含有信道状态信息的任意变化的窃听信道安全容量分析

In Cyberspace Security, Secrecy Capacity of Arbitrarily Varying Wiretap Channel (AVWC) with State Sequences is a critical problem of information leakage in communication physical layer, which plays an important role in military and civilian communication areas. In recent five years, a thousand articles of wiretap channel were indexed by EI. The secrecy capacity problems over the general arbitrarily varying wiretap channel, with respect to the maximal decoding error probability and strong secrecy criterion, will be considered in this project, where the channel state sequence may be known or unknown at the receiver. Strong secrecy criterion means that, the information of each block (instead of each bit for weak secrecy criterion) exposed to the eavesdropper is negligible when the block length is sufficiently large.. Unlike other well-known discrete memoryless systems, the capacity of an AVWC may be affected by the criteria of decoding error probabilities (average or maximal) and the classes of coding schemes (deterministic, stochastic or random). In the meantime, it is always assumed that the channel state sequence is known at the eavesdropper and unknown at the transmitter. This model includes the previous models of classic AVWC as special cases. Capacity results of both stochastic code (with random encoder and deterministic decoder) and random code (with random encoder and decoder) are discussed here with simulating analysis.. In fact, the capacity results mainly depend on our following two fundamental contributions: 1. Introduce a tool of typical sequences with respect to the channel states. This tool can be used to bound the values of both the decoding error probability at the legitimate receiver and the exposed source information to the eavesdropper. 2. Extend the almost independent coloring scheme developed by Csiszar. This scheme could construct a partition on a given ``good'' codebook to satisfy the strong secrecy criterion.. By using the two fundamental contributions, various lower and upper bounds on secrecy capacity of AVWC and also AVWC with channel state sequence can be investigated. If the bounds are sharp, secrecy capacities can be obtained in different situations. Furthermore, the capacities with respect to weak secrecy criterion and the coding rate for low detection communication will be included in the extension part of this project with simulating analysis.

在网络空间安全中，窃听信道的安全容量分析无疑是网络信息安全物理层信息泄露研究中的一个核心问题，在军事和民用领域都有广泛用途，近五年EI检索到的近千篇窃听信道科研论文就是其作为热点的一个佐证。含有信道状态信息的任意变化的窃听信道，在端对端的离散无记忆系统中是最具普遍性，也是最复杂的信息论信道模型。其安全容量与其他被人熟知的离散无记忆系统不同，同编码方案类别（确定码，半随机码，或者随机码）以及译码错误准则有关。课题组通过引入状态信息条件典型集并扩展Csiszar独立着色策略码本构建机制等关键技术，奠定译码错误概率和码率分析基础，研究多种模型下安全容量的上界与下界，并最终分析其安全容量的形式与计算方法。课题组还将在相关模型有限长编码等新的问题中进行拓展研究，包括低探测性通信的码率研究。这在经典信息论，特别是离散信道容量理论研究中具有重要意义。

在网络空间安全中，窃听信道的安全容量分析无疑是网络信息安全物理层信息泄露研究中的一个核心问题。含有信道状态信息的任意变化的窃听信道，在端对端的离散无记忆系统中是最具普遍性，也是最复杂的信息论信道模型。其安全容量与其他被人熟知的离散无记忆系统不同，同编码方案类别（确定码，半随机码，或者随机码）以及译码错误准则有关。课题组通过引入状态信息条件典型集并扩展Csiszar独立着色策略码本构建机制等关键技术，奠定译码错误概率和码率分析基础，给出安全容量的上界与下界，并最终分析其安全容量的形式与计算方法。..特别是，项目组研究了具有输入和状态约束的任意变化窃听信道（AVWC）的强安全传输问题。 首先，通过应用型方法和 Csiszár 的几乎独立着色引理，建立了强安全随机编码器编码容量下界。 然后，给出了安全容量的叠加随机编码器编码下界。 叠加随机编码器编码下界可以大于普通的随机编码器编码下界。 我们进一步给出了带约束的AVWC强安全容量的随机编码下界和上界。 基于这些结果，我们进一步考虑模型的一种特殊情况，即严格低噪的 AVWC，并给出随机编码和随机编码器编码容量。证明了带约束的AVWC的随机编码器编码容量等于或严格小于相应的随机编码容量，这与普通AVC的性质一致。最后，我们给出了一些示例以更好地说明我们的容量结果。..在防守方隐蔽通信领域，项目组的主要研究成果包括：将经典文献中的有限长确定性的编码可达界推广到随机编码情形，并得到了可方便计算的的可达界；将上述可达界应用到 AWGN 信道中，得到了最大功率限制条件下随机编码的可达界；将上述可达界应用到隐蔽通信的场景，得到隐蔽通信（在全变异距离形式的隐蔽性限制下）的可达界；分析了最大功率限制下的最优可达界，指出其对应的输入分布与关于全变异距离的极小极大问题的解的联系；分析了相应的最优逆界的输入分布与关于全变异距离的极大极小问题的解的联系。