面向用户移动的可见光通信物理层安全研究

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可见光通信(Visible Light Communication,VLC)具有超高的传输速率、不受电磁干扰以及免授权的频谱等优势,近年来受到了科研人员的广泛关注与研究。因光无线信道的开放传播特性,合法信息存在被截获以及窃取的可能性。物理层安全技术(Physical Layer Security,PLS)充分利用光无线信道的随机性、差异性来保证信息的安全传输。目前关于室内可见光通信的物理层安全研究主要针对静止用户,并未考虑用户移动的场景。然而,用户移动是可见光通信的重要特点,随着移动互联网的蓬勃发展,用户移动情况下的安全通信是人们对于未来通信的关键需求。因此,研究用户移动情况下的可见光通信物理层安全具有重要意义。本论文的主要研究内容和创新点概括如下:第一,研究了移动用户在典型运动模型如随机路点(Random Waypoint,RWP)及随机方向(Random Direction,RD)模型下直传VLC系统的物理层安全性能。首先,针对单合法用户单窃听者的场景,通过设置安全保护域以提升移动用户的安全性能。然后在分析移动用户及窃听者的信噪比统计特性基础上,获得了VLC系统的非零安全容量概率以及安全吞吐量的闭形表达式。最后,分析了用户移动过程中暂停时间不为零时的VLC系统安全中断概率。仿真结果表明:安全保护域的设置可以使VLC系统的安全性能提升约18%,且移动用户在RWP模型下的安全性能总是优于RD模型的安全性能。此外,延长移动用户的暂停时间将恶化VLC系统的安全性能。第二,针对用户移动可能导致可见光通信的视距(Line-of-Sight,LOS)链路中断的情形,结合射频(Radio Frequency,RF)通信的泛在覆盖特性,理论分析了用户移动下两跳混合VLC/RF系统的物理层安全性能。首先,通过部署一个具有光电转换和光能收集功能的中继节点,将其收集到的光能用于数据转发,以实现VLC/RF链路的两跳传输。然后分析了移动用户在RWP模型下的信噪比统计特性,进而推导出两跳混合VLC/RF系统的安全中断概率。仿真结果表明,增大安全保护域半径,减小LED发射机半功率角,以及配置合适的光能收集系数,可以降低安全中断概率,从而改善用户移动情况下两跳混合VLC/RF系统的安全性能。
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