一种提高NOMA辅助室内VLC系统安全通信性能的方法技术方案

本发明专利技术公开了一种提高NOMA辅助室内VLC系统安全通信性能的方法，包括建立多用户的室内NOMA

【技术实现步骤摘要】
一种提高NOMA辅助室内VLC系统安全通信性能的方法


[0001]本专利技术属于室内可见光通信
，具体为一种存在窃听者移动场景下，引入一个伪用户，推导窃听者的概率密度函数和累积分布函数，对安全中断概率和安全吞吐量性能进行理论和仿真研究的一种提高NOMA辅助室内VLC系统安全通信性能的方法。

技术介绍

[0002]可见光通信(Visible Light Communication,VLC)技术是在白光发光二极管(LED)技术的基础上发展起来的一种无线光通信技术。与其他无线通信技术相比，VLC技术具有成本效率高、带宽高、固有安全性好、无需许可证操作、无电磁干扰等优点。到目前为止，VLC技术被认为是其他无线通信的补充技术，在高速通信、定位、传感和物联网(IoT)中有着广泛的应用。
[0003]VLC系统中一般存在多个同时接入的用户，为了提高系统的频谱效率和增加可同时容纳的用户数目，非正交多址接入(NOMA)技术常常被采用。近年来，VLC技术不断创新，调制方式越来越多样化，其传输速率也越来越快。但是，人们在享受VLC给生活带来方便快捷的同时，有关其通信安全的问题也逐渐地浮出了水面。因此，为了提高通信系统的安全性，科研人员提出了多种方法，目前传统的通信安全加密机制包括密钥加密和身份验证等，然而随着计算机技术的进步，加密算法很容易被破解导致信息泄露，因此研究物理层安全可以为传统安全技术做一个很好地补充。在实际的场景中，窃听用户一般处在移动状态。
[0004]目前的问题在于：如何在窃听者移动场景下，对NOMA
‑
VLC通信系统安全性能进行研究并进一步提升系统的安全性能。为解决这个问题，本专利技术搭建了窃听者在保护域之外移动场景下的NOMA辅助室内VLC系统，在此基础上，分析了合法用户和窃听者的接收信干噪比，得到了窃听者信干噪比的概率密度函数和累计密度函数的解析表达式，并以安全中断概率和安全吞吐量为指标，进一步研究了系统的安全通信性能。此外，为了进一步提升通信系统的安全性能，本专利技术首次提出了“伪用户”的概念，通过主动引入干扰的思想，抑制了窃听者的解码能力。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种存在窃听者移动场景下，结合NOMA技术，引入一个伪用户，推导窃听者的概率密度函数和累积分布函数，对安全中断概率和安全吞吐量性能进行理论和仿真研究，进而提高室内VLC系统的安全通信性能。
[0006]本专利技术是通过下述技术方案来实现的。
[0007]本专利技术提供了一种提高NOMA辅助室内VLC系统安全通信性能的方法，包括下述步骤：
[0008]1)基于朗伯模型，考虑到窃听者的存在，建立多用户的室内NOMA
‑
VLC通信系统信道模型，并推导出合法用户的接收信干噪比表达式。考虑窃听者在保护域之外的环形区域
服从RWP
‑
CB运动模型，推导出其解码特定用户时的接收信干噪比表达式，并进一步得到相应的概率密度函数和累积分布函数闭合表达式；
[0009]2)推导出NOMA
‑
VLC通信系统的安全中断概率及安全吞吐量表达式，并通过蒙特卡洛方法进行仿真验证；
[0010]3)向NOMA
‑
VLC通信系统中加入一个伪用户，通过主动引入干扰的方法，抑制了窃听者的窃听能力；
[0011]4)将不同的合法NOMA用户数、LED灯高度和半功率角参数代入安全中断概率及安全吞吐量表达式中，得到合法NOMA用户数、LED灯高度和半功率角对系统安全通信性能的影响。
[0012]上述技术方案中，本专利技术还有进一步限定的方案：
[0013]进一步，所述步骤1)中，建立多用户的室内NOMA
‑
VLC通信系统信道模型，假设LED采用广义朗伯辐射模式，由于合法用户和窃听者的位置服从随机移动和随机分布，则其分布半径为变量，且接收方向为常量，得到VLC视距链路的直流信道增益。
[0014]进一步，所述步骤1)中，推导出NOMA
‑
VLC通信系统中合法用户的接收信干噪比表达式和窃听者解码特定用户时的接收信干噪比表达式，通过下述步骤实现：
[0015]1a)给出合法用户在圆形拓扑中的稳态位置分布和窃听者水平半径的概率密度函数；
[0016]1b)给出OOK调制下，LED发送端实际传送的光信号；
[0017]1c)得到合法用户k和窃听者的接收信号；
[0018]1d)得到合法用户k和窃听者解码特定用户时的信干噪比；
[0019]1e)根据步骤1a)公式中得到的窃听者位置的概率密度函数和步骤1d)公式中得到的窃听者信干噪比，得到窃听者的概率密度函数闭合表达式，进而得到累积分布函数闭合表达式。
[0020]进一步，所述步骤2)推导出的NOMA
‑
VLC通信系统的安全中断概率及安全吞吐量表达式NOMA
‑
VLC通信系统的安全中断概率及安全吞吐量表达式，是通过下述方法得到的：
[0021]2a)基于安全中断概率的定义并结合步骤1e)得到窃听者的累积分布函数得到NOMA
‑
VLC通信系统的安全中断概率；
[0022]2b)基于安全吞吐量的定义并结合步骤2a)得到的安全中断概率得到NOMA
‑
VLC通信系统的安全吞吐量。
[0023]进一步，所述步骤3)推导出引入伪用户情况下，NOMA
‑
VLC通信系统中窃听者解码特定用户时的安全中断概率和安全吞吐量，通过以下步骤得到：
[0024]3a)得到引入伪用户情况下，得到窃听者解码特定用户时的信干噪比；
[0025]3b)根据步骤1a)公式中得到的窃听者位置的概率密度函数和步骤3a)得到的窃听者信干噪比，得到引入伪用户情况下,窃听者的概率密度函数闭合表达式，进而得到引入伪用户情况下,累积分布函数闭合表达式；
[0026]3c)根据步骤2a)得到的安全中断概率的定义并结合步骤3b)得到引入伪用户情况下,窃听者的累积分布函数得到引入伪用户情况下,NOMA
‑
VLC通信系统的安全中断概率；
[0027]3d)根据步骤2b)得到的安全吞吐量的定义并结合步骤3c)得到引入伪用户情况下,NOMA
‑
VLC通信系统的安全中断概率得到NOMA
‑
VLC通信系统的安全吞吐量。
[0028]本专利技术有益效果是说明本专利技术由于采用了权利要求的技术方案产生的效果，即本专利技术的专利技术点，可以表示为：
[0029]1.本专利技术基于朗伯模型，引入了NOMA技术，考虑系统中的窃听用户的运动服从RWP
‑
CB运动模型的情况下，最终推导出了NOMA
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VLC通信系统的安全中断概率及安全吞吐量表达式。
[0030]2.本专利技术引入了一个伪用户的方案，降低了NOMA
‑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高NOMA辅助室内VLC系统安全通信性能的方法，其特征在于，包括下述步骤：1)基于朗伯模型，考虑到窃听者的存在，建立多用户的室内NOMA
‑
VLC通信系统信道模型，并推导出合法用户的接收信干噪比表达式；考虑窃听者在保护域之外的环形区域服从RWP
‑
CB运动模型，推导出其解码特定用户时的接收信干噪比表达式，并进一步得到相应的概率密度函数和累积分布函数闭合表达式；2)推导出NOMA
‑
VLC通信系统的安全中断概率及安全吞吐量表达式，并通过蒙特卡洛方法进行仿真验证；3)向NOMA
‑
VLC通信系统中加入一个伪用户，通过主动引入干扰的方法，抑制窃听者的窃听能力；4)将不同的合法NOMA用户数、LED灯高度和半功率角参数代入安全中断概率及安全吞吐量表达式中，得到合法NOMA用户数、LED灯高度和半功率角对系统安全通信性能的影响。2.根据权利要求1所述的一种提高NOMA辅助室内VLC系统安全通信性能的方法，其特征在于，所述步骤1)中，建立多用户的室内NOMA
‑
VLC通信系统信道模型如下：假设LED采用广义朗伯辐射模式，LED灯和接收用户k之间的信道衰减系数h
k
定义如下：其中,A
PD
是接收器的有效区域,d是发射器到接收器的距离,m表示朗伯发射系数，θ表示LED端的出射角，ψ表示PD端的入射角，T
S
(ψ)表示光学滤波器增益，G(ψ)表示光学集中器增益，FOV是接收器的视场角，rect()表示矩形函数；公式(1)可以整合为：式中，α为关于m的函数，C为关于A
PD
,m,L,T
S
(ψ),G(ψ)的函数，L为LED灯距离接收平面的距离，r
k
为用户k的水平半径。3.根据权利要求1所述的一种提高NOMA辅助室内VLC系统安全通信性能的方法，其特征在于，所述步骤1)中，推导出NOMA
‑
VLC通信系统中合法用户的接收信干噪比表达式和窃听者解码特定用户时的接收信干噪比表达式，通过下述步骤实现：1a)给出窃听者水平半径的概率密度函数f(r
e
)如下：其中，r
e
代表窃听者的水平半径；D为LED灯的照射覆盖范围的半径；R为保护区域的半径；1b)给出OOK调制下，LED发送端实际传送的光信号x如下：其中，a
i
为第i个用户的电功率分配系数，P
E
代表总的调制电功率，s
i
为传送给第i个用户的符号且均值为零，I
dc
表示直流偏置；
1c)得到用户k和窃听者的接收信号y
k
，1≤k≤N其中，η表示光电二极管的响应度，h
k
为LED灯和接收用户k之间的信道衰减系数，n
k
表示第k个用户处的加性高斯白噪声；窃听者接收到的信号y
e
表示为：其中，h
e
为LED灯和窃听者之间的信道衰减系数，n
e
表示进行光电转换后的AWGN；1d)合法用户的接收信干噪比Γ
k
为：式中，a
k
为第k个用户的电功率分配系数，为方差；将VLC视距链路的直流信道增益h
k
带入到公式(7)中可得：其中A
k
为a
k
的函数，B
k
为a
i
的函数，ρ为平均电信噪比；窃听者在解码s
k
时对应的信干噪比Γ
ek
表示如下：4.根据权利要求3所述的一种提高NOMA辅助室内VLC系统安全通信性能的方法，其特征在于，所述步骤1)中，推导出NOAM
‑
VLC系统下窃听者的概率密度函数和累积分布函数如下：根据得到的窃听者在环形拓扑中运动时的水平半径概率密度函数f(r
e
)和窃听者在解码s
k
时对应的信干噪比Γ
ek
，推导窃听者的概率密度函数闭合表达式如下：
式中，Γ是信干噪比变量，Γ
ekmin
是信干噪比变量的最小值，Γ
ekmax
是信干噪比变量的最大值；进而推导得到累积分布函数闭合表达式：5.根据权利要求4所述的一种提高NOMA辅助室内VLC系统安全通信性能的方法，其特征在于，所述步骤2)推导出NOMA...

【专利技术属性】
技术研发人员：王平，车惠，李刚刚，杨婷，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：