0 引言

    过去数十年，随着信息社会的发展，智能移动设备、智能家居被广泛使用，无线数据流量呈指型增长，传统的射频无线通信技术受频谱资源限制，逐渐不能满足人们日益增长的通信需求。在此背景下，可见光通信（VLC）作为一种新兴的无线通信技术受到了广泛关注[1-2]。与传统的射频通信相比，VLC带宽较大且不受管制，不存在电磁辐射和电磁干扰等问题，并且具

有前端成本低、安全可靠等优点。

    VLC系统中，数据传输速率主要受限于发光二极管（LED）的调制带宽。目前，大功率的LED尚不能完全兼顾带宽和发光效率，LED的频率响应随着频率增大而急剧衰减。正交频分复用（OFDM）调制技术不仅能有效克服频率选择性衰落，而且具有很高的频谱利用率，因而被广泛应用于VLC系统[3]，但其缺点是OFDM调制的峰均功率比（PAPR）较高。根据LED的伏-安特性曲线可知，线性驱动峰值电压范围非常有限，过高的PAPR很容易造成LED发射端的非线性失真，从而导致整个系统误码率性能下降[4]。同时，与其它无线通信技术一样，VLC链路也面临着数据传输的安全问题。文献[5-6]提出的物理层加密技术是一种借助密钥在物理层实施加密的方法。与传统的加密方式相比，物理层加密技术可以与编码技术相结合，能同时提高物理层数据的传输性能和数据安全性；此外，物理层加密技术具有技术易实现、维护方便等优点，还可以与其它的无线通信技术相结合，如多天线技术、多载波通信技术等。目前，研究人员已经在OFDM VLC系统中提出一些物理层加密方案。文献[7]提出了一种带预均衡的信道确定子载波移动方案，该方案属于无密钥加密技术，即借助信道信息通过物理层的信号处理来提高系统的安全性。然而，这类加密方案需要在通信过程中估计窃听通道或物理定位窃听者，复杂度高、实现较困难。文献[8-9]提出了基于密钥的加密技术，利用循环前缀（CP）样本的极性从双极性实值OFDM样本创建动态密钥，通过在会话持续时间内与原始信号相乘来加密，增强了OFDM VLC的保密性。尽管系统支持对窃听者的高计算安全性，但容易受到已知明文攻击和选择明文攻击的影响。文献[10]提出了一种基于混沌序列的二级混合加密方法来提高传输图像数据的安全性和系统的传输性能，但增加了计算复杂度，且无法保证在各种攻击时的系统保密性。AL-MOLIKI Y M等人[11]提出了基于轻量级信道独立OFDM VLC的加密方法，通过哈希函数和CP样本创建动态密钥进行不同类型的加密，可确保在面对各种攻击时的保密性，还能降低系统的PAPR，但经过加密后，原始的二进制比特流数据和正交幅度调制（QAM）信号之间不满足格雷映射的关系，故系统的误码率（BER）性能会有所降低。

基于此，本文在OFDM VLC系统中提出一种比特级、符号级和相位联合加密的三级物理层加密方案。

3 结束语

    本文针对OFDM VLC系统提出了一种比特级、符号级和相位联合加密的三级物理层加密方案。该方案主要有2个创新点：第一，引入Logistic映射的混沌序列加密，扩大安全密钥空间，降低发送数据的相关性，进一步增强了传输数据的安全性；同时，还能进一步降低发送信号的PAPR，降低发射端LED产生非线性失真的风险，提高了系统的BER性能。第二，提出基于S替换表的星座映射，根据不同的S替换表，生成对应的星座映射关系，使得原始二进制比特数据和加密后生成的数字调制信号之间始终保持格雷映射的特性，保证了格雷增益，弥补了文献[11]中物理层加密导致系统BER性能下降的缺点。

    以Cameraman图像和Lena图像数据源为例，评估了本文方案在数据传输可靠性和安全性两方面的性能。通过直方图和相关性可知，与传统方案相比，经过本文物理层加密后，数据相关性减小，加密后数据的随机化程度更高，故安全性更高。仿真结果表明：本文方案的OFDM VLC系统发送信号的PAPR值比传统方案的OFDM VLC系统明显减小，说明本文方案能更大程度降低LED非线性失真带来的性能损失。在不考虑系统非线性的情况下，本文提出的加密方案的OFDM VLC系统BER最低，因此传输可靠性更高。