[論文レビュー] On the Capacity of the 2-User Interference Channel with Transmitter Cooperation and Secrecy Constraints

Parthajit Mohapatra, Chandra R. Murthy|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2014

Wireless Communication Security Techniques被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、送信機協調と機密性制約を伴う2ユーザー対称ガウス干渉チャネルを調査し、干渉キャンセレーション、協調的メッセージ共有、ダミーメッセージ送信を用いた実現可能解を提案する。限られた協調が特定の領域において容量を達成するレートで安全な通信を可能にすることを確立し、一部の状況では非機密的協調と比較してレートを犠牲にすることなく機密性が達成されることを示す。

ABSTRACT

This paper studies the value of limited rate cooperation between the transmitters for managing interference and simultaneously ensuring secrecy, in the 2-user Gaussian symmetric interference channel (GSIC). First, the problem is studied in the symmetric linear deterministic IC (SLDIC) setting, and achievable schemes are proposed, based on interference cancelation, relaying of the other user's data bits, and transmission of random bits. In the proposed achievable scheme, the limited rate cooperative link is used to share a combination of data bits and random bits depending on the model parameters. Outer bounds on the secrecy rate are also derived, using a novel partitioning of the encoded messages and outputs depending on the relative strength of the signal and the interference. The inner and outer bounds are derived under all possible parameter settings. It is found that, for some parameter settings, the inner and outer bounds match, yielding the capacity of the SLDIC under transmitter cooperation and secrecy constraints. In some other scenarios, the achievable rate matches with the capacity region of the 2-user SLDIC without secrecy constraints derived by Wang and Tse [1]; thus, the proposed scheme offers secrecy for free, in these cases. Inspired by the achievable schemes and outer bounds in the deterministic case, achievable schemes and outer bounds are derived in the Gaussian case. The proposed achievable scheme for the Gaussian case is based on Marton's coding scheme and stochastic encoding along with dummy message transmission. One of the key techniques used in the achievable scheme for both the models is interference cancelation, which simultaneously offers two seemingly conflicting benefits: it cancels interference and ensures secrecy. Many of the results derived in this paper extend to the asymmetric case also.

研究の動機と目的

• 2ユーザー対称干渉チャネルにおける限られたレートの送信機協調が機密容量に与える影響を分析すること。
• 受信機における干渉を同時に管理し、情報理論的機密性を保証する実現可能解を開発すること。
• 機密レートに対する外挙動を導出し、内挙動と外挙動が一致する条件を特定し、容量を導出すること。
• マルトンの符号化と確率的符号化を用いて、決定的モデルからガウス干渉チャネルへ結果を拡張すること。
• 協調が「機密性を無料で得る」—すなわち非機密的協調と比較してレートを犠牲にせずに機密性を達成できるかどうかを調査すること。

提案手法

• 干渉キャンセレーション、他ユーザーのデータビットのリレー、協調リンクを介したランダム（ダミー）ビットの送信を用いた、対称線形決定的干渉チャネル（SLDIC）における新規実現可能解を提案する。
• 信号対干渉強度に基づく符号化メッセージおよび出力のパーティショニングを用いて、機密レートに対する新たな外挙動を導出する。
• ガウスチャネルモデルにおいて、マルトンの符号化方式と確率的符号化、ダミーメッセージ送信を用いて機密性を達成する。
• 干渉キャンセレーションを二重目的のメカニズムとして用い、干渉を抑圧するとともに、盗聴者による意図したメッセージの隠蔽を高める。
• 個々の送信パワー制約下で、協調的、プライベート、ダミーメッセージのパワーをバランスさせるためのパワー割り当て戦略を導出する。
• 相互情報量とエントロピーの境界を用いて機密性を証明し、不正受信機における等価情報量が十分に高いことを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 限られた送信機協調が2ユーザー対称干渉チャネルにおいて、どのような条件下で機密容量を達成するか？
• RQ2 協調環境下で、干渉キャンセレーションが干渉を抑圧すると同時に機密性を高めることができるか？
• RQ3 どのパrameter領域で、提案された手法が非機密的協調と比較してレートペナルティなしに機密性を達成するか？
• RQ4 メッセージと出力のパーティショニングを用いて導出した外挙動は、異なる信号および干渉強度において、実現可能レートとどのように比較されるか？
• RQ5 ガウス干渉チャネルに機密性制約がある場合、協調をどの程度活用して安全な通信を実現できるか？

主な発見

• SLDICにおける特定のパrameter設定では、機密レートに関する内挙動と外挙動が正確に一致し、協調下でのチャネルの機密容量が確立される。
• 一部の領域では、実現可能機密レートが、機密性制約なしの2ユーザーSLDICの容量領域と一致し、協調により機密性が「無料で」達成されることを示す。
• ガウスチャネルにおける提案手法は、α（信号対干渉比）が1を除くすべての値で正の機密レートを達成する。
• ダミーメッセージと確率的符号化の使用により、特に高干渉領域においても安全な送信を維持しながら高いスペクトル効率を達成できる。
• メッセージと出力のパーティショニングを用いて導出した外挙動は、複数のシナリオでタイトであり、提案手法の最適性がその場面で妥当であることを裏付ける。
• 結果は非対称干渉チャネルモデルへも拡張可能であり、提案された協調および機密性技術の広範な適用可能性を示している。