CN110380811B - 一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法 - Google Patents

一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法，系统中包括信息发送者，合法接收者和多个非法窃听者，多个窃听者相互之间没有作用。发送者与合法接收者正常通信时，窃听者会监听并获取信道中的信息。系统在对窃听者的位置信息及数量信息未知的情况下仍可以通过调节光源的数量或有效信息与人工干扰信息的功率配比满足安全通信的需求。本发明计算了基于上述系统模型的保密速率，有利于按照所需安全等级灵活选择输入信号中有效信息与干扰信息的功率配比。同时可以通过增加光源的数量来提高系统的保密性能。

Description

一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法
技术领域
本发明属于可见光通信物理层安全技术领域，具体涉及一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法。
背景技术
随着5G通信网络的商用和智能设备的普及，网络需求变得越来越高，传统无线频谱资源变得短缺，这制约了下一代无线通信的发展与应用。可见光通信(VLC，Visiblelight communications)是为缓解如今频谱资源紧缺局势而出现的无线通信方式。VLC利用可见光作为信息载体，在自由空间中直接传输光信号。作为6G移动通信网络的潜力技术之一，VLC的优势在于：一、绿色安全，对人体无害；二、同时实现照明和通信，通过对LED的快速开关控制，使LED的闪烁频率大于人眼可识别频率来同时进行通信和照明；三、频谱资源丰富，利用未授权的可见光频段3.8×1014Hz～7.9×1014Hz，不受射频信号的干扰；四、可见光的频率极高，只要采用合适的技术即可满足高速通信需求。
物理层安全(PLS，Physical-layer security)是上层安全的补充，利用人为干扰和信道随机性来减少未经授权的窃听者接收和正确检测到的信息，从而提高通信系统的安全性能。现常用的物理层安全技术包括信道编码、密钥协商、协作干扰等。1949年，C.Shannon提出了“一字一密”的最佳保密方式。1975年，D.Wyner提出了基于离散无记忆信道的窃听高斯信道模型，在Wyner窃听信道模型中有三个角色：信息发送者Alice，合法接收者Bob，和窃听者Eve，Eve在Alice与Bob正常通信时非法获取信道中的信号。Alice与Bob之间的链路为合法信道，Alice与Eve之间的链路为非法信道。D.Wyner认为总存在一种编码方式使得合法接收者能够正确接收并解调出来自发送者的信息，而窃听者无法获得任何信息。同时D.Wyner给出了保密容量的定义，他定义保密容量的物理意义为系统在窃听者接收不到任何信息的条件下所能达到的最大的传输速率。1978年，I.Csiszui和K.Leung-Yan-Cheong在Wyner窃听信道模型的基础上分别给出了保密容量的数学表达形式。保密容量作为保密速率的上限，是一个表征通信系统安全特性的重要指标之一。保密容量可以由合法信道的信道容量与窃听信道的信道容量作差值来计算。设Alice发送的信号为x，Bob和Eve接收到的信息分别为yB和yE，合法信道和窃听信道的信道容量分别为CB和CE，那么该系统的保密容量可以表示为：CS＝max{CB-CE,0}，其中max{·，·}表示取两者之间的较大值。
传统射频通信系统的保密容量的闭式形式可以由上述数学表达式结合香农公式推导出来，但是无法直接应用于可见光通信系统，这是由于：射频通信系统的输入信号为双极性的，仅需考虑其方差，而可见光通信系统的输入信号是非负的，除了方差以外，输入信号的均值也是影响保密容量的重要因素；在射频通信系统中一般以低功耗作为选择输入信号及其分布的标准，而可见光通信系统需要满足照明需求。
现有的应用于可见光通信系统中的保密措施有：密钥生成、极化码、扩频解扩、波束成形等。应用人工干扰技术来提高无线通信的物理层安全最早是由S.Goel于2008年提出的，后来研究者们把人工干扰技术应用于可见光通信系统中。人工干扰技术的中心思想是在发送端利用部分功率生成人工干扰信号，在合法接收端可以对人工干扰信号进行筛选并丢弃，而窃听端无法识别人工干扰信号，从而提高窃听信道的误码率，削弱窃听者接收到的有效信息。
发明内容
基于上述维纳窃听信道模型，本发明构建了一种基于人工干扰技术的可见光安全通信系统。系包括信息发送者，合法接收者和多个非法窃听者，发送者与合法接收者正常通信时，多个窃听者会监听并获取信道中的信息，这些窃听者的位置和数量信息是未知的，且相互之间没有作用。在系统中，当有效信号与人工干扰信号的功率比为1:1时，系统的保密速率达到最大值。系统的发送端配备的光源越多时，系统的保密速率越高。
术语解释：
1、VLC，是指可见光通信；
2、LED，是指发光二极管；
3、PD，是指光电检测器；
4、PLS，物理层安全；
5、TGN，广义截断高斯分布。
本发明的技术方案为：
一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法，运行于可见光安全通信系统，所述可见光安全通信系统包括一个信息发送者端、一个合法接收者端和多个窃听者端；
所述信息发送者端包括N个LED，其中Nt个LED发送有效信号，Nt＝N/2，将这Nt个LED分别编号为1,2,……，Nt，这Nt个LED发送的信号分别为
Figure BDA0002162137540000021
有效信号为
Figure BDA0002162137540000022
其余N-Nt个LED发送人工干扰信号，将这N-Nt个LED分别编号为1,2,……，N-Nt，这N-Nt个LED发送的信号分别为
Figure BDA0002162137540000031
人工干扰信号为
Figure BDA0002162137540000032
Nt的取值范围为0≤Nt≤N；所述合法接收者端包括一个PD；每个所述窃听者端包括一个PD，且每个PD之间互不干扰；
所述信息发送者端、所述合法接收者端和所述窃听者端共处于同一空间，所述合法接收者端的所在位置对于所述信息发送者端是已知的，每个所述窃听者端的具体位置及数量对于所述信息发送者端是未知的，所述信息发送者端与合法接收者端的链路为合法信道，所述信息发送者端与窃听者端之间的链路为窃听信道；包括步骤如下：
(1)根据发送有效信号的Nt个LED与所述合法接收者端之间的位置关系，建立信道矢量hB1，如式(Ⅰ)所示：
Figure BDA0002162137540000033
式(Ⅰ)中，
Figure BDA0002162137540000034
表示所述信息发送者端第Nt个LED与所述合法接收端的PD之间的信道增益；
(2)根据发送人工干扰信号的N-Nt个LED与所述合法接收者之间的位置关系，建立信道矢量hB2，如式(Ⅱ)所示：
Figure BDA0002162137540000035
式(Ⅱ)中，
Figure BDA0002162137540000036
表示所述信息发送者端第N个LED与所述合法接收端的PD之间的信道增益；
(3)建立发送有效信号的Nt个LED与第k个窃听者端之间的信道矢量hE,k,1，如式(Ⅲ)所示：
Figure BDA0002162137540000037
式(Ⅲ)中，
Figure BDA0002162137540000038
表示所述信息发送者端第Nt个LED与第k个窃听者端的PD之间的信道增益；
(4)建立发送人工干扰信号的N-Nt个LED与第k个窃听者端之间的信道矢量hE,k,2，如式(Ⅳ)所示：
Figure BDA0002162137540000039
式(Ⅳ)中，
Figure BDA00021621375400000310
表示所述信息发送者端第N个LED与第k个窃听者的PD之间的信道增益；
(5)有效信号
Figure BDA00021621375400000311
经过串并转换，转换为双极性并行信号后，加入直流偏置，抬高为非负信号，依次加载到所述信息发送者端的发送有效信号的Nt个LED上；
(6)人工干扰信号
Figure BDA0002162137540000041
经过串并转换，转换为双极性并行信号后，加入直流偏置，抬高为非负信号，依次加载到所述信息发送者端的发送人工干扰信号的N-Nt个LED上；根据人工干扰技术，信号w取自于hB2的零空间；
(7)步骤(5)形成的非负信号和(6)中形成的非负信号，经过自由空间传输后，在合法接收者端和窃听者端分别被接收并感知；
合法接收者端同时接收到步骤(5)形成的非负信号和(6)中形成的非负信号，接收到的信号yB如式(Ⅴ)所示：
Figure BDA0002162137540000042
式(Ⅴ)中，
Figure BDA0002162137540000043
表示合法信道中独立于输入信号的高斯白噪声，
Figure BDA0002162137540000044
为高斯白噪声的方差；信号w取自于hB2的零空间，即
Figure BDA0002162137540000045
合法接收者端接收到的信号为
Figure BDA0002162137540000046
步骤(6)中所形成的信号被合法接收端自动过滤，在后续的信号处理中仅对步骤(5)中所形成的信号进行处理；
窃听者端同时接收到步骤(5)形成的非负信号和(6)中形成的非负信号，第k个窃听者端接收到的信号如式(Ⅵ)所示：
Figure BDA0002162137540000047
式(Ⅵ)中，
Figure BDA0002162137540000048
表示窃听信道中独立于输入信号的高斯白噪声，
Figure BDA0002162137540000049
为高斯白噪声的方差。在后续的信号处理中同时对步骤(5)和(6)中所形成的信号进行处理；
根据本发明优选的，使用人工干扰技术，计算保密容量后可以得到，发送端有效信息与人工干扰信息的功率比越接近1:1，系统的保密容量越大，以此为依据可以通过调整功率比来获取较大的保密容量。计算可见光安全通信系统的保密容量CS，计算公式如式(VII)所示：
Figure BDA00021621375400000410
式(VII)中，H(·)表示信息的熵，var(·)表示随机变量的方差，i的取值范围为0≤i≤Nt，j的取值范围为0≤j≤N-Nt，保密容量表示最大的保密速率。故可见光安全通信系统的保密速率可以用保密容量的下限表示。
根据本发明优选的，步骤(Ⅰ)中，信道增益的计算方法如式(Ⅷ)所示：
Figure BDA0002162137540000051
式(Ⅷ)中，n为LED的朗伯系数，计算公式为
Figure BDA0002162137540000052
θ0.5为接收到总发射功率的一半时所对应的角度，即半功率角；FoV为PD的视场角；ψFoV表示对应PD所能检测到光信号的角度范围；d表示对应LED与PD之间的距离；
Figure BDA0002162137540000053
为发射角；
Figure BDA0002162137540000054
为入射角；A为对应PD的有效接收面积；
Figure BDA0002162137540000055
为合法接收者端的滤波器增益；
Figure BDA0002162137540000056
为聚光器增益系数。
根据本发明优选的，步骤(3)和(4)中所形成的有效信号与人工干扰信号具有相同的均值与方差。
根据本发明优选的，系统的保密容量为合法信道的信道容量与窃听信道的信道容量之间的差值，但是可见光通信的信道容量不能直接利用香农公式来计算，可见光安全通信系统的保密容量的下限表达式计算过程如式(Ⅸ)所示：
Figure BDA0002162137540000057
式(Ⅸ)中，I[·；·]表示两信号之间的互信息量，H(·)表示信息的熵，
Figure BDA0002162137540000058
表示目标函数所能取到的最小值，此时对应第k个窃听者端，即第k条窃听信道。
根据本发明优选的，式(Ⅸ)中，H(yB|s)的计算过程如式(Ⅹ)所示：
Figure BDA0002162137540000059
根据本发明优选的，式(Ⅸ)中，H(yB)的计算过程如式(Ⅺ)所示：
Figure BDA0002162137540000061
根据本发明优选的，式(Ⅸ)中，H(yE,k|s)的计算过程如式(Ⅻ)所示：
Figure BDA0002162137540000062
根据本发明优选的，式(Ⅸ)中，H(yE,k)的计算过程如式(ⅩⅢ)所示：
Figure BDA0002162137540000063
根据本发明优选的，式(ⅩⅢ)中，var(yE,k)的计算过程如式(ⅪⅤ)所示：
Figure BDA0002162137540000064
式(ⅪⅤ)中，var(si)＝var(wi)。
根据本发明优选的，设置有效信号s与人工干扰信号w在区间(a,b)上服从均值为0，方差为σ2的截断广义高斯分布，假设随机变量x为均值为0，方差为σ2，位于区间(a,b)，符合截断广义高斯(TGN，Truncated generalized normal)分布，那么随机变量x的概率分布函数fX(x)如式(XV)所示：
Figure BDA0002162137540000071
式(XV)中，φ(·)和Φ(·)分别表示标准高斯分布的概率分布函数和累计分布函数，
随机变量x的熵H(x)由式(XVI)表示：
Figure BDA0002162137540000072
式(XVI)中，α＝a/σ，β＝b/σ，Z＝Φ(β)-Φ(α),
Figure BDA0002162137540000073
此时，可见光安全通信系统的保密速率RS由式(XVII)所示：
Figure BDA0002162137540000074
根据本发明优选的，设置有效信号s与人工干扰信号w在区间(-a,a)上服从均匀分布，此时，可见光安全通信系统的保密速率RS由式(XVIII)所示：
Figure BDA0002162137540000075
根据本发明优选的，设置有效信号s与人工干扰信号w服从参数为λ的均匀分布，此时，可见光安全通信系统的保密速率RS由式(XIX)所示：
Figure BDA0002162137540000076
在可见光安全通信系统中，经由天花板、墙壁以及房间内其它物品反射的光功率与视距链路(LOS，Line-of-sight)的光功率相比，对合法接收者端和窃听者端的影响可忽略不计，因此在信道增益计算时仅考虑视距链路的光功率。
本发明的有益效果为
1、本发明构建了一个基于人工干扰技术的可见光安全通信系统模型，利用人工干扰技术，系统在对窃听者的位置信息及数量信息未知的情况下仍可以实现安全通信。
2、本发明计算了基于上述系统模型的保密速率，有利于用户按照所需安全等级灵活选择输入信号中有效信息与干扰信息的功率配比和光源的数量。
附图说明
图1为基于人工干扰技术的可见光通信系统模型图；
图2为LED与PD之间的位置关系示意图；
图3为LED数量为20时，可见光安全通信系统采用不同分布的输入信号的保密速率示意图；
图4为输入信号为TGN分布，可见光安全通信系统采用不同LED数量的保密速率示意图；
图5为可见光安全通信系统的平均保密速率示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法，运行于可见光安全通信系统，如图1所示，可见光安全通信系统包括一个信息发送者端、一个合法接收者端和多个窃听者端；
信息发送者端包括N个LED，其中Nt个LED发送有效信号，Nt＝N/2，将这Nt个LED分别编号为1,2,……，Nt，这Nt个LED发送的信号分别为
Figure BDA0002162137540000081
有效信号为
Figure BDA0002162137540000082
其余N-Nt个LED发送人工干扰信号，将这N-Nt个LED分别编号为1,2,……，N-Nt，这N-Nt个LED发送的信号分别为
Figure BDA0002162137540000083
人工干扰信号为
Figure BDA0002162137540000084
Nt的取值范围为0≤Nt≤N；合法接收者端包括一个PD；每个窃听者端包括一个PD，且每个PD之间互不干扰；LED与PD之间的位置关系如图2所示。
息发送者端、合法接收者端和窃听者端共处于同一空间，合法接收者端的所在位置对于信息发送者端是已知的，每个窃听者端的具体位置及数量对于信息发送者端是未知的，信息发送者端与合法接收者端的链路为合法信道，信息发送者端与窃听者端之间的链路为窃听信道；包括步骤如下：
(1)根据发送有效信号的Nt个LED与所述合法接收者端之间的位置关系，建立信道矢量hB1，如式(Ⅰ)所示：
Figure BDA0002162137540000085
式(Ⅰ)中，
Figure BDA0002162137540000086
表示所述信息发送者端第Nt个LED与所述合法接收端的PD之间的信道增益；
(2)根据发送人工干扰信号的N-Nt个LED与所述合法接收者之间的位置关系，建立信道矢量hB2，如式(Ⅱ)所示：
Figure BDA0002162137540000091
式(Ⅱ)中，
Figure BDA0002162137540000092
表示所述信息发送者端第N个LED与所述合法接收端的PD之间的信道增益；
(3)建立发送有效信号的Nt个LED与第k个窃听者端之间的信道矢量hE,k,1，如式(Ⅲ)所示：
Figure BDA0002162137540000093
式(Ⅲ)中，
Figure BDA0002162137540000094
表示所述信息发送者端第Nt个LED与第k个窃听者端的PD之间的信道增益；
(4)建立发送人工干扰信号的N-Nt个LED与第k个窃听者端之间的信道矢量hE,k,2，如式(Ⅳ)所示：
Figure BDA0002162137540000095
式(Ⅳ)中，
Figure BDA0002162137540000096
表示所述信息发送者端第N个LED与第k个窃听者的PD之间的信道增益；
(5)有效信号
Figure BDA0002162137540000097
经过串并转换，转换为双极性并行信号后，加入直流偏置，抬高为非负信号，依次加载到所述信息发送者端的发送有效信号的Nt个LED上；
(6)人工干扰信号
Figure BDA0002162137540000098
经过串并转换，转换为双极性并行信号后，加入直流偏置，抬高为非负信号，依次加载到所述信息发送者端的发送人工干扰信号的N-Nt个LED上；根据人工干扰技术，信号w取自于hB2的零空间；
(7)步骤(5)形成的非负信号和(6)中形成的非负信号，经过自由空间传输后，在合法接收者端和窃听者端分别被接收并感知；
合法接收者端同时接收到步骤(5)形成的非负信号和(6)中形成的非负信号，接收到的信号yB如式(Ⅴ)所示：
Figure BDA0002162137540000099
式(Ⅴ)中，
Figure BDA00021621375400000910
表示合法信道中独立于输入信号的高斯白噪声，
Figure BDA00021621375400000911
为高斯白噪声的方差；信号w取自于hB2的零空间，即
Figure BDA00021621375400000912
合法接收者端接收到的信号为
Figure BDA00021621375400000913
步骤(6)中所形成的信号被合法接收端自动过滤，在后续的信号处理中仅对步骤(5)中所形成的信号进行处理；
窃听者端同时接收到步骤(5)形成的非负信号和(6)中形成的非负信号，第k个窃听者端接收到的信号如式(Ⅵ)所示：
Figure BDA0002162137540000101
式(Ⅵ)中，
Figure BDA0002162137540000102
表示窃听信道中独立于输入信号的高斯白噪声，
Figure BDA0002162137540000103
为高斯白噪声的方差。在后续的信号处理中同时对步骤(5)和(6)中所形成的信号进行处理。
实施例2
根据实施例1所述的一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法，其区别在于：
使用人工干扰技术，计算保密容量后可以得到，发送端有效信息与人工干扰信息的功率比越接近1:1，系统的保密容量越大，以此为依据可以通过调整功率比来获取较大的保密容量。计算可见光安全通信系统的保密容量CS，计算公式如式(VII)所示：
Figure BDA0002162137540000104
式(VII)中，H(·)表示信息的熵，var(·)表示随机变量的方差，i的取值范围为0≤i≤Nt，j的取值范围为0≤j≤N-Nt，保密容量表示最大的保密速率。故可见光安全通信系统的保密速率可以用保密容量的下限表示。
实施例3
根据实施例1所述的一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法，其区别在于：
步骤(Ⅰ)中，信道增益的计算方法如式(Ⅷ)所示：
Figure BDA0002162137540000105
式(Ⅷ)中，n为LED的朗伯系数，计算公式为
Figure BDA0002162137540000106
θ0.5为接收到总发射功率的一半时所对应的角度，即半功率角；FoV为PD的视场角；ψFoV表示对应PD所能检测到光信号的角度范围；d表示对应LED与PD之间的距离；
Figure BDA0002162137540000107
为发射角；
Figure BDA0002162137540000108
为入射角；A为对应PD的有效接收面积；
Figure BDA0002162137540000111
为合法接收者端的滤波器增益；
Figure BDA0002162137540000112
为聚光器增益系数。
实施例4
根据实施例1所述的一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法，其区别在于：
步骤(3)和(4)中所形成的有效信号与人工干扰信号具有相同的均值与方差。
实施例5
根据实施例1所述的一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法，其区别在于：
系统的保密容量为合法信道的信道容量与窃听信道的信道容量之间的差值，但是可见光通信的信道容量不能直接利用香农公式来计算，可见光安全通信系统的保密容量的下限表达式计算过程如式(Ⅸ)所示：
Figure BDA0002162137540000113
式(Ⅸ)中，I[·；·]表示两信号之间的互信息量，H(·)表示信息的熵，
Figure BDA0002162137540000114
表示目标函数所能取到的最小值，此时对应第k个窃听者端，即第k条窃听信道。
式(Ⅸ)中，H(yB|s)的计算过程如式(Ⅹ)所示：
Figure BDA0002162137540000115
式(Ⅸ)中，H(yB)的计算过程如式(Ⅺ)所示：
Figure BDA0002162137540000116
式(Ⅸ)中，H(yE,k|s)的计算过程如式(Ⅻ)所示：
Figure BDA0002162137540000121
式(Ⅸ)中，H(yE,k)的计算过程如式(ⅩⅢ)所示：
Figure BDA0002162137540000122
式(ⅩⅢ)中，var(yE,k)的计算过程如式(ⅪⅤ)所示：
Figure BDA0002162137540000123
式(ⅪⅤ)中，var(si)＝var(wi)。
在可见光安全通信系统中，经由天花板、墙壁以及房间内其它物品反射的光功率与视距链路(LOS，Line-of-sight)的光功率相比，对合法接收者端和窃听者端的影响可忽略不计，因此在信道增益计算时仅考虑视距链路的光功率。
实施例6
根据实施例1所述的一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法，其区别在于：
设置有效信号s与人工干扰信号w在区间(a,b)上服从均值为0，方差为σ2的截断广义高斯分布，假设随机变量x为均值为0，方差为σ2，位于区间(a,b)，符合截断广义高斯(TGN，Truncated generalized normal)分布，那么随机变量x的概率分布函数fX(x)如式(XV)所示：
Figure BDA0002162137540000124
式(XV)中，φ(·)和Φ(·)分别表示标准高斯分布的概率分布函数和累计分布函数，
随机变量x的熵H(x)由式(XVI)表示：
Figure BDA0002162137540000125
式(XVI)中，α＝a/σ，β＝b/σ，Z＝Φ(β)-Φ(α),
Figure BDA0002162137540000131
此时，可见光安全通信系统的保密速率RS由式(XVII)所示：
Figure BDA0002162137540000132
实施例7
根据实施例1所述的一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法，其区别在于：
设置有效信号s与人工干扰信号w在区间(-a,a)上服从均匀分布，此时，可见光安全通信系统的保密速率RS由式(XVIII)所示：
Figure BDA0002162137540000133
实施例8
根据实施例1所述的一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法，其区别在于：
设置有效信号s与人工干扰信号w服从参数为λ的均匀分布，此时，可见光安全通信系统的保密速率RS由式(XIX)所示：
Figure BDA0002162137540000134
LED数量为20时，可见光安全通信系统采用不同分布的输入信号的保密速率如图3所示。
实施例9
根据实施例1所述的一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法，其区别在于：
设置有效信息与人工干扰信息在区间[-1,1]符合均值为0，方差为0.1225的TGN分布，合法接收端和窃听者端的高斯噪声的方差为10-13，保密速率与有效信息占比的关系如图4所示。平均保密速率与有效信息占比的关系如图5所示，结果表明当系统有效信号与人工干扰信号的配比确定时，通过增加系统的光源数量，可以提高系统的平均保密速率。当系统的光源数量确定时，控制有效信号与人工干扰信号的功率比为1:1时，系统的平均保密速率可以达到最大值。

Claims (10)

1.一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法，其特征在于，运行于可见光安全通信系统，所述可见光安全通信系统包括一个信息发送者端、一个合法接收者端和多个窃听者端；
所述信息发送者端包括N个LED，其中Nt个LED发送有效信号，Nt＝N/2，将这Nt个LED分别编号为1,2,……，Nt，这Nt个LED发送的信号分别为
Figure FDA0003117087020000011
有效信号为
Figure FDA0003117087020000012
其余N-Nt个LED发送人工干扰信号，将这N-Nt个LED分别编号为1,2,……，N-Nt，这N-Nt个LED发送的信号分别为
Figure FDA0003117087020000013
人工干扰信号为
Figure FDA0003117087020000014
Nt的取值范围为0≤Nt≤N；所述合法接收者端包括一个PD；每个所述窃听者端包括一个PD，且每个PD之间互不干扰；LED，是指发光二极管；PD，是指光电检测器；
所述信息发送者端、所述合法接收者端和所述窃听者端共处于同一空间，所述合法接收者端的所在位置对于所述信息发送者端是已知的，每个所述窃听者端的具体位置及数量对于所述信息发送者端是未知的，所述信息发送者端与合法接收者端的链路为合法信道，所述信息发送者端与窃听者端之间的链路为窃听信道；包括步骤如下：
(1)根据发送有效信号的Nt个LED与所述合法接收者端之间的位置关系，建立信道矢量hB1，如式(Ⅰ)所示：
Figure FDA0003117087020000015
式(Ⅰ)中，
Figure FDA0003117087020000016
表示所述信息发送者端第Nt个LED与所述合法接收者端的PD之间的信道增益；
(2)根据发送人工干扰信号的N-Nt个LED与所述合法接收者之间的位置关系，建立信道矢量hB2，如式(Ⅱ)所示：
Figure FDA0003117087020000017
式(Ⅱ)中，
Figure FDA0003117087020000018
表示所述信息发送者端第N个LED与所述合法接收者端的PD之间的信道增益；
(3)建立发送有效信号的Nt个LED与第k个窃听者端之间的信道矢量hE,k,1，如式(Ⅲ)所示：
Figure FDA0003117087020000019
式(Ⅲ)中，
Figure FDA0003117087020000021
表示所述信息发送者端第Nt个LED与第k个窃听者端的PD之间的信道增益；
(4)建立发送人工干扰信号的N-Nt个LED与第k个窃听者端之间的信道矢量hE,k,2，如式(Ⅳ)所示：
Figure FDA0003117087020000022
式(Ⅳ)中，
Figure FDA0003117087020000023
表示所述信息发送者端第N个LED与第k个窃听者的PD之间的信道增益；
(5)有效信号
Figure FDA0003117087020000024
经过串并转换，转换为双极性并行信号后，加入直流偏置，抬高为非负信号，依次加载到所述信息发送者端的发送有效信号的Nt个LED上；
(6)人工干扰信号
Figure FDA0003117087020000025
经过串并转换，转换为双极性并行信号后，加入直流偏置，抬高为非负信号，依次加载到所述信息发送者端的发送人工干扰信号的N-Nt个LED上；信号w取自于hB2的零空间；
(7)步骤(5)形成的非负信号和(6)中形成的非负信号，经过自由空间传输后，在合法接收者端和窃听者端分别被接收并感知；
合法接收者端同时接收到步骤(5)形成的非负信号和(6)中形成的非负信号，接收到的信号yB如式(V)所示：
Figure FDA0003117087020000026
式(V)中，
Figure FDA0003117087020000027
表示合法信道中独立于输入信号的高斯白噪声，
Figure FDA0003117087020000028
为高斯白噪声的方差；信号w取自于hB2的零空间，即
Figure FDA0003117087020000029
合法接收者端接收到的信号为
Figure FDA00031170870200000210
窃听者端同时接收到步骤(5)形成的非负信号和(6)中形成的非负信号，第k个窃听者端接收到的信号如式(Ⅵ)所示：
Figure FDA00031170870200000211
式(Ⅵ)中，
Figure FDA00031170870200000212
表示窃听信道中独立于输入信号的高斯白噪声，
Figure FDA00031170870200000213
为高斯白噪声的方差。
2.根据权利要求1所述的一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法，其特征在于，计算可见光安全通信系统的保密容量CS，计算公式如式(Ⅶ)所示：
Figure FDA0003117087020000031
式(Ⅶ)中，H(·)表示信息的熵，var(·)表示随机变量的方差，i的取值范围为0≤i≤Nt，j的取值范围为0≤j≤N-Nt，保密容量表示最大的保密速率。
3.根据权利要求1所述的一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法，其特征在于，步骤(Ⅰ)中，信道增益的计算方法如式(Ⅷ)所示：
Figure FDA0003117087020000032
式(Ⅷ)中，n为LED的朗伯系数，计算公式为
Figure FDA0003117087020000033
θ0.5为接收到总发射功率的一半时所对应的角度，即半功率角；FoV为PD的视场角；ψFoV表示对应PD所能检测到光信号的角度范围；d表示对应LED与PD之间的距离；
Figure FDA0003117087020000034
为发射角；
Figure FDA0003117087020000035
为入射角；A为对应PD的有效接收面积；
Figure FDA0003117087020000036
为合法接收者端的滤波器增益；
Figure FDA0003117087020000037
为聚光器增益系数。
4.根据权利要求1所述的一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法，其特征在于，步骤(3)和(4)中所形成的有效信号与人工干扰信号具有相同的均值与方差。
5.根据权利要求1所述的一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法，其特征在于，可见光安全通信系统的保密容量的下限表达式计算过程如式(Ⅸ)所示：
Figure FDA0003117087020000038
式(Ⅸ)中，I[·；·]表示两信号之间的互信息量，H(·)表示信息的熵，
Figure FDA0003117087020000039
表示目标函数所能取到的最小值，此时对应第k个窃听者端，即第k条窃听信道。
6.根据权利要求5所述的一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法，其特征在于，式(Ⅸ)中，H(yB|s)的计算过程如式(X)所示：
Figure FDA00031170870200000310
式(Ⅸ)中，H(yB)的计算过程如式(XI)所示：
Figure FDA0003117087020000041
式(Ⅸ)中，H(yE,k|s)的计算过程如式(Ⅻ)所示：
Figure FDA0003117087020000042
式(Ⅸ)中，H(yE,k)的计算过程如式(XⅢ)所示：
Figure FDA0003117087020000043
7.根据权利要求6所述的一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法，其特征在于，式(XⅢ)中，var(yE,k)的计算过程如式(XIV)所示：
Figure FDA0003117087020000044
式(XIV)中，var(si)＝var(wi)。
8.根据权利要求1所述的一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法，其特征在于，设置有效信号s与人工干扰信号w在区间(a,b)上服从均值为0，方差为σ2的截断广义高斯分布，假设随机变量x为均值为0，方差为σ2，位于区间(a,b)，符合截断广义高斯分布，那么随机变量x的概率分布函数fX(x)如式(XV)所示：
Figure FDA0003117087020000051
式(XV)中，φ(·)和Φ(·)分别表示标准高斯分布的概率分布函数和累计分布函数，
随机变量x的熵H(x)由式(XVI)表示：
Figure FDA0003117087020000052
式(XVI)中，α＝a/σ，β＝b/σ，Z＝Φ(β)-Φ(α),
Figure FDA0003117087020000053
此时，可见光安全通信系统的保密速率RS由式(XVII)所示：
Figure FDA0003117087020000054
9.根据权利要求1所述的一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法，其特征在于，设置有效信号s与人工干扰信号w在区间(-a,a)上服从均匀分布，此时，可见光安全通信系统的保密速率RS由式(XVIII)所示：
Figure FDA0003117087020000055
10.根据权利要求1-9任一所述的一种基于人工干扰技术的可见光安全通信方法，其特征在于，设置有效信号s与人工干扰信号w服从参数为λ的均匀分布，此时，可见光安全通信系统的保密速率RS由式(XIX)所示：
Figure FDA0003117087020000056
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