基于波束成形的可见光安全传输技术研究

Visible light communications (VLC) is one of the greatest promising directions for indoor coverage in the fifth generation mobile communications. In recent years, the research focus of the VLC is changing from point-to-point communication to network construction. Network security is of extreme importance to build the VLC networks. For future wireless communications, the conventional network security mechanisms face great challenges, and the physical-layer security (PLS) techniques have drawn much attention. Up to now, the PLS techniques for the VLC have not been systematically investigated...This project focuses on the indoor VLC networks, and systematically investigates three key PLS problems, i.e., secrecy capacity analysis, optimal beamforming design and robust beamforming design. These problems will be jointly investigated by theoretical analysis, computer simulation and experimental verification...According to the characteristics of indoor VLC networks, this project will extract the key parameters in channel transmission, and then establish the channel model. Based on the Shannon information theory and the optimization theory, the theoretical expressions of the secrecy capacity bounds will be derived, and the performance gap between the upper and lower bounds on the secrecy capacity will be analyzed. Under the perfect channel state information (CSI), the optimal beamforming scheme will be designed based on the derived secrecy capacity bounds. Considering the imperfect CSI, the robust beamforming scheme will be proposed. A test bed will also be developed to verify the derived research achievements in this project.

可见光通信（VLC）是第五代移动通信室内覆盖最具发展前景的方向之一。近年来，VLC的研究重点逐渐从点对点通信转向组网方面。网络安全对于构建VLC网络极为重要。在未来无线通信中，传统网络安全机制的安全性受到极大挑战，物理层安全技术引起了广泛关注。迄今，VLC网络的物理层安全技术还未得到系统地研究。..本项目以室内VLC网络为研究对象，采用理论分析、计算机仿真和实验验证相结合的研究方法，系统地研究VLC网络的保密容量、最优波束成形设计和鲁棒波束成形设计三个关键物理层安全问题。..根据室内VLC网络的特点，本项目将提炼信道传输特性的关键参数，建立信道模型；基于香农信息论和最优化理论，推导保密容量界的理论表达式，并分析容量界之间的误差；在完美的信道状态信息下，基于安全容量表达式，设计最优的波束成形方案；考虑非完美的信道状态信息，提出鲁棒的波束成形方案。本项目还将搭建实验平台，评估所取得的研究成果。

可见光通信（VLC）是未来室内无线通信最具发展前景的方向之一。在未来室内VLC网络中，用户数据的私有性和保密性将变得格外重要。由于VLC具有广播特性，在为信息传递提供便利的同时，也为恶意用户窃听信息提供了可乘之机，这给合法用户的数据传输造成了潜在的安全隐患。鉴于此，本项目主要对VLC网络中的物理层安全问题进行了深入地研究。. 本项目的主要研究成果有：(1). 在依赖于信号的噪声条件下，分析了可见光通信信道容量上下界的闭合表达式，并进行了渐近性分析，对保密容量的研究提供了理论依据。(2). 在有峰值约束和无峰值约束场景下，分别分析了最优的输入信号分布，推导了保密容量上下界的闭合表达式，并且进行了渐近性分析。此外，考虑了安全区域，对发射机和合法用户的放置提供指导。(3). 针对基于空间调制的可见光通信，分析了保密速率上下界的闭合表达式，并进行了渐近性分析。针对空间调制的天线选择，提出了信道自适应选择算法和贪婪选择算法，提高了系统的保密性能。(4). 在接收机位置随机和无线携能条件下，推导了保密中断概率和平均保密容量的闭合表达式；并提出了基于保护区的性能提升方案。(5). 针对由发射器，合法接收器，窃听器和几个友好干扰器组成的可见光通信网络，利用椭圆近似法考虑了不完美信道状态信息，分析了保密速率，并提出基于保密速率最大化的安全波束成形策略。(6). 搭建了可见光通信语音导览装置、基于数据传输和环境感知的智能可见光通信装置、基于倾斜接收机的可见光定位装置等硬件实验平台，对所得结果进行了验证。. 本项目的研究可以进一步推动VLC的实用化进程，并为实际网络的设计提供一定的参考。