[論文レビュー] Relay Channels with Confidential Messages

Yasutada Oohama|ArXiv.org|Nov 24, 2006

Wireless Communication Security Techniques参考文献 13被引用数 62

ひとこと要約

本稿は、中継者が送信を支援するが、特定のプライベートメッセージについての中継者からの機密性を保つ必要がある、機密メッセージを伴う中継チャネルを研究する。決定的および確率的符号化方式を導入し、レート領域の明示的内包および外的境界を導出し、特にパワー制約とノイズを伴うガウス中継チャネルにおいて、確率的符号化が安全送信容量を拡大できることを示す。

ABSTRACT

We consider a relay channel where a relay helps the transmission of messages from one sender to one receiver. The relay is considered not only as a sender that helps the message transmission but as a wire-tapper who can obtain some knowledge about the transmitted messages. In this paper we study the coding problem of the relay channel under the situation that some of transmitted messages are confidential to the relay. A security of such confidential messages is measured by the conditional entropy. The rate region is defined by the set of transmission rates for which messages are reliably transmitted and the security of confidential messages is larger than a prescribed level. In this paper we give two definition of the rate region. We first define the rate region in the case of deterministic encoder and call it the deterministic rate region. Next, we define the rate region in the case of stochastic encoder and call it the stochastic rate region. We derive explicit inner and outer bounds for the above two rate regions and present a class of relay channels where two bounds match. Furthermore, we show that stochastic encoder can enlarge the rate region. We also evaluate the deterministic rate region of the Gaussian relay channel with confidential messages.

研究の動機と目的

• 中継者が補助者でありながら盗聴者としても機能する中継チャネルをモデル化・分析すること。この場合、特定のメッセージの機密性が求められる。
• 決定的符号化器と確率的符号化器の2つの異なるレート領域を定義し、特徴づけること。
• 両レート領域の明示的内包および外的境界を導出し、それらが一致する条件を特定すること。
• 安全送信容量という観点から、決定的符号化に比べ確率的符号化による性能向上を評価すること。
• パワー制約とノイズを伴うガウス中継チャネルにおける機密メッセージを伴う中継チャネルを分析し、決定的レート領域の明示的内包および外的境界を提供すること。

提案手法

• 2種類のメッセージタイプ（両受信者および中継者に送られる共通メッセージ、受信者にのみ送られるプライベート（機密）メッセージ）を伴う中継チャネルモデルを提案する。
• レート領域を、プライベートメッセージが信頼性高く復元可能であり、かつその条件付きエントロピー（セキュリティ指標）が閾値を超えるような送信レートの集合として定義する。
• 2つの変種を導入する：固定符号化器を用いる決定的レート領域と、確率的符号化器を用いる確率的レート領域。
• エントロピー・パワー不等式および相互情報量の境界を含む情報理論的道具を用いて、両レート領域の明示的内包および外的境界を導出する。
• 加法性ホワイトガウスノイズを伴うガウス中継チャネルにこれらの境界を適用し、パワー制約および信号対ノイズ比を用いる。
• エントロピー・パワー不等式を用いて、ノイズのあるチャネル出力の微分エントロピーを評価し、タイトな容量境界を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中継者に対して一部のメッセージが機密である場合、中継チャネルの容量領域は何か？
• RQ2 決定的符号化と確率的符号化方式の間で、実現可能な安全送信レートはどのように比較できるか？
• RQ3 レート領域の内包および外的境界が一致するチャネル条件は何か？
• RQ4 機密性制約が存在する状況で、確率的符号化は決定的符号化よりも広いレート領域を達成できるか？
• RQ5 機密メッセージを伴うガウス中継チャネルにおける決定的レート領域の明示的内包および外的境界は何か？

主な発見

• 本稿は、機密メッセージを伴う中継チャネルにおける決定的および確率的レート領域の両方について、明示的な内包および外的境界を確立した。
• 特定のクラスの中継チャネルにおいて、決定的レート領域の内包および外的境界が一致し、正確な容量領域が得られた。
• 確率的符号化が決定的符号化に比べてレート領域を拡大することが示され、安全通信における性能向上が実証された。
• ガウス中継チャネルにおいて、決定的レート領域は明示的な内包および外的境界によって特徴づけられ、特定のチャネルパラメータにおいてそれらが一致する。
• 境界はエントロピー・パワー不等式および相互情報量の式を用いて導出され、特定の信号対ノイズ比およびパワー割り当て条件下でタイトさが確認された。
• 中継者の観測値に関してプライベートメッセージの条件付きエントロピーがセキュリティ指標として機能し、定義されたレート領域内での機密性が保証された。