[论文解读] Secure Broadcasting

Ashish Khisti, Aslan Tchamkerten+1 more|ArXiv.org|Feb 16, 2007

Wireless Communication Security Techniques被引用 20

一句话总结

该论文将Wyner的窃听信道模型扩展至具有多个目标接收机和一个窃听者的并行及衰落广播信道。在反向退化信道条件下，建立了公共消息和独立消息的保密容量，表明安全多播可实现与接收机数量无关的正速率，且通过发射端的信道状态信息，机会性方案可在大接收机数极限下实现保密和容量。

ABSTRACT

Wyner's wiretap channel is extended to parallel broadcast channels and fading channels with multiple receivers. In the first part of the paper, we consider the setup of parallel broadcast channels with one sender, multiple intended receivers, and one eavesdropper. We study the situations where the sender broadcasts either a common message or independent messages to the intended receivers. We derive upper and lower bounds on the common-message-secrecy capacity, which coincide when the users are reversely degraded. For the case of independent messages we establish the secrecy sum-capacity when the users are reversely degraded. In the second part of the paper we apply our results to fading channels: perfect channel state information of all intended receivers is known globally, whereas the eavesdropper channel is known only to her. For the common message case, a somewhat surprising result is proven: a positive rate can be achieved independently of the number of intended receivers. For independent messages, an opportunistic transmission scheme is presented that achieves the secrecy sum-capacity in the limit of large number of receivers. Our results are stated for a fast fading channel model. Extensions to the block fading model are also discussed.

研究动机与目标

• 将Wyner的窃听信道模型扩展至具有多个目标接收机和一个窃听者的并行广播信道。
• 在反向退化信道条件下，表征公共消息保密容量和独立消息保密和容量。
• 研究在发射端具备全局CSI、窃听者具备部分CSI的衰落信道上的安全广播。
• 设计利用多用户分集增益和信道状态信息的传输方案，以实现安全多播和独立消息传输。
• 证明即使目标接收机数量增加，仍可实现正的保密速率。

提出的方法

• 推导并行广播信道下公共消息保密容量的上下界，在反向退化条件下上下界一致。
• 在每个并行信道上使用独立码书，并在接收端进行联合译码，以实现公共消息容量。
• 对于独立消息，提出一种方案：在每个信道上使用独立码书向信道最强的用户发送。
• 将结果应用于具有i.i.d.衰落增益的快衰落信道，假设发射端和窃听者均具备完美CSI。
• 提出一种机会性传输方案，每时隙选择信道最强的用户进行传输，以实现保密和容量。
• 采用高斯窃听码书，并利用互信息表达式的凹性来界定可实现速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有多个目标接收机和一个窃听者的衰落广播信道中，即使接收机数量增加，是否仍可实现多播的正保密速率？
• RQ2 在具有窃听者的反向退化并行广播信道中，独立消息的保密容量是多少？
• RQ3 当发射端具备全局CSI时，其对衰落信道中可实现保密速率有何影响？
• RQ4 能否利用多用户分集增益在大接收机数极限下实现保密和容量？
• RQ5 当发射端具备目标接收机的完美CSI时，窃听者处的信道状态信息对其保密速率有何影响？

主要发现

• 在衰落信道上进行公共消息广播时，由于多用户分集增益和发射端CSI的存在，无论目标接收机数量多少，均可实现正的保密速率。
• 在反向退化情况下，通过每个信道使用独立码书并在接收端进行联合译码，可实现公共消息保密容量。
• 对于独立消息，在接收机数量趋于无穷大时，通过一种机会性方案（每信道向信道最强用户发送）可实现保密和容量。
• 利用互信息表达式的凹性和对衰落状态的极限功率分配，推导出保密速率的上界。
• 证明了窃听者信道增益分布会影响保密速率，但在给定假设下上界仍保持紧致。
• 论文证明了窃听者与最强接收机信道增益的期望对数比被限制在2 log 2以内，这支持了正保密速率的可实现性。