[论文解读] The General Gaussian Multiple Access and Two-Way Wire-Tap Channels: Achievable Rates and Cooperative Jamming

Ender Tekin, Aylin Yener|ArXiv.org|Feb 20, 2007

Wireless Communication Security Techniques参考文献 28被引用 8

一句话总结

本文针对广义高斯多址窃听信道（GGMAC-WT）和高斯双向窃听信道（GTW-WT）提出协作干扰方案，以提升保密速率。通过战略性地分配功率，使合法信道较强的用户发送信号，而其他用户则干扰窃听者，系统实现了更高的保密和速率，表明用户间的协作可在单个用户无法实现安全通信时，仍能实现正的保密速率。

ABSTRACT

The General Gaussian Multiple Access Wire-Tap Channel (GGMAC-WT) and the Gaussian Two-Way Wire-Tap Channel (GTW-WT) are considered. In the GGMAC-WT, multiple users communicate with an intended receiver in the presence of an eavesdropper who receives their signals through another GMAC. In the GTW-WT, two users communicate with each other over a common Gaussian channel, with an eavesdropper listening through a GMAC. A secrecy measure that is suitable for this multi-terminal environment is defined, and achievable secrecy rate regions are found for both channels. For both cases, the power allocations maximizing the achievable secrecy sum-rate are determined. It is seen that the optimum policy may prevent some terminals from transmission in order to preserve the secrecy of the system. Inspired by this construct, a new scheme, \ital{cooperative jamming}, is proposed, where users who are prevented from transmitting according to the secrecy sum-rate maximizing power allocation policy "jam" the eavesdropper, thereby helping the remaining users. This scheme is shown to increase the achievable secrecy sum-rate. Overall, our results show that in multiple-access scenarios, users can help each other to collectively achieve positive secrecy rates. In other words, cooperation among users can be invaluable for achieving secrecy for the system.

研究动机与目标

• 为具有外部窃听者的多终端高斯信道定义合适的保密度量。
• 在该保密度量下，推导GGMAC-WT和GTW-WT的可实现保密速率区域。
• 确定在两种信道模型下最大化保密和速率的最优功率分配方案。
• 提出并分析一种协作干扰方案，其中未发送信号的用户主动干扰窃听者以提升系统保密性。
• 证明即使单个用户不具备正的单用户保密容量，合法用户间的协作仍可实现正的保密速率。

提出的方法

• 基于归一化的条件熵形式化定义保密度量，以量化泄露给窃听者的资讯量。
• 利用结构化编码和功率分配策略，推导GGMAC-WT和GTW-WT的可实现保密速率区域。
• 识别最优功率分配策略：仅信道到合法接收者的信噪比相对于窃听者较高的用户发送信号，并使用满功率。
• 提出协作干扰方案：信道到接收者的直接链路较差的用户则发送人工噪声，以恶化窃听者的接收质量。
• 使用固定路径损耗传播模型，分析窃听者位置对保密速率的影响。
• 通过数值仿真评估不同窃听者位置下的保密和速率及干扰效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于具有外部窃听者的多用户高斯信道，何种保密度量是合适的？
• RQ2 在实际功率约束下，如何最大化GGMAC-WT和GTW-WT的保密和速率？
• RQ3 在何种条件下，禁用部分发射机反而有助于保持系统保密性？
• RQ4 协作干扰是否能显著提升多址和双向窃听信道中的可实现保密速率？
• RQ5 与多址场景相比，双向信道中对发送信号的互惠性知识如何增强保密性？

主要发现

• 当仅信道到预期接收者的用户（相对于窃听者）具有较强信道时，保密和速率达到最大，且使用满功率。
• 在GTW-WT中，只要窃听者无法通过单用户检测解码双方信号，两个终端均可以最大功率发送。
• 协作干扰显著提高了可实现的保密和速率，尤其当窃听者相对于合法接收者的信噪比较高时效果更明显。
• 在GGMAC-WT中，当窃听者靠近某发射机时，该发射机可被禁用发送，转而用于干扰窃听者，从而使另一用户实现更高的保密速率。
• 与GGMAC-WT相比，GTW-WT从协作干扰中获益更多，因为干扰信号不会干扰合法接收者。
• 在退化情况下，GGMAC-WT的可实现保密和速率与上界一致，从而确立了该特殊情况下的保密和容量。