[论文解读] On the Secrecy Performance of Random VLC Networks with Imperfect CSI and Protected Zone

Jin‐Yuan Wang, Yu Qiu+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2019

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 23被引用 5

一句话总结

本文分析了在信道状态信息（CSI）不完美和保护区存在下的随机室内可见光通信（VLC）网络中的物理层保密性能。推导了平均保密容量和保密中断概率的下限闭式表达式，表明保护区和不完美的CSI对安全性有显著影响，蒙特卡洛仿真验证了理论结果。

ABSTRACT

This paper investigates the physical-layer security for a random indoor visible light communication (VLC) network with imperfect channel state information (CSI) and a protected zone. The VLC network consists of three nodes, i.e., a transmitter (Alice), a legitimate receiver (Bob), and an eavesdropper (Eve). Alice is fixed in the center of the ceiling, and the emitted signal at Alice satisfies the non-negativity and the dimmable average optical intensity constraint. Bob and Eve are randomly deployed on the receiver plane. By employing the protected zone and considering the imperfect CSI, the stochastic characteristics of the channel gains for both the main and the eavesdropping channels is first analyzed. After that, the closed-form expressions of the average secrecy capacity and the lower bound of secrecy outage probability are derived, respectively. Finally, Monte-Carlo simulations are provided to verify the accuracy of the derived theoretical expressions. Moreover, the impacts of the nominal optical intensity, the dimming target, the protected zone and the imperfect CSI on secrecy performance are discussed, respectively.

研究动机与目标

• 评估在随机部署合法接收机和窃听者接收机的现实室内VLC网络中的物理层安全性能。
• 解决VLC系统中不完美CSI和调光约束的实际限制。
• 研究保护区对随机VLC网络中保密性能的影响。
• 在这些现实条件下，推导平均保密容量和保密中断概率的解析表达式。

提出的方法

• 建立一个三节点VLC网络模型，包含一个固定发射机（Alice）、一个随机部署的合法接收机（Bob）和一个位于接收平面的窃听者（Eve）。
• 在非负光强和调光约束下，分析主信道和窃听信道的随机信道增益。
• 利用统计信道建模和矩生成函数技术，推导平均保密容量的闭式表达式。
• 通过考虑不完美CSI下信道增益的累积分布函数，建立保密中断概率的下界。
• 使用蒙特卡洛仿真在不同系统参数下验证理论推导结果。
• 将保护区作为空间约束，以限制Eve的接收能力，从而增强安全性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有保护区的随机VLC网络中，不完美CSI如何影响保密性能？
• RQ2 在随机部署接收机和不完美CSI的VLC网络中，平均保密容量的解析表达式是什么？
• RQ3 在不同系统参数（如调光目标和保护区大小）下，保密中断概率的行为如何？
• RQ4 保护区对保密中断概率的下界有何影响？
• RQ5 标称光强和调光目标如何影响整体保密性能？

主要发现

• 以闭式表达式推导出平均保密容量，表明其与调光目标和光强直接相关，调光目标越高，保密容量越低。
• 在五种不同的信道增益区域中，推导出保密中断概率的下界，每种区域对应不同的信干比和空间约束。
• 保护区能有效降低窃听者的信道增益，显著改善保密中断性能，尤其当Eve被限制在低概率区域时效果更明显。
• 不完美CSI会降低保密性能，随着CSI估计误差增大，保密中断概率上升，尤其在高信噪比（SNR）区域更为显著。
• 蒙特卡洛仿真结果验证了所有推导情况下的理论表达式的准确性，证实了分析模型的有效性。
• 结果表明，最优系统设计需在调光要求、保护区大小和CSI精度之间取得平衡，以最大化保密容量。