。
在物理层安全中,保密容量Cs定义为:
其中,I(·;·)表示互信息,fX(x)表示输入信号的概率密度函数。可以看出,当HB<HE时,Cs=0,此时我们称导致保密容量为零时(即HB<HE时),窃听者所在的接收区域为不安全区。
不安全区的确定方法:
在传统无线射频通信中,由于信道增益包含随机衰落,无法准确地HB和HE的大小,因此在整个接收区域内都存在HB<HE的可能性,因而整个区域都是潜在的非安全区。然而在VLC中,信道增益不含随机衰落,只要收发机位置确定,信道增益即为常数。此时,可将信道增益的大小关系转化为距离之间的关系,从而确定不安全区。
情况(a):一个发射机
如图2所示,假设Alice、Bob和Eve的坐标分别为(a,b,c)、(d,e,f)和(x,y,f),则Alice在接收机平面的投影坐标为(a,b,f),Alice-Bob之间的距离DB和Alice-Eve之间的距离DE在接收平面投影分别为dB和dE。
根据不安全区的定义可知,HB<HE。又由式(3)可以看出,DB>DE。在投影平面,可进一步得到,dB>dE。这表明只要Bob与投影点(a,b,f)的距离比Eve与该投影点的距离大,保密容量就为零,就无法保证信息的安全传输。当Eve处在非安全区之内时,保密容量为零;只有当Eve位于非安全区以外时,才能保证信息的安全传输。
根据上述分析,只有一个发射机时,不安全区可以表示为:
不安全区S是一个以Alice在接收机平面的投影点(a,b,f)为圆心,以投影点(a,b,f)到Bob的距离为半径的圆盘区域,如图3所示。
情况(b):多个发射机
如图3所示,当存在N个发射机时,分别假设为Alice 1,Alice 2,……,Alice N,其坐标分别为(a1,b1,c),(a2,b2,c),……,(aN,bN,c)。此外,Bob和Eve的坐标分别为(d,e,f)和(x,y,f)。根据情况(a)可知,接收机平面将产生N个不安全区域S1,S2,……,SN。
因此,有N个发射机时,不安全区可以表示为:
不安全区是由S1,S2,……,SN构成的并集区域,即S1∪S2…SN,其中区域Si为一个以Alice i在接收机平面的投影点(ai,bi,f)为圆心,以投影点(ai,bi,f)到Bob的距离为半径的圆盘区域,如图4所示。
在实际VLC的应用场景中(如会议室、市内体育馆、商场等),为了提供足够的照明需求,往往在天花板上安装大量的LED灯。然而由情况(b)可知,随着发射机(也即LED灯)个数的增加,VLC的不安全区域越来越大,这给信息的安全传输提出了极大的挑战。下面,本发明提供一种对抗不安全区的方法。
对抗不安全区的目的就是尽量减小或者消除不安全区,从而使信息尽可能安全地传输。本发明考虑系统具有多个发射机的情况,且发射机的位置可以在天花板上任意排列,更符合实际。此外,Bob和Eve为移动终端用户,可在室内移动。若全部发射机都用来给Bob发送信息,则不安全区会很大。
本发明不采用所有发射机对Bob进行通信,而是从所有发射机中选择能使不安全区最小的一个发射机对Bob进行通信,其余发射机则用于照明。在这种情况下,所选择的发射机在接收机平面的投影离Bob最近,因此不安全区最小,从而达到对抗不安全区的效果。在本发明中,发射机可以通过反向链路获取合法用户Bob的信道状态信息,从而对Bob进行定位。一般而言,窃听用户Eve的信息具有隐蔽性,它不会将其信道信息反馈给发射机,因此本发明所提方法不需要Eve的信道信息,这也更符合实际情况。
本发明所提供的对抗不安全区的方法,包括以下步骤:
Step 1:系统设置初始化。给定N个发射机,分别为Alice 1,Alice 2,……,AliceN;构建坐标系,发射机坐标分别记为(a1,b1,c),(a2,b2,c),……,(aN,bN,c)。
Step 2:Bob可以将其信道状态信息通过反向链路反馈给Alice。
Step 3:Alice利用定位算法对Bob进行定位,获取到Bob的位置为(d,e,f)。
Step 4:计算Bob位置坐标在天花板上的投影点,易知为(d,e,c)。
Step 5:计算投影点(d,e,c)到Alice n,n=1,2,…,N的距离Ln。
Step 6:选择距离最小的Alice k用于通信,其中:
Step 7:发射机检测Bob位置是否移动。若位置移动,则跳转到Step 2;否则,算法结束。
为了便于理解,对抗不安全区的算法流程图如图5所示。
Claims (4)
1.一种确定室内可见光通信不安全区的方法,其特征在于:基于物理层安全中的保密容量分析,保密容量Cs定义为:
其中,I(·;·)表示互信息,fX(x)表示输入信号的概率密度函数;
窃听者在不安全区内,可见光通信的保密容量为零,信息无法安全传输;在不安全区外,可见光通信的保密容量为正,信息可安全传输。
2.根据权利要求1所述的一种确定室内可见光通信不安全区的方法,其特征在于:基于一个具有N个发射机(Alice 1,Alice 2,……,Alice N),一个合法用户和一个窃听用户的可见光通信系统,N个发射机坐标分别为(a1,b1,c),(a2,b2,c),……,(aN,bN,c),合法用户和窃听用户的坐标分别为(d,e,f)和(x,y,f),不安全区是由S1,S2,……,SN构成的并集区域,即S1∪S2∪…∪SN,其中区域Si为一个以Alicei在接收机平面的投影点(ai,bi,f)为圆心,以投影点(ai,bi,f)到合法用户的距离为半径的圆盘区域。
3.一种对抗可见光通信不安全区的方法,其特征在于:包括以下步骤:
Step 1:初始化:给定N个发射机,分别为Alice 1,Alice 2,……,Alice N;构建坐标系,发射机坐标分别记为(a1,b1,c),(a2,b2,c),……,(aN,bN,c);
Step 2:合法用户将其信道状态信息通过反向链路反馈给发射机;
Step 3:发射机对合法用户进行定位,获取到合法用户的位置坐标为(d,e,f);
Step 4:计算合法用户位置坐标在天花板上的投影点,得(d,e,c);
Step 5:计算投影点(d,e,c)到各发射机的距离Ln;
Step 6:选择距离最小的发射机用于通信,其中
Step 7:发射机检测合法用户位置是否移动;若位置移动,则跳转到Step 2;否则,结束。
4.根据权利要求3所述的一种对抗可见光通信不安全区的方法,其特征在于:所述合法用户为移动终端用户。
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