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面向可见光通信的中继辅助安全广播：分析与框架

分析利用协作中继、波束成形和幅度受限信号处理的VLC广播信道物理层安全方案。
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1. 内容结构与分析

1.1. 目录

2. 引言与概述

本工作旨在解决可见光通信系统中广播通信安全这一关键挑战。VLC利用LED灯具进行数据传输，是室内高速网络的一种有前景的解决方案，但其固有的广播特性使其容易受到窃听。本文提出了一种新颖的框架，在单输入单输出的广播场景下，针对两个合法用户，采用多个可信的、协作的半双工中继节点来增强物理层安全，以对抗外部窃听者。

核心创新在于将三种经典的中继策略——协作干扰、解码转发和放大转发——与中继节点上精心设计的安全波束成形技术相结合。所有传输都受到幅度约束，以符合LED的动态范围，并采用均匀信号处理的叠加编码。分析推导了可达的安全速率区域，并证明了中继辅助方案相对于直接传输的优越性，其性能在很大程度上取决于窃听者的位置、中继数量以及网络几何布局。

3. 系统模型与问题描述

3.1. 信道模型与假设

系统包含一个发射灯具、两个合法接收器、一个外部窃听者以及N个可信的中继灯具。所有节点均配备单个灯具（多个LED）或单个光电探测器，构成每个链路上的SISO系统。VLC信道建模考虑了视距和漫反射分量。中继以半双工模式工作。一个关键假设是已知所有涉及合法节点的链路的信道状态信息；窃听者的信道可能部分已知或未知，这会影响波束成形设计。

3.2. 幅度约束与信号处理

发射信号受幅度约束，即 $X \in [-A, A]$，以确保LED在其线性动态范围内工作并满足照明要求。对于叠加编码，输入分布在此区间内是均匀的。用户 $k$ 相对于窃听者的安全速率定义为 $R_{s,k} = [I(X; Y_k) - I(X; Z)]^+$，其中 $I(\cdot;\cdot)$ 是互信息，$Y_k$ 是合法接收器 $k$ 处的信号，$Z$ 是窃听者处的信号。目标是刻画同时可达的 $(R_{s,1}, R_{s,2})$ 区域。

4. 所提出的中继方案

4.1. 协作干扰

中继发射人工噪声（干扰信号），旨在恶化窃听者的信道，同时对合法接收器造成最小干扰。这是通过零陷波束成形实现的，即将干扰信号投影到合法信道的零空间，或通过优化波束成形向量以最大化安全速率。

4.2. 解码转发

中继对源消息进行解码，并在转发前重新编码。此方案要求中继到窃听者的链路弱于中继到合法用户的链路，以防止信息泄露。通过利用中继控制转发信号结构的能力来实现安全性。

4.3. 放大转发

中继仅放大并转发接收到的信号，无需解码。虽然更简单，但也会放大噪声。在此方案中，安全波束成形至关重要，它需要对放大信号进行加权，使其对合法接收器的益处大于对窃听者的益处。

4.4. 安全波束成形设计

对于所有方案，中继 $i$ 处的波束成形向量 $\mathbf{w}_i$ 旨在解决以下形式的优化问题： $\max_{\mathbf{w}} \min_{k} (\text{SNR}_{R_k}) - \text{SNR}_{Eve}$，约束条件为 $||\mathbf{w}|| \leq P_{relay}$ 和幅度约束。这种最大最小公平方法旨在提升最差的合法链路，同时抑制窃听者的链路。

5. 可达安全速率区域

本文推导了每种方案在幅度约束下安全容量区域的内部边界（可达区域）。对于DF，该区域基于带有保密消息和协作中继的广播信道。对于CJ和AF，这些区域涉及复杂的表达式，结合了中继操作的广播和多址接入阶段的互信息项。一个关键发现是，这些区域严格大于直接传输的区域，证实了中继的价值。

6. 实验结果与性能评估

通过数值模拟推导出的安全速率区域来评估性能。呈现的关键观察结果（从摘要和引言推断）：

7. 核心见解与总结

8. 原创分析：核心见解与评述

核心见解： 本文最重要的贡献不仅仅是将在射频领域衍生的中继技术应用于VLC，而是在VLC独特的、不可忽视的幅度约束下，严谨地重新表述了整个物理层安全问题。它超越了将VLC视为“带光的射频”的类比。该工作正确地指出，最优的安全策略是由一群简单中继节点介导的、由几何布局决定的信号增强与定向干扰的混合体。这与网络安全从单一加密转向分布式物理层信任架构的更广泛趋势相一致，正如Bloch等人在射频协作干扰研究中所见。

逻辑流程： 逻辑是合理的：1) 定义VLC特有的约束信道模型，2) 适配三种经典中继协议，3) 集成波束成形以利用空间自由度，4) 推导可达速率区域作为性能指标，5) 通过仿真验证显示依赖于几何布局的优越性。从问题定义到解决方案和验证的流程经典且有效。

优势与不足： 一个主要优势是全面考虑了实际约束（幅度限制、半双工中继）与信息论安全。跨多种方案的比较框架很有价值。然而，分析也存在明显不足。首先，它严重依赖于可信中继的假设——这是一个重大的部署障碍。其次，对窃听者信道的CSI假设通常不切实际；更稳健的设计应考虑最坏情况或统计CSI。第三，评估似乎主要是数值的；现实世界中的VLC信道损伤，如多径色散、移动性和环境光噪声，并未深入整合到安全速率推导中，可能夸大了增益。

可操作的见解： 对于从业者，本文提供了一个清晰的蓝图：部署低成本、可信的中继灯具密集网络是实现VLC安全的一条可行路径。关键在于智能、自适应的控制软件，能够：1) 估计节点位置，2) 基于估计的威胁位置实时选择最优中继方案，3) 计算相应的安全波束成形向量。这指向了“认知安全VLC网络”的未来。研究人员应专注于放宽可信中继和完美CSI的假设，或许可以利用基于区块链的中继信任机制，或开发在信道不确定性下有效的人工噪声技术。

9. 技术细节与数学框架

核心数学问题涉及在幅度约束 $X \in [-A, A]$ 下最大化安全速率区域。对于带有窃听者的点对点链路，在此约束下的安全容量 $C_s$ 没有闭式解，但可以给出下界。对于均匀输入分布，互信息为 $I_{unif}(A; h, \sigma^2)$，其中 $h$ 是信道增益，$\sigma^2$ 是噪声方差。

对于具有单个中继的CJ方案，中继处的发射信号是干扰信号 $J$。接收信号为： $Y_k = h_{t,k}X + h_{r,k}J + n_k$，$Z = h_{t,e}X + h_{r,e}J + n_e$。 针对 $J$ 的波束成形设计旨在使 $|h_{r,e}|$ 大而 $|h_{r,k}|$ 小，形式化为： $\max_{J} \ \min_{k} I(X; Y_k|J) - I(X; Z|J)$，约束条件为 $E[J^2] \leq P_J$ 且 $J \in [-A_J, A_J]$。

DF广播中继信道的可达区域建立在Liang等人关于带保密消息的广播信道的工作基础上，并结合了中继解码的消息和幅度约束。

10. 分析框架：示例案例研究

场景： 一个10米 x 10米的办公室。发射端位于天花板中央。两个合法用户分别位于办公桌处（坐标(2,2)和(8,8)）。一个窃听者疑似在窗户附近(10,5)。四个中继灯具安装在天花板角落。

分析步骤： 1. 信道估计： 使用VLC信道模型（例如朗伯模型）估计所有发射端/中继到用户/窃听者链路的直流增益 $h$。 2. 威胁评估： 计算直接传输的潜在窃听速率：$R_{eve,dir} = I(X; Z_{dir})$。 3. 方案仿真： - CJ： 为四个中继设计波束成形向量，以创建在窃听者位置((10,5))处强、但在U1和U2位置处为零陷/最小值的干扰模式。求解相应的 $\mathbf{w}$ 优化问题。 - DF/AF： 评估中继-窃听者链路是否弱于中继-用户链路。如果是，则DF/AF可能可行。 4. 性能比较： 在总功率预算下，计算直接传输、CJ、DF和AF的可达安全速率对 $(R_{s,1}, R_{s,2})$。 5. 选择： 绘制安全速率区域。在此几何布局中，窃听者靠近房间边缘，可能远离中央发射端，但可能在角落中继的范围内。CJ很可能胜出，因为中继可以有效干扰窃听者，而不会严重损害位于中央的合法用户。最优波束成形解决方案可能会将干扰能量导向窗户区域。

11. 未来应用与研究展望

12. 参考文献

  1. A. Arafa, E. Panayirci, and H. V. Poor, "Relay-Aided Secure Broadcasting for Visible Light Communications," arXiv:1809.03479v2 [cs.IT], Jan. 2019.
  2. M. Bloch, J. Barros, M. R. D. Rodrigues, and S. W. McLaughlin, "Wireless Information-Theoretic Security," Foundations and Trends® in Communications and Information Theory, vol. 4, no. 4–5, pp. 265–515, 2008.
  3. L. Yin and W. O. Popoola, "Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB®," CRC Press, 2019. （关于VLC信道模型）
  4. Z. Ding, M. Peng, and H. V. Poor, "Cooperative Non-Orthogonal Multiple Access in 5G Systems," IEEE Communications Letters, vol. 19, no. 8, pp. 1462–1465, Aug. 2015. （关于现代中继概念）
  5. Y. S. Shiu, S. Y. Chang, H. C. Wu, S. C. Huang, and H. H. Chen, "Physical layer security in wireless networks: a tutorial," IEEE Wireless Communications, vol. 18, no. 2, pp. 66-74, April 2011.
  6. PureLiFi. "What is LiFi?" [在线]. 可访问：https://purelifi.com/what-is-lifi/
  7. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks–Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light, IEEE Std 802.15.7-2018, 2018.