[論文レビュー] Secrecy in Cooperative Relay Broadcast Channels

Ersen Ekrem, Şennur Ulukuş|ArXiv.org|Nov 9, 2008

Wireless Communication Security Techniques参考文献 19被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、協調リレーブロードキャストチャネルにおける機密性を調査し、マルトンのブロードキャストチャネル符号化とカーバーおよびエル・ガマルの圧縮・フォワーディングリレーニングを組み合わせた新規符号化方式を提案することで、個々の機密速度を向上させることを目的としている。主な貢献は、ユーザー間の協調が、ガウスチャネルにおいて両ユーザーが正の機密速度を達成可能であることを示したことである—これは、協調のないスカラガウスブロードキャストチャネルでは、片方のユーザーしか正の機密速度を達成できないのとは対照的である。

ABSTRACT

We investigate the effects of user cooperation on the secrecy of broadcast channels by considering a cooperative relay broadcast channel. We show that user cooperation can increase the achievable secrecy region. We propose an achievable scheme that combines Marton's coding scheme for broadcast channels and Cover and El Gamal's compress-and-forward scheme for relay channels. We derive outer bounds for the rate-equivocation region using auxiliary random variables for single-letterization. Finally, we consider a Gaussian channel and show that both users can have positive secrecy rates, which is not possible for scalar Gaussian broadcast channels without cooperation.

研究の動機と目的

• ブロードキャストチャネルにおけるユーザー協調が機密性に与える影響を調査すること。各ユーザーは相手に対して自身のメッセージを機密に保たなければならない。
• 単方向協調リンクを有する協調リレーブロードキャストチャネル（CRBC）の実現可能な機密速度領域を構築すること。
• ブロードキャストおよびリレーチャネルにおける機密性に関する先行研究を拡張し、協調を機密フレームワークに統合すること。
• 補助確率変数を用いて単文字化を可能にするため、レート・等価化領域に対する外挙動を導出すること。
• ガウスCRBCのケースを分析し、協調が両ユーザーが正の機密速度を達成可能であることを示すこと。

提案手法

• マルトンのダーティペーパー符号化（ブロードキャストチャネル用）とリレーチャネル用の圧縮・フォワーディングリレーニングを組み合わせたハイブリッド符号化方式を提案する。
• リレーユーザーにおける協調と圧縮をモデル化するために補助確率変数（例：$U_1, U_2, V_1, V_2, \tilde{Y}_1, \tilde{Y}_2$）を導入する。
• 受信機では共同典型性デコードを用い、ユーザー1が圧縮されたチャネル出力$\hat{Y}_2$を介してユーザー2のメッセージをデコードする。
• ファノの補題と典型性の議論を用いて等価化速度を制限し、機密性を保証する。
• 補助確率変数を用いて、単文字化を可能にするため、レート・等価化領域に対する外挙動を導出する。
• ガウス入力仮定の下で、$Y_1, Y_2, \hat{Y}_1, \hat{Y}_2$を含む相互情報量項を評価することにより、ガウスCRBCのケースを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロードキャストチャネルにおけるユーザー協調は、両ユーザーの機密速度を同時に向上させることができるか？
• RQ2 二ユーザー協調リレーブロードキャストチャネルにおいて、協調は各受信機における等価化速度にどのように影響するか？
• RQ3 単方向協調リンクを有するCRBCの実現可能な機密速度領域は何か？
• RQ4 ガウスCRBCにおいて両ユーザーが正の機密速度を達成可能か？ もしそうであれば、協調はどのようにそれを可能にするか？
• RQ5 このチャネルモデルにおけるレート・等価化領域に対する外挙動は何か？

主な発見

• ユーザー協調は、非協調モデルと比較して、協調リレーブロードキャストチャネルにおける実現可能な機密領域を拡大する。
• 提案された方式は、協調のないスカラガウスブロードキャストチャネルでは不可能なことであるが、ガウスCRBCにおいて両ユーザーが正の機密速度を達成可能である。
• この方式により、ユーザー1が圧縮・フォワーディングリレーニングを用いてユーザー2のリレーリングを担うことができ、ユーザー2の機密速度が向上する。
• 補助確率変数を用いて、レート・等価化領域に対する外挙動が導出され、単文字化が可能になった。
• ユーザー1の等価化速度は、$nI(V_1;Y_1,\hat{Y}_2|X_1,U_2) - nI(V_1;Y_2,\hat{Y}_1|X_2,V_2,U_1) - nI(V_1;V_2) - n\epsilon_n$ で下限から抑えられ、機密性が保証される。
• ユーザー1のレートが低い場合、等価化速度は $nR_1 - n\epsilon_n$ で下限から抑えられ、低レート伝送下でも機密性が保証される。