1. 內容結構與分析
1.1. 目錄
- 2. 引言與概述
- 3. 系統模型與問題描述
- 3.1. 通道模型與假設
- 3.2. 振幅限制與信令
- 4. 所提中繼方案
- 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. 可達安全速率區域
- 6. 實驗結果與效能評估
- 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：範例個案研究
- 11. 未來應用與研究方向
- 12. 參考文獻
2. 引言與概述
本工作旨在解決可見光通訊系統中廣播通訊安全性的關鍵挑戰。VLC利用LED照明設備進行資料傳輸，是室內高速網路極具前景的解決方案，但其固有的廣播特性使其容易遭受竊聽。本文提出一個新穎的框架，在單輸入單輸出廣播設定下，針對兩個合法使用者，採用多個可信賴的協作半雙工中繼節點來增強對抗外部竊聽者的實體層安全性。
核心創新在於整合三種經典中繼策略——協作干擾、解碼轉發與放大轉發——並在中繼端精心設計安全波束成形。所有傳輸均受振幅限制，以符合LED的線性動態範圍，並使用均勻信令的疊加編碼。分析推導出可達的安全速率區域，並證明中繼輔助方案優於直接傳輸，其效能高度依賴於竊聽者位置、中繼數量及網路幾何佈局。
3. 系統模型與問題描述
3.1. 通道模型與假設
系統包含一個發射器照明設備、兩個合法接收器、一個外部竊聽者以及N個可信賴的中繼照明設備。所有節點均配備單一燈具或多個LED或單一光電檢測器，構成每條鏈路的SISO系統。VLC通道模型同時考慮了直視路徑與漫射分量。中繼以半雙工模式運作。一個關鍵假設是已知所有涉及合法節點鏈路的通道狀態資訊；竊聽者的通道可能部分已知或未知，這會影響波束成形設計。
3.2. 振幅限制與信令
發射信號受振幅限制，即 $X \in [-A, A]$，以確保LED在其線性動態範圍內運作並滿足照明要求。在此區間內，疊加編碼的輸入分佈為均勻分佈。使用者 $k$ 對抗竊聽者的安全速率定義為 $R_{s,k} = [I(X; Y_k) - I(X; Z)]^+$，其中 $I(\cdot;\cdot)$ 為互資訊，$Y_k$ 為合法接收器 $k$ 的信號，$Z$ 為竊聽者的信號。目標是描述可同時達成的 $(R_{s,1}, R_{s,2})$ 區域。
4. 所提中繼方案
4.1. 協作干擾 (CJ)
中繼發射人工雜訊，旨在劣化竊聽者的通道，同時對合法接收器造成最小干擾。這是透過零陷波束成形實現的，即將干擾信號投影到合法通道的零空間，或透過最佳化波束成形向量以最大化安全速率。
4.2. 解碼轉發 (DF)
中繼解碼來源訊息並在轉發前重新編碼。此方案要求中繼到竊聽者的鏈路弱於中繼到合法使用者的鏈路，以防止資訊洩漏。安全性是透過利用中繼控制轉發信號結構的能力來實現的。
4.3. 放大轉發 (AF)
中繼僅放大並轉發接收到的信號，無需解碼。雖然較簡單，但也會放大雜訊。安全波束成形在此至關重要，需以對合法接收器比對竊聽者更有利的方式對放大後的信號進行加權。
4.4. 安全波束成形設計
對於所有方案，中繼 $i$ 的波束成形向量 $\mathbf{w}_i$ 旨在解決以下形式的優化問題： $\max_{\mathbf{w}} \min_{k} (\text{SNR}_{R_k}) - \text{SNR}_{Eve}$，受限於 $||\mathbf{w}|| \leq P_{relay}$ 及振幅限制。這種最大最小公平方法旨在提升最差的合法鏈路，同時抑制竊聽者的鏈路。
5. 可達安全速率區域
本文推導了每種方案在振幅限制下安全容量區域的內界。對於DF，該區域基於帶有機密訊息的廣播通道及協作中繼。對於CJ和AF，該區域涉及結合中繼運作之廣播與多址階段的互資訊項的複雜表達式。一個關鍵發現是這些區域嚴格大於直接傳輸的區域，證實了中繼的價值。
6. 實驗結果與效能評估
透過對推導出的安全速率區域進行數值模擬來評估效能。提出的關鍵觀察結果如下：
- 優於直接傳輸： 所有採用安全波束成形的中繼輔助方案均優於直接傳輸，顯著擴展了可達安全速率區域。
- 方案依賴性： 沒有任何單一方案在所有情況下都佔優。最佳方案取決於：
- 竊聽者位置： 當竊聽者靠近中繼但遠離合法使用者時，CJ非常有效。當竊聽者靠近發射源時，DF/AF可能更佳。
- 中繼數量 (N)： 隨著中繼數量增加，由於波束成形的自由度增加，效能得以提升。
- 幾何佈局： 中繼相對於發射源、使用者和竊聽者的空間分佈，對波束成形增益和干擾管理能力有至關重要的影響。
- 權衡取捨： CJ可能犧牲部分功率用於干擾，可能降低合法使用者的速率。DF要求中繼成功解碼，對第一跳施加了速率限制。AF簡單但會放大雜訊。
7. 關鍵見解與總結
- 中繼作為安全性增強器： 可信賴的協作中繼是增強VLC實體層安全性的強大工具，可作為可控的干擾源或信號增強器。
- 波束成形至關重要： 簡單的中繼是不夠的；需要智慧的波束成形設計來有利地引導信號。
- 情境感知的方案選擇： 最佳中繼策略高度依賴於特定場景，需要根據網路幾何和威脅模型進行自適應選擇。
- 實際限制是核心： 振幅限制並非次要細節，而是信令方案和效能極限的根本驅動因素。
8. 原創分析：核心見解與評論
核心見解： 本文最重要的貢獻不僅僅是將源自射頻的中繼技術應用於VLC，而是在VLC獨特且不可忽略的振幅限制下，嚴謹地重新闡述了整個實體層安全問題。它超越了將VLC視為「帶光的射頻」的類比。該工作正確地指出，最佳安全策略是由一群簡單中繼節點調節的、由幾何佈局決定的信號增強與目標干擾之混合體。這與網路安全從單一加密轉向分散式實體層信任架構的廣泛趨勢相符，正如Bloch等人在射頻協作干擾研究中所見。
邏輯流程： 邏輯合理：1) 定義VLC特定的限制通道模型，2) 調整三種典型中繼協定，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效能指標，5) 透過模擬驗證顯示依賴於幾何佈局的優越性。從問題定義到解決方案及驗證的流程經典且有效。
優點與缺陷： 一個主要優點是全面考慮了實際限制與資訊理論安全性。跨多種方案的比較框架很有價值。然而，分析存在明顯缺陷。首先，它嚴重依賴於可信賴中繼的假設——這是一個重大的部署障礙。其次，對竊聽者通道的CSI假設通常不切實際；更穩健的設計應考慮最壞情況或統計CSI。第三，評估似乎主要是數值的；真實世界VLC通道損傷如多路徑色散、移動性和環境光雜訊並未深度整合到安全速率推導中，可能高估了增益。
可操作的見解： 對於實務工作者，本文提供了一個清晰的藍圖：部署低成本、可信賴的中繼照明設備密集網路是實現VLC安全性的一條可行路徑。關鍵在於智慧、自適應的控制軟體，能夠：1) 估計節點位置，2) 根據估計的威脅位置即時選擇最佳中繼方案，3) 計算相應的安全波束成形向量。這指向了「認知安全VLC網路」的未來。研究人員應著重於放寬可信賴中繼和完美CSI的假設，或許可以使用基於區塊鏈的中繼信任機制，或開發在通道不確定性下有效的人工雜訊技術。
9. 技術細節與數學框架
核心數學問題涉及在振幅限制 $X \in [-A, A]$ 下最大化安全速率區域。對於帶有竊聽者的點對點鏈路，在此限制下的安全容量 $C_s$ 沒有封閉形式解，但可以給出下界。在均勻輸入分佈下，互資訊為 $I_{unif}(A; h, \sigma^2)$，其中 $h$ 為通道增益，$\sigma^2$ 為雜訊變異數。
對於單一中繼的CJ方案，中繼的發射信號是干擾信號 $J$。接收信號為： $Y_k = h_{t,k}X + h_{r,k}J + n_k$，$Z = h_{t,e}X + h_{r,e}J + n_e$。 $J$ 的波束成形設計旨在使 $|h_{r,e}|$ 盡量大，同時保持 $|h_{r,k}|$ 盡量小，形式化為： $\max_{J} \ \min_{k} I(X; Y_k|J) - I(X; Z|J)$，受限於 $E[J^2] \leq P_J$ 且 $J \in [-A_J, A_J]$。
DF廣播中繼通道的可達區域建立在Liang等人關於帶有機密訊息的廣播通道的工作基礎上，並結合了中繼解碼的訊息和振幅限制。
10. 分析框架：範例個案研究
情境： 一個10公尺 x 10公尺的辦公室。發射源位於天花板中央。兩個合法使用者分別位於辦公桌處。一個竊聽者疑似位於窗戶附近。四個中繼照明設備安裝在天花板角落。
分析步驟： 1. 通道估計： 使用VLC通道模型估計所有鏈路的直流增益 $h$。 2. 威脅評估： 計算直接傳輸的潛在竊聽速率。 3. 方案模擬： - CJ： 為四個中繼設計波束成形向量，以在竊聽者位置產生強干擾模式，但在合法使用者位置形成零陷或最小值。求解相應的 $\mathbf{w}$ 優化問題。 - DF/AF： 評估中繼-竊聽者鏈路是否弱於中繼-使用者鏈路。若是，則DF/AF可能可行。 4. 效能比較： 在總功率預算下，計算直接傳輸、CJ、DF和AF的可達安全速率對。 5. 選擇： 繪製安全速率區域。在此幾何佈局中，竊聽者靠近房間邊緣，可能遠離中央發射源但可能在角落中繼的範圍內。CJ很可能勝出，因為中繼可以有效干擾竊聽者，而不會嚴重損害位於中央的合法使用者。最佳波束成形解決方案可能會將干擾能量導向窗戶區域。
11. 未來應用與研究方向
- 混合VLC/射頻安全網路： 使用射頻鏈路作為安全控制平面來管理VLC中繼間的信任與協調，或使用VLC進行高速資料傳輸，使用射頻進行干擾。
- 用於自適應安全的機器學習： 使用強化學習讓網路在使用者和竊聽者位置變化的動態環境中學習最佳中繼方案和波束成形模式。
- 與Li-Fi及6G整合： 隨著Li-Fi尋求標準化及6G探索光無線通訊，這些安全中繼協定可能成為超密集室內網路鏈路層安全堆疊的一部分。
- 物聯網的實體層安全性： 在智慧建築中使用VLC保護大量低功耗物聯網設備，傳統密碼學可能過於繁重。中繼可以提供群組級別的安全性。
- 可見光定位輔助安全性： 使用相同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
- A. Arafa, E. Panayirci, and H. V. Poor, "Relay-Aided Secure Broadcasting for Visible Light Communications," arXiv:1809.03479v2 [cs.IT], Jan. 2019.
- 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.
- L. Yin and W. O. Popoola, "Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB®," CRC Press, 2019. (VLC通道模型參考)
- 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. (現代中繼概念參考)
- 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.
- PureLiFi. "What is LiFi?" [線上]. 可取得：https://purelifi.com/what-is-lifi/
- 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.