可见光通信隐蔽性能限分析及性能提升策略研究.pdf

摘要

作为一种新兴的无线通信方式，可见光通信（VisibleLightCommunications,VLC）技术

由于丰富的频谱资源、成本低、无需许可证、不受电磁干扰等优势，被认为是目前最具有发

展前景的技术之一。由于光线无法穿透墙壁，故VLC具有高安全性。但当系统部署在大型公

共场所或者存在室内监视者的情况下，就很容易出现VLC链路被窃听的情况。作为提高无线

网络安全性能的一种有效解决方案，隐蔽通信在射频领域得到了广泛研究。然而，由于VLC

与传统射频通信存在显著差异，基于射频系统的隐蔽通信技术无法直接应用在VLC系统中。

因此，本文研究面向VLC的隐蔽传输技术，以进一步提高VLC网络的安全性。

首先，本文考虑包含一个发射机、一个合法接收机和一个监视者的三节点室内VLC系统，

在考虑非负性约束、平均光功率约束和隐蔽性约束下，利用熵幂不等式和变分法推导出输入

信号的最优分布为指数分布，并得到满足系统隐蔽性条件下的发射机允许设置的平均光功率

的最大值。在最优输入分布下，得到了合法接收机可以隐蔽接收信息比特数的上界，当信道

使用次数趋于无穷时，渐近分析表明该上界趋于一个定值。因此，隐蔽VLC的基本性能限不

再服从射频隐蔽通信中的平方根法则。

其次，由于发光二极管（LightEmittingDiode,LED）发光能力的限制，实际VLC系统中

发射机LED的光强存在峰值。因此，本文进一步考虑峰值光强对隐蔽VLC系统的影响，并

对加入额外峰值光强约束后的隐蔽VLC系统的性能限进行分析。本文推导出加入峰值光强约

束后，输入信号的最优分布不再是指数分布，具体地，当调光目标为0.5时，最优分布为均

匀分布，当调光目标不为0.5时，最优分布为截断指数分布。在这两种不同的分布下，分别

推导了在满足隐蔽性条件下发射机可以设置的峰值光强的最大值和合法接收机可以隐蔽接收

的信息比特数的上界。当信道使用次数趋于无穷时，渐近结果表明隐蔽VLC的性能极限趋于

一个与调光目标有关的定值。

最后，本文提出了基于干扰节点协助下的隐蔽VLC性能提升策略。在含有一个发射机、

一个合法接收机和一个监视者的三节点网络下，根据纽曼-皮尔逊准则对监视者的最优检测方

式进行了分析，推导出监测者的检测错误概率的具体表达式，并表明当信道使用次数趋于无

穷时，信息传输速率趋于零。为了打破零速率的限制，本文加入一个人工干扰机，并推导出

干扰机发送干扰时的最小检测错误概率。在满足隐蔽性约束条件下，得到发射机发送光功率

的上界和系统平均信息传输速率上下界，结果表明当信道使用次数趋于无穷时，平均信息传

输速率是一个不恒等于零的正值，从而打破了零速率的限制，实现了正速率的隐蔽信息传输。

关键词:可见光通信，隐蔽通信，最优输入分布，基本性能限，人工干扰

Abstract

Visiblelightcommunication(VLC),asanewwirelesscommunicationtechnology,isconsidered

asoneofthemostpromisingtechnologiesduetoitsadvantagessuchasrichfrequencyspectrum

resource,lowcost,license-free,andfreefromelectro-magneticinterference.VLCissecurebecause

lightcannotpenetratewalls.However,theVLClinkiseasilytobemonitoredbyeavesdroppers

whenthesystemisdeployedinlarge-scalepublicplacesorinthepresenceofindooreavesdroppers.

Covertwirelesscommunication,asaneffectivewaytoimprovethesecurityofwirelessnetworks,

hasbeenproposed.However,dueto