一种基于光学RIS辅助的可见光隐蔽通信系统

本发明属于可见光通信领域，具体涉及一种基于光学可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface，ris)辅助的可见光隐蔽通信系统。

背景技术：

1、随着通信技术的不断发展，频谱资源日益紧缺，第五代移动通信(fifthgeneration mobile communication technology，5g)已将频谱范围扩展至毫米波频段。随着第六代移动通信(sixth generation mobile communication technology，6g)发展的需要，频率更高的拍赫兹(petahertz，phz)频段，成为6g的候选者。作为phz通信的重要组成部分，可见光通信(visible light communication，vlc)在过去几十年中得到了广泛研究。由于可见光难以穿透非透明遮挡，vlc具有天然的安全优势，有望被部署在室内保密通信场景中。然而，当vlc部署于室内公共空间时，vlc仍存在被劫持和旁路监听的风险。

2、作为通信安全领域技术，隐蔽通信可以实现通信双方的隐藏信息传输，防止通信信号被恶意窃听者发现，即信号隐蔽，若恶意窃听者无法确认信号的存在，则难以实施进一步的非法行为。同时，ris通过对反射与折射路径的智能调控，有望重新构建适用于隐蔽传输的无线光传播环境。目前，在vlc系统中，主要存在三类光学ris。第一种是基于镜面阵列的光ris(简称mris)，它通过在两个空间自由度上调整镜面的旋转角度来智能调节光反射环境。第二种是基于可调液晶的光ris(简称lc-ris)，它通过外加可控电场改变液晶分子的空间排列来智能调节光折射环境。第三种是基于可编程超材料的光ris，它利用新型合成材料改变入射光的相位梯度。由于基于可编程超材料的光ris价格昂贵，实用困难，因此，本发明主要基于前2种光ris构建可见光隐蔽通信系统。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供了一种基于光学ris辅助的可见光隐蔽通信系统。综合利用mris和lc-ris对无线光反射与折射环境的智能调控，在隐蔽传输的约束下，实现合法用户传输速率最大化。

2、本发明提供如下的技术方案：

3、一种基于光学ris辅助的可见光隐蔽通信系统，其特征在于，包括如下内容：

4、步骤1、确定室内可见光隐蔽通信系统中发送端，合法用户和非法窃听者的位置信息；

5、步骤2、将基于镜面阵列的光学ris部署在室内墙面上，将基于可调液晶的光学ris部署在合法用户与窃听者的接收机表面；

6、步骤3、在光学ris辅助的可见光隐蔽通信系统中，建立发送端与合法用户之间的通信信道模型、发送端与窃听者之间的检测信道模型；

7、步骤4、为考虑系统隐蔽传输受到最大威胁的情况，计算能使窃听者获得最佳检测效果的可调液晶ris的参数，建立系统隐蔽传输约束；

8、步骤5、可见光通信系统隐蔽传输约束下，以合法用户传输速率最大为目标，联合优化合法用户接收机的可调液晶ris的参数、系统的镜面阵列ris配置参数与发射机功率，构建出基于光学ris辅助的可见光隐蔽通信系统。

9、进一步，步骤3中，发送端与合法用户之间的通信信道模型通过以下公式确定：

10、

11、其中，yb[i]表示合法用户在第i个信道的接收信号，x[i]表示第i个信道中的发送信号，表示发送端与合法用户之间的直射信道增益，表示合法用户的可调液晶ris辅助接收机提供的增益，表示发送端与合法用户之间经过镜面阵列ris中第k个镜面单元反射的信道增益，nm表示镜面阵列ris中的镜面单元总数。

12、进一步，步骤3中，发送端与窃听者之间的检测信道模型通过二元假设检验方法确定：零假设表示发送端没有向合法用户发送消息；备择假设表示发送端正在向合法用户发送消息。因此，窃听者在第i个信道的接收信号yw[i]通过以下公式确定：

13、

14、其中，表示发送端与窃听者之间的直射信道增益，表示窃听者的可调液晶ris辅助接收机提供的增益，表示发送端与窃听者之间经过镜面阵列ris中第k个镜面单元反射的信道增益。

15、进一步，步骤4中，系统隐蔽传输约束通过求解以下优化问题确定：

16、

17、其中，ηw表示窃听者的接收机上可调液晶ris折射率，η1和η2分别表示可调液晶ris折射率的下限和上限，pe表示窃听者的检测错误概率，由以下公式确定：

18、pe＝(α+β)/2

19、其中，当假设为真时，误判称为虚警，α表示虚警概率；当假设为真时，误判称为漏检，β表示漏检概率，根据求解得的最优解系统隐蔽传输约束通过以下公式确定：

20、

21、其中，n为信道数目，为窃听者在n个信道的接收信号矢量，p1(yw)表示发生的概率密度函数(probability density function，pdf)，p0(yw)表示发生的pdf，表示相对熵函数，其表达式与有关，ε为常数。

22、进一步，步骤5中，系统联合优化问题通过以下公式确定：

23、

24、其中，ηb表示合法用户的接收机上可调液晶ris折射率，γk与ωk分别表示第k个镜面单元的旋转横滚角和偏航角，γ与ω分别表示镜面阵列的旋转横滚角和偏航角组成的维度为nm×1的矢量，p表示发送端发射功率，rb(ηb，γ，ω，p)表示合法用户的传输速率，c1为步骤4所得可见光通信系统隐蔽传输约束，c2为折射率约束，c3和c4为镜面旋转约束，采用逐步解耦的方法求解系统级优化问题，构建出基于光学ris辅助的可见光隐蔽通信系统。

25、本发明的有益效果在于：

26、本发明针对室内公共空间vlc系统隐蔽传输问题，从二元假设理论出发，建模vlc隐蔽传输约束，通过对两种光ris的部署与联合调控，实现隐蔽传输速率最大化。仿真结果表明，光ris辅助的vlc系统可以实现较强的隐蔽性。本发明的工程实现简单、适应性强，为实现光ris辅助的可见光隐蔽通信系统提供了依据。

技术特征：

1.一种基于光学可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface，ris)辅助的可见光隐蔽通信系统，其特征在于，包括如下内容：

2.根据权利要求1所述的基于光学ris辅助的可见光隐蔽通信系统，其特征在于，所述步骤3中，发送端与合法用户之间的通信信道模型通过以下公式确定：

3.根据权利要求1所述的基于光学ris辅助的可见光隐蔽通信系统，其特征在于，所述步骤3中，发送端与窃听者之间的检测信道模型通过二元假设检验方法确定：零假设表示发送端没有向合法用户发送消息；备择假设表示发送端正在向合法用户发送消息。因此，窃听者在第i个信道的接收信号yw[i]通过以下公式确定：

4.根据权利要求1所述的基于光学ris辅助的可见光隐蔽通信系统，其特征在于，所述步骤4中，系统隐蔽传输约束通过求解以下优化问题确定：

5.根据权利要求1所述的基于光学ris辅助的可见光隐蔽通信系统，其特征在于，所述步骤5中，系统联合优化问题通过以下公式确定：

技术总结
本发明公开了一种基于光学智能反射面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)辅助的可见光隐蔽通信系统，属于可见光通信安全技术领域。由于无线光传输的发散性，部署在公共空间的可见光通信系统存在被非法用户窃听的风险。为实现可见光隐蔽通信，本发明提出通过综合部署基于智能镜面阵列的光RIS和基于可调液晶的光RIS，在考虑系统隐蔽传输受到最大威胁的情况下，以合法用户传输速率最大为目标，联合优化合法用户接收机的可调液晶RIS的参数、系统的镜面阵列RIS配置参数与发射机功率，构建可见光隐蔽通信系统。本发明可有效提高可见光通信系统中合法用户的隐蔽传输速率，为改善室内无线光通信安全提供了理论依据。

技术研发人员：钱磊,吴方乾,张晨光,王迪,闫淑霞,李玉强
受保护的技术使用者：天津工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5