一种确定及对抗室内可见光通信不安全区的方法技术

本发明专利技术公开了一种确定室内可见光通信不安全区的方法，针对由发射机、合法用户和窃听用户构成的室内可见光通信网，以发射机在接收平面的投影点为圆心，以该投影点到合法用户的距离为半径的圆盘来确定不安全区。当窃听用户位于该不安全区时，将无法保证信息的安全传输。鉴于此，本发明专利技术公开了一种对抗不安全区的方法，可以消除或者尽可能地缩小不安全区，从而保证信息尽可能安全的传输。

【技术实现步骤摘要】
一种确定及对抗室内可见光通信不安全区的方法
本专利技术涉及室内可见光通信物理层安全
，尤其涉及一种确定及对抗可见光通信不安全区的方法。
技术介绍
可见光通信(VisibleLightCommunications,VLC)是在发光二极管(LightEmittingDiode，LED)等技术上发展起来的一种新型、短距离、高速的无线通信技术。它以LED作为光源，通过发出肉眼察觉不到的、高速明暗闪烁的可见光信号来传输信息，在接收端利用光电二极管(Photodiode,PD)完成光电转换，然后进行电信号的接收、再生、解调实现信息的传递。从1999年被提出至今，VLC取得了快速的发展。目前，VLC的研究重点正逐渐从链路级通信转向组网方面。在未来室内VLC网络场景下，用户数据的私有性和保密性将变得格外重要。VLC虽然具有视距传播特性，但仍具有广播特性，这种广播特性在为数据传输提供便利的同时，也为窃听用户接入网络和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。从信息论角度看，最早解决无线通信网络安全问题的是基于计算量的加密技术，主要包括通信信息加密、密钥管理、安全通信协议等。然而这类技术都是从协议栈的上层通过接入控制、密码保护和端到端加密等解决网络安全问题，其安全性是建立在窃听用户计算能力有限的基础之上，目前其安全性面临诸多问题。一方面，由于无线网络中用户的移动性和资源的有限性，传统加密算法、密钥分发和管理将变得异常复杂。另一方面，随着高性能计算的飞速发展，尤其是量子计算机的出现，基于计算量的加密机制的安全性受到挑战，容易造成安全信息的泄露。因此，传统基于计算量的加密技术已经无法满足未来通信的安全需求，国内外学者开始寻求新的网络安全技术。在网络安全技术发展的过程中，协议栈中的物理层却一直被忽视。物理层作为协议栈的最底层，是整个网络的基础。如何充分利用无线信道的传输特性，把看似不利的因素转变为有利于提升通信网络安全性能的因素，成为近年来无线通信技术发展的一个重要方向。在这种背景下，物理层安全逐渐受到广泛关注。在传统无线射频通信网络的物理层安全研究中，由于无线射频信号在无线信道传输具有广播特性，整个无线网络范围都是潜在的不安全区，也即窃听用户不论处于网络的哪个位置，都有可能窃听到信息。因此在传统无线射频通信网络中，无法直接确定不安全区。与传统无线射频通信不同，VLC的信道增益服从朗伯辐射模型，具有视距传播特性，这种信道特性为确定VLC的不安全区域提供了可能。针对VLC的物理层安全，本专利技术将提供一种确定VLC不安全区的方法，并提供一种对抗不安全区的方案，以尽可能高地提升网络的保密性能。
技术实现思路
针对室内VLC网络，本专利技术提供了一种确定及对抗VLC不安全区的方法。基于物理层安全中的保密容量分析，本专利技术确定了保密通信的不安全区。当窃听者位于不安全区时，将无法保证信息的安全传输；然后，在确定不安全区的基础上，采用相关算法来消除或者尽可能地缩小不安全区。本专利技术公开了一种确定室内可见光通信不安全区的方法，基于物理层安全中的保密容量分析，保密容量Cs定义为：其中，I(·；·)表示互信息，fX(x)表示输入信号的概率密度函数；在不安全区内，可见光通信的保密容量为零，信息无法安全传输；在不安全区外，可见光通信的保密容量为正，信息可安全传输。基于一个具有N个发射机(Alice1，Alice2，……，AliceN)，一个合法用户和一个窃听用户的可见光通信系统，N个发射机坐标分别为(a1,b1,c)，(a2,b2,c)，……，(aN,bN,c)，合法用户和窃听用户的坐标分别为(d,e,f)和(x,y,f)，不安全区是由S1，S2，……，SN构成的并集区域，即S1∪S2∪…∪SN，其中区域Si为一个以Alicei在接收机平面的投影点(ai,bi,f)为圆心，以投影点(ai,bi,f)到合法用户的距离为半径的圆盘区域。本专利技术还公开了一种对抗可见光通信不安全区的方法，包括以下步骤：Step1：初始化：给定N个发射机，分别为Alice1，Alice2，……，AliceN；构建坐标系，发射机坐标分别记为(a1,b1,c)，(a2,b2,c)，……，(aN,bN,c)；Step2：合法用户将其信道状态信息通过反向链路反馈给发射机；Step3：发射机对合法用户进行定位，获取到合法用户的位置坐标为(d,e,f)；Step4：计算合法用户位置坐标在天花板上的投影点，得(d,e,c)；Step5：计算投影点(d,e,c)到各发射机的距离Ln；Step6：选择距离最小的发射机用于通信，其中Step7：发射机检测合法用户位置是否移动；若位置移动，则跳转到Step2；否则，结束。所述合法用户为移动终端用户。有益效果：本专利技术与现有技术相比，通过采用本专利技术所提的对抗不安全区算法，VLC系统的不安全区可以尽可能地减小，从而确保系统安全通信的区域尽可能地大。特别地，当Bob在某个发射机正下方时，不安全区消失，此时不管Eve位于何处，均可实现安全通信，如图6所示。当Bob不在某个发射机正下方时，通过采用本专利技术算法可以使得不安全区最小，如图7所示。附图说明图1由一个发射机、一个合法用户和一个窃听用户构成的室内VLC网络；图2Alice、Bob和Eve的相对位置和角度关系；图3VLC网络具有一个发射机时的不安全区；图4VLC网络具有三个发射机时的不安全区；图5对抗不安全区的算法流程图；图6当Bob在所选发射机正下方时的不安全区；图7当Bob不在所选发射机正下方时的不安全区。具体实施方式下面结合附图进一步阐述本专利技术。考虑一个由发射机(Alice)，合法用户(Bob)和窃听用户(Eve)构成的室内VLC网络，如图1所示。发射机位于房间的天花板上，合法用户和窃听用户被放置在地板上。当发射机向合法用户发送数据信息时，窃听用户也可以接收到发送给合法用户的信号。在网络中，发射机利用LED灯来传输光强度信号，而合法用户和窃听用户则通过光电二极管(PD)来接收光信号，并执行光电转换。合法用户和窃听用户接收的信号可以分别表示为：其中，X是传输的光强信号，HB和HE分别表示主信道和窃听信道的信道增益。Z～N(0,σ2)表示Bob和Eve处的加性高斯白噪声，其中σ2为噪声方差。在室内VLC中，信道增益Hk(k＝BorE)可以表示为其中，m是朗伯辐射的阶数，Ar是光电二极管PD的接收面积，Ts和g分别为PD的光学滤波器增益和集中器增益，Ψ是PD的视场角。Dk，和ψk分别为从Alice到Bob(k＝B)或Eve(k＝E)的距离、辐射角和入射角，如图2所示。显然，当Alice，Bob和Eve的位置固定时，信道增益HB和HE均为常量。在物理层安全中，保密容量Cs定义为：其中，I(·；·)表示互信息，fX(x)表示输入信号的概率密度函数。可以看出，当HB＜HE时，Cs＝0，此时我们称导致保密容量为零时(即HB＜HE时)，窃听者所在的接收区域为不安全区。不安全区的确定方法：在传统无线射频通信中，由于信道增益包含随机衰落，无法准确地HB和HE的大小，因此在整个接收区域内都存在HB＜HE的可能性，因而整个区域都是潜在的非安全区。然而在VLC中，信道增益不含随机衰落，只要收发机位置确本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种确定室内可见光通信不安全区的方法，其特征在于：基于物理层安全中的保密容量分析，保密容量Cs定义为：

【技术特征摘要】
1.一种确定室内可见光通信不安全区的方法，其特征在于：基于物理层安全中的保密容量分析，保密容量Cs定义为：其中，I(·；·)表示互信息，fX(x)表示输入信号的概率密度函数；窃听者在不安全区内，可见光通信的保密容量为零，信息无法安全传输；在不安全区外，可见光通信的保密容量为正，信息可安全传输。2.根据权利要求1所述的一种确定室内可见光通信不安全区的方法，其特征在于：基于一个具有N个发射机(Alice1，Alice2，……，AliceN)，一个合法用户和一个窃听用户的可见光通信系统，N个发射机坐标分别为(a1,b1,c)，(a2,b2,c)，……，(aN,bN,c)，合法用户和窃听用户的坐标分别为(d,e,f)和(x,y,f)，不安全区是由S1，S2，……，SN构成的并集区域，即S1∪S2∪…∪SN，其中区域Si为一个以Alicei在接收机平面的投影点(ai,bi,f)为圆心，以投影点(a...

【专利技术属性】
技术研发人员：王金元，邱宇，刘成，林生红，王俊波，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32