一种室内混合PLC/VLC网络的安全传输方法

本发明涉及电力线通信和可见光通信，具体涉及一种室内混合plc/vlc网络的安全传输方法。

背景技术：

1、随着无线通信技术的快速发展，移动设备和应用程序需要更高速率、更大容量连接。而以射频rf为主的传统无线通信技术因频谱限制面临着日益增长的带宽需求压力。作为6g移动通信的潜在关键技术之一，可见光通信vlc由于其高传输功率、无电磁干扰、无需频谱认证等优势，逐渐发展成为一种成熟的无线接入方案，可以缓解rf通信的带宽压力。vlc不仅能利用发光二极管led同时实现照明和通信功能，而且符合绿色无线通信的要求，获得了研究人员的极大关注。然而，led一般不能直接作为信息源，它必须连接到主干网络，以免成为信息孤岛。

2、解决该挑战的有效方法是将电力线通信plc链路作为vlc链路的回程网络。plc是一种很有前途的通信媒介，可利用现有的电力线基础设施进行室内外(电力系统、房屋和车辆等)环境中的数据通信和电力传输；特别是在无线信号遭受损耗和衰减的环境中，plc能够协助无线通信更好的完成数据传输任务。此外plc也是智能电网、物联网等领域的主要技术。更重要的是，plc系统的电缆线可以很自然地连接到vlc网络的led上，为其提供信息和电力。因此，混合plc/vlc网络在高速率传输、容易访问、覆盖范围广和低成本部署等诸多方面优于独立plc网络和vlc网络，具有重要的研究价值。

3、另一方面，在室内混合plc/vlc网络中，vlc具有开放广播的特性，使得信息安全传输过程面临着信息泄露、信息拦截等问题。传统通过加密技术来提升通信安全的方法，计算复杂度较高；而近年来兴起的物理层安全技术，能够以较低的计算复杂度直接保证信息在物理层的安全可靠传输。物理层安全技术以信息论为基础，利用无线信道的差异性为通信网络提供安全，这种技术不仅为实际应用中预防窃听攻击提供了第一道防线，而且是传统加密技术的有效补充。目前有关物理层安全的研究主要针对的是独立plc网络和独立vlc网络，关于室内混合plc/vlc网络的物理层安全研究还很少，因此，研究室内混合plc/vlc网络的安全传输方法具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对室内混合plc/vlc网络中的物理层安全问题，而提供一种室内混合plc/vlc网络的安全传输方法。

2、实现本发明目的的技术方案是：

3、一种室内混合plc/vlc网络的安全传输方法，包含如下步骤：

4、1)在室内混合电力线通信plc/可见光通信vlc网络中，电力线通信链路作为可见光通信链路的回程网络提供电力和信息；从信源s发出的信息经电力线链路传输至中继节点relay，relay解码转发后将信息通过可见光链路发送至地面上随机移动的合法用户；由于可见光的广播特性，在可见光覆盖范围内的窃听者也将会收到该消息，则通过设置保护区来抑制窃听者的接收；

5、2)通过两跳通信实现室内混合plc/vlc网络的安全传输，具体过程如下：

6、2-1)在第一跳中，信源s将电信号经电力线链路传输至中继节点relay；其中，电力线链路的信道增益服从对数正态分布，电力线链路的附加噪声包括背景噪声和脉冲噪声，通过泊松-高斯混合统计模型建模；在分析电力线链路信道特性的基础上，获得此链路瞬时信噪比的概率密度函数和累积分布函数；

7、2-2)在第二跳中，relay应用解码转发协议并将电光转换后的光信号通过发光二极管led发送至地面上服从随机路点rwp移动模型分布的合法用户，为抑制窃听者接收合法消息，通过设置保护区使其不能无限靠近合法用户；基于可见光通信的信道特性，获得可见光链路合法用户与窃听者的瞬时信噪比的概率密度函数和累积分布函数；

8、3)根据步骤2-1)获得的电力线链路瞬时信噪比的统计分布和步骤2-2)获得的可见光链路合法用户与窃听者的瞬时信噪比的统计分布，进一步获得室内混合plc/vlc网络的安全中断概率和保密吞吐量。

9、步骤1)中，信源s位于室外，其通过电力线链路连接至室内顶部的中继节点relay，中继节点relay配置一个电光转换器和一个led发射机；led的光波束最大覆盖半径为rc，保护区半径为r0；合法用户b在半径为rc的圆内服从rwp分布，其距圆心o的水平距离为rb；窃听者e在圆环区域即外半径为rc，内半径为r0内服从均匀分布，其距圆心o的水平距离为re；b和e均配置单个光电检测器pd接收机。

10、步骤2-1)中，信源s将电信号x传输至中继节点relay，则relay处接收信号yr表示为：

11、

12、上述公式(1)中，下标sr表示从信源s到中继节点relay之间的电力线链路；θ＝ε0+ε1fu为plc链路的衰减，ε0和ε1为常数，f为工作频率，u为指数衰减因子，lsr为从信源s到中继节点relay的距离；ps1为信源s的发送功率；hsr为电力线链路的信道增益；nsr为电力线链路的附加噪声；

13、电力线链路的信道增益hsr，其概率密度函数为：

14、

15、上述公式(2)是随机变量为hsr的对数正态型分布，μsr和是lnhsr的均值和方差；

16、电力线链路中的接入设备和各种低功率组件的随机切换，会产生附加噪声，包括背景噪声和脉冲噪声，用泊松-高斯混合统计模型进行建模，则附加噪声nsr表示为：

17、nsr＝nq+ni                                     (3)

18、其中，nq为背景噪声，ni＝ntnin为脉冲噪声；nt表示plc链路中瞬态脉冲噪声的发生，建模为离散泊松随机过程；nin和nq建模为高斯白噪声，均值为0，方差为和上述公式(3)中，假设nt和nq、nin独立；

19、电力线链路中的附加噪声nsr的概率密度函数为：

20、

21、其中，p＝βta为脉冲噪声到达信道的概率，β为到达率，ta是脉冲噪声的持续时间；是脉冲噪声和背景噪声的功率比值；

22、从信源s到中继节点relay的电力线链路的瞬时信噪比γsr表示为：

23、

24、其中，是附加噪声中仅存在背景噪声时的电力线链路的平均信噪比；是附加噪声中同时存在背景噪声和脉冲噪声时的电力线链路的平均信噪比；γsr-1是附加噪声中仅存在背景噪声时的电力线链路的瞬时信噪比；γsr-2是附加噪声中同时存在背景噪声和脉冲噪声时的电力线链路的瞬时信噪比；

25、当电力线链路中的附加噪声仅存在背景噪声时，利用公式(2)和(5)，得到γsr-1的概率密度函数为：

26、

27、其中，σa＝2σsr；

28、当电力线链路中的附加噪声同时存在背景噪声和脉冲噪声时，利用公式(2)和(5)，得到γsr-2的概率密度函数为：

29、

30、其中，σb＝2σsr；

31、结合公式(4)，将公式(6)和(7)进行整合，得到γsr的概率密度函数为：

32、

33、对公式(8)进行积分，得到γsr的累积分布函数为：

34、

35、其中，表示互补误差函数；

36、步骤2-2)中，用户k，k∈{b，e}，利用自身所配备的pd接收机接收来自中继节点relay解码转发后的信号，则k处的接收信号为：

37、

38、其中，为relay解码转发后的信号；nrk为可见光链路的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为n0；hr,k为从relay出发到用户k的可见光链路的信道增益；

39、从relay出发到用户k的可见光链路的信道增益hr,k表示为：

40、

41、其中，αk∈[0,φ1/2]为led辐射角，φ1/2为led的半功率发光半角；ρ＝-ln2/ln(cos(φ1/2))为led的朗博辐射阶数；ψk为pd接收机的入射角，为pd接收机的视场角；tf(ψk)为光滤波器的增益；gf(ψk)为光集中器增益，nd为反射系数；h为led所在平面与用户k所在平面之间的垂直距离；rk为led在地面上的投影点与用户k之间的水平距离；m和χ分别为pd接收机的有效物理检测面积和检测灵敏度，假设αk＝ψk，则

42、令得到可见光链路的信道增益平方为：

43、

44、可见光链路中用户k的瞬时信噪比γr,k为：

45、

46、其中，表示可见光链路的平均信噪比；a为光电转换系数，pr为relay内嵌led的发送光功率；

47、由于合法用户b在半径为rc的圆内服从rwp分布，b距圆心o的水平距离rb的概率密度函数为考虑二维拓扑时，取j＝3，δi＝[1,3,5]，△i＝[324,-420,96]/73，则rb的概率密度函数表示为：

48、

49、利用公式(12)、(13)和(14)并结合变量替换方法，得到合法用户b瞬时信噪比γr,b的概率密度函数为：

50、

51、其中，

52、对公式(15)进行积分，得到合法用户b瞬时信噪比γr,b的累积分布函数为：

53、

54、其中，

55、由于窃听者e在圆环区域即外半径为rc，内半径为r0内服从均匀分布，e距圆心o的水平距离re的概率密度函数可表示为r0≤x≤rc，并结合公式(12)和(13)，获得窃听者e的瞬时信噪比γr,e的概率密度函数为：

56、

57、对公式(17)进行积分，得到窃听者e的瞬时信噪比γr,e的累积分布函数为：

58、

59、其中，γr,e∈[imin,imax]，

60、步骤3)中，混合plc/vlc网络的安全中断概率和保密吞吐量计算过程具体如下：

61、第一跳中，电力线链路的瞬时安全容量c1为：

62、

63、第二跳中，窃听者e尽力从中继节点relay处窃听传输给合法用户b的私密信息，则可见光链路的瞬时安全容量为c2为：

64、

65、其中，{x}+＝max{x,0}，max{·}为求最大值运算；

66、由于中继节点relay应用解码转发协议，则室内混合plc/vlc网络的安全容量cs为：cs＝min{c1,c2}，min{·}为求最小值运算；

67、3-1)所述的安全中断概率定义为混合系统的安全容量cs小于所设置的目标保密率阈值的概率，表示为：

68、

69、其中，psop为安全中断概率；pr{·}为求概率运算；rth为设置的目标保密率阈值；

70、然后，将步骤2-1)中的公式(8)和(9)以及步骤2-2)中的公式(15)、(16)、(17)和(18)代入公式(21)，获得室内混合plc/vlc网络的安全中断概率psop为：

71、

72、其中，

73、

74、3-2)所述的保密吞吐量的定义为目标保密率阈值与系统安全可靠传输的概率的乘积，表示为：

75、st＝rth×(1-psop)                        (23)

76、其中，st为保密吞吐量；

77、将公式(22)代入(23)，获得室内混合plc/vlc网络的保密吞吐量st为：

78、

79、有益效果：本发明提供的一种室内混合plc/vlc网络的安全传输方法，该方法有如下优点：

80、1、本发明所提安全传输方法的性能与电力线链路中脉冲噪声的发生概率、脉冲噪声和背景噪声的功率比、可见光链路中led的半功率发光半角、保护区半径等参数有关；因此本方法可用于设计优化室内电力线/可见光混合网络的参数以提升网络的安全性能；

81、2、为增强室内混合plc/vlc网络的物理层安全提供理论依据；

82、3、促进室内混合plc/vlc网络的物理层安全技术在医院、机舱、地下矿井等场景中的应用，同时也推动其在智能电网、物联网等领域的实用化进程。