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隐蔽可见光通信的基本性能限研究.docx
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隐蔽可见光通信的基本性能限研究.docx
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1. 引言
在第 5 代移动通信如火如荼的建设过程中,中国、美国、日本等国家已开始进行第 6
代(The Sixth-Generation, 6G)移动通信技术的研发。在未来 6G 中,无线终端必将爆炸式地
增长,无线传输的数据量也将达到空前规模。据预测,未来超过 80%的数据业务将会发生
在室内,因而室内无线通信将在 6G 中扮演重要角色。作为一种新型的室内无线通信技
术,可见光通信(Visible Light Communication, VLC)成为极具发展潜力的覆盖方案。2021
年 6 月,我国工信部 IMT-2030 (6G)推进组发布《6G 总体愿景与潜在关键技术》白皮书,
将 VLC 列为 6G 十大潜在关键技术之一,进一步激发了学术界和产业界的研究热潮。
由于光线不能穿透墙壁,VLC 具备比传统无线射频通信更高的安全性。然而,VLC
仍具有开放性和广播性
[1]
,这些特性在为信息传递提供便利的同时,也为恶意用户窃听信
息提供了可乘之机,这给合法用户的数据传输造成了潜在的安全隐患。具体地,当系统部
署在公共区域或室内存在监视者时,VLC 的安全性就很难得到保障。为了提高信息传输的
安全性,VLC 的物理层安全引起了广泛关注
[2]
。然而,这种安全传输策略仅对传输的内容
进行保护,并不提供对传输检测行为的保护。为了防止通信行为被第三方非法检测,并保
证通信的隐蔽性,必须寻求新的安全传输策略。
在这种背景下,隐蔽通信正成为一种实现强大安全性和隐私性的新技术。相比于传统
的安全技术,它除了保护通信的内容,更重要的是隐藏通信行为的存在。在无线射频领
域,隐蔽通信的研究已经取得了很多成果。文献[3]首次揭示了加性高斯白噪声(Additive
White Gaussian Noise, AWGN)信道下隐蔽无线通信的性能限—平方根法则,即发送者使用
nn 次信道最多可以向接收者可靠地隐蔽传输 O(n−−√)O(n)比特信息。该结论也可以推广到
二进制对称信道
[4]
和离散无记忆信道
[5]
等。文献[6]考虑了隐蔽无线通信中发送信号的最优
分布问题,证明了高斯分布的最优性。由于平方根法则对隐蔽通信可传输信息量的限制,
当 n→∞n→∞时系统的可达隐蔽速率会趋于零。近年来,一些研究表明通过考虑噪声不确
定性
[7-9]
、信道不确定性
[10]
、随机化传输时间
[11]
、随机化干扰
[12]
等不确定性条件,可以打破
平方根法则的限制,实现正速率隐蔽无线通信。受到隐蔽无线通信的启发,将 VLC 和隐蔽
通信技术相结合,构建新型的室内隐蔽 VLC 网络是十分有意义的。在隐蔽 VLC 中,当发
射机在室内给接收机传输隐私信息时,潜在的监视者可能会检测发射机的合法通信行为。
若监视者检测到通信的存在,它就可能通过各种方式来破译其中的通信内容。为了防止隐
私信息被监视者获取,发射机可通过调整输入信号分布、发射功率等物理层策略来隐藏通
信行为,使监视者无法察觉到通信的存在,那么后续对通信内容的破译就无从谈起,因而
可以从根源上保证通信的安全性。遗憾的是,在公开发表的文献中,隐蔽 VLC 的基础理论
研究还未见报道。由于 VLC 和传统无线射频通信在信号特征、信道特性、功率需求等方面
均存在显著差异,现有的隐蔽无线通信研究成果并不能直接运用在隐蔽 VLC 中。具体地,
由于 VLC 信号的非负性等约束,隐蔽 VLC 的最优输入信号分布不再是高斯分布。隐蔽无
线通信经典的平方根法则在隐蔽 VLC 中是否仍然适用也需要进一步讨论。
鉴于此,针对由发射机 Alice、接收机 Bob 和监视者 Willie 构成的 3 节点隐蔽 VLC 网
络,本文将对隐蔽 VLC 的基础理论进行研究,主要贡献包括以下 3 个方面:
(1) 推导了隐蔽 VLC 输入信号的最优分布。在隐蔽性约束、信号非负性和平均光功率
约束下,建立了基于互信息最大化的泛函优化问题。利用熵幂不等式、相对熵条件和变分
法,得到了最优输入信号为指数分布,为发射机信号设计提供了参考。
(2) 推导了隐蔽 VLC 中发射机平均光功率需要满足的条件。通过对隐蔽性约束条件进
行简化,得到了 Alice 平均光功率可以设置的最大值,为发射机设定发送功率提供了参
考。针对 Alice 已知和未知 Willie 信息的情况,本文分别讨论了 Alice 该如何设置发射光功
率以保证隐蔽地传输信息。
(3) 推导了隐蔽 VLC 可以隐蔽传输的最大信息量,揭示了系统的隐蔽传输性能限。
若 Alice 已知 Willie 的信息,则 Alice 可以利用 nn 次信道隐蔽地发送
O((hB/hW)2)O((hB/hW)2)比特的信息,其中 hBhB 和 hWhW 分别为通信信道和检测信道的
信道增益;若 Alice 未知 Willie 的信息,则 Alice 可以发送 O(1)O(1)比特的信息。可以看
出,隐蔽 VLC 的性能限不再服从平方根法则。
本文其余部分的结构如下:第 2 节给出了隐蔽 VLC 系统模型;第 3 节推导了隐蔽
VLC 输入信号的最佳分布;第 4 节推导了系统的隐蔽传输性能限;第 5 节为数值结果;最
后,第 6 节对本文进行了总结。
2. 系统模型
考虑由发射机 Alice、接收机 Bob 和监视者 Willie 构成的室内隐蔽 VLC 系统,如图 1
所示。Alice 安装在天花板上,采用发光二极管(Light Emitting Diode, LED)发送可见光信
号;Bob 和 Willie 位于地面,使用光电二极管(Photodiode,PD)接收光信号,并进行光电转
换。在该系统中,Alice 拟通过通信信道传送信息给 Bob,但不想被 Willie 发现。若 Willie
通过检测信道发现了通信的存在,他就可以获取通信的内容并进行破译,从而获取传输的
秘密信息。
图 1 室内隐蔽 VLC 系统模型
下载: 全尺寸图片 幻灯片
在发射端,Alice 使用 nn 次信道向 Bob 传输光信号矢量
\boldsymbolx={x[i]}ni=1\boldsymbolx={x[i]}i=1n,其中 x[i]x[i]表示 Alice 使用第 ii 次信道
所发送的实值光信号。由于发送信号被调制成瞬时光强,故 Alice 发送的光信号需满足非
负性,即
x[i]≥0,∀i∈{1,2,⋯,n}x[i]≥0,∀i∈{1,2,⋯,n}
(1)
此外,实际 VLC 系统还要满足室内照明需求,即平均光功率不能随时间变化,但可
以根据用户的调光目标进行调整。数学上,考虑照明的平均光功率约束可以表示为
E(x[i])=ξP,∀i∈{1,2,⋯,n}E(x[i])=ξP,∀i∈{1,2,⋯,n}
(2)
其中,E(⋅)E(⋅)表示求期望运算,ξ∈(0,1]ξ∈(0,1]表示调光目标,PP 表示 Alice 处
LED 的平均光功率。
由文献[13]可知,VLC 的信道增益 hk(k=B或 W)hk(k=B 或 W)服从朗伯辐射模型,可
以表示为
hk=⎧⎩⎨⎪⎪(m+1)Ar2πD2kTsgcosm(φk)cos(ψk),0≤ψk≤Ψ0,ψk≥Ψhk={(m+1)Ar2πDk2Tsgcosm(φk)cos(ψk),0≤ψk≤Ψ0,ψk≥Ψ
(3)
其中,mm 为朗伯辐射阶数;ArAr 为 PD 的面积;DkDk,φkφk 和 ψkψk 分别是 Alice
到 Bob(k=B)(k=B)或到 Willie(k=W)(k=W)的距离、辐照出射角和辐照入射角;TsTs 和 gg
分别为光滤波器和光集中器的增益;ΨΨ 为 PD 的视场角。
2.1 通信信道性能表征
接收机 Bob 接收的电信号矢量记为\boldsymbolz={z[i]}ni=1\boldsymbolz={z[i]}i=1n,
其中 z[i]z[i]表示 Bob 在第 ii 次信道接收到的电信号。Bob 处的噪声矢量记为
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