CN113572527B - 异构光波束可见光通信物理层安全图样综合系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可见光通信技术领域，是一种异构光波束可见光通信物理层安全图样综合系统及方法，包括可见光接收装置和光源阵列；光源阵列包括多个可见光发射装置，可见光发射装置发射携带调制数据流的非朗伯异构光波束，其中调制数据流中包括保密信息；可见光接收装置，接收调制数据流的非朗伯异构光波束，获得对应的数据流。本发明根据异构光波束能为可见光通信物理层安全图样综合技术提供全新的空间自由度的特点，借助全新的空间自由度，减少甚至消除传统可见光通信物理层安全图样综合技术对巨大接入点几何站址资源的高度依赖性；并将多种迥异异构非朗伯光源波束的固态商用光源引入到同一光源阵列，使得高度兼容现有天花板发射器几何配置。

Description

异构光波束可见光通信物理层安全图样综合系统及方法
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，是一种异构光波束可见光通信物理层安全图样综合系统及方法。
背景技术
目前，可见光通信物理层安全技术方案仍高度关注商用固态光源阵列或者空间分离的单一光源(也就是可见光接入点)作分布式布放的室内场景。在此类场景中，每个光源阵列或者空间分离的单一光源作为一个可见光无线接入点。在此类场景的设计分析中，国际已发表文献通常假设光源阵列或者空间分离的单一光源遵从朗伯空间辐射模型，满足全向对称辐射特性。典型地，2015年加拿大不列颠哥伦比亚大学的研究人员Ayman Mostafa及Lutz Lampe在公开发表的文献“Pattern Synthesis of Massive LED Arrays for SecureVisible Light Communication Links”一文中，提出将借助布放于天花板上的大规模LED光源阵列来实现光波束图样综合。
上该方式的灵活性仍然伴随着基础性约束。一方面，此类方案必须依赖天花板上布放众多波束同构的分布式低功率LED光源，换言之借助巨大数量的光源站址数量来提供图样综合所需的空间自由度；另一方面，此类方案仅仅支持网格，特别是密集网格状的光源布放范式，并未涉及蜂窝状、随机几何状等更为灵活的光源布放配置；此外，上述该方式仍局限于传统的朗伯，特别是低功率朗伯光源，因此所有光源波束属于同构光波束。由于对应光波束之间的同构性，无法在波束维度提供足够的空间设计自由度，因此必须借助天花板上大量的可见光通信站址资源来满足图样综合技术对于空间设计自由度的刚性需求。一旦应用场景不具备上述充裕的可用站址资源(或者可用站址资源严重受限)，对应的空间设计自由度必然被大幅度降低，现有的基于辐射图样综合的保密可见光通信表现必然会大幅度劣化，难以满足对窃听用户全部潜在位置保密信号的最小衰减水平。
发明内容
本发明提供了一种异构光波束可见光通信物理层安全图样综合系统及方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决基使用同构的朗伯光源的于辐射图样综合的保密可见光通信方案存在的空间设计自由度与可用站址资源依赖程度高，在可用站址资源受限时，易造成空间设计自由度大幅度降低的问题。
本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种异构光波束可见光通信物理层安全图样综合系统，包括可见光接收装置和光源阵列；
光源阵列包括多个可见光发射装置，可见光发射装置发射携带调制数据流的非朗伯异构光波束，其中调制数据流中包括保密信息；
可见光接收装置，接收调制数据流的非朗伯异构光波束，获得对应的数据流。
下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
上述可见光发射装置包括预编码器、第一调节单元、直流偏置器、第二调节单元、前置补偿器和光源；
预编码器，对数据流进行编码，其中数据流中包括保密信息；
第一调节单元，通过波束缩放矢量对编码后的数据流进行调制，获得调制数据流矢量；
直流偏置器，生成直流偏置电流；
第二调节单元，将调制数据流矢量叠加在直流偏置电流上，获得加载有调制数据流的电信号；
前置补偿器，对加载有调制数据流的电信号进行补偿；
光源，发射携带调制数据流的非朗伯异构光波束。
上述第一调节单元包括参数设置模块和乘法处理模块；
参数设置模块，生成及输出波束缩放矢量；
乘法处理模块，将编码后的数据流与波束缩放矢量相乘，获得调制数据流矢量。
上述可见光接收装置包括光波束接收单元、放大单元和解码器；
光波束接收单元，接收携带调制数据流的非朗伯异构光波束，并转换为携带调制数据流的电信号；
放大单元，对携带调制数据流的电信号进行放大；
解码器，获取调制数据流，并进行解码，输出对应的数据流。
本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种异构光波束可见光通信物理层安全图样综合方法，包括：
各个可见光发射装置发射携带调制数据流的非朗伯异构光波束；
可见光接收装置接收调制数据流的非朗伯异构光波束，转换、放大及解码后获得对应的数据流。
下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
上述可见光发射装置发射携带调制数据流的非朗伯异构光波束，包括：
通过预编码器对数据流进行编码，其中数据流中包括保密信息；
经参数设置模块生成及输出波束缩放矢量，再由乘法处理模块将编码后的数据流与波束缩放矢量相乘，获得调制数据流矢量；
直流偏置器生成直流偏置电流，第二调节单元将调制数据流矢量叠加在直流偏置电流上，获得加载有调制数据流的电信号；
加载有调制数据流的电信号由前置补偿器进行补偿后，光源发射携带调制数据流的非朗伯异构光波束。
上述可见光接收装置接收调制数据流的非朗伯异构光波束，转换、放大及解码后获得对应的数据流，包括：
光波束接收单元接收携带调制数据流的非朗伯异构光波束，并将携带调制数据流的非朗伯异构光波束转换为携带调制数据流的电信号；
通过放大单元对携带调制数据流的电信号进行放大；
解码器获得调制数据流，并进行解码，输出对应的数据流。
上述放大后的携带调制数据流的电信号如下所示：
其中，为hJ的转置，hj为视线信道增益矢量；wj为波束缩放矢量；s(t)为可见光发射装置发射的保密信息；n(t)为可见光接收装置所捕获的信号噪声。
上述视线信道增益矢量如下所示：
其中，J为可见光发射装置的数量；NB为同一可见光发射装置中非朗伯异构光波束的数量；
其中，为第j个可见光发射装置的第i类光波束到接收平面上任意接收位置的视线信道增益，具体如下所示：
其中，为第j个可见光发射装置的第i类光波束的总和发射功率；AR为目标用户的光波束接收单元的探测面积；/>为第j个可见光发射装置的第i类光波束与目标用户的光波束接收单元之间的LOS距离；θ为光波束相对当前可见光发射装置法向的出射俯仰角；φ为光波束相对当前可见光发射装置法向的出射方位角；/>为在(θ，φ)空间方向上当前第j个可见光发射装置中第i类光波束的辐射强度；γ为光波束在目标用户的光波束接收单元上的入射角；ΥFOV为目标用户的光波束接收单元的视场角；r为目标用户的光波束接收单元的光电响应度。
本发明借助全新的空间自由度减少甚至消除传统可见光通信物理层安全图样综合技术对巨大接入点几何站址资源的高度依赖性；故而本发明实施例将多种迥异异构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，特别是共形光源阵列，使得高度兼容现有天花板发射器几何配置，从而根据自由度天然来自于波束间空间辐射特性的差异性的特点，无需依赖接入点(即可见光发射装置)站址的空间几何位置、站址密度、站址分布规律等因素，并有效保证基于辐射安全图样综合的保密可见光通信的表现，满足对窃听用户全部潜在位置保密信号的最小衰减水平。同时本发明实施例既能兼容网格状接入点配置，也能适用于蜂窝状、随机几何状接入点配置，具备广泛适用性和高度的配置灵活性。
附图说明
附图1为本发明的结构示意图。
附图2为本发明可见光发射装置网格状配置的配置示意图。
附图3为本发明可见光发射装置蜂窝状配置的配置示意图。
附图4为本发明可见光发射装置随机几何状配置的配置示意图。
附图5为本发明实施例3的方法示意图。
附图6为本发明实施例4的方法示意图。
附图7为本发明实施例3及4对应的实施方案示意图。
附图8为本发明在单一目标用户场景下所提供的归一化图样示意图。
附图9为本发明在两个目标用户场景下所提供的归一化图样示意图。
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。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：
实施例1：如附图1所示，本实施例公开了一种异构光波束可见光通信物理层安全图样综合系统，包括可见光接收装置和光源阵列；
光源阵列包括多个可见光发射装置，可见光发射装置发射携带调制数据流的非朗伯异构光波束，其中调制数据流中包括保密信息；
可见光接收装置，接收调制数据流的非朗伯异构光波束，获得对应的数据流。
上述光源阵列中多个可见光发射装置的配置可如附图2、3、4所示。多个可见光发射装置可设置在同一站址内，完成站址内异构，也可以设置在站址间，完成站址间异构。
上述由于迥异异构的波束特性为可以在同一用户位置提供全新且丰富的空间自由度，因此异构光波束能为可见光通信物理层安全图样综合技术提供了全新的空间自由度，借助全新的空间自由度减少甚至消除传统可见光通信物理层安全图样综合技术对巨大接入点几何站址资源的高度依赖性；故而本发明实施例将多种迥异异构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，特别是共形光源阵列，使得高度兼容现有天花板发射器几何配置，从而根据自由度天然来自于波束间空间辐射特性的差异性的特点，无需依赖接入点(即可见光发射装置)站址的空间几何位置、站址密度、站址分布规律等因素，并有效保证基于辐射安全图样综合的保密可见光通信的表现，满足对窃听用户全部潜在位置保密信号的最小衰减水平。同时本发明实施例既能兼容网格状接入点配置，也能适用于蜂窝状、随机几何状接入点配置，具备广泛适用性和高度的配置灵活性。
实施例2：如附图1所示，本实施例公开了一种异构光波束可见光通信物理层安全图样综合系统，包括可见光接收装置和设置在站址内的光源阵列；
所述光源阵列包括多个可见光发射装置，可见光发射装置包括预编码器、第一调节单元、直流偏置器、第二调节单元、前置补偿器和光源；
预编码器，对数据流进行编码，其中数据流中包括保密信息；
第一调节单元，包括参数设置模块和乘法处理模块；参数设置模块，生成及输出波束缩放矢量；乘法处理模块，将编码后的数据流与波束缩放矢量相乘，获得调制数据流矢量；
直流偏置器，生成直流偏置电流；
第二调节单元，将调制数据流矢量叠加在直流偏置电流上，获得加载有调制数据流的电信号；这里第二调节单元可为加法器；
前置补偿器，对加载有调制数据流的电信号进行补偿；
光源，发射携带调制数据流的非朗伯异构光波束，这里光源可为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，从而构造能发射种类多样的迥异异构光波束的光源。
所述可见光接收装置包括光波束接收单元、放大单元和解码器；
光波束接收单元，接收携带调制数据流的非朗伯异构光波束，并转换为携带调制数据流的电信号；这里光波束接收单元可为光电二极管；
放大单元，对携带调制数据流的电信号进行放大；
解码器，获取调制数据流，并进行解码，输出对应的数据流；这里所输出的数据流进入目标用户。
实施例3：如附图5所示，本实施例公开了一种异构光波束可见光通信物理层安全图样综合方法，包括：
S101，各个可见光发射装置发射携带调制数据流的非朗伯异构光波束；
S102，可见光接收装置接收调制数据流的非朗伯异构光波束，转换、放大及解码后获得对应的数据流。
实施例4：如附图6所示，本实施例公开了一种异构光波束可见光通信物理层安全图样综合方法，包括：
S201，通过预编码器对数据流进行编码，输出编码后的数据流s(t)，其中数据流中包括保密信息；
S202，经参数设置模块生成及输出波束缩放矢量wj，再由乘法处理模块将编码后的数据流s(t)与波束缩放矢量wj相乘，获得调制数据流矢量x(t)；
这里每个可见光发射装置均设置有波束缩放矢量wj，波束缩放矢量具体表示为其中，NB为同一可见光发射装置中非朗伯异构光波束的数量，/>为一个可见光发射装置中各个光波束关联的图样综合缩放因子。需要说明的是本发明实施例中可以提供传统I个基于同构朗伯光波束的接入点(即可见光发射装置)所提供的的空间自由度，但是所需的站址资源却仅仅是后者的1/NB。
S203，直流偏置器生成直流偏置电流IDC，第二调节单元将调制数据流矢量叠加在直流偏置电流IDC上，获得加载有调制数据流的电信号；
S204，加载有调制数据流的电信号由前置补偿器进行补偿后，光源发射携带调制数据流的非朗伯异构光波束；
S205，光波束接收单元接收携带调制数据流的非朗伯异构光波束，并将携带调制数据流的非朗伯异构光波束转换为携带调制数据流的电信号；
S206，通过放大单元对携带调制数据流的电信号进行放大，输出携带调制数据流的电信号y(t)；
其中，为hJ的转置，hj为视线信道增益矢量；wj为波束缩放矢量；s(t)为可见光发射装置发射的保密信息，其满足|s(t)|≤IDC；n(t)为可见光接收装置所捕获的信号噪声；
上述叠加噪声保密信号的信噪比可以表示为：
其中，δ2为噪声的方差；
与波束缩放矢量wj相对应，第j个可见光发射装置图样综合缩放因子关联的视线信道增益矢量为:
其中，J为可见光发射装置的数量；NB为同一可见光发射装置中非朗伯异构光波束的数量；为与各个图样综合缩放因子关联的视线信道增益
其中，为第j个可见光发射装置的第i类光波束到接收平面上任意接收位置的视线信道增益，具体如下所示：
其中，为第j个可见光发射装置的第i类光波束的总和发射功率；AR为目标用户的光波束接收单元的探测面积；/>为第j个可见光发射装置的第i类光波束与目标用户的光波束接收单元之间的LOS距离，一般来说，接入点的几何尺寸远小于其到接收端的距离，因此同一接入点中不同光波束到目标用户接收器间距基本相等；θ为光波束相对当前可见光发射装置法向的出射俯仰角；φ为光波束相对当前可见光发射装置法向的出射方位角；/>为在(θ，φ)空间方向上当前第j个可见光发射装置中第i类光波束的辐射强度，若该类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，相应的辐射强度可表示/>γ为光波束在目标用户的光波束接收单元上的入射角；ΥFOV为目标用户的光波束接收单元的视场角；r为目标用户的光波束接收单元的光电响应度；
由于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)同一可见光无线接入点内不同类别光波束之间的LED发射功率差异；(2)同一可见光无线接入点内不同光波束到同一接受位置方位的辐射强度差异。故而通过上述过程确定视线信道增益。
S207，解码器获得调制数据流，并进行解码，输出对应的数据流。
综上，目标用户Bob所接收到可见光信号可以表示为：
yBob(t)＝(w1 hBob,1 T+w2 hBob,2 T+…wj hBob,j T…+wJ hBob,J T)s(t)+n(t)
其中，hBob,j为第j个接入点到目标用户Bob的视线(LOS)信道增益矢量。在目标用户Bob周围设定半径为r的圆形非保密区域，即只要窃听者与Bob之间的距离大于r就可以确保窃听者所捕获的保密信号水平被衰减到预设的最大门限值，具体地，上述保密设定关系可以表示为：
其中，(xB,yB)为目标用户Bob的位置坐标，(x,y)为与目标用户Bob距离大于r的所有潜在窃听者接受位置。借助线性规划工具可以搜索得到满足上述约束条件同时实现|w1h1(xB,yB)T+w2h2(xB,yB)T+...wjhj(xB,yB)T...+wJhJ(xB,yB)T|取值最大化所需的对应各个接入点最优权值矢量w1 w2…wJ。其单一目标用户Bob场景下，本发明的归一化图样结果如附图8所示。
当异构光波束的可见光通信物理层安全图样综合场景中存在K个目标用户，则需要对每个目标用户分别列出线性规划不等式：
第1个目标用户：
第2个目标用户：
…
第k个目标用户：
…
第K个目标用户：
借助线性规划工具可以搜索得到满足上述约束条件同时实现:
…
…
其中最小值取值最大化所需的对应各个接入点最优权值矢量w1w2…wJ。其两个目标用户Bob场景下，本发明的归一化图样结果如附图9所示。
以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，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 (3)

1.一种基于异构光波束的可见光通信物理层安全图样综合系统，其特征在于，包括可见光接收装置和光源阵列；
光源阵列包括多个可见光发射装置，可见光发射装置发射携带调制数据流的非朗伯异构光波束，其中调制数据流中包括保密信息，可见光发射装置包括预编码器、第一调节单元、直流偏置器、第二调节单元、前置补偿器和光源；
预编码器，对数据流进行编码，其中数据流中包括保密信息；
第一调节单元，通过波束缩放矢量对编码后的数据流进行调制，获得调制数据流矢量；
直流偏置器，生成直流偏置电流；
第二调节单元，将调制数据流矢量叠加在直流偏置电流上，获得加载有调制数据流的电信号；
前置补偿器，对加载有调制数据流的电信号进行补偿；
光源，发射携带调制数据流的非朗伯异构光波束；
可见光接收装置，接收调制数据流的非朗伯异构光波束，获得对应的数据流，包括光波束接收单元、放大单元和解码器：
光波束接收单元接收携带调制数据流的非朗伯异构光波束，并将携带调制数据流的非朗伯异构光波束转换为携带调制数据流的电信号；
通过放大单元对携带调制数据流的电信号进行放大，其中放大后的携带调制数据流的电信号如下所示：
y(t)＝(w1 h1 T+w2 h2 T+…wj hj T…+wJ hJ T)s(t)+n(t)
其中，hj T为hJ的转置，hj为视线信道增益矢量；wj为波束缩放矢量；s(t)为可见光发射装置发射的保密信息；n(t)为可见光接收装置所捕获的信号噪声；
其中，视线信道增益矢量hj如下所示：
其中，J为可见光发射装置的数量；NB为同一可见光发射装置中非朗伯异构光波束的数量；
其中，为第j个可见光发射装置的第i类光波束到接收平面上任意接收位置的视线信道增益，具体如下所示：
其中，为第j个可见光发射装置的第i类光波束的总和发射功率；AR为目标用户的光波束接收单元的探测面积；/>为第j个可见光发射装置的第i类光波束与目标用户的光波束接收单元之间的LOS距离；θ为光波束相对当前可见光发射装置法向的出射俯仰角；φ为光波束相对当前可见光发射装置法向的出射方位角；/>为在(θ，φ)空间方向上当前第j个可见光发射装置中第i类光波束的辐射强度；γ为光波束在目标用户的光波束接收单元上的入射角；ΥFOV为目标用户的光波束接收单元的视场角；r为目标用户的光波束接收单元的光电响应度；
解码器获得调制数据流，并进行解码，输出对应的数据流。
2.根据权利要求1所述的基于异构光波束的可见光通信物理层安全图样综合系统，其特征在于，所述第一调节单元包括参数设置模块和乘法处理模块；
参数设置模块，生成及输出波束缩放矢量；
乘法处理模块，将编码后的数据流与波束缩放矢量相乘，获得调制数据流矢量。
3.一种如上述权利要求1至2中任意一项所述系统的基于异构光波束的可见光通信物理层安全图样综合方法，其特征在于，包括：
各个可见光发射装置发射携带调制数据流的非朗伯异构光波束，包括：
通过预编码器对数据流进行编码，其中数据流中包括保密信息；
经参数设置模块生成及输出波束缩放矢量，再由乘法处理模块将编码后的数据流与波束缩放矢量相乘，获得调制数据流矢量；
直流偏置器生成直流偏置电流，第二调节单元将调制数据流矢量叠加在直流偏置电流上，获得加载有调制数据流的电信号；
加载有调制数据流的电信号由前置补偿器进行补偿后，光源发射携带调制数据流的非朗伯异构光波束；
可见光接收装置接收调制数据流的非朗伯异构光波束，转换、放大及解码后获得对应的数据流。
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