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计算机科学 > 信息论

arXiv:2508.05176 (cs)
[提交于 2025年8月7日 ]

标题: 神经网络在安全通信系统设计中的信息泄露估计

标题: Neural Estimation of Information Leakage for Secure Communication System Design

Authors:Darius S. Heerklotz, Ingo Schroeder, Pin-Hsun Lin, Christian Deppe, Eduard A. Jorswieck
摘要: 低估泄漏可能会损害保密性,而高估泄漏可能导致系统设计效率低下。 因此,一个可靠的泄漏估计器是必不可少的。 基于神经网络的估计器提供了一种数据驱动的方法来估计互信息,而无需完全了解信道或源分布。 在本工作中,我们的目标是扩展窃听码的块长度,使得估计器仍能可行运行。 我们提出了一种改进的互信息估计器,基于变分对比对数比上界框架,适用于离散和连续变量。 通过使用由神经网络参数化的伯努利专家混合模型,该估计器能够量化采用复杂数据处理(如通用哈希族)的通信系统中的信息泄漏。 我们进一步提出了一种方法,利用所提出的估计器来设计窃听码或密钥生成的通用哈希族。 仿真结果表明,先前的方法在使用通用哈希族进行较高块长度时($n\gg$16)显著低估了互信息。 所提出的方法可以将块长度扩展到255,我们推测,只要有足够的训练数据和模型规模,该设计可以很好地扩展到更高的块长度。 此外,我们认为我们提出的估计器和自适应哈希设计框架为将物理层安全考虑扩展到有限块长度领域提供了一种实用的方法。
摘要: Underestimating the leakage can compromise secrecy, while overestimating it may lead to inefficient system design. Therefore, a reliable leakage estimator is essential. Neural network-based estimators provide a data-driven way to estimate mutual information without requiring full knowledge of the channel or source distributions. In this work, we aim to scale the blocklength of a wiretap code such that the estimator can still feasibly operate. We propose an improved mutual information estimator based on the variational contrastive log-ration upper bound framework, tailored for both discrete and continuous variables. By using a mixture of Bernoulli experts parameterized by neural networks, the estimator is able to quantify information leakage in communication systems, which employ complex data processing like universal hash family. We further propose a method to utilize the proposed estimator to design the universal hash family for a wiretap code or secret key generation design. Simulation results show thatprior methods significantly underestimate the mutual information, particularly when using universal hash family for higher blocklengths ($n\gg$16). The proposed method can scale the blocklength up to 255, and we conjecture that the design can scale well to even higher blocklengths given adequate training data and model size. Additionally, we contend that our proposed estimator and adaptive hash design framework offer a practical approach for extending physical layer security considerations for wiretap channels into the finite blocklength regime.
评论: 8页,4图,1算法
主题: 信息论 (cs.IT)
引用方式: arXiv:2508.05176 [cs.IT]
  (或者 arXiv:2508.05176v1 [cs.IT] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.05176
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Pin-Hsun Lin [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2025 年 8 月 7 日 09:13:44 UTC (684 KB)
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