[论文解读] Secrecy Capacity Analysis and Beamforming Optimization for MIMO-VLC Wiretap Channels

Sufang Yang, Longguang Li+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2026

Optical Wireless Communication Technologies被引用 0

一句话总结

该论文利用 GEPI 推导出在峰值与平均光强约束下的 MIMO-VLC 线窃信道的闭式可实现 secrecy 率下界，并提出全连接与子连接两种束波束形成方案，结合序贯凸近似以提升物理层安全性。

ABSTRACT

This paper investigates a multiple-input multipleoutput (MIMO) visible light communication (VLC) wiretap channel consisting of a transmitter, a legitimate receiver, and an eavesdropper. The optical input is subject to both peakand average-intensity constraints. By applying the generalized entropy-power inequality to truncated exponential inputs, we derive a novel closed-form expression for the achievable secrecy rate for general MIMO VLC configurations. To enhance transmission confidentiality, a fully-connected beamforming scheme is proposed, along with a low-complexity sub-connected alternative. Although the resulting beamforming design problems are nonconvex, they are efficiently addressed by transforming them into a sequence of convex subproblems solvable via the successive convex approximation framework. Numerical results demonstrate that the proposed schemes achieve significant secrecy performance improvements compared with the benchmark scheme.

研究动机与目标

• 在严格光学约束（峰值和平均强度）下激励 MIMO-可见光通信的安全通信。
• 在考虑真实输入约束的条件下，对一般 MIMO-VLC 窃信配置的可实现 secrecy 率进行表征。
• 开发实用的束波形成方案，在满足 LED 工作极限的同时提升安全性能。

提出的方法

• 将广义熵-功率不等式（GEPI）应用于截断指数输入，以获得 secrecy 率的闭式下界。
• 对于发射 LED 数量与接收 PD 数量之间的不同关系，推导 Case I 和 Case II 的可实现 secrecy 率表达式（定理 2）。
• 提出两种束波形成结构：全连接和子连接，以提升保密性；将优化问题表述为最大化 secrecy 率的求解问题。
• 通过对束波形成向量施加峰值与平均强度的线性不等式约束，将非凸问题转化为序贯凸近似来求解。
• 与零强制（zero-forcing）束波形成比较，并通过数值结果显示改进的 secrecy 性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在峰值与平均强度约束下，MIMO-VLC 窃信道的可实现 secrecy 率是多少？
• RQ2 在给定 LED 约束与 Bob、Eve 的已知 CSI 的条件下，如何设计束波形成以最大化 secrecy 率？
• RQ3 与零强制等基准相比，全连接与子连接两种束波形成设计的性能提升有多大？
• RQ4 发射 LED 数量与接收 PD 数量之间的关系如何影响 secrecy 率？
• RQ5 是否可以通过凸近似方法有效求解非凸束波形成问题？

主要发现

• 通过截断指数输入与 GEPI，在一般 MIMO-VLC 窃信道中得到 secrecy 率的闭式下界（定理 2）。
• 提出两种实用的束波形成方案——全连接与子连接，并显示相对于基准在保密性能上的提升。
• 给出基于凸近似的算法序列，以高效求解非凸束波形成优化问题。
• 数值结果显示所提方案在 secrecy 性能上显著优于基准方案。