[论文解读] Secrecy in Cooperative Relay Broadcast Channels

Ersen Ekrem, Şennur Ulukuş|ArXiv.org|Nov 9, 2008

Wireless Communication Security Techniques参考文献 19被引用 4

一句话总结

本文研究协作中继广播信道中的保密性，提出一种新颖的编码方案，结合 Marton 的广播信道编码与 Cover 和 El Gamal 的压缩-转发中继技术，以提升个体保密速率。主要贡献在于证明用户协作可使高斯信道中的两个用户均实现正的保密速率——这与无协作的标量高斯广播信道不同，在后者中仅一个用户可实现正的保密速率。

ABSTRACT

We investigate the effects of user cooperation on the secrecy of broadcast channels by considering a cooperative relay broadcast channel. We show that user cooperation can increase the achievable secrecy region. We propose an achievable scheme that combines Marton's coding scheme for broadcast channels and Cover and El Gamal's compress-and-forward scheme for relay channels. We derive outer bounds for the rate-equivocation region using auxiliary random variables for single-letterization. Finally, we consider a Gaussian channel and show that both users can have positive secrecy rates, which is not possible for scalar Gaussian broadcast channels without cooperation.

研究动机与目标

• 研究用户协作对广播信道中保密性的影响，其中每个用户必须使其消息对另一用户保持机密。
• 为具有单向协作链路的协作中继广播信道（CRBC）建立可实现的保密速率区域。
• 通过将协作整合到保密框架中，扩展先前在广播信道和中继信道中关于保密性的研究工作。
• 利用辅助随机变量推导速率-等价区域的外 bounds，以实现单字母化。
• 分析高斯 CRBC 情况，并证明协作可使两个用户均实现正的保密速率。

提出的方法

• 提出一种混合编码方案，结合 Marton 的脏纸编码用于广播信道与压缩-转发中继用于中继信道。
• 引入辅助随机变量（如 $U_1, U_2, V_1, V_2, \tilde{Y}_1, \tilde{Y}_2$）以建模用户间的协作与中继处的压缩。
• 在接收端使用联合典型性译码，用户 1 通过压缩信道输出 $\hat{Y}_2$ 解码用户 2 的消息。
• 应用 Fano 引理与典型性论证，以界定等价速率并确保保密性。
• 利用辅助随机变量推导速率-等价区域的外 bounds，以实现单字母化表征。
• 通过在高斯输入假设下评估涉及 $Y_1, Y_2, \hat{Y}_1, \hat{Y}_2$ 的互信息项，分析高斯 CRBC 情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 在广播信道中，用户协作能否同时提升两个用户的保密速率？
• RQ2 在双用户协作中继广播信道中，协作如何影响每个接收端的等价速率？
• RQ3 具有单向协作链路的 CRBC 的可实现保密速率区域是什么？
• RQ4 在高斯 CRBC 中，两个用户能否均实现正的保密速率，若能，协作如何实现这一点？
• RQ5 该信道模型的速率-等价区域的外 bounds 是什么？

主要发现

• 与非协作模型相比，用户协作可扩大协作中继广播信道中的可实现保密速率区域。
• 所提方案在高斯 CRBC 中使两个用户均实现正的保密速率，这在无协作的标量高斯广播信道中是不可能的。
• 该方案使用户 1 能够通过压缩-转发中继方式作为用户 2 的中继，从而提升用户 2 的保密速率。
• 利用辅助随机变量推导出速率-等价区域的外 bounds，实现了单字母化表征。
• 对于用户 1，等价速率的下界为 $nI(V_1;Y_1,\hat{Y}_2|X_1,U_2) - nI(V_1;Y_2,\hat{Y}_1|X_2,V_2,U_1) - nI(V_1;V_2) - n\epsilon_n$，确保了保密性。
• 当用户 1 的速率较低时，等价速率的下界为 $nR_1 - n\epsilon_n$，证实了在低速率传输下的保密性。