[论文解读] Secure Degrees of Freedom of the Gaussian Wiretap Channel with Helpers and No Eavesdropper CSI: Blind Cooperative Jamming

Jianwei Xie, Şennur Ulukuş|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2013

Wireless Communication Security Techniques参考文献 23被引用 7

一句话总结

本文提出了一种针对具有 M 个中继的高斯窃听信道的盲合作干扰方案，实现了与先前工作相同的保密自由度（d.o.f.）$\frac{M}{M+1}$，但无需在发射端获取窃听者信道状态信息（CSI）。该方案利用实数干扰对齐技术，将干扰信号在合法接收端对齐，同时盲地覆盖窃听者的信号空间，从而在高信噪比下确保保密性。

ABSTRACT

We consider the Gaussian wiretap channel with M helpers, where no eavesdropper channel state information (CSI) is available at the legitimate entities. The exact secure d.o.f. of the Gaussian wiretap channel with M helpers with perfect CSI at the transmitters was found in [1], [2] to be M/(M+1). One of the key ingredients of the optimal achievable scheme in [1], [2] is to align cooperative jamming signals with the information symbols at the eavesdropper to limit the information leakage rate. This required perfect eavesdropper CSI at the transmitters. Motivated by the recent result in [3], we propose a new achievable scheme in which cooperative jamming signals span the entire space of the eavesdropper, but are not exactly aligned with the information symbols. We show that this scheme achieves the same secure d.o.f. of M/(M+1) in [1], [2] but does not require any eavesdropper CSI; the transmitters blindly cooperative jam the eavesdropper.

研究动机与目标

• 确定当发射端无法获取窃听者CSI时，具有 M 个中继的高斯窃听信道的保密自由度（d.o.f.）。
• 设计一种可实现方案，保持最优的保密自由度$\frac{M}{M+1}$，且不依赖于窃听者CSI。
• 在获取窃听者CSI不可行或不可能的场景中，实现实际的保密通信。
• 证明盲合作干扰结合实数干扰对齐，可实现最优的保密性能。

提出的方法

• 提出一种新型传输方案，其中 M 个中继在不知晓窃听者信道状态的情况下，发送结构化的合作干扰信号。
• 利用实数干扰对齐技术，将所有合作干扰信号在合法接收端对齐至单一无理维度，以最小化对期望信号的干扰。
• 额外使用一个干扰信号以覆盖窃听者端的整个信号空间，防止信息泄露，且无需与特定的码字符号对齐。
• 依赖发射端已知的合法接收端CSI来对齐干扰信号，同时完全避免对窃听者CSI的需求。
• 应用法诺不等式和功率缩放论证，证明窃听者的信息泄露速率被一个与发射功率无关的常数所限制。
• 通过高信噪比下的渐近分析推导出保密自由度，表明可实现速率按$\frac{M}{M+1} \cdot \frac{1}{2}\log P$的比例增长。

实验结果

研究问题

• RQ1 当发射端无法获取窃听者CSI时，是否仍可在具有 M 个中继的高斯窃听信道中实现$\frac{M}{M+1}$的保密自由度？
• RQ2 在合作干扰方案中，保密性与CSI可用性之间的根本权衡是什么？
• RQ3 是否可以实现盲合作干扰——即在窃听者端不对干扰信号与码字符号对齐——仍能达到最优的保密自由度？
• RQ4 实数干扰对齐如何在未知窃听者CSI时实现安全通信？
• RQ5 当窃听者CSI不可用时，$\frac{M}{M+1}$的保密自由度上界是否仍然紧致？

主要发现

• 即使发射端无法获取窃听者CSI，具有 M 个中继的高斯窃听信道的保密自由度（d.o.f.）仍为$\frac{M}{M+1}$。
• 所提出的盲合作干扰方案实现了与先前需要完美窃听者CSI方案相同的保密自由度。
• 该方案利用实数干扰对齐技术，将所有干扰信号在合法接收端对齐至单一维度，从而保持了消息的可解码性。
• 通过在窃听者端覆盖整个信号空间，干扰信号防止了信息泄露，且无需与单个码字符号对齐。
• 窃听者的信息泄露速率被一个与发射功率无关的常数所限制，从而在高信噪比下确保了保密性。
• 所提出的可实现方案对信道变化具有鲁棒性，适用于几乎所有信道增益，仅在勒贝格测度为零的集合上不成立。