面向邊緣計算設備的可見光近場安全通信方法研究

鄭 攀，邱杰凡，李成林，史占成

(1.浙江工業大學 計算機科學與技術學院，浙江 杭州 310014； 2.國網任丘市供電公司，河北 任丘 062550)

1 可見光通信的研究背景

隨著邊緣計算的大規模應用，大量邊緣設備作為感知端，需要不斷獲取物理世界的數據。這些數據具有很大冗余性，并且傳輸數據需要占用大量的帶寬資源。為了減輕上層云端的計算負擔，同時減少冗余數據帶來的傳輸成本，當前的研究希望邊緣設備具有一定的本地數據交換和計算處理的能力[1-2]。目前，近場通信作為一種可以高效建立局部數據傳輸通道的方法，得益于其較低的功耗正在被越來越多的邊緣設備所采用。

然而，現有的近場通信方法通常采用電磁波廣播傳輸方式，信號在傳輸過程中容易被截獲竊聽，并不能很好地滿足安全性的需求。為此，尋求一種安全的傳輸方式作為對當前電磁波傳輸的補充是十分有意義的[3]。當前的研究表明可見光通信(Visible Light Communication,VLC)不同于電磁波廣播傳輸，可以實現指向性傳輸，不易被截取竊聽，無疑能夠作為實現邊緣設備之間安全通信的可選方案。

隨著無線網絡流量的空前增加，數據隱私和機密性正成為用戶和網絡管理員的主要關注點。典型的安全機制通過在網絡堆棧的上層實現訪問控制、密碼保護和端到端加密。只要潛在竊聽者的存儲容量和計算能力保持在一定限度內，這些方案就被認為是安全的。然而，在過去的幾年中，物理層安全成為了補充傳統加密技術的一個熱門研究方向。物理層安全是一種利用信道特征隱藏未授權接收器信息的安全技術。MOSTAFA A和LAMPE L[4]通過研究高斯竊聽信道可實現的保密率來解決物理層的安全VLC鏈路問題。ZHANG B等人[5]通過將額外信息嵌入快速響應(QR)代碼提出了一種基于條形碼的VLC安全系統，并通過操縱屏幕視角和利用由用戶引起的運動實現在物理上的安全增強機制。MUKHERIEE A等人[6]利用公共RF信道的無線通信媒介開發秘鑰，并在VLC強度調制的輸入信號施加非負性和幅度約束。UCAR S等人[7]設計了一種適用于VANET(Vehicular Ad Hoc Network)的VLC安全通信系統，車輛間使用全雙工通信，其中紅外通信用于共享秘鑰，VLC用于接收加密數據。然而，先前的研究都是針對有較強計算能力的設備，而為了降低物聯網系統的設計和運行成本，節點會以較慢的時鐘運行以降低系統能耗。因此，在物聯網邊緣節點上應用需要龐大計算資源的物理層安全加密方法是不合理的。為此，根據近場通信的特點，提出了適用于物聯網邊緣系統場景中量產型移動設備的可見光安全通信方法。該方法利用移動設備上現有的一系列通用模塊,無需額外的專用設備及元件，也無需對現有移動設備在硬件層面進行修改，實現了在物聯網邊緣端基于可見光的近場安全通信。

2 VLC近場通信的安全性

邊緣設備上不同顏色LED組成一個并行陣列發射器，環境光傳感器通過感知可見光強度來解析信號。移動設備上的相機根據卷簾快門原理快速捕獲LED閃爍圖像進行數據解析，并通過閃光燈向邊緣設備發送信號。將從邊緣設備的LED到移動設備相機的數據流定義為上行鏈路，從閃光燈到環境光傳感器定義為下行鏈路。

使用LED陣列并行傳輸數據不僅可以提高數據傳輸速率，還可以增強數據傳輸保密性。由于數據被分割在多個通道上并行傳輸，即使竊聽者可以感知到通道中光強的變化，也無法解析出在每個通道上獨立傳輸的數據。另外，可以充分利用合法用戶對承載數據的LED顏色的可分辨能力來對傳輸數據加密。

如圖1所示，每種顏色分配唯一的地址碼，當需要發送‘1’即發送地址碼，發送‘0’將地址碼取反。由于在近場通信中，竊聽者不具備對承載數據的LED顏色的分辨能力，即使通道中僅存在單個數據流，竊聽者也無法確定信道上傳輸的數據。例如，竊聽者無法區分黃色LED傳輸‘0’和紅色LED傳輸‘1’。

圖1 顏色編碼

3 STM調制原理

由于目前移動設備上采用的閃光燈和環境光傳感器模塊并不是專門為可見光通信設計的，現有的無線電通信調制方法如脈沖寬度調制(PWM)和脈沖間隔調制(PIM)由于傳輸速率低且耗能較高，并非最佳的調制方法。為此對現有編碼調制方法進行優化，提出了適用于移動設備的可見光通信調制方法——狀態轉化調制(State Transaction Modulation，STM)。STM調制將數據分組表示，并利用低脈沖表示數據，在比特序列出現重復時，利用標記符號進行壓縮表示。相比較于現有的可見光編碼調制，STM調制在保證誤碼率的同時，可以有效提高數據傳輸速率，并降低傳輸能耗。

最終，使用現有的Android移動設備實現了一個基于可見光的近場混合雙工通信系統。從傳輸速率、傳輸環境以及能耗三個方面，驗證了可見光通信在量產型移動設備上應用的可行性。首先在量產型移動設備上測試了當前適用于可見光的兩種信號調制：脈沖間隔調制(PIM)和脈寬調制(PWM)。

在上述兩種調制方法中均存在不足，傳輸速率低且能耗較大。在PIM調制的基礎上，有一種改進過后的調制方法：雙頭脈沖間隔調制(Dual-Header Pulse Interval Modulation，DH-PIM)。但DH-PIM無法對二進制比特序列進行壓縮。當一個二進制比特序列中有多次重復時，為了提高傳輸效率以及減少脈沖量保證低功耗，借鑒DH-PIM調制的思想，本文提出了一種適用于量產型移動設備近場可見光通信的狀態轉化調制(STM)。

其核心思想是針對狀態發生轉化(出現多次重復)的數據,使用特殊的高脈沖標記出被重復對象和重復次數，沒有發生轉化則持續使用DH-PIM進行調制。當調制階數M=4時，將比特序列分為4位一組，單位脈沖寬度取作1tb，設一個分組中的比特序列表示的數值為n，在表示數據之前先添加1tb低脈沖作為保護時隙，當n<8時，采用n個單位脈沖寬度的低脈沖來表示數據，之后增加1tb高脈沖來進行分隔。為了避免每4位比特序列對應的二進制數過大而導致需要用很長的一段低脈沖來調制數據，當n>8時，表示數據的低脈沖的單位脈沖寬度數量則是該分組內四位二進制數按位取反后的值，并且之后采用2tb高脈沖來進行分隔。若出現多次重復時，STM調制利用特殊的脈沖表示出連續重復數據，從而有效縮短編碼長度以及減少高脈沖的持續時間。

STM調制中分為三種狀態，即開始狀態、傳輸狀態和結束狀態。如圖2所示，當環境光傳感器還沒有感知到起始信號時為開始狀態，準備接收高脈沖信號。根據傳輸的數據，可以將傳輸狀態進一步劃分為非重復狀態、單組內重復狀態以及多組重復狀態。數據傳輸需要在這三種狀態中切換，且根據不同的狀態，其編碼方式存在差異。當數據傳輸結束時，進入結束狀態，環境光傳感器等待下一次數據傳輸。

圖2 STM調制狀態圖

當被調制數據出現多次重復時，需要標記出被重復對象所占的位數以及重復的次數，這樣就可以利用更少的脈沖數來表示數據，采用2tb高脈沖作為重復標記位來標記連續重復的數據。之后的低脈沖所占單位脈沖寬度的數量表示被重復對象的位數，然后采用1tb高脈沖作為分隔符，后一段低脈沖所占單位脈沖寬度的數量表示被重復對象的重復次數。例如，表示“0010重復5次”的STM調制圖如圖3(a)所示。

圖3 STM調制

可以發現，如果被重復對象的重復次數太大，會導致表示重復次數的單位低脈沖數量過多，傳輸速率下降，甚至下行鏈路接收端無法判斷是否傳輸結束。因此，在被重復對象的重復次數大于9的時候，在表示重復次數的低脈沖段中增加2tb高脈沖來分隔出重復次數的十位和個位數字。如圖3(b)所示，當被重復對象“0010”重復12次時，分隔出兩段低脈沖時隙來分別表示十位數字“1”和個位數字“2”。

在STM調制中，如果沒有出現重復的情況，STM調制與DH-PIM調制方式是一致的，只有傳輸的序列中出現多次重復才會采用壓縮的調制方式，所以STM調制實際上是一種可壓縮的DH-PIM調制方法。

由于兩個先后出現的連續重復字符串序列可能存在互相交集的情況，那么先進行傳輸的字符串序列已經表達過后傳輸字符串序列的交集部分，這部分內容不需要再次進行傳輸。在處理后出現的重復字符串序列時，交集部分需要STM調制自動進行忽略。忽略之后，與之相對應的，后傳輸字符串的重復標志位也需要被設置到第一個未被交集覆蓋的重復字符串上。例如，當發送序列為“001001001001001000110 001100011”時，第一組序列為“0010”，取其中后三位“010”重復4次，后一個分組是“0011”，取前面的五位“00011”重復2次。

PIM調制和PWM調制只在一種狀態下存儲數據，另外一種狀態是用來間隔相鄰兩個數據的。但在DH-PIM調制中，由于引入了分組機制，除去了冗余的間隔位。在STM調制中又對有重復的序列進行了壓縮。這樣一來，與PIM調制和PWM調制相比，在相同的脈沖持續時間內傳輸更長的二進制比特序列，STM調制明顯減少了數據傳輸所需要的時間，且耗費更少的高脈沖。為了驗證這一結論，本文進行了實驗，結果如圖4和圖5所示。

圖4 四種調制的吞吐量比較

圖5 四種調制的高脈沖數量比較

4 結論

本文將可見光通信應用于現有量產型移動設備，并提出了一種基于可見光的近場混合通信方法。將閃光燈和環境光傳感器作為信號發射/接收器，并在現有可見光DH-PIM調制的基礎上提出了狀態轉化調制(STM)。實驗結果表明STM調制與PIM調制和PWM調制相比，STM調制在吞吐率和能耗上占較大優勢。在傳輸序列有重復的情況下，STM調制的吞吐率亦優于DH-PIM調制。最終，基于量產的Android手機，設計了相應的近場通信系統，并在真實環境中驗證了本文所設計的通信系統的可行。

在未來的工作中，將繼續對調制編碼展開研究，并引入合適的糾錯方法，進一步降低環境背景光噪聲帶來的影響，提高傳輸速率。