桂林电子科技大学赵响获国家专利权
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龙图腾网获悉桂林电子科技大学申请的专利一种室内混合PLC/VLC网络的安全传输方法获国家发明授权专利权,本发明授权专利权由国家知识产权局授予,授权公告号为:CN116455480B 。
龙图腾网通过国家知识产权局官网在2026-05-01发布的发明授权授权公告中获悉:该发明授权的专利申请号/专利号为:202310576158.2,技术领域涉及:H04B10/85;该发明授权一种室内混合PLC/VLC网络的安全传输方法是由赵响;赵玉青;覃勇;孙晋永;黄菊;赵文波设计研发完成,并于2023-05-22向国家知识产权局提交的专利申请。
本一种室内混合PLC/VLC网络的安全传输方法在说明书摘要公布了:本发明公开了一种室内混合PLCVLC网络的安全传输方法,从信源S发出的信息经电力线链路传输至中继节点,解码转发后通过可见光链路传送至地面上随机移动的合法用户;由于可见光的广播特性,在可见光覆盖范围内的窃听者也将会收到该信息,因此本方法通过设置保护区来抑制窃听者的接收,并在分析电力线链路和可见光链路的信道统计特性基础上,获得合法用户在随机路点移动模型下室内混合PLCVLC网络的安全中断概率和保密吞吐量;仿真验证本发明所提安全传输方法的性能与电力线链路中脉冲噪声的发生概率、脉冲噪声和背景噪声的功率比、可见光链路中LED的半功率发光半角、保护区半径等参数有关。
本发明授权一种室内混合PLC/VLC网络的安全传输方法在权利要求书中公布了:1.一种室内混合PLCVLC网络的安全传输方法,其特征在于,包含如下步骤: 1在室内混合电力线通信PLC可见光通信VLC网络中,电力线通信链路作为可见光通信链路的回程网络提供电力和信息;从信源S发出的信息经电力线链路传输至中继节点Relay,Relay解码转发后将信息通过可见光链路发送至地面上随机移动的合法用户;由于可见光的广播特性,在可见光覆盖范围内的窃听者也将会收到该信息,则通过设置保护区来抑制窃听者的接收; 2通过两跳通信实现室内混合PLCVLC网络的安全传输,具体过程如下: 2-1在第一跳中,信源S将电信号经电力线链路传输至中继节点Relay;其中,电力线链路的信道增益服从对数正态分布,电力线链路的附加噪声包括背景噪声和脉冲噪声,通过泊松-高斯混合统计模型建模;在分析电力线链路信道特性的基础上,获得此链路瞬时信噪比的概率密度函数和累积分布函数; 2-2在第二跳中,Relay应用解码转发协议并将电光转换后的光信号通过发光二极管LED发送至地面上服从随机路点RWP移动模型分布的合法用户,为抑制窃听者接收合法消息,通过设置保护区使其不能无限靠近合法用户;基于可见光通信的信道特性,获得可见光链路合法用户与窃听者的瞬时信噪比的概率密度函数和累积分布函数; 2通过两跳通信实现室内混合PLCVLC网络的安全传输,具体过程如下: 2-1在第一跳中,信源S将电信号经电力线链路传输至中继节点Relay;其中,电力线链路的信道增益服从对数正态分布,电力线链路的附加噪声包括背景噪声和脉冲噪声,通过泊松-高斯混合统计模型建模;在分析电力线链路信道特性的基础上,获得此链路瞬时信噪比的概率密度函数和累积分布函数; 2-2在第二跳中,Relay应用解码转发协议并将电光转换后的光信号通过发光二极管LED发送至地面上服从随机路点RWP移动模型分布的合法用户,为抑制窃听者接收合法消息,通过设置保护区使其不能无限靠近合法用户;基于可见光通信的信道特性,获得可见光链路合法用户与窃听者的瞬时信噪比的概率密度函数和累积分布函数; 3根据步骤2-1获得的电力线链路瞬时信噪比的统计分布和步骤2-2获得的可见光链路合法用户与窃听者的瞬时信噪比的统计分布,进一步获得室内混合PLCVLC网络的安全中断概率和保密吞吐量; 步骤1中,信源S位于室外,中继节点Relay配置一个电光转换器和一个LED发射机;LED的光波束最大覆盖半径为,保护区半径为;合法用户B在半径为的圆内服从RWP分布,其距圆心O的水平距离为;窃听者E在圆环区域即外半径为,内半径为内服从均匀分布,其距圆心O的水平距离为;B和E均配置单个光电检测器PD接收机; 步骤2-1中,信源S将电信号传输至中继节点Relay,则Relay处接收信号表示为: 1 上述公式1中,下标SR表示从信源S到中继节点Relay之间的电力线链路;为PLC链路的衰减,和为常数,为工作频率,为指数衰减因子,为从信源S到中继节点Relay的距离;为信源S的发送功率;为电力线链路的信道增益;为电力线链路的附加噪声; 电力线链路的信道增益,其概率密度函数为: 2 上述公式2是随机变量为的对数正态型分布,和是的均值和方差; 电力线链路中的接入设备和各种低功率组件的随机切换,会产生附加噪声,包括背景噪声和脉冲噪声,用泊松-高斯混合统计模型进行建模,则附加噪声表示为: 3 其中,为背景噪声,为脉冲噪声;表示PLC链路中瞬态脉冲噪声的发生,建模为离散泊松随机过程;和建模为高斯白噪声,均值为0,方差为和;上述公式3中,假设和、独立; 电力线链路中的附加噪声的概率密度函数为: 4 其中,为脉冲噪声到达信道的概率,为到达率,是脉冲噪声的持续时间;是脉冲噪声和背景噪声的功率比值; 从信源S到中继节点Relay的电力线链路的瞬时信噪比表示为: 5 其中,是附加噪声中仅存在背景噪声时的电力线链路的平均信噪比;是附加噪声中同时存在背景噪声和脉冲噪声时的电力线链路的平均信噪比;是附加噪声中仅存在背景噪声时的电力线链路的瞬时信噪比;是附加噪声中同时存在背景噪声和脉冲噪声时的电力线链路的瞬时信噪比; 当电力线链路中的附加噪声仅存在背景噪声时,利用公式2和5,得到的概率密度函数为: 6 其中,,; 当电力线链路中的附加噪声同时存在背景噪声和脉冲噪声时,利用公式2和5,得到的概率密度函数为: 7 其中,,; 结合公式4,将公式6和7进行整合,得到的概率密度函数为: 8 对公式8进行积分,得到的累积分布函数为: 9 其中,,表示互补误差函数; 步骤2-2中,用户,,利用自身所配备的PD接收机接收来自中继节点Relay解码转发后的信号,则处的接收信号为: 10 其中,为Relay解码转发后的信号;为可见光链路的加性高斯白噪声,其均值为0,方差为;为从Relay出发到用户的可见光链路的信道增益;从Relay出发到用户的可见光链路的信道增益表示为: 11 其中,为LED辐射角,为LED的半功率发光半角;为LED的朗博辐射阶数;为PD接收机的入射角,,为PD接收机的视场角;为光滤波器的增益;为光集中器增益,,为反射系数;H为LED所在平面与用户所在平面之间的垂直距离;为LED在地面上的投影点与用户之间的水平距离;和分别为PD接收机的有效物理检测面积和检测灵敏度,假设,则; 令,,得到可见光链路的信道增益平方为: 12 可见光链路中用户的瞬时信噪比为: 13 其中,表示可见光链路的平均信噪比;为光电转换系数,为Relay内嵌LED的发送光功率; 由于合法用户B在半径为的圆内服从RWP分布,B距圆心O的水平距离的概率密度函数为,;考虑二维拓扑时,取,,,则的概率密度函数表示为: 14 利用公式12、13和14并结合变量替换方法,得到合法用户B瞬时信噪比的概率密度函数为: 15 其中,;,,; 对公式15进行积分,得到合法用户B瞬时信噪比的累积分布函数为: 16 其中,; 由于窃听者E在圆环区域即外半径为,内半径为内服从均匀分布,E距圆心O的水平距离的概率密度函数可表示为,,并结合公式12和13,获得窃听者E的瞬时信噪比的概率密度函数为: 17 对公式17进行积分,得到窃听者E的瞬时信噪比的累积分布函数为: 18 其中,,,; 步骤3中,混合PLCVLC网络的安全中断概率和保密吞吐量计算过程具体如下: 第一跳中,电力线链路的瞬时安全容量为: 19 第二跳中,窃听者E尽力从中继节点Relay处窃听传输给合法用户B的私密信息,则可见光链路的瞬时安全容量为为: 20 其中,,为求最大值运算; 由于中继节点Relay应用解码转发协议,则室内混合PLCVLC网络的安全容量为:,为求最小值运算; 3-1所述的安全中断概率定义为混合系统的安全容量小于所设置的目标保密率阈值的概率,表示为: 21 其中,为安全中断概率;为求概率运算;为设置的目标保密率阈值; 然后,将步骤2-1中的公式8和9以及步骤2-2中的公式15、16、17和18代入公式21,获得室内混合PLCVLC网络的安全中断概率为: 22 其中,;,,,,; 3-2所述的保密吞吐量的定义为目标保密率阈值与系统安全可靠传输的概率的乘积,表示为: 23 其中,ST为保密吞吐量; 将公式22代入23,获得室内混合PLCVLC网络的保密吞吐量ST为: 24。
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