[论文解读] The Gaussian multiple access wire-tap channel: wireless secrecy and cooperative jamming

Ender Tekin, Aylin Yener|ArXiv.org|Feb 9, 2007

Wireless Communication Security Techniques参考文献 15被引用 16

一句话总结

本文研究高斯多址窃听信道，提出个体与集体保密约束以建模用户对无线安全的信心。通过高斯码书推导可实现的保密速率区域，在窃听者信道退化条件下证明和容量，并表明协作干扰可提升保密速率，通过拉格朗日优化推导出和速率最大化及干扰策略的最优功率分配。

ABSTRACT

We consider the General Gaussian Multiple Access Wire-Tap Channel (GGMAC-WT). In this scenario, multiple users communicate with an intended receiver in the presence of an intelligent and informed eavesdropper. We define two suitable secrecy measures, termed individual and collective, to reflect the confidence in the system for this multi-access environment. We determine achievable rates such that secrecy to some pre-determined degree can be maintained, using Gaussian codebooks. We also find outer bounds for the case when the eavesdropper receives a degraded version of the intended receiver's signal. In the degraded case, Gaussian codewords are shown to achieve the sum capacity for collective constraints. In addition, a TDMA scheme is shown to also achieve sum capacity for both sets of constraints. Numerical results showing the new rate region are presented and compared with the capacity region of the Gaussian Multiple-Access Channel (GMAC) with no secrecy constraints. We then find the secrecy sum-rate maximizing power allocations for the transmitters, and show that a cooperative jamming scheme can be used to increase achievable rates in this scenario.

研究动机与目标

• 建模并分析多用户无线通信系统中的保密性，其中窃听者观察到目标接收者信号的退化版本。
• 定义并分析两种保密度量——个体与集体约束，反映用户组安全性的不同信心水平。
• 使用高斯码书推导多址窃听信道在两种保密约束下的可实现保密速率区域，并为退化窃听者情况建立外界界。
• 在两种保密约束下确定和容量，并证明在退化情况下高斯信号波形可实现该容量。
• 为保密和速率最大化优化功率分配，并研究协作干扰作为提升可实现速率的手段。

提出的方法

• 基于消息在窃听者观测和其它用户码字条件下的归一化熵，引入个体与集体保密约束。
• 使用高斯码书，在两种保密约束下推导多址窃听信道的可实现速率区域。
• 为窃听者接收目标接收者信号退化版本的情况建立外界界。
• 证明在窃听者信道退化的情况下，高斯信号波形在两种个体与集体约束下均实现和容量。
• 应用拉格朗日优化，推导在个体约束下保密和速率最大化的最优功率分配。
• 提出一种协作干扰方案，其中一个发射机有意发送人工噪声以恶化窃听者信道，其功率分配通过引入干扰信号对保密速率影响的改进拉格朗日函数进行优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在个体与集体保密约束下，高斯多址窃听信道的可实现保密速率区域为何？
• RQ2 当窃听者信道退化时，高斯信号波形是否在两种保密约束下均实现和容量？
• RQ3 如何为个体约束下的保密和速率最大化优化功率分配？
• RQ4 协作干扰是否可提升此多址场景下的可实现保密速率？
• RQ5 协作干扰在何种条件下有益？信息与人工噪声传输之间的功率应如何分配？

主要发现

• 当窃听者信道退化时，个体与集体保密约束下的和容量均可实现，且等于主信道容量与窃听者信道容量之差。
• 在窃听者信道退化的情况下，高斯码书在两种保密约束下均实现和容量，证实了该场景下高斯信号波形的最优性。
• 时分多址（TDMA）方案在两种约束下亦可实现和容量，提供了一种替代的传输策略。
• 在个体约束下，保密和速率最大化的最优功率分配通过拉格朗日松弛法推导得出，当其信道增益超过保密速率时，功率优先分配给信道更强的用户。
• 协作干扰显著提升了保密速率，干扰波形的最优功率分配通过改进的拉格朗日函数推导，该函数考虑了干扰信号对窃听者信道的影响。
• 仅当干扰波形的信道优于目标接收者的信道时，最优干扰功率才非零，且功率分配取决于相对信道增益与保密速率。