[发明专利]一种确定及对抗室内可见光通信不安全区的方法

说明书

本发明公开了一种确定室内可见光通信不安全区的方法，针对由发射机、合法用户和窃听用户构成的室内可见光通信网，以发射机在接收平面的投影点为圆心，以该投影点到合法用户的距离为半径的圆盘来确定不安全区。当窃听用户位于该不安全区时，将无法保证信息的安全传输。鉴于此，本发明公开了一种对抗不安全区的方法，可以消除或者尽可能地缩小不安全区，从而保证信息尽可能安全的传输。

技术领域

本发明涉及室内可见光通信物理层安全技术领域，尤其涉及一种确定及对抗可见光通信不安全区的方法。

背景技术

可见光通信(Visible Light Communications,VLC)是在发光二极管(LightEmitting Diode，LED)等技术上发展起来的一种新型、短距离、高速的无线通信技术。它以LED作为光源，通过发出肉眼察觉不到的、高速明暗闪烁的可见光信号来传输信息，在接收端利用光电二极管(Photodiode,PD)完成光电转换，然后进行电信号的接收、再生、解调实现信息的传递。

从1999年被提出至今，VLC取得了快速的发展。目前，VLC的研究重点正逐渐从链路级通信转向组网方面。在未来室内VLC网络场景下，用户数据的私有性和保密性将变得格外重要。VLC虽然具有视距传播特性，但仍具有广播特性，这种广播特性在为数据传输提供便利的同时，也为窃听用户接入网络和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。

从信息论角度看，最早解决无线通信网络安全问题的是基于计算量的加密技术，主要包括通信信息加密、密钥管理、安全通信协议等。然而这类技术都是从协议栈的上层通过接入控制、密码保护和端到端加密等解决网络安全问题，其安全性是建立在窃听用户计算能力有限的基础之上，目前其安全性面临诸多问题。一方面，由于无线网络中用户的移动性和资源的有限性，传统加密算法、密钥分发和管理将变得异常复杂。另一方面，随着高性能计算的飞速发展，尤其是量子计算机的出现，基于计算量的加密机制的安全性受到挑战，容易造成安全信息的泄露。因此，传统基于计算量的加密技术已经无法满足未来通信的安全需求，国内外学者开始寻求新的网络安全技术。

在网络安全技术发展的过程中，协议栈中的物理层却一直被忽视。物理层作为协议栈的最底层，是整个网络的基础。如何充分利用无线信道的传输特性，把看似不利的因素转变为有利于提升通信网络安全性能的因素，成为近年来无线通信技术发展的一个重要方向。在这种背景下，物理层安全逐渐受到广泛关注。

在传统无线射频通信网络的物理层安全研究中，由于无线射频信号在无线信道传输具有广播特性，整个无线网络范围都是潜在的不安全区，也即窃听用户不论处于网络的哪个位置，都有可能窃听到信息。因此在传统无线射频通信网络中，无法直接确定不安全区。与传统无线射频通信不同，VLC的信道增益服从朗伯辐射模型，具有视距传播特性，这种信道特性为确定VLC的不安全区域提供了可能。针对VLC的物理层安全，本发明将提供一种确定VLC不安全区的方法，并提供一种对抗不安全区的方案，以尽可能高地提升网络的保密性能。

发明内容

针对室内VLC网络，本发明提供了一种确定及对抗VLC不安全区的方法。基于物理层安全中的保密容量分析，本发明确定了保密通信的不安全区。当窃听者位于不安全区时，将无法保证信息的安全传输；然后，在确定不安全区的基础上，采用相关算法来消除或者尽可能地缩小不安全区。

本发明公开了一种确定室内可见光通信不安全区的方法，基于物理层安全中的保密容量分析，保密容量C_s定义为：

其中，I(·；·)表示互信息，f_X(x)表示输入信号的概率密度函数；

在不安全区内，可见光通信的保密容量为零，信息无法安全传输；在不安全区外，可见光通信的保密容量为正，信息可安全传输。