通信システム
【課題】 妨害信号が印加された信号対雑音比が低い送信信号を用いることにより、従来よりも秘匿性に優れた通信を行うことができる通信システムを提供する。
【解決手段】 本発明の通信システム１は、送信データＳ１をデジタル変調してなる送信信号Ｓ２を送信する送信機２と、送信された送信信号Ｓ２を受信し、その受信信号Ｓ３をデジタル復調して受信データＳ４を取り出す受信機３とを備えている。送信機２は、共通鍵に基づいて妨害信号Ｓ５を生成してこの妨害信号Ｓ５をデジタル変調後の送信信号Ｓ２に印加する妨害波生成部１０を有する。また、受信機３は、共通鍵に基づいて妨害信号Ｓ５のレプリカ信号Ｓ６を生成してこのレプリカ信号Ｓ６をデジタル復調前の受信信号Ｓ３から取り除くレプリカ生成部１６を有する。
【解決手段】 本発明の通信システム１は、送信データＳ１をデジタル変調してなる送信信号Ｓ２を送信する送信機２と、送信された送信信号Ｓ２を受信し、その受信信号Ｓ３をデジタル復調して受信データＳ４を取り出す受信機３とを備えている。送信機２は、共通鍵に基づいて妨害信号Ｓ５を生成してこの妨害信号Ｓ５をデジタル変調後の送信信号Ｓ２に印加する妨害波生成部１０を有する。また、受信機３は、共通鍵に基づいて妨害信号Ｓ５のレプリカ信号Ｓ６を生成してこのレプリカ信号Ｓ６をデジタル復調前の受信信号Ｓ３から取り除くレプリカ生成部１６を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号対雑音比が低い送信信号を用いて秘匿性に優れた通信を行う通信システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、デジタル通信の技術分野では、有線及び無線を問わず、高速通信、低消費電力、高い通信品質（ビット誤り率）等の要求が望まれているが、特に近年は、これらに加えて通信の安全性の確保が望まれている。
これは、高速通信が実用化された場合、一瞬でも盗聴が成功すると、一気に大量のデータを覗けてしまうことに起因している。暗号化技術は、かかる要求を満足させるための技術の一つとして、無線及び有線通信等において幅広く利用されている。
【０００３】
かかる暗号化技術を利用した無線通信システムとして、それぞれの無線局に、他の無線局に対して測定用信号を送信する送信手段と、他の無線局から送信されかつ無線局間で変化した測定用信号を受信する受信手段と、受信された測定用信号に基づいて秘密鍵を作成する鍵作成手段と、作成された秘密鍵を用いて信号を暗号化しかつこれを復号して通信を行う通信手段とを備えたものが知られている（特許文献１）。
【０００４】
この従来の無線通信システムでは、無線局間の伝搬路特性によって変化する測定用信号を暗号鍵とする暗号化方式を採用しているので、簡易な方法で秘密鍵を生成することができる。
【特許文献１】特開２００６−２２２８１７号公報（請求項１等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の無線通信システムの暗号化方式は、電波の伝搬路特性が対応する無線局間の場所に依存することを利用したものであり、場所が変われば異なった信号の伝搬路特性となるため、異なる場所に居る盗聴者が無線局間の伝送路情報を容易に捕らえることはできない。
【０００６】
しかしながら、かかる従来の暗号化方式では、無線局間の伝搬路特性によって変化する測定用信号を利用して暗号鍵を生成するので、盗聴者の無線局（例えば携帯端末）が正式な無線局の近傍に位置する場合には、盗聴者の無線局も正式な無線局とほぼ同じ伝送路特性となり、正式な無線局と同じ暗号鍵を取得できる可能性がある。このため、暗号鍵の配布後において通信中の信号を盗聴しうる点で、必ずしも常に高い秘匿性が確保できているとは言い難い。
【０００７】
理想的には、例えば無線通信において１対１の通信を実現し、他の場所では何も受信できないようにすることが望ましいが、これにはアンテナサイズの大型化が必要であり、また仮に実現できたとしても、正規の受信者を追尾する仕組みが必要となり、非常に大型なシステムとなってしまう。
そして、この方式においては、送信者の信号強度は、通信路上で減衰を生じても正規の受信者へ信号が伝送されるように十分に大きく設定されるため，送信者の直下で盗聴されると、通信信号の漏洩を防ぐことは困難となる。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、妨害信号が印加された信号対雑音比が低い送信信号を用いることにより、従来よりも秘匿性に優れた通信を行うことができる通信システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第一の通信システム（請求項１）は、送信データをデジタル変調してなる送信信号を送信する送信機と、送信された前記送信信号を受信し、その受信信号をデジタル復調して受信データを取り出す受信機とを備えた通信システムであって、前記送信機は、共通鍵に基づいて妨害信号を生成してこの妨害信号をデジタル変調後の送信信号に印加する妨害波生成部を有し、前記受信機は、共通鍵に基づいて前記妨害信号のレプリカ信号を生成してこのレプリカ信号をデジタル復調前の前記受信信号から取り除くレプリカ生成部を有することを特徴とする。
【００１０】
上記第一の通信システムによれば、送信機の妨害波生成部が、共通鍵に基づいて生成した妨害信号をデジタル変調後の送信信号に印加し、受信機のレプリカ生成部が、共通鍵に基づいて生成した妨害信号のレプリカ信号をデジタル復調前の受信信号から取り除くので、そのレプリカ生成部を有する正式な受信機の場合には、共通鍵を用いて送信データと同じ受信データを復元することができる。
【００１１】
その一方で、送信機が外部に送信する送信信号には妨害波生成部によって生成した妨害信号がデジタル変調後に印加されているので、上記レプリカ生成部を有しない盗聴者の受信機の場合には、妨害信号で暗号化された送信信号を単なる妨害波としてしか認識することができない。
このように、本発明によれば、敢えて妨害信号が印加された信号対雑音比が低い送信信号を用いることにより、秘匿性に優れた通信システムを構築することができる。
【００１２】
上記第一の通信システムにおいて、前記妨害波生成部及び前記レプリカ生成部は、具体的には、前記妨害信号及びそのレプリカ信号として、前記共通鍵に基づいて加法性の白色雑音をデジタル生成するものを採用することができる（請求項２）。
後の実施形態でも述べるが、かかる加法性の白色雑音は、例えば、２つの線形フィードバックシフトレジスタ（ＬＦＳＲ：Linear Feedback Shift Register）で得られた一様乱数をボックス・ミューラー法（Box-Muller Transform）で変換することによって生成することができる。
【００１３】
この場合、上記のように生成した白色雑音を使用すると、妨害信号を印加した送信信号が周期性を示さなくなって盗聴者が受信信号に同期することも不可能になり、盗聴者による傍受が困難となる。
また、上記ＬＦＳＲはハードウェアの実装が比較的容易な回路であるから、妨害波生成部及びレプリカ生成部の回路構成を簡易かつ安価に実現できるという利点もある。
【００１４】
また、第一の通信システムにおいて、前記妨害波生成部は、前記妨害信号の印加後の信号対雑音比が０ｄＢ以下となるように当該妨害信号を前記送信信号に対して印加するものであることが好ましい（請求項６）。
この場合、妨害信号を印加した送信信号は、雑音成分が信号成分以上の煩雑な信号になるので、この信号を盗聴者が単なる雑音と認識する蓋然性がより増大し、送信データの漏洩をより確実に防止することができる。
【００１５】
第一の通信システムでは、送信機の妨害波生成部と受信機のレプリカ生成部が、いずれも同じ共通鍵に基づいて妨害信号やこれに対応するレプリカ信号を生成するので、妨害信号を印加した秘匿通信を行う前に、その共通鍵やその他の認証情報のやり取りを個別に行う必要がある。
そこで、第一の通信システムでは、前記送信機は、前記送信信号に前記妨害信号を印加しないで当該送信信号を送信する認証送信モードを実行可能であり、前記受信機は、前記送信信号を受信し、その受信信号から前記レプリカ信号を取り除かないで当該受信信号をデジタル復調する認証受信モードを実行可能であることが好ましい（請求項３）。
【００１６】
本発明の第二の通信システム（請求項４）は、送信データをエンコードした符号化データをデジタル変調してなる送信信号を送信する送信機と、送信された前記送信信号を受信し、その受信信号をデジタル変調及びデコードして受信データを取り出す受信機とを備えた通信システムであって、前記送信機は、デジタル変調後の送信信号に妨害信号を印加する妨害波生成部を有し、前記送信機のエンコーダは、誤り訂正のための生成行列を用いて前記符号化データを生成し、前記受信機のデコーダは、前記生成行列に対応する検査行列を用いてデジタル復調後の前記受信信号を復号して前記受信データを復元することを特徴とする。
【００１７】
上記第二の通信システム（請求項４）が前記第一の通信システム（請求項１）と異なる点は、第一の通信システム（請求項１）では、受信機がレプリカ信号を用いて妨害信号を取り除いて受信データを取り出すのに対して、第二の通信システム（請求項４）では、誤り訂正のための検査行列を用いてデジタル復調後の受信信号を復号することにより、受信データを復元する点にある。
すなわち、第二の通信システムでは、妨害信号に対応するレプリカ信号を利用するのではなく、送信機側で妨害信号を印加することで低ＳＮＲとなった受信信号に対して誤り訂正復号を行って受信データを復元する。
【００１８】
このように、第二の通信システムでは、受信機側で低ＳＮＲの受信信号を誤り訂正復号するため、送信機のエンコーダが、その誤り訂正のための生成行列を用いて送信データの符号化データを生成しておく必要があり、受信機のデコーダは、その生成行列に対応する検査行列を用いてデジタル復調後の受信信号を復号して受信データを復元する。
従って、第二の通信システムにおいては、妨害波生成部が生成する妨害信号は、受信機のデコーダが行う誤り訂正復号によって受信データが復元可能な程度の雑音である必要がある。
【００１９】
もっとも、例えば、低密度バリティ検査（ＬＤＰＣ：Low-Density Parity-Check）符号やターボ（Turbo）符号といったシャノン限界に迫る強力な符号化／復号方式を採用すれば、妨害信号で低ＳＮＲ化された受信信号であっても、受信データを正確に復元することができる。
このため、第二の通信システムにおいても、妨害波生成部として、前記妨害信号の印加後の信号対雑音比が０ｄＢ以下となるように当該妨害信号を前記送信信号に対して印加するものを採用することにより（請求項６）、受信信号に対する同期すら不可能にして、送信データの漏洩を確実に防止することができる。
【００２０】
また、第二の通信システムにおいて、前記送信機は、前記生成行列を変更する送信側行列変更部を有し、前記受信機は、前記生成行列に対応して前記検査行列を変更する受信側行列変更部を有していることが好ましい（請求項５）。
この場合、送信機と受信機の共通鍵として機能する生成行列Ｇと検査行列Ｈを相互に変更することができるので、通信の秘匿性をより向上することができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上の通り、本発明によれば、妨害信号が印加された信号対雑音比が低い送信信号を用い、その妨害信号のレプリカ信号を生成可能な受信機や、信号対雑音比が低い送信信号を誤り訂正復号可能な受信機でしか当該送信信号を認識できないようにしたので、秘匿性に優れた通信を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。
〔第一実施形態〕
〔システム構成〕
図１は、本発明の第一実施形態に係る無線通信システムの構成例を示す図である。
図１に示すように、この無線通信システム１は、所定ビット列のデジタルデータよりなる送信データＳ１をデジタル変調してなる送信信号Ｓ２を送信する送信機２と、送信された送信信号Ｓ２を受信して、その受信信号Ｓ３をデジタル復調して送信データＳ１と同じ受信データＳ４を取り出す受信機３とを備えている。
【００２３】
上記送信機２及び受信機３は、例えば携帯電話システム等の移動体通信を想定した場合、ユーザが携帯して使用する携帯端末４と、多数の携帯端末４と相互に通信する基地局５（図４参照）の双方に設けられる。
送信機２は、デジタル変調部７と、ＤＡコンバータ８と、送信部９と、妨害波生成部１０とを備えている。
【００２４】
この送信機２の構成要素のうち、デジタル変調部７は、デジタル信号である送信データ（シンボル）Ｓ１によって所定の搬送波を変調する変調回路よりなり、高周波の搬送波にベースバンド信号としての上記送信データＳ１を乗せて送信信号Ｓ２を出力する。
デジタル変調部７での変調方式としては、例えば、ＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）方式、ＦＳＫ（Frequency Shift Keying）方式、ＰＳＫ（Phase Shift Keying）方式、ＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）方式、ＱＰＳＫ（Quadrate Phase Shift Keying）方式及びＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）方式等を採用することができる。
【００２５】
妨害波生成部１０は、所定の共通鍵に基づいて、例えば加法性の白色雑音よりなる妨害信号Ｓ５をデジタル生成し、この妨害信号Ｓ５をＤＡコンバータ８の手前に配置された加算器１１を介してデジタル変調後の送信信号Ｓ２に加算するものである。この妨害波生成部１０の詳細については、後述する。
ＤＡコンバータ８は、上記妨害信号Ｓ５を含む送信信号Ｓ２をアナログ信号に変換し、次の送信部９に送る。送信部９は、ＤＡコンバータ８からのアナログ信号を外部に電波送出可能な電力に増幅する電力増幅回路を含み、この増幅回路で増幅されたアナログ信号はアンテナ１２から外部に送信される。
【００２６】
一方、受信機３は、デジタル復調部１３と、ＡＤコンバータ１４と、受信部１５と、レプリカ生成部１６とを備えている。
この受信機３の構成要素のうち、受信部１５は、アンテナ１８から入力された入力信号を選択及び増幅する低雑音増幅器と、増幅された信号を復調可能な周波数に変換する周波数変換回路等を含んで構成され、この受信部１５で受信されたアナログの受信信号Ｓ３はＡＤコンバータ１４によってデジタル信号に変換される。
【００２７】
レプリカ生成部１６は、送信機２側と同じ共通鍵に基づいて、前記妨害信号Ｓ５と対応するレプリカ信号Ｓ６をデジタル生成し、このレプリカ信号Ｓ６を、ＡＤコンバータ８の後に配置された減算機１７を介してデジタル復調前の受信信号Ｓ３から減算して取り除くものである。
このレプリカ生成部１６は、妨害信号Ｓ５と同一のレプリカ信号Ｓ６を生成するものであるから、送信機２側の妨害波生成部１０と同じ回路構成となるが、その詳細については後述する。
【００２８】
デジタル復調部１３は、レプリカ信号Ｓ６の減算後の受信信号Ｓ３から高周波の搬送波を分離する復調回路よりなり、デジタル信号である前記送信データＳ１と同じ受信データ（シンボル）Ｓ４を出力する。
【００２９】
〔妨害波生成部及びレプリカ生成部〕
図２は、妨害波生成部とレプリカ生成部の機能ブロック図である。
図２に示すように、妨害波生成部１０及びレプリカ生成部１６は、一様乱数ｖ１，ｖ２の生成回路である２つの線形フィードバックシフトレジスタ（ＬＦＳＲ）１９，２０と、このレジスタ１９，２０が出力する一様乱数ｖ１，ｖ２に対してボックス・ミューラー法（Box-Muller Transform）による変換演算を行う演算回路２１とを備えている。
【００３０】
図３は、上記２つのＬＦＳＲ１９，２０の回路構成の一例を示す図である。
図３に示すように、これらのＬＦＳＲ１９，２０は、直列方向に接続されたビット数分の複数段のシフトレジスタ２２をと、任意のシフトレジスタ２２間に挿入された排他的論理和回路２６とを備え、最終段のレジスタ２２の出力を排他的論理和回路２６と初段のレジスタ２２にフィードバックする回路構成になっている。
すなわち、これらのＬＦＳＲ１９，２０は、排他的論理和（ExOR）で帰還をかけた複数のシフトレジスタ２２で構成されるカウンタであって、このレジスタ２２の全個数をＮとすると、オール０を除いた（２N−１）の個のパターン信号を、（２N−１）回のクロック印加で１回ずつ疑似ランダム的に発生させることができる。
【００３１】
なお、図３（ａ）に示すＬＦＳＲ１９は、１０段構成であるから最大１０ビットの一様乱数を生成可能であり、図３（ｂ）に示すＬＦＳＲ２０は、１５段構成であるから最大１５ビットの一様乱数を生成可能である。
ＬＦＳＲ１９，２０を構成する全シフトレジスタ２２のうち、任意数のレジスタ２２のビット出力が変換器２７に並列入力されている。図例では、８つのレジスタ２２のビット出力が変換器２７に並列入力されており、従って、当該変換器２７への入力値は１０進数表現で０〜２５５までの値になっている。
【００３２】
上記変換器２７は、入力ビット数（図例ではｎ＝８）の最大絶対値である「２５５」で一様乱数の入力値を除算し、これによって一様乱数の入力値を０〜１までの数値に変換して出力するようになっている。
図２に戻り、演算回路２１は、２つのＬＦＳＲ１９，２０と変換器２７で逐次生成される０〜１までの一様乱数ｖ１，ｖ２を正規乱数に変換するため、まず、その一様乱数ｖ１，ｖ２のそれぞれが（０，１〕の範囲（０より大きく１以下の範囲、すなわち、０＜ｖ１，ｖ２≦１）に入っているか否かを判定し（ステップＳＰ１）、範囲外の場合にはその値を破棄する（ステップＳＰ２）。
【００３３】
逆に、一様乱数ｖ１，ｖ２のそれぞれが（０，１〕の範囲に入っている場合には、演算回路２１は、ボックス・ミューラー法に基づく次の式（１）に一様乱数ｖ１，ｖ２を代入して、正規乱数ｙ１，ｙ２を演算する（ステップＳＰ３）。なお、式（１）のｌｏｇは自然対数である。
【数１】
【００３４】
このようにして演算回路２１が演算する正規乱数ｙ１，ｙ２の値はいわゆる加法性の白色雑音であるが、この場合、ＬＦＳＲ１９，２０に入力する初期値（ｘ０）が同じであれば、同じ雑音を生成することができる。
そこで、本実施形態では、ＬＦＳＲ１９，２０に入力する初期値（ｘ０）を送受信機２，３双方の共通鍵として当該白色雑音をデジタル生成し、この白色雑音を前記妨害信号Ｓ５及びレプリカ信号Ｓ６として利用している。
【００３５】
なお、図２に示すように、ＬＦＳＲ１９，２０と演算回路２１とからなる一連の雑音生成用のロジック回路２６を複数段設けることにより、妨害波生成部１０又はレプリカ生成部１６を構成することもでき、この場合には、ロジック回路２６ごとに正規乱数ｙ１，ｙ２が生成されることになる。このように、雑音生成器としてのロジック回路２６を複数並設すれば、送信した妨害波（雑音）からの共通鍵ｘ０の逆算がより困難になり、安全性が向上する。
そして、前記した通り、妨害信号Ｓ５の場合は、送信機２において、加算器１１によってデジタル変調後の送信信号Ｓ２に加算され、レプリカ信号Ｓ６の場合は、受信機３において、減算器１７によってデジタル復調前の受信信号Ｓ３から減算されるようになっている。
【００３６】
このように、本実施形態の無線通信システム１によれば、送信機２の妨害波生成部１０が、共通鍵（初期値ｘ０）に基づいて生成した妨害信号Ｓ５をデジタル変調後の送信信号Ｓ２に印加し、受信機３のレプリカ生成部１６が、共通鍵（初期値ｘ０）に基づいて生成した妨害信号Ｓ５のレプリカ信号Ｓ６をデジタル復調前の受信信号Ｓ３から減算するようになっているので、例えば図４に示すように、レプリカ生成部Ｓ６を有する正式な受信機３を搭載した携帯端末４の場合には、共通鍵を用いて送信データＳ１と同じ受信データＳ４を復元することにより、基地局５との通信を確立することができる。
【００３７】
これに対して、送信機２が外部に送信する送信信号Ｓ２には妨害波生成部１０によって生成した妨害信号Ｓ５がデジタル変調後に印加されているから、上記レプリカ生成部１６を有しない受信機３を搭載した盗聴者の携帯端末４の場合には、妨害信号Ｓ５で暗号化された送信信号Ｓ２を単なる妨害波としてしか認識することができず、基地局５との通信が確立しない。
このように、本実施形態によれば、敢えて妨害信号Ｓ５が印加された信号対雑音比が低い送信信号Ｓ２を用いることにより、秘匿性に優れた無線通信システム１を構築することができる。
【００３８】
また、本実施形態では、妨害信号Ｓ５として加法性の白色雑音を使用しているので、当該妨害信号Ｓ５を印加した送信信号Ｓ２が周期性を示さなくなって盗聴者が受信信号Ｓ３に同期することも不可能になり、盗聴者による傍受が困難となる。
更に、本実施形態では、加法性の白色雑音を、２つのＬＦＳＲ１９，２１で得られた一様乱数をボックス・ミューラー法で変換してデジタル生成しているので、ハードウェアの実装が比較的容易であり、妨害波生成部１０やレプリカ生成部１６の回路構成を簡易かつ安価に実現することができる。
【００３９】
本実施形態の無線通信システム１において、送信データＳ１の秘匿性をより向上させるには、妨害波生成部１０において、妨害信号Ｓ５の印加後の信号対雑音比が０ｄＢ以下となるように当該妨害信号Ｓ５を送信信号Ｓ２に対して印加するようにすればよい。
この場合、妨害信号Ｓ５を印加した送信信号Ｓ２は、雑音成分が信号成分以上の煩雑な信号になるので、この信号を盗聴者が単なる雑音と認識する蓋然性がより増大し、送信データの漏洩をより確実に防止することができる。
【００４０】
なお、本実施形態の無線通信システム１において、デジタル手法によらないで、白色雑音よりなる妨害信号Ｓ５やレプリカ信号Ｓ６を生成する妨害波生成部１０やレプリカ生成部１６を採用することもできる。この場合は、図１に二点鎖線で示すように、ＤＡコンバータ８でアナログ信号に変換された送信信号Ｓ２に妨害信号Ｓ５を印加し、ＡＤコンバータ１４への入力前のアナログ信号よりなる受信信号Ｓ３からレプリカ信号Ｓ６を取り除くことになる。
【００４１】
〔共通鍵の設定手続〕
ところで、本実施形態の無線通信システム１では、送信機２の妨害波生成部１０と受信機３のレプリカ生成部１６が、いずれも同じ共通鍵（初期値ｘ０）に基づいて妨害信号Ｓ５やこれに対応するレプリカ信号Ｓ６を生成するので、当該通信システム１を例えば携帯電話システム等の移動体通に実装する場合、妨害信号Ｓ５を印加した秘匿通信を行う前に、その共通鍵やその他の認証情報のやり取りを個別に行う必要がある。
【００４２】
そこで、本実施形態の通信システム１では、送信機２は、送信信号Ｓ２に妨害信号Ｓ５を印加しないで当該送信信号Ｓ２を送信する認証送信モードを実行可能であり、かつ、受信機３は、送信信号Ｓ２を受信し、その受信信号Ｓ３からレプリカ信号Ｓ６を減算しないで受信信号Ｓ３をデジタル復調する認証受信モードを実行可能になっている。
図５は、上記認証モードを有する送受信機２，３を搭載した、携帯端末４と基地局５が行う端末認証方法を示す概念図である。
【００４３】
この場合、図５（ａ）に示すように、まず、事業者は、新規契約された携帯端末４の端末登録時に、その端末４のメモリに予め共通鍵ｘ０を記録しておき、例えば基地局３に繋がる一般には非公開の端末登録ネットワーク２３を通じて、その新規契約された携帯端末４の登録ＩＤや共通鍵を基地局５のメモリに記録する。
次に、図５（ｂ）に示すように、携帯端末４は、最初の通信を行う際に認証送信モードで自身の登録ＩＤを含む端末情報を基地局５に送信し、基地局５は、その端末情報を認証受信モードで受信する。
【００４４】
この場合、携帯端末４からの送信信号Ｓ２には、妨害信号Ｓ５が印加されていない。基地局５は、端末情報を受信すると、自身のメモリに記録されている登録ＩＤ等と照合し、認証を行う。
このようにして、基地局５での端末認証が完了すると、それ以降、携帯端末４と基地局５は自身の送信機２の認証送信モードを解除するとともに、自身の受信機３の認証受信モードを解除し、妨害信号Ｓ５を印加した秘匿通信を行う。
【００４５】
〔第二実施形態〕
図６は、本発明の第二実施形態に係る無線通信システムの構成例を示す図である。
本実施形態の無線通信システム１（図６）が第一実施形態の無線通信システム（図１）と異なる点は、第一実施形態では、受信機３がレプリカ信号Ｓ６を用いて妨害信号Ｓ５を取り除いて受信データＳ４を取り出すのに対して、第二実施形態では、誤り訂正のための検査行列Ｈを用いてデジタル復調後の受信信号Ｓ３を復号することにより、受信データＳ４を復元する点にある。
【００４６】
すなわち、本実施形態の無線通信システム１では、妨害信号Ｓ５に対応するレプリカ信号Ｓ６を利用せず、送信機２側で妨害信号Ｓ５を印加することで低ＳＮＲとなった受信信号Ｓ３に対して、誤り訂正復号を行って受信データＳ３を復元する。
このため、図６に示すように、送信機２には、デジタル変調後の送信信号Ｓ２に妨害信号Ｓ５を印加する妨害波生成部Ｓ５が設けられているが、受信機３には、妨害信号Ｓ５に対応するレプリカ信号Ｓ６を減算するレプリカ生成部１６が設けられていない。
【００４７】
そして、本実施形態の無線通信システム１では、妨害信号Ｓ５が印加された低ＳＮＲの受信信号Ｓ３から受信データＳ４を正確に復元できるようにするため、送信機２におけるデジタル変調部７の前段に、誤り訂正のための生成行列Ｇを用いて符号化データを生成するエンコーダ２４が設けられているとともに、受信機３におけるデジタル復調部１３の後段に、上記生成行列Ｇに対応する検査行列Ｈを用いてデジタル復調後の受信信号Ｓ３を復号して受信データＳ４を復元するデコーダ２５が設けられている。
【００４８】
このように、本実施形態の無線通信システム１によれば、送信機２の妨害波生成部１０がデジタル変調後の送信信号Ｓ２に妨害信号Ｓ５を印加するが、送信機２のエンコーダ２４が、そのデジタル変調前に、誤り訂正のための生成行列Ｇを用いて符号化データを生成するとともに、受信機３のデコーダ２５が、生成行列Ｇに対応する検査行列Ｈを用いてデジタル復調後の受信信号Ｓ３を復号して受信データＳ４を復元するので、例えば図７に示すように、当該検査行列Ｈを用いて誤り訂正を行うデコーダ２５を有する正式な受信機３を搭載した携帯端末４の場合は、送信データＳ１と同じ受信データＳ４を復元することにより、基地局５との通信を確立することができる。
【００４９】
これに対して、送信機２が外部に送信する送信信号Ｓ２には妨害波生成部１０によって生成した妨害信号Ｓ５がデジタル変調後に印加されているから、上記検査行列Ｈを用いた誤り訂正機能を有しない受信機を搭載した盗聴者の携帯端末４の場合には、妨害信号Ｓ５で暗号化された送信信号Ｓ２を単なる妨害波としてしか認識することができず、基地局５との通信が確立しない。
このように、本実施形態においても、敢えて妨害信号Ｓ５が印加された信号対雑音比が低い送信信号Ｓ２を用いることにより、秘匿性に優れた無線通信システム１を構築することができる。
【００５０】
また、本実施形態の無線通信システム１によれば、誤り訂正のための生成行列Ｇとこれに対応する検査行列Ｈが言わば共通鍵としての機能を果たしているので、図７に示すように、複数の携帯端末４に同じ検査行列Ｈを配付しておくことにより、複数の携帯端末４に対して同じ妨害信号Ｓ５を用いた秘匿通信を行うことができる。
このため、第一実施形態の場合のような、端末認証を利用した共通鍵の設定作業を行う必要がなく、秘匿性確保のためのユーザの作業手間を低減できるという利点がある。
【００５１】
更に、本実施形態の無線通信システム１においても、送信データＳ１の秘匿性をより向上させるには、妨害波生成部１０において、妨害信号Ｓ５の印加後の信号対雑音比が０ｄＢ以下となるように当該妨害信号Ｓ５を送信信号Ｓ２に対して印加することができる。
この場合、妨害信号Ｓ５を印加した送信信号Ｓ２は、雑音成分が信号成分以上の煩雑な信号になるので、この信号を盗聴者が単なる雑音と認識する蓋然性がより増大し、送信データの漏洩をより確実に防止することができる。
【００５２】
なお、上記のような低ＳＮＲの信号であっても、低密度バリティ検査（ＬＤＰＣ：Low-Density Parity-Check）符号やターボ（Turbo）符号といったシャノン限界に迫る強力な符号化／復号方式を、送信機２のエンコーダ２４と受信機３のデコーダ２５に採用すれば、受信データＳ４を正確に復元することができる。
また、本実施形態の無線通信システム１においても、デジタル手法によらないで、白色雑音よりなる妨害信号Ｓ５を生成する妨害波生成部１０を採用することもでき、この場合は、図６に二点鎖線で示すように、ＤＡコンバータ８でアナログ信号に変換された送信信号Ｓ２に妨害信号Ｓ５が印加されることになる。
【００５３】
ところで、上記生成行列Ｇや検査行列Ｈは、これらを変更するとデコーダ２５での復号性能に影響するために、いったん設定した行列を変更しないのが通例であるが、本実施形態における生成行列Ｇと検査行列Ｈは共通鍵としての機能を有するから、出来れば送受信側双方において新たなものに更新するようにすることが好ましい。
【００５４】
この点、例えば、ＬＤＰＣ符号においては、検査行列Ｈをいくつかのサブブロックに分割し、特定のサブブロックの非ゼロ要素（具体的には「１」）を、乱数を用いて再配置して他のサブブロックを生成するが（Gallagerの構成法）、サブブロックを再配置しても復号性能に余り影響しないことが判明している。
また、乱数をベースにしないで、所定の数列に基づいて良好な訂正能力を確保できる検査行列を生成する方法も、既に本願発明者が提示している（特願２００７−３２１０２１号参照）。
【００５５】
そこで、図６に仮想線で示すように、第二実施形態の無線通信システム１において、生成行列Ｇを変更する送信側行列変更部３０を送信機２に設けるとともに、その生成行列Ｇに対応して検査行列Ｈを変更する受信側行列変更部３１を受信機３に設けることにしてもよい。
受信側行列変更部３１は、乱数をベースに検査行列Ｈを更新する場合には、乱数発生器の出力に従って検査行列Ｈの非ゼロ要素を配置し直すものを採用すればよく、所定の数列に基づいて検査行列Ｈを更新する場合には、その数列の定義パラメータを変更することによって検査行列Ｈの非ゼロ要素を配置し直すものを採用すればよい。
【００５６】
一方、（ｎ，ｋ）符号よりなる長さｎの符号語に関する生成行列Ｇと検査行列Ｈは、Ｇ・ＨT＝０の関係を満たす。従って、送信側行列変更部３０としては、受信側行列変更部３１と同じ演算ロジックで検査行列Ｈを更新してから、この検査行列Ｈに対してＧ・ＨT＝０を満たす生成行列Ｈを生成する演算回路を採用すればよい。
かかる行列変更部３０，３１を設けておけば、送信機２と受信機３の共通鍵として機能する生成行列Ｇと検査行列Ｈを相互に変更することができるので、通信の秘匿性をより向上することができる。
【００５７】
これまで開示した実施形態はすべて例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の構成と均等の範囲内のすべての変更が本発明に含まれる。
例えば、本発明は、無線通信システム１だけでなく、ＰＬＣ（Power Line Communication）システムその他の有線通信システムに採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】第一実施形態の無線通信システムの構成例を示す図である。
【図２】妨害波生成部とレプリカ生成部の機能ブロック図である。
【図３】線形フィードバックシフトレジスタの回路構成の一例を示す図である。
【図４】基地局（送信者）と携帯端末（受信者）の通信状態を示す概念図である。
【図５】認証モードを有する送受信機を搭載した、携帯端末と基地局が行う端末認証方法を示す概念図である。
【図６】第一実施形態の無線通信システムの構成例を示す図である。
【図７】基地局（送信者）と携帯端末（受信者）の通信状態を示す概念図である。
【符号の説明】
【００５９】
１：無線通信システム ２：送信機 ３：受信機 ４：携帯端末 ５：基地局 ７：デジタル変調部 ８：ＤＡコンバータ ９：送信部 １０：妨害波生成部
１１：加算器 １２：アンテナ １３：デジタル変調部 １４：ＡＤコンバータ
１５：受信部 １６：レプリカ生成部 １７：減算器 １８：アンテナ
１９，２０：線形フィードバックレジスタ ２１：演算回路
２２：端末登録ネットワーク ２４：エンコーダ ２５：デコーダ
２６：ロジック回路 ２７：排他的論理和回路 ２８：変換器
３０：送信側行列変更部 ３１：受信側行列変更部
Ｓ１：送信データ Ｓ２：送信信号 Ｓ３：受信信号 Ｓ４：受信データ
Ｓ５：妨害信号 Ｓ６：レプリカ信号
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号対雑音比が低い送信信号を用いて秘匿性に優れた通信を行う通信システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、デジタル通信の技術分野では、有線及び無線を問わず、高速通信、低消費電力、高い通信品質（ビット誤り率）等の要求が望まれているが、特に近年は、これらに加えて通信の安全性の確保が望まれている。
これは、高速通信が実用化された場合、一瞬でも盗聴が成功すると、一気に大量のデータを覗けてしまうことに起因している。暗号化技術は、かかる要求を満足させるための技術の一つとして、無線及び有線通信等において幅広く利用されている。
【０００３】
かかる暗号化技術を利用した無線通信システムとして、それぞれの無線局に、他の無線局に対して測定用信号を送信する送信手段と、他の無線局から送信されかつ無線局間で変化した測定用信号を受信する受信手段と、受信された測定用信号に基づいて秘密鍵を作成する鍵作成手段と、作成された秘密鍵を用いて信号を暗号化しかつこれを復号して通信を行う通信手段とを備えたものが知られている（特許文献１）。
【０００４】
この従来の無線通信システムでは、無線局間の伝搬路特性によって変化する測定用信号を暗号鍵とする暗号化方式を採用しているので、簡易な方法で秘密鍵を生成することができる。
【特許文献１】特開２００６−２２２８１７号公報（請求項１等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の無線通信システムの暗号化方式は、電波の伝搬路特性が対応する無線局間の場所に依存することを利用したものであり、場所が変われば異なった信号の伝搬路特性となるため、異なる場所に居る盗聴者が無線局間の伝送路情報を容易に捕らえることはできない。
【０００６】
しかしながら、かかる従来の暗号化方式では、無線局間の伝搬路特性によって変化する測定用信号を利用して暗号鍵を生成するので、盗聴者の無線局（例えば携帯端末）が正式な無線局の近傍に位置する場合には、盗聴者の無線局も正式な無線局とほぼ同じ伝送路特性となり、正式な無線局と同じ暗号鍵を取得できる可能性がある。このため、暗号鍵の配布後において通信中の信号を盗聴しうる点で、必ずしも常に高い秘匿性が確保できているとは言い難い。
【０００７】
理想的には、例えば無線通信において１対１の通信を実現し、他の場所では何も受信できないようにすることが望ましいが、これにはアンテナサイズの大型化が必要であり、また仮に実現できたとしても、正規の受信者を追尾する仕組みが必要となり、非常に大型なシステムとなってしまう。
そして、この方式においては、送信者の信号強度は、通信路上で減衰を生じても正規の受信者へ信号が伝送されるように十分に大きく設定されるため，送信者の直下で盗聴されると、通信信号の漏洩を防ぐことは困難となる。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、妨害信号が印加された信号対雑音比が低い送信信号を用いることにより、従来よりも秘匿性に優れた通信を行うことができる通信システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第一の通信システム（請求項１）は、送信データをデジタル変調してなる送信信号を送信する送信機と、送信された前記送信信号を受信し、その受信信号をデジタル復調して受信データを取り出す受信機とを備えた通信システムであって、前記送信機は、共通鍵に基づいて妨害信号を生成してこの妨害信号をデジタル変調後の送信信号に印加する妨害波生成部を有し、前記受信機は、共通鍵に基づいて前記妨害信号のレプリカ信号を生成してこのレプリカ信号をデジタル復調前の前記受信信号から取り除くレプリカ生成部を有することを特徴とする。
【００１０】
上記第一の通信システムによれば、送信機の妨害波生成部が、共通鍵に基づいて生成した妨害信号をデジタル変調後の送信信号に印加し、受信機のレプリカ生成部が、共通鍵に基づいて生成した妨害信号のレプリカ信号をデジタル復調前の受信信号から取り除くので、そのレプリカ生成部を有する正式な受信機の場合には、共通鍵を用いて送信データと同じ受信データを復元することができる。
【００１１】
その一方で、送信機が外部に送信する送信信号には妨害波生成部によって生成した妨害信号がデジタル変調後に印加されているので、上記レプリカ生成部を有しない盗聴者の受信機の場合には、妨害信号で暗号化された送信信号を単なる妨害波としてしか認識することができない。
このように、本発明によれば、敢えて妨害信号が印加された信号対雑音比が低い送信信号を用いることにより、秘匿性に優れた通信システムを構築することができる。
【００１２】
上記第一の通信システムにおいて、前記妨害波生成部及び前記レプリカ生成部は、具体的には、前記妨害信号及びそのレプリカ信号として、前記共通鍵に基づいて加法性の白色雑音をデジタル生成するものを採用することができる（請求項２）。
後の実施形態でも述べるが、かかる加法性の白色雑音は、例えば、２つの線形フィードバックシフトレジスタ（ＬＦＳＲ：Linear Feedback Shift Register）で得られた一様乱数をボックス・ミューラー法（Box-Muller Transform）で変換することによって生成することができる。
【００１３】
この場合、上記のように生成した白色雑音を使用すると、妨害信号を印加した送信信号が周期性を示さなくなって盗聴者が受信信号に同期することも不可能になり、盗聴者による傍受が困難となる。
また、上記ＬＦＳＲはハードウェアの実装が比較的容易な回路であるから、妨害波生成部及びレプリカ生成部の回路構成を簡易かつ安価に実現できるという利点もある。
【００１４】
また、第一の通信システムにおいて、前記妨害波生成部は、前記妨害信号の印加後の信号対雑音比が０ｄＢ以下となるように当該妨害信号を前記送信信号に対して印加するものであることが好ましい（請求項６）。
この場合、妨害信号を印加した送信信号は、雑音成分が信号成分以上の煩雑な信号になるので、この信号を盗聴者が単なる雑音と認識する蓋然性がより増大し、送信データの漏洩をより確実に防止することができる。
【００１５】
第一の通信システムでは、送信機の妨害波生成部と受信機のレプリカ生成部が、いずれも同じ共通鍵に基づいて妨害信号やこれに対応するレプリカ信号を生成するので、妨害信号を印加した秘匿通信を行う前に、その共通鍵やその他の認証情報のやり取りを個別に行う必要がある。
そこで、第一の通信システムでは、前記送信機は、前記送信信号に前記妨害信号を印加しないで当該送信信号を送信する認証送信モードを実行可能であり、前記受信機は、前記送信信号を受信し、その受信信号から前記レプリカ信号を取り除かないで当該受信信号をデジタル復調する認証受信モードを実行可能であることが好ましい（請求項３）。
【００１６】
本発明の第二の通信システム（請求項４）は、送信データをエンコードした符号化データをデジタル変調してなる送信信号を送信する送信機と、送信された前記送信信号を受信し、その受信信号をデジタル変調及びデコードして受信データを取り出す受信機とを備えた通信システムであって、前記送信機は、デジタル変調後の送信信号に妨害信号を印加する妨害波生成部を有し、前記送信機のエンコーダは、誤り訂正のための生成行列を用いて前記符号化データを生成し、前記受信機のデコーダは、前記生成行列に対応する検査行列を用いてデジタル復調後の前記受信信号を復号して前記受信データを復元することを特徴とする。
【００１７】
上記第二の通信システム（請求項４）が前記第一の通信システム（請求項１）と異なる点は、第一の通信システム（請求項１）では、受信機がレプリカ信号を用いて妨害信号を取り除いて受信データを取り出すのに対して、第二の通信システム（請求項４）では、誤り訂正のための検査行列を用いてデジタル復調後の受信信号を復号することにより、受信データを復元する点にある。
すなわち、第二の通信システムでは、妨害信号に対応するレプリカ信号を利用するのではなく、送信機側で妨害信号を印加することで低ＳＮＲとなった受信信号に対して誤り訂正復号を行って受信データを復元する。
【００１８】
このように、第二の通信システムでは、受信機側で低ＳＮＲの受信信号を誤り訂正復号するため、送信機のエンコーダが、その誤り訂正のための生成行列を用いて送信データの符号化データを生成しておく必要があり、受信機のデコーダは、その生成行列に対応する検査行列を用いてデジタル復調後の受信信号を復号して受信データを復元する。
従って、第二の通信システムにおいては、妨害波生成部が生成する妨害信号は、受信機のデコーダが行う誤り訂正復号によって受信データが復元可能な程度の雑音である必要がある。
【００１９】
もっとも、例えば、低密度バリティ検査（ＬＤＰＣ：Low-Density Parity-Check）符号やターボ（Turbo）符号といったシャノン限界に迫る強力な符号化／復号方式を採用すれば、妨害信号で低ＳＮＲ化された受信信号であっても、受信データを正確に復元することができる。
このため、第二の通信システムにおいても、妨害波生成部として、前記妨害信号の印加後の信号対雑音比が０ｄＢ以下となるように当該妨害信号を前記送信信号に対して印加するものを採用することにより（請求項６）、受信信号に対する同期すら不可能にして、送信データの漏洩を確実に防止することができる。
【００２０】
また、第二の通信システムにおいて、前記送信機は、前記生成行列を変更する送信側行列変更部を有し、前記受信機は、前記生成行列に対応して前記検査行列を変更する受信側行列変更部を有していることが好ましい（請求項５）。
この場合、送信機と受信機の共通鍵として機能する生成行列Ｇと検査行列Ｈを相互に変更することができるので、通信の秘匿性をより向上することができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上の通り、本発明によれば、妨害信号が印加された信号対雑音比が低い送信信号を用い、その妨害信号のレプリカ信号を生成可能な受信機や、信号対雑音比が低い送信信号を誤り訂正復号可能な受信機でしか当該送信信号を認識できないようにしたので、秘匿性に優れた通信を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。
〔第一実施形態〕
〔システム構成〕
図１は、本発明の第一実施形態に係る無線通信システムの構成例を示す図である。
図１に示すように、この無線通信システム１は、所定ビット列のデジタルデータよりなる送信データＳ１をデジタル変調してなる送信信号Ｓ２を送信する送信機２と、送信された送信信号Ｓ２を受信して、その受信信号Ｓ３をデジタル復調して送信データＳ１と同じ受信データＳ４を取り出す受信機３とを備えている。
【００２３】
上記送信機２及び受信機３は、例えば携帯電話システム等の移動体通信を想定した場合、ユーザが携帯して使用する携帯端末４と、多数の携帯端末４と相互に通信する基地局５（図４参照）の双方に設けられる。
送信機２は、デジタル変調部７と、ＤＡコンバータ８と、送信部９と、妨害波生成部１０とを備えている。
【００２４】
この送信機２の構成要素のうち、デジタル変調部７は、デジタル信号である送信データ（シンボル）Ｓ１によって所定の搬送波を変調する変調回路よりなり、高周波の搬送波にベースバンド信号としての上記送信データＳ１を乗せて送信信号Ｓ２を出力する。
デジタル変調部７での変調方式としては、例えば、ＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）方式、ＦＳＫ（Frequency Shift Keying）方式、ＰＳＫ（Phase Shift Keying）方式、ＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）方式、ＱＰＳＫ（Quadrate Phase Shift Keying）方式及びＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）方式等を採用することができる。
【００２５】
妨害波生成部１０は、所定の共通鍵に基づいて、例えば加法性の白色雑音よりなる妨害信号Ｓ５をデジタル生成し、この妨害信号Ｓ５をＤＡコンバータ８の手前に配置された加算器１１を介してデジタル変調後の送信信号Ｓ２に加算するものである。この妨害波生成部１０の詳細については、後述する。
ＤＡコンバータ８は、上記妨害信号Ｓ５を含む送信信号Ｓ２をアナログ信号に変換し、次の送信部９に送る。送信部９は、ＤＡコンバータ８からのアナログ信号を外部に電波送出可能な電力に増幅する電力増幅回路を含み、この増幅回路で増幅されたアナログ信号はアンテナ１２から外部に送信される。
【００２６】
一方、受信機３は、デジタル復調部１３と、ＡＤコンバータ１４と、受信部１５と、レプリカ生成部１６とを備えている。
この受信機３の構成要素のうち、受信部１５は、アンテナ１８から入力された入力信号を選択及び増幅する低雑音増幅器と、増幅された信号を復調可能な周波数に変換する周波数変換回路等を含んで構成され、この受信部１５で受信されたアナログの受信信号Ｓ３はＡＤコンバータ１４によってデジタル信号に変換される。
【００２７】
レプリカ生成部１６は、送信機２側と同じ共通鍵に基づいて、前記妨害信号Ｓ５と対応するレプリカ信号Ｓ６をデジタル生成し、このレプリカ信号Ｓ６を、ＡＤコンバータ８の後に配置された減算機１７を介してデジタル復調前の受信信号Ｓ３から減算して取り除くものである。
このレプリカ生成部１６は、妨害信号Ｓ５と同一のレプリカ信号Ｓ６を生成するものであるから、送信機２側の妨害波生成部１０と同じ回路構成となるが、その詳細については後述する。
【００２８】
デジタル復調部１３は、レプリカ信号Ｓ６の減算後の受信信号Ｓ３から高周波の搬送波を分離する復調回路よりなり、デジタル信号である前記送信データＳ１と同じ受信データ（シンボル）Ｓ４を出力する。
【００２９】
〔妨害波生成部及びレプリカ生成部〕
図２は、妨害波生成部とレプリカ生成部の機能ブロック図である。
図２に示すように、妨害波生成部１０及びレプリカ生成部１６は、一様乱数ｖ１，ｖ２の生成回路である２つの線形フィードバックシフトレジスタ（ＬＦＳＲ）１９，２０と、このレジスタ１９，２０が出力する一様乱数ｖ１，ｖ２に対してボックス・ミューラー法（Box-Muller Transform）による変換演算を行う演算回路２１とを備えている。
【００３０】
図３は、上記２つのＬＦＳＲ１９，２０の回路構成の一例を示す図である。
図３に示すように、これらのＬＦＳＲ１９，２０は、直列方向に接続されたビット数分の複数段のシフトレジスタ２２をと、任意のシフトレジスタ２２間に挿入された排他的論理和回路２６とを備え、最終段のレジスタ２２の出力を排他的論理和回路２６と初段のレジスタ２２にフィードバックする回路構成になっている。
すなわち、これらのＬＦＳＲ１９，２０は、排他的論理和（ExOR）で帰還をかけた複数のシフトレジスタ２２で構成されるカウンタであって、このレジスタ２２の全個数をＮとすると、オール０を除いた（２N−１）の個のパターン信号を、（２N−１）回のクロック印加で１回ずつ疑似ランダム的に発生させることができる。
【００３１】
なお、図３（ａ）に示すＬＦＳＲ１９は、１０段構成であるから最大１０ビットの一様乱数を生成可能であり、図３（ｂ）に示すＬＦＳＲ２０は、１５段構成であるから最大１５ビットの一様乱数を生成可能である。
ＬＦＳＲ１９，２０を構成する全シフトレジスタ２２のうち、任意数のレジスタ２２のビット出力が変換器２７に並列入力されている。図例では、８つのレジスタ２２のビット出力が変換器２７に並列入力されており、従って、当該変換器２７への入力値は１０進数表現で０〜２５５までの値になっている。
【００３２】
上記変換器２７は、入力ビット数（図例ではｎ＝８）の最大絶対値である「２５５」で一様乱数の入力値を除算し、これによって一様乱数の入力値を０〜１までの数値に変換して出力するようになっている。
図２に戻り、演算回路２１は、２つのＬＦＳＲ１９，２０と変換器２７で逐次生成される０〜１までの一様乱数ｖ１，ｖ２を正規乱数に変換するため、まず、その一様乱数ｖ１，ｖ２のそれぞれが（０，１〕の範囲（０より大きく１以下の範囲、すなわち、０＜ｖ１，ｖ２≦１）に入っているか否かを判定し（ステップＳＰ１）、範囲外の場合にはその値を破棄する（ステップＳＰ２）。
【００３３】
逆に、一様乱数ｖ１，ｖ２のそれぞれが（０，１〕の範囲に入っている場合には、演算回路２１は、ボックス・ミューラー法に基づく次の式（１）に一様乱数ｖ１，ｖ２を代入して、正規乱数ｙ１，ｙ２を演算する（ステップＳＰ３）。なお、式（１）のｌｏｇは自然対数である。
【数１】
【００３４】
このようにして演算回路２１が演算する正規乱数ｙ１，ｙ２の値はいわゆる加法性の白色雑音であるが、この場合、ＬＦＳＲ１９，２０に入力する初期値（ｘ０）が同じであれば、同じ雑音を生成することができる。
そこで、本実施形態では、ＬＦＳＲ１９，２０に入力する初期値（ｘ０）を送受信機２，３双方の共通鍵として当該白色雑音をデジタル生成し、この白色雑音を前記妨害信号Ｓ５及びレプリカ信号Ｓ６として利用している。
【００３５】
なお、図２に示すように、ＬＦＳＲ１９，２０と演算回路２１とからなる一連の雑音生成用のロジック回路２６を複数段設けることにより、妨害波生成部１０又はレプリカ生成部１６を構成することもでき、この場合には、ロジック回路２６ごとに正規乱数ｙ１，ｙ２が生成されることになる。このように、雑音生成器としてのロジック回路２６を複数並設すれば、送信した妨害波（雑音）からの共通鍵ｘ０の逆算がより困難になり、安全性が向上する。
そして、前記した通り、妨害信号Ｓ５の場合は、送信機２において、加算器１１によってデジタル変調後の送信信号Ｓ２に加算され、レプリカ信号Ｓ６の場合は、受信機３において、減算器１７によってデジタル復調前の受信信号Ｓ３から減算されるようになっている。
【００３６】
このように、本実施形態の無線通信システム１によれば、送信機２の妨害波生成部１０が、共通鍵（初期値ｘ０）に基づいて生成した妨害信号Ｓ５をデジタル変調後の送信信号Ｓ２に印加し、受信機３のレプリカ生成部１６が、共通鍵（初期値ｘ０）に基づいて生成した妨害信号Ｓ５のレプリカ信号Ｓ６をデジタル復調前の受信信号Ｓ３から減算するようになっているので、例えば図４に示すように、レプリカ生成部Ｓ６を有する正式な受信機３を搭載した携帯端末４の場合には、共通鍵を用いて送信データＳ１と同じ受信データＳ４を復元することにより、基地局５との通信を確立することができる。
【００３７】
これに対して、送信機２が外部に送信する送信信号Ｓ２には妨害波生成部１０によって生成した妨害信号Ｓ５がデジタル変調後に印加されているから、上記レプリカ生成部１６を有しない受信機３を搭載した盗聴者の携帯端末４の場合には、妨害信号Ｓ５で暗号化された送信信号Ｓ２を単なる妨害波としてしか認識することができず、基地局５との通信が確立しない。
このように、本実施形態によれば、敢えて妨害信号Ｓ５が印加された信号対雑音比が低い送信信号Ｓ２を用いることにより、秘匿性に優れた無線通信システム１を構築することができる。
【００３８】
また、本実施形態では、妨害信号Ｓ５として加法性の白色雑音を使用しているので、当該妨害信号Ｓ５を印加した送信信号Ｓ２が周期性を示さなくなって盗聴者が受信信号Ｓ３に同期することも不可能になり、盗聴者による傍受が困難となる。
更に、本実施形態では、加法性の白色雑音を、２つのＬＦＳＲ１９，２１で得られた一様乱数をボックス・ミューラー法で変換してデジタル生成しているので、ハードウェアの実装が比較的容易であり、妨害波生成部１０やレプリカ生成部１６の回路構成を簡易かつ安価に実現することができる。
【００３９】
本実施形態の無線通信システム１において、送信データＳ１の秘匿性をより向上させるには、妨害波生成部１０において、妨害信号Ｓ５の印加後の信号対雑音比が０ｄＢ以下となるように当該妨害信号Ｓ５を送信信号Ｓ２に対して印加するようにすればよい。
この場合、妨害信号Ｓ５を印加した送信信号Ｓ２は、雑音成分が信号成分以上の煩雑な信号になるので、この信号を盗聴者が単なる雑音と認識する蓋然性がより増大し、送信データの漏洩をより確実に防止することができる。
【００４０】
なお、本実施形態の無線通信システム１において、デジタル手法によらないで、白色雑音よりなる妨害信号Ｓ５やレプリカ信号Ｓ６を生成する妨害波生成部１０やレプリカ生成部１６を採用することもできる。この場合は、図１に二点鎖線で示すように、ＤＡコンバータ８でアナログ信号に変換された送信信号Ｓ２に妨害信号Ｓ５を印加し、ＡＤコンバータ１４への入力前のアナログ信号よりなる受信信号Ｓ３からレプリカ信号Ｓ６を取り除くことになる。
【００４１】
〔共通鍵の設定手続〕
ところで、本実施形態の無線通信システム１では、送信機２の妨害波生成部１０と受信機３のレプリカ生成部１６が、いずれも同じ共通鍵（初期値ｘ０）に基づいて妨害信号Ｓ５やこれに対応するレプリカ信号Ｓ６を生成するので、当該通信システム１を例えば携帯電話システム等の移動体通に実装する場合、妨害信号Ｓ５を印加した秘匿通信を行う前に、その共通鍵やその他の認証情報のやり取りを個別に行う必要がある。
【００４２】
そこで、本実施形態の通信システム１では、送信機２は、送信信号Ｓ２に妨害信号Ｓ５を印加しないで当該送信信号Ｓ２を送信する認証送信モードを実行可能であり、かつ、受信機３は、送信信号Ｓ２を受信し、その受信信号Ｓ３からレプリカ信号Ｓ６を減算しないで受信信号Ｓ３をデジタル復調する認証受信モードを実行可能になっている。
図５は、上記認証モードを有する送受信機２，３を搭載した、携帯端末４と基地局５が行う端末認証方法を示す概念図である。
【００４３】
この場合、図５（ａ）に示すように、まず、事業者は、新規契約された携帯端末４の端末登録時に、その端末４のメモリに予め共通鍵ｘ０を記録しておき、例えば基地局３に繋がる一般には非公開の端末登録ネットワーク２３を通じて、その新規契約された携帯端末４の登録ＩＤや共通鍵を基地局５のメモリに記録する。
次に、図５（ｂ）に示すように、携帯端末４は、最初の通信を行う際に認証送信モードで自身の登録ＩＤを含む端末情報を基地局５に送信し、基地局５は、その端末情報を認証受信モードで受信する。
【００４４】
この場合、携帯端末４からの送信信号Ｓ２には、妨害信号Ｓ５が印加されていない。基地局５は、端末情報を受信すると、自身のメモリに記録されている登録ＩＤ等と照合し、認証を行う。
このようにして、基地局５での端末認証が完了すると、それ以降、携帯端末４と基地局５は自身の送信機２の認証送信モードを解除するとともに、自身の受信機３の認証受信モードを解除し、妨害信号Ｓ５を印加した秘匿通信を行う。
【００４５】
〔第二実施形態〕
図６は、本発明の第二実施形態に係る無線通信システムの構成例を示す図である。
本実施形態の無線通信システム１（図６）が第一実施形態の無線通信システム（図１）と異なる点は、第一実施形態では、受信機３がレプリカ信号Ｓ６を用いて妨害信号Ｓ５を取り除いて受信データＳ４を取り出すのに対して、第二実施形態では、誤り訂正のための検査行列Ｈを用いてデジタル復調後の受信信号Ｓ３を復号することにより、受信データＳ４を復元する点にある。
【００４６】
すなわち、本実施形態の無線通信システム１では、妨害信号Ｓ５に対応するレプリカ信号Ｓ６を利用せず、送信機２側で妨害信号Ｓ５を印加することで低ＳＮＲとなった受信信号Ｓ３に対して、誤り訂正復号を行って受信データＳ３を復元する。
このため、図６に示すように、送信機２には、デジタル変調後の送信信号Ｓ２に妨害信号Ｓ５を印加する妨害波生成部Ｓ５が設けられているが、受信機３には、妨害信号Ｓ５に対応するレプリカ信号Ｓ６を減算するレプリカ生成部１６が設けられていない。
【００４７】
そして、本実施形態の無線通信システム１では、妨害信号Ｓ５が印加された低ＳＮＲの受信信号Ｓ３から受信データＳ４を正確に復元できるようにするため、送信機２におけるデジタル変調部７の前段に、誤り訂正のための生成行列Ｇを用いて符号化データを生成するエンコーダ２４が設けられているとともに、受信機３におけるデジタル復調部１３の後段に、上記生成行列Ｇに対応する検査行列Ｈを用いてデジタル復調後の受信信号Ｓ３を復号して受信データＳ４を復元するデコーダ２５が設けられている。
【００４８】
このように、本実施形態の無線通信システム１によれば、送信機２の妨害波生成部１０がデジタル変調後の送信信号Ｓ２に妨害信号Ｓ５を印加するが、送信機２のエンコーダ２４が、そのデジタル変調前に、誤り訂正のための生成行列Ｇを用いて符号化データを生成するとともに、受信機３のデコーダ２５が、生成行列Ｇに対応する検査行列Ｈを用いてデジタル復調後の受信信号Ｓ３を復号して受信データＳ４を復元するので、例えば図７に示すように、当該検査行列Ｈを用いて誤り訂正を行うデコーダ２５を有する正式な受信機３を搭載した携帯端末４の場合は、送信データＳ１と同じ受信データＳ４を復元することにより、基地局５との通信を確立することができる。
【００４９】
これに対して、送信機２が外部に送信する送信信号Ｓ２には妨害波生成部１０によって生成した妨害信号Ｓ５がデジタル変調後に印加されているから、上記検査行列Ｈを用いた誤り訂正機能を有しない受信機を搭載した盗聴者の携帯端末４の場合には、妨害信号Ｓ５で暗号化された送信信号Ｓ２を単なる妨害波としてしか認識することができず、基地局５との通信が確立しない。
このように、本実施形態においても、敢えて妨害信号Ｓ５が印加された信号対雑音比が低い送信信号Ｓ２を用いることにより、秘匿性に優れた無線通信システム１を構築することができる。
【００５０】
また、本実施形態の無線通信システム１によれば、誤り訂正のための生成行列Ｇとこれに対応する検査行列Ｈが言わば共通鍵としての機能を果たしているので、図７に示すように、複数の携帯端末４に同じ検査行列Ｈを配付しておくことにより、複数の携帯端末４に対して同じ妨害信号Ｓ５を用いた秘匿通信を行うことができる。
このため、第一実施形態の場合のような、端末認証を利用した共通鍵の設定作業を行う必要がなく、秘匿性確保のためのユーザの作業手間を低減できるという利点がある。
【００５１】
更に、本実施形態の無線通信システム１においても、送信データＳ１の秘匿性をより向上させるには、妨害波生成部１０において、妨害信号Ｓ５の印加後の信号対雑音比が０ｄＢ以下となるように当該妨害信号Ｓ５を送信信号Ｓ２に対して印加することができる。
この場合、妨害信号Ｓ５を印加した送信信号Ｓ２は、雑音成分が信号成分以上の煩雑な信号になるので、この信号を盗聴者が単なる雑音と認識する蓋然性がより増大し、送信データの漏洩をより確実に防止することができる。
【００５２】
なお、上記のような低ＳＮＲの信号であっても、低密度バリティ検査（ＬＤＰＣ：Low-Density Parity-Check）符号やターボ（Turbo）符号といったシャノン限界に迫る強力な符号化／復号方式を、送信機２のエンコーダ２４と受信機３のデコーダ２５に採用すれば、受信データＳ４を正確に復元することができる。
また、本実施形態の無線通信システム１においても、デジタル手法によらないで、白色雑音よりなる妨害信号Ｓ５を生成する妨害波生成部１０を採用することもでき、この場合は、図６に二点鎖線で示すように、ＤＡコンバータ８でアナログ信号に変換された送信信号Ｓ２に妨害信号Ｓ５が印加されることになる。
【００５３】
ところで、上記生成行列Ｇや検査行列Ｈは、これらを変更するとデコーダ２５での復号性能に影響するために、いったん設定した行列を変更しないのが通例であるが、本実施形態における生成行列Ｇと検査行列Ｈは共通鍵としての機能を有するから、出来れば送受信側双方において新たなものに更新するようにすることが好ましい。
【００５４】
この点、例えば、ＬＤＰＣ符号においては、検査行列Ｈをいくつかのサブブロックに分割し、特定のサブブロックの非ゼロ要素（具体的には「１」）を、乱数を用いて再配置して他のサブブロックを生成するが（Gallagerの構成法）、サブブロックを再配置しても復号性能に余り影響しないことが判明している。
また、乱数をベースにしないで、所定の数列に基づいて良好な訂正能力を確保できる検査行列を生成する方法も、既に本願発明者が提示している（特願２００７−３２１０２１号参照）。
【００５５】
そこで、図６に仮想線で示すように、第二実施形態の無線通信システム１において、生成行列Ｇを変更する送信側行列変更部３０を送信機２に設けるとともに、その生成行列Ｇに対応して検査行列Ｈを変更する受信側行列変更部３１を受信機３に設けることにしてもよい。
受信側行列変更部３１は、乱数をベースに検査行列Ｈを更新する場合には、乱数発生器の出力に従って検査行列Ｈの非ゼロ要素を配置し直すものを採用すればよく、所定の数列に基づいて検査行列Ｈを更新する場合には、その数列の定義パラメータを変更することによって検査行列Ｈの非ゼロ要素を配置し直すものを採用すればよい。
【００５６】
一方、（ｎ，ｋ）符号よりなる長さｎの符号語に関する生成行列Ｇと検査行列Ｈは、Ｇ・ＨT＝０の関係を満たす。従って、送信側行列変更部３０としては、受信側行列変更部３１と同じ演算ロジックで検査行列Ｈを更新してから、この検査行列Ｈに対してＧ・ＨT＝０を満たす生成行列Ｈを生成する演算回路を採用すればよい。
かかる行列変更部３０，３１を設けておけば、送信機２と受信機３の共通鍵として機能する生成行列Ｇと検査行列Ｈを相互に変更することができるので、通信の秘匿性をより向上することができる。
【００５７】
これまで開示した実施形態はすべて例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の構成と均等の範囲内のすべての変更が本発明に含まれる。
例えば、本発明は、無線通信システム１だけでなく、ＰＬＣ（Power Line Communication）システムその他の有線通信システムに採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】第一実施形態の無線通信システムの構成例を示す図である。
【図２】妨害波生成部とレプリカ生成部の機能ブロック図である。
【図３】線形フィードバックシフトレジスタの回路構成の一例を示す図である。
【図４】基地局（送信者）と携帯端末（受信者）の通信状態を示す概念図である。
【図５】認証モードを有する送受信機を搭載した、携帯端末と基地局が行う端末認証方法を示す概念図である。
【図６】第一実施形態の無線通信システムの構成例を示す図である。
【図７】基地局（送信者）と携帯端末（受信者）の通信状態を示す概念図である。
【符号の説明】
【００５９】
１：無線通信システム ２：送信機 ３：受信機 ４：携帯端末 ５：基地局 ７：デジタル変調部 ８：ＤＡコンバータ ９：送信部 １０：妨害波生成部
１１：加算器 １２：アンテナ １３：デジタル変調部 １４：ＡＤコンバータ
１５：受信部 １６：レプリカ生成部 １７：減算器 １８：アンテナ
１９，２０：線形フィードバックレジスタ ２１：演算回路
２２：端末登録ネットワーク ２４：エンコーダ ２５：デコーダ
２６：ロジック回路 ２７：排他的論理和回路 ２８：変換器
３０：送信側行列変更部 ３１：受信側行列変更部
Ｓ１：送信データ Ｓ２：送信信号 Ｓ３：受信信号 Ｓ４：受信データ
Ｓ５：妨害信号 Ｓ６：レプリカ信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信データをデジタル変調してなる送信信号を送信する送信機と、送信された前記送信信号を受信し、その受信信号をデジタル復調して受信データを取り出す受信機とを備えた通信システムであって、
前記送信機は、共通鍵に基づいて妨害信号を生成してこの妨害信号をデジタル変調後の前記送信信号に印加する妨害波生成部を有し、
前記受信機は、前記共通鍵に基づいて前記妨害信号のレプリカ信号を生成してこのレプリカ信号をデジタル復調前の前記受信信号から取り除くレプリカ生成部を有することを特徴とする通信システム。
【請求項２】
前記妨害波生成部及び前記レプリカ生成部は、前記妨害信号及びそのレプリカ信号として、前記共通鍵に基づいて加法性の白色雑音をデジタル生成するものである請求項１に記載の通信システム。
【請求項３】
前記送信機は、前記送信信号に前記妨害信号を印加しないで当該送信信号を送信する認証送信モードを実行可能であり、
前記受信機は、前記送信信号を受信し、その受信信号から前記レプリカ信号を取り除かないで当該受信信号をデジタル復調する認証受信モードを実行可能である請求項１又は２に記載の通信システム。
【請求項４】
送信データをエンコードした符号化データをデジタル変調してなる送信信号を送信する送信機と、送信された前記送信信号を受信し、その受信信号をデジタル変調及びデコードして受信データを取り出す受信機とを備えた通信システムであって、
前記送信機は、デジタル変調後の送信信号に妨害信号を印加する妨害波生成部を有し、
前記送信機のエンコーダは、誤り訂正のための生成行列を用いて前記符号化データを生成し、前記受信機のデコーダは、前記生成行列に対応する検査行列を用いてデジタル復調後の前記受信信号を復号して前記受信データを復元することを特徴とする通信システム。
【請求項５】
前記送信機は、前記生成行列を変更する送信側行列変更部を有し、前記受信機は、前記生成行列に対応して前記検査行列を変更する受信側行列変更部を有している請求項４に記載の通信システム。
【請求項６】
前記妨害波生成部は、前記妨害信号の印加後の信号対雑音比が０ｄＢ以下となるように当該妨害信号を前記送信信号に対して印加する請求項１〜５のいずれか１項に記載の通信システム。
【請求項１】
送信データをデジタル変調してなる送信信号を送信する送信機と、送信された前記送信信号を受信し、その受信信号をデジタル復調して受信データを取り出す受信機とを備えた通信システムであって、
前記送信機は、共通鍵に基づいて妨害信号を生成してこの妨害信号をデジタル変調後の前記送信信号に印加する妨害波生成部を有し、
前記受信機は、前記共通鍵に基づいて前記妨害信号のレプリカ信号を生成してこのレプリカ信号をデジタル復調前の前記受信信号から取り除くレプリカ生成部を有することを特徴とする通信システム。
【請求項２】
前記妨害波生成部及び前記レプリカ生成部は、前記妨害信号及びそのレプリカ信号として、前記共通鍵に基づいて加法性の白色雑音をデジタル生成するものである請求項１に記載の通信システム。
【請求項３】
前記送信機は、前記送信信号に前記妨害信号を印加しないで当該送信信号を送信する認証送信モードを実行可能であり、
前記受信機は、前記送信信号を受信し、その受信信号から前記レプリカ信号を取り除かないで当該受信信号をデジタル復調する認証受信モードを実行可能である請求項１又は２に記載の通信システム。
【請求項４】
送信データをエンコードした符号化データをデジタル変調してなる送信信号を送信する送信機と、送信された前記送信信号を受信し、その受信信号をデジタル変調及びデコードして受信データを取り出す受信機とを備えた通信システムであって、
前記送信機は、デジタル変調後の送信信号に妨害信号を印加する妨害波生成部を有し、
前記送信機のエンコーダは、誤り訂正のための生成行列を用いて前記符号化データを生成し、前記受信機のデコーダは、前記生成行列に対応する検査行列を用いてデジタル復調後の前記受信信号を復号して前記受信データを復元することを特徴とする通信システム。
【請求項５】
前記送信機は、前記生成行列を変更する送信側行列変更部を有し、前記受信機は、前記生成行列に対応して前記検査行列を変更する受信側行列変更部を有している請求項４に記載の通信システム。
【請求項６】
前記妨害波生成部は、前記妨害信号の印加後の信号対雑音比が０ｄＢ以下となるように当該妨害信号を前記送信信号に対して印加する請求項１〜５のいずれか１項に記載の通信システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１５２８３８（Ｐ２００９−１５２８３８Ａ）
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２８６２５（Ｐ２００７−３２８６２５）
【出願日】平成１９年１２月２０日（２００７．１２．２０）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２０日（２００７．１２．２０）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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