鄭 攀,邱杰凡,李成林,史占成
(1.浙江工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 310014; 2.國網(wǎng)任丘市供電公司,河北 任丘 062550)
隨著邊緣計(jì)算的大規(guī)模應(yīng)用,大量邊緣設(shè)備作為感知端,需要不斷獲取物理世界的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)具有很大冗余性,并且傳輸數(shù)據(jù)需要占用大量的帶寬資源。為了減輕上層云端的計(jì)算負(fù)擔(dān),同時(shí)減少冗余數(shù)據(jù)帶來的傳輸成本,當(dāng)前的研究希望邊緣設(shè)備具有一定的本地?cái)?shù)據(jù)交換和計(jì)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(shù)據(jù)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(shè)備所采用。
然而,現(xiàn)有的近場通信方法通常采用電磁波廣播傳輸方式,信號(hào)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(dāng)前電磁波傳輸?shù)难a(bǔ)充是十分有意義的[3]。當(dāng)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(shí)現(xiàn)指向性傳輸,不易被截取竊聽,無疑能夠作為實(shí)現(xiàn)邊緣設(shè)備之間安全通信的可選方案。
隨著無線網(wǎng)絡(luò)流量的空前增加,數(shù)據(jù)隱私和機(jī)密性正成為用戶和網(wǎng)絡(luò)管理員的主要關(guān)注點(diǎn)。典型的安全機(jī)制通過在網(wǎng)絡(luò)堆棧的上層實(shí)現(xiàn)訪問控制、密碼保護(hù)和端到端加密。只要潛在竊聽者的存儲(chǔ)容量和計(jì)算能力保持在一定限度內(nèi),這些方案就被認(rèn)為是安全的。然而,在過去的幾年中,物理層安全成為了補(bǔ)充傳統(tǒng)加密技術(shù)的一個(gè)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(quán)接收器信息的安全技術(shù)。MOSTAFA A和LAMPE L[4]通過研究高斯竊聽信道可實(shí)現(xiàn)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(yīng)(QR)代碼提出了一種基于條形碼的VLC安全系統(tǒng),并通過操縱屏幕視角和利用由用戶引起的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)在物理上的安全增強(qiáng)機(jī)制。MUKHERIEE A等人[6]利用公共RF信道的無線通信媒介開發(fā)秘鑰,并在VLC強(qiáng)度調(diào)制的輸入信號(hào)施加非負(fù)性和幅度約束。UCAR S等人[7]設(shè)計(jì)了一種適用于VANET(Vehicular Ad Hoc Network)的VLC安全通信系統(tǒng),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(shù)據(jù)。然而,先前的研究都是針對有較強(qiáng)計(jì)算能力的設(shè)備,而為了降低物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行成本,節(jié)點(diǎn)會(huì)以較慢的時(shí)鐘運(yùn)行以降低系統(tǒng)能耗。因此,在物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)上應(yīng)用需要龐大計(jì)算資源的物理層安全加密方法是不合理的。為此,根據(jù)近場通信的特點(diǎn),提出了適用于物聯(lián)網(wǎng)邊緣系統(tǒng)場景中量產(chǎn)型移動(dòng)設(shè)備的可見光安全通信方法。該方法利用移動(dòng)設(shè)備上現(xiàn)有的一系列通用模塊,無需額外的專用設(shè)備及元件,也無需對現(xiàn)有移動(dòng)設(shè)備在硬件層面進(jìn)行修改,實(shí)現(xiàn)了在物聯(lián)網(wǎng)邊緣端基于可見光的近場安全通信。
邊緣設(shè)備上不同顏色LED組成一個(gè)并行陣列發(fā)射器,環(huán)境光傳感器通過感知可見光強(qiáng)度來解析信號(hào)。移動(dòng)設(shè)備上的相機(jī)根據(jù)卷簾快門原理快速捕獲LED閃爍圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)解析,并通過閃光燈向邊緣設(shè)備發(fā)送信號(hào)。將從邊緣設(shè)備的LED到移動(dòng)設(shè)備相機(jī)的數(shù)據(jù)流定義為上行鏈路,從閃光燈到環(huán)境光傳感器定義為下行鏈路。
使用LED陣列并行傳輸數(shù)據(jù)不僅可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率,還可以增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸保密性。由于數(shù)據(jù)被分割在多個(gè)通道上并行傳輸,即使竊聽者可以感知到通道中光強(qiáng)的變化,也無法解析出在每個(gè)通道上獨(dú)立傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。另外,可以充分利用合法用戶對承載數(shù)據(jù)的LED顏色的可分辨能力來對傳輸數(shù)據(jù)加密。
如圖1所示,每種顏色分配唯一的地址碼,當(dāng)需要發(fā)送‘1’即發(fā)送地址碼,發(fā)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(shù)據(jù)的LED顏色的分辨能力,即使通道中僅存在單個(gè)數(shù)據(jù)流,竊聽者也無法確定信道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。例如,竊聽者無法區(qū)分黃色LED傳輸‘0’和紅色LED傳輸‘1’。
圖1 顏色編碼
由于目前移動(dòng)設(shè)備上采用的閃光燈和環(huán)境光傳感器模塊并不是專門為可見光通信設(shè)計(jì)的,現(xiàn)有的無線電通信調(diào)制方法如脈沖寬度調(diào)制(PWM)和脈沖間隔調(diào)制(PIM)由于傳輸速率低且耗能較高,并非最佳的調(diào)制方法。為此對現(xiàn)有編碼調(diào)制方法進(jìn)行優(yōu)化,提出了適用于移動(dòng)設(shè)備的可見光通信調(diào)制方法——狀態(tài)轉(zhuǎn)化調(diào)制(State Transaction Modulation,STM)。STM調(diào)制將數(shù)據(jù)分組表示,并利用低脈沖表示數(shù)據(jù),在比特序列出現(xiàn)重復(fù)時(shí),利用標(biāo)記符號(hào)進(jìn)行壓縮表示。相比較于現(xiàn)有的可見光編碼調(diào)制,STM調(diào)制在保證誤碼率的同時(shí),可以有效提高數(shù)據(jù)傳輸速率,并降低傳輸能耗。
最終,使用現(xiàn)有的Android移動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于可見光的近場混合雙工通信系統(tǒng)。從傳輸速率、傳輸環(huán)境以及能耗三個(gè)方面,驗(yàn)證了可見光通信在量產(chǎn)型移動(dòng)設(shè)備上應(yīng)用的可行性。首先在量產(chǎn)型移動(dòng)設(shè)備上測試了當(dāng)前適用于可見光的兩種信號(hào)調(diào)制:脈沖間隔調(diào)制(PIM)和脈寬調(diào)制(PWM)。
在上述兩種調(diào)制方法中均存在不足,傳輸速率低且能耗較大。在PIM調(diào)制的基礎(chǔ)上,有一種改進(jìn)過后的調(diào)制方法:雙頭脈沖間隔調(diào)制(Dual-Header Pulse Interval Modulation,DH-PIM)。但DH-PIM無法對二進(jìn)制比特序列進(jìn)行壓縮。當(dāng)一個(gè)二進(jìn)制比特序列中有多次重復(fù)時(shí),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(diào)制的思想,本文提出了一種適用于量產(chǎn)型移動(dòng)設(shè)備近場可見光通信的狀態(tài)轉(zhuǎn)化調(diào)制(STM)。
其核心思想是針對狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化(出現(xiàn)多次重復(fù))的數(shù)據(jù),使用特殊的高脈沖標(biāo)記出被重復(fù)對象和重復(fù)次數(shù),沒有發(fā)生轉(zhuǎn)化則持續(xù)使用DH-PIM進(jìn)行調(diào)制。當(dāng)調(diào)制階數(shù)M=4時(shí),將比特序列分為4位一組,單位脈沖寬度取作1tb,設(shè)一個(gè)分組中的比特序列表示的數(shù)值為n,在表示數(shù)據(jù)之前先添加1tb低脈沖作為保護(hù)時(shí)隙,當(dāng)n<8時(shí),采用n個(gè)單位脈沖寬度的低脈沖來表示數(shù)據(jù),之后增加1tb高脈沖來進(jìn)行分隔。為了避免每4位比特序列對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)過大而導(dǎo)致需要用很長的一段低脈沖來調(diào)制數(shù)據(jù),當(dāng)n>8時(shí),表示數(shù)據(jù)的低脈沖的單位脈沖寬度數(shù)量則是該分組內(nèi)四位二進(jìn)制數(shù)按位取反后的值,并且之后采用2tb高脈沖來進(jìn)行分隔。若出現(xiàn)多次重復(fù)時(shí),STM調(diào)制利用特殊的脈沖表示出連續(xù)重復(fù)數(shù)據(jù),從而有效縮短編碼長度以及減少高脈沖的持續(xù)時(shí)間。
STM調(diào)制中分為三種狀態(tài),即開始狀態(tài)、傳輸狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)。如圖2所示,當(dāng)環(huán)境光傳感器還沒有感知到起始信號(hào)時(shí)為開始狀態(tài),準(zhǔn)備接收高脈沖信號(hào)。根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù),可以將傳輸狀態(tài)進(jìn)一步劃分為非重復(fù)狀態(tài)、單組內(nèi)重復(fù)狀態(tài)以及多組重復(fù)狀態(tài)。數(shù)據(jù)傳輸需要在這三種狀態(tài)中切換,且根據(jù)不同的狀態(tài),其編碼方式存在差異。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí),進(jìn)入結(jié)束狀態(tài),環(huán)境光傳感器等待下一次數(shù)據(jù)傳輸。
圖2 STM調(diào)制狀態(tài)圖
當(dāng)被調(diào)制數(shù)據(jù)出現(xiàn)多次重復(fù)時(shí),需要標(biāo)記出被重復(fù)對象所占的位數(shù)以及重復(fù)的次數(shù),這樣就可以利用更少的脈沖數(shù)來表示數(shù)據(jù),采用2tb高脈沖作為重復(fù)標(biāo)記位來標(biāo)記連續(xù)重復(fù)的數(shù)據(jù)。之后的低脈沖所占單位脈沖寬度的數(shù)量表示被重復(fù)對象的位數(shù),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(shù)量表示被重復(fù)對象的重復(fù)次數(shù)。例如,表示“0010重復(fù)5次”的STM調(diào)制圖如圖3(a)所示。
圖3 STM調(diào)制
可以發(fā)現(xiàn),如果被重復(fù)對象的重復(fù)次數(shù)太大,會(huì)導(dǎo)致表示重復(fù)次數(shù)的單位低脈沖數(shù)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(jié)束。因此,在被重復(fù)對象的重復(fù)次數(shù)大于9的時(shí)候,在表示重復(fù)次數(shù)的低脈沖段中增加2tb高脈沖來分隔出重復(fù)次數(shù)的十位和個(gè)位數(shù)字。如圖3(b)所示,當(dāng)被重復(fù)對象“0010”重復(fù)12次時(shí),分隔出兩段低脈沖時(shí)隙來分別表示十位數(shù)字“1”和個(gè)位數(shù)字“2”。
在STM調(diào)制中,如果沒有出現(xiàn)重復(fù)的情況,STM調(diào)制與DH-PIM調(diào)制方式是一致的,只有傳輸?shù)男蛄兄谐霈F(xiàn)多次重復(fù)才會(huì)采用壓縮的調(diào)制方式,所以STM調(diào)制實(shí)際上是一種可壓縮的DH-PIM調(diào)制方法。
由于兩個(gè)先后出現(xiàn)的連續(xù)重復(fù)字符串序列可能存在互相交集的情況,那么先進(jìn)行傳輸?shù)淖址蛄幸呀?jīng)表達(dá)過后傳輸字符串序列的交集部分,這部分內(nèi)容不需要再次進(jìn)行傳輸。在處理后出現(xiàn)的重復(fù)字符串序列時(shí),交集部分需要STM調(diào)制自動(dòng)進(jìn)行忽略。忽略之后,與之相對應(yīng)的,后傳輸字符串的重復(fù)標(biāo)志位也需要被設(shè)置到第一個(gè)未被交集覆蓋的重復(fù)字符串上。例如,當(dāng)發(fā)送序列為“001001001001001000110 001100011”時(shí),第一組序列為“0010”,取其中后三位“010”重復(fù)4次,后一個(gè)分組是“0011”,取前面的五位“00011”重復(fù)2次。
PIM調(diào)制和PWM調(diào)制只在一種狀態(tài)下存儲(chǔ)數(shù)據(jù),另外一種狀態(tài)是用來間隔相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)的。但在DH-PIM調(diào)制中,由于引入了分組機(jī)制,除去了冗余的間隔位。在STM調(diào)制中又對有重復(fù)的序列進(jìn)行了壓縮。這樣一來,與PIM調(diào)制和PWM調(diào)制相比,在相同的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)傳輸更長的二進(jìn)制比特序列,STM調(diào)制明顯減少了數(shù)據(jù)傳輸所需要的時(shí)間,且耗費(fèi)更少的高脈沖。為了驗(yàn)證這一結(jié)論,本文進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖4和圖5所示。
圖4 四種調(diào)制的吞吐量比較
圖5 四種調(diào)制的高脈沖數(shù)量比較
本文將可見光通信應(yīng)用于現(xiàn)有量產(chǎn)型移動(dòng)設(shè)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(huán)境光傳感器作為信號(hào)發(fā)射/接收器,并在現(xiàn)有可見光DH-PIM調(diào)制的基礎(chǔ)上提出了狀態(tài)轉(zhuǎn)化調(diào)制(STM)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明STM調(diào)制與PIM調(diào)制和PWM調(diào)制相比,STM調(diào)制在吞吐率和能耗上占較大優(yōu)勢。在傳輸序列有重復(fù)的情況下,STM調(diào)制的吞吐率亦優(yōu)于DH-PIM調(diào)制。最終,基于量產(chǎn)的Android手機(jī),設(shè)計(jì)了相應(yīng)的近場通信系統(tǒng),并在真實(shí)環(huán)境中驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)的可行。
在未來的工作中,將繼續(xù)對調(diào)制編碼展開研究,并引入合適的糾錯(cuò)方法,進(jìn)一步降低環(huán)境背景光噪聲帶來的影響,提高傳輸速率。