[论文解读] Capacity Regions for Broadcast Channels With Degraded Message Sets and Message Cognition Under Different Secrecy Constraints.

Ahmed S. Mansour, Rafael F. Schaefer+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2015

Wireless Communication Security Techniques参考文献 33被引用 7

一句话总结

本文在非保密与保密约束下，建立了具有退化消息集和消息认知的三用户广播信道的容量区域。结果表明，在非保密情况下，间接解码不带来增益；但在更广泛的一类更强大信道中，间接解码显著提升了联合保密容量。由于认知消息可作为密钥使用，个体保密准则下的容量区域更大。

ABSTRACT

This paper considers a three-receiver broadcast channel with degraded message sets and message cognition. The model consists of a common message for all three receivers, a private common message for only two receivers and two additional private messages for these two receivers, such that each receiver is only interested in one message, while being fully cognizant of the other one. First, this model is investigated without any secrecy constraints, where the capacity region is established. This result implies that the straightforward extension of K\orner and Marton inner bound to the investigated scenario is optimal. In particular, this agrees with Nair and Wang result, which states that the idea of indirect decoding -introduced to improve K\orner and Marton inner bound- does not provide a better region for this scenario. Further, some secrecy constraints are introduced by letting the private messages to be confidential ones. Two different secrecy criteria are considered: joint secrecy and individual secrecy. For both criteria, a general achievable rate region is provided, in addition to establishing the secrecy capacity regions, if the two legitimate receivers are more capable than the eavesdropper. The established capacity regions indicate that the individual secrecy criterion can provide a larger capacity region as compared to the joint one, because the cognizant messages can be used as a secret keys for the other messages. Moreover, the joint secrecy capacity is established for a more general class of more capable channels, where only one of the two legitimate receivers is more capable than the eavesdropper by proving the optimality of the principle of indirect decoding introduced by Nair and El Gamal for this class of channels. This result is in contrast with the non-secrecy case, where the indirect decoding does not provide any gain.

研究动机与目标

• 表征无保密约束下具有退化消息集和消息认知的三用户广播信道的容量区域。
• 研究保密约束对可实现速率的影响，区分联合保密与个体保密准则。
• 确定在何种情况下间接解码能提升保密容量区域，特别是在更强大信道设置下。
• 探讨认知消息是否可作为密钥以增强保密速率。
• 证明在比以往已知更广泛的更强大信道类中，间接解码对联合保密具有最优性。

提出的方法

• 通过Körner-Marton内 bound 的直接扩展推导出非保密场景下的容量区域，并证明其最优性。
• 引入两种保密准则：联合保密（所有私密消息对窃听者均安全）与个体保密（每条消息单独安全）。
• 提出适用于两种保密准则的一般可实现速率区域，利用叠加编码与随机分组技术。
• 应用间接解码原理——此前由 Nair 和 El Gamal 使用——以在更强大信道中改进联合保密速率区域。
• 利用认知消息可被用作密钥的特性，以增强个体保密速率。
• 证明在比以往已知更广泛的更强大信道类中，间接解码对联合保密具有最优性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无保密约束下，具有退化消息集和消息认知的三用户广播信道的容量区域是什么？
• RQ2 在非保密场景下，间接解码是否如其他场景中那样带来速率增益？
• RQ3 在可实现保密速率方面，联合保密与个体保密准则有何差异？
• RQ4 认知消息是否可有效用作密钥以增强个体保密速率？
• RQ5 在何种信道条件下，间接解码对联合保密容量是最优的？

主要发现

• 在非保密情况下，容量区域可通过Körner-Marton内 bound 的直接扩展实现，且间接解码不带来速率增益。
• 个体保密准则下的容量区域大于联合保密准则，因为认知消息可被用作其他消息的密钥。
• 在联合保密中，间接解码在比以往已知更广泛的更强大信道类中是最优的，这与非保密情况下其无改善作用形成对比。
• 在至少一个合法接收者比窃听者更强的信道中，建立了联合保密容量区域。
• 消息认知的使用通过利用其他消息的知识作为密钥，实现了个体保密速率的提升。
• 结果表明，在本模型中，间接解码在保密与非保密场景下的作用存在根本性差异：仅在保密约束下具有增益。