[發(fā)明專利]一種智能反射面輔助的VLC和RF混合網(wǎng)絡(luò)安全傳輸方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202211290182.1
• 申請日: 2022-10-21
• 公開（公告）號: CN115694662B
• 公開（公告）日: 2023-09-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙響;張偉;覃勇;孫晉永;姜廣浩;趙玉青;黃菊;趙文波
• 申請（專利權(quán)）人: 桂林電子科技大學(xué)
• 主分類號: H04B10/85
• 分類號: H04B10/85;H04B10/116;H04B10/291;H04W12/122;H04L9/40
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標(biāo)事務(wù)所有限責(zé)任公司 45112
• 代理人: 陶平英

1.一種智能反射面輔助的VLC和RF混合網(wǎng)絡(luò)安全傳輸方法，其特征在于，包括如下步驟：

1)搭建智能反射面輔助的VLC和RF混合網(wǎng)絡(luò)的信道模型，該信道模型包含一個發(fā)光二極管LED信源S、一個中繼R、一個合法用戶D、一個竊聽者E和一個智能反射面IRS；

2)根據(jù)步驟1)搭建的VLC和RF混合網(wǎng)絡(luò)的信道模型，該混合網(wǎng)絡(luò)由連續(xù)的兩跳構(gòu)成，在第一跳中，S通過電光轉(zhuǎn)換將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并將轉(zhuǎn)換后的光信號發(fā)送給R，通過分析VLC鏈路的信道增益和R處的接收信號，得到R處瞬時接收信噪比的表達(dá)式；

3)在第二跳中，R將接收到的光信號轉(zhuǎn)化為RF信號并通過IRS反射給D，與此同時，E試圖進(jìn)行信息竊聽，假設(shè)存在兩種竊聽場景：從智能反射面IRS處竊聽和從中繼R處竊聽，并考慮兩種中繼傳輸方案：譯碼轉(zhuǎn)發(fā)DF和放大轉(zhuǎn)發(fā)AF，然后針對不同竊聽場景與中繼傳輸方案的四種組合，結(jié)合信道的統(tǒng)計特性，獲得D處和E處的瞬時接收信噪比及其概率密度函數(shù)和累積分布函數(shù)；

4)根據(jù)步驟2)得到的R處瞬時接收信噪比和步驟3)得到的D處和E處瞬時接收信噪比及其概率密度函數(shù)和累積分布函數(shù)，計算混合網(wǎng)絡(luò)在不同的竊聽場景和中繼傳輸方式下的安全中斷概率SOP和非零安全容量SPSC概率及其對應(yīng)的漸近值；

步驟1)中，S配備一個電光轉(zhuǎn)換器和一個LED發(fā)射機(jī)；R配備一個光電探測器，并配置單個RF發(fā)射天線；D和E均配置單個RF接收天線；IRS包含N個反射面；

步驟2)中，S發(fā)送的信號為：

X(t)＝nP_L[B+m(t)]?????????(1)

上述公式(1)中，n為LED個數(shù)，P_L為單個LED功率，B是直流偏置以確保LED發(fā)出的光信號是非負(fù)的，m(t)是攜帶有用信息的電信號，其峰值振幅為A；

X(t)通過VLC鏈路傳輸?shù)絉，經(jīng)R處的光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號，其表達(dá)式為：

上述公式(2)中，η為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)；h_SR為VLC鏈路的信道增益且滿足其中為光電探測器的面積，d_SR為從S出發(fā)到R鏈路的傳輸距離，為朗伯系數(shù)，為半功率半角，為輻射角，ψ為入射角；I_DC＝ηnh_SRP_LB為直流分量，經(jīng)阻直電路去除；i(t)＝ηnh_SRP_Lm(t)為交流分量；n₁(t)為VLC鏈路的加性高斯白噪聲，其均值為0，方差為N₁；

根據(jù)公式(2)獲得VLC鏈路中R處瞬時接收信噪比為：

其中A為m(t)的峰值振幅；

步驟3)中，考慮兩種竊聽場景：從智能反射面IRS處竊聽和從中繼R處竊聽，且針對每種竊聽場景考慮兩種中繼轉(zhuǎn)發(fā)方案：DF方案和AF方案，具體如下：

3-1)竊聽者從IRS處竊聽，具體如下：

3-1-1)假設(shè)竊聽者從IRS處竊聽為場景I，中繼R工作在DF方式下，則經(jīng)IRS反射后D處的接收信號為：

其中x為經(jīng)R重新編碼后的信號，P_R為R處的平均發(fā)射功率，n₂(t)為加性高斯白噪聲，其均值為0，方差為N₂，對和分別為R-IRS(從R出發(fā)到IRS)、IRS-D(從IRS出發(fā)到D)鏈路的信道增益，其中d_RI和d_ID分別為R-IRS，IRS-D鏈路的傳輸距離，α_RI,i和α_ID,i分別為信道增益h_RI,i和h_ID,i的幅值，θ_RI,i和θ_ID,i分別為信道增益h_RI,i和h_ID,i的相位，ε為路徑損耗指數(shù)；ρ_i為IRS第i個反射面的反射系數(shù)且滿足其中φ_i表示反射系數(shù)ρ_i的相位；

為最大化D處的瞬時接收信噪比，令φ_i＝θ_RI,i+θ_ID,i，則場景I中繼R工作在DF方式下，D處的接收信號表示為：

由公式(5)可以得到，場景I中繼R工作在DF方式下，D處的瞬時接收信噪比為：

其中為D處的平均信噪比；

場景I中繼R工作在DF方式下，E試圖從IRS處竊聽時其接收到的信號為：

上述公式(7)中，對為IRS-E(從IRS出發(fā)到E)鏈路的信道增益，其中d_IE為IRS-E鏈路的傳輸距離，α_IE,i為h_IE,i的幅值，θ_IE,i為h_IE,i的相位；n₃(t)為加性高斯白噪聲，其均值為0，方差為N₃；

由公式(7)得到，場景I中繼R工作在DF方式下E處的瞬時接收信噪比為：

其中為E處的平均信噪比，

場景I中繼R工作在DF方式下，合法信道總的信噪比為：

場景I中繼R工作在DF方式下，竊聽信道總的信噪比為：

3-1-2)假設(shè)竊聽者從IRS處竊聽為場景I，中繼R工作在AF方式下，R處的放大增益為則經(jīng)IRS反射后D處的接收信號為：

場景I中繼R工作在AF方式下，E試圖從IRS處竊聽時其接收到的信號為：

由公式(11)可得，場景I中繼R工作在AF方式下，合法信道總的信噪比為：

由公式(12)得，場景I中繼R工作在AF方式下，竊聽信道總的信噪比為：

3-2)竊聽者從中繼R處竊聽，具體如下：

3-2-1)假設(shè)竊聽者從中繼R處竊聽為場景II，中繼R工作在DF方式下，則經(jīng)IRS反射后D處的接收信號為：

則場景II中繼R工作在DF方式下，D處的瞬時信噪比為：

場景II中繼R工作在DF方式下，E試圖從R處竊聽時其接收到的信號為：

由公式(17)可得，E處的瞬時接收信噪比為：

其中d_RE為R-E(從R出發(fā)到E)鏈路的傳輸距離，h_RE為R-E鏈路的信道增益，為E處的平均信噪比；

場景II中繼R工作在DF方式下，合法信道總的信噪比為：

場景II中繼R工作在DF方式下，竊聽信道總的信噪比為：

3-2-2)假設(shè)竊聽者從中繼R處竊聽為場景II，中繼R工作在AF方式下，R處的放大增益為則經(jīng)IRS反射后D處的接收信號為：

場景II中繼R工作在AF方式下，E試圖從R處竊聽時其接收到的信號為：

場景II中繼R工作在AF方式下，合法信道總的信噪比為：

場景II中繼R工作在AF方式下，竊聽信道總的信噪比為：

3-3)由上述公式(9)和(10)、(13)和(14)、(19)和(20)、(23)和(24)可知，四種組合方案下的瞬時接收信噪比的統(tǒng)計特性與γ_SR、γ_RD、有關(guān)；由于VLC鏈路的瞬時接收信噪比高度依賴于光收發(fā)器的參數(shù)以及光收發(fā)器之間的距離，因此如果這些參數(shù)給定，則γ_SR視作一個常數(shù)，分別對γ_RD、和的統(tǒng)計特性進(jìn)行分析討論：

假設(shè)α_RI,i和α_ID,i服從瑞利分布，則α_RI,iα_ID,i的均值為π/4，方差為1-π²/16，其中π為圓周率；當(dāng)N非常大時，根據(jù)中心極限定理，Z_RD服從高斯隨機(jī)分布，即因此，γ_RD服從自由度為1的非中心卡方分布，其概率密度函數(shù)為：

對公式(25)進(jìn)行積分，得到γ_RD的累積分布函數(shù)為：

其中I_-1/2(·)為第一類修正貝塞爾函數(shù)，Q_m(a,b)為馬庫姆Q函數(shù)，m為馬庫姆Q函數(shù)的階次指數(shù)，a和b為馬庫姆Q函數(shù)的實(shí)參數(shù)；

同理，根據(jù)中心極限定理Z_RE可近似為高斯隨機(jī)分布，則推出為復(fù)高斯隨機(jī)分布，那么服從參數(shù)為的指數(shù)隨機(jī)分布，其概率密度函數(shù)為：

對公式(27)進(jìn)行積分，得到的累積分布函數(shù)為：

假設(shè)R-E鏈路服從瑞利分布，則的概率密度函數(shù)為：

對公式(29)進(jìn)行積分，得到的累積分布函數(shù)為：

步驟4)中，分別計算混合網(wǎng)絡(luò)在不同竊聽場景和中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式下系統(tǒng)的安全中斷概率和非零安全容量概率及其對應(yīng)漸近值，具體如下：

4-1-1)所述的安全中斷概率定義為系統(tǒng)的安全容量小于給定閾值的概率，其定義式為：

P_SOP＝Pr{ln(1+γ_D)-ln(1+γ_E)≤C_th}???????(31)

其中C_th為保密容量閾值；

將步驟3)中的公式(9)和(10)、(13)和(14)分別代入公式(31)，得到場景I中繼R工作在DF方式下，系統(tǒng)的安全中斷概率為：

場景I中繼R工作在AF方式下，系統(tǒng)的安全中斷概率為：

其中p＝Θ-1，M₁＝1/Θλ_E，

S＝Θγ_SR/(Θ-1)-1，

K_i(i＝1,2,3)和L_i(i＝1,2,3)中erf(·)表示誤差函數(shù)；

將步驟3)中的公式(19)和(20)、(23)和(24)分別代入公式(31)，得到場景II中繼R工作在DF方式下，系統(tǒng)的安全中斷概率為：

場景II中繼R工作在AF方式下，系統(tǒng)的安全中斷概率為：

其中

4-1-2)對系統(tǒng)的安全中斷概率進(jìn)行漸近分析，具體是：

由于當(dāng)時，有δ→∞，進(jìn)而推得將這些漸進(jìn)結(jié)果分別代入公式(32)和(33)、(34)和(35)，得到場景I中繼R工作在DF方式下，系統(tǒng)的安全中斷概率漸進(jìn)表達(dá)式為：

場景I中繼R工作在AF方式下，系統(tǒng)的安全中斷概率漸進(jìn)表達(dá)式為：

場景II中繼R工作在DF方式下，系統(tǒng)的安全中斷概率漸進(jìn)表達(dá)式為：

場景II中繼R工作在AF方式下，系統(tǒng)的安全中斷概率漸進(jìn)表達(dá)式為：

4-2-1)所述的非零安全容量概率定義為系統(tǒng)的安全容量大于零的概率，其定義式為：

P_SPSC＝Pr{ln(1+γ_D)-ln(1+γ_E)＞0}?(40)

將步驟3)中的公式(9)和(10)、(13)和(14)分別代入公式(40)，得到場景I中繼R工作在DF方式下，系統(tǒng)的非零安全容量概率為：

場景I中繼R工作在AF方式下，系統(tǒng)的非零安全容量概率為：

其中V₁＝1/λ_E，

將步驟3)中的公式(19)和(20)、(23)和(24)分別代入公式(40)，得到場景II中繼R工作在DF方式下，系統(tǒng)的非零安全容量概率為：

場景II中繼R工作在AF方式下，系統(tǒng)的非零安全容量概率為：

其中

4-2-2)為了更加清楚的了解各個參數(shù)對系統(tǒng)非零安全容量概率的影響，對系統(tǒng)的非零安全容量概率進(jìn)行漸近分析，具體是：

當(dāng)時，得到場景I中繼R工作在DF方式下，系統(tǒng)的非零安全容量概率漸進(jìn)表達(dá)式為：

場景I中繼R工作在AF方式下，系統(tǒng)的非零安全容量概率漸進(jìn)表達(dá)式為：

場景II中繼R工作在DF方式下，系統(tǒng)的非零安全容量概率漸進(jìn)表達(dá)式為：

場景II中繼R工作在AF方式下，系統(tǒng)的非零安全容量概率漸進(jìn)表達(dá)式為：