[论文解读] 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 5

一句话总结

本文研究了具有发射机协作与保密约束的两用户对称高斯干扰信道，提出了一种利用干扰消除、协作消息共享和虚拟消息传输的可实现方案。研究结果表明，在某些信道条件下，有限协作可实现容量受限的可靠通信，且在某些情况下，保密性实现无需速率损失，与非保密协作相比无速率代价。

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.

研究动机与目标

• 分析有限速率发射机协作对两用户对称干扰信道中保密容量的影响。
• 设计一种可实现方案，同时管理干扰并确保接收端的信息论保密性。
• 推导保密速率的外界界，并确定内界与外界界匹配的条件，从而获得容量。
• 通过马尔顿编码与随机编码，将确定性模型的结果扩展至高斯干扰信道。
• 研究协作是否能够实现“免费保密”——即在不牺牲速率的前提下实现保密性，与非保密协作相比无速率损失。

提出的方法

• 在对称线性确定性干扰信道（SLDIC）中提出一种新颖的可实现方案，利用干扰消除、另一用户数据比特的中继传输以及通过协作链路传输随机（虚拟）比特。
• 基于信号与干扰强度的划分，对编码消息和输出进行划分，推导出保密速率的新外界界。
• 在高斯信道模型中应用马尔顿编码方案，结合随机编码与虚拟消息传输，以实现保密性。
• 将干扰消除作为双重用途机制：抑制干扰，并通过隐藏预期消息使窃听者难以获取信息，从而增强保密性。
• 推导功率分配策略，在满足单个发射功率约束下，平衡协作、私有与虚拟消息的功率分配。
• 利用互信息与熵界证明保密性，确保非预期接收端的等价不确定性足够高。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，有限发射机协作可在两用户对称干扰信道中实现保密容量？
• RQ2 在协作环境下，干扰消除是否能同时抑制干扰并增强保密性？
• RQ3 在哪些参数范围内，所提方案可在不损失速率的前提下实现保密性，与非保密协作相比？
• RQ4 通过消息划分推导出的外界界与不同信号与干扰强度下的可实现速率相比如何？
• RQ5 在具有保密约束的高斯干扰信道中，协作在多大程度上可被用于实现安全通信？

主要发现

• 在SLDIC的某些参数设置下，保密速率的内界与外界界完全匹配，从而确定了在协作条件下的保密容量。
• 在某些信道条件下，可实现的保密速率与无保密约束的两用户SLDIC容量区域完全一致，意味着在协作下保密性可“免费”实现。
• 在高斯信道中所提方案在所有α值（信噪比）下均实现正的保密速率，仅在α = 1时出现速率损失。
• 通过使用虚拟消息与随机编码，可在保持高谱效率的同时实现安全传输，尤其在高干扰环境中表现优异。
• 通过消息与输出划分推导出的外界界在多种场景下均具有紧致性，验证了所提方案在这些情况下的最优性。
• 研究结果可推广至非对称干扰信道模型，表明所提协作与保密技术具有广泛适用性。