CN111211835A - 一种基于隐匿信道的可见光通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于隐匿信道的可见光通信方法。首先，在发送端，主信道选用普遍存在的公共通信网络信道，隐匿信道的信号通过光扩频编码器预处理成类似噪声的信号。接着，隐匿信道信号与主信道信号混合后在自由空间无线信道中共同传输，由于隐匿信号在时域和谱域都具有很低的功率密度，使得隐匿信号可以被很好地隐藏起来。最后，在接收端，采用普通的接收机即可恢复主信道信号，而对于隐匿信道信号，则需要采用与发送端预处理过程相对应的逆方法(光扩频解码器)才能恢复。本发明方法使需要保密的信息隐匿在主信道构成的公开网络中传输，避免信号的传输被窃听者发现，增强了可见光通信系统的信息安全。

Description

一种基于隐匿信道的可见光通信方法
说明书
技术领域
本发明属于可见光通信技术领域，特别涉及一种基于隐匿信道的可见光通信方法。
背景技术
可见光通信是一种在发光二极管(LED)技术上发展起来的新兴的、短距离无线光通信技术。由于其具有高发射功率、无需授权、无电磁干扰、节约能源等优点，被认为是面向下一代无线宽带接入网络的重要的通信技术。而随着信息技术的飞速发展，无线宽带接入通信占据了大部分人的生活，在涉及金融交易(网上支付、手机支付宝支付、微信支付等)、以及在涉及特定用户信息等诸多信息敏感的领域，通信网络的信息安全问题越来越引起人们的重视。
针对信息安全，常用的方法是对数据进行算法加密，即高级加密标准(AES)等。通过对将要传输的数据信息进行某种规则的变换，使得未授权的用户不能够直接参与到信息的交换过程中。对于想要窃听信息的未授权用户(即窃听者)，即便是获取了网络中传输的信号，但因不知道信息变换规则，无法通过反变化得到网络中传递的真实信息，因为缺乏事先定义的秘钥信息。这种数据加密方法应用特别广泛，但是，随着电子技术的不断发展，尤其是超级计算机和密码技术的迅速发展，通过超级计算机进行快速解密成为了可能。因此，单纯从信息加密角度进行的增强信息安全的效果越来越受到挑战。
为了能够进一步加强网络的信息安全，需要充分结合可见光通信的特点增强可见光通信信道的安全，使得信息的传递不容易被发现或获取，从而给可见光通信的信息安全增添另外一层强有力的保护层。当前设计的实时可见光通信的产品、甚至是学术研究很少涉及到信息安全的层面，而只是当纯的追求可见光数据的高速传输。因此，作为下一代无线宽带接入的重要组成部分，可见光通信中的安全问题是一个重要的环节。
发明内容
为了进一步增强当前可见光通信网络的信息安全，本发明提出了一种基于隐匿信道的可见光通信方法。该方法使需要保密的信息(隐匿信号)隐匿在主信道构成的公开网络中传输，避免信号的传输被窃听者发现。可见光隐匿通信是从物理层面来增强信息安全的。
本发明通过以下的技术方案实现：在发送端，主信道是普遍存在的公共通信网络信道，隐匿信道的信号在发射端通过光扩频编码器预处理成类似噪声的信号。隐匿信道的信号与主信道信号混合后在自由空间无线信道中共同传输，由于隐匿信号在时域和谱域都具有很低的功率密度，使得隐匿信号可以被很好地隐藏起来。在接收端，采用普通的接收机即可恢复主信道的信号，而对于隐匿信号，则需要采用与发送端预处理过程对应的光扩频解码器解码才能恢复。
包括步骤：
(1)将编码调制后加载到多芯片发光二极管LED上的信号作为主信道信号；
(2)将要保密的信号通过光扩频编码器预处理成隐匿信号。
(3)将隐匿信号和主信道信号混合后在自由空间无线信道中一起传输。
(4)探测并恢复相应的发送端信号。
优选的，所述步骤(1)中，对信号进行编码调制，并通过放大器放大后直接加载在LED上。采用的三芯片(红绿蓝)LED构成波分复用通信系统，相应的，三种颜色的光混合成白光构成主信道信号。
优选的，所述步骤(2)中，将要保密的信号预处理成隐匿信号，构成隐匿信道传输。步骤如下：
(2-1)将要保密的基带信号放大后加载到另外一个波段的LED 灯上；
(2-2)将LED发出的光信号耦合进一个光扩频编码器，生成需要传输的隐匿信号；
其中，隐匿信道的信号在发射端被预处理成类似噪声的信号，预处理后的隐匿信号在时域和谱域都具有很低的功率密度。
优选的，步骤(3)中，将隐匿信号和主信道信号混合后在自由空间无线信道中一起传输。由于隐匿信号无论在时域还是谱域都具有很低的功率密度，隐匿信号能够很好的隐藏在主信道信号以及自由空间无线信道所引入的高斯白噪声之中。窃听者完全察觉不到隐匿信道的存在。
优选的，步骤(4)，在接收端，探测并恢复相应的发送端原始信号。步骤如下：
(4-1)经过透镜汇聚、滤光片过滤后的光信号通过常规的光电探测器就可以探测出主信道信号。然后进行相应的数字信号处理，恢复出原始的主信道信号；
(4-2)经过透镜汇聚后的光信号通过一个光扩频解码器解码，恢复出具有一定频谱宽度的光信号。然后通过常规的光电探测器探测、数字信号处理即可恢复出原始的隐匿信道的保密信号。
本发明采用基于隐匿信道的可见光通信方法，具有如下优点：
(1)可见光隐匿通信技术能为当前的可见光通信系统提供一层额外的安全保护。
(2)因为隐匿信道信号的功率密度远远低于主信道信号，窃听者无法采用信号时域强度自相关的方法探测到隐匿信道的存在，这大大增加了窃听者的窃听成本和信号分析时间，提升了系统的信息安全。
(3)可见光隐匿通信技术可以通过光扩频编码技术来实现，既可以单独存在，又可以利用现有的波分复用系统作为公共网络，具有很好的灵活性和实用性。
附图说明
图1是本发明的系统简化图；
图2是实施例1具体的系统原理框图；
图3(a)-(f)是实施例1主信道信号与隐匿信道信号在不同传输阶段的频谱示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图只是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
实施例1
本实施例所述的一种基于隐匿信道的可见光通信方法，如图1所示，主要包括如下组成部分：发送端，主信道信号生成模块101和隐匿信道信号生成模块102，中间端，主信道和隐匿信道信号混合后在自由空间无线信道传输部分103，接收端，探测主信道信号模块104 和探测隐匿信道信号模块105。下面结合图2和图3，对各个部分所涉及的处理过程进行具体说明。
如图2所示，编码调制后的基带信号200，经放大器201放大后，通过偏置器202和直流电信号叠加在一起直接调制LED灯203，从而完成了电光信号的转换。特别的，这里的主信道采用波分复用系统，即采用三芯片(红绿蓝)LED，红绿蓝三色混合形成白光。而隐匿信道的信号通过直流偏置后加载在另外一个LED204上，隐匿信道的 LED204发出的光信号不是直接和主信道的光信号混合，而是先通过一个光扩频编码器205，使得原来具有一定谱宽的可见光信号，在时域和谱域的功率密度被大大地展宽，具有类似噪声的特性。主信道发出的白光信号与隐匿信道扩频后的光信号混合在一起通过自由空间无线信道进行传输。由于隐匿信道信号具有类似噪声的特性，相比于主信道信号而言，隐匿信道信号相当于噪声信号，因此，在接收端，主信道信号采用常规的光电探测即可完成信号的探测与恢复。具体过程为：首先，光信号经透镜206汇聚，被滤光片207滤出相对应的光信号波段(红、绿、蓝)；接着，光电探测器208探测到的电信号经放大器204放大、低通滤波210滤除带外噪声；最后，利用数字信号处理211 即可完成对原始主信道信号的恢复。隐匿信道的信号则需要采用与发送端对应的扩频解码器212后才能进行探测和恢复。通过扩频解码器解码后，频谱被展宽的隐匿信号恢复成原来的具有一定频谱宽度的光信号，而混合在自由空间无线信道中的红、绿和蓝波段的信号通过光扩频解码器后，反而被转变成时域和谱域具有特别低的功率密度的信号，对恢复的隐匿信号而言，相当于噪声信号。因此，后面采用和主信道探测部分相同的结构模块即可完成原始隐匿信号的恢复。
图3是实施例1主信道信号与隐匿信道信号在不同传输阶段的频谱示意图。图3(a)是发送端主信道信号组成的波分复用系统的频谱，图3(b)是经过光扩频编码器前的光信号频谱，经过光扩频编码器后被展宽的频谱如图3(c)。图3(d)是主信道信号和扩频后的隐匿信号混合后在自由空间传输的频谱(存在高斯白噪声)，图3(e) 接收端主信道信号经过不同滤光片后的频谱图，图3(f)是接收端经过光扩频解码器解码后的隐匿信号频谱。经过相应的处理，混合在一起传输的主信道信号和隐匿信道信号能够在接收端被分离开来。
以上对本发明所述的一种基于隐匿信道的可见光通信方法进行了详细地介绍，以上的实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想而非对其进行限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于隐匿信道的可见光通信方法，其特征在于，在发送端，主信道选用普遍存在的公共通信网络信道，隐匿信道的信号通过光扩频编码器预处理成类似噪声的信号。隐匿信道的信号与主通道信号混合后在自由空间无线信道中共同传输，由于隐匿信号在时域和谱域都具有很低的功率密度，使得隐匿信号可以被很好地隐藏起来。在接收端，采用普通的接收机即可恢复主信道的信号，而对于隐匿信道信号，则需要采用与发送端预处理过程相对应的扩频解码器解码才能恢复。
2.根据权利要求1所述的一种基于隐匿信道的可见光通信方法，其特征在于，包括步骤：
(1)将编码调制后加载到多芯片发光二极管LED上的信号作为主信道信号；
(2)将要保密的信号通过光扩频编码器预处理成隐匿信号；
(3)将隐匿信号和主信道信号混合后在自由空间无线信道中一起传输；
(4)探测并恢复相应的发送端信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于隐匿信道的可见光通信方法，其特征在于，所述步骤(1)中，对信号进行编码调制，并通过放大器放大后直接加载在LED上。采用的三芯片(红绿蓝)LED构成波分复用通信系统，相应的，三种颜色的光混合成白光构成主信道信号。
4.根据权利要求2所述的一种基于隐匿信道的可见光通信方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将要保密的信号预处理成隐匿信号，构成隐匿信道进行传输。步骤如下：
(4-1)将要保密的基带信号放大后加载到另外一个波段的LED灯上；
(4-2)将LED发出的光信号耦合进一个光扩频编码器，生成需要传输的隐匿信号；
其中，隐匿信道的信号在发射端被预处理成类似噪声的信号，预处理后的隐匿信号在时域和谱域都具有很低的功率密度。
5.根据权利要求2所述的一种基于隐匿信道的可见光通信方法，其特征在于，所述步骤(3)中，将隐匿信号和主信道信号混合后在自由空间无线信道中一起传输。由于隐匿信号无论在时域还是谱域都具有很低的功率密度，隐匿信号能够很好的隐藏在主信道信号以及自由空间无线信道所引入的高斯白噪声之中。窃听者完全察觉不到隐匿信道的存在。
6.根据权利要求2所述的一种基于隐匿信道的可见光通信方法，其特征在于，所述步骤(4)中，在接收端，探测并恢复相应的发送端原始信号，步骤如下：
(6-1)经过透镜汇聚、滤光片过滤后的光信号通过常规的光电探测器就可以探测出主信道信号。然后进行相应的数字信号处理，恢复出原始的主信道信号；
(6-2)经过透镜汇聚后的光信号通过一个光扩频解码器解码，恢复出具有一定频谱宽度的光信号。然后通过常规的光电探测器探测、数字信号处理即可恢复出原始的隐匿信道的保密信号。
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