[논문 리뷰] Secrecy Rate Region of the Broadcast Channel with an Eavesdropper

Ghadamali Bagherikaram, Seyed Abolfazl Motahari외 1명|ArXiv.org|2009. 10. 19.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 46인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 가로막힌 브로드캐스트 채널에 대한 기밀성 용량 영역을 규명하며, 커버의 슈퍼포지션 코딩과 무작위 밴딩을 조합한 '기밀 슈퍼포지션 방식'을 제안하여 안전한 통신을 달성한다. AWGN 케이스에서는 코스타의 엔트로피 파wr 부등식을 사용해 가우시안 부호화를 사용하는 방식이 최적임을 증명하며, 닫힌 형태의 기밀성 용량 영역을 도출한다.

ABSTRACT

In this paper, we consider a scenario where a source node wishes to broadcast two confidential messages to two receivers, while a wire-tapper also receives the transmitted signal. This model is motivated by wireless communications, where individual secure messages are broadcast over open media and can be received by any illegitimate receiver. The secrecy level is measured by the equivocation rate at the eavesdropper. We first study the general (non-degraded) broadcast channel with an eavesdropper. We present an inner bound on the secrecy capacity region for this model. This inner bound is based on a combination of random binning, and the Gelfand-Pinsker binning. We further study the situation in which the channels are degraded. For the degraded broadcast channel with an eavesdropper, we present the secrecy capacity region. Our achievable coding scheme is based on Covers superposition scheme and random binning. We refer to this scheme as the Secret Superposition Scheme. Our converse proof is based on a combination of the converse proof of the conventional degraded broadcast channel and Csiszar Lemma. We then assume that the channels are Additive White Gaussian Noise (AWGN) and show that the Secret Superposition Scheme with Gaussian codebook is optimal. The converse proof is based on Costas entropy power inequality. Finally, we use a broadcast strategy for the slowly fading wire-tap channel when only the eavesdroppers channel is fixed and known at the transmitter. We derive the optimum power allocation for the coding layers, which maximizes the total average rate.

연구 동기 및 목표

• 일반적인 (비내림내림) 브로드캐스트 채널에 대한 기밀성 용량 영역을 규명하는 것.
• 무작위 밴딩과 젤파인스커르 밴딩을 사용하여 기밀성 용량 영역에 대한 내부 경계를 유도하는 것.
• 내림내림 브로드캐스트 채널에 대한 정확한 기밀성 용량 영역을 결정하는 것.
• AWGN 설정에서 가우시안 부호화를 사용하는 기밀 슈퍼포지션 방식의 최적성을 증명하는 것.
• 고정된 가로막힌 채널 상태 정보를 가진 천천히 페이딩되는 와이어 탭 채널에 대한 최적의 전력 할당 전략을 설계하는 것.

제안 방법

• 커버의 슈퍼포지션 코딩과 무작위 밴딩을 조합하여 기밀성 통신을 위한 계층적 전송을 위한 '기밀 슈퍼포지션 방식'을 제안한다.
• 비내림내림 케이스의 기밀성 용량 영역에 대한 내부 경계를 확보하기 위해 젤파인스커르 밴딩과 무작위 밴딩을 사용한다.
• 기존의 내림내림 브로드캐스트 채널에서의 Csiszar 추론 및 역방향 기법을 적용하여 내림내림 케이스의 역방향을 증명한다.
• 코스타의 엔트로피 파워 부등식을 사용하여 가우시안 부호화를 사용하는 AWGN 채널의 역방향을 확립한다.
• 고정된 가로막힌 채널 상태 정보를 가진 천천히 페이딩되는 와이어 탭 채널에 대해 최적의 전력 할당 정책을 유도한다.
• 공통적인 특성과 점근적 분석을 사용하여 상호정보량 항목을 유계화하고 가로막힌 이론에서의 등가성분을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 (비내림내림) 브로드캐스트 채널에 대한 기밀성 용량 영역은 무엇인가요?
• RQ2 의도한 수신자들과 가로막힌 이론이 신호를 수신하는 브로드캐스트 환경에서 어떻게 안전한 통신을 달성할 수 있나요?
• RQ3 내림내림 브로드캐스트 채널에 대한 정확한 기밀성 용량 영역은 무엇인가요?
• RQ4 기밀 슈퍼포지션 방식은 AWGN 브로드캐스트 채널에서 기밀성 제약 조건을 충족하는 데 최적입니까?
• RQ5 가로막힌 이론의 채널 상태 정보만이 송신기에서 알려져 있을 때, 천천히 페이딩되는 와이어 탭 채널에 대한 최적의 전력 할당 전략은 무엇입니까?

주요 결과

• 무작위 밴딩과 젤파인스커르 기법을 사용하여 일반적인 (비내림내림) 브로드캐스트 채널에 대한 기밀성 용량 영역에 대한 내부 경계가 확립된다.
• 내림내림 브로드캐스트 채널에 대한 기밀성 용량 영역은 기밀 슈퍼포지션 방식을 통해 완전히 규명된다.
• AWGN 케이스에서는 가우시안 부호화를 사용하는 기밀 슈퍼포지션 방식이 기밀성 용량을 달성하며, 코스타의 엔트로피 파워 부등식을 통해 증명된다.
• AWGN 케이스의 역방향 증명은 기밀성 파워 부등식을 사용하여 정규 수신기와 가로막힌 이론 간의 조건부 엔트로피 속도 차이를 유계화하는 데 의존한다.
• 고정된 가로막힌 채널 상태 정보를 가진 천천히 페이딩되는 와이어 탭 채널에 대해 총 평균 기밀성 속도를 최대화하는 최적의 전력 할당 정책이 도출된다.
• 주어진 가정 하에 기밀성 속도 영역이 타당하게 유계임이 입증되었으며, 가로막힌 이론에서의 등가성분 속도가 필요한 기밀성 수준을 달성한다.