一种用于下行NOMA可见光通信网络的安全传输方法技术

本发明专利技术公开了一种用于下行NOMA(非正交多址)可见光通信网络的安全传输方法，本发明专利技术给出了具有封闭表达式的安全容量区域的外界和内界，针对发射总功率最小化问题设计了波束形成器，在满足用户服务质量(QoS)需求和安全速率约束的同时，通过调光控制使得发光二极管(发光二极管)发射总功率最小化。为了解决问题的非凸性，提出了一种松弛和约束方法。此外，针对最大化最小安全速率的问题，在调光控制和用户服务质量的约束下，利用松弛和约束方法，将非凸问题转化成拟凸形式，并使用二分搜索算法进行求解，得到波束形成方案。

A Secure Transmission Method for Downlink NOMA Visible Optical Communication Network

【技术实现步骤摘要】
一种用于下行NOMA可见光通信网络的安全传输方法
本专利技术属于可见光通信领域，尤其涉及一种用于下行NOMA可见光通信网络的安全传输方法。
技术介绍
随着无线数据流量的爆炸式增长，射频通信出现了频谱带宽拥挤，网络容量有限的问题。虽然毫米波通信提供了几百兆赫到几千兆赫的带宽，但是仍然不能满足未来无线通信的需求。可见光通信采用发光二极管，同时提供无线通信和照明。为了更好的支持多用户，保证可见光通信网络的公平性，非正交多址(non-orthogonalmultipleaccess,NOMA(非正交多址))是一种很有前途的多址接入策略。NOMA(非正交多址)可以显著改善网络的性能和用户的公平性，在高信噪比场景中表现更好。而由于高信噪比场景在可见光通信网络中很常见，所以NOMA(非正交多址)非常适用于可见光通信网络。与传统的射频无线通信相比，可见光通信具有以下优势：(1)可见光频谱资源丰富，拥有430THz-790THz的宽频带，是无线频谱的近1万倍，可以解决射频通信频谱资源匮乏的问题；(2)可见光通信使用普通发光二极管，功耗低，能够同时提供无线通信和照明，是一种典型的低功耗绿色通信技术；(3)可见光通信无电磁干扰，因而可以用于电磁敏感区域的安全通信，比如煤矿、医院和飞机等场所；非正交多址(NOMA)的技术特点：(1)接收端采用串行干扰消除(SIC)技术，可以提高接收机的性能，基本思想是采用逐级消除干扰的策略，在接收信号中对用户逐个进行判决，进行幅度恢复后，将该用户信号产生的多址干扰从接收信号中减去，并对剩下的用户再次进行判决，循环操作，直至消除所有的多址干扰；(2)发送端采用功率复用技术，对不用的用户分配不同的功率，从而提高系统的吞吐量。另一方面，NOMA(非正交多址)在功率域叠加多个用户，在接收端，接收机可以根据不同的功率区分不同的用户；(3)不依赖用户反馈信道状态信息，采用NOMA技术可以不依赖用户反馈信息获得稳定的性能增益，从而在高速移动的场景下获得更好的性能；可见光通信的主要安全问题在于公共区域，如图书馆、商场、会议室的被动窃听。与传统的加密方法不同，物理层安全性确保了基于合法用户和窃听方接收到的信噪比之间差异的安全传输。近年来，研究人员关注采用NOMA(非正交多址)的网络的物理层安全问题，研究了单输入单输出NOMA(非正交多址)网络的安全和速率最大化问题；多输入单输出场景和多输入多输出场景中，中心用户为合法用户，小区边缘用户为窃听者的NOMA(非正交多址)网络的安全速率最大化问题。目前，还不清楚NOMA(非正交多址)可见光通信网络的保密能力和可达到的安全速率，而这两个指标是衡量NOMA(非正交多址)可见光通信网络物理层安全的关键指标。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种用于下行NOMA(非正交多址)可见光通信网络的安全传输方法，包括如下步骤：步骤1，在下行传输过程中，可见光通信网络采用NOMA(非正交多址)方案，设定第k个合法用户的传输信号为sk，发光二极管的发射信号为x；步骤2，分别得到第k个合法用户接收到的信号yk和窃听者Eve接收到的信号yE；步骤3，采用串行干扰消除(SIC，SuccessiveInterferenceCancellation)方法，对第k个合法用户解码并且去掉干扰得到第k个合法用户剩余的接收信号步骤4，求解第k个合法用户译码第i个合法用户信号的可达速率上界窃听者Eve译码第i个合法用户信号的可达速率下界进而得到可见光网络安全传输速率的外界：表示第i个合法用户传输信号si的安全容量；步骤5，求解第k个合法用户译码第i个合法用户信号的可达速率下界窃听者Eve译码第i个合法用户信号的可达速率上界进而得到可见光网络安全传输速率的内界：步骤6，在满足用户服务质量(QualityofService，QoS)约束、安全速率约束、发光二极管功率约束的同时，得到最小化总发射功率的波束形成设计，输出波束形成向量{wk}；步骤7，在满足用户服务质量约束、调光控制和每个发光二极管的功率约束的同时，得到最大化NOMA(非正交多址)可见光网络的最小安全速率的波束形成设计，输出波束形成向量{wk}。步骤1中，为了保证传输信号的非负性，波束形成向量wk满足如下条件：其中，wk,n是第k个合法用户与第n个发光二极管的加权系数，表示发光二极管的集合，Ak为信源信号的幅度峰值且Ak＞0，令w表示波束形成向量，第k个合法用户的传输信号sk的波束形成向量为表示N维实数空间，发光二极管发射的信号x如下式所示：其中，是保证传输信号非负的直流偏置向量，并且b≥0,发光二极管的发射功率Pe为：其中，为求均值，εk为目标平均电功率，发光二极管的瞬时光功率为：平均光功率为：此外，可见光通信网络要满足调光约束，同时满足人眼安全和实际照明约束，第k个合法用户的传输信号sk的波束形成向量wk也要满足如下条件：其中，en是第n个元素为1，其他元素为0的向量；IH是发光二极管的最大电流，定义调光水平τ：并且0＜τ≤1。其中，PT是最大光功率。步骤2包括：根据朗伯发光模型，第k个合法用户到第n个发光二极管的信道增益gk,n表示为：其中，cos(·)为余弦函数，|·|为求模，m表示朗伯发射等级，log(·)为对数函数，φ表示发光二极管的发射角，φ1/2表示半功率角的一半，AR表示接收端物理面积，其中nr表示接收端聚光透镜的折射率，APD表示光电检测器的面积，sin(·)为正弦函数，dk,n表示第n个发光二极管到第k个合法用户的距离，ψk表示接收端的入射角，ψFOV表示合法用户的视场角。步骤2中，分别得到第k个合法用户接收到的信号yk和窃听者Eve接收到的信号yE，分别表示为：其中，si是第j个合法用户的传输信号，wj是第j个合法用户传输信号的波束形成向量，gk＝[gk,1,...,gk,N]T是表示发光二极管和第k个合法用户之间的信道向量，gE＝[gE,1,...,gE,N]T表示发光二极管和窃听者Eve之间的信道向量，gE,N表示窃听者Eve到第N个发光二极管的信道增益；nk是第k个合法用户接收到的高斯噪声，其均值为0，方差为nE为窃听者Eve接收到的高斯噪声，其均值为0，方差为在步骤3中，设定信道向量服从：采用串行干扰消除方法，对第k个合法用户解码并且去掉干扰得到第k个合法用户剩余的接收信号表示为：在步骤4中，第i个合法用户传输信号si的安全容量表示为：其中，pi(si)表示si的分布，表示的上界，即第k个合法用户解码第i个合法用户传输信息si的速率上界，1≤i≤k≤K，表示I(si；yE)的下界，即窃听者Eve解码第i个合法用户传输信息si的速率I(si；yE)下界，分别表示为：其中，wj表示第j个合法用户传输信号sj时的波束形成向量，参数αm,γm是对应的第m个合法用户的ABG(Alpha-Beta-Gamma)分布参数，参数αn,γn是对应的第n个合法用户的ABG(Alpha-Beta-Gamma)分布参数，εm,εn分别是第m个合法用户对应发射端的平均电功率与第n个合法用户对应发射端的平均电功率；其中，参数αj,γj,εj为如下方程组的解：其中，βj是ABG分布的参数，π为圆周率，e为自然对数，函数erf(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于下行NOMA可见光通信网络的安全传输方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，在下行传输过程中，可见光通信网络采用NOMA方案，设定第k个合法用户的传输信号为sk，发光二极管的发射信号为x；步骤2，分别得到第k个合法用户接收到的信号yk和窃听者Eve接收到的信号yE；步骤3，采用串行干扰消除方法，对第k个合法用户解码并且去掉干扰

【技术特征摘要】
1.一种用于下行NOMA可见光通信网络的安全传输方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，在下行传输过程中，可见光通信网络采用NOMA方案，设定第k个合法用户的传输信号为sk，发光二极管的发射信号为x；步骤2，分别得到第k个合法用户接收到的信号yk和窃听者Eve接收到的信号yE；步骤3，采用串行干扰消除方法，对第k个合法用户解码并且去掉干扰得到第k个合法用户剩余的接收信号步骤4，求解第k个合法用户译码第i个合法用户信号的可达速率上界窃听者Eve译码第i个合法用户信号的可达速率下界进而得到可见光网络安全传输速率的外界：表示第i个合法用户传输信号si的安全容量；步骤5，求解第k个合法用户译码第i个合法用户信号的可达速率下界窃听者Eve译码第i个合法用户信号的可达速率上界进而得到可见光网络安全传输速率的内界：步骤6，在满足用户服务质量约束、安全速率约束、发光二极管功率约束的同时，得到最小化总发射功率的波束形成设计，输出波束形成向量{wk}；步骤7，在满足用户服务质量约束、调光控制和每个发光二极管灯的功率约束的同时，得到最大化NOMA可见光网络的最小安全速率的波束形成设计，输出波束形成向量{wk}。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，波束形成向量wk满足如下条件：其中，wk,n是第k个合法用户与第n个发光二极管的加权系数，表示发光二极管的集合，Ak为信源信号的幅度峰值且Ak＞0，令w表示波束形成向量，第k个合法用户的传输信号sk的波束形成向量为表示N维的实数空间，发光二极管发射的信号x如下式所示：其中，是保证传输信号非负的直流偏置向量，并且b≥0，发光二极管灯的发射功率Pe为：其中，为求均值，εk为目标平均电功率，发光二极管的瞬时光功率为：平均光功率为：第k个合法用户的传输信号sk的波束形成向量wk也要满足如下条件：其中，en是第n个元素为1，其他元素为0的向量；IH是发光二极管的最大电流，定义调光水平τ：并且0＜τ≤1；其中，PT是最大光功率。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2包括：根据朗伯发光模型，第k个合法用户到第n个发光二极管的信道增益gk,n表示为：其中，cos(·)为余弦函数，|·|为求模，m表示朗伯发射等级，log(·)为对数函数，φ表示发光二极管的发射角，φ1/2表示半功率角的一半，AR表示接收端物理面积，其中nr表示接收端聚光透镜的折射率，APD表示光电检测器的面积，sin(·)为正弦函数，dk,n表示第n个发光二极管到第k个合法用户的距离，ψk表示接收端的入射角，ψFOV表示合法用户的视场角。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2中，分别得到第k个合法用户接收到的信号yk和窃听者Eve接收到的信号yE，分别表示为：其中，sj是第j个合法用户的传输信号，wj是第j个合法用户传输信号的波束形成向量，gk＝[gk,1,...,gk,N]T是表示发光二极管和第k个合法用户之间的信道向量gE＝[gE,1,...,gE,N]T表示发光二极管和窃听者Eve之间的信道向量，gE,N表示窃听者Eve到第N个发光二极管的信道增益；nk是第k个合法用户接收到的高斯噪声，其均值为0，方差为nE为窃听者Eve接收到的高斯噪声，其均值为0，方差为5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤3中，设定信道向量服从：采用串行干扰消除方法，对第k个合法用户解码并且去掉干扰得到第k个合法用户剩余的接收信号表示为：6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤4中，第i个合法用户传输信号si的安全容量表示为：其中，pi(si)表示si的分布，表示的上界，即第k个合法用户解码第i个合法用户传输信息si的速率上界，1≤i≤k≤K，表示I(si；yE)的下界，即窃听者Eve解码第i个合法用户传...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜淳，马帅，唐一潇，张凡，李世银，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32