可见光通信的物理层安全分析优化及加密

作     者：邓震宇 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王玉皞

授予年度：2019年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：VLC SOP ASC 概率CSI误差模型 鲁棒安全波束形成 布尔网络 密钥加密 

摘      要：可见光通信(Visible Light Communication,VLC)是一种使用丰富且免许可的光谱资源和高空间复用率来解决现有射频(Radio Frequency,RF)通信频谱稀缺的重要的补充技术。得益于视距(Line-of-Sight,LoS)链路的特性,VLC相对于传统RF通信具备更好的安全性。但VLC信道仍然具有广播性质,在大型公共场所中VLC链路容易受到非预期或未授权用户的窃听。因此,增强VLC系统的安全性非常重要。与通常建模为平均功率约束的RF系统不同,实际的VLC系统还需要被建模为一定的幅度约束。因此,RF通信物理层安全策略不能直接用于VLC系统。本文基于幅度约束VLC系统信道容量的闭合上下界,研究分析了VLC物理层的安全性能,设计了鲁棒波束形成优化问题,并提出了基于密码技术和真随机数的VLC系统的物理层加密模式。本文的创新点和贡献如下。(1)振幅约束下SOP和ASC的性能分析。首先研究分析了一个合法者和一组基于泊松点过程(Poisson Point Process,PPP)的窃听者模型环境下的室内VLC系统的保密性能,结合合法接收端和窃听端位置的随机性,推导VLC下行链路信噪比的统计特征。然后运用信息论的相关理论,考虑通信系统固有的平均功率约束以及VLC系统环境下的特有的峰值约束,通过仿真比较确定选用的瞬时保密容量的上下限表达式。最后利用随机几何方法导出保密中断概率(Secrecy Outage Probability,SOP)和平均保密容量(Average Secrecy Capacity,ASC)的上下限表达式,并通过仿真验证其正确性。为之后在室内多输入单输出(Multiple-Input Single-Output,MISO)可见光通信系统下的最小化传输功率的鲁棒安全波束形成的设计奠定相应的理论基础和提供优化思路。(2)室内MISO VLC系统的鲁棒波束形成优化。研究了室内MISO可见光通信系统在不完全信道状态信息(Channel State Information,CSI)下鲁棒安全波束形成问题。本文在概率CSI误差模型下针对传输功率最小化的优化问题,使用了被广泛应用的复循环高斯模型来表征信道CSI的不确定性,然后利用Bernstein-type不等式和引入松弛变量,将非凸问题转化为凸问题进行凸优化,并在最后用数值仿真结果验证了所提方法的有效性和鲁棒性。结果表明,在概率CSI误差模型下,找到了一种次优波束形成方案,完成VLC物理层安全优化设计。(3)基于超快真随机源的密钥加密设计。设计了一种基于超快真随机源的VLC物理层密钥加密模式。本文从信息安全理论与密码技术入手,结合VLC信道特征,提出一种基于一次性密码本的VLC物理层加密模式。实现阶段中,设计了一款基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)和布尔网络技术的超快真随机源来生成一次性密码本,并提出一种在IEEE 802.15.7标准下的VLC物理层加密方案,最终设计出VLC物理层密钥加密的完整流程,实现了VLC物理层加密,从而进一步完善了VLC保密通信的理论体系。