[发明专利]一种面向多用户的VLC/RF混合网络安全增强方法

权利要求书

1.一种面向多用户的VLC/RF混合网络安全增强方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)建立VLC/RF混合网络的安全通信模型：设VLC/RF混合网络中包含多个VLC接入点和一个RF接入点，多个合法用户及一个窃听者；各个VLC接入点工作在不同频段以避免光小区间干扰；VLC接入点与RF接入点因工作频段不同而彼此之间无干扰；每个接入点具有多个发射天线；合法用户和窃听者均具有单个RF接收天线和单个光电探测器PD，以接收或检测信号；假设合法用户的位置已知而窃听者处于被动窃听状态，则每个接入点可获得合法用户的信道状态信息CSI，而只能获得窃听信道CSI的估计值；

2)根据步骤1)建立VLC/RF混合网络的安全通信模型，进行网络通信时，采用如下步骤：

2-1)假设混合网络的VLC接入点个数为N个，RF接入点个数为1个，则接入点集合为N＝{0,1,2,...,N}，其中n＝0表示RF接入点，n为其它值时表示VLC接入点，n是集合N中的某一个接入点；每个VLC接入点具有M个内置LED以发射信号，RF接入点具有M个发射天线；合法用户的集合为K＝{1,2,...,K}；

2-2)若合法用户k选择VLC网络进行通信，k∈K，即n∈{1,2,...,N}时，合法用户和窃听者的接收信号表达式分别为：

公式(1)、(2)中，y_k,n表示合法用户k接收的来自VLC接入点n的信号；[·]^T表示转置运算；h_k,n表示VLC接入点n到用户k的合法信道增益，是一个M×1维的矢量：其任一元素值为其中t表示LED的朗伯发射阶数，ρ表示PD接收机的物理检测面积，d_m,k,n为VLC接入点n第m个LED与用户k之间的距离，m∈{1,2,...,M}，φ_m,k,n是LED辐射角，ψ_m,k,n是PD接收机的入射角且0≤ψ_m,k,n≤Ψ_c，Ψ_c为PD的视场；w_k,n表示VLC接入点n到用户k合法信道的波束成形矢量，是个M×1维矢量；x_k,n表示VLC接入点n发送给用户k的发送信号；I_DC,n为VLC信道的直流增益，通过PD接收机中的隔直电路消除；z_k,n表示VLC接入点n到用户k的合法信道的加性高斯白噪声，均值为0，方差为y_E,n表示窃听者E窃听的来自VLC接入点n的信号；h_E,n表示VLC接入点n到窃听者的窃听信道增益，其估计值为||Δh_E,n||≤δ_n，其中为准确的VLC窃听信道增益，Δh_E,n为VLC窃听信道CSI的估计误差，δ_n为误差最大值；z_E,n表示VLC窃听信道的加性高斯白噪声，均值为0，方差为

2-3)若合法用户k选择RF网络进行通信，k∈K，即当n＝0时，合法用户和窃听者的接收信号表达式分别为：

公式(3)、(4)中，y_k,0表示合法用户k接收的来自RF接入点的信号；h_k,0表示RF接入点到用户k的合法信道增益，且是个M×1维矢量；假设h_k,0的M个元素独立同服从复高斯分布；z_k,0表示RF接入点到用户k的合法信道的加性高斯白噪声，均值为0，方差为y_E,0表示窃听者接收来自RF接入点的信号；h_E,0表示RF接入点到窃听者的窃听信道增益，因其CSI非完美，估计值为||Δh_E,0||≤δ₀，其中为准确的RF窃听信道增益，Δh_E,0为RF窃听信道CSI的估计误差，δ₀为RF接入点误差最大值；z_E,0表示RF窃听信道的加性高斯白噪声，均值为0，方差为

3)面向多用户的VLC/RF混合网络通信中，若多个用户选择接入同一接入点，将导致多用户间干扰，假设发送端已知合法用户的CSI，则采用迫零技术来消除用户间干扰，以实现发送端与合法用户之间的消息保密传输，即VLC接入点和RF接入点的发送信号均需满足：

4)基于VLC/RF混合网络安全通信模型，若合法用户k选择VLC网络进行通信，k∈K，则VLC接入点n，n∈{1,2,...,N}到用户k合法信道的信道容量表示为：

假设窃听者具有较强的信号检测能力，且能够区分发送端发给不同用户的信息，则合法用户k选择VLC网络进行通信时，k∈K，窃听者窃听用户k的信道容量表示为：

上述公式(6)和(7)中γ为光电响应系数，π为数学常数，e为自然对数；

若合法用户k选择RF网络进行通信，k∈K，则RF接入点n＝0到用户k合法信道的信道容量表示为：

窃听者窃听用户k的信道容量表示为：

5)针对步骤4)的合法信道与窃听信道的信道容量，整合公式(8)和(9)，则窃听者窃听用户k(k∈K)的信号功率为因窃听者的CSI非完美，一直成立；当“＝”成立时，窃听者窃取的信息最多，因此，当用户k选择VLC接入点时，k∈K，其安全速率的下界为：

当用户k选择RF接入点n＝0时，k∈K，其安全速率C_k,0的下界为：

6)为实现多用户VLC/RF混合网络通信的安全增强，通过联合设计用户的接入点选择和接入点的功率分配，形成VLC/RF混合网络的和安全速率最大化问题，该优化问题具体表示为：

上述问题(12)中任一用户只能选择一个接入点进行通信，用约束C4表示，其中s_k,n表示用户k与接入点n之间的关联度；当s_k,n＝0时，用户k未选择接入点n，当s_k,n＝1时，用户k选择了接入点n，正如约束C5所描述的；约束C1表示任意接入点发送给其所关联用户的信号彼此相互正交；约束C2表示用户选择并接入某一接入点后，用户的安全速率需不低于某一安全阈值Δ_th；约束C3表示接入点n给其所关联用户进行功率分配时，功率之和不高于发送功率的上限P_max；

7)将和安全速率最大化问题，分解为两个子问题：一是接入点对所关联用户的功率分配问题，二是用户选择安全接入点的问题，通过子问题的交替优化使VLC/RF混合网络中多用户的和安全速率达到最大，两个子问题分别通过功率分配优化算法、基于序列形成联盟的博弈算法进行求解，获得接入点所有关联用户的最优功率值和用户选择的安全接入点；

步骤7)中，功率分配优化算法的求解，具体实现步骤如下：

7-1-1)假定用户已经选定接入点，每个接入点向其所关联的用户进行功率分配，假设接入点n所关联的用户集合为且满足且为集合运算中的“包含于”符号，因此对任一接入点n，优化问题(12)简化为：

7-1-2)针对问题(13)，将波束矢量w_k,n拆分，并用来表示，其中，P_k,n为功率，为单位波束且满足其中1是元素均为1的M×1维矢量，因此对任一接入点n，问题(13)进一步表示为：

问题(14)是一个严格凸问题，使用MATLAB的CVX工具箱直接求出波束的最优值；

7-1-3)将7-1-2)中求出的最优波束值代入公式(13)，则优化问题表示为：

上述问题(15)中对接入点n，n∈N所关联的任一用户参数A_k,n和B_k,n分别表示为：

其中N\{0}表示接入点集合N除去RF接入点n＝0后的所有VLC接入点集合；

根据公式(16)，问题(15)的目标函数分为以下情况：

由公式(17)可知：当A_k,nB_k,n时，安全速率＝0，无需进行功率分配，因此只需考虑A_k,nB_k,n的情况，通过计算问题(15)中目标函数的海森矩阵，可知当A_k,nB_k,n时，目标函数是凸的；而且约束C1是凸的，C2和C3为线性约束，即问题(15)为凸问题；

7-1-4)根据步骤7-1-3)可知，接入点n所关联用户k的安全速率C_k,n在一定范围内取值，即因此，问题(15)的求解采用以下步骤：首先，假设接入点n所关联用户k的安全速率C_k,n取[Δ_th,Δ_max]范围内的一个值；然后，针对所有关联用户的和安全速率值接入点n对其所关联用户进行功率分配，即达成C2和C3约束；然而在接入点n进行功率分配时，总会出现所分配的功率值不满足约束C2的情况，因此，最终需结合二分法利用迭代的思想寻找满足问题(15)所有约束的最优功率值

固定C_k,n情况下，问题(15)转化为功率最小化问题：

功率最小化问题(18)对应的拉格朗日函数表述为：其中λ_k,n和v_k,n为拉格朗日乘子项，根据KKT最优性条件，得问题(18)的最优功率值

由公式(19)可知计算出的最优功率值中还存在未知变量λ_k,n，因此针对给定的C_k,n，计算满足

的最优功率值然后，再将公式(20)计算出的最优功率值代入到公式(19)中，计算拉格朗日乘子λ_k,n并判断其取值范围，最终获得问题(18)的最优功率解的确切值

在功率优化问题公式(18)中，针对任一接入点n基于二分法利用迭代的思想对其所关联用户k进行功率分配时的最优功率分配算法，用下述算法1描述：

算法1最优功率分配算法，其流程如下：

1、针对当前接入点n设置：对和

2、计算接入点n所有关联用户的

3、由公式(20)计算得到再由公式(19)求得拉格朗日乘子λ_k,n，根据λ_k,n所在的区间，记录公式(18)中每个用户的功率值；

4、计算当前接入点n所有关联用户的功率和，即公式(18)的目标函数；

5、如果则令否则令

6、直到否则重复计算2至5，其中ε是一个很小的正常数，作为终止迭代过程的预定阈值；

7、输出当前接入点所有关联用户的最优功率值

8、重复以上1-7，直到所有接入点所关联的用户均计算完成；

步骤7)中，基于序列形成联盟的博弈算法的求解，具体实现步骤如下：

7-2-1)将用户安全接入点选择定义为一场博弈(K,U)，其中K为由所有K个用户组成的玩家集合K＝{1,2,...,K}，U为不可转移的效用函数，接入点n关联的所有用户用一个联盟S_n表示，n∈N,其中S表示联盟集合，S＝{S₀,S₁,...,S_N}；且表示空集，∪表示求集合的并；则单个联盟效用函数U(S_n)的表达式为：

其中u_k(S_n)表示用户k在联盟S_n(n∈N)的收益；

7-2-2)考虑到VLC/RF混合网络中VLC子网络的覆盖范围有限以及部分用户对安全传输速率有较高需求等情况，选择只能使用VLC网络或者RF网络的主导用户作为联盟头CH，且一个联盟内只有一个CH用户，其余用户则作为联盟成员CM，分配到不同的联盟内，以此形成多个联盟；VLC/RF混合网络的接入点个数(N+1)等于联盟个数，也等于CH个数，且N+1≤K，因此，所有联盟的CH构成集合V＝{1,2,..,N+1}，而联盟成员CM则构成集合U＝{N+2,..,K}，且V∪U＝K，其中“∪”表示集合的并，联盟形成后，CH将依次发布提议，邀请其他联盟内CM加入自己联盟组；

具体的，针对联盟S_n，n∈N,中CHi，i∈V的策略集表示为：

对于被邀请的联盟S_z中CMj，j∈U，其可以同意也可以拒绝该提议，而判决条件则是基于被邀请的CM所属的联盟以及当前正在提议的联盟的效用函数之间的关系，具体的，若联盟S_n，n∈N,中的CHi对联盟S_z，z∈N,中的CMj发布提议，则CMj的行动策略表示为：

其中S_z\{j}表示CMj退出联盟S_z，S_n∪{j}表示CMj加入联盟S_n，由公式(23)可知，若改变当前联盟结构，两个联盟的效用函数值之和增加，则CMj接受提议；若改变当前联盟结构后，两个联盟的效用函数值之和下降，则CMj保持当前联盟结构，拒绝提议；

7-2-3)在步骤7-2-1)和步骤7-2-2)的基础上，基于序列形成联盟的博弈算法，由算法2表示：

算法2基于序列形成联盟博弈算法

1、初始化：首先，选取每个联盟的CH；接着，所有剩余用户作为CM随机分配到不同的联盟；

2、循环：对于任意联盟S_n，n∈N,中的CHi，i∈V；

3、提议阶段：CHi依次对其他联盟内的CM发布新的提议；

4、回应阶段：对于任意联盟S_z，z≠n,z∈N,内的CMj，j∈U：如果CMj接受当前提议后，联盟S_n和S_z的效用函数值之和增加，则CMj接受该提议，离开当前联盟S_z并加入S_n；否则CMj留在当前联盟S_z；

5、直到没有任何CMs接受任何提议，记录最后形成的联盟结构。