[論文レビュー] Achievable Rates for the General Gaussian Multiple Access Wire-Tap Channel with Collective Secrecy

Ender Tekin, Aylin Yener|ArXiv.org|Dec 18, 2006

Wireless Communication Security Techniques参考文献 8被引用数 51

ひとこと要約

本稿は、一般ガウス複数アクセス盗聴チャネル（GGMAC-WT）における集団的秘匿性制約下で、ガウス型コードブックとパワー割り当てを用いて達成可能な秘匿レート領域を提案する。ユーザーが単一ユーザーの秘匿容量がゼロであっても、協調ジャミングによって完全な秘匿性を達成できることを示している。ここで『悪い』チャネルを持つユーザーが『良い』チャネルを持つユーザーを支援するために、盗聴者を劣化させる送信を行うことで、達成可能な合計レートが顕著に向上する。

ABSTRACT

We consider the General Gaussian Multiple Access Wire-Tap Channel (GGMAC-WT). In this scenario, multiple users communicate with an intended receiver in the presence of an intelligent and informed eavesdropper who is as capable as the intended receiver, but has different channel parameters. We aim to provide perfect secrecy for the transmitters in this multi-access environment. Using Gaussian codebooks, an achievable secrecy region is determined and the power allocation that maximizes the achievable sum-rate is found. Numerical results showing the new rate region are presented. It is shown that the multiple-access nature of the channel may be utilized to allow users with zero single-user secrecy capacity to be able to transmit in perfect secrecy. In addition, a new collaborative scheme is shown that may increase the achievable sum-rate. In this scheme, a user who would not transmit to maximize the sum rate can help another user who (i) has positive secrecy capacity to increase its rate, or (ii) has zero secrecy capacity to achieve a positive secrecy capacity.

研究の動機と目的

• 一般ガウス複数アクセス盗聴チャネル（GGMAC-WT）における集団的秘匿性制約下での達成可能な秘匿レート領域を確立すること。
• 完全な秘匿性を満たす条件下で合計秘匿レートを最大化する最適パワー割り当てを特定すること。
• 意図した受信者へのチャネル品質が悪いユーザーが、協調ジャミングを通じて他のユーザーを支援することで秘匿性に寄与できるかどうかを調査すること。
• 単一ユーザーの秘匿容量がゼロであるユーザーが協力によって完全な秘匿性を達成できることを示すこと。

提案手法

• 著者らは、複数アクセスチャネル上でのユーザーの送信をモデル化するためにガウス型ランダムコードブックを用いる。
• 集団的秘匿性制約を定義し、盗聴者の信号から任意のメッセージ集合の条件付きエントロピーが無視できる程度に小さくなるようにする。
• 集団的秘匿性下での同時典型性デコードと秘匿性制約に基づいて、達成可能なレート領域を導出する。
• パワー制約とラグランジュ乗数を用いた制約付き最適化問題として、合計レート最大化問題を定式化する。
• KKT条件を解析することで最適パワー割り当てを導出し、『良い』盗聴者チャネル比（受信者へのチャネルが盗聴者より良好）を持つユーザーのみがフルパワーで送信することを示す。
• 非送信ユーザーが受信者へのチャネルが悪い場合、盗聴者のチャネルを劣化させるために送信することで、他のユーザーの秘匿性を実現する協調秘匿方式を導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一ユーザーの秘匿容量がゼロであるユーザーも、複数アクセス環境下で完全な秘匿性を達成できるか？
• RQ2 GGMAC-WTにおいて集団的秘匿性制約下で、合計秘匿レートを最大化するためのユーザー間パワー割り当てはどのように行うべきか？
• RQ3 意図した受信者へのチャネルが悪いユーザーが、盗聴者を妨害するために送信することで、秘匿性に寄与できるか？
• RQ4 集団的秘匿性を有する一般ガウス型複数アクセス盗聴チャネルにおける達成可能な秘匿レート領域の構造は何か？

主な発見

• 単一ユーザーの秘匿容量がゼロであるユーザーは、チャネル劣化を目的とした協力者による支援を受けることで完全な秘匿性を達成できる。
• 合計秘匿レートは、『良い』盗聴者チャネル比（受信者へのチャネルが盗聴者より良好）を持つユーザーのみがフルパワーで送信する場合に最大化される。
• 最適パワー割り当てはチャネル利得とパワー制約に依存し、2ユーザーの場合には閉形式の解が導出可能である。
• ユーザー2が十分なパワーを持つ場合、ユーザー1が単独では秘匿性を達成できない場合でも、盗聴者を効果的にジャミングすることでユーザー1がフルパワーで送信可能になる。
• 協調秘匿方式により、単一ユーザーの状況よりも高い達成可能な合計レートが得られる。
• 数値結果により、『悪い』チャネルを持つユーザーが『良い』チャネルを持つユーザーを協調送信によって支援することで、合計レートが向上することが確認されている。