Practical Design of Probabilistic Constellation Shaping for Physical Layer Security in Visible Light Communications

📄 arXiv: 2408.02982v1 📥 PDF

作者: Thanh V. Pham, Susumu Ishihara

分类: eess.SY

发布日期: 2024-08-06

💡 一句话要点

针对可见光通信物理层安全，提出实用概率整形星座图设计方案

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 可见光通信 物理层安全 概率星座整形 保密容量 误码率

📋 核心要点

  1. 现有可见光通信安全方案在低光功率下难以保证合法用户的通信可靠性，且对闪烁问题考虑不足。
  2. 论文提出一种概率星座整形（PCS）方法，通过优化星座点的概率分布，在保证安全性的同时，兼顾可靠性和无闪烁传输。
  3. 实验结果表明，所提出的PCS设计在整个光功率区域内都有效，优于传统的均匀信令方案。

📝 摘要（中文）

本文研究了可见光通信（VLC）中物理层安全的一种实用概率星座整形（PCS）设计。具体而言，我们考虑了一个采用概率整形M进制脉冲幅度调制（PAM）星座图的窃听VLC信道。考虑到合法用户信道可靠性、无闪烁传输和对称星座分布的要求，针对已知和未知窃听者信道状态信息（CSI）两种情况，研究了最大化调制约束保密容量或窃听者信道误码率（BER）的最佳星座分布。为了制定信道可靠性约束，推导了任意符号概率下M进制PAM的上限和近似BER的易于处理的闭式表达式。由于非凸BER约束，该设计问题被证明是非凸的。通过证明上限BER是星座分布的凹函数，提出了一种基于凸-凹过程（CCCP）的次优解。我们的研究结果表明，当光功率超过某个值时，均匀信令才能满足BER约束，而所提出的PCS设计在整个光功率区域内都有效。还讨论了关于发射光功率的最佳星座分布的一些见解。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决可见光通信（VLC）中，在保证物理层安全的前提下，如何设计一种实用的概率星座整形（PCS）方案，以满足合法用户的通信可靠性、无闪烁传输和对称星座分布等要求。现有方法，如均匀信令，在低光功率下难以同时满足可靠性和安全性要求，并且对闪烁问题考虑不足。

核心思路：论文的核心思路是通过优化M进制脉冲幅度调制（PAM）星座图中各个星座点的概率分布，使得在窃听者信道条件已知或未知的情况下，最大化调制约束保密容量或最小化窃听者的误码率（BER）。同时，通过约束合法用户的BER，保证通信可靠性，并考虑无闪烁传输和对称星座分布的要求。

技术框架：该方法主要包含以下几个阶段：1) 建立窃听VLC信道模型，采用概率整形M进制PAM星座图；2) 推导任意符号概率下M进制PAM的上限和近似BER的闭式表达式，用于制定信道可靠性约束；3) 构建优化问题，目标是最大化保密容量或最小化窃听者BER，约束包括合法用户BER、无闪烁传输和对称星座分布；4) 采用凸-凹过程（CCCP）求解非凸优化问题，得到次优的星座分布。

关键创新：论文的关键创新在于：1) 提出了一种实用的PCS设计方案，能够在保证物理层安全的同时，兼顾合法用户的通信可靠性和无闪烁传输；2) 推导了任意符号概率下M进制PAM的上限和近似BER的闭式表达式，为信道可靠性约束提供了理论基础；3) 证明了上限BER是星座分布的凹函数，为采用CCCP求解非凸优化问题提供了依据。

关键设计：关键设计包括：1) 星座点的概率分布优化，采用CCCP算法求解；2) 信道可靠性约束，基于推导的BER上限和近似表达式；3) 无闪烁传输约束，通过限制星座点的平均光功率变化；4) 对称星座分布约束，保证星座点的对称性。

🖼️ 关键图片

fig_0
fig_1
fig_2

📊 实验亮点

研究结果表明，传统的均匀信令方案在低光功率下无法满足BER约束，而提出的PCS设计在整个光功率区域内都有效。通过优化星座分布，可以在保证安全性的同时，显著提高合法用户的通信可靠性，并降低窃听者的误码率。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于对安全性有较高要求的可见光通信场景，例如军事通信、金融数据传输等。通过优化星座图的概率分布，可以在保证通信安全性的同时，提高通信的可靠性和用户体验，具有重要的实际应用价值和潜在的商业前景。

📄 摘要（原文）

This paper studies a practical design of probabilistic constellation shaping (PCS) for physical layer security in visible light communications (VLC). In particular, we consider a wiretap VLC channel employing a probabilistically shaped $M$-ary pulse amplitude modulation (PAM) constellation. Considering the requirements for reliability of the legitimate user's channel, flickering-free transmission, and symmetric constellation distribution, the optimal constellation distributions to maximize modulation-constrained secrecy capacity or the bit error rate (BER) of eavesdropper's channel are investigated for both scenarios of known and unknown eavesdropper's channel state information (CSI). To formulate the constraint on the channel reliability, tractable closed-form expressions for the upper bound and approximate BER of $M$-ary PAM under an arbitrary symbol probability are derived. The design problem is shown to be non-convex due to the non-convex BER constraint. By proving that the upper bound BER is a concave function of the constellation distribution, a suboptimal solution based on the convex-concave procedure (CCCP) is presented. Our findings reveal that while the uniform signaling can only satisfy the BER constraint when the optical power is beyond a certain value, the proposed PCS design works in the entire region of the optical power. Some insights into the optimal constellation distribution with respect to the emitted optical power are also discussed.