通信装置、通信システムおよび通信方法

【課題】第三者による通信内容の傍受可能範囲を制限しつつ、無線通信装置と通信可能な正規の端末装置の範囲制限が緩和され、遠距離においても、無線通信装置と正規の端末装置の通信が可能な通信装置、通信システムおよび通信方法を提供することを目的とする。
【解決手段】受信した冗長なデータに対して、送信側と同じ符号を作用させた後に積分を行って、送信側の変調方式に対応する復調方式を用いてデータを復調する。積分出力について、上限と下限の閾値を設定して、積分出力が上限の閾値より大きい場合には、通信相手の送信電力を下げ、積分出力が下限の閾値よりも小さい場合には、作用させる符合の長さを長くする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相手装置と通信する際に、通信する情報の守秘性を確保するための通信装置、通信システムおよび通信方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１５は、（特許文献１）に記載された、守秘性を確保したい通信の処理動作を示す図である。
【０００３】
以上のような処理フローを有する無線通信装置について、その動作（特許文献１に記載された動作）を説明する。
【０００４】
新たに通信したい端末装置がいた場合、無線通信装置を登録モードに設定する。登録モードに設定すると、出力電力を減少させることによって、距離の近い通信装置のみが登録可能になり、距離の遠い他の端末装置を排除することが出来る。そして、端末装置からリンク接続要求が受信できれば、リンクは確立するが、リンク接続要求が受信できなければ、再送を繰り返す。これらの処理により、登録作業におけるセキュリティ上の管理が容易になるが、無線通信装置から送信される登録情報を、登録を希望する正規の端末装置が受信可能な範囲が制限される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２９９１４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとしている課題は、第三者による通信内容の傍受可能範囲を制限しつつ、無線通信装置と通信可能な正規の端末装置の範囲制限が緩和され、遠距離においても、無線通信装置と正規の端末装置の通信が可能な通信装置、通信システムおよび通信方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、他の通信装置と通信を行う通信装置であって、Ｎビットの送信データをＭビットのビット長に複製する複製手段と（Ｎは１以上の整数、Ｍは２以上の整数、Ｎ＜Ｍ）、複製手段により複製された送信データに乱数を乗算する乗算手段と、乗算手段により乱数が乗算された送信データを他の通信装置に送信する送信手段とを備え、複製手段は、他の通信装置からの受信電力に応じて、送信データを複製するビット長をＭビットからＫビットに変更し（Ｋは１以上の整数、Ｋ≠Ｍ）、Ｎビットの送信データをＫビットのビット長に複製する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、第１の発明によれば、受信電力が変動した場合であっても、セキュリティを確保しながら第三者へのＳ／Ｎ比を上げることなく、正規の受信者へのＳ／Ｎ比のみを向上させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】通信端末を示す外観斜視図
【図２】通信端末のハードウェアの一例を示すブロック図
【図３】管理端末（前面）を示す外観斜視図
【図４】管理端末（背面）を示す外観斜視図
【図５】管理端末のハードウェアの一例を示すブロック図
【図６】通信端末および管理端末の機能ブロック図
【図７】下り回線の制御フローを示す図
【図８】下り回線制御フローの時間軸上での概念図
【図９】モバイル環境での下り回線の制御フローを示す図
【図１０】上り回線の制御フローを示す図
【図１１】事前処理部の機能ブロック図
【図１２】事前処理部の動作を示したタイミングチャートを示す図
【図１３】事後処理部の機能ブロック図
【図１４】事後処理部の動作を示したタイミングチャートを示す図
【図１５】従来の技術における処理手順を示す処理フローを示す図
【図１６】実施の形態２における鍵生成共有シーケンスを示す図
【図１７】実施の形態２における鍵シーケンス生成を示すブロック図
【図１８】マスター鍵生成フローを示す図
【図１９】セッション鍵生成を示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
上記課題を解決するためになされた第１の発明は、他の通信装置と通信を行う通信装置であって、Ｎビットの送信データをＭビットのビット長に複製する複製手段と（Ｎは１以上の整数、Ｍは２以上の整数、Ｎ＜Ｍ）、複製手段により複製された送信データに乱数を乗算する乗算手段と、乗算手段により乱数が乗算された送信データを他の通信装置に送信する送信手段とを備え、複製手段は、他の通信装置からの受信電力に応じて、送信データを複製するビット長をＭビットからＫビットに変更し（Ｋは１以上の整数、Ｋ≠Ｍ）、Ｎビットの送信データをＫビットのビット長に複製する通信装置である。
【００１１】
第１の発明によれば、受信電力が変動した場合であっても、セキュリティを確保しながら第三者へのＳ／Ｎ比を上げることなく、正規の受信者へのＳ／Ｎ比のみを向上させることが出来る。
【００１２】
上記課題を解決するためになされた第２の発明は、第１の発明であって、複製手段は、受信電力が所定値より小さい場合に、送信データが複製されるビット長をＫビット（Ｍ＜Ｋ）に変更する通信装置である。
【００１３】
第２の発明によれば、受信電力が低下した場合に、正規の受信者へのＳ／Ｎ比低下を抑制することが出来る。
【００１４】
上記課題を解決するためになされた第３の発明は、第２の発明であって、さらに、送信データの電力を制御する送信電力制御手段を備え、送信電力制御手段は、受信電力が所定値より小さい場合に、送信電力を低下させる通信装置である。
【００１５】
第３の発明によれば、ビット長を長く変更することなく、送信電力を低下することで、オーバーヘッドの増大を抑制しながら、通信エリアの不要な拡大を防止することが出来る。
【００１６】
上記課題を解決するためになされた第４の発明は、第３の発明であって、送信電力制御手段は、受信電力が第１の閾値より小さい場合に、送信データの電力を低下大させ、複製手段は、受信電力が第１の閾値より小さい第２の閾値より小さい場合に、送信データを複製するビット長を変更する通信装置である。
【００１７】
第４の発明によれば、受信電力が低下する場合に、送信データの電力を優先した上で、乱数を乗算する送信データの複製範囲を変更するので、通信エリアの不要な拡大を防止した上で、その通信エリア内に存在する正規の受信者へのＳ／Ｎ比低下を抑制することが出来る。
【００１８】
上記課題を解決するためになされた第５の発明は、第１ないし４いずれかの発明であって、受信電力は信号成分のみの電力である通信装置である。
【００１９】
第５の発明によれば、ノイズなどの外因を除外することが出来るので、正規の受信者へのＳ／Ｎ比が低下する場合に、Ｓ／Ｎ比を向上させることが出来る。
【００２０】
上記課題を解決するためになされた第６の発明は、第１の発明であって、さらに、他の通信装置からＭビットの受信データを受信する受信手段を備え、乗算手段は、さらに、前記受信データに乱数を乗算し、複製手段は、さらに、乱数が乗算された受信データのビット長をＭビットからＮビットに短縮し、複製手段は、受信データの電力に応じて、送信データを複製するビット長とともに、受信データに乗算される乱数のビット長をＭビットからＫビットに変更する通信装置。
【００２１】
第６の発明によれば、ノイズなどの外因を除外することが出来るので、正規の受信者へのＳ／Ｎ比が低下する場合に、Ｓ／Ｎ比を向上させることが出来る。
【００２２】
上記課題を解決するためになされた第７の発明は、他の通信装置と通信を行う通信方法であって、Ｎビットの送信データをＭビットのビット長に複製し（Ｎは１以上の整数、Ｍは２以上の整数、Ｎ＜Ｍ）、複製された送信データに乱数を乗算し、乱数が乗算された送信データを他の通信装置に送信し、送信データを複製する場合において、他の通信装置からの受信電力に応じて、送信データを複製するビット長をＭビットからＫビットに変更し（Ｋは１以上の整数、Ｋ≠Ｍ）、Ｎビットの送信データをＫビットのビット長に複製する通信方法。
【００２３】
第７の発明によれば、受信電力が変動した場合であっても、セキュリティを確保しながら第三者へのＳ／Ｎ比を上げることなく、正規の受信者へのＳ／Ｎ比のみを向上させることが出来る。
【００２４】
上記課題を解決するためになされた第８の発明は、送信装置および受信装置を有する通信システムであって、送信装置は、Ｎビットの送信データをＭビットのビット長に複製する複製手段と（Ｎは１以上の整数、Ｍは２以上の整数、Ｎ＜Ｍ）、複製手段により複製された送信データに乱数を乗算する第１の乗算手段と、第１の乗算手段により乱数が乗算された送信データを受信装置に送信する送信手段とを備え、複製手段は、受信電力に応じて、送信データを複製するビット長をＭビットからＫビットに変更し（Ｋは１以上の整数、Ｋ≠Ｍ）、Ｎビットの送信データをＫビットのビット長に複製し、受信装置は、送信装置からＭビットの受信データを受信する受信手段と、受信データに乱数を乗算する第２の乗算手段と、乱数が乗算された受信データのビット長をＭビットからＮビットに短縮する短縮手段とを備え、短縮手段は、受信電力に応じて、送信データを複製するビット長とともに、受信データに乗算される乱数のビット長をＭビットからＫビットに変更し、Ｋビットの送信データをＮビットのビット長に短縮することを特徴とする通信システム。
【００２５】
第８の発明によれば、受信電力が変動した場合であっても、セキュリティを確保しながら第三者へのＳ／Ｎ比を上げることなく、正規の受信者へのＳ／Ｎ比のみを向上させることが出来る。
【００２６】
上記課題を解決するためになされた第９の発明は、第８の発明であって、受信装置は、さらに、乱数が乗算された受信データを鍵シーケンスとしてマスター鍵を生成するマスター鍵生成手段を備える通信システム。
【００２７】
第９の発明によれば、鍵シーケンスとして、伝送誤りの情報を利用することが出来るので、マスター鍵の予測を困難にすることが出来る。
【００２８】
上記課題を解決するためになされた第１０の発明は、第９の発明であって、記受信データは第１の値および第２の値の２値を含み、マスター鍵生成手段は、さらに、受信データにおいて第１の値のビット数と第２の値のビット数の差が所定値以下の場合に、乱数が乗算された受信データを鍵シーケンスとしてマスター鍵を生成する通信システム。
【００２９】
第１０の発明によれば、第１の値および第２の値の分布に適度なバランスに設定することが出来るので、鍵シーケンスＫを用いた暗号鍵の推測を困難にすることが出来る。
【００３０】
（実施の形態１）
以下、本発明の具体的な内容について実施の形態１を用いて説明する。
【００３１】
本発明の実施の形態１について図１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３および１４を用いて説明する。
【００３２】
図１は、通信端末を示す外観斜視図である。
【００３３】
本実施の形態１における通信端末１ａ、１ｂは、通信装置の一例であって、図１に示すように、携帯可能な電話器である。通信端末１ａ、１ｂは筐体１０１を有しており、筐体１０１には、電話番号などを表示するＬＣＤ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ）１０２と、電話番号を指定するためのボタンなどで構成されるキーマトリックス１０３と、マイク１０４と、電波を送受信する外部アンテナ１０５ａと、話し相手からの音声を出力するスピーカ１０６とが設けられている。なお、通信端末の一例として、図１の電話器を示したが、特に電話器に限る必要はなく、通信端末は、アクセスポイントを含む他の通信端末と接続可能な機能を備えた機器（例えばパーソナルコンピュータなどの電子機器）であってもよい。
【００３４】
図２は、通信端末のハードウェアの一例を示すブロック図である。
【００３５】
通信端末１ａ、１ｂは、図２に示すように、破線で示す筐体１０１内に、回路モジュール１１０を有している。回路モジュール１１０には、図１で説明したＬＣＤ１０２やキーマトリックス１０３の他、ベースバンドＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）１１１と、無線モジュール１２４とが実装されている。
【００３６】
ベースバンドＩＣ１１１は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）１１１ａと、音声処理を行うＶｏＩＰ（ＶｏｉｃｅｏｖｅｒＩｎｔｅｒｎｅｔ
Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）ブロック１１１ｂと、無線ＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）のＭＡＣ（ＭｅｄｉｕｍＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ）層を制御する無線ＭＡＣブロック１１１ｃと、メインバス１１１ｄやローカルバス１１１ｅなどのバスとを有している。
【００３７】
ベースバンドＩＣ１１１内のＣＰＵ１１１ａ、ＶｏＩＰブロック１１１ｂ、および無線ＭＡＣブロック１１１ｃは、メインバス１１１ｄを介して、ＳＤＲＡＭ（ＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＤｙｎａｍｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）１１２、およびＦｌａｓｈＲＯＭ（ＦｌａｓｈＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）１１３に接続されている。また、ＣＰＵ１１１ａは、ローカルバス１１１ｅを介して、ＬＣＤ１０２、ＬＣＤの電源を制御するＬＣＤ電源制御ＩＣ１１４、必要なＤＣ（ＤｉｒｅｃｔＣｕｒｒｅｎｔ）電圧に変換するＤＣ−ＤＣ（ＤｉｒｅｃｔＣｕｒｒｅｎｔｔｏＤｉｒｅｃｔＣｕｒｒｅｎｔ）変換器１１６、初期化信号を通知するリセットＩＣ１１８および、電池１２１に接続され電池１２１の電圧を測定することにより電池残量が少なくなったことを通知する電池残量検知ＩＣ１２０に接続されている。ＤＣ−ＤＣ変換器１１６は、ダイオード１１９を介して電池１２１に接続され、リセットＩＣ１１８、および、ＬＣＤ１０２に必要な電圧に昇圧するＬＣＤ電源用昇圧回路１１７は、電池１２１に接続されている。
【００３８】
また、ＣＰＵ１１１ａ、およびＶｏＩＰブロック１１１ｂは、ローカルバス１１１ｅを介して、マイク１０４からの信号を増幅するアンプ１２２、および、スピーカ１０６への信号を増幅するアンプ１２３に接続されている。アンプ１２２、１２３はそれぞれ、マイク１０４およびスピーカ１０６に接続されている。さらに、ベースバンドＩＣ１１１は、キーマトリックス１０３、ベースバンドＩＣにクロックを供給する発振器１１５、無線モジュール１２４、および使用するアンテナをベースバンドＩＣ１１１から切り替えるアンテナ切り替えＳＷ（ＳＷｉｔｃｈ）１２６に接続されている。
【００３９】
無線モジュール１２４は、送受信切り替えＳＷ１２４ａと、受信信号を増幅するＬＮＡ（ＬｏｗＮｏｉｓｅＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）１２４ｂと、送信信号を増幅するＰＡ（ＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）１２４ｃと、無線信号への変調および無線信号からの復調を行うＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）変復調器１２４ｄとを有している。また、無線モジュール１２４は、無線モジュール１２４にクロックを供給する発振器１２５、およびアンテナ切り替えＳＷ１２６に接続されている。アンテナ切り替えＳＷ１２６は、図１で説明した外部アンテナ１０５ａと、内部アンテナ１０５ｂとに接続されている。
【００４０】
図３は、管理端末（前面）を示す外観斜視図、図４は、管理端末（背面）を示す外観斜視図である。
【００４１】
本実施の形態１における管理端末２は、通信装置の他の一例であって、図３に示すようにルータである。管理端末２は、筐体２１を有しており、筐体２１の前面には、ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）などの表示部２２が設けられている。筐体２１の背面には、図４に示すように、ＤＣ電源コネクタ２３、ＲＪ４５などＬＡＮ用モジュラージャック２４、およびＷＡＮ（ＷｉｄｅＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）用モジュラージャック２５が設けられている。ＤＣ電源コネクタ２３には、図４に示すように、平行ケーブルなどの電力線２６が接続される。ＬＡＮ用モジュラージャック２４および、ＷＡＮ用モジュラージャック２５には、ＬＡＮケーブル２７が接続される。なお、管理端末の一例として、図３および図４のルータを示したが、特にこれに限る必要はなく、管理端末は、アクセスポイントの機能を備えた機器（例えばテレビなどの家電機器）であってもよい。
【００４２】
図５は、管理端末のハードウェアの一例を示すブロック図である。
【００４３】
管理端末２は、図５に示すように、破線で示す筐体２１内に、回路モジュール２１０を有している。回路モジュール２１０には、メインＩＣ２１１と、無線ＬＡＮコントローラ２１９と、無線モジュール２２０とが実装されている。
【００４４】
メインＩＣ２１１は、ＣＰＵ２１１ａと、メインバス２１１ｆやローカルバス２１１ｇなどのバスと、バス上のデータの流れを制御するＢＣＵ（ＢｕｓＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）２１１ｂと、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）のＭＡＣ層を制御するＭＡＣブロック（ＥＭＡＣ）２１１ｃ、２１１ｄと、ＰＣＩ（ＰｅｒｉｐｈｈｅｒａｌＣｏｍｐｏｎｅｎｔＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔＵｎｉｔ）バスを制御するＰＣＩＵ２１１ｅとを有している。
【００４５】
メインＩＣ２１１内のＣＰＵ２１１ａおよびＢＣＵ２１１ｂは、メインバス２１１ｆを介して、ＳＤＲＡＭ２１４と、ＦｌａｓｈＲＯＭ２１５とに接続されている。また、ＣＰＵ２１１ａおよびＢＣＵ２１１ｂは、ローカルバス２１１ｇを介して、メインＩＣ２１１にクロックを供給する発振器２１２と、ＬＥＤなどの表示部２２と、メインＩＣ２１１に初期化信号を出力するリセットＩＣ２１３とに接続されている。
【００４６】
メインＩＣ２１１内のＭＡＣブロック２１１ｃ、２１１ｄはそれぞれ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）の物理層を制御するＰＨＹ（ＰＨＹｓｉｃａｌｌａｙｅｒ）・ＩＣ２１６、２１７に接続されており、ＰＨＹ・ＩＣ２１６、２１７はそれぞれ、ＷＡＮ用モジュラージャック２４、ＬＡＮ用モジュラージャック２５に接続されている。また、メインＩＣ２１１は、ＤＣ-ＤＣ変換器２１８を介して、ＤＣ電源コネクタ２３に接続されている。
【００４７】
ＤＣ-ＤＣ変換器２１８は、ＤＣ電源コネクタ２３から供給されるＤＣ電圧をメインＩＣ２１１で必要なＤＣ電圧に変換する。
【００４８】
無線ＬＡＮコントローラ２１９は、ＭＡＣ層を制御するＭＡＣブロック２１９ａと、物理層を制御するＰＨＹブロック２１９ｂとを有している。メインＩＣ２１１内のＰＣＩＵ２１１ｅは、ＭＡＣブロック２１９ａを介して、ＰＨＹブロック２１９ｂに接続されている。
【００４９】
無線モジュール２２０は、メインＩＣ２１１から送信または受信状態が設定され、送受信切り替えＳＷ２２０ａと、受信信号を増幅するＬＮＡ２２０ｂと、送信信号を増幅するＰＡ２２０ｃと、無線信号への変調および無線信号からの復調を行うＲＦ変復調器２２０ｄとを有している。
【００５０】
無線モジュール２２０は、無線モジュール２２０にクロックを供給する発振器２２１に接続され、無線モジュール２２０内のＲＦ変復調器２２０ｄは、無線ＬＡＮコントローラ２１９内のＰＨＹブロック２１９ｂに接続されている。無線モジュール２２０内の送受信切り替えＳＷ２２０ａは、メインＩＣ２１１から使用するアンテナを切り替えるアンテナ切り替えＳＷ２１２を介して、アンテナ２１３、２１４に接続されている。
【００５１】
図６は、通信端末および管理端末の機能ブロック図である。図７は、下り回線の制御フローを示す図である。図８は、下り回線制御フローの時間軸上での概念図である。図９は、モバイル環境での下り回線の制御フローを示す図である。図１０は、上り回線の制御フローを示す図である。図１１は、事前処理部の機能ブロック図である。図１２は、事前処理部の動作を示したタイミングチャートを示す図である。図１３は、事後処理部の機能ブロック図である。図１４は、事後処理部の動作を示したタイミングチャートを示す図である。
【００５２】
まず、図６を用いて全体の処理の概要について説明する。通信端末１ａ、１ｂおよび管理端末２の事前処理部３０２、３１４で送信すべきメッセージに事前処理を施す。この後、その出力を変調部３０３、３１３で変調して無線部３０４、３０９、アンテナ１０５ａ、１０５ｂ、３０８を介して通信相手に送信する。次に、送信された信号は、アンテナ１０５ａ、１０５ｂ、３０８、無線部３０４、３０９を介して復調部３０６および３１０に入力される。復調された信号は、事後処理部３０５、３１２に入力される。例え伝送誤りが存在しても、正規の受信者の事後処理部３０５、３１２では、単位ビット当たりのエネルギーが、伝送誤りが訂正されるレベルまで増幅される。
【００５３】
図６と図２を対比すると、図６の無線部３０４は、図２のベースバンドＩＣ１１１に対応し、図６の事前処理部３０２、変調部３０３、復調部３０６、事後処理部３０５は、図２の無線モジュール１２４に対応する。
【００５４】
同様に、図６と図５を対比すると、図６の無線部３０９は、図５の無線ＬＡＮコントローラ２１９に対応し、図６の事前処理部３１４、変調部３１３、復調部３１０、事後処理部３１２は、図５の無線ＬＡＮコントローラ２１９に対応する。
【００５５】
次に、図１１と図１２を用いて事前処理部３０２および３１４の詳細な処理について説明する。まず、送信データはリサンプリング部４０１に入力される。リサンプリング部４０１に入力された信号は、図１２に示すように、送信データ１ビットの周期がテンプレート１周期の長さまで拡張される。
【００５６】
すなわち、送信データはＮビットとすると、送信データはＭビットのビット長に複製されることになる。Ｎ、Ｍの条件は、Ｎは１以上の整数、Ｍは２以上の整数、Ｎ＜Ｍである。図１２の説明では、Ｎ＝１、Ｍ＝ｎの場合を示しているが、Ｎ、Ｍは、上記条件の範囲で任意である。
【００５７】
図１２において、Ａ、Ｂ、Ｃ、ａ１、ａ２、ａ３は各々１ビット（２値信号）を示す。ここでは、これらは＋１または−１の値をとるものとする。テンプレート１周期の長さまで拡張された送信データ１ビットに対して乗算器４０２でテンプレートと乗算される。
【００５８】
次に、図１３と図１４を用いて事後処理部３０５および３１２の詳細な処理について説明する。まず、受信したデータは乗算器５０１に入力される。乗算器５０１に入力された信号は、送信側と同じテンプレートと乗算される。図１４に示すように、この乗算出力は、テンプレート１周期の間、積分器５０２で積分される。そして判定部５０３において、積分器５０２の出力が０以上の時には＋１を、積分器５０２の出力が負の時には−１を出力する。そして、図１４に示すように、判定部５０３の出力はビットの周期は、デサンプリング部５０４において元の周期に戻される（つまりビット長を短縮する）。ここで、乗算器５０１と積分器５０２の組み合わせの処理を整合フィルタということもある。
【００５９】
事後処理を施された後の単位ビット当たりのエネルギーについて考える。本発明では、図１４に示すように、積分出力ｎ・Ａの極性（０以上または負）を判定することで、受信データのビットを復調する。従って、伝送路上のノイズなどに起因して伝送誤りが発生しても、積分出力ｎ・Ａの極性が反転しなければ、受信データは正しく復調される。このことは、本発明が、その分だけ伝送誤りに耐性を有していることを示している。この場合、積分する長さｎが大きい程、積分出力ｎ・Ａは大きくなり、伝送誤りへの耐性つまり雑音への耐性が改善されることがわかる。
【００６０】
次に、図７と図８を用いて、下り回線の制御処理のフローを説明する。システムが想定する最大通信距離に相当する、管理端末の送信電力をＰ０とし、管理端末の送信電力の制御幅をΔとする。Δの初期値をゼロとする。ここで、図７のステップＳ１０３において、通信端末の整合フィルタ（ＭＦ）の出力をＲｍとする。Ｒｍは受信電力の一例であって、具体的には、積分器５０２の出力ｎ・Ａである。Ｒｍは、ノイズなどの外因を含まない受信電力を意味し、換言すれば、信号成分のみの電力を表している。
【００６１】
次のステップＳ１０４においてＲｍと閾値Ｔｍａを比較する。閾値Ｔｍａは第１の閾値の一例である。Ｒｍが閾値Ｔｍａより大きい場合には、ステップＳ１０５において、送信電力の制御幅Δ＝Δ−ΔＰ（ΔＰ＞０）にして、ステップＳ１０２に戻り送信電力をΔＰだけ小さくする。ステップＳ１０４においてＲｍが閾値Ｔｍａより小さい場合には、次のステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６において、Ｒｍが閾値Ｔｍｉより小さい場合には、ステップＳ１０７において、整合フィルタのテンプレート長をΔＰＴＬだけ長くして、ステップＳ１０３に戻る。閾値Ｔｍｉは第２の閾値の一例である。第２の閾値は第１の閾値より小さい値である、関係にある。
【００６２】
ステップＳ１０７では、送信データを複製するビット長がＭビットからＫビットに変更される。この場合、Ｋ、Ｍの条件は、Ｋは１以上の整数、Ｋ≠Ｍである。本実施の形態１では、Ｍ＝ｎ、Ｋ＞ｎの条件であるが、Ｋは、上記の範囲で任意である。送信データが存在する場合は、リサンプリング部４０１は、ＴＬ＋ΔＰＴＬのテンプレート長に対応したビット長まで、送信データを複製する。
【００６３】
ステップＳ１０６において、Ｒｍが閾値Ｔｍｉより大きい場合には、通常の通信の処理に進む。図８は、以上の処理フローを時間軸上で示したもので、縦軸は整合フィルタの出力Ｒｍである。
【００６４】
以上の処理においては、送信電力は一方的に減少するだけであり、整合フィルタのテンプレートは一方的に長くなるだけである。もし、移動通信時のように、受信信号レベルが大きく変動するような場合には、度々、フェージングなどによって受信信号レベルが大きく落ち込むことがあるが、その度にテンプレート長を長くすると、通信のオーバーヘッドが非常に大きくなり、リアルタイムでの双方向通信が行えなくなる。図９は、そのような環境でもリアルタイムでの双方向通信が行えることを目的とした下り回線の制御処理のフローである。
【００６５】
図９について説明する。システムが想定する最大通信距離に相当する、管理端末の送信電力をＰ０とし、管理端末の送信電力の制御幅をΔとする。Δの初期値をゼロとする。ここで、図９のステップＳ２０３において、通信端末の整合フィルタ（ＭＦ）の出力をＲｍとする。次のステップＳ２０４においてＲｍと閾値Ｔｍａを比較する。Ｒｍが閾値Ｔｍａより大きい場合には、ステップＳ２０５において、送信電力の制御幅Δ＝Δ−ΔＰ（ΔＰ＞０）にして、ステップＳ２０２に戻り送信電力をΔＰだけ小さくする。ステップＳ２０４においてＲｍが閾値Ｔｍａより小さい場合には、次のステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６において、Ｒｍが閾値Ｔｍｉより小さい場合には、ステップＳ２０７において、整合フィルタのテンプレート長をΔＰＴＬだけ長くして、ステップＳ２０８に進む。ステップＳ２０８において、テンプレート長ＴＬと閾値ＴＬｍａとを比較する。ステップＳ２０８において、テンプレート長ＴＬが閾値ＴＬｍａより小さい場合には、ステップＳ２０３に戻る。ステップＳ２０８において、テンプレート長ＴＬが閾値ＴＬｍａより大きい場合には、次のステップＳ２０９において、テンプレート長を２ΔＰＴＬだけ小さくなるように設定する。さらに次のステップＳ２１０おいて、送信電力をΔＰだけ大きくなるように設定する。そして次のステップＳ２１１において、送信電力ＴｘＰとＰ０を比較して、送信電力ＴｘＰがＰ０より小さい場合にはステップＳ２０２に戻り、送信電力を上げて送信する。ステップＳ２１１において、送信電力ＴｘＰがＰ０より大きい場合には、ステップＳ２１２において、送信電力をΔＰだけ小さくなるように設定して、ステップＳ２０２に戻り、結局送信電力を変えることなく、再送信する。ステップＳ２０６において、Ｒｍが閾値Ｔｍｉより大きい場合には、通常の通信の処理に進む。
【００６６】
次に、図１０を用いて、上り回線の制御処理のフローを説明する。システムが想定する最大通信距離に相当する、通信端末の送信電力をＰ０とし、通信端末の送信電力の制御幅をΔとする。Δの初期値をゼロとする。ここで、図１０のステップＳ３０３において、管理端末の整合フィルタ（ＭＦ）の出力をＲｍとする。次のステップＳ３０４においてＲｍと閾値Ｔｍａを比較する。Ｒｍが閾値Ｔｍａより大きい場合には、ステップＳ３０５において、送信電力の制御幅Δ＝Δ−ΔＰ（ΔＰ＞０）にして、ステップＳ３０２に戻り送信電力をΔＰだけ小さくする。ステップＳ３０４においてＲｍが閾値Ｔｍａより小さい場合には、次のステップＳ３０６に進む。ステップＳ３０６において、Ｒｍが閾値Ｔｍｉより小さい場合には、ステップＳ３０７において、整合フィルタのテンプレート長をΔＰＴＬだけ長くして、ステップＳ３０３に戻る。ステップＳ３０６において、Ｒｍが閾値Ｔｍｉより大きい場合には、通常の通信の処理に進む。
【００６７】
次に閾値ＴｍａとＴｍｉについて説明する。受信信号のレベル変動の幅に比べてＴｍａとＴｍｉの差が小さいと整合フィルタ出力ＲｍがＴｍａとＴｍｉの間に入る確率が小さくなり、通常の通信の処理時間が短くなり、リアルタイムでの双方向通信が困難になる。そこで、所定の通信時間を確保する必要がある場合には、整合フィルタ出力Ｒｍの変動幅をモニターし、所定の通信時間を確保できるように、整合フィルタ出力ＲｍがＴｍａとＴｍｉの間に入るようにＴｍａを設定する。ここで、Ｔｍｉは、所定の通信品質の最小値に相当する整合フィルタ出力Ｒｍになるように設定する。
【００６８】
以上のように、本実施の形態１では、受信電力に応じて送信データを複製するビット長を変更するので、受信電力が変動した場合であっても、セキュリティを確保しながら第三者へのＳ／Ｎ比を上げることなく、正規の受信者へのＳ／Ｎ比のみを向上させることができる。
【００６９】
また、受信電力が所定値より小さい場合に、送信データが複製されるビット長をＫビット（Ｍ＜Ｋ）に変更するので、受信電力が低下した場合に、正規の受信者へのＳ／Ｎ比低下を抑制することができる。
【００７０】
また、送信データの電力を制御する送信電力制御手段を備え、送信電力制御手段は、受信電力が所定値より小さい場合に、送信電力を低下させるので、ビット長を長く変更することなく、送信電力を低下することで、オーバーヘッドの増大を抑制しながら、通信エリアの不要な拡大を防止することができる。
【００７１】
また、受信電力が第１の閾値より小さい場合に、送信データの電力を低下させ、さらに、受信電力が第１の閾値より小さい第２の閾値より小さい場合に、送信データを複製するビット長を変更するので、受信電力が低下する場合に、送信データの電力を優先した上で、乱数を乗算する送信データの複製範囲を変更するので、通信エリアの不要な拡大を防止した上で、その通信エリア内に存在する正規の受信者へのＳ／Ｎ比低下を抑制することができる。
【００７２】
（実施の形態２）
以下、本発明の具体的な内容について実施の形態２を用いて説明する。なお、通信端末１ａ、１ｂおよび管理端末２の構成は、実施の形態１における図１ないし図６、図１１および図１３と共通である。
【００７３】
図１６は、実施の形態２における鍵生成共有シーケンスを示す図である。図１６を用いて全体の処理の概要について説明する。
【００７４】
ステップＳ５０１において、管理端末２と通信端末１ａ（または通信端末１ｂ）はともに、送信電力制御を行う。この処理は、実施の形態１における図７および図１０に示される処理と同じである．これらの処理により、親機と子機が正常に受信可能な最小の送信電力出力となるように、親機と子機の送信電力が制御される一方で、盗聴者が正常に受信出来る領域の広さを最小限に抑える。
【００７５】
次に、ステップＳ５０２において、通信端末１ａで符号化データＣＤを生成する。符号化データＣＤを生成するための構成は図１１と同じである。符号化データＣＤは、管理端末２、通信端末１ａ、１ｂ間で既知のデータである。ここでは、複数ビットで構成され、全てが同じ値である。例えば、オール１（１、１、・・・、１）、オール０（０、０、・・・、０）、オール−１（−１、−１、・・・、−１）。
【００７６】
図６に示す事前処理部３０２において、リサンプリング部４０１は、「１」の値からなる送信データ１ビットの周期がテンプレート１周期の長さまで拡張する。ここでは発明の理解を容易にするため、テンプレートの１周期を５ビットとする。従って、リサンプリング部４０１は、オール１（１、１、１、１、１）で構成される、符号化データＣＤを出力する。テンプレートが（１、−１、−１、１、１）とすると、乗算器４０２は、符号化データＣＤとテンプレートを乗算して、（１、−１、−１、１、１）を出力する。
【００７７】
通信端末１ａの変調部３０３で所定の変調処理を行い、無線部３０４は、乗算器４０２の出力値（１、−１、−１、１、１）に基づく送信データを管理端末２に送信する。送信データが空中の伝送媒体を介して伝送されるが、雑音などの周囲の環境によっては送信データに伝送誤りが生じる。ここでは、伝送誤りによって（１、−１、−１、１、１）の２ビット目と４ビット目が誤り、値が反転したとする。その結果、（１、−１、−１、１、１）が（１、１、−１、−１、１）に変化したことになる。
【００７８】
ステップ５０３において、管理端末２は、送信データを受信すると、鍵シーケンスＫを生成する。この処理を、図１７を用いて説明する。
【００７９】
図１７は、実施の形態２における鍵シーケンス生成を示すブロック図である。
【００８０】
１７において、管理端末２の復調部３１０は、受信された送信データについて復調処理を行い、受信信号（１、１、−１、−１、１）（つまり伝送誤りが生じた乗算器４０２の出力値）を、事後処理部３１２に出力する。事後処理部３１２は、受信信号（１、１、−１、−１、１）を受信信号用シフトレジスタ６０１に入力する。具体的には、受信信号用シフトレジスタ６０１に、図１７の紙面左から右に掛けて、（１、１、−１、−１、１）が入力される。
【００８１】
一方、リファレンスシフトレジスタ６０２には、通信端末１ａと同一のテンプレート（１、−１、−１、１、１）が格納されている。図１７に示すような対応では、受信信号用シフトレジスタ６０１とリファレンスシフトレジスタ６０２の対応する各ビット同士の排他的論理和が、乗算器６０３で処理される。その結果、各乗算器６０３の出力は鍵シーケンス格納用シフトレジスタ６０４の対応するレジスタに格納される。全ての乗算器６０３の出力が、図１７紙面上から下に掛けて、レジスタ６０４に（１、−１、１、−１、１）が格納され、それらの値は鍵シーケンスＫとして出力される。なお、乗算方法は特に排他的論理和に限定されず、他の演算方法でも良い。
【００８２】
なお、この場合、仮に、送信データが通信端末１ａから管理端末２に伝送される際に、伝送誤りが全く発生していなければ、鍵シーケンスＫは、乗算器４０２の出力値（１、−１、−１、１、１）と一致する。
【００８３】
ステップ５０４において、鍵シーケンスＫ（１、−１、１、−１、１）が生成されると、これをもとにして、マスター鍵が生成される。この処理を、図１８を用いて説明する。
【００８４】
図１８は、マスター鍵生成フローを示す図である。
【００８５】
ステップＳ６０１において、図１６のステップＳ５０１で設定された通信端末１ａの送信電力が設定される（つまり、通信端末１ａの送信信号レベルＴｘＰがＰ０に設定される）。ステップＳ６０２において、管理端末２は、鍵シーケンスＫを生成する。ステップＳ６０３において、管理端末２は、鍵シーケンスＫ中の１の数と−１の数の差が所要値以下かどうか判断する。鍵シーケンスＫの１の数と−１の数の差が所定値以下でない場合（ステップＳ６０３のＮｏ）、ステップＳ６０４において、管理端末２は、送信信号レベルＴｘＰをＰ０からΔだけ減算するように、通信端末１ａに指示する。通信端末１ａは管理端末２からの指示に従って、送信電力が制御し、送信信号レベルＴｘＰをＰ０からΔだけ減算する（ステップＳ６０１）。
【００８６】
一方、鍵シーケンスＫの１の数と−１の数の差が所定値以下の場合（ステップＳ６０３のＹｅｓ）、ステップＳ６０５において、管理端末２は、鍵シーケンスＫをマスター鍵として出力する。このような鍵シーケンスＫを、実際に用いる暗号鍵であるセッション鍵のシードとして使用するので、マスター鍵の推測を困難にすることが出来る。
【００８７】
本実施の形態で、ステップＳ６０３の所定値が「２」とすると、鍵シーケンスＫは、（１、−１、１、−１、１）で、１の数と−１の数の差は「１」であるから、鍵シーケンスＫは（１、−１、１、−１、１）として生成が完了する。仮に、鍵シーケンスＫがオール１となった場合、差は「５」になるので、送信電力を落とすことになる。
【００８８】
鍵シーケンスＫにおける「１」と「−１」の分布に適度なバランスがある場合は、それ自体は鍵シーケンスＫとして次の処理を進めるが、鍵シーケンスＫにおける値の分布がアンバランスな場合は、送信電力を下げるので、鍵シーケンスＫがオール１または−１の分布に遷移して、鍵シーケンスＫの分布が適度なバランスとなる。このように、送信電力を制御することで、鍵シーケンスＫにおける「１」と「−１」の分布に適度なバランスに設定することが出来るので、鍵シーケンスＫを用いた暗号鍵の推測を困難にすることが出来る。
【００８９】
次に、管理端末２はマスター鍵を通信端末１ａに送信し、管理端末２と通信端末１ａでマスター鍵を共有する。共有方法は、暗号化してから送信してもよく、送信電力を落とした近距離通で暗号化することなく送信することも可能である。さらにユーザが手入力で共有されることも可能である。
【００９０】
ステップ５０５において、管理端末２と通信端末１ａは、共有したマスター鍵から、実際の暗号化に用いる、同じセッション鍵を生成する。セッション鍵の生成について、図１９を用いて説明する。
【００９１】
図１９は、セッション鍵生成を示す説明図である。
【００９２】
図１９において、鍵Ｋ１ｉ（ｉ＝０、１、２、３、４）は鍵Ｋ１０をｉビット巡回シフトした鍵シーケンスである。Ｈ（Ｋ１ｉ｜｜Ｋ２ｊ）は、Ｋ１ｉとＫ２ｊを連結した結果のハッシュ値であり、これをセッション鍵とする。この方法により、長さＮの２個のマスター鍵からＮ²個という非常に多くのセッション鍵を生成することが可能となる。つまり、セッション鍵を頻繁に更新して使うことが容易となり、それだけ安全性の高い鍵共有システムとなる。
【００９３】
以上のように、実施の形態２では、セッション鍵を生成するのに、予測不可能な物理乱数である、雑音による伝送誤りの情報を利用するので、セッション鍵の予測が困難なものとなり、これを暗号鍵として用いると、安全性の高い暗号システムを構築すること出来る。
【００９４】
なお、本実施の形態２では、通信相手の送信電力制御を必要としたが、通信相手の送信電力制御の代わりに、自身の受信系において増幅器の利得制御を行うことでも同様の効果を得ることが出来る。
【００９５】
また、本実施の形態では、通信相手の符号化データを用いたが、受信信号電力が所要値以上で、ある程度の通信品質が確保されている時に、符号化データ受信以降の処理を行えば、同様の効果を得ることが出来る。
【００９６】
以上のような代替の方法を用いれば、通信相手の実装内容に関わらず、自身の実装のみで、前記の非常に高い安全性を有する暗号システムを構築出来る。
【００９７】
なお、上記実施の形態１、２は、無線通信について説明したが、有線通信であっても良い。例えば、イーサネット（登録商標）、ＰＬＣ（電力線通信）、電話線、同軸ケーブルを用いた通信媒体など各種を利用することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明の通信装置、通信システムおよび通信方法は、不正アクセスや盗聴への耐性を有するとともに、高い伝送信頼性を確保するため、伝送路が第３者にも共用されている他、劣悪である無線や電力線を使った通信に適用出来る。
【符号の説明】
【００９９】
１ａ通信端末
１ｂ通信端末
２管理端末
３０２通信端末の事前処理部
３０３通信端末の変調部
３０４通信端末の無線部
３０５通信端末の事後処理部
３０６通信端末の復調部
３０８管理端末のアンテナ
３０９管理端末の無線部
３１０管理端末の復調部
３１２管理端末の事後処理部
３１３管理端末の変調部
３１４管理端末の事前処理部
４０１事前処理部のリサンプリング部
４０２事前処理部の乗算器
５０１事後処理部の乗算器
５０２事後処理部の積分器
５０３事後処理部の判定部
５０４事後処理部のデサンプリング部
６０１受信信号用シフトレジスタ
６０２リファレンスシフトレジスタ
６０３乗算器
６０４鍵シーケンス格納用シフトレジスタ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
他の通信装置と通信を行う通信装置であって、
Ｎビットの送信データをＭビットのビット長に複製する複製手段と（Ｎは１以上の整数、Ｍは２以上の整数、Ｎ＜Ｍ）、
前記複製手段により複製された送信データに乱数を乗算する乗算手段と、
前記乗算手段により乱数が乗算された送信データを前記他の通信装置に送信する送信手段とを備え、
前記複製手段は、前記他の通信装置からの受信電力に応じて、送信データを複製するビット長をＭビットからＫビットに変更し（Ｋは１以上の整数、Ｋ≠Ｍ）、Ｎビットの送信データをＫビットのビット長に複製することを特徴とする通信装置。
【請求項２】
前記複製手段は、前記受信電力が所定値より小さい場合に、送信データが複製されるビット長をＫビット（Ｍ＜Ｋ）に変更することを特徴する請求項１記載の通信装置。
【請求項３】
さらに、送信データの電力を制御する送信電力制御手段を備え、
前記送信電力制御手段は、前記受信電力が所定値より小さい場合に、送信電力を低下させることを特徴とする請求項２記載の通信装置。
【請求項４】
前記送信電力制御手段は、前記受信電力が第１の閾値より小さい場合に、送信データの電力を低下させ、
前記複製手段は、前記受信電力が前記第１の閾値より小さい第２の閾値より小さい場合に、送信データを複製するビット長を変更することを特徴とする請求項３記載の通信装置。
【請求項５】
前記受信電力は信号成分のみの電力であることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項に記載の通信装置。
【請求項６】
さらに、前記他の通信装置からＭビットの受信データを受信する受信手段を備え、
前記乗算手段は、さらに、前記受信データに乱数を乗算し、
前記複製手段は、さらに、前記乱数が乗算された受信データのビット長をＭビットからＮビットに短縮し、
前記複製手段は、前記受信データの電力に応じて、前記送信データを複製するビット長とともに、前記受信データに乗算される乱数のビット長をＭビットからＫビットに変更することを特徴とする請求項１記載の通信装置。
【請求項７】
他の通信装置と通信を行う通信方法であって、
Ｎビットの送信データをＭビットのビット長に複製し（Ｎは１以上の整数、Ｍは２以上の整数、Ｎ＜Ｍ）、
前記複製された送信データに乱数を乗算し、
前記乱数が乗算された送信データを前記他の通信装置に送信し、
前記送信データを複製する場合において、前記他の通信装置からの受信電力に応じて、送信データを複製するビット長をＭビットからＫビットに変更し（Ｋは１以上の整数、Ｋ≠Ｍ）、Ｎビットの送信データをＫビットのビット長に複製することを特徴とする通信方法。
【請求項８】
送信装置および受信装置を有する通信システムであって、
前記送信装置は、
Ｎビットの送信データをＭビットのビット長に複製する複製手段と（Ｎは１以上の整数、Ｍは２以上の整数、Ｎ＜Ｍ）、
前記複製手段により複製された送信データに乱数を乗算する第１の乗算手段と、
前記第１の乗算手段により乱数が乗算された送信データを前記受信装置に送信する送信手段とを備え、
前記複製手段は、前記受信電力に応じて、送信データを複製するビット長をＭビットからＫビットに変更し（Ｋは１以上の整数、Ｋ≠Ｍ）、Ｎビットの送信データをＫビットのビット長に複製し、
前記受信装置は、
前記送信装置からＭビットの受信データを受信する受信手段と、
前記受信データに乱数を乗算する第２の乗算手段と、
前記乱数が乗算された受信データのビット長をＭビットからＮビットに短縮する短縮手段とを備え、
前記短縮手段は、前記受信電力に応じて、前記送信データを複製するビット長とともに、前記受信データに乗算される乱数のビット長をＭビットからＫビットに変更し、Ｋビットの送信データをＮビットのビット長に短縮することを特徴とする通信システム。
【請求項９】
前記受信装置は、さらに、前記乱数が乗算された受信データを鍵シーケンスとしてマスター鍵を生成するマスター鍵生成手段を備えることを特徴とする請求項８記載の通信システム。
【請求項１０】
前記受信データは第１の値および第２の値の２値を含み、
前記マスター鍵生成手段は、さらに、前記受信データにおいて前記第１の値のビット数と前記第２の値のビット数の差が所定値以下の場合に、前記乱数が乗算された受信データを鍵シーケンスとしてマスター鍵を生成することを特徴とする請求項９記載の通信システム。

【図１】