第二类窃听信道若干扩展模型的安全容量

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第二类窃听信道是Ozarow和Wyner在1984年提出的信道模型。它在信息论领域有着非常重要的地位。具体来说,主要表现在如下两个方面:1.研究第二类窃听信道可以为窃听网络的安全编码问题提供参考。网络编码自被证明比传统的路由方式具有更优的性能之后,便得到了越来越广泛的关注。而研究窃听网络的安全问题,无疑是网络编码领域的重要组成。Cai和Yeung等人将第二类窃听信道看作是不带中继节点的特殊窃听网络。在此基础上,他们研究了一般窃听网络的信息理论安全问题,并设计了随机线性编码方案,达到一般窃听网络的安全容量。但是,他们的编码方案要求编码域足够大,这很大程度上限制了编码方案的工程应用。目前,虽然有许多学者研究了降低编码域大小的方案,却依然不能做到在二元域上实现安全编码。2.研究第二类窃听信道的安全问题,可以为解决一般任意变化窃听信道的安全问题,提供思路。第二类窃听信道是一种特殊的任意变化窃听信道。任意变化窃听信道是离散无记忆系统中最一般的窃听信道模型。如果得到了任意变化窃听信道的安全容量,那么离散无记忆系统中绝大部分安全问题都能够得以解决。然而,目前人们对于任意变化窃听信道的研究还比较少。大部分容量结果都是关于任意变化窃听信道特例模型容量的内外界。  针对上面提到的两个问题,本文研究并确立了如下三个通信模型的安全容量。  第一个模型是一类不带中继节点的特殊的窃听网络。这个网络模型从拓扑结构来看是Cai和Yeung的网络模型的特例。网络中有一个信源和K个信宿节点。合法的接收方可以任意接入μ1=Kα1个信宿节点。同时,窃听者可以窃听任意μ2=Kα2个信宿节点,其中0≤α1<α2≤1。但是,与Cai和Yeung的线性编码方案不同,本文的编码方案基于Csisz′ar的几乎独立着色策略,并达到了强安全标准条件下渐近零译码错误概率的安全容量。这种编码方案的优势在于它是工作在二元域上。因此其编码长度与网络的规模无关。  第二个和第三个模型考虑的是带噪声的第二类窃听信道。这两个窃听信道模型,都是任意变化窃听信道模型的特例。在第二个通信模型中,信源消息被编码成随机序列XN,并通过一条离散无记忆信道发送给合法的接收方。窃听者可以窃听主信道输出序列YN中的任意μ=Nα个字符,其中0<α<1。第三个通信模型是第二个模型的推广。在该模型中,主信道与第二个模型一样。不同的是,窃听者通过另外一条离散无记忆信道从发送方窃听μ=Nα位字符。这个通信模型把一系列经典的窃听信道模型包含为它的特例,如第一类窃听信道,第二类窃听信道等。  在信道编码定理可达性的证明中,本文利用Csisz′ar的几乎独立着色策略达到了第二个和第三个模型的强安全容量,并且通过改进Ozarow和Wyner为第二类窃听信道设计的编码方案达到了它们的弱安全容量。事实上,Ozarow和Wyner的编码方案还可以达到第一个窃听网络模型的弱安全容量。因此,本文实际上设计了两套编码方案,分别达到这三个模型的弱安全和强安全容量。这三个模型中,相应的强安全容量与弱安全容量是一致的。  本文比较了这两种编码方案的编码性能。首先,虽然基于第二类窃听信道的编码方案降低了安全标准,却并没有降低编码译码复杂度。其次,采用基于Csisz′ar着色策略的编码方案,编码复杂度会随着传输速率的降低而降低。然而,如果采用Ozarow和Wyner的编码方案,就算是降低传输速率,也不能降低编码复杂度。从以上分析来看,基于Csisz′ar着色策略的编码方案更优。产生这种现象的原因是Ozarow和Wyner在划分码本时,对安全划分的要求太过严苛。
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