CN112953635B - 基于异构人造噪声源的保密可见光无线链路构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可见光保密通信方法技术领域，是一种基于异构人造噪声源的保密可见光无线链路构建方法，在空间分布式或集中式可见光无线发射器配置下，借助异构人造噪声源来劣化潜在的窃听用户Eve的接收信噪比，同时确保目标用户Bob的接收信噪比且不会受到人造噪声的负面干扰。本发明所述方法将商用光源组合波束、多样可见光无线发射器几何结构、以及窃听接收信号人造噪声加扰引入到可见光通信物理层安全的技术方案中，综合考虑了商用固态光源波束的多样性、复杂性以及定向性，适用于多种应用场景，其既能兼容分布式可见光无线发射器配置，也能用于集中式可见光无线发射器配置，具备高度的配置灵活性和广泛适用性。

Description

基于异构人造噪声源的保密可见光无线链路构建方法

技术领域

本发明涉及可见光保密通信方法技术领域，是一种基于异构人造噪声源的保密可见光无线链路构建方法。

背景技术

可见光保密通信技术是传统射频(RF)保密通信技术在新兴可见光通信技术范式的延伸。客观上，新兴可见光通信技术是传统无线光通信技术与绿色固态半导体照明领域相互渗透结合的产物。具体地，可见光通信技术是将原始电域数据信号加载到商用固态光源(以LED为代表)的直流偏置驱动电路。这样一来，固态光源被驱动点亮为服务区域提供照明功能的同时，提供伴生的连续无线覆盖。

相较于传统RF无线技术(以WiFi、Zigbee、RFID等为代表)，可见光通信具备可用光谱资源巨大、无需频谱授权、对传统无线干扰免疫、光源能效高、使用寿命长等诸多优点。总体来说，室内光源发出的可见光信号会沿着光波视线传播且无法穿透墙体等不透明表面，因而客观上见光通信技术应具备比传统RF无线更高的保密性表现。

然而，在教室、会议室、图书馆等共享性质的应用场景，无线信号广播式的传播特性使得可见光通信链路同样面临着窃听行为带来的潜在安全隐患。时至今日，业界特别是国际研究人员越来越认识到，不能继续沿用既有的单一依赖数据加密等传统上层保密通信方法，应该更加关注并挖掘无线信道的潜力，以提供基础物理层上的保密性增强。相应地，针对可见光通信的物理层安全技术仍然存在巨大的技术潜力有待探索和验证。

目前，可见光保密通信技术方案仍局限于布放分布式商用固态(以LED为代表)光源阵列的室内无线场景。在此类场景中，每个光源阵列作为一个可见光无线发射器。在此类场景的建模分析中，国际已发表文献通常假设光源阵列具备全向空间辐射特性，遵从朗伯空间辐射模型。典型地，2014年加拿大不列颠哥伦比亚大学的Ayman Mostafa研究团队在公开发表的文献“Physical-Layer Security for Indoor Visible Light Communications”一文中，尝试将人造噪声加扰引入到2×2组分布式朗伯光源阵列室内场景。必须指出，此类技术方案仍然伴随着显著技术缺陷。一方面，此类方案仅仅讨论了朗伯式的光源阵列配置。必须充分认识到保密可见光无线链路所涉及固态光源的首要基础性功能是为室内、室外、道路、车辆、隧道等不同场景提供定制化照明。为满足不同的定制照明需求，照明灯具厂商通常需要借助波束辐射特性的二次配光设计。典型的二次配光设计方法包括在原始固态光源上加装反射杯、自由曲面透镜等二次配光元件。

一般来说，经过厂商二次配光的固态光源可以将主要光功率投射到目标照明区域，上述定制光源的辐射特性通常是非朗伯的，明显不同于传统朗伯空间辐射特性。另一方面，现有的基于朗伯人造噪声源的保密可见光无线链路方案仅仅适用于分布式阵列式可见光无线发射器配置，无法服务于仅具备单一可见光无线发射器的众多室内场景。为克服上述局限性，本发明提出了一类基于异构人造噪声源的保密可见光无线链路构建方法，以支持人造噪声加扰在多样化室内保密可见光无线覆盖场景的应用。

发明内容

本发明提供了一种基于异构人造噪声源的保密可见光无线链路构建方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有保密可见光无线链路方案无法服务于仅具备单一可见光无线发射器的室内场景的问题。本发明所述方法既能支持空间分布式可见光无线发射器配置，也能灵活地支持空间集中式可见光无线发射器配置。在典型的室内场景中，既存在可见光信号的目标用户Bob(也称为合法用户)，也存在可见光信号的窃听用户Eve(也称为窃听用户或非法用户)。在上述场景中，可见光无线发射器的目标是将保密的数据发送给目标用户，通过利用目标用户的信道状态信息(CSI)来保护目标用户免受人造噪声加扰的影响，仅仅将人造噪声加扰局限于窃听用户的全部潜在位置。

本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种基于异构人造噪声源的保密可见光无线链路构建方法，包括下述步骤：

步骤一，空间分布式可见光无线发射器配置是N_array个尺寸相同的可见光无线发射器被均匀地分布于天花板上，可见光无线发射器采用具有异构波束特性的固态光源(如LED)，所述分布于室内天花板上的固态光源构成紧凑型光源阵列，并将所述光源阵列作为可见光信号发射器，在上述基于异构波束的分布式可见光无线发射器配置下，同一信号接收平面的不同接收位置处能获得具有显著差异的可见光信道增益矢量(矢量的长度是N_array)，

上述可见光信道增益矢量的差异程度受到两方面因素的影响：(1)各个空间分布式可见光无线发射器到不同接受位置的链路长度差异；(2)各个空间分布式可见光无线发射器到不同接受位置方位的强度差异。

在上述空间分布式可见光无线发射器配置下，第i个可见光无线发射器到接收平面上任意接收位置的视线(LOS)信道增益

表示：

其中，A_R代表用户接收器光电二极管的探测面积，d_array，i代表第i个可见光无线发射器与用户接收器之间的LOS距离，θ代表可见光信号相对当前可见光无线发射器法向的出射俯仰角，φ代表可见光信号相对当前可见光无线发射器法向的出射方位角，

代表在(θ，φ)空间方向上当前可见光无线发射器空间波束的辐射强度，若该可见光无线发射器的空间波束是旋转对称波束，则其辐射强度不依赖出射方位角φ，相应的辐射强度表示为

γ代表可见光信号在用户接收器上的入射角，Υ_FOV代表接收器的视场角，r代表接收器的光电响应度；

空间集中式可见光无线发射器配置是仅有单一的可见光无线发射器被置于天花板上(代表性位置为天花板的中心位置处)，该单一可见光无线发射器由N_{sub_array}个小尺寸的固态光源(如LED)子阵列构成，并将所述光源子阵列作为可见光信号发射器，每个光源子阵列之间具备差异化辐射特性，使不同光源子阵列在接收平面上相同接收位置方位处提供迥异的可见光信道增益；

在上述空间集中式可见光无线发射器配置下，第i个可见光无线发射器子阵列到接收平面上任意接受位置的视线(LOS)信道增益

表示：

其中，A_R代表用户接收器光电二极管的探测面积，d_{sub_array，i}代表第i个可见光无线发射器子阵列与用户接收器之间的LOS距离，θ代表可见光信号相对当前光源子阵列法向的出射俯仰角，φ代表可见光信号相对光源子阵列法向的出射方位角，

代表在(θ，φ)空间方向上当前光源子阵列空间波束的辐射强度，若该光源子阵列空间波束是旋转对称波束，则其辐射强度不依赖出射方位角φ，相应的辐射强度表示

γ代表可见光信号在用户接收器上的入射角，Υ_FOV代表接收器的视场角，r代表接收器的光电响应度；

其中，

代表目标用户的归一化信道矢量，[.]^T代表矩阵转置运算，

是第i个分布式光源阵列发射器到目标用户的信道增益，

为目标用户信道矢量的归一化因子，其取值为

进而求得该信道矢量所对应的N_array－1个零空间列矢量

将上述N_array－1个零空间列矢量

组合成目标用户零空间矩阵Ψ_bob；

在集中式可见光无线发射器配置下，根据已掌握的目标用户的CSI构造，构造目标用户的信道矢量：

其中，[.]^T代表矩阵转置运算，

是第j个集中式光源子阵列到窃听用户的信道增益，进而求得该信道矢量所对应的N_{sub_array}－1个零空间列矢量

将N_{sub_array}－1个零空间列矢量

组合成零空间矩阵Ψ_bob；

步骤三，在可见光信号发射器需要保持总发射功率保持恒定的条件下，将一部分发射功率用于发送数据符号，同时将剩余的发射功率用于发送人造噪声，有用数据符号发射功率的所占比例为ρ，人造噪声发射功率的所占比例为(1-ρ)，比例为(1-ρ)的人造噪声发射功率均等地分配于空间分布式可见光无线发射器配置下N_array－1个零空间列矢量

或者比例为(1-ρ)的人造噪声发射功率均等地分配于空间集中式可见光无线发射器配置下的N_{sub_array}－1个置零空间方向

因此，在空间分布式可见光无线发射器配置下，对应于分布式光源阵列的发送信号矢量表示为：

其中，α∈[0,1]代表光源的强度调制指数，d∈[-1,1]代表发送的数据符号，J_i∈[-1,1]，i∈{1,2,L N_array-1}代表发送的人造噪声信号，k作为一个缩放常数，其作用是约束发送信号矢量的峰值信号水平；

在空间集中式可见光无线发射器配置下，对应于集中式光源子阵列的发送信号矢量表示为：

其中，类似地d∈[-1,1]代表发送的数据符号，J_i∈[-1,1]，i∈{1,2,L N_{sub_array}-1}代表发送的人造噪声信号，k作为一个缩放常数，其作用是约束发送信号矢量的峰值信号水平；

步骤四，在上述空间分布式或集中式可见光无线发射器配置下，在对应的分布式光源阵列或集中式光源子阵列上同时加载包含上述步骤的数据符号和人造噪声混合信号，目标用户所接收到可见光信号表示为：

其中，k代表峰值信号水平缩放常数，α∈[0,1]代表光源的强度调制指数，h_bob代表目标用户的信道矢量，ρ代表有用数据符号发射功率的所占比例，d∈[-1,1]代表发送的数据符号，z_bob代表目标用户所捕获的噪声；

与此同时，空间分布式可见光无线发射器配置下，窃听用户所接收到可见光信号表示为：

在空间集中式可见光无线发射器配置下，窃听用户所接收到可见光信号表示为：

其中，k代表峰值信号水平缩放常数，α∈[0,1]代表光源的强度调制指数，h_bob代表目标用户的信道矢量，ρ代表有用数据符号发射功率的所占比例，d∈[-1,1]代表发送的数据符号，z_eve代表窃听用户所捕获的噪声。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

上述空间分布式或集中式可见光无线发射器配置下，目标用户Bob所捕获的信噪比(SNR)表示为：

与此同时，空间分布式可见光无线发射器配置下，窃听用户Eve所捕获的信噪比(SNR)表示为：

集中式可见光无线发射器配置下，窃听用户Eve所捕获的信噪比(SNR)表示为：

其中，k代表峰值信号水平缩放常数，α∈[0,1]代表光源的强度调制指数，h_bob代表目标用户的信道矢量，ρ代表有用数据符号发射功率的所占比例，

代表目标用户Bob噪声方差，

代表窃听用户Eve噪声方差。

本发明将商用光源异构波束及人造噪声加扰同时引入到保密可见光无线链路的实用化设计，借助传统光源波束以及多样化商用非朗伯光源波束引入到可见光无线发射器的空间配置。比如可将包括具备朗伯及多种差异化非朗伯光源波束的固态商用光源(如LED等)引入到同一光源阵列形成集中式可见光无线发射器配置，特别是平面型光源阵列(见图2)可以高度兼容现有天花板发射器站址配置。

本发明所述方法将商用光源组合波束、多样可见光无线发射器几何结构、以及窃听接收信号人造噪声加扰引入到可见光通信物理层安全的技术方案中，综合考虑了商用固态光源波束的多样性、复杂性以及定向性，适用于多种应用场景，其既能兼容分布式可见光无线发射器配置，也能用于集中式可见光无线发射器配置，具备高度的配置灵活性和广泛适用性。

附图说明

附图1为本发明所述基于异构人造噪声源的保密可见光无线链路构建方法的系统结构图。

附图2为空间集中式可见光无线发射器配置(平面式几何结构)的示意图。

附图3为空间分布式可见光无线发射器配置(平面式几何结构)的示意图。

附图4为空间集中式可见光无线发射器配置(球面式几何结构)的示意图。

附图5为空间分布式可见光无线发射器配置(球面式几何结构)的示意图。

附图6为空间集中式可见光无线发射器配置(共形式几何结构)的示意图。

附图7为空间分布式可见光无线发射器配置(共形式几何结构)的示意图。

附图中，1为可见光无线发射器，2为非朗伯波束，3为目标用户，4为窃听用户。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例：如附图1所示，基于异构人造噪声源的保密可见光无线链路构建方法，包括下述步骤：

步骤一，如附图3、5、7所示，空间分布式可见光无线发射器配置是N_array个尺寸相同的可见光无线发射器被均匀地分布于天花板上，可见光无线发射器采用具有异构波束特性的固态光源(如LED)，所述分布于室内天花板上的固态光源构成紧凑型光源阵列，并将所述光源阵列作为可见光信号发射器，在上述基于异构波束的分布式可见光无线发射器配置下，同一信号接收平面的不同接收位置处能获得具有显著差异的可见光信道增益矢量(矢量的长度是N_array)，上述可见光信道增益矢量的差异程度受到两方面因素的影响：(1)各个空间分布式可见光无线发射器到不同接受位置的链路长度差异；(2)各个空间分布式可见光无线发射器到不同接受位置方位的强度差异。

在上述空间分布式可见光无线发射器配置下，第i个可见光无线发射器到接收平面上任意接收位置的视线(LOS)信道增益

表示：

其中，A_R代表用户接收器光电二极管的探测面积，d_array，i代表第i个可见光无线发射器与用户接收器之间的LOS距离，θ代表可见光信号相对当前可见光无线发射器法向的出射俯仰角，φ代表可见光信号相对当前可见光无线发射器法向的出射方位角，

代表在(θ，φ)空间方向上当前可见光无线发射器空间波束的辐射强度，若该可见光无线发射器空间波束是旋转对称波束，则其辐射强度不依赖出射方位角φ，相应的辐射强度表示为

γ代表可见光信号在用户接收器上的入射角，Υ_FOV代表接收器的视场角，r代表接收器的光电响应度；

如附图2、4、6所示，空间集中式可见光无线发射器配置是仅有单一的可见光无线发射器被置于天花板上(代表性位置为天花板的中心位置处)，该单一可见光无线发射器由N_{sub_array}个小尺寸的固态光源(如LED)子阵列构成，根据所需几何结构需求封装而成，并将所述光源子阵列作为可见光信号发射器，每个光源子阵列之间具备差异化辐射特性，使不同光源子阵列在接收平面上相同接收位置方位处提供迥异的可见光信道增益，

在上述空间集中式可见光无线发射器配置下，第i个可见光无线发射器子阵列到接收平面上任意接受位置的视线(LOS)信道增益

表示：

其中，A_R代表用户接收器光电二极管的探测面积，d_{sub_array，i}代表第i个可见光无线发射器子阵列与用户接收器之间的LOS距离，θ代表可见光信号相对当前光源子阵列法向的出射俯仰角，φ代表可见光信号相对光源子阵列法向的出射方位角，

代表在(θ，φ)空间方向上当前光源子阵列空间波束的辐射强度，若该光源子阵列空间波束是旋转对称波束，则其辐射强度不依赖出射方位角φ，相应的辐射强度表示

γ代表可见光信号在用户接收器上的入射角，Υ_FOV代表接收器的视场角，r代表接收器的光电响应度；

步骤二，在空间分布式可见光无线发射器配置下，根据已掌握的目标用户Bob的CSI构造，构造目标用户Bob的归一化信道矢量：

其中，

代表目标用户Bob的归一化信道矢量，[.]^T代表矩阵转置运算，

是第i个分布式光源阵列发射器到目标用户Bob的信道增益，

为目标用户Bob信道矢量的归一化因子，其取值为

这样一来，

代表1-范数运算算子，与此同时，构造目标用户的信道矢量：

进而求得该信道矢量所对应的(N_array－1)个零空间列矢量

(矢量尺寸为1×N_array)，将上述(N_array－1)个零空间列矢量

组合成尺寸为N_array×(N_array－1)的目标用户零空间矩阵Ψ_bob；

在集中式可见光无线发射器配置下，根据已掌握的目标用户Bob的CSI构造，构造目标用户的信道矢量：

其中[.]^T代表矩阵转置运算，

是第j个集中式光源子阵列到窃听用户的信道增益，进而求得该信道矢量所对应的(N_{sub_array}－1)个零空间列矢量

(矢量尺寸为1×N_{sub_array})，将(N_{sub_array}－1)个零空间列矢量

组合成尺寸为N_{sub_array}×(N_{sub_array}－1)的零空间矩阵Ψ_bob；

步骤三，可见光信号发射器需要保持总发射功率保持恒定的条件下，将一部分发射功率用于发送数据符号，同时将剩余的发射功率用于发送人造噪声，有用数据符号发射功率的所占比例为ρ，人造噪声发射功率的所占比例为(1-ρ)，考虑到可见光通信发射器不掌握窃听用户Eve的信道状态信息，比例为(1-ρ)的人造噪声发射功率均等地分配于空间分布式可见光无线发射器配置下(N_array－1)个置零空间方向(零空间列矢量)

或者比例为(1-ρ)的人造噪声发射功率均等地分配于空间集中式可见光无线发射器配置下的(N_{sub_array}－1)个可置零空间方向

因此，在空间分布式可见光无线发射器配置下，对应于分布式光源阵列(紧凑型光源阵列)的发送信号矢量表示为：

其中，α∈[0,1]代表光源的强度调制指数，d∈[-1,1]代表发送的数据符号，J_i∈[-1,1]，i∈{1,2,L N_array-1}代表发送的人造噪声信号，k作为一个缩放常数，其作用是约束发送信号矢量的峰值信号水平，

在空间集中式可见光无线发射器配置下，对应于集中式光源子阵列的发送信号矢量表示为：

其中，类似地d∈[-1,1]代表发送的数据符号，J_i∈[-1,1]，i∈{1,2,L N_{sub_array}-1}代表发送的人造噪声信号，k作为一个缩放常数，其作用是约束发送信号矢量的峰值信号水平；

步骤四，在上述空间分布式或集中式可见光无线发射器配置下，在对应的分布式光源阵列或集中式光源子阵列上同时加载包含上述步骤的数据符号和人造噪声混合信号，这样一来，目标用户Bob所接收到可见光信号表示为：

其中，k代表峰值信号水平缩放常数，α∈[0,1]代表光源的强度调制指数，h_bob代表目标用户Bob的信道矢量，ρ代表有用数据符号发射功率的所占比例，d∈[-1,1]代表发送的数据符号，z_bob代表目标用户Bob所捕获的噪声，显然根据上式，目标用户Bob并不会受到人造噪声的影响；

与此同时，空间分布式可见光无线发射器配置下，窃听用户Eve所接收到可见光信号表示为：

在空间集中式可见光无线发射器配置下，窃听用户Eve所接收到可见光信号表示为：

其中，k代表峰值信号水平缩放常数，α∈[0,1]代表光源的强度调制指数，h_bob代表目标用户的信道矢量，ρ代表有用数据符号发射功率的所占比例，d∈[-1,1]代表发送的数据符号，z_eve代表窃听用户Eve所捕获的噪声，显然根据上式，窃听用户Eve会受到人造噪声的显著干扰影响。

上述空间分布式或集中式可见光无线发射器配置下，目标用户Bob所捕获的信噪比(SNR)表示为：

与此同时，空间分布式可见光无线发射器配置下，窃听用户Eve所捕获的信噪比(SNR)表示为：

集中式可见光无线发射器配置下，窃听用户Eve所捕获的信噪比(SNR)表示为：

其中，k代表峰值信号水平缩放常数，α∈[0,1]代表光源的强度调制指数，h_bob代表目标用户的信道矢量，ρ代表有用数据符号发射功率的所占比例，

代表目标用户Bob噪声方差，

代表窃听用户Eve噪声方差。

显然，本发明所述方法能够同时适用于空间分布式或集中式可见光无线发射器配置，借助异构人造噪声源来劣化潜在的窃听用户Eve的接收信噪比，同时确保目标用户Bob的接收信噪比，并不会受到人造噪声的负面干扰，从而整体上提升目标用户Bob的物理层安全水平。

传统基于同构朗伯光源波束的固态商用光源阵列，由于在波束配置上的局限性，在同一用户方位仅能提供近似或相等强度的可见光信号覆盖。因此，必须借助空间分布式光源阵列才能在同一用户位置提供差异化多路光信号重叠覆盖，从而为面向保密可见光通信的人造噪声加扰提供所需的链路配置基础。一旦应用场景不具备上述分布式可见光发射器配置基础，进而就无法为同一用户位置提供所需的差异化重叠覆盖，人造噪声加扰则无法正常运行，也就无法将可切换人造噪声源瞄准目的用户接受位置之外的全部区域。

不同于现有单一朗伯光源阵列，本发明借助差异化波束特性可以在同一用户位置提供差异化多路光信号重叠覆盖。此类覆盖的差异性天然来自于波束间空间辐射特性的差异性，无需依赖空间分布式发射器配置，因而克服了现有人造噪声加扰方案在保密可见光通信应用的天然局限性。

本发明所述方法既能兼容分布式发射器配置，也能适用于单一发射器可见光通信物理层应用场景，即本发明所述方法可以适用于保密可见光(以及无线光)通信、保密可见光(以及无线光)定位、保密可见光(以及无线光)传感等，重点是支持空间集中式(见图2、4、6)、空间分布式可见光无线接入配置(见图3、5、7)，支持平面式、球面式、共形式接入点几何结构)，具备高度的配置灵活性和广泛适用性。

本发明所述方法将商用光源组合波束、多样可见光无线发射器几何结构、以及窃听接收信号人造噪声加扰引入到可见光通信物理层安全的技术方案，综合考虑了商用固态光源波束的多样性、复杂性以及定向性；兼顾考虑了单接入点室内可见光无线应用场景的现实需求。

本方法所述方法具有诸多方面的优势，主要包括：(1)能适用于仅掌握目标用户的信道状态信息(CSI)的异构非朗伯保密可见光通信应用场景；(2)能适用于同时掌握目标用户及窃听用户的信道状态信息(CSI)的异构非朗伯保密可见光通信应用场景；(3)能适用于基于非朗伯商用固态光源的保密可见光通信应用场景；(4)能适用于基于非朗伯商用固态光源的保密可见光定位应用场景；(5)能适用于基于非朗伯商用固态光源的保密可见光传感应用场景；(6)能适用于仅具备单一固态光源接入点或接入点数量受限的保密可见光无线应用场景；(7)能适用于对光源发射器的几何结构有定制化需求的应用场景；(8)能适用于天花板上可见光发射器位置资源受限的应用场景等。

以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims (2)

1.一种基于异构人造噪声源的保密可见光无线链路构建方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一，空间分布式可见光无线发射器配置是N_array个尺寸相同的可见光无线发射器被均匀地分布于天花板上，可见光无线发射器采用具有异构波束特性的固态光源，所述分布于天花板上的固态光源构成紧凑型光源阵列，并将所述光源阵列作为可见光信号发射器，在上述基于异构波束的分布式可见光无线发射器配置下，同一信号接收平面的不同接收位置处能获得具有显著差异的可见光信道增益矢量；

在上述空间分布式可见光无线发射器配置下，第i个可见光无线发射器到接收平面上任意接收位置的视线信道增益

表示：

其中，A_R代表用户接收器光电二极管的探测面积，d_array，i代表第i个可见光无线发射器与用户接收器之间的LOS距离，θ代表可见光信号相对当前可见光无线发射器法向的出射俯仰角，φ代表可见光信号相对当前可见光无线发射器法向的出射方位角，

代表在(θ，φ)空间方向上当前可见光无线发射器空间波束的辐射强度，若该可见光无线发射器的空间波束是旋转对称波束，则其辐射强度不依赖出射方位角φ，相应的辐射强度表示为

γ代表可见光信号在用户接收器上的入射角，Υ_FOV代表接收器的视场角，r代表接收器的光电响应度；

空间集中式可见光无线发射器配置是仅有单一的可见光无线发射器被置于天花板上，该单一可见光无线发射器由N_{sub_array}个小尺寸的固态光源子阵列构成，并将所述光源子阵列作为可见光信号发射器，每个光源子阵列之间具备差异化辐射特性，使不同光源子阵列在接收平面上相同接收位置方位处提供迥异的可见光信道增益；

在上述空间集中式可见光无线发射器配置下，第i个光源子阵列到接收平面上任意接受位置的视线信道增益

表示：

其中，A_R代表用户接收器光电二极管的探测面积，d_{sub_array，i}代表第i个光源子阵列与用户接收器之间的LOS距离，θ代表可见光信号相对当前光源子阵列法向的出射俯仰角，φ代表可见光信号相对光源子阵列法向的出射方位角，

代表在(θ，φ)空间方向上当前光源子阵列空间波束的辐射强度，若该光源子阵列空间波束是旋转对称波束，则其辐射强度不依赖出射方位角φ，相应的辐射强度表示

γ代表可见光信号在用户接收器上的入射角，Υ_FOV代表接收器的视场角，r代表接收器的光电响应度；

步骤二，在空间分布式可见光无线发射器配置下，根据已掌握的目标用户的CSI构造，构造目标用户的归一化信道矢量：

其中，

代表目标用户的归一化信道矢量，[.]^T代表矩阵转置运算，

是第i个分布式光源阵列发射器到目标用户的信道增益，

为目标用户信道矢量的归一化因子，其取值为

进而求得该信道矢量所对应的N_array－1个零空间列矢量

将上述N_array－1个零空间列矢量

组合成目标用户零空间矩阵Ψ_bob；

在集中式可见光无线发射器配置下，根据已掌握的目标用户的CSI构造，构造目标用户的信道矢量：

其中，[.]^T代表矩阵转置运算，

是第j个集中式光源子阵列到目标用户的信道增益，进而求得该信道矢量所对应的N_{sub_array}－1个零空间列矢量

将N_{sub_array}－1个零空间列矢量

组合成零空间矩阵Ψ_bob；

步骤三，在可见光信号发射器需要保持总发射功率保持恒定的条件下，将一部分发射功率用于发送数据符号，同时将剩余的发射功率用于发送人造噪声，有用数据符号发射功率的所占比例为ρ，人造噪声发射功率的所占比例为(1-ρ)，比例为(1-ρ)的人造噪声发射功率均等地分配于空间分布式可见光无线发射器配置下N_array－1个零空间列矢量

或者比例为(1-ρ)的人造噪声发射功率均等地分配于空间集中式可见光无线发射器配置下的N_{sub_array}－1个零空间列矢量

因此，在空间分布式可见光无线发射器配置下，对应于分布式光源阵列的发送信号矢量表示为：

其中，α∈[0,1]代表光源的强度调制指数，d∈[-1,1]代表发送的数据符号，J_i∈[-1,1]，i∈{1,2,…N_array-1}代表发送的人造噪声信号，k作为一个缩放常数，其作用是约束发送信号矢量的峰值信号水平；

在空间集中式可见光无线发射器配置下，对应于集中式光源子阵列的发送信号矢量表示为：

其中，d∈[-1,1]代表发送的数据符号，J_i∈[-1,1]，i∈{1,2,…N_{sub_array}-1}代表发送的人造噪声信号，k作为一个缩放常数，其作用是约束发送信号矢量的峰值信号水平；

步骤四，在上述空间分布式或集中式可见光无线发射器配置下，在对应的分布式光源阵列或集中式光源子阵列上同时加载包含上述步骤的数据符号和人造噪声混合信号，目标用户所接收到可见光信号表示为：

其中，k代表峰值信号水平缩放常数，α∈[0,1]代表光源的强度调制指数，h_bob代表目标用户的信道矢量，ρ代表有用数据符号发射功率的所占比例，d∈[-1,1]代表发送的数据符号，z_bob代表目标用户所捕获的噪声；

与此同时，空间分布式可见光无线发射器配置下，窃听用户所接收到可见光信号表示为：

在空间集中式可见光无线发射器配置下，窃听用户所接收到可见光信号表示为：

其中，k代表峰值信号水平缩放常数，α∈[0,1]代表光源的强度调制指数，h_bob代表目标用户的信道矢量，ρ代表有用数据符号发射功率的所占比例，d∈[-1,1]代表发送的数据符号，z_eve代表窃听用户所捕获的噪声。

2.根据权利要求1所述的基于异构人造噪声源的保密可见光无线链路构建方法，其特征在于空间分布式或集中式可见光无线发射器配置下，目标用户所捕获的信噪比表示为：

与此同时，空间分布式可见光无线发射器配置下，窃听用户所捕获的信噪比表示为：

集中式可见光无线发射器配置下，窃听用户所捕获的信噪比表示为：

其中，k代表峰值信号水平缩放常数，α∈[0,1]代表光源的强度调制指数，h_bob代表目标用户的信道矢量，ρ代表有用数据符号发射功率的所占比例，

代表目标用户Bob噪声方差，

代表窃听用户Eve噪声方差。

Images