基于组合波束的保密可见光无线空间迫零方法

1.本发明涉及保密可见光无线通信方法技术领域，是一种基于组合波束的保密可见光无线空间迫零方法。


背景技术：

2.目前，保密可见光无线技术方案高度集中于布放分布式led光源阵列的室内无线场景。在此类场景中，每个光源阵列作为一个可见光无线接入点。在此类场景的建模分析中，研究人员通常假设光源阵列具备全向空间辐射特性，遵从朗伯空间辐射模型。具体地，加拿大不列颠哥伦比亚大学的ayman mostafa的研究团队在公开发表的文献“physical
‑
layer security for indoor visible light communications”一文中，尝试将空间迫零方案引入到2
×
2组分布式朗伯光源阵列室内场景。必须指出，此类技术方案有显著的技术缺陷。一方面，此类方案仅仅考虑朗伯式的光源阵列配置。必须充分认识到可见光无线技术所涉及固态光源的首要基础性功能是为室内、室外、道路、车辆、隧道等不同场景提供定制化照明。为满足不同的定制照明需求，照明灯具厂商通常需要借助波束图样的二次配光设计。典型的二次配光设计方法包括在初始的固态光源上加装反射杯、自由曲面透镜等二次配光元件。一般来说，经过厂商二次配光的固态光源能够将大部分光功率投射到预设的照明区域，上述定制光源的波束特性通常是非朗伯的，与传统朗伯光波有着截然不同的空间辐射特性。另一方面，此类方案仅仅适用于分布式阵列式可见光无线接入点配置，无法适用于广泛存在的仅具备单一可见光无线接入点的室内场景。为克服上述挑战，本案提出了一类基于商用光源组合波束的可见光无线接入点设计方案，以支持空间迫零方法在多样化室内保密可见光无线覆盖场景的应用。
3.新兴可见光无线技术是在点亮的商用固态光源基础上通过驱动电路加载无线数据信号，固态光源(如led)在直流偏置点亮基础上发出可见光无线信号，从而为用户同时提供照明与无线覆盖。较之于传统rf技术，凭借光波视线传播且无法穿透不透明表面的物理特性，此类可见光无线技术能够展现出更高的安全性表现。在单用户个人房间场景，可认为可见光无线链路是理想安全的。然而，在教室、会议室、图书馆等公共区域，可见光信号的信息安全性无法得到保障。分层的网络架构表明通信网络应该在全部网络层进行安全防护，其中也应该包括物理层安全的防护。因此，面向可见光无线技术的物理层安全技术具备显著的技术潜力。
4.传统基于单一朗伯光源波束的固态商用光源阵列，由于在波束配置上的局限性，在同一用户方位仅能提供近似或相等强度的可见光信号覆盖。因此，必须借助空间分布式光源阵列才能在同一用户位置提供差异化多路光信号重叠覆盖，从而为面向保密可见光通信的空间迫零方法提供所需的链路配置基础。一旦应用场景不具备上述分布式可见光接入点配置基础，进而就无法为同一用户位置提供所需的差异化重叠覆盖，空间迫零方法则无法正常运行，也就无法将窃听用户处的可见光覆盖强制迫零。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种基于组合波束的保密可见光无线空间迫零方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有保密可见光无线空间迫零技术仅能用于配置分布式可见光接入点的应用场景的问题。
6.本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种基于组合波束的保密可见光无线空间迫零方法，包括下述步骤：
7.步骤一，空间分布式可见光无线接入点配置是n
array
个尺寸相同的可见光无线接入点被均匀地分布于室内天花板上，每个可见光无线接入点采用具有相同波束特性的固态光源，所述分布于室内天花板上的固态光源构成光源阵列，并将其作为可见光信号发射器，在所述空间分布式可见光无线接入点布局配置下，不同可见光无线接入点构成差异化波束特性的光源阵列，在上述基于具有差异化波束的分布式可见光无线接入点配置下，同一信号接收平面的不同接收位置处能获得有显著差异的可见光信道增益矢量；
8.在空间分布式可见光无线接入点配置下，根据窃听用户csi构造，构造窃听用户的信道矢量h
eve
，其中，是第i个分布式光源阵列到窃听用户的信道增益，所述信道矢量所对应的n
array
－1个零空间列矢量组合成的零空间矩阵ψ
eve
；
9.空间集中式可见光无线接入点配置是仅有单一的可见光无线接入点被置于室内天花板上，该单一的可见光无线接入点由n
sub_array
个小尺寸的固态光源子阵列构成，每个光源子阵列之间具备差异化波束特性，使不同光源子阵列在信号接收平面上相同接收位置处提供显著差异的可见光信道增益；
10.在空间集中式可见光无线接入点配置下，根据窃听用户csi构造，构造窃听用户的信道矢量h
eve
，其中[
·
]
t
代表矩阵转置运算，是第j个集中式光源子阵列到窃听用户的信道增益，所述信道矢量对应的n
sub_array
－1个零空间列矢量组合成的零空间矩阵ψ
eve
。
[0011]
步骤二，构造上述基于零空间矩阵ψ
eve
的空间置零权值矩阵w
null
，w
null
＝sψ
eve
ψ
teve
h
eve
，其中，ψ
teve
为ψ
eve
的转置矩阵，s为空间置零权值矩阵的缩放系数；
[0012]
步骤三，在上述空间分布式或集中式可见光无线接入点配置下，目标用户所捕获的信号为可见光接入点光源的光源阵列或光源子阵列加载的经过w
null
加权的信号，
[0013]
y
bob
＝a
mod_ind
×
p
dc
×
h
bob
×
w
null
×
d+z
bob
，
[0014]
其中，y
bob
是目标用户所捕获的信号，a
mod_ind
是可见光接入点光源的调制指数，p
dc
是可见光接入点光源的直流偏置，d是加在到可见光发射器上的原始数据，z
bob
是目标用户所捕获的噪声，目标用户的接收信噪比表示为：
[0015]
snr
bob
＝[a
2mod_ind
(p
dc
)2(h
bob
)
t
w
null
(w
null
)
t
h
bob
]/σ2；其中，σ2代表噪声方差；
[0016]
在上述空间分布式或集中式可见光无线接入点配置下，这样一来，窃听用户所捕获的信号为可见光接入点光源的光源阵列或光源子阵列加载的经过w
null
加权的信号，
[0017]
y
eve
＝a
mod_ind
×
p
dc
×
h
eve
×
w
null
×
d+z
eve
[0018]
＝a
mod_ind
×
p
dc
×0×
d+z
eve
＝z
eve
，
[0019]
其中，y
eve
是窃听用户捕获的信号，a
mod_ind
是可见光接入点光源的调制指数，p
dc
是可见光接入点光源的直流偏置，d是加在到可见光发射器上的原始数据，z
eve
是窃听用户所
捕获的噪声，窃听用户的接收信噪比可以表示为：snr
eve
＝0/σ2＝0，因此，窃听用户的接收信号被充分抑制，从而实现了目标用户的保密可见光通信。
[0020]
本发明所述基于组合波束的保密可见光无线空间迫零方法将商用光源组合波束、多样接入点几何结构以及窃听接收信号空间迫零引入到可见光通信物理层安全技术中，综合考虑了商用固态光源波束的多样性、复杂性以及定向性，适用于多种应用场景，其既能兼容分布式接入点配置，也能用于单接入点可见光通信物理层应用场景，具备高度的配置灵活性和广泛适用性。
附图说明
[0021]
附图1为本发明所述基于组合波束的保密可见光无线空间迫零方法的流程图。
[0022]
附图2为空间分布式可见光无线接入点(平面式几何结构)的示意图。
[0023]
附图3为空间分布式可见光无线接入点(球面式几何结构)的示意图。
[0024]
附图4为空间分布式可见光无线接入点(共形式几何结构)的示意图。
[0025]
附图5为空间集中式可见光无线接入点(平面式几何结构)的示意图。
[0026]
附图6为空间集中式可见光无线接入点(共形式几何结构)的示意图。
[0027]
附图7为空间集中式可见光无线接入点(共形式几何结构)的示意图。
[0028]
附图中的编码分别为：1为朗伯波束，2为非朗伯波束，3为窃听用户，4为目标用户，5为迫零数据流，6为数据流。
具体实施方式
[0029]
本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
[0030]
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
[0031]
实施例1：如附图1所示，基于组合波束的保密可见光无线空间迫零方法，包括下述步骤：
[0032]
步骤一，如附图2至4所示，空间分布式可见光无线接入点配置是n
array
个尺寸相同的可见光无线接入点被均匀地分布于室内天花板上，每个可见光无线接入点采用具有相同波束特性的固态光源(如led光源)，所述分布于天花板上的led光源构成光源阵列，并将其作为可见光信号发射器，在所述空间分布式可见光无线接入点布局配置下，不同可见光无线接入点构成差异化波束特性的光源阵列，在上述基于具有差异化波束的分布式可见光无线接入点配置下，同一信号接收平面的不同接收位置处能获得有显著差异的可见光信道增益矢量(矢量的长度是n)；
[0033]
上述可见光信道增益矢量的差异程度受到两方面因素的影响：(1)各个空间分布式可见光无线接入点到不同接收位置的链路长度差异；(2)各个空间分布式可见光无线接入点到不同接收位置的辐射强度差异。
[0034]
在空间分布式可见光无线接入点配置下，根据窃听用户csi构造，构造窃听用户的信道矢量h
eve
，其中，是第i个分布式光源阵列到窃听用户的信道增益，所述信道矢量所对应的n
array
－1个零空间列矢量(矢量尺寸为1
×
n
array
)
组合成尺寸为n
array
×
(n
array
－1)的零空间矩阵ψ
eve；
[0035]
如附图5至7所示，空间集中式可见光无线接入点配置是仅有单一的可见光无线接入点被置于天花板上(典型位置为天花板的中心位置处)，该集中式可见光无线接入点由n
sub_array
个小尺寸的固态光源(如led光源)子阵列构成，根据所需几何结构需求封装而成，每个光源子阵列之间具备差异化波束特性，使不同光源子阵列在信号接收平面上相同接收位置处提供显著差异的可见光信道增益；
[0036]
在空间集中式可见光无线接入点配置下，根据窃听用户csi构造，构造窃听用户的信道矢量h
eve
，其中[
·
]
t
代表矩阵转置运算，是第j个集中式光源子阵列到窃听用户的信道增益，所述信道矢量对应的n
sub_array
－1个零空间列矢量(矢量尺寸为1
×
n
sub_array
)组合成尺寸为n
sub_array
×
(n
sub_array
－1)的零空间矩阵ψ
eve
。
[0037]
步骤二，构造上述基于零空间矩阵ψ
eve
的空间置零权值矩阵w
null
，w
null
＝sψ
eve
ψ
teve
h
eve
，其中，ψ
teve
为ψ
eve
的转置矩阵，s为空间置零权值矩阵的缩放系数，通过调整s的取值，从而使矩阵w
null
的各个元素的绝对幅度值不大于1；
[0038]
步骤三，在上述空间分布式或集中式可见光无线接入点配置下，目标用户所捕获的信号为可见光接入点光源的光源阵列或光源子阵列加载的经过w
null
加权的信号，表示为：y
bob
＝a
mod_ind
×
p
dc
×
h
bob
×
w
null
×
d+z
bob
；其中，y
bob
是目标用户所捕获的信号，a
mod_ind
是可见光接入点光源的调制指数，p
dc
是可见光接入点光源的直流偏置，d是加在到可见光发射器上的原始数据，z
bob
是目标用户所捕获的噪声，这样一来，目标用户的接收信噪比可以表示为：
[0039]
snr
bob
＝[a
2mod_ind
(p
dc
)2(h
bob
)
t
w
null
(w
null
)
t
h
bob
]/σ2；其中，σ2代表噪声方差；
[0040]
在上述空间分布式或集中式可见光无线接入点配置下，这样一来，窃听用户所捕获的信号为可见光接入点光源的光源阵列或光源子阵列加载的经过w
null
加权的信号，表示为：
[0041]
y
eve
＝a
mod_ind
×
p
dc
×
h
eve
×
w
null
×
d+z
eve
[0042]
＝a
mod_ind
×
p
dc
×0×
d+z
eve
＝z
eve
，
[0043]
其中，y
eve
是窃听用户捕获的信号，a
mod_ind
是可见光接入点光源的调制指数，p
dc
是可见光接入点光源的直流偏置，d是加在到可见光发射器上的原始数据，z
eve
是窃听用户所捕获的噪声，这样一来，窃听用户的接收信噪比可以表示为：snr
eve
＝0/σ2＝0，因此，窃听用户的接收信号被充分抑制，从而实现了目标用户的保密可见光通信。
[0044]
上述场景中，可见光无线接入点的目标是将保密的数据(即相应数据流6)发送给目标用户4，通过利用窃听用户3的信道状态信息(csi)来迫使窃听用户信号水平置零，即窃听用户接收迫零数据流5。
[0045]
不同于现有单一朗伯光源阵列，本发明所提出的具备朗伯及多种差异化非朗伯光源波束的光源阵列(空间集中式可见光无线接入点配置)，发出的光波束形成组合波束((如图5至7中的朗伯波束1和非朗伯波束2组合)，借助差异化波束特性可以在同一用户位置差异化多路光信号重叠覆盖。此类覆盖的差异性天然来自于波束间空间辐射特性的差异性，无需依赖空间分布式接入点配置，因而克服了传统保密可见光通信空间迫零方法的局限
性。并且本发明既能兼容分布式接入点配置，也能适用于单接入点(空间集中式可见光无线接入点配置)可见光通信物理层应用场景，具备高度的配置灵活性和广泛适用性。
[0046]
本发明所述空间迫零方法可以适用于保密可见光(以及无线光)通信、保密可见光(以及无线光)定位、保密可见光(以及无线光)传感等，重点支持空间集中式、空间分布式可见光无线接入配置，支持平面式、球面式、共形式接入点几何结构(见图2至7)。
[0047]
本发明将商用光源组合波束、多样接入点几何结构、以及窃听接收信号空间迫零引入到可见光通信物理层安全的技术方案，综合考虑了商用固态光源波束的多样性、复杂性以及定向性；兼顾考虑了单接入点室内可见光无线应用场景的现实需求。
[0048]
作为候选的可见光通信物理层安全增强技术方法，提出了基于组合波束的保密可见光空间迫零的技术方案，本发明具有诸多方面的优势，主要包括：(1)能适用于基于非朗伯商用固态光源的保密可见光通信应用场景；(2)能适用于基于非朗伯商用固态光源的保密可见光定位应用场景；(3)能适用于基于非朗伯商用固态光源的保密可见光传感应用场景；(4)能适用于仅具备单一固态光源接入点或接入点数量受限的可见光无线应用场景；(5)能适用于对光源接入点的几何结构有定制化需求的应用场景；(6)能适用于天花板上可见光接入点位置资源受限的应用场景等。
[0049]
以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。