[论文解读] Secure Visible Light Communications via Intelligent Reflecting Surfaces

Lei Qian, Xuefen Chi+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2021

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 19被引用 9

一句话总结

本文提出了一种基于可调镜面阵列实现的智能反射面（IRS）的可见光通信（VLC）系统物理层安全技术。通过优化镜面朝向，将反射信号聚焦于合法用户，同时最小化对窃听者的信号泄漏，利用粒子群优化（PSO）最大化保密速率，相较于传统方案显著提升了保密性能。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surfaces (IRS) can improve the physical layer security (PLS) by providing a controllable wireless environment. In this paper, we propose a novel PLS technique with the help of IRS implemented by an intelligent mirror array for the visible light communication (VLC) system. First, for the IRS aided VLC system containing an access point (AP), a legitimate user and an eavesdropper, the IRS channel gain and a lower bound of the achievable secrecy rate are derived. Further, to enhance the IRS channel gain of the legitimate user while restricting the IRS channel gain of the eavesdropper, we formulate an achievable secrecy rate maximization problem for the proposed IRS-aided PLS technique to find the optimal orientations of mirrors. Since the sensitivity of mirrors' orientations on the IRS channel gain makes the optimization problem hard to solve, we transform the original problem into a reflected spot position optimization problem and solve it by a particle swarm optimization (PSO) algorithm. Our simulation results show that secrecy performance can be significantly improved by adding an IRS in a VLC system.

研究动机与目标

• 通过利用智能反射面（IRS）提升可见光通信（VLC）系统的物理层安全性。
• 建立IRS信道增益模型，并推导在合法用户与窃听者共存的IRS辅助VLC系统中可实现保密速率的下界。
• 通过优化镜面朝向以增强合法用户信道增益并抑制窃听者接收，建立并求解可实现保密速率最大化问题。
• 通过将朝向优化问题转化为反射光斑位置优化问题，降低计算复杂度。

提出的方法

• 建立平面LED光源（AP）、合法用户（Bob）和窃听者（Eve）的IRS辅助VLC系统模型，采用镜面阵列作为IRS。
• 推导在峰值功率约束下，采用强度调制/直接检测（IM/DD）的VLC系统中IRS信道增益及可实现保密速率的下界。
• 将高维、对敏感的镜面朝向优化问题转化为反射光斑位置寻找问题，以降低复杂度。
• 使用粒子群优化（PSO）求解反射光斑位置优化问题，目标为最大化保密速率。
• 对比两种镜面控制方案：固定朝向波束成形（FoB）与反射光斑定位（RSF），其中RSF优化反射光斑中心位置。
• 采用几何光学模型计算辐照度与信道增益，考虑光源的扩展特性及反射光斑区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 由镜面阵列实现的IRS能否显著提升VLC系统中的保密速率？
• RQ2 优化镜面朝向如何影响合法用户与窃听者之间信道增益的差异？
• RQ3 在IRS辅助的VLC系统中，反射光斑位置对可实现保密速率有何影响？
• RQ4 所提出的RSF方法与传统FoB在保密性能和用户位置变化下的鲁棒性方面有何差异？
• RQ5 通过聚焦于光斑位置而非单个镜面角度，能否降低镜面朝向优化的复杂度？

主要发现

• 所提出的RSF方法在除Eve恰好位于Bob位置外的所有窃听者位置均实现了正的可实现保密速率，显著优于FoB与非IRS方案。
• 当Eve靠近Bob时，保密速率提升最为显著；此时FoB因信号接收重叠而失效，而RSF通过将反射光斑导向远离Eve的方向维持了安全性。
• 对于5×5镜面阵列（每块镜面面积为0.1 m²），RSF方法在所有测试位置均保持保密速率高于0.3 nat/信道使用，而FoB在不安全区域（0.1 < x_Eve < 0.3 m）降至零。
• 增大镜面尺寸可提升FoB性能至某一临界点，但超过该阈值后，更大的反射光斑会包含Eve，导致保密速率降为零；而RSF通过自适应光斑定位避免了此问题。
• RSF方法无论镜面尺寸如何均能维持安全通信，展现出良好的鲁棒性与可扩展性，而FoB性能随镜面增大而下降，因信号泄漏增加。
• 仿真结果证实，当反射光斑被最优定位以覆盖Bob同时排除Eve时，保密速率达到最大，验证了基于光斑位置优化方法的有效性。