[论文解读] Relay Channels with Confidential Messages

Yasutada Oohama|ArXiv.org|Nov 24, 2006

Wireless Communication Security Techniques参考文献 13被引用 62

一句话总结

本文研究具有保密消息的中继信道，其中中继协助传输，但必须对某些私密消息保持无知。论文提出了确定性和随机编码方案，推导了速率区域的显式内界和外界界，并表明在功率约束和噪声条件下的高斯中继信道中，随机编码可扩大安全传输容量。

ABSTRACT

We consider a relay channel where a relay helps the transmission of messages from one sender to one receiver. The relay is considered not only as a sender that helps the message transmission but as a wire-tapper who can obtain some knowledge about the transmitted messages. In this paper we study the coding problem of the relay channel under the situation that some of transmitted messages are confidential to the relay. A security of such confidential messages is measured by the conditional entropy. The rate region is defined by the set of transmission rates for which messages are reliably transmitted and the security of confidential messages is larger than a prescribed level. In this paper we give two definition of the rate region. We first define the rate region in the case of deterministic encoder and call it the deterministic rate region. Next, we define the rate region in the case of stochastic encoder and call it the stochastic rate region. We derive explicit inner and outer bounds for the above two rate regions and present a class of relay channels where two bounds match. Furthermore, we show that stochastic encoder can enlarge the rate region. We also evaluate the deterministic rate region of the Gaussian relay channel with confidential messages.

研究动机与目标

• 建立并分析一种中继信道模型，其中中继既充当帮助者又充当窃听者，要求对某些消息保持机密性。
• 定义并表征两种不同的速率区域：一种用于确定性编码器，另一种用于随机编码器。
• 为两种速率区域推导显式内界和外界界，并确定其匹配的条件。
• 评估在安全传输容量方面，随机编码相较于确定性编码的性能增益。
• 分析具有保密消息的高斯中继信道，并为确定性速率区域提供显式内界和外界界。

提出的方法

• 提出一种中继信道模型，包含两类消息：公共消息（供接收者和中继使用）和私密（保密）消息（仅供接收者使用）。
• 将速率区域定义为满足私密消息可靠解码且其条件熵（安全度量）超过阈值的传输速率集合。
• 引入两种变体：确定性速率区域（使用固定编码器）和随机速率区域（使用随机编码器）。
• 利用信息论工具（包括熵功率不等式和互信息界）为两种速率区域推导显式内界和外界界。
• 将边界应用于具有加性白高斯噪声的高斯中继信道，使用功率约束和信噪比。
• 利用熵功率不等式限制噪声信道输出的微分熵，并推导出紧致的容量边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 当某些消息必须对中继保持机密时，中继信道的容量区域是什么？
• RQ2 在可实现的安全传输速率方面，确定性和随机编码方案有何比较？
• RQ3 在何种信道条件下，速率区域的内界和外界界会一致？
• RQ4 在保密约束存在的情况下，随机编码能否实现比确定性编码更大的速率区域？
• RQ5 在具有保密消息的高斯中继信道中，确定性速率区域的显式内界和外界界是什么？

主要发现

• 本文为具有保密消息的中继信道中的确定性和随机速率区域建立了显式内界和外界界。
• 对于一类特定的中继信道，确定性速率区域的内界和外界界一致，从而得出精确的容量区域。
• 研究表明，与确定性编码相比，随机编码可扩大速率区域，证明了在安全通信中具有性能增益。
• 在高斯中继信道中，确定性速率区域通过显式内界和外界界得到表征，且在某些信道参数下边界一致。
• 边界通过熵功率不等式和互信息表达式推导得出，在特定信噪比和功率分配条件下确认了紧致性。
• 在给定速率区域下，私密消息给定中继观测的条件熵作为安全度量，确保了保密性。