[论文解读] Helper-Assisted Coding for Gaussian Wiretap Channels: Deep Learning Meets PhySec

Vidhi Rana, Rémi A. Chou+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2026

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一句话总结

本文为高斯窃听信道（有帮助者）设计显式短块长度编码（n ≤ 64），通过基于SIC的自编码器实现的可靠性层以及基于通用哈希函数的安全层，降低信息泄露。

ABSTRACT

Consider the Gaussian wiretap channel, where a transmitter wishes to send a confidential message to a legitimate receiver in the presence of an eavesdropper. It is well known that if the eavesdropper experiences less channel noise than the legitimate receiver, then it is impossible for the transmitter to achieve positive secrecy rates. A known solution to this issue consists in involving a second transmitter, referred to as a helper, to help the first transmitter to achieve security. While such a solution has been studied for the asymptotic blocklength regime and via non-constructive coding schemes, in this paper, for the first time, we design explicit and short blocklength codes using deep learning and cryptographic tools to demonstrate the benefit and practicality of cooperation between two transmitters over the wiretap channel. Specifically, our proposed codes show strict improvement in terms of information leakage compared to existing codes that do not consider a helper. Our code design approach relies on a reliability layer, implemented with an autoencoder architecture based on the successive interference cancellation method, and a security layer implemented with universal hash functions. We also propose an alternative autoencoder architecture that significantly reduces training time by allowing the decoders to independently estimate messages without successively canceling interference by the receiver during training. Additionally, we show that our code design is also applicable to the multiple access wiretap channel with helpers, where two transmitters send confidential messages to the legitimate receiver.

研究动机与目标

• 在无法点对点实现保密的情况下，激励物理层安全性在高斯窃听信道中的应用。
• 提出利用有帮助者协作来减少信息泄露的可构造的有限块长度编码（n ≤ 64）。
• 开发一个将可靠性约束与保密性约束分离的模块化编码架构。
• 展示该设计对多个有帮助者以及高斯多用户窃听信道的适用性。

提出的方法

• 设计两层编码方案：可靠性层实现为带有连续干扰抵消（SIC）解码的自编码器，以及基于2-通用哈希函数的安全层以界定信息泄露。
• 在假设SIC解码顺序的条件下，训练可靠性层的神经网络编码器和解码器。
• 使用带种子的2-通用哈希族构建的模块化安全层，在编码前将机密信息映射为掩蔽形式。
• 使用互信息估计器（MINE和CLUB）评估泄露量，以量化信息泄露I(S;Z^n)。
• 扩展自编码器方法以支持多个有帮助者，并提出另一种通过在解码器处实现独立消息估计来减少训练时间的架构。

实验结果

研究问题

• RQ1 带有有帮助者的显式有限块长度编码是否可在高斯窃听信道上获得正的保密率？
• RQ2 在短块长度（n ≤ 64）下，利用有帮助者协作能在多大程度上降低窃听者的信息泄露？
• RQ3 所 proposed的两层设计（可靠性+安全性）在有限长度时是否优于点对点方案和联合解码？
• RQ4 该方法是否可扩展到多个有帮助者并适用于高斯多址窃听信道？

主要发现

• 与有帮助者的可靠性+安全性设计相比，泄露显著降低，相较于已知的点对点编码表现更优。
• 在有一个有帮助者的有限块长度构造中，在发射端对窃听者信道条件不利或有利的情形下实现了更好泄露性能。
• 一种替代自编码器架构在保持泄露改进的同时降低了训练时间，有利于扩展到多个有帮助者。
• 该方案适用于高斯多址窃听信道，与先前关于有帮助者协助保密的渐近结果一致。
• 安全性依赖于基于窃听者统计信息的模块化层，而可靠性层则依赖于合法接收方的统计信息，实现对泄露的可控性。
• 该工作为协作窃听信道提供了有限长度可构造的编码（n ≤ 64），此前尚无此类有限长度构造。