CN1846367B - 安全通信方法、发送装置和接收装置 - Google Patents

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Abstract

从多个天线发送信号，能够比现有的方式更加提高通信安全性的发送装置。在该装置中，天线变更单元(105)在内部存储器上存储天线变更模式，每逢接收时钟信号时按照天线变更模式生成指示天线变更的天线变更信号，并向天线选择单元(106)输出天线变更信号。天线选择单元(106)根据天线变更信号，从发送天线(107-1～107-3)中选择2个相异的天线，作为用于发送从无线单元(104-1)输出的发送信号A和从无线单元(104-2)输出的发送信号B的天线，使用所选择的发送天线将发送信号A和发送信号B进行无线发送。

Description

安全通信方法、发送装置和接收装置
技术领域
本发明涉及一种在进行无线通信时确保发送装置和接收装置之间的安全的安全通信的通信方法及使用该种通信方法的通信装置。
背景技术
近年来，移动终端等的广泛使用已经要求在进行无线通信时提高发送装置与接收装置之间的安全。关于确保安全的安全通信的传统方法的一例(专利文献1)，使用图1进行说明。
在图1中，发送装置10具有调制单元11和无线单元12及发送天线13。调制单元11将输入的发送数字信号进行调制后生成发送基带信号，并将其输出到无线单元12。无线单元12将输入的发送基带信号进行上变频处理后生成发送信号，并将其从发送天线13无线发送。
另一方面，接收装置50具有接收天线51、发送天线52、无线单元53、干扰波生成单元54、干扰波处理单元55、相加单元56及解调单元57。无线单元53将输入的由接收天线51接收到的接收信号进行下变频处理后生成接收基带信号，并将其输出到相加单元56。另外，无线单元53将输入的由干扰波生成单元54生成的干扰波信号进行上变频处理后生成发送干扰波信号，并将其从发送天线52无线发送。结果，由发送天线13无线发送的发送信号与由发送天线52无线发送的发送干扰波信号相加的信号成为由接收天线51接收的接收信号。
干扰波处理单元55将输入的由干扰波生成单元54生成的干扰波信号进行相位反转处理及衰减处理后生成已处理的干扰波信号，并将其输出到相加单元56。
相加单元56将输入的接收基带信号及已处理的干扰波信号进行相加。由此，从接收基带信号中除去干扰波信号，生成无干扰波的信号。相加单元56将无干扰波的信号输出到解调单元57。解调单元57将输入的无干扰波的信号进行解调后生成接收数字信号。
这样，在现有的技术中，通过由接收装置生成干扰波并在接收装置内除去干扰波，来实现安全通信。
专利文献1：未审日本专利第2001-94536号公开公报
发明内容
但是，在现有的安全通信方面，因为发送装置由一个发送天线发送信号，所以在物理上能够接收无线电波。因而，在现有的安全通信方面，通信的安全性上有限度。
本发明目的在于提供一种安全通信方法及发送装置、接收装置，它们能够由多个天线发送信号，能够比现有方式更加提高通信的安全性。
根据本发明第一方面的安全通信方法，用于在具有多个发送天线的发送装置和具有多个接收天线的接收装置之间，进行通过多个发送信号的MIMO通信的系统。其中，在所述发送装置中进行的步骤包括：通过将对数字数据进行时空块编码而得的多个发送码元配置在时间方向和天线方向上或者配置在频率方向和天线方向上，生成多个块编码数据码元；生成导频码元；通过基于对于接收装置也是已知的第一信号配置模式，将包括相互不同的所述数字数据的所述块编码数据码元配置在同一副载波上，生成多个第一发送信号，其中，所述第一信号配置模式是从表示所述多个块编码数据码元的配置的多个信号配置模式中选择的模式；将所述导频码元插入到由所述多个块编码数据码元形成的所述多个第一发送信号中；将插入了所述导频码元的多个第一发送信号，在每个发送时间，使用相同频率的多个副载波，从所述多个发送天线进行无线发送。在接收装置中进行的步骤包括：从由所述发送装置无线发送的所述多个第一发送信号中，分离所述多个块编码数据码元和导频码元；根据与所述发送装置相同的所述第一信号配置模式和所述导频码元，对所述多个块编码数据码元进行解调。
根据本发明第二方面的发送装置，用于在具有多个发送天线的发送装置和具有多个接收天线的接收装置之间，进行通过多个发送信号的MIMO通信的系统中，该发送装置包括：信号生成单元，通过将对数字数据进行时空块编码而得的多个发送码元配置在时间方向和天线方向上或者配置在频率方向和天线方向上，生成多个块编码数据码元；导频码元生成单元，生成导频码元；信号形成单元，通过基于对于接收装置也是已知的第一信号配置模式，将包括相互不同的所述数字数据的所述块编码数据码元配置在同一副载波上，生成多个第一发送信号，并将所述导频码元插入到所述多个第一发送信号中，其中，所述第一信号配置模式是从表示所述多个块编码数据码元的配置的多个信号配置模式中选择的模式；以及无线单元，将插入了所述导频码元的多个第一发送信号，在每个发送时间，使用相同频率的多个副载波，从所述多个发送天线进行无线发送。
根据本发明第三本发明的方面的接收装置，包括：分离单元，从根据本发明的第二方面的发送装置发送的多个第一发送信号中，分离多个块编码数据码元和导频码元；以及信号处理单元，根据与所述发送装置相同的第一信号配置模式和所述导频码元对所述多个块编码数据码元进行解调。
根据本发明，通过发送装置根据规定的模式切换发送天线，能够切换发送信号的传播路径。另一方面，通过接收装置使用与发送装置相同的模式进行信道估计，能够对接收信号进行解调。其结果是，即使在发送天线切换前被第三方侦听到了无线电波，也能够通过切换发送天线来防止其后无线电波侦听，从而提高通信的安全性。
附图说明
图1是表示现有的安全通信方法的一例的图；
图2是表示根据本发明的实施方式1的发送装置结构的一例的方框图；
图3是表示根据上述实施方式的接收装置结构的一例的方框图；
图4是表示根据上述实施方式的发送信号的帧结构的一例的图；
图5是表示根据上述实施方式的发送装置与接收装置之间的传播信道的图；
图6是表示根据本发明的实施方式2的发送信号的帧结构的一例的图；
图7是表示根据本发明的实施方式3的发送信号的帧结构的一例的图；
图8是表示根据本发明的实施方式4的发送信号的帧结构的一例的图；
图9是表示本发明的实施方式5的多天线通信系统的整体结构图；
图10是表示根据上述实施方式的发送装置的结构方框图；
图11是表示根据上述实施方式的接收装置的结构方框图；
图12是表示根据上述实施方式的发送帧结构的一例的图；
图13是表示根据上述实施方式的发送帧结构的一例的图；
图14是表示根据上述实施方式的发送帧结构的一例的图；
图15是表示根据上述实施方式的发送帧结构的一例的图；
图16是表示根据上述实施方式的发送帧结构的一例的图；
图17是说明根据上述实施方式的使用了安全通信方法的系统的实施例的图；
图18是表示根据上述实施方式的在频率方向上分配空时块编码的发送码元的一例的图；和
图19是表示可以应用本发明的家庭网络系统的图。
具体实施方式
下面，对于本发明的实施方式，参照附图详细地说明。
(实施方式1)
在实施方式1中，对于具有3个发送天线的发送装置发送2种信号时切换发送天线、以及具有2个接收天线的接收装置分离来自多个信道的接收信号并加以解调的情况，进行说明。另外，在本实施方式中，OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，正交频分复用)被用作多载波方法的例子。
首先，就根据本实施方式的发送装置结构的一例，使用图2的方框图进行说明。在图2中，发送装置100具有帧形成单元101-1和101-2、S/P单元102-1和102-2、IDFT单元103-1和103-2、无线单元104-1和104-2、天线变更单元105、天线选择单元106及发送天线107-1到107-3。
帧形成单元101-1和101-2使用发送数字数据作为输入，在发送数字数据中插入信道估计码元和保护码元后生成发送数字信号，并将其输出到S/P单元102-1和102-2。
信道估计码元是用于估计时间同步、频率同步、传输路径引起的失真的码元，其相当于导频码元、唯一字、前同步码(preamble)等已知码元，进行BPSK(Binary Phase Shift Keying，二进制相移键控)调制的信号适合它。通常插入空码元作为保护码元。
S/P单元102-1将输入的发送数字信号进行串/并行变换处理后，将得到的信号输出到IDFT单元103-1。S/P单元102-2将输入的发送数字信号进行串/并行变换处理后，将得到的信号输出到IDFT单元103-2。
IDFT单元103-1将输入的被转换成并行形式的发送数字信号进行IDFT变换处理后生成发送基带信号，并将此信号输出到无线单元104-1。IDFT单元103-2将输入的被转换成并行形式的发送数字信号进行IDFT变换处理后生成发送基带信号，并将此信号输出到无线单元104-2。一般使用IFFT(InverseFast Fourier Transform，高速傅里叶逆变换)作为IDFT变换处理。
无线单元104-1将输入的发送基带信号进行上变频处理后生成发送信号(以下称为“发送信号A”)，并将其输出到天线选择单元106。无线单元104-2将输入的发送基带信号进行上变频处理后生成发送信号(下面叫“发送信号B”)，并将其输出到天线选择单元106。
天线变更单元105在内部存储器上存储天线变更模式，每逢输入时钟信号时按照天线变更模式生成指示天线变更的天线变更信号，并将其输出到天线选择单元106。
天线选择单元106，根据天线变更信号，从发送天线107-1～107-3中选择2个相异的发送天线，作为发送信号A和发送信号B的发送天线，并使用所选择的发送天线将发送信号A及发送信号B进行无线发送。
以上是根据本实施方式的发送装置的样本结构的说明。
下面，就与图2所示的发送装置进行无线通信的、根据本实施方式的接收装置的结构的一例，使用图3的方框图进行说明。在图3中，接收装置200具有接收天线201-1和201-2、无线单元202-1和202-2、DFT单元203-1和203-2、模式存储单元204、数据分离单元205-1和205-2，信道估计单元206-1～206-4及信号处理单元207。
无线单元202-1将输入的被接收天线201-1接收的接收信号进行下变频处理后生成接收基带信号，并将其输出到DFT单元203-1。无线单元202-2将输入的被接收天线201-2接收的接收信号进行下变频处理后生成接收基带信号，并将其输出到DFT单元203-2。
DFT单元203-1将输入的接收基带信号进行DFT变换处理后，将得到的信号输出到数据分离单元205-1。DFT单元203-2将输入的接收基带信号进行DFT变换处理后，将得到的信号输出到数据分离单元205-2。另外，一般使用FFT(Fast Fourier Transform，高速傅里叶变换)作为DFT变换处理。
模式存储单元204在内部存储器上存储与由图2所示的天线变更单元105存储的天线变更模式相同的天线变更模式，每逢输入时钟信号时按照天线变更模式生成指示发送天线的发送模式信息信号，并将其输出到数据分离单元205-1和205-2及信号处理单元207。
数据分离单元205-1，根据发送模式信息信号，将经DFT变换处理的接收基带信号分离为发送信号A的信道估计码元、发送信号B的信道估计码元及数据码元，并将发送信号A的信道估计码元输出到信道估计单元206-1，将发送信号B的信道估计码元输出到信道估计单元206-2，将数据码元输出到信号处理单元207。数据分离单元205-2，根据发送模式信息信号，将经DFT变换处理的接收基带信号分离为发送信号A的信道估计码元、发送信号B的信道估计码元及数据码元，并将发送信号A的信道估计码元输出到信道估计单元206-3，将发送信号B的信道估计码元输出到信道估计单元206-4，将数据码元输出到信号处理单元207。
信道估计单元206-1用被接收天线201-1接收的发送信号A的信道估计码元作为输入进行发送信号A的时间同步、频率同步及传输路径失真的估计处理(以下称为“信道估计”)，并将指示处理结果的信道估计值输出到信号处理单元207。信道估计单元206-2用被接收天线201-1接收的发送信号B的信道估计码元作为输入，进行发送信号B的信道估计，并将信道估计值输出到信号处理单元207。
信道估计单元206-3用被接收天线201-2接收的发送信号A的信道估计码元作为输入，进行发送信号A的信道估计，并将信道估计值输出到信号处理单元207。信道估计单元206-4用输入被接收天线201-2接收的发送信号B的信道估计码元作为输入，进行发送信号B的信道估计，并将信道估计值输出到信号处理单元207。
信号处理单元207使用信道估计值及发送模式信息信号解调数据码元，生成接收数字数据。作为解调方法的例子，可列举使用由信道估计值构成的信道矩阵对由数据码元构成的矩阵进行逆矩阵运算的方法，或者，进行MLD(Maximum Likelihood Detection，最大似然探测)的方法。
以上是根据本实施方式的接收装置的样本结构的说明。
下面，使用上述图2和图3以及图4和图5，对根据本实施方式的安全通信方法进行说明。图4是表示在根据本实施方式的发送装置中生成的发送信号的帧结构的一例的图。图5是表示根据本实施方式的发送装置与接收装置之间的传播信道的图。
在图4中，发送信号A的帧按照信道估计码元301、保护码元302和数据码元303的顺序形成。另一方面，发送信号B的帧按照保护码元351、信道估计码元352和数据码元353的顺序形成。对于发送信号A和发送信号B来讲，帧定时的起始是相同的，并插入保护码元302、351，使发送信号A的信道估计码元301和发送信号B的信道估计码元352在时间上不发生重叠。结果、信道估计码元301、352在时间上互为独立。
另外，将发送信号A和发送信号B进行发送的天线根据被存储在天线变更单元105中的天线变更模式逐帧进行切换。例如，对于在时刻t1和t2之间被发送的帧，发送信号A由发送天线107-1发送，发送信号B由发送天线107-2发送。然后，接收天线201-1接收组合了受到信道波动h11(t)的发送信号A和受到信道波动h12(t)的发送信号B的信号。还有，接收天线201-2接收组合了受到信道波动h21(t)的发送信号A和受到信道波动h22(t)的发送信号B的信号。
另外，对于在时刻t2和t3之间被发送的帧来讲，发送信号A从发送天线107-2发送，发送信号B从发送天线107-3发送。然后，接收天线201-1接收组合了受到信道波动h12(t)的发送信号A和受到信道波动h13(t)的发送信号B的信号。还有接收天线201-2接收组合了受到信道波动h22(t)的发送信号A和受到信道波动h23(t)的发送信号B的信号。
之后，以相同方式逐帧切换发送信号的天线。
接收装置200使用信道估计单元206-1～206-4中的信道估计码元进行信道估计。此处，在发送开始时接收装置已知发送装置的天线变更模式，信道估计单元206-1～206-4，通过使用与发送装置100上的天线变更信号相同的发送模式信息信号，同步于传播发送信号的信道切换的定时，再次进行信道估计。
另外，在信道估计单元206-1～206-4中，对于天线切换后的信道，通过使用过去估计的信道估计值能够快速进行信道估计。
另外，在信道估计单元206-1～206-4中，当在输入信道估计码元时，因为其它的发送信号是保护码元，所以能够高质量地进行信道估计而干扰极小。
对此，由于发送天线的切换使传播的信道发生变化，因此第三方想要侦听从发送装置100发送的信号，就必须每逢发送天线的切换时再次进行信道估计。但是，因为在发送信号帧中不包含指示发送天线切换的信息，所以，第三方无法知道天线切换的定时或发送信号传播的信道。因此第三方不能够侦听从发送装置100发送的信号。
这样，在本实施方式中，通过发送装置和接收装置来实现安全通信，所述发送装置使多个发送天线在根据规定的模式切换发送天线的同时发送信号，并且所述接收装置同步于切换发送装置的发送天线的定时，使用与发送装置相同的模式进行信道估计。
另外，在本实施方式上，虽然举例说明了3个发送天线、2个接收天线的情况，但是本发明并不只是限于这种结构，也可以是由3个或更多的发送天线、2个或更多的接收天线构成。
另外，在本发明中，虽然使用OFDM方式作为多载波方式的例子，但是本发明并不只是限于此，利用使用扩频通信方式[D S-C D M A(DirectSpread-Code Division Multiple Access，直接扩频-码分多址)、FH(FrequencyHopping，频率跳跃)-CDMA、UWB(Ultra Wide Band，超宽频带)等)]的OFDM方式、或OFDM方式以外的多载波方式也能够同样地实施本发明。
另外，在本实施方式中，虽然就逐帧切换发送天线的情况进行了说明，但是本发明不限于此，按照每多个帧一次的速率切换发送天线，或者按照随机的间隔切换发送天线也都能够得到安全效果。
另外，在本实施方式中，也能够使信道估计码元成为根据过去的信道估计码元内插的码元，即，随时间跟踪信道波动码元。例如，在图4上，通过使用凭借其在从时刻t1到t2的时段上除了从天线107-1、107-2发送数据码元之外还从发送天线107-3发送信道估计码元的结构，就能够从时刻t2开始使用跟踪信道波动的码元。由此，因为仅用1个信道估计码元难以进行信道估计，所以第三者解调接收信号变得更加困难，能够更进一步提高安全性。
另外，在本实施方式中，在图4中，虽然对于在数据码元的前面配置信道估计码元和保护码元的情况进行了说明，但是，本发明不限于此，也可以使用在数据码元的后面配置信道估计码元和保护码元，并解调这些码元前面的数据码元的结构，或使用在数据码元中配置信道估计码元和保护码元并解调这些码元前后的数据码元的结构。
(实施方式2)
另外，在本发明中，在上述图2的发送装置和图3的接收装置中，并如图6所示，可以使用将发送信号A进行发送的天线(107-1)固定，并且只切换将发送信号B进行发送的天线(107-2、107-3)的结构。
此时，与图4的帧结构相比较，虽然因没有切换传播发送信号A的信道而导致安全性降低了，但是具有信号收发的处理变得简单的优点。
(实施方式3)
另外，在本发明中，按照上述图2的发送装置的结构和图3的接收装置的结构，并如图7所示，在每一个天线切换周期(天线切换的模式完成一个周期并回到最初形式的时间)都能够改变数字信号的加密模式。在图7中，示出从时刻t1到t4的时间为一个天线切换周期的情况，其中在从时刻t1到t4被发送的数据码元上使用加密模式1、在时刻t4之后被发送的数据码元上使用加密模式2。此处，可能的数据码元加密模式的改变包括以下情况：变更将数据进行交织(interleave)和加扰的模式、变更纠错码(里德索罗门(Reed-Solomon)码、卷积码、turbo码、LDPC(Low Density Parity Check，低密度奇偶校验)码等)、变更公开键加密方式(RSA方式等)或秘密键加密方式(DES方式等)。例如，即使在从时刻t1到t4信号被侦听，并且因为从时刻t1到时刻t4信道的波动小，所以时刻t1之后就不需要再次进行信道估计，从而使得在时刻t4容易侦听的情况下，也可以通过在t4之后用不同的加密模式进行发送而使侦听变得困难，从而能够确保安全。
(实施方式4)
另外，在本发明中，按照上述图2的发送装置的结构和图3的接收装置的结构，并如图8所示，也可以根据发送分组数进行天线切换。再有，具有各种指示数量而不是时间的参数的图8所示的结构是可以的，所述数量，例如发送数据的比特数，或者对于传输中的分组分配具有优先权的分组的传输数目(例如，希望必须一次发送无需重发的分组的传输数目)。可以按照发送数据比特数、发送分组数或具有优先权的分组数的随机的间隔切换发送天线。
(实施方式5)
在实施方式5中，说明使用空时块编码进行安全通信的方法。
图9是表示根据本实施方式的多天线通信系统800的整体结构的图。在多天线通信系统800中，发送装置801，具有4个天线802-1～802-4，从各天线802-1～802-4同时发送信号。接收装置851，用天线852接收从各天线802-1～802-4同时发送的信号。另外，从天线802-1发送的信号受到信道波动h1(t)并由天线852接收，下面同样地，由天线802-2、802-3、802-4发送的信号分别受到信道波动h2(t)、h3(t)、h4(t)并由天线852接收。另外，在之后的说明中，假定在接收空时块编码的信号的时间内没有传播路径(信道)的时间波动。
图10是表示根据本实施方式的发送装置801的结构方框图。在图10上，发送装置801，主要是由数据分流单元901、调制单元902-1～902-3、导频信号生成单元903、帧结构信号生成单元904、信号形成单元905、扩频单元906-1～906-4、无线单元907-1～907-4及天线802-1～802-4构成。
数据拆分单元901拆分发送数据，并输出被拆分的发送数据到调制单元902-1、902-2、902-3。
调制单元902-1，对于发送数据实施数字调制处理，并将得到的发送码元S1输出到信号形成单元905。例如，在QPSK的时候，从2比特的发送数据得到1个发送码元S1。同样地，调制单元902-2、902-3对于它们各自的发送数据分别实施数字调制处理，并将得到的发送码元S2、S3输出到信号形成单元905。
导频信号生成单元903生成导频信号，并将其输出到信号形成单元905。
帧结构信号生成单元904，将信号配置模式存储在内部存储器中，每逢输入时钟信号时按照信号配置模式生成指示信号配置变更的信号配置变更信号，并将其输出到信号形成单元905。
信号形成单元905，使用发送码元S1、S2、S3形成空时块编码(space timeblock coded)信号，定期插入导频信号，并将空时块编码信号和导频信号输出到扩频单元906-1～906-4。信号形成单元905，每逢输入信号配置变更信号时，就变更空时块编码信号的信号配置模式。另外，空时块编码信号的具体例子将在后面进行叙述。
扩频单元906-1～906-4，在各个空时块编码信号上乘以扩频码，并将扩频后的信号输出到无线单元907-1～907-4。
无线单元907-1～907-4，分别对扩频单元906-1～906-4的输出信号诸如实施频率变换的规定的无线处理，并将由此得到的无线发送信号供给天线802-1～802-4。
图11是表示根据本实施方式的接收装置851的结构方框图。在图11上，接收装置851，主要是由天线852、无线单元1001、解扩单元1002、信道估计单元1003-1～1003-4、同步单元1004、帧结构信号存储单元1005、及解调单元1006构成，并且接收从图9的发送装置801发送的空时块编码信号。
无线单元1001，对被天线852接收的信号实施诸如频率变换的规定的无线接收处理，并将由此得到的接收基带信号输出到解扩单元1002。解扩单元1002，将接收基带信号进行解扩，并将解扩后的接收基带信号输出到信道估计单元1003-1～1003-4、同步单元1004、帧结构信号存储单元1005及解调单元1006。
信道估计单元1003-1，根据被包含在由天线802-1发送的信号中的导频码元，求出天线802-1与天线852之间的信道波动h1，并将其输出到解调单元1006。同样地，信道估计单元1003-2、1003-3、1003-4分别求出信道波动h2、h3、h4，并将其输出到解调单元1006。
同步单元1004，根据被包含在接收信号中的导频码元，对从天线802-1、802-2、802-3、802-4发送的信号进行同步，将用于解调单元中的解调定时同步的定时信号输出到解调单元1006。
帧结构信号存储单元1005，将与已经被存储在发送装置中10所示的帧结构信号生成单元904上的信号配置模式相同的信号配置模式，存储到内部存储器，并且每逢输入接收基带信号时按照信号配置模式生成指示信号配置变更的信号配置变更信号，并将此信号输出到解调单元1006。
解调单元1006，将信道波动h1、h2、h3和h4、接收基带信号[将对应于在发送端的时刻i、i+1、i+2、i+3的接收基带信号，被定义为R(t)、R(t+1)、R(t+2)、R(t+3)]、定时信号和信号配置变更信号作为输入，根据信号配置变更信号进行比如对应于空时块编码的发送信号矩阵的逆矩阵运算，求出解调发送信号(demodulation transmit signal)S1′、S2′、S3′，解调上述的S1′、S2′、S3′信号并输出接收数字数据。
图12是表示根据本实施方式的发送帧结构的一例的图。图中阴影部分表示导频码元、非阴影部分表示空码元(无信号)。导频码元，在时点i-4从802-1、在时点i-3从802-2、在时点i-2从802-3、在时点i-1从802-4被发送。
接着从时点i到i+3，发送由发送信号列矢量1101～1104和发送信号行矢量1105～1108构成的发送信号矩阵1110。另外，图12所示的空时块编码方法是在“Space-Time Block Coding for Wireless Communications：PerformanceResults”IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS INCOMMUNICATIONS，pp451-460，vol.17，no.3，March 1999，上示出的方法。再有，星号(*)表示复共轭。总的来说，如果实施空时块编码，发送信号列矢量(比如时点i的发送信号列矢量1101和时点i+1的发送信号列矢量1102)成正交关系，并在接收端在不考虑信号分离中的信道波动的情况下能够对发送信号进行最大比合并，所以能得到大的分集增益。结果，接收质量得到了提高。另外，在接收端执行最大比合并的方法，除了上述方法之外，还已知使用相关矩阵的方法等。本发明中，对最大比合并的方法没有限制。
此时，发送码元S1、S2、S3的被解调的发送码元S1’、S2’、S3’，由下式(1)到(3)表示。
[等式1]
S 1 ′ = ( R ( t ) h 1 * + R ( t + 1 ) * h 2 + ( R ( t + 3 ) - R ( t + 2 ) ) ( h 3 * - h 4 * ) 2 - ( R ( t + 2 ) + R ( t + 3 ) ) · ( h 3 + h 4 ) 2 ) - - - ( 1 )
S 2 ′ = ( R ( t ) h 2 * - R ( t + 1 ) * h 1 + ( R ( t + 3 ) + R ( t + 2 ) ) ( h 3 * - h 4 * ) 2 - ( - R ( t + 2 ) + R ( t + 3 ) ) · ( h 3 + h 4 ) 2 ) - - - ( 2 )
S 3 ′ = ( ( R ( t ) + R ( t + 1 ) ) h 3 * ) 2 ( R ( t ) - R ( t + 1 ) ) h 4 * ) 2 + R ( t + 2 ) * ( h 1 + h 2 ) 2 + R ( t + 3 ) * ( h 1 - h 2 ) 2 ) - - - ( 3 )
图13是表示相对于图12所示的发送帧的结构，环绕地改变发送信号列矢量的发送顺序，使得时点i将发送信号列矢量1104进行发送、在时点i+1将发送信号列矢量1101进行发送、在时点i+2将发送信号列矢量1102进行发送、在时点i+3将发送信号列矢量1103进行发送的发送帧结构的图。
图14是表示相对于图12所示的发送帧结构，环绕地改变在天线802-1～802-4上分配的发送信号行矢量，使得发送信号行矢量1108由天线802-1进行发送、发送信号行矢量1105由天线802-2进行发送、发送信号行矢量1106由天线802-3进行发送、发送信号行矢量1107由天线802-4进行发送的发送帧结构的图。
此处，在发送装置801中，即使将发送帧结构从图12变更为图13或者图14，通过使发送装置801的帧结构信号生成单元904和接收装置851的帧结构信号存储单元1005使用相同的信号配置模式，即使在被变更为图13或者图14后，在接收装置851上仍然能够与图12同样地最大比合并发送信号，得到大的分集增益，提高接收质量。
此处，当在接收端对发送帧结构进行了错误的解调时(比如，将按照图13的发送帧结构发送的信号错误地解调为图12的帧结构)，将失去发送信号矩阵的正交性，接收质量大大地恶化。如果按照安全通信的观点看这一点，结果就是指定接收者(知道正确的发送帧结构的接收者)与侦听方(不知道正确的发送帧结构的接收者)之间的接收质量的存在很大差别，从而可能实现高度安全的通信。
另外，构成形成空时块码的发送信号矩阵(图12的1110等)的发送码元(在图12中16个)，就其在发送信号矩阵内的放置位置而言没有限制，能够在二维矩阵内(时间方向/天线方向)任意地分配。关于此时的模式数，使用符号P，其表示当排列n项中的k项时的模式数，存在n P k方式(图16的情况，16P16(16×15×…×2×1)种)。这与在扩频通信中作为扩展码使用的M矩阵等一维矩阵不同，因为能够使用非常多的模式，结果能够实现高度安全的通信。另外，如本实施方式中所示，使用空时块编码时，不降低传输速率地实现安全通信也是优点。
另外，空时块编码方法，并不限于以上说明的方法，比如有“AQuasi-Orthogonal Space-Time Block Code”IEEE TRANSACTIONS ONCOMMUNICATIONS，pp1-4，vol.49，no.1，JANUARY 2001上示出的方法。该方法是称为准正交空时块编码方法的方法，图15表示使用该方法时的发送帧结构的一例。在该方法中，发送信号矩阵的发送信号列矢量成为部分正交的结构(行矢量也一样)，因为在接收端不能逐码元地进行分离，所以与前面引用的“Space-Time Block Coding for Wireless Communications：PerformanceResults”IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS INCOMMUNICATIONS，pp451-460，vol.17，no.3，March 1999上示出的正交空时块编码(图12等)相比较，接收端的处理变得复杂，同时分集增益变小。但是，准正交空时块编码与正交空时块编码相比较的优点是可以具有较大传输速率。通过使用与正交空时块编码不同的空时块编码，如以上说明的准正交空时块编码，就能够增加编码的选择模式，进一步实现更高度的安全通信。
在以上的说明中，虽然说明了使用发送信号矩阵的安全通信方法，但是在下面将说明使用导频码元的安全通信方法。
图16是表示相对于图12的发送帧结构，变更了导频码元结构的结构图。在使用该结构时，只要发送装置801与接收装置851预先共有该导频码元结构，也就能够进行信道波动h1、h2、h3、h4的估计、并解调发送码元S1、S2、S3。但是，在与发送装置801不能共有图16所示的导频码元结构的接收装置上，虽然可以进行导频码元的估计，但是不知道哪个估计值相当于h1、h2、h3、h4的哪个信道波动。因此，接收装置正确地解调发送码元比较困难。这些导频码元在时间方向和向天线方向的分配可以被认为是在二维矩阵中的分配，并且由于可以使用多个模式，所以能够实现高度安全的通信。另外，使用空时块编码的码元作为导频码元时，能够高精度地进行信道波动的估计，而且能够实现高度安全的通信。
在下面，对于使用本实施方式的安全通信方法的系统的实施例子，使用图17进行说明。在图17中表示能够按照本实施方式中表示的安全通信方法进行通信的发送者1601和作为发送者希望和其进行通信的指定接受者1602、及想要侦听发送者1601与指定接受者1602之间的通信的侦听者1603。
发送者1601与指定接受者1602之间的信道波动1604，被认为是这二者之间能够共用的(比如对于上行链路和下行链路使用同一频率的TDD(TimeDivision Duplex，时分双工)系统，由于对于上行链路和下行链路而言，信道波动可以被认为是相同的，所以可以共用)。
此时发送者1601根据信道波动1604在控制发送功率的同时进行发送，以便达到指定接受者1602需要的最低限度的CNR(Carrier-to-Noise Ratio，载波噪声比)。由此，指定接受者1602可以得到所需的数据。但是，即使发送者1601与侦听者1603之间的信道波动1605可看作与信道波动1604相同的值，如果侦听者1603不知道发送帧结构，也不能够正确地解调空时块码，所以接收质量变得很差，解码指定接受者1602所需的数据变得非常困难。
如上说明，通过使用本实施方式的系统，就可实现指定方之间的高安全性的通信。此时，如果指定接受者1602使用凭借其将表示接收质量的值比如RSSI(Received Signal Strength Indicator，接收信号强度指示符)的值发送给发送者1601的结构也同样能够实施本发明。
另外，上述各实施方式在UWB(Ultra Wide Band，超宽频带)通信上都是有效的。在本实施方式中进行UWB通信时，使用其中去掉了图10的发送装置801和图11的接收装置851中的无线单元的结构。在UWB通信中，通过将信号扩频到1GHz左右的极宽的频带来进行收发，被发送在各个频带上的信号具有噪声级别的功率。因此，只要侦听者没有和发送者共有模式，就只能够利用非常小的功率，侦听变成非常困难。还有，来自各天线的接收信号功率小，也是促进本实施方式的安全通信的实现的一个方面。
另外，在本实施方式上，描述已经假设预先共有天线变更模式、空时块编码发送行矢量变更模式等，但是通过根据比如RSSI的值进行模式变更，即使在侦听者循环地对全部的模式进行解调的情况下，也能够降低被侦听的可能性。通过进行该模式变更，本实施方式的安全通信变成具有更高安全性的通信。此时，在发送装置801中通过向帧结构信号生成单元904输入信号配置模式信息来变更信号配置模式。另外，在接收装置851中向帧结构信号存储单元1005上输入接收基带信号，并变更信号点配置，并且使用帧结构信号和定时信息，取得被解调的发送码元。
另外，通过使用在本实施方式中表示的安全通信方法发送绝对不希望或者一定不能向除了指定通信方以外任一方泄露的信息，例如上述天线变更模式、上述空时块编码发送行矢量变更模式、进行加密的通信上的加密键等，而对其它的数据不进行本实施方式的安全通信发送，一边能够减少数据的传输效率降低，一边能够实现安全通信。
再有，在本实施方式上表示的方法中，虽然利用发送信号行矢量或列矢量的改换在时间方向和天线方向上分配空时块编码的发送码元，但是并不限于这种分配方法，通过扩频并分配空时块编码的发送码元以便对其进行随机交织，也能够同样地实施本发明。另外，也可以在频率方向上分配。图18是表示在频率方向上分配空时块编码的发送码元的一例的图，表示使用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)调制进行发送的情况。关于使用OFDM调制时的接受者和发送者的基本结构，因为已在图2和图3上表示了，所以在这里省略了详细说明。但是通过在图10上去掉扩频单元、插入S/P单元和IFFT单元、在图11上去掉解扩单元、插入P/S单元和FFT单元，构成使用OFDM调制的系统。
图18是表示由图9所示的发送装置801发送OFDM调制信号(使用4个副载波)时的发送帧结构的一例的图。将已被配置在图12天线802-1～802-4上的发送信号列矢量1101配置到由天线802-1发送的OFDM调制信号的副载波1～4上，下面同样地，将图12的发送信号列矢量1102、1103、1104分别配置到由天线802-2、802-3、802-4发送的OFDM调制信号的副载波上。在使用具有这种配置的OFDM调制信号时，在OFDM调制信号内是可以在时间方向和频率方向上进行配置(图18上虽然只在频率方向上进行了配置，但是显然在时间方向上也能够进行配置)，这两者再加上天线方向的配置，可以实现使用三维矩阵的发送帧结构，与用一维矩阵、二维矩阵的结构相比较能够使用更多的模式。因此，能够实现具有更高安全性的通信。
另外，关于上面的说明，虽然副载波数为4，但这是一例。一般来说使用的副载波数越多，通信越安全。另外，关于天线数也一样，并不限于发送天线：4、接收天线：1，比如，即使在发送天线：2、接收天线：2的时候，也同样能够实施本发明。此时，由于通过对经过2个接收天线的已解调的发送码元进行最大比合并，能够提高接收质量，因此，指定接收方与侦听方的接收质量的差别加大，就能够实施具有更高安全性的通信。
另外，关于本实施方式，当不进行扩频时，使用去掉了图10的扩频单元、图11的解扩单元的结构。
(其它的实施方式)
此处，用家庭内部的家庭网络系统，作为充分利用本发明的系统的例子进行说明。
近年来，将硬盘(H D：Hard Disk，硬盘)、DVD-ROM等作为存储媒体的数字重放和记录装置正在迅速普及。数字重放和记录装置能够不损坏信息，实现在现有的VCR上困难甚至不可能实现的功能，例如高速跳至特定重放点，允许用户暂停正在广播中的节目，数分钟后继续观看。另外，与因特网的连接使得以通过网络执行数字重放和记录装置的操作，包括下载最新的EPG(Electronic Program Guide：电子节目指南)，并可在家外操作该装置。
另外，ADSL、FTTH等宽频带电路已经广泛用于家庭内的无线LAN系统。使用无线系统在家庭内发送电视和视频的映像的家庭网络系统也开始普及。将该例子表示在图19上。由接收天线1801接收的接收信号被存储在家庭服务器(home server)1802上。还有，也能够将通过ADSL、FTTH等宽频带电路利用TCP/IP传输等从网络1803分布的接收信号储备在家庭服务器1802上。此处，家庭服务器1802包括将硬盘等作为存储媒体的数字重放和记录装置。
家庭服务器1802，将由接收天线1801或者网络1803接收到的接收信号和存储媒体的视频、声音、及数据等进行信号处理，将其向家庭内的PC(Personal Computer，个人计算机)1804、TV(Television，电视接收机)进行无线发送。PC1804和TV1805分别具有接收天线，接收从家庭服务器1802发送的信号，取得视频、声音、数据并进行显示或播放。这样的无线系统具有在家庭内的各种场所都能够使用PC和TV、不需要麻烦的布线等的优点。可以期待今后的更进一步普及。
使用本发明所示的多个收发天线收发多个信号的系统，与收发上各使用1个天线的系统相比较，理论上在同一频带上增加信道容量，并已经成为很多的研究的对象。信道容量的增加，在进行高速大容量传输的上述无线系统上是非常有用的。
在上述无线系统上，一般来说，无线电波不但被传播给希望接收的人或目标，也传播给周围的人或目标。比如，图19的情况，由家庭服务器1802向某户的PC1804和TV1805发送的发送信号也到达邻接人家的PC1806和TV1807。此时，来自家庭服务器的发送信号对于PC1806和TV1807也有成为干扰的情况，另外，来自家庭服务器的发送信号也可能有被别有企图地侦听的情况。特别是在被别有企图地侦听的情况下，可能要面对各种问题，例如在广播信号情况下知道正在看什么节目的隐私问题，没有合同的人能免费接收收费节目的问题，数字的内容被再利用的问题。
关于被别有企意图地侦听，在目前的无线LAN系统中，其安全的脆弱性是公知而且严重的问题之一。在无线LAN系统中，在向无线LAN调制解调器等的访问点(Access Point)进行访问时，虽然进行根据ID和“口令”的访问限制，但是关于ID被简单地推测的实例和“口令”经数日被破译的实例的报道也不少，这样的问题在使用多个收发天线的系统中使用ID和“口令”等访问限制时也同样可能发生。因此，指望与目前不同类型的安全实施方法。
使用多个天线时，因为如果其天线经常是相同的，就不能够切换信号传播的信道，因此信号一旦被第三方侦听就有被继续侦听的可能性，但是如果切换发送天线，信号传播的信道也就变成与切换前不同的信道，通过不断进行该切换，就能够提高抵制发送信号侦听的安全性。
本说明书是根据2003年9月10日申请的日本专利第2003-318809号、2004年9月6日申请的日本专利第2004-258919号。其内容全部包含于此作为参考。
工业实用性
本发明适用于进行安全通信的无线通信系统的基站装置和通信终端装置。

Claims (6)

1.一种安全通信方法，用于在具有多个发送天线的发送装置和具有多个接收天线的接收装置之间，进行通过多个发送信号的MIMO通信的系统，其中：
在所述发送装置中进行的步骤包括：
通过将对数字数据进行时空块编码而得的多个发送码元配置在时间方向和天线方向上或者配置在频率方向和天线方向上，生成多个块编码数据码元；
生成导频码元；
通过基于对于接收装置也是已知的第一信号配置模式，将包括相互不同的所述数字数据的所述块编码数据码元配置在同一副载波上，生成多个第一发送信号，其中，所述第一信号配置模式是从表示所述多个块编码数据码元的配置的多个信号配置模式中选择的模式；
将所述导频码元插入到由所述多个块编码数据码元形成的所述多个第一发送信号中；
将插入了所述导频码元的多个第一发送信号，在每个发送时间，使用相同频率的多个副载波，从所述多个发送天线进行无线发送；
在接收装置中进行的步骤包括：
从由所述发送装置无线发送的所述多个第一发送信号中，分离所述多个块编码数据码元和导频码元；
根据与所述发送装置相同的所述第一信号配置模式和所述导频码元，对所述多个块编码数据码元进行解调。
2.如权利要求1所述的安全通信方法，其中，在生成所述多个发送信号的步骤中，在使用所述第一信号配置模式发送了所述多个块编码码元后，通过基于对于接收装置也是已知的第二信号配置模式，将包括相互不同的所述数字数据的所述块编码数据码元配置在同一副载波上，生成多个第二发送信号，所述第二信号配置模式是与所述第一信号配置模式不同的信号配置模式。
3.如权利要求2所述的安全通信方法，其中，所述第一信号配置模式以及所述第二信号配置模式是发送信号矩阵的信号配置模式。
4.一种发送装置，用于在具有多个发送天线的发送装置和具有多个接收天线的接收装置之间，进行通过多个发送信号的MIMO通信的系统中，该发送装置包括：
信号生成单元，通过将对数字数据进行时空块编码而得的多个发送码元配置在时间方向和天线方向上或者配置在频率方向和天线方向上，生成多个块编码数据码元；
导频码元生成单元，生成导频码元；
信号形成单元，通过基于对于接收装置也是已知的第一信号配置模式，将包括相互不同的所述数字数据的所述块编码数据码元配置在同一副载波上，生成多个第一发送信号，并将所述导频码元插入到所述多个第一发送信号中，其中，所述第一信号配置模式是从表示所述多个块编码数据码元的配置的多个信号配置模式中选择的模式；以及
无线单元，将插入了所述导频码元的多个第一发送信号，在每个发送时间，使用相同频率的多个副载波，从所述多个发送天线进行无线发送。
5.如权利要求4所述的发送装置，其中，在使用所述第一信号配置模式发送了所述多个块编码码元后，所述信号形成单元通过基于对于接收装置也是已知的第二信号配置模式，将包括相互不同的所述数字数据的所述块编码数据码元配置在同一副载波上，生成多个第二发送信号，所述第二信号配置模式是与所述第一信号配置模式不同的信号配置模式。
6.一种接收装置，包括：
分离单元，从如权利要求4所述的发送装置发送的多个第一发送信号中，分离多个块编码数据码元和导频码元；以及
信号处理单元，根据与所述发送装置相同的第一信号配置模式和所述导频码元对所述多个块编码数据码元进行解调。
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