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专利号: 2020104108241
申请人: 桂林电子科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-14
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种面向移动用户的可见光通信安全增强方法,其特征在于,包括如下步骤:

1)假设可见光通信系统中含有一个LED发射端Alice,一个移动状态的合法接收机Bob,一个被动窃听方Eve,设Bob和Alice的光电探测器数目为1;

2)搭建包含步骤1)中可见光通信系统设备的室内可见光通信信道模型,即VLC模型,模型光照小区形状为圆形,接收机Bob在小区内随机移动;

3)圆形光照小区内部设置一个圆形保护域λ,保护域与光照小区互为同心圆,被动窃听方Eve在圆形保护域λ外服从随机均匀分布;

4)基于步骤2)、步骤3)建立和设置模型,假设Alice和Bob之间的距离为随机变量且Bob的接收角为90°,分析可见光信道的直流增益表达式,得到Bob和Eve的瞬时接收信噪比的概率密度函数表达式;

5)根据步骤4)得到的Bob和Eve的瞬时接收信噪比的概率密度函数表达式,计算Bob的安全中断概率,绘制出安全性能随保护域半径变化的曲线;

步骤4)中,所述的Bob和Eve的瞬时接收信噪比的概率密度函数表达式,获取过程如下:

4‑1)将室内的光照模型建模成朗伯辐射体,包括视距传输成分,可见光信道的直流增益为:

其中L为LED发射机的安装高度,dk为收发机之间的欧式距离,朗伯系数m=‑ln2/ln[cos(Φ1/2)],Φ1/2表示LED的半功率发射半角,Ar表示光电二极管的物理大小,φ表示LED的发光角度, 表示接收面法线与接收面之间的夹角,其中 ψ1/2表示光电二极管的半接收角,Ts表示光带通滤波器的增益,非成像聚焦器的增益为其中n表示光电二极管的折射系数,rect(·|·)表示矩形函数;

4‑2)对公式(2)进行常数项合并以及化简,则可见光通信下行信道的直流增益表示为:上述公式(3)中,常数 常数

4‑3)假设Bob的运动服从随机路点模型,设停留时间tpause=0,Bob的稳态距离分布公式为:

上述公式(4)中,r为Bob的运动半径,R为光小区的半径;已知VLC系统中瞬时信噪比的表达式为:

其中,μ为平均信噪比, γ为光电探测器的响应率,P为LED发射功率,N0为加性高斯白噪声功率谱密度,B为噪声基带带宽;

把公式(3)、(4)和(5)进行变量替换并整理,则Bob的瞬时信噪比SB的概率密度统计公式为:

上述公式(6)中,M为常数,

同理得到Eve的瞬时信噪比SE的概率密度统计公式为:步骤5)中,所述的Bob的安全中断概率,是将VLC系统的安全中断概率定义为瞬时安全容量低于理论安全速率阈值时,通信发生中断,这一事件所发生的概率称为安全中断概率,则可见光通信系统的安全中断概率定义式为:其中Rth为理论安全速率;为了简化计算,将上式求下界值,即:将步骤4)的公式(6)和公式(7)代入公式(9)中,可得Bob的安全中断概率函数表达式如下:

其中,

2.根据权利要求1所述的一种面向移动用户的可见光通信安全增强方法,其特征在于,步骤1)中,所述的LED发射端Alice、接收机Bob和被动窃听方Eve均设有光电探测器PD,且Bob与Eve位于同一高度水平面上,接收机Bob的接收方向角为常数,接收机Bob接收的信号表达式为:

yk=hkx+nk                        (1)上述公式(1)中,k∈[Bob,Eve],hk表示信道直流增益,x表示传输数据信号,nk表示加性高斯白噪声,服从均匀为零且方差为 的高斯分布。

3.根据权利要求1所述的一种面向移动用户的可见光通信安全增强方法,其特征在于,步骤2)中,所述的VLC模型,是将Alice安装在高度为L的天花板上,Alice在地面上的映射点位于光照小区圆 的圆心处,圆 的半径为R,在光照下的接收水平面上建立一个极坐标系(rk,θk),其中rk表示接收机k到小区圆心的距离,θk表示接收机k与极轴正方向的夹角。

4.根据权利要求1所述的一种面向移动用户的可见光通信安全增强方法,其特征在于,步骤3)中,所述的圆形保护域λ的半径为RP,圆 和圆形保护域λ互为同心圆,且RP≤R;被动窃听者Eve在保护域外随机均匀分布,其分布半径为rE>RP,且规定Eve无法进入保护域内,Bob可在小区内随机移动。