文摘

最近,移动云计算(MCC)获得了很多感兴趣的研究人员构建下一代的移动应用程序。因为未经授权的访问可能会引起严重的问题,与MCC安全和隐私已经成为重要的问题。本文地址安全传输的保密调光能力在MCC可见光沟通(VLC)通道。通过获得entropy-maximizing符号概率的多个发光二极管(LED)基于脉冲幅度调制(PAM),数学分析的保密暗淡的VLC推导能力。仿真结果表明,该安全multi-LED-based VLC传输能力决定根据激活发光二极管的数量和目标调光水平。这可能是一个指导方针为实际VLC-based移动网络设计师想要安全的无线传输和决定激活发光二极管的数量在目标调光操作水平。

1。介绍

随着智能移动设备和云计算技术、移动云计算(MCC)已成为最重要的一个技术下一代移动服务(1- - - - - -4]。MCC是一种技术,它结合了移动设备和云计算进行数据存储和数据处理外的移动设备。MCC的使用可以提供无处不在的按需网络访问共享池的配置数据处理资源,可以迅速提供最少的管理工作的用户和服务提供者。

的无线电频谱移动设备变得越来越拥挤和发光二极管(led)更广泛用于各种入射光的应用,可见光通信(VLC)是获得吸引力作为替代传统的无线电频率(RF)数十亿需要网络的移动设备(5- - - - - -9]。VLC系统可以通过调制传输信息的强度LED在高频率(≥150 Hz),这样导致闪烁的是人眼不显明的。由于VLC大型光谱可用性和自由授权频谱,基于移动电话VLC MCC应用程序可以是一个重要的候选人。VLC适应多输入多输出(MIMO)技术,在多个发光二极管和多个打光检测器(PDs)利用,同时独立数据流传输从所有光源,因此它承诺进一步增加带宽MCC网络。

尽管移动设备的广泛使用可以导致生活水平的提高,对个人信息的泄漏是增加焦虑。而大型光谱可见光频谱的可用性当然是VLC的兴趣增长的主要原因,源于固有的安全视距传播和光波的非穿透的特性也是一个重要的问题,最迷人的差异相比,RF。这个漏洞可能更糟的是射频通信由于收音机的广播传播的本质和固有的随机性质的广播频道。尽管VLC频道展示完美的安全在一个大房间,安全传输信号的在公共场所如酒店、车站、图书馆、或飞机不能得到保证,因此它使在VLC传输通道容易受到意想不到的搭线窃听者的攻击。因为用户的隐私和完整性的数据很重要,安全通信的VLC成为学术界和产业界的一个重要话题。

最近,已经有一些研究,VLC地址安全系统。Mostafa兰佩解决安全VLC链接在物理层10)通过调查高斯窃听信道的实现保密率。曹et al。11]调查保密停机VLC下行的概率。Zhang et al。12barcode-based VLC)提出了一个安全的系统,也就是说,屏幕和相机之间的安全传输。然而,支持安全数据交换系统需要一个全双工VLC通道。我们所知,VLC的秘密调光能力使用多个发光二极管在文献中尚未被研究过。

探讨保密调光能力基于脉冲幅度调制(PAM)的VLC使用多个发光二极管。获得一个秘密调光能力,entropy-maximizing PAM符号概率数学推导。然后秘密调光的多个led VLC系统能力进行了分析。仿真结果证明的基线信息的保密调光能力multi-LED PAM-based VLC系统。获得可靠的安全传输VLC,激活发光二极管的数量应该决定根据目标调光水平。

本文的主要贡献是保密的分析推导暗淡的能力在窃听的存在。保密调光能力曲线的绘制与信噪比和目标调光比的主要通道在窃听的存在通道。这可能是一个指导方针为实际VLC-based移动网络设计师想要安全的无线传输和决定激活发光二极管的数量在目标调光操作水平。本文铺平了道路上的一项新研究保密调光能力的主要和窃听器VLC渠道。

本文的其余部分组织如下。的系统模型multi-LED PAM-based VLC方案提出了部分2。部分3地址推导entropy-maximizing PAM符号的概率。部分4报告保密调光能力的分析和评估。部分5给出了结论。

2。系统模型的Multi-LED PAM-Based VLC

VLC场景和一个发射器和一个合法的接收者的窃听器,固体和虚线代表的主要通道(合法从发射机到接收机)和窃听信道(从发射机到窃听),分别显示在图1。当发射机发送的信号,一个合法的接收器,一个窃听器可能无意中听到这样的传播由于无线介质的性质。考虑到最近的移动设备高度标准化,搭线窃听者可以很容易地获得通信信号波形等参数编码,调制方案,加密算法。此外,密钥可以访问通过穷举搜索窃听器。在这个场景中,传输信号可以解释搭线窃听者通过解码听到信号,导致合法传输是不安全的。

激活发光二极管的数量,在发射机被认为是一样的PDs合法和窃听接收器。当发送方传送 符号向量, 收到符号向量和合法的接收者和窃听器,分别给出了 ,是 加性高斯白噪声(AWGN)向量 ,在那里 满足 因为发射机的目标不仅仅是传达信息可靠合法的接收者,而且完全安全的数据窃听接收器,条件(3)应该满意。

注意强度调制直接检测(IM / DD)通常使用VLC系统中信号传输通过LED光功率的形式。在接收机中,PD是用来将光功率信号转换成电信号。通过应用MIMO技术VLC,独立数据流同时发出多个发光二极管。

PAM调制方法被认为是对于数据调制,在信息编码在一系列信号脉冲的振幅。应用MIMO概念VLC,独立PAM-modulated信号从传输激活发光二极管。由于此方法同时从几个激活发光二极管发出相同的信号,光传输功率被认为是均匀分布在所有发光二极管。对个人,PAM的强度给出阶调制 在哪里中PAM信号强度的候选人。信号强度 在个别领导不用于信号调制,以便激活和未激活的LED可以区分。

3所示。Entropy-Maximizing象征Multi-LED PAM的概率

在一个移动设备使用led作为照明源,应该确定目标调光级别根据各种照明应用。满足目标变暗的多个led VLC系统,符号的概率不同PAM-levels应该是不同的。因为有许多可能的替代方案满足给定的目标调光水平,每一个都将导致不同的熵。因此,entropy-maximizing概率分布推导出确定保密暗淡的能力。的熵PAM在个体是由领导 在哪里调制和的顺序吗是符号概率。

为了满足总传输功率约束,也就是说,调光水平约束,每个各自的发射强度总功率除以激活发光二极管的数量。通过这样做,总发射光功率是恒定不论激活发光二极管的数量。使用标准化的约束与概率密度的定义有关,个别领导考虑调光的强度约束是写成 在哪里是目标调光比和是激活发光二极管的数量。注意,目标调光比的范围 和目标设置为调光水平 。由于sum-power约束传播led,强度除以。使用符号概率 令人满意的(6),我们获得符号概率最大化(5利用拉格朗日乘数法)。注意,目标函数(5)是凹的,约束函数(6)是线性的。因此,给出了拉格朗日方程 在哪里和是标量的拉格朗日系数。最大化的问题(7)是解决问题转化为一个独立变量的优化问题。这个问题的变量 和三个方程得到的梯度对这些变量。有相同数量的方程和变量决定,可以解决这个问题。计算梯度的拉格朗日方程,函数导数(7)对变量(13), 采取了如下: 方程(8)是重新安排 方程(9)和(11)给 在哪里 方程(10)和(11)简化为 从(12)和(13),多个解决方案 得到了。然后,和解决方案是精心挑选组符号概率 负的和真实的。这个收益率(11)提供PAM符号概率熵最大化而满足给定的目标调光水平。

图2提出了PAM符号概率最大化熵4-PAM时考虑。满足目标调光比的约束,刺激概率最大化熵为每个PAM信号电平除非目标调光比是不同的。

4所示。分析保密调光能力Multi-LED PAM-Based VLC

在本节中,秘密调光能力multi-LED PAM-based VLC进行了分析。调光能力意味着可以实现的数据率通过一个特定的调制和调光条件和表达为互信息。秘密调光能力的差异调光能力的主要通道和窃听的通道目标约束下的调光水平(14]。当主频道不太嘈杂的窃听器的通道相比,保密是由调光能力 注意保密暗淡的能力可以用更简单的术语表示在某些情况下。当 和 可以单独最大化的一样吗,保密能力只是通道能力的差异(15]。两个随机变量之间的互信息是衡量它们包含的信息量对彼此,区别 代表了额外的信息股票与在那和份额。因为这种方法专门设置更少的噪声主要通道通过施加的限制 保密,暗淡的能力总是正的。如果保密能力低于零,传播合法从发射机到接收机变得没有安全感和窃听将成功地拦截传播信息。为了提高传输安全对抗搭线窃听者的攻击,这是重要的减少一个拦截事件的发生概率加大保密暗淡的能力。

保密调光的表达能力成为主要的互信息的差异和窃听的通道。由于互信息定义为微分熵,秘密暗淡的能力了 传输信号的概率分布函数,接收到的信号通过的主要渠道,通过窃听信道,接收到的信号,AWGN通过的主要渠道,通过窃听和AWGN信道,,表示为 在哪里是 强度向量的元素。从(16保密),调光能力,最大信息速率的主要通道(transmitter-to-legitimate接收机)无知搭线窃听者,可以获得。

图3显示4-PAM与信噪比的秘密调光能力值和不同的目标调光水平。的比例平均合法的噪声方差搭线窃听者平均噪声方差的定义是 。我们可以看到,保密调光的能力 是比 。这意味着更多的窃听信道的噪声,可以实现保密暗淡的能力就越大。当调光水平,单个激活显示一个健壮的秘密调光能力相比,多个激活发光二极管。为调光水平情况下,然而,多个激活发光二极管,也就是说, 保密,导致更好的性能的调光能力比单一激活导致的场景。

图4显示了保密暗淡4-PAM与目标调光比的能力。为 ,单一激活显示最佳性能当目标调光率≤0.48。目标调光比大于0.48时,双激活发光二极管的性能优于其他场景。作为目标调光比接近0.8,使用两个和三个led显示激活相似的保密暗淡的容量性能。为 ,单一激活显示最佳性能当目标调光率≤0.58。如果目标调光率设置为值大于0.58,表现最好的保密暗淡的能力能取得双重激活发光二极管。从数据4(一)和4 (b),我们看到,使用多个激活led导致健壮的保密变暗时容量性能调光比设置为高价值目标。需要低变暗时,使用一个单一的激活导致担保最好保密暗淡的能力。

5。结论

因为增加的需求为移动设备处理和存储功能,MCC是越来越受欢迎。尽可能MCC使数据存储和数据处理外的移动设备,安全风险成为一个重要问题。探讨秘密调光与多个LED阵列VLC PAM的能力。通过获得entropy-maximizing符号概率基于多个LED阵列,秘密调光能力考虑搭线窃听者的存在是数学推导。仿真结果显示,基线信息安全能力PAM-based VLC系统的性能。根据目标调光比,激活发光二极管的数量应该决定保证强劲的保密暗淡的能力。结果可以指导实际VLC-based移动系统打算安全的无线传输。

大多数现有的保护VLC传输的忽略了作品的共同考虑各种形式的无线攻击,包括窃听和拒绝服务(DoS)行为。这将是非常重要的探索新技术共同防御和最大化保密暗淡的多个不同的无线攻击能力。此外,这将是重要的安全考虑联合优化和吞吐量的VLC系统,这是一个需要解决的问题。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由韩国国家研究基金会(NRF)授予由韩国政府(MSIP) (2016 r1c1b1013942)。