可見光通訊中繼輔助安全廣播：分析與框架

1. 內容結構與分析

1.1. 目錄

• 2. 引言與概述
• 3. 系統模型與問題表述
• 3.1. 通道模型與假設
• 3.2. 幅度限制與信令
• 4. 提議嘅中繼方案
• 4.1. 協作干擾 (CJ)
• 4.2. 解碼轉發 (DF)
• 4.3. 放大轉發 (AF)
• 4.4. 安全波束成形設計
• 5. 可達嘅保密速率區域
• 6. 實驗結果與性能評估
• 7. 關鍵見解與總結
• 8. 原創分析：核心見解與評論
• 9. 技術細節與數學框架
• 10. 分析框架：示例案例研究
• 11. 未來應用與研究方向
• 12. 參考文獻

2. 引言與概述

呢項工作應對咗可見光通訊 (VLC) 系統中確保廣播通訊安全嘅關鍵挑戰。VLC 利用 LED 燈具進行數據傳輸，係室內高速網絡嘅一個有前景嘅解決方案，但本質上具有廣播特性，容易受到竊聽。本文提出一個新穎框架，喺單輸入單輸出 (SISO) 廣播設定中，採用多個可信嘅協作半雙工中繼節點，以增強對抗外部竊聽者嘅物理層安全性。

核心創新在於將三種經典中繼策略——協作干擾 (CJ)、解碼轉發 (DF) 同放大轉發 (AF)——與精心設計嘅中繼安全波束成形相結合。所有傳輸都受到幅度限制，以符合 LED 嘅動態範圍，並使用均勻信令嘅疊加編碼。分析推導出可達嘅保密速率區域，並證明咗中繼輔助方案優於直接傳輸，其性能高度依賴於竊聽者嘅位置、中繼數量同網絡幾何結構。

3. 系統模型與問題表述

3.1. 通道模型與假設

系統包括一個發射燈具 (Tx)、兩個合法接收器 (R₁, R₂)、一個外部竊聽者 (Eve) 同 N 個可信中繼燈具。所有節點都配備單個燈具（多個 LED）或單個光電探測器，令每個鏈路成為 SISO 系統。VLC 通道模型考慮咗視距 (LoS) 同漫射分量。中繼以半雙工模式運行。一個關鍵假設係知曉所有涉及合法節點鏈路嘅通道狀態信息 (CSI)；竊聽者嘅通道可能部分已知或未知，呢點會影響波束成形設計。

3.2. 幅度限制與信令

發射信號受到幅度限制，即 $X \in [-A, A]$，以確保 LED 喺其線性動態範圍內運行並滿足照明要求。為咗疊加編碼，輸入分佈喺呢個區間內係均勻嘅。用戶 $k$ 對抗竊聽者嘅保密速率定義為 $R_{s,k} = [I(X; Y_k) - I(X; Z)]^+$，其中 $I(\cdot;\cdot)$ 係互信息，$Y_k$ 係合法接收器 $k$ 嘅信號，$Z$ 係竊聽者嘅信號。目標係描述同時可達嘅 $(R_{s,1}, R_{s,2})$ 區域。

4. 提議嘅中繼方案

4.1. 協作干擾 (CJ)

中繼發射人造噪聲（干擾信號），設計用於劣化竊聽者嘅通道，同時對合法接收器造成最小干擾。呢個係通過零陷波束成形實現嘅，將干擾信號投影到合法通道嘅零空間，或者通過優化波束成形向量以最大化保密速率。

4.2. 解碼轉發 (DF)

中繼解碼源訊息並喺轉發前重新編碼。呢個方案要求中繼到竊聽者嘅鏈路弱於中繼到合法用戶嘅鏈路，以防止信息洩漏。保密性係通過利用中繼控制轉發信號結構嘅能力來實現嘅。

4.3. 放大轉發 (AF)

中繼簡單地放大並轉發接收信號而無需解碼。雖然更簡單，但亦會放大噪聲。安全波束成形喺度至關重要，需要以一種對合法接收器嘅益處大於對竊聽者嘅方式來加權放大後嘅信號。

4.4. 安全波束成形設計

對於所有方案，中繼 $i$ 嘅波束成形向量 $\mathbf{w}_i$ 設計用於解決以下形式嘅優化問題： $\max_{\mathbf{w}} \min_{k} (\text{SNR}_{R_k}) - \text{SNR}_{Eve}$，受制於 $||\mathbf{w}|| \leq P_{relay}$ 同幅度限制。呢種最大最小公平方法旨在提升最差嘅合法鏈路，同時抑制竊聽者嘅鏈路。

5. 可達嘅保密速率區域

本文推導出每種方案喺幅度限制下保密容量區域嘅內界（可達區域）。對於 DF，區域基於帶有保密訊息同協作中繼嘅廣播通道。對於 CJ 同 AF，區域涉及結合咗中繼操作廣播同多址階段互信息項嘅複雜表達式。一個關鍵發現係，呢啲區域嚴格大於直接傳輸嘅區域，證實咗中繼嘅價值。

6. 實驗結果與性能評估

性能通過對推導出嘅保密速率區域進行數值模擬來評估。呈現嘅關鍵觀察結果（從摘要同引言推斷）：

• 優於直接傳輸： 所有配備安全波束成形嘅中繼輔助方案都優於直接傳輸，顯著擴展咗可達嘅保密速率區域。
• 方案依賴性： 冇單一方案普遍佔優。最佳方案取決於：
  • 竊聽者位置： 當 Eve 靠近中繼但遠離合法用戶時，CJ 非常有效。當 Eve 靠近源頭時，DF/AF 可能更好。
  • 中繼數量 (N)： 由於波束成形自由度增加，性能隨更多中繼而提升。
  • 幾何佈局： 中繼相對於 Tx、用戶同 Eve 嘅空間分佈，對波束成形增益同干擾管理能力有至關重要嘅影響。
• 權衡取捨： CJ 可能會犧牲部分功率用於干擾，可能降低合法用戶嘅速率。DF 要求中繼成功解碼，對第一跳施加速率限制。AF 簡單但受制於噪聲放大。

7. 關鍵見解與總結

• 中繼作為安全增強器： 可信協作中繼係 VLC 物理層安全嘅強大工具，充當可控干擾器或信號增強器。
• 波束成形必不可少： 簡單中繼不足夠；需要智能波束成形設計以有利地引導信號。
• 情境感知方案選擇： 最佳中繼策略高度依賴於具體場景，需要根據網絡幾何結構同威脅模型進行自適應選擇。
• 實際限制係核心： 幅度限制唔係次要細節，而係信令方案同性能限制嘅根本驅動因素。

8. 原創分析：核心見解與評論

核心見解： 本文最重要嘅貢獻唔僅僅係將源自射頻嘅中繼應用於 VLC，而係喺 VLC 獨特且不可忽略嘅幅度限制下，嚴格地重新表述咗整個物理層安全問題。佢超越咗將 VLC 視為「帶光嘅射頻」嘅類比。呢項工作正確地指出，最佳安全策略係由一群簡單中繼節點調解嘅、由幾何決定嘅信號增強同目標干擾嘅混合體。呢點與網絡安全從單一加密轉向分佈式物理層信任架構嘅更廣泛趨勢一致，正如 Bloch 等人關於射頻協作干擾嘅研究所見 [Foundations and Trends in Communications and Information Theory, 2008]。

邏輯流程： 邏輯係合理嘅：1) 定義 VLC 特定嘅受限通道模型，2) 調整三種規範中繼協議 (CJ, DF, AF)，3) 整合波束成形以利用空間自由度，4) 推導可達速率區域作為性能指標，5) 通過模擬驗證顯示依賴於幾何結構嘅優越性。從問題定義到解決方案同驗證嘅流程係經典且有效嘅。

優點與缺陷： 一個主要優點係全面考慮咗實際限制（幅度限制、半雙工中繼）同信息論安全。跨多種方案嘅比較框架非常有價值。然而，分析存在明顯缺陷。首先，佢嚴重依賴於可信中繼嘅假設——呢個係一個重大嘅部署障礙。其次，對竊聽者通道嘅 CSI 假設通常唔現實；更穩健嘅設計應該考慮最壞情況或統計 CSI，正如穩健波束成形文獻中所探討嘅（例如，Lorenz 等人在 IEEE TSP 中嘅工作）。第三，評估似乎主要係數值嘅；現實世界嘅 VLC 通道損傷，如多徑色散、移動性同環境光噪聲，並未深入整合到保密速率推導中，可能誇大咗增益。

可行見解： 對於從業者，本文提供咗一個清晰藍圖：部署低成本可信中繼燈具嘅密集網絡係實現 VLC 安全嘅可行途徑。關鍵在於智能、自適應嘅控制軟件，能夠：1) 估計節點位置（通過可見光定位等技術），2) 根據估計嘅威脅位置實時選擇最佳中繼方案 (CJ/DF/AF)，以及 3) 計算相應嘅安全波束成形向量。呢點指向咗「認知安全 VLC 網絡」嘅未來。研究人員應專注於放寬可信中繼同完美 CSI 假設，或許可以使用基於區塊鏈嘅中繼信任機制，或者開發喺通道不確定性下有效嘅人造噪聲技術，靈感來自射頻中嘅研究，例如使用人造快速衰落。

9. 技術細節與數學框架

核心數學問題涉及喺幅度限制 $X \in [-A, A]$ 下最大化保密速率區域。對於帶有竊聽者嘅點對點鏈路，喺呢種限制下嘅保密容量 $C_s$ 並冇封閉形式，但可以獲得下界。使用均勻輸入分佈時，互信息為 $I_{unif}(A; h, \sigma^2)$，其中 $h$ 係通道增益，$\sigma^2$ 係噪聲方差。

對於單中繼嘅 CJ 方案，中繼處嘅發射信號係干擾信號 $J$。接收信號為： $Y_k = h_{t,k}X + h_{r,k}J + n_k$，$Z = h_{t,e}X + h_{r,e}J + n_e$。 $J$ 嘅波束成形設計旨在令 $|h_{r,e}|$ 大而保持 $|h_{r,k}|$ 細，形式化為： $\max_{J} \ \min_{k} I(X; Y_k|J) - I(X; Z|J)$，受制於 $E[J^2] \leq P_J$ 同 $J \in [-A_J, A_J]$。

DF 廣播中繼通道嘅可達區域建立在 Liang 等人關於帶保密訊息廣播通道嘅工作基礎上，並結合咗中繼解碼嘅訊息同幅度限制。

10. 分析框架：示例案例研究

場景： 一個 10m x 10m 嘅辦公室。Tx 位於天花板中央。兩個合法用戶 (U1, U2) 喺辦公桌（坐標 (2,2) 同 (8,8)）。一個竊聽者懷疑喺窗口附近 (10,5)。四個中繼燈具安裝喺天花板角落。

分析步驟： 1. 通道估計： 使用 VLC 通道模型（例如，朗伯模型）估計所有 Tx/中繼到用戶/Eve 鏈路嘅直流增益 $h$。 2. 威脅評估： 計算直接傳輸嘅潛在竊聽速率：$R_{eve,dir} = I(X; Z_{dir})$。 3. 方案模擬： - CJ： 為四個中繼設計波束成形向量，以創建一個喺 Eve 位置 ((10,5)) 強勁，但喺 U1 同 U2 位置有零陷/最小值嘅干擾模式。解決相應嘅 $\mathbf{w}$ 優化問題。 - DF/AF： 評估中繼-Eve 鏈路係咪弱於中繼-用戶鏈路。如果係，DF/AF 可能可行。 4. 性能比較： 計算喺總功率預算下，直接傳輸、CJ、DF 同 AF 嘅可達保密速率對 $(R_{s,1}, R_{s,2})$。 5. 選擇： 繪製保密速率區域。喺呢種幾何結構中，Eve 靠近房間邊緣，可能遠離中央 Tx 但可能喺角落中繼嘅範圍內。CJ 很可能係贏家，因為中繼可以有效干擾 Eve 而唔會嚴重損害位於中央嘅合法用戶。最佳波束成形解決方案可能會將干擾能量導向窗口區域。

11. 未來應用與研究方向

• 混合 VLC/射頻安全網絡： 使用射頻鏈路（例如 Wi-Fi）作為安全控制平面來管理 VLC 中繼之間嘅信任同協調，或者使用 VLC 進行高速數據傳輸，使用射頻進行干擾。
• 用於自適應安全嘅機器學習： 使用強化學習，讓網絡喺用戶同竊聽者位置變化嘅動態環境中學習最佳中繼方案同波束成形模式。
• 與 Li-Fi 同 6G 整合： 隨著 Li-Fi 旨在實現標準化，6G 探索光無線通訊，呢啲安全中繼協議可能成為超密集室內網絡鏈路層安全堆棧嘅一部分。
• 物聯網嘅物理層安全： 使用 VLC 保護智能建築中大量低功耗物聯網設備嘅安全，傳統加密可能過於繁重。中繼可以提供組級別嘅安全性。
• 可見光定位 (VLP) 輔助安全： 使用相同嘅基礎設施進行高精度定位服務，以精確識別潛在竊聽區域並應用目標干擾。

12. 參考文獻

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. (For VLC channel models)
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. (For modern relaying concepts)
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?" [Online]. Available: 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.