[论文解读] Securing Visible Light Communication Systems by Beamforming in the Presence of Randomly Distributed Eavesdroppers

Sung Hwan Cho, Gaojie Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2017

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 21被引用 4

一句话总结

本论文提出了一种针对多个LED发射器和单个用户设备（UE）的可见光通信（VLC）系统中的最优波束成形方案，仅利用窃听者（ED）位置的统计知识，实现对随机分布窃听者的传输安全。通过基于窃听者过程强度和目标信道的波束成形优化，该方案在保密性能上优于LED选择方案，且通过保密容量边界推导出保密中断概率（SOP）的闭式近似表达式。

ABSTRACT

This paper considers secrecy enhancement mechanisms in visible light communication (VLC) systems with spatially distributed passive eavesdroppers (EDs) under the assumption that there are multiple LED transmitters and one legitimate receiver (UE). Based on certain amplitude constraints, we propose an optimal beamforming scheme to optimize secrecy performance. Contrary to the case where null-steering is made possible by using knowledge of the ED locations, we show that the optimal solution when only statistical information about ED locations is available directs the transmission along a particular eigenmode related to the intensity of the ED process and the intended channel. Then, a sub-optimal LED selection scheme is provided to reduce the secrecy outage probability (SOP). An approximate closed-form for the SOP is derived by using secrecy capacity bounds. All analysis is numerically verified by Monte Carlo simulations. The analysis shows that the optimal beamformer yields superior performance to LED selection. However, LED selection is still a highly efficient suboptimal scheme due to the complexity associated with the use of multiple transmitters in the full beamforming approach. These performance trends and exact relations between system parameters can be used to develop a secure VLC system in the presence of randomly distributed EDs.

研究动机与目标

• 提升在窃听者随机分布且位置未知的VLC系统中的物理层安全性。
• 设计一种在仅掌握窃听者分布统计信息时，满足幅度约束下最大化保密性能的波束成形策略。
• 提出一种次优的LED选择方案，以降低复杂度并减少保密中断概率（SOP）。
• 基于LED选择方案，利用保密容量边界推导SOP的近似闭式表达式。
• 通过蒙特卡洛仿真验证理论分析，并与基准方案进行性能比较。

提出的方法

• 通过在幅度约束下最大化保密性能度量（如信噪比SNR、保密容量边界），基于目标信道的主导特征模式和窃听者过程强度，推导出最优波束成形器。
• 系统将窃听者建模为工作平面上的泊松点过程（PPP），从而基于随机几何方法分析到最近窃听者的最小距离。
• 使用路径损耗模型（指数为m+3）将用户设备（UE）处的信噪比（SNR）建模为距离的函数，包含直流偏置和LED功率。
• 通过保密容量边界分析保密中断概率（SOP），并通过将面积函数A(d)近似为分段线性函数，推导出SOP的闭式近似表达式。
• 提出一种次优的LED选择方案，选择距离UE最近的发射器以降低复杂度，同时保持良好的保密性能。
• 采用蒙特卡洛仿真对分析结果进行数值验证，并比较最优波束成形与LED选择方案的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 当窃听者位置未知但其空间强度已知时，如何增强VLC系统中的物理层安全性？
• RQ2 在仅掌握窃听者分布统计信息时，如何设计在幅度约束下最大化保密性能的最优波束成形策略？
• RQ3 与低复杂度的LED选择方案相比，最优波束成形器在保密中断概率方面的性能表现如何？
• RQ4 能否在LED选择方案下，利用保密容量边界推导出保密中断概率（SOP）的闭式近似表达式？
• RQ5 系统参数（如LED强度、用户距离、窃听者密度）对保密性能有何影响？

主要发现

• 由目标信道的主导特征模式和ED过程强度导出的最优波束成形器，在保密性能上优于LED选择方案。
• 所提出的LED选择方案显著降低了复杂度，同时保持了较强的保密性能，尤其在UE靠近某个LED时表现更优。
• 在LED选择方案下，推导出了保密中断概率（SOP）的闭式近似表达式，有助于高效系统设计与参数优化。
• 蒙特卡洛仿真结果表明，最优波束成形方案在保密中断概率方面优于LED选择方案，且随着UE靠近发射器，性能差距逐渐缩小。
• 分析的SOP边界与仿真结果高度吻合，验证了推导表达式的准确性。
• 研究表明，最优波束成形器对窃听者位置的不确定性具有鲁棒性，适用于开放室内环境中的实际VLC部署。