CN112272183A - 一种ris辅助的noma使能vlc/rf混合网络安全传输的方法 - Google Patents

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CN112272183A CN202011180979.7A CN202011180979A CN112272183A CN 112272183 A CN112272183 A CN 112272183A CN 202011180979 A CN202011180979 A CN 202011180979A CN 112272183 A CN112272183 A CN 112272183A
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Abstract

本发明公开了一种RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络安全传输的方法，室内顶部配置一个光接入点，在其正下方的桌面上有一个中继节点。光接入点的光波束最远可覆盖至圆桌面的边缘。因此，地面上的NOMA用户无法直接收到光接入点发出的信号。于是，便利用中继节点，其经光电转换后将电信号中继传输至可重构智能表面（RIS）；然后RIS将信号反射给NOMA用户，此过程中窃听节点会窃听用户的信息。在分析光无线链路和射频无线链路信道统计特性基础上，分别获得放大转发和译码转发传输时VLC/RF混合网络的安全中断概率和严格正安全容量。仿真验证本发明所提安全传输方法的性能与反射元面数目、室内布局、光接入点特性以及射频传输特性有关。

Description

一种RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络安全传输的方法
技术领域
本发明涉及光无线通信和射频无线通信技术领域，具体涉及一种RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络安全传输的方法。
背景技术
随着大规模互联和高速通信需求的不断增长，学术界和工业界展开了基于非正交多址接入(NOMA)的可见光通信(VLC)网络的研究，与传统的基于正交多址接入(OMA)的VLC相比，它可以利用现有的室内基础设施，同时提供照明和高速通信，支持海量用户接入网络，并提供优越的频谱效率。然而，NOMA-VLC仅限于室内短距离且有限覆盖范围的应用，仅适用于收发设备之间的视线(LoS)链路传输。
解决该挑战的有效方法是采用NOMA使能的可见光/射频(RF)混合网络，利用RF无线通信技术的非视距(NLoS)传播特性进行泛在覆盖，利用NOMA-VLC实现海量用户接入和高速通信，进一步提高用户的业务质量(QoS)。这种VLC/RF混合网络在网络吞吐量、用户公平性、覆盖率、能效和中断概率等方面已经被证明远优于独立网络。
在VLC/RF混合网络中，信息通过无线链路(无论是光无线链路还是射频无线链路)传输，信息泄漏是难免的。窃听者可以窃听发送给合法用户的信息。物理层安全技术，利用无线信道的差异性来区分不同接收者，为合法用户设计安全传输方案，在物理层直接保证其信息安全传输。这种技术不仅为防御窃听攻击提供了第一道防线，而且是传统加密安全技术的一个有效补充。目前对VLC/RF混合网络物理层安全的研究主要集中在单个合法用户上，不满足实际的无线通信应用。因此，研究NOMA使能的VLC/RF混合网络的物理层安全势在必行。物理层安全性能的确定将用以设计优化多用户VLC/RF混合网络的参数。
另一方面，可重构智能表面(RIS)辅助的无线通信技术在近两年引起了广泛的关注。RIS是由许多智能反射元面组成的无源的软件控制的超材料表面。在RIS辅助下，无线通信可以以非常低的功耗极大地提高数据传输速率。此外，RIS配置复杂度低，易于部署在室外或室内空间。基于这些特点，最近RIS被引入到物理层安全研究中。在RIS辅助的射频无线通信系统中，已有研究人员展开单个用户的安全速率率最大化和安全中断概率研究，以及多用户的最小安全速率最大化、系统和安全速率最大化研究。最近，还出现了对RIS辅助的毫米波和太赫兹系统的物理层安全研究。然而，截止目前仍未发现关于RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络的物理层安全研究。
综上所述，研究RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络的安全传输方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于针对NOMA使能VLC/RF混合网络中的安全问题，而提供一种RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络安全传输的方法。
实现本发明目的的技术方案是：
一种RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络安全传输的方法，包含如下步骤：
1)在RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络中，室内顶部配置一个光接入点OAP，OAP的正下方配置一个圆形工作桌，OAP的光波束最远可覆盖至桌面的边缘，因此，地面上的NOMA用户无法直接收到OAP发出的信号，于是在桌面上设置一个中继节点Relay，Relay首先接收来自OAP的光信号，经光电转换后将电信号中继传输至RIS；然后，RIS将信号反射给NOMA用户，此过程中窃听节点窃听用户的信息；
2)在混合网络通过两跳实现安全传输，在第一跳中，OAP将叠加编码后的信号发送至Relay；假设Relay在光覆盖范围内服从均匀分布，利用随机变量函数的分布，获得光无线链路信道增益平方的概率密度分布和累加分布；
3)在第二跳中，Relay将光电转换后的电信号中继传输至RIS；通过软件控制RIS以改变入射信号的特征，然后RIS将信号反射给NOMA用户1和用户2，设用户1的信道增益比用户2的信道增益差，定义用户1为弱用户，用户2为强用户，此过程中窃听节点窃听用户的信息，利用RIS辅助的射频无线通信信道的统计分布特性，获得射频无线链路信道增益平方的概率密度分布和累加分布；
4)设计译码转发、放大转发中继传输方案，分别分析译码转发、放大转发中继传输时合法信道、窃听信道的信道容量，获得VLC/RF混合网络的安全容量；然后，利用步骤2)获得的光无线链路信道统计分布和步骤3)获得的射频无线链路信道统计分布，分别获得译码转发、放大转发中继传输时RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络的安全中断概率和严格正安全容量。
步骤1)中，光接入点OAP的光波束最大覆盖半径为r0，光接入点OAP配备一个LED发射机；中继节点Relay配备单个PD接收机，并配置单个射频RF发射天线；两个NOMA合法用户1、用户2和窃听节点Eve均配置单个RF接收天线；RIS包含N个反射元面。
步骤2)中，光接入点OAP发送的信号为：
Figure BDA0002750175390000031
上述公式(1)中，Ps为LED的发送功率；sm为发送给第m个(m∈{1,2})NOMA合法用户的信号，对应的功率分配系数为wm，满足w1>w2和
Figure BDA0002750175390000032
将直流偏置A加到叠加信号(ω1s1+ω2s2)上以确保LED发送的信号x非负；
中继节点Relay利用PD接收机将收到的信号进行光电转换并消除直流偏置，中继节点收到的电信号为：
Figure BDA0002750175390000033
上述公式(2)中，nSR为光无线链路的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为N0；gSR为光接入点到中继节点之间的光无线信道增益，
Figure BDA0002750175390000039
Figure BDA00027501753900000310
其中
Figure BDA0002750175390000037
为LED辐射角、ψ为中继节点上PD接收机的入射角、c为LED的朗博辐射阶数、rect(·)为矩形传输函数、ψ1/2为PD的视场，若ψ>ψ1/2，则gSR＝0，表示入射角超出视场范围后，中继节点将接收不到任何来自LED的信号；参数H为光接入点所在平面与中继节点所在平面之间的垂直距离；参数r为光接入点在圆桌面上的映射点与中继节点之间的水平距离；参数B和ρ分别为PD接收机的有效物理检测面积和检测灵敏度，假设θ＝ψ，在此条件下，得
Figure BDA0002750175390000034
令Z＝ρB(c+1)Hc+1/(2π)，得光无线链路的信道增益平方为：
Figure BDA0002750175390000038
假设中继节点在光接入点覆盖范围内服从均匀分布，得到水平距离r的概率分布为
Figure BDA0002750175390000035
利用随机变量函数的分布，获得光无线链路
Figure BDA0002750175390000036
的概率密度函数为：
Figure BDA0002750175390000041
光无线链路
Figure BDA0002750175390000042
的累加分布函数为：
Figure BDA0002750175390000043
步骤3)中，从中继节点Relay出发经RIS无源反射到用户Um(m∈{1,2})的射频无线链路的信道增益gR,m为：
Figure BDA0002750175390000044
其中ζi为RIS的第i个(i＝1,…,N)反射元面的反射系数，且
Figure BDA0002750175390000045
理想情况下可重构相位
Figure BDA0002750175390000046
引起的幅度系数
Figure BDA0002750175390000047
假设为1；χi为中继节点到RIS第i个反射元面之间的信道增益，且χi＝l-ε/2μiexp(-jφi)；
Figure BDA00027501753900000418
为RIS第i个反射元面到用户Um之间的信道增益，且
Figure BDA0002750175390000049
其中路损指数为ε，l和dm分别为从中继到RIS和从RIS到Um之间的传输距离，μi和φi分别为信道增益χi的幅度和相位，vi和θi分别为信道增益
Figure BDA00027501753900000410
的幅度和相位，i＝1,…,N；在RIS辅助的无线通信系统中，为最大化用户Um的信噪比，控制RIS的可重构相位
Figure BDA00027501753900000411
使其满足
Figure BDA00027501753900000412
则射频无线链路的信道增益gR,m简化为
Figure BDA00027501753900000413
其中Yi＝μiνi；
定义：
Figure BDA00027501753900000414
得射频无线链路信道增益的平方|gR,m|2为：
|gR,m|2＝(ldm)-εY2 (7)
由于μi和vi独立同服从瑞利分布，均值为
Figure BDA00027501753900000415
方差为(1-π/4)，利用RIS辅助的射频无线通信信道的统计分布特性，获得Y2服从平方KG分布，进而利用随机变量函数的分布，获得射频无线链路|gR,m|2的概率密度分布为：
Figure BDA00027501753900000416
射频无线链路|gR,m|2的累加分布为：
Figure BDA00027501753900000417
其中
Figure BDA0002750175390000051
为Meijer G-函数
Figure BDA0002750175390000052
在q1＝1、q2＝3、q3＝2、q4＝1时的值；Kv(·)为修正的v阶第二类Bessel函数；Γ(·)为gamma函数，
Figure BDA0002750175390000053
af和bf是平方KG分布的参数；
Figure BDA0002750175390000054
βY(2)是Y的二阶矩，Y的任意j阶矩为：
Figure BDA0002750175390000055
其中βYi(j)＝(Γ(1+j/2))2，利用Y的二阶矩、四阶矩和六阶矩，获得参数af和bf；
RIS反射的信号在无线信道中传输，也能够被窃听节点接收，因此，窃听节点收到的信号为：
Figure BDA0002750175390000056
其中gR,E为从中继节点出发经RIS反射到窃听节点的无线信道增益；nR,E为该链路的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为NE；
利用上述分析方法，获得|gR,E|2的概率密度分布为：
Figure BDA0002750175390000057
|gR,E|2的累加分布为：
Figure BDA0002750175390000058
其中
Figure BDA0002750175390000059
dE为从RIS到窃听节点的传输距离。
步骤4)中，所述的译码转发、放大转发中继传输方案：
4-1)中继节点若采用译码转发中继传输方案，则译码转发中继传输时用户Um(m∈{1,2})收到的信号为：
Figure BDA00027501753900000510
其中gR,m为从中继节点出发经RIS反射到用户Um的射频无线链路的信道增益；nR,m为射频无线链路的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为N0；
译码转发中继传输时的信道容量为
Figure BDA0002750175390000066
其中COAP-Relc为从光接入点到中继节点的信道容量；CRelay-RIS-Um为从译码转发中继节点经RIS到用户Um(m∈{1,2})的信道容量；利用公式(2)和(14)，基于NOMA的串行干扰消除技术，获得译码转发中继传输时弱用户U1的信道容量为：
Figure BDA0002750175390000061
其中ζ＝Ps/N0表示发射信噪比；
强用户U2的信道容量：
Figure BDA0002750175390000062
假设窃听节点具有极强的窃听能力，能够利用干扰消除技术恢复叠加编码信号，则译码转发中继传输时窃听节点Eve窃听用户Um(m∈{1,2})的信道容量为：
Figure BDA0002750175390000063
其中ζE＝Ps/NE；
利用公式(15)、(16)、(17)，获得译码转发中继传输时用户Um(m∈{1,2})的安全容量为：
Figure BDA0002750175390000064
4-2)中继节点若采用放大转发中继传输方案，则放大转发中继传输时用户Um(m∈{1,2})收到的信号为：
Figure BDA0002750175390000065
其中gR,m为从中继节点出发经RIS反射到用户Um的射频无线链路的信道增益；F为中继节点的放大系数；nR,m为射频无线链路的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为N0；
放大转发中继传输时RIS反射的信号也能够被窃听节点接收，因此，窃听节点收到的信号为：
Figure BDA0002750175390000071
利用公式(19)，基于NOMA的串行干扰消除技术，分别获得放大转发中继传输时弱用户U1和强用户U2的信道容量为：
Figure BDA0002750175390000072
Figure BDA0002750175390000073
利用公式(20)，基于NOMA的串行干扰消除技术，获得放大转发中继传输时窃听节点Eve窃听用户Um(m∈{1,2})的信道容量为：
Figure BDA0002750175390000074
利用公式(21)、(22)、(23)，获得放大转发中继传输时用户Um(m∈{1,2})的安全容量为：
Figure BDA0002750175390000075
然后，利用步骤2)获得的光无线链路信道增益平方的概率密度分布和累加分布和步骤3)获得的射频无线链路信道增益平方的概率密度分布和累加分布，获得译码转发传输时RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络的安全中断概率为：
Figure BDA0002750175390000081
译码转发传输时RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络的严格正安全容量为：
Figure BDA0002750175390000082
放大转发传输时RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络的安全中断概率为：
Figure BDA0002750175390000083
放大转发传输时RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络的严格正安全容量为：
Figure BDA0002750175390000084
有益效果：本发明提供的一种可重构智能表面辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络的安全传输方法，该方法有如下优点：
1、仿真验证本发明所提安全传输方法的性能与反射元面数目、室内布局、光接入点特性以及射频传输特性有关。因此，本方法可用于设计优化多用户可见光/射频混合网络的参数以提升网络的安全性能。
2、为增强可重构智能表面辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络的物理层安全提供理论依据；
3、促进NOMA使能VLC/RF混合网络的物理层安全技术在银行、机场等人员密集场所中的应用，同时也推动其在溶洞旅游、泛在无线接入服务等领域的实用化进程。
附图说明
图1为RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络示意图；
图2为译码转发、放大转发中继传输时混合网络的安全中断概率性能图；
图3为光接入点的最大覆盖半径对混合网络安全中断概率的影响示意图；
图4为光接入点与中继节点之间的垂直距离H对混合网络安全中断概率的影响示意图；
图5为射频无线链路的路损系数对混合网络安全中断概率的影响示意图；
图6所示为译码转发、放大转发中继传输时混合网络的严格正安全容量性能图。
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：
一种可重构智能表面辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络的安全传输方法，包含如下步骤：
1)如图1所示，在RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络中，室内顶部配置一个光接入点OAP，OAP的正下方配置一个圆形工作桌。OAP的光波束最远可覆盖至桌面的边缘，因此，地面上的NOMA用户无法直接收到OAP发出的信号。于是，便可以在桌面上设置一个中继节点，其首先接收来自OAP的光信号，经光电转换后将电信号中继传输至RIS；然后，RIS将信号反射给NOMA用户。此过程中窃听节点窃听用户的信息。光接入点的光波束最大覆盖半径为r0。光接入点配备一个LED发射机；中继节点配备单个PD接收机，并配置单个RF发射天线；两个NOMA合法用户U1、用户U2和窃听节点(Eve)均配置单个RF接收天线；RIS包含N个反射元面。
2)在混合网络通过两跳实现安全传输。在第一跳中，光接入点OAP将叠加编码后的信号发送至中继节点Relay。假设中继节点在光覆盖范围内服从均匀分布，利用随机变量函数的分布，可获得光无线链路信道增益平方的概率密度分布和累加分布。
光接入点发送的信号：
Figure BDA0002750175390000101
其中Ps为LED的发送功率；sm为发送给第m个(m∈{1,2})NOMA合法用户的信号，对应的功率分配系数为wm，满足w1>w2和
Figure BDA0002750175390000102
将直流偏置A加到叠加信号(ω1s1+ω2s2)上以确保LED发送的信号x非负。
中继节点利用PD接收机将收到的信号进行光电转换并消除直流偏置。因此，中继节点收到的电信号为：
Figure BDA0002750175390000103
其中nSR为光无线链路的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为N0。gSR为光接入点到中继节点之间的光无线信道增益，
Figure BDA0002750175390000106
Figure BDA0002750175390000107
其中
Figure BDA0002750175390000108
为LED辐射角、ψ为中继节点上PD接收机的入射角、c为LED的朗博辐射阶数、rect(·)为矩形传输函数、ψ1/2为PD的视场。如果ψ>ψ1/2，那么gSR＝0，意味着入射角超出视场范围后，中继节点将接收不到任何来自LED的信号。参数H为光接入点所在平面与中继节点所在平面之间的垂直距离；参数r为光接入点在圆桌面上的映射点与中继节点之间的水平距离；参数B和ρ分别为PD接收机的有效物理检测面积和检测灵敏度。为便于分析，假设
Figure BDA0002750175390000109
在此条件下，可得
Figure BDA0002750175390000104
令Z＝ρB(c+1)Hc+1/(2π)，可得光无线链路的信道增益平方为：
Figure BDA0002750175390000105
假设中继节点在光接入点覆盖范围(半径为r0)内服从均匀分布，获得水平距离r的概率分布为
Figure BDA0002750175390000111
利用随机变量函数的分布，获得光无线链路
Figure BDA0002750175390000112
的概率密度函数为：
Figure BDA0002750175390000113
光无线链路
Figure BDA0002750175390000114
的累加分布函数为：
Figure BDA0002750175390000115
3)在第二跳中，中继节点将光电转换后的电信号中继发送至RIS；通过软件控制RIS以改变入射信号的特征(如幅度或相位)，然后RIS将信号反射给NOMA用户(其中用户1的信道增益比用户2的信道增益差，定义用户1为弱用户，用户2为强用户)，此过程中窃听节点窃听用户的信息。利用RIS辅助的射频无线通信信道的统计分布特性，获得射频无线链路信道增益平方的概率密度分布和累加分布。
从中继节点出发经RIS无源反射到用户Um(m∈{1,2})的射频无线链路的信道增益gR,m为：
Figure BDA0002750175390000116
其中ζi为RIS的第i个(i＝1,…,N)反射元面的反射系数，且
Figure BDA0002750175390000117
理想情况下可重构相位
Figure BDA0002750175390000118
引起的幅度系数
Figure BDA0002750175390000119
假设为1；χi为中继节点到RIS第i个反射元面之间的信道增益，且χi＝l-ε/2μiexp(-jφi)；
Figure BDA00027501753900001110
为RIS第i个反射元面到用户Um之间的信道增益，且
Figure BDA00027501753900001111
其中路损指数为ε，l和dm分别为从中继到RIS和从RIS到Um之间的传输距离，μi和φi分别为信道增益χi的幅度和相位，νi和θi分别为信道增益
Figure BDA00027501753900001112
的幅度和相位，i＝1,…,N；在RIS辅助的无线通信系统中，为最大化用户Um的信噪比，控制RIS的可重构相位
Figure BDA00027501753900001113
使其满足
Figure BDA00027501753900001114
则射频无线链路的信道增益gR,m简化为
Figure BDA00027501753900001115
其中Yi＝μiνi；
定义：
Figure BDA00027501753900001116
得射频无线链路信道增益的平方|gR,m|2为：
|gR,m|2＝(ldm)-εY2 (7)
由于μi和νi独立同服从瑞利分布，均值为
Figure BDA0002750175390000121
方差为(1-π/4)，利用RIS辅助的射频无线通信信道的统计分布特性，获得Y2服从平方KG分布，进而利用随机变量函数的分布，获得射频无线链路|gR,m|2的概率密度分布为：
Figure BDA0002750175390000122
射频无线链路|gR,m|2的累加分布为：
Figure BDA0002750175390000123
其中
Figure BDA0002750175390000124
为Meijer G-函数
Figure BDA0002750175390000125
在q1＝1、q2＝3、q3＝2、q4＝1时的值；Kv(·)为修正的v阶第二类Bessel函数；Γ(·)为gamma函数，
Figure BDA0002750175390000126
af和bf是平方KG分布的参数；
Figure BDA0002750175390000127
βY(2)是Y的二阶矩，Y的任意j阶矩为：
Figure BDA0002750175390000128
其中βYi(j)＝(Γ(1+j/2))2，利用Y的二阶矩、四阶矩和六阶矩，可获得参数af和bf。
RIS反射的信号在无线信道中传输，也能够被窃听节点接收，因此，窃听节点收到的信号为：
Figure BDA0002750175390000129
其中gR,E为从中继节点出发经RIS反射到窃听节点的无线信道增益；nR,E为该链路的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为NE。
利用以上类似的分析方法，获得|gR,E|2的概率密度分布为：
Figure BDA00027501753900001210
|gR,E|2的累加分布为：
Figure BDA0002750175390000131
其中
Figure BDA0002750175390000132
dE为从RIS到窃听节点的传输距离。
4)设计译码转发、放大转发中继传输方案，分别分析译码转发、放大转发中继传输时合法信道、窃听信道的信道容量，获得混合网络的安全容量。然后，利用步骤2)获得的光无线链路信道统计分布和步骤3)获得的射频无线链路信道统计分布，分别获得译码转发、放大转发中继传输时RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络的安全中断概率和严格正安全容量。
4-1)中继节点若采用译码转发协议，则译码转发中继传输时用户Um(m∈{1,2})收到的信号为：
Figure BDA0002750175390000133
其中gR,m为从中继节点出发经RIS反射到用户Um的射频无线链路的信道增益；nR,m为射频无线链路的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为N0。
译码转发中继传输时的信道容量为
Figure BDA0002750175390000134
其中COAP-Relc为从光接入点到中继节点的信道容量；CRelay-RIS-Um为从译码转发中继节点经RIS到用户Um(m∈{1,2})的信道容量；利用公式(2)和(14)，基于NOMA的串行干扰消除技术，获得译码转发中继传输时弱用户U1的信道容量为：
Figure BDA0002750175390000135
其中ζ＝Ps/N0表示发射信噪比。
强用户U2的信道容量为：
Figure BDA0002750175390000136
假设窃听节点具有极强的窃听能力，能够利用干扰消除技术恢复叠加编码信号。因此，译码转发中继传输时窃听节点Eve窃听用户Um(m∈{1,2})的信道容量为：
Figure BDA0002750175390000141
其中ζE＝Ps/NE。
利用公式(15)、(16)、(17)，获得译码转发中继传输时用户Um(m∈{1,2})的安全容量为：
Figure BDA0002750175390000142
4-2)中继节点若采用放大转发协议，则放大转发中继传输时用户Um(m∈{1,2})收到的信号为：
Figure BDA0002750175390000143
其中gR,m为从中继节点出发经RIS反射到用户Um的射频无线链路的信道增益；F为中继节点的放大系数；nR,m为射频无线链路的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为N0。
放大转发中继传输时RIS反射的信号也能够被窃听节点接收，因此，窃听节点收到的信号为：
Figure BDA0002750175390000144
利用公式(19)，基于NOMA的串行干扰消除技术，分别获得放大转发中继传输时弱用户U1和强用户U2的信道容量为：
Figure BDA0002750175390000145
Figure BDA0002750175390000146
利用公式(20)，基于NOMA的串行干扰消除技术，可获得放大转发中继传输时窃听节点Eve窃听用户Um(m∈{1,2})的信道容量为：
Figure BDA0002750175390000151
利用公式(21)、(22)、(23)，获得放大转发中继传输时用户Um(m∈{1,2})的安全容量为：
Figure BDA0002750175390000152
然后，利用步骤2)获得的光无线链路信道增益平方的概率密度分布和累加分布和步骤3)获得的射频无线链路信道增益平方的概率密度分布和累加分布，获得译码转发传输时RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络的安全中断概率：
Figure BDA0002750175390000153
译码转发传输时RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络的严格正安全容量：
Figure BDA0002750175390000154
放大转发传输时RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络的安全中断概率：
Figure BDA0002750175390000155
放大转发传输时RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络的严格正安全容量：
Figure BDA0002750175390000161
采取下列措施验证本发明的有益效果：
图2所示为译码转发、放大转发中继传输时RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络的安全中断概率性能及比较。由图2可知，增加RIS的反射元面数目N可以提升混合网络的安全中断概率性能，这是因为经由RIS辅助传输可控制信号相位指向合法用户，使合法用户的接收信噪比提高。当RIS的反射元面数目N固定时，扩大弱用户U1的安全速率阈值Cth1和强用户U2的安全速率阈值Cth2之间的差距，将导致安全性能下降。由图2还可知，译码转发、放大转发中继传输时混合网络的安全中断概率性能理论分析与仿真结果一致，且发射信噪比足够高时，译码转发中继传输时混合网络的安全中断概率性能与放大转发中继传输时时混合网络的安全中断概率性能相同。此外，增大发射信噪比将提升混合网络的安全中断概率性能。
图3所示为光接入点的最大覆盖半径r0变化对译码转发、放大转发中继传输时混合网络的安全中断概率的影响。由图3可知，缩小光接入点的最大覆盖半径r0会提升混合网络的安全中断概率性能，这是因为，光接入点的最大覆盖半径r0减小，意味着光波束变窄，中继节点的接收功率增大。同样，由图3可知，增加RIS的反射元面数目N可以提升混合网络的安全中断概率性能。
图4所示为光接入点与中继节点之间的垂直距离H变化对译码转发、放大转发中继传输时混合网络的安全中断概率的影响。由图4可知，增大H将提升混合网络的安全中断概率性能，这是因为，在光接入点的最大覆盖半径r0保持不变时，增大H意味着光波束变窄，同样可使中继节点的接收功率增大。类似地，由图4可知，增加RIS的反射元面数目N可以提升混合网络的安全中断概率性能。
图5所示为射频无线链路的路损系数ε对译码转发、放大转发中继传输时混合网络的安全中断概率的影响。由图5可知，路损系数ε对中继传输时混合网络的安全中断概率的影响与发射信噪比紧密相关。当RIS的反射元面数目为15，发射信噪比为104分贝时，具有不同路损系数ε的中继传输混合网络的安全中断概率性能相同；当发射信噪比高于104分贝时，路损系数ε越小，安全中断概率性能越好，反之亦然。
图6所示为译码转发、放大转发中继传输时RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络的严格正安全容量性能及比较。由图6可知，增加RIS的反射元面数目N可以提升混合网络的严格正安全容量性能。译码转发、放大转发中继传输时混合网络的严格正安全容量性能理论分析与仿真结果一致，且发射信噪比足够高时，译码转发中继传输时混合网络的严格正安全容量性能与放大转发中继传输时时混合网络的严格正安全容量性能相同。

Claims (5)

1.一种RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络安全传输的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络中，室内顶部配置一个光接入点OAP，OAP的正下方配置一个圆形工作桌，OAP的光波束最远可覆盖至桌面的边缘，因此，地面上的NOMA用户无法直接收到OAP发出的信号，于是在桌面上设置一个中继节点Relay，Relay首先接收来自OAP的光信号，经光电转换后将电信号中继传输至RIS；然后，RIS将信号反射给NOMA用户，此过程中窃听节点窃听用户的信息；
2)在混合网络通过两跳实现安全传输，在第一跳中，OAP将叠加编码后的信号发送至Relay；假设Relay在光覆盖范围内服从均匀分布，利用随机变量函数的分布，获得光无线链路信道增益平方的概率密度分布和累加分布；
3)在第二跳中，Relay将光电转换后的电信号中继传输至RIS；通过软件控制RIS以改变入射信号的特征，然后RIS将信号反射给NOMA用户1和用户2，设用户1的信道增益比用户2的信道增益差，定义用户1为弱用户，用户2为强用户，此过程中窃听节点窃听用户的信息，利用RIS辅助的射频无线通信信道的统计分布特性，获得射频无线链路信道增益平方的概率密度分布和累加分布；
4)设计译码转发、放大转发中继传输方案，分别分析译码转发、放大转发中继传输时合法信道、窃听信道的信道容量，获得VLC/RF混合网络的安全容量；然后，利用步骤2)获得的光无线链路信道统计分布和步骤3)获得的射频无线链路信道统计分布，分别获得译码转发、放大转发中继传输时RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络的安全中断概率和严格正安全容量。
2.根据权利要求1所述的一种RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络安全传输的方法，其特征在于，步骤1)中，光接入点OAP的光波束最大覆盖半径为r0，光接入点OAP配备一个LED发射机；中继节点Relay配备单个PD接收机，并配置单个射频RF发射天线；两个NOMA合法用户1、用户2和窃听节点Eve均配置单个RF接收天线；RIS包含N个反射元面。
3.根据权利要求1所述的一种RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络安全传输的方法，其特征在于，步骤2)中，光接入点OAP发送的信号为：
Figure FDA0002750175380000021
上述公式(1)中，Ps为LED的发送功率；sm为发送给第m个(m∈{1,2})NOMA合法用户的信号，对应的功率分配系数为wm，满足w1>w2和
Figure FDA0002750175380000022
将直流偏置A加到叠加信号(ω1s1+ω2s2)上以确保LED发送的信号x非负；
中继节点Relay利用PD接收机将收到的信号进行光电转换并消除直流偏置，中继节点收到的电信号为：
Figure FDA0002750175380000023
上述公式(2)中，nSR为光无线链路的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为N0；gSR为光接入点到中继节点之间的光无线信道增益，
Figure FDA00027501753800000211
Figure FDA00027501753800000212
其中
Figure FDA00027501753800000213
为LED辐射角、ψ为中继节点上PD接收机的入射角、c为LED的朗博辐射阶数、rect(·)为矩形传输函数、ψ1/2为PD的视场，若ψ>ψ1/2，则gSR＝0，表示入射角超出视场范围后，中继节点将接收不到任何来自LED的信号；参数H为光接入点所在平面与中继节点所在平面之间的垂直距离；参数r为光接入点在圆桌面上的映射点与中继节点之间的水平距离；参数B和ρ分别为PD接收机的有效物理检测面积和检测灵敏度，假设
Figure FDA00027501753800000214
在此条件下，得
Figure FDA0002750175380000024
令Z＝ρB(c+1)Hc+1/(2π)，得光无线链路的信道增益平方为：
Figure FDA0002750175380000025
假设中继节点在光接入点覆盖范围内服从均匀分布，得到水平距离r的概率分布为
Figure FDA0002750175380000026
利用随机变量函数的分布，获得光无线链路
Figure FDA0002750175380000027
的概率密度函数为：
Figure FDA0002750175380000028
光无线链路
Figure FDA0002750175380000029
的累加分布函数为：
Figure FDA00027501753800000210
4.根据权利要求1所述的一种RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络安全传输的方法，其特征在于，步骤3)中，从中继节点Relay出发经RIS无源反射到用户Um(m∈{1,2})的射频无线链路的信道增益gR,m为：
Figure FDA0002750175380000031
其中ζi为RIS的第i个(i＝1,…,N)反射元面的反射系数，且
Figure FDA0002750175380000032
理想情况下可重构相位
Figure FDA0002750175380000033
引起的幅度系数
Figure FDA0002750175380000034
假设为1；χi为中继节点到RIS第i个反射元面之间的信道增益，且χi＝l-ε/2μiexp(-jφi)；
Figure FDA00027501753800000318
为RIS第i个反射元面到用户Um之间的信道增益，且
Figure FDA0002750175380000036
其中路损指数为ε，l和dm分别为从中继到RIS和从RIS到Um之间的传输距离，μi和φi分别为信道增益χi的幅度和相位，vi和θi分别为信道增益
Figure FDA0002750175380000037
的幅度和相位，i＝1,…,N；在RIS辅助的无线通信系统中，为最大化用户Um的信噪比，控制RIS的可重构相位
Figure FDA0002750175380000038
使其满足
Figure FDA0002750175380000039
则射频无线链路的信道增益gR,m简化为
Figure FDA00027501753800000310
其中Yi＝μiνi；
定义：
Figure FDA00027501753800000311
得射频无线链路信道增益的平方|gR,m|2为：
|gR,m|2＝(ldm)-εY2 (7)
由于μi和νi独立同服从瑞利分布，均值为
Figure FDA00027501753800000312
方差为(1-π/4)，利用RIS辅助的射频无线通信信道的统计分布特性，获得Y2服从平方KG分布，进而利用随机变量函数的分布，获得射频无线链路|gR,m|2的概率密度分布为：
Figure FDA00027501753800000313
射频无线链路|gR,m|2的累加分布为：
Figure FDA00027501753800000314
其中
Figure FDA00027501753800000315
为Meijer G-函数
Figure FDA00027501753800000316
在q1＝1、q2＝3、q3＝2、q4＝1时的值；Kv(·)为修正的v阶第二类Bessel函数；Γ(·)为gamma函数，
Figure FDA00027501753800000317
af和bf是平方KG分布的参数；
Figure FDA0002750175380000041
βY(2)是Y的二阶矩，Y的任意j阶矩为：
Figure FDA0002750175380000042
其中
Figure FDA0002750175380000043
利用Y的二阶矩、四阶矩和六阶矩，获得参数af和bf；
RIS反射的信号在无线信道中传输，也能够被窃听节点接收，因此，窃听节点收到的信号为：
Figure FDA0002750175380000044
其中gR,E为从中继节点出发经RIS反射到窃听节点的无线信道增益；nR,E为该链路的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为NE；
利用上述分析方法，获得|gR,E|2的概率密度分布为：
Figure FDA0002750175380000045
|gR,E|2的累加分布为：
Figure FDA0002750175380000046
其中
Figure FDA0002750175380000047
dE为从RIS到窃听节点的传输距离。
5.根据权利要求1所述的一种RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络安全传输的方法，其特征在于，步骤4)中，所述的译码转发、放大转发中继传输方案：
4-1)中继节点若采用译码转发中继传输方案，则译码转发中继传输时用户Um(m∈{1,2})收到的信号为：
Figure FDA0002750175380000048
其中gR,m为从中继节点出发经RIS反射到用户Um的射频无线链路的信道增益；nR,m为射频无线链路的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为N0；
译码转发中继传输时的信道容量为
Figure FDA0002750175380000051
其中COAP-Rela为从光接入点到中继节点的信道容量；CRelay-RIS-Um为从译码转发中继节点经RIS到用户Um(m∈{1,2})的信道容量；利用公式(2)和(14)，基于NOMA的串行干扰消除技术，获得译码转发中继传输时弱用户U1的信道容量为：
Figure FDA0002750175380000052
其中ζ＝Ps/N0表示发射信噪比；
强用户U2的信道容量：
Figure FDA0002750175380000053
假设窃听节点具有极强的窃听能力，能够利用干扰消除技术恢复叠加编码信号，则译码转发中继传输时窃听节点Eve窃听用户Um(m∈{1,2})的信道容量为：
Figure FDA0002750175380000054
其中ζE＝Ps/NE；
利用公式(15)、(16)、(17)，获得译码转发中继传输时用户Um(m∈{1,2})的安全容量为：
Figure FDA0002750175380000055
4-2)中继节点若采用放大转发中继传输方案，则放大转发中继传输时用户Um(m∈{1,2})收到的信号为：
Figure FDA0002750175380000056
其中gR,m为从中继节点出发经RIS反射到用户Um的射频无线链路的信道增益；F为中继节点的放大系数；nR,m为射频无线链路的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为N0；
放大转发中继传输时RIS反射的信号也能够被窃听节点接收，因此，窃听节点收到的信号为：
Figure FDA0002750175380000061
利用公式(19)，基于NOMA的串行干扰消除技术，分别获得放大转发中继传输时弱用户U1和强用户U2的信道容量为：
Figure FDA0002750175380000062
Figure FDA0002750175380000063
利用公式(20)，基于NOMA的串行干扰消除技术，获得放大转发中继传输时窃听节点Eve窃听用户Um(m∈{1,2})的信道容量为：
Figure FDA0002750175380000064
利用公式(21)、(22)、(23)，获得放大转发中继传输时用户Um(m∈{1,2})的安全容量为：
Figure FDA0002750175380000065
然后，利用步骤2)获得的光无线链路信道增益平方的概率密度分布和累加分布和步骤3)获得的射频无线链路信道增益平方的概率密度分布和累加分布，获得译码转发传输时RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络的安全中断概率为：
Figure FDA0002750175380000071
译码转发传输时RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络的严格正安全容量为：
Figure FDA0002750175380000072
放大转发传输时RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络的安全中断概率为：
Figure FDA0002750175380000073
放大转发传输时RIS辅助的NOMA使能VLC/RF混合网络的严格正安全容量为：
Figure FDA0002750175380000074
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