CN214045632U - 非朗伯人工加扰辅助的可见光保密通信发射器装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及可见光保密通信装置技术领域，是一种非朗伯人工加扰辅助的可见光保密通信发射器装置，合路器与驱动电路的输入端电连接，驱动电路的输出端与可见光无线发射器的输入端电连接，可见光无线发射器是空间分布式可见光无线发射器或空间集中式可见光无线发射器，空间分布式可见光无线发射器或空间集中式可见光无线发射器中的可见光无线发射器采用非朗伯发射器，可见光无线发射器的信号输出端与接收端的输入端通信连接。接收端包含目标用户Bob以及潜在的窃听用户Eve。能够确保目标用户Bob的接收信噪比，并不会受到人造噪声的负面干扰，从而整体上提升目标用户Bob的物理层安全水平。

Description

非朗伯人工加扰辅助的可见光保密通信发射器装置

技术领域

本实用新型涉及可见光保密通信装置技术领域，是一种非朗伯人工加扰辅助的可见光保密通信发射器装置。

背景技术

目前，可见光保密通信技术方案仍局限于布放分布式商用固态(以LED为代表)光源阵列的室内无线场景。在此类场景中，每个光源阵列作为一个可见光无线发射器。在此类场景的建模分析中，国际已发表文献通常假设光源阵列具备全向空间辐射特性，遵从朗伯空间辐射模型。典型地，2014年加拿大不列颠哥伦比亚大学的Ayman Mostafa研究团队在公开发表的文献“Physical-Layer Security for Indoor Visible Light Communications”一文中，尝试将人造噪声加扰引入到2×2组分布式朗伯光源阵列室内场景。必须指出，此类技术方案仍然伴随着显著技术缺陷。一方面，此类方案仅仅讨论了朗伯式的光源阵列配置。必须充分认识到保密可见光无线链路所涉及固态光源的首要基础性功能是为室内、室外、道路、车辆、隧道等不同场景提供定制化照明。为满足不同的定制照明需求，照明灯具厂商通常需要借助波束辐射特性的二次配光设计。典型的二次配光设计方法包括在原始固态光源上加装反射杯、自由曲面透镜等二次配光元件。

一般来说，经过厂商二次配光的固态光源可以将主要光功率投射到目标照明区域，上述定制光源的辐射特性通常是非朗伯的，明显不同于传统朗伯空间辐射特性。另一方面，现有的基于朗伯人造噪声源的保密可见光无线链路方案仅仅适用于分布式阵列式可见光无线发射器配置，无法服务于仅具备单一可见光无线发射器的众多室内场景。

发明内容

本实用新型提供了一种非朗伯人工加扰辅助的可见光保密通信发射器装置，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有基于人造噪声源的保密可见光无线链路方案无法服务于仅具备单一可见光无线发射器的众多室内场景的问题。

本实用新型的技术方案是通过以下措施来实现的：一种非朗伯人工加扰辅助的可见光保密通信发射器装置，包括合路器，可见光无线发射器，驱动电路以及接收端，合路器与驱动电路的输入端电连接，驱动电路的输出端与可见光无线发射器的输入端电连接，可见光无线发射器是空间分布式可见光无线发射器或空间集中式可见光无线发射器，空间分布式可见光无线发射器或空间集中式可见光无线发射器中的可见光无线发射器采用非朗伯发射器，可见光无线发射器的信号输出端与接收端的输入端通信连接，接收端包含目标用户Bob以及潜在的窃听用户Eve。

下面是对上述实用新型技术方案的进一步优化或/和改进：

上述空间分布式可见光无线发射器是N个可见光无线发射器被均匀地分布于用户的天花板上，N大于1。

上述空间集中式可见光无线发射器是仅有单一的可见光无线发射器被置于用户的天花板上，该单一可见光无线发射器由N个非朗伯发射器子阵列构成，N大于1。

上述合路器将数据信号及人造噪声源信号合为一路数据流信号。

上述驱动电路包括直流源和偏置器，直流源和偏置器电连接。

基于人造噪声源的可见光保密通信方法能够服务于本实用新型中所述空间分布式或集中式可见光无线发射器配置，既借助本实用新型中的非朗伯光源发出的非朗伯光束进行非朗伯人工加扰，又利用本实用新型中的非朗伯光源进行通信数据的加载，借助人造噪声源来劣化潜在的窃听用户Eve的接收信噪比，同时确保目标用户Bob的接收信噪比，并不会受到人造噪声的负面干扰，从而整体上提升目标用户Bob的物理层安全水平。

附图说明

附图1为本实用新型可见光保密通信发射器装置结构示意图。

附图2为驱动电路的结构示意图。

附图3为空间集中式可见光无线发射器配置的应用场景图之一(平面式几何结构，3组非朗伯波束)。

附图4为空间分布式可见光无线发射器配置的应用场景图之一(平面式几何结构，3组非朗伯波束)的示意图。

附图5为空间集中式可见光无线发射器配置的应用场景图之二(平面式几何结构，4组非朗伯波束)的示意图。

附图6为空间分布式可见光无线发射器配置的应用场景图之二(平面式几何结构，4组非朗伯波束)的示意图。

附图7为本实用新型使用流程的***框图。

附图8为本实用新型目标用户接收信号流程框图。

附图9为本实用新型窃听用户接收信号流程框图。

附图中，1为可见光无线发射器，2为非朗伯波束，3为目标用户，4为窃听用户，5为处理控制单元，6为网络中心，与外网相连接。

具体实施方式

本实用新型不受下述实施例的限制，可根据本实用新型的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

在本实用新型中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图3的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图3的布图方向来确定的。

为了便于说明，本实用新型中的非朗伯发射器以非朗伯光源(例如LED光源)进行说明。

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步描述：

如附图1所示，该非朗伯人工加扰辅助的可见光保密通信发射器装置包括合路器，可见光无线发射器，驱动电路以及接收端，合路器与驱动电路的输入端电连接，驱动电路的输出端与可见光无线发射器的输入端电连接，可见光无线发射器是空间分布式可见光无线发射器或空间集中式可见光无线发射器，空间分布式可见光无线发射器或空间集中式可见光无线发射器中的可见光无线发射器采用非朗伯发射器，可见光无线发射器的信号输出端与接收端的输入端通信连接，接收端包含目标用户Bob以及潜在的窃听用户Eve。

如附图2所示，驱动电路包括直流源和偏置器，直流源和偏置器电连接。

如附图3至6所示，该非朗伯人工加扰辅助的可见光保密通信发射器装置包括空间分布式可见光无线发射器或空间集中式可见光无线发射器，均采用非朗伯发射器。

所述空间分布式可见光无线发射器借助非朗伯发射器的空间布局，空间集中式可见光无线发射器借助集成一体的非朗伯发射器，实现在同一用户位置提供多路光信号重叠覆盖。基于人造噪声加扰技术的保密可见光无线链路方案能够服务于本实用新型所述空间集中式可见光无线发射器(即仅具备单一可见光无线发射器)配置的众多室内场景，当然也能服务于空间分布式可见光无线发射器配置的室内场景。

可根据实际需要，对上述非朗伯人工加扰辅助的可见光保密通信发射器装置作进一步优化或/和改进：

如附图4、6所示，空间分布式可见光无线发射器是N个可见光无线发射器被均匀地分布于用户的天花板上，N大于1。

如附图3、5所示，空间集中式可见光无线发射器是仅有单一的可见光无线发射器被置于用户的天花板上，该单一可见光无线发射器由N个非朗伯发射器子阵列构成，N大于1。

单一可见光无线发射器由N个非朗伯发射器子阵列构成，集成一体封装而成。

原始数据流信号进入偏置器，与直流源的直流信号叠加输出驱动信号，驱动非朗伯光源(例如LED光源)发射出光束。

如附图7、8、9所示，借助本实用新型进行可见光保密通信的方法如下，包括下述步骤：

步骤一，如附图4、6所示，空间分布式可见光无线发射器配置是N_array个尺寸相同的可见光无线发射器被均匀地分布于天花板上，可见光无线发射器采用具有异构波束特性的固态光源(如LED)，所述分布于室内天花板上的固态光源构成紧凑型光源阵列，并将所述光源阵列作为可见光信号发射器，在上述空间分布式可见光无线发射器配置下，同一信号接收平面的不同接收位置处能获得具有显著差异的可见光信道增益矢量(矢量的长度是N_array)，上述可见光信道增益矢量的差异程度受到两方面因素的影响：(1)各个空间分布式可见光无线发射器到不同接收位置的链路长度差异；(2)各个空间分布式可见光无线发射器到不同接收位置方位的强度差异。

在上述空间分布式可见光无线发射器配置下，第i个可见光无线发射器到接收平面上任意接收位置的视线(LOS)信道增益

表示：

其中，A_R代表用户接收器光电二极管的探测面积，d_array，i代表第i个可见光无线发射器与用户接收器之间的LOS距离，θ代表可见光信号相对当前可见光无线发射器法向的出射俯仰角，φ代表可见光信号相对当前可见光无线发射器法向的出射方位角，

代表在(θ，φ)空间方向上当前可见光无线发射器空间波束的辐射强度，若该可见光无线发射器空间波束是旋转对称波束，则其辐射强度不依赖出射方位角φ，相应的辐射强度表示为

γ代表可见光信号在用户接收器上的入射角，

代表接收器的视场角，r代表接收器的光电响应度；

如附图3、5所示，空间集中式可见光无线发射器配置是仅有单一的可见光无线发射器被置于天花板上(代表性位置为天花板的中心位置处)，该单一可见光无线发射器由N_{sub_array}个小尺寸的固态光源(如LED)子阵列构成，根据所需几何结构需求封装而成，并将所述光源子阵列作为可见光信号发射器，每个光源子阵列之间具备差异化辐射特性，使不同光源子阵列在同一接收平面上相同接收位置方位处提供迥异的可见光信道增益，

在上述空间集中式可见光无线发射器配置下，第i个可见光无线发射器子阵列到接收平面上任意接受位置的视线(LOS)信道增益

表示：

其中，A_R代表用户接收器光电二极管的探测面积，d_{sub_array，i}代表第i个可见光无线发射器子阵列与用户接收器之间的LOS距离，θ代表可见光信号相对当前光源子阵列法向的出射俯仰角，φ代表可见光信号相对光源子阵列法向的出射方位角，

代表在(θ，φ)空间方向上当前光源子阵列空间波束的辐射强度，若该光源子阵列空间波束是旋转对称波束，则其辐射强度不依赖出射方位角φ，相应的辐射强度表示

γ代表可见光信号在用户接收器上的入射角，

表接收器的视场角，r代表接收器的光电响应度；

步骤二，在空间分布式可见光无线发射器配置下，根据已掌握的目标用户Bob的CSI构造，构造目标用户Bob的归一化信道矢量：

其中，

代表目标用户Bob的归一化信道矢量，[.]^T代表矩阵转置运算，

是第i个分布式光源阵列发射器到目标用户Bob的信道增益，

为目标用户Bob信道矢量的归一化因子，其取值为

这样一来，

||.||₁代表1-范数运算算子，与此同时，构造目标用户的信道矢量：

进而求得该信道矢量所对应的(N_array－1)个零空间列矢量

(矢量尺寸为1×N_array)，将上述(N_array－1)个零空间列矢量

组合成尺寸为N_array×(N_array－1)的目标用户零空间矩阵Ψ_bob；

在集中式可见光无线发射器配置下，根据已掌握的目标用户Bob的CSI构造，构造目标用户的信道矢量：

其中[.]^T代表矩阵转置运算，

是第j个集中式光源子阵列到窃听用户的信道增益，进而求得该信道矢量所对应的(N_{sub_array}－1)个零空间列矢量

(矢量尺寸为1×N_{sub_array})，将(N_{sub_array}－1)个零空间列矢量

组合成尺寸为N_{sub_array}×(N_{sub_array}－1)的零空间矩阵Ψ_bob；

步骤三，可见光信号发射器需要保持总发射功率保持恒定的条件下，将一部分发射功率用于发送数据符号，同时将剩余的发射功率用于发送人造噪声，有用数据符号发射功率的所占比例为ρ，人造噪声发射功率的所占比例为(1-ρ)，考虑到可见光无线发射器不掌握窃听用户Eve的信道状态信息，比例为(1-ρ)的人造噪声发射功率均等地分配于空间分布式可见光无线发射器配置下(N_array－1)个置零空间方向(零空间列矢量)

或者比例为(1-ρ)的人造噪声发射功率均等地分配于空间集中式可见光无线发射器配置下的(N_{sub_array}－1)个可置零空间方向

因此，在空间分布式可见光无线发射器配置下，对应于分布式光源阵列(紧凑型光源阵列)的发送信号矢量表示为：

其中，α∈[0,1]代表光源的强度调制指数，d∈[-1,1]代表发送的数据符号，J_i∈[-1,1]，i∈{1,2,…N_array-1}代表发送的人造噪声信号，k作为一个缩放常数，其作用是约束发送信号矢量的峰值信号水平，

在空间集中式可见光无线发射器配置下，对应于集中式光源子阵列的发送信号矢量表示为：

其中，类似地d∈[-1,1]代表发送的数据符号，J_i∈[-1,1]，i∈{1,2,…N_{sub_array}-1}代表发送的人造噪声信号，k作为一个缩放常数，其作用是约束发送信号矢量的峰值信号水平；

步骤四，在上述空间分布式或集中式可见光无线发射器配置下，在对应的分布式光源阵列或集中式光源子阵列上同时加载包含上述步骤的数据符号和人造噪声混合信号，这样一来，目标用户Bob所接收到可见光信号表示为：

其中，k代表峰值信号水平缩放常数，α∈[0,1]代表光源的强度调制指数，h_bob代表目标用户Bob的信道矢量，ρ代表有用数据符号发射功率的所占比例，d∈[-1,1]代表发送的数据符号，z_bob代表目标用户Bob所捕获的噪声，显然根据上式，目标用户Bob并不会受到人造噪声的影响；

与此同时，空间分布式可见光无线发射器配置下，窃听用户Eve所接收到可见光信号表示为：

在空间集中式可见光无线发射器配置下，窃听用户Eve所接收到可见光信号表示为：

其中，k代表峰值信号水平缩放常数，α∈[0,1]代表光源的强度调制指数，h_bob代表目标用户的信道矢量，ρ代表有用数据符号发射功率的所占比例，d∈[-1,1]代表发送的数据符号，z_eve代表窃听用户Eve所捕获的噪声，显然根据上式，窃听用户Eve会受到人造噪声的显著干扰影响。

上述空间分布式或集中式可见光无线发射器配置下，目标用户Bob所捕获的信噪比(SNR)表示为：

与此同时，空间分布式可见光无线发射器配置下，窃听用户Eve所捕获的信噪比(SNR)表示为：

集中式可见光无线发射器配置下，窃听用户Eve所捕获的信噪比(SNR)表示为：

其中，k代表峰值信号水平缩放常数，α∈[0,1]代表光源的强度调制指数，h_bob代表目标用户的信道矢量，ρ代表有用数据符号发射功率的所占比例，

代表目标用户Bob噪声方差，

代表窃听用户Eve噪声方差。

显然，所述可见光保密通信方法能够服务于本实用新型中所述空间分布式或集中式可见光无线发射器配置，借助异构人造噪声源来劣化潜在的窃听用户Eve的接收信噪比，同时确保目标用户Bob的接收信噪比，并不会受到人造噪声的负面干扰，从而整体上提升目标用户Bob的物理层安全水平。

传统基于同构朗伯光源波束的固态商用光源阵列，由于在波束配置上的局限性，在同一用户方位仅能提供近似或相等强度的可见光信号覆盖。因此，必须借助空间分布式光源阵列才能在同一用户位置提供差异化多路光信号重叠覆盖，从而为面向保密可见光通信的人造噪声加扰提供所需的链路配置基础。一旦应用场景不具备上述分布式可见光发射器配置基础，进而就无法为同一用户位置提供所需的差异化重叠覆盖，人造噪声加扰则无法正常运行，也就无法将可切换人造噪声源瞄准目的用户接受位置之外的全部区域。

不同于现有单一朗伯光源阵列，本实用新型借助所述集中式可见光无线发射器发射非朗伯波束，构造差异化波束，使其可以在同一用户位置提供差异化多路光信号重叠覆盖。此类覆盖的差异性天然来自于波束间空间辐射特性的差异性，无需依赖空间分布式发射器配置，因而克服了现有人造噪声加扰方案在保密可见光通信应用的天然局限性。当然，上述空间分布式可见光无线发射器同样克服了现有人造噪声加扰方案在保密可见光通信应用的天然局限性。

所述可见光保密通信方法既借助本实用新型中的非朗伯光源1发出的非朗伯光束2进行非朗伯人工加扰，又利用本实用新型中的非朗伯光源1进行通信数据的加载。

上述可见光保密通信方法既支持空间集中式可见光无线发射器配置，也支持兼容性强的平面式(分布式)接入点几何结构。

基于上述，在人造噪声加扰技术引入可见光保密通信中，本实用新型适用多样化的应用场景，应用场景主要包括：(1)仅掌握目标用户的信道状态信息(CSI)的异构非朗伯保密可见光通信应用场景；(2)同时掌握目标用户及窃听用户的信道状态信息(CSI)的异构非朗伯保密可见光通信应用场景；(3)基于非朗伯商用固态光源的保密可见光传感应用场景；(4)仅具备单一固态光源发射器或发射器数量受限的可见光无线应用场景；(5)对光源发射器的几何结构有定制化需求的应用场景；(6)天花板上可见光发射器位置资源受限的应用场景。

以上技术特征构成了本实用新型的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims (7)

1.一种非朗伯人工加扰辅助的可见光保密通信发射器装置，其特征在于包括合路器，可见光无线发射器，驱动电路以及接收端，合路器与驱动电路的输入端电连接，驱动电路的输出端与可见光无线发射器的输入端电连接，可见光无线发射器是空间分布式可见光无线发射器或空间集中式可见光无线发射器，空间分布式可见光无线发射器或空间集中式可见光无线发射器中的可见光无线发射器采用非朗伯发射器，可见光无线发射器的信号输出端与接收端的输入端通信连接，接收端包含目标用户Bob以及潜在的窃听用户Eve。

2.根据权利要求1所述的非朗伯人工加扰辅助的可见光保密通信发射器装置，其特征在于空间分布式可见光无线发射器是N个可见光无线发射器被均匀地分布于用户的天花板上，N大于1。

3.根据权利要求1或2所述的非朗伯人工加扰辅助的可见光保密通信发射器装置，其特征在于空间集中式可见光无线发射器是仅有单一的可见光无线发射器被置于用户的天花板上，该单一可见光无线发射器由N个非朗伯发射器子阵列构成，N大于1。

4.根据权利要求1或2所述的非朗伯人工加扰辅助的可见光保密通信发射器装置，其特征在于合路器将数据信号及人造噪声信号合为一路数据流信号。

5.根据权利要求3所述的非朗伯人工加扰辅助的可见光保密通信发射器装置，其特征在于合路器将数据信号及人造噪声信号合为一路数据流信号。

6.根据权利要求1或2或5所述的非朗伯人工加扰辅助的可见光保密通信发射器装置，其特征在于驱动电路包括直流源和偏置器，直流源和偏置器电连接。

7.根据权利要求3所述的非朗伯人工加扰辅助的可见光保密通信发射器装置，其特征在于驱动电路包括直流源和偏置器，直流源和偏置器电连接。

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