基于DFT排序亮度调制的图像传感器并行传输VLC安全方法

《IEEE Photonics Journal》：Secure DFT-Ordered Luminance Method for Parallel Transmission Image-Sensor Based VLC

本文推荐一种用于并行传输(PT)图像传感器(IS)可见光通信(VLC)的安全方法。研究人员针对传统PT-VLC中M个亮度信号的一维顺序易被窃听的问题，提出了基于RSA加密系统的信号顺序重排方案。通过插入可区分的"标记"信号并在H帧内传输加密的位置信息，仅合法接收方能利用私钥还原原始顺序。实验表明，该方法在1.5-7米传输距离内能有效区分标记信号，且非法接收方正确解调的概率极低，在保持与原系统相同误码率的同时实现了物理层安全。

　　

在当今物联网时代，可见光通信(VLC)技术因其无需无线电频谱许可、抗电磁干扰等优势，在智能家居、车载通信、水下通信等领域展现出巨大潜力。特别是基于图像传感器(IS)的VLC系统，可直接利用智能手机等移动设备的摄像头作为接收端，为近场通信提供了便捷的解决方案。然而，随着应用场景的扩展，VLC系统的安全问题日益凸显——传统加密方法往往需要复杂的计算资源，且可能降低通信效率。

在并行传输(PT)的VLC系统中，研究人员通过逆离散傅里叶变换(IDFT)生成M个亮度信号，并将其映射到液晶显示器(LCD)的二维平面上。这些信号被图像传感器并行接收后，必须按照特定的一维顺序输入到离散傅里叶变换(DFT)中才能正确解调信息。这种对信号顺序的依赖性，虽然为通信系统带来了高效的数据传输速率，但也成为了安全漏洞——一旦攻击者掌握了信号顺序的映射规则，就能轻易窃听通信内容。

为了解决这一安全隐患，日本千叶工业大学的研究团队在《IEEE Photonics Journal》上提出了一种创新的安全方法。该方法的核心思想在于：通过动态扰乱亮度信号的一维传输顺序，使得只有合法接收方才能还原出正确的信号顺序，从而在物理层实现安全通信。

研究人员巧妙利用了RSA公钥加密系统的原理。在通信建立前，接收方生成公钥(n,e)和私钥d，并将公钥广播给所有潜在发送方。发送方从M!种可能的信号排列顺序中选择一种（对应整数I），使用公钥加密生成密文u。为了在有限的传输信道中传递这个大整数u，系统采用模(M+1)运算将其分解为H个整数u₀,u₁,...,u_H-1，并在连续H帧中的对应位置插入特殊的"标记"信号。

标记信号具有独特的亮度值L，使其能够与常规的DFT相关亮度信号（亮度值在50-150之间）明显区分。接收方通过检测每帧中标记信号的位置，获得序列v₀,v₁,...,v_H-1，进而计算出v值。合法接收方使用私钥d解密得到原始顺序I，从而能够正确还原信号顺序并进行DFT解调。而没有私钥的窃听者即使能检测到所有标记信号，也需要在M!种可能的排列中进行暴力破解，其成功概率随着M的增大而急剧降低。

关键技术方法包括：基于M点IDFT/DFT的并行传输架构、RSA加密系统的整数选择与加密、模(M+1)的标记位置编码、高亮度标记信号的插入与检测、以及基于图像处理的区域亮度值提取技术。实验使用24.5英寸LCD作为发射器，Photron IDP-Express R2000-F高速相机作为接收器，在1.5-7米距离内测试系统性能。

标记信号检测：实验结果表明，当标记信号的亮度值L≥165时，在1.5-7米传输距离内均能实现无错误检测。如图10所示，L≥165时标记信号的误检概率为零，而较低亮度值（如152、154、156）则可能出现误检。这一发现在不同传输距离和M值（11-101）条件下均保持稳定，证明了该方法的可靠性。

非法接收方的成功概率：对于没有私钥d的窃听者，即使能正确检测标记位置，其成功还原信号顺序的概率p_e也极低。如图13所示，当M=47时，p_e可低至6.1866×10^-60。这一概率随着M值的增加而呈指数级下降，确保了系统的安全性。

误码率性能：安全PT-VLC系统的误码率(BER)性能与传统的非安全PT-VLC系统相当。如图14所示，在空间频率数N≤40时，两种系统均能实现无错误传输；当N≥45时，两者误码率性能无明显差异。这表明所提出的安全方法在提供安全保障的同时，没有牺牲通信质量。

该研究的创新之处在于将通信安全与信号处理顺序巧妙结合，仅通过控制亮度信号的传输顺序就实现了物理层安全，无需额外的加密算法或硬件修改。与传统安全方法相比，这种方法计算开销小，对系统性能影响微乎其微，为VLC系统的安全通信提供了新思路。

研究表明，基于DFT排序的亮度调制方法能有效增强图像传感器VLC系统的安全性，且在实际应用场景中具有可行性。该方法不仅适用于现有的PT-VLC系统，还可扩展至其他需要物理层安全的光学通信领域，为未来光通信技术的发展提供了重要参考。