CN111555804B - 一种面向移动用户的可见光通信安全增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向移动用户的可见光通信安全增强方法，该方法首先提出包含3个节点的可见光通信系统，包括一个LED发射机，一个随机移动用户和一个窃听者；然后搭建一个符合用户随机运动的室内下行可见光通信信道模型；接着，在LED光照小区内设置了安全保护域，以增强用户随机移动情况下可见光通信网络的物理层安全；最后在分析移动环境下可见光信道直流增益的基础上，推导系统的安全中断概率，并求解了闭形表达式。该方法在考虑实际场景中用户随机移动的基础上，建立了一个安全保护区域，防止非法用户窃取到有用信息，可以有效地提升室内移动环境下可见光通信系统的安全性。

Description

一种面向移动用户的可见光通信安全增强方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体是一种面向移动用户的可见光通信安全增强方法。

背景技术

目前，伴随着人口的增长和经济的发展，3G、4G以及5G的更迭速度加快，当下6G研究正如火如荼的展开。随着新型移动终端数量的急剧增加，人们对于无线通信技术提出了更大的传输容量和更高传输速率的要求，繁多的通信业务和海量的应用促使Wife、Bluetooth、NFC、RFID等技术层出不穷，加剧了射频通信频谱资源的供求矛盾。

为了频谱拥堵问题，可见光通信(Visible Light Communication，VLC)应运而生，它利用发光二极管(Light-emitting diode，LED)作为光源，把所传信息调制到高速闪烁的可见光载波上，并在接收端(通常是手机、笔记本)利用光电检测器(Photo Detector，PD)进行光电转获取消息，可同时实现照明和通信的功能。VLC不同于传统射频通信，它具有无需授权的免费频谱资源，超高速率传输和抗电磁干扰等优势，被称为最具有发展潜力的下一代通信技术。

然而，人们在享受可见光通信的高速传输带来方便快捷的同时，有关其通信安全的问题也逐渐浮出了水面。由于可见光通信的信道具有开放式广播的特性，若窃听者与合法用户位于同一光源下，信息极有可能被干扰或窃听。目前应用最为广泛的密钥加密技术实现于通信系统的上层，与协议底层相互隔绝。近年来，伴随着量子技术的飞速发展，依赖于计算复杂度的非对称加密算法受到了冲击，利用传统加密技术实现安全通信的方法变得岌岌可危。物理层安全(Physical Layer Security，PLS)建立在香农信息论安全的基础之上，充分利用无线信道的随机性和唯一性，采用安全波束成形，人工噪声，协作干扰和安全中继等方法，防止窃听者获取到有用信息。作为传统密码学的一项补充技术，可以在通信协议的底层对信息的安全传输形成强有力的保护。

在如何提升可见光通信物理层安全的问题上，已有的大部分研究内容都是针对的静态用户，通常把合法用户Bob和窃听者Eve在小区内建模成两个独立的随机分布点过程(Random Point Distribution Process)，分析两者位置的随机分布对物理层安全的影响。然而，实际通信场景中节点通常是移动的。用户移动是无线网络的一大特点，也是可见光通信网络的一大特点。一般地，对于可见光通信系统来说，用户随机移动会导致其地理位置、接收设备方向等参数的改变，从而导致可见光链路的随机变化。另一方面，室内可见光信道主要依赖于视距链路。当用户节点移动到光源照明的边界外时，可能无法接收到光信号,从而导致通信质量下降甚至发生中断。除此之外，当下移动支付、移动社交和移动办公等业务蓬勃发展，如何保证移动业务中的安全也是一个亟需解决的关键问题。因此，针对上实际场景的需求，研究用户移动环境下的物理层安全是未来大规模应用和部署可见光通信网络所面临的核心挑战之一。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供了一种面向移动用户的可见光通信安全增强方法。

实现本发明目的的技术方案是：

一种面向移动用户的可见光通信安全增强方法，包括如下步骤：

1)假设可见光通信系统中含有一个LED发射端Alice，一个移动状态的合法接收机Bob，一个被动窃听方Eve，设Bob和Alice的光电探测器数目为1；

2)搭建包含步骤1)中可见光通信系统设备的室内可见光通信信道模型，即VLC模型，模型光照小区形状为圆形，接收机Bob在小区内随机移动；

3)圆形光照小区内部设置一个圆形保护域λ，保护域与光照小区互为同心圆，被动窃听方Eve在圆形保护域λ外服从随机均匀分布；

4)基于步骤2)、步骤3)建立和设置的模型，假设Alice和Bob之间的距离为随机变量且Bob的接收角为90°，分析可见光信道的直流增益表达式，得到Bob和Eve的瞬时接收信噪比的概率密度函数表达式；

5)根据步骤4)得到的Bob和Eve的瞬时接收信噪比的概率密度函数表达式，计算Bob的安全中断概率，绘制出安全性能随保护域半径变化的曲线。

步骤1)中，所述的LED发射端Alice、接收机Bob和被动窃听方Eve均设有光电探测器PD，且Bob与Eve位于同一高度水平面上，接收机Bob的接收方向角为常数，接收机Bob接收的信号表达式为：

y_k＝h_kx+n_k (1)

上述公式(1)中，k∈[Bob,Eve]，h_k表示信道直流增益，x表示传输数据信号，n_k表示加性高斯白噪声，服从均匀为零且方差为

的高斯分布。

步骤2)中，所述的VLC模型，是将Alice安装在高度为L的天花板上，Alice在地面上的映射点位于光照小区圆

的圆心处，圆

的半径为R，在光照下的接收水平面上建立一个极坐标系(r_k,θ_k),其中r_k表示接收机k到小区圆心的距离，θ_k表示接收机k与极轴正方向的夹角。

步骤3)中，所述的圆形保护域λ的半径为R_p，圆

和圆形保护域λ互为同心圆，且R_p≤R；被动窃听者Eve在保护域外随机均匀分布，其分布半径为r_E＞R_P，且规定窃听者无法进入保护域内，Bob可在小区内随机移动。

步骤4)中，所述的Bob和Eve的瞬时接收信噪比的概率密度函数表达式，获取过程如下：

4-1)将室内的光照模型建模成朗伯辐射体，主要包括视距传输成分，可见光信道的直流增益为：

其中L为LED发射机的安装高度，d_k为收发机之间的欧式距离，朗伯系数m＝-ln2/ln[cos(Φ_1/2)]，Φ_1/2表示LED的半功率发射半角，A_r表示光电二极管的物理大小，φ表示LED的发光角度，

表示接收面法线与接收面之间的夹角，通常

ψ_1/2表示光电二极管的半接收角，T_s表示光带通滤波器的增益，非成像聚焦器的增益为

其中n表示光电二极管的折射系数，rect(·|·)表示矩形函数；

4-2)对公式(2)进行常数项合并以及化简，则可见光通信下行信道的直流增益表示为：

上述公式(3)中，常数

常数

4-3)假设Bob的运动服从随机路点模型(Random Waypoint model，RWP)，设停留时间t_pause＝0，Bob的稳态距离分布公式为：

上述公式(4)中，r为Bob的半径，R为光小区的半径；已知VLC系统中瞬时信噪比的表达式为：

其中，μ为平均信噪比，

γ为光电探测器的响应率，P为LED发射功率，N₀为加性高斯白噪声功率谱密度，B为噪声基带带宽；

把公式(3)、(4)和(5)进行变量替换并整理，则Bob的瞬时信噪比S_B的概率密度统计公式为：

上述公式(6)中，M为常数，

同理Eve的瞬时信噪比S_E的概率密度统计公式为：

步骤5)中，所述的Bob的安全中断概率，是将VLC系统的安全中断概率定义为瞬时安全容量低于理论安全速率阈值时，通信发生中断，这一事件所发生的概率称为安全中断概率。安全中断概率越小，安全性越高。可见光通信系统的安全中断概率定义式为：

其中R_th为理论安全速率；为了简化计算，将上式求下界值，即：

将步骤4)的公式(6)和公式(7)代入公式(9)中，可得Bob的安全中断概率函数表达式如下：

其中，

本发明提供的一种面向用户随机移动的可见光通信网络的物理层安全增强方法，该方法在考虑实际场景中用户随机移动的基础上，建立了一个安全保护区域，防止非法用户窃取到有用信息，可以有效地提升室内移动环境下可见光通信系统的安全性。

附图说明

图1为可见光通信信道模型的结构示意图；

图2为系统的安全中断概率随保护域半径变化曲线图；

图3为保护域以及半功率角度对系统安全中断概率的作用曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

一种面向移动用户的可见光通信安全增强方法，包括如下步骤：

1)假设可见光通信系统中含有一个LED发射端Alice，一个移动状态的合法接收机Bob，一个窃听者Eve，设Bob和Alice的光电探测器数目为1，如图1所示；

2)搭建包含步骤1)中可见光通信系统设备的室内可见光通信信道模型，即VLC模型，模型光照小区形状为圆形，接收机Bob在小区内随机移动；

3)圆形光照小区内部设置一个圆形保护域λ，保护域与光照小区互为同心圆，被动窃听方Eve在圆形保护域λ外服从随机均匀分布；

4)在步骤2)和步骤3)模型之上，假设Alice和Bob之间的距离为随机变量且接收角为90°，分析可见光信道的直流增益表达式，得到Bob和Eve的瞬时接收信噪比的概率密度函数表达式；

5)根据步骤4)得到的Bob和Eve的瞬时接收信噪比的概率密度函数表达式，计算Bob的安全中断概率，绘制出安全性能随保护域半径变化的曲线。

步骤1)中，所述的LED发射端Alice、接收机Bob和被动窃听方Eve均设有光电探测器PD，且Bob与Eve位于同一高度水平面上，接收机Bob的接收方向角为常数，接收机Bob接收的信号表达式为：

y_k＝h_kx+n_k (1)

上述公式(1)中，k∈[Bob,Eve]，h_k表示信道直流增益，x表示传输数据信号，n_k表示加性高斯白噪声，服从均匀为零且方差为

的高斯分布。

步骤2)中，所述的VLC模型，是将Alice安装在高度为L的天花板上，Alice在地面上的映射点位于光照小区圆

的圆心处，圆

的半径为R。在光照下的接收水平面上建立一个极坐标系(r_k,θ_k),其中r_k表示接收机k到小区圆心的距离，θ_k表示接收机k与极轴正方向的夹角。

步骤3)中，所述的圆形保护域λ的半径为R_P，圆

和圆形保护域λ互为同心圆，且R_P≤R；被动窃听者Eve在保护域外随机均匀分布，其分布半径为r_E＞R_P，且规定窃听者无法进入保护域内，Bob可在小区内随机移动。

步骤4)中，所述的Bob和Eve的瞬时接收信噪比的概率密度函数表达式，获取过程如下：

4-1)将室内的光照模型建模成朗伯辐射体，主要包括视距传输成分，可见光信道的直流增益为：

其中L为LED发射机的安装高度，d_k为收发机之间的欧式距离，朗伯系数m＝-ln2/ln[cos(Φ_1/2)]，Φ_1/2表示LED的半功率发射半角，A_r表示光电二极管的物理大小，φ表示LED的发光角度，

表示接收面法线与接收面之间的夹角，通常

ψ_1/2表示光电二极管的半接收角，T_s表示光带通滤波器的增益，非成像聚焦器的增益为

其中n表示光电二极管的折射系数，rect(·|·)表示矩形函数；

4-2)对公式(2)进行常数项合并以及化简，则可见光通信下行信道的直流增益表示为：

上述公式(3)中，常数

常数

4-3)假设Bob的运动服从随机路点模型(Random Waypoint model，RWP)，设停留时间t_pause＝0，Bob的稳态距离分布公式为：

上述公式(4)中，r为Bob的半径，R为光小区的半径；已知VLC系统中瞬时信噪比的表达式为：

其中，μ为平均信噪比，

γ为光电探测器的响应率，P为LED发射功率，N₀为加性高斯白噪声功率谱密度，B为噪声基带带宽；

把公式(3)、(4)和(5)进行变量替换并整理，则Bob的瞬时信噪比S_B的概率密度统计公式为：

上述公式(6)中，M为常数，

同理Eve的瞬时信噪比S_E的概率密度统计公式为：

步骤5)中，所述的Bob的安全中断概率，是将VLC系统的安全中断概率定义为瞬时安全容量低于理论安全速率阈值时，通信发生中断，这一事件所发生的概率称为安全中断概率。安全中断概率越小，安全性越高。可见光通信系统的安全中断概率定义式为：

其中R_th为理论安全速率；为了简化计算，将上式求下界值，即：

将步骤4)的公式(6)和公式(7)代入公式(9)中，可得Bob的安全中断概率函数表达式如下：

其中，

采用下列措施验证本发明的有益效果：

图2表示Eve在保护域外均匀分布下，Bob服从RWP模型运动下，系统的SOP与保护域半径R_P的比较曲线，从图中可知，两种模型的SOP都随着保护域半径R_P的增大而减小，也就是说系统的安全性能提升。这是由于随着保护域半径的R_P的不断变大，Eve和Alice之间的距离逐渐增大，Eve的信噪比不断减小，主信道与窃听信道的差异性变大，所以系统的安全性增强。

图3表示Eve在保护域外均匀分布下，Bob服从RWP模型运动下，系统的SOP与LED的半功率角φ的比较曲线，从图中可以看出，随着半功率角φ的增大，安全中断概率逐渐减小。因为LED的光束变宽，合法信道越容易被窃听者所窃听，合法信道与窃听信道之间的差异性减小，安全性减弱。另一方面，当理论安全速率为1bit/s/Hz时，设置圆形保护域相比于不设置圆形保护域时，VLC系统的安全性能提升了18％-20％。因此，本专利所提出的设置保护域方法可以有效提升用户移动下可见光通信系统的安全性。

Claims (4)

1.一种面向移动用户的可见光通信安全增强方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)假设可见光通信系统中含有一个LED发射端Alice，一个移动状态的合法接收机Bob，一个被动窃听方Eve，设Bob和Alice的光电探测器数目为1；

2)搭建包含步骤1)中可见光通信系统设备的室内可见光通信信道模型，即VLC模型，模型光照小区形状为圆形，接收机Bob在小区内随机移动；

3)圆形光照小区内部设置一个圆形保护域λ，保护域与光照小区互为同心圆，被动窃听方Eve在圆形保护域λ外服从随机均匀分布；

4)基于步骤2)、步骤3)建立和设置模型，假设Alice和Bob之间的距离为随机变量且Bob的接收角为90°，分析可见光信道的直流增益表达式，得到Bob和Eve的瞬时接收信噪比的概率密度函数表达式；

5)根据步骤4)得到的Bob和Eve的瞬时接收信噪比的概率密度函数表达式，计算Bob的安全中断概率，绘制出安全性能随保护域半径变化的曲线；

步骤4)中，所述的Bob和Eve的瞬时接收信噪比的概率密度函数表达式，获取过程如下：

4-1)将室内的光照模型建模成朗伯辐射体，包括视距传输成分，可见光信道的直流增益为：

其中L为LED发射机的安装高度，d_k为收发机之间的欧式距离，朗伯系数m＝-ln2/ln[cos(Φ_1/2)]，Φ_1/2表示LED的半功率发射半角，A_r表示光电二极管的物理大小，φ表示LED的发光角度，

表示接收面法线与接收面之间的夹角，其中

ψ_1/2表示光电二极管的半接收角，T_s表示光带通滤波器的增益，非成像聚焦器的增益为

其中n表示光电二极管的折射系数，rect(·|·)表示矩形函数；

4-2)对公式(2)进行常数项合并以及化简，则可见光通信下行信道的直流增益表示为：

上述公式(3)中，常数

常数

4-3)假设Bob的运动服从随机路点模型，设停留时间t_pause＝0，Bob的稳态距离分布公式为：

上述公式(4)中，r为Bob的运动半径，R为光小区的半径；已知VLC系统中瞬时信噪比的表达式为：

其中，μ为平均信噪比，

γ为光电探测器的响应率，P为LED发射功率，N₀为加性高斯白噪声功率谱密度，B为噪声基带带宽；

把公式(3)、(4)和(5)进行变量替换并整理，则Bob的瞬时信噪比S_B的概率密度统计公式为：

上述公式(6)中，M为常数，

同理得到Eve的瞬时信噪比S_E的概率密度统计公式为：

步骤5)中，所述的Bob的安全中断概率，是将VLC系统的安全中断概率定义为瞬时安全容量低于理论安全速率阈值时，通信发生中断，这一事件所发生的概率称为安全中断概率，则可见光通信系统的安全中断概率定义式为：

其中R_th为理论安全速率；为了简化计算，将上式求下界值，即：

将步骤4)的公式(6)和公式(7)代入公式(9)中，可得Bob的安全中断概率函数表达式如下：

其中，

2.根据权利要求1所述的一种面向移动用户的可见光通信安全增强方法，其特征在于，步骤1)中，所述的LED发射端Alice、接收机Bob和被动窃听方Eve均设有光电探测器PD，且Bob与Eve位于同一高度水平面上，接收机Bob的接收方向角为常数，接收机Bob接收的信号表达式为：

y_k＝h_kx+n_k (1)

上述公式(1)中，k∈[Bob,Eve]，h_k表示信道直流增益，x表示传输数据信号，n_k表示加性高斯白噪声，服从均匀为零且方差为

的高斯分布。

3.根据权利要求1所述的一种面向移动用户的可见光通信安全增强方法，其特征在于，步骤2)中，所述的VLC模型，是将Alice安装在高度为L的天花板上，Alice在地面上的映射点位于光照小区圆

的圆心处，圆

的半径为R，在光照下的接收水平面上建立一个极坐标系(r_k,θ_k)，其中r_k表示接收机k到小区圆心的距离，θ_k表示接收机k与极轴正方向的夹角。

4.根据权利要求1所述的一种面向移动用户的可见光通信安全增强方法，其特征在于，步骤3)中，所述的圆形保护域λ的半径为R_P，圆

和圆形保护域λ互为同心圆，且R_P≤R；被动窃听者Eve在保护域外随机均匀分布，其分布半径为r_E＞R_P，且规定Eve无法进入保护域内，Bob可在小区内随机移动。

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