DE102010025639A1

DE102010025639A1 - Absolut sichere Signalübertragung mit Hilfe von thermischem Rauschen

Info

Publication number: DE102010025639A1
Application number: DE201010025639
Authority: DE
Inventors: Johannes Kammerer; Sören Klemm; Anna Mayer; Michael Nebel; Christoph Neeb; Dr. Prescher Martin; Marcel Weikert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2012-01-05
Also published as: WO2012000755A1

Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Informationsübertragung mittels thermischen Rauschens bereitgestellt, wobei auf einer Seite eines Senders und auf einer Seite eines zu dem Sender baugleichen Empfängers jeweils zwischen einem Bezugspotential und einem ersten Schalterverbindungspunkt eine erste Rauschquelle in Serie zu einem ersten elektrischen Widerstand und zwischen dem Bezugspotential und einem zweiten Schalterverbindungspunkt eine zweite Rauschquelle in Serie zu einem zweiten elektrischen Widerstand elektrisch angeschlossen sind und jeweils ein Schalter in einer ersten Schalterstellung mittels des ersten Schalterverbindungspunktes die erste oder in einer zweiten Schalterstellung mittels des zweiten Schalterverbindungspunktes die zweite Rauschquelle mit einem Übertragungskanal zwischen Sender und Empfänger zur Erzeugung von einer ersten oder einer zweiten Art eines Rauschsignals des Übertragungskanals elektrisch verbindet. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass, ausgehend von der mittels einer Auswertungsschaltung erfassten ersten oder zweiten Art des Rauschsing auf der Seite des Empfängers, eine Information der Schalterstellung auf der Seite des Senders eindeutig bestimmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung an ein Verfahren zu Informationsübertragung mittels thermischen Rauschens.
L. B. Kish, "Absolut sichere klassische Übertragung unter Verwendung von Johnson (-ähnlichem) Rauschen und Kirchhoffs Gesetze", in Physics Letters A352 (2006) 178–182 offenbart eine Anordnung gemäß 1.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur absolut sicheren klassischen Kommunikation mittels thermischen Rauschens vereinfacht und wirksam bereit zustellen.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Informationsübertragung mittels thermischen Rauschens bereitgestellt, wobei auf einer Seite eines Senders und auf einer Seite eines zu dem Sender baugleichen Empfängers jeweils zwischen einem Bezugspotential und einem ersten Schalterverbindungspunkt eine erste Rauschquelle in Serie zu einem ersten elektrischen Widerstand und zwischen dem Bezugspotential und einem zweiten Schalterverbindungspunkt eine zweite Rauschquelle in Serie zu einem zweiten elektrischen Widerstand elektrisch angeschlossen sind und jeweils ein Schalter in einer ersten Schalterstellung mittels des ersten Schalterverbindungspunktes die erste oder an einer zweiten Schalterstellung mittels des zweiten Schalterverbindungspunktes die zweiter Rauschquelle mit einem Übertragungskanal zwischen Sender und Empfänger zur Erzeugung von einer ersten oder zweiten Art eines Rauschsignals des Übertragungskanals elektrisch verbindet, wobei, ausgehend von der mittels einer Auswerteschaltung erfassten ersten oder zweiten Art des Rauschsignals und von einer Information der Schalterstellung auf der Seite des Empfängers, eine Information der Schalterstellung auf der Seite des Senders eindeutig bestimmt wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein zum ersten Aspekt entsprechendes Verfahren bereit gestellt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann, ausgehend von einer mittels der Auswerteschaltung erfassten ersten Art des Rauschsignals bestimmt werden, dass die Schalterstellungen im Empfänger und Sender jeweils zueinander verschieden sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die erste Art von Rauschsignalen Rauschsignale mit maximaler Amplitude sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann, falls ein Schalter in einer Schalterstellung den Übertragungskanal mit einem Schalterverbindungspunkt und dem dazugehörigen elektrischen Widerstand elektrisch verbindet, diesem ein Bit und dem anderen elektrischen Widerstand ein entgegengesetztes Bit zugeordnet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann, falls ein Bit für einen elektrischen Widerstand im Empfänger erfasst wird, eindeutig dasselbe Bit für den anderen elektrischen Widerstand im Sender bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung, kann, falls ein Bit für einen elektrischen Widerstand im Empfänger erfasst wird, eindeutig das entgegengesetzte Bit für den gleichen elektrischen Widerstand im Sender bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren Vorteilhaften Ausgestaltung kann mittels einer logischen Invertiereinrichtung für den elektrischen Widerstand im Empfänger das entgegengesetzte Bit erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Vielzahl von Bits übertragen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Auswerteschaltung zur Erfassung der ersten oder der zweiten Art des Rauschens eine Verstärkerschaltung zur Verstärkung eines Spannungssignals auf dem Übertragungskanal, eine Brückengleichrichterschaltung und einen Tiefpass zur Gleichrichtung des Spannungssignals und einen Komparator zum Vergleichen des gleichgerichteten Signals mit einem Schwellwert aufweisen, wobei, wenn das gleichgerichtete Spannungssignal größer als der Schwellwert ist, der Komparator ein Signal erzeugen kann, das die erste Art des Rauschens anzeigen kann.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels und in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen
1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik. Ein Sender auf der linken Seite der 1 und ein Empfänger auf der rechten Seite der 1 weisen identische Rauschquellen auf. Deren Ausgangsspannungen werden jeweils moduliert auf einen Übertragungskanal übertragen. Sender und Empfänger sind zueinander baugleich. Der Sender weist eine erste Rauschquelle und einen dazugehörigen ersten Widerstand sowie eine zweite Rauschquelle und einen dazugehörigen zweiten elektrischen Widerstand auf. Das gleiche gilt für den Empfänger. Auf einer Seite des Senders und auf einer Seite des zu dem Sender baugleichen Empfängers sind jeweils zwischen einem Bezugspotential und einem ersten Schalterverbindungspunkt eine erste Rauschquelle in Serie zu einem ersten elektrischen Widerstand und zwischen dem Bezugspotential und einem zweiten Schalterverbindungspunkt eine zweite Rauschquelle in Serie zu einem zweiten elektrischen Widerstand elektrisch angeschlossen.
Des Weiteren verbindet ein Schalter in einer ersten Schalterstellung mittels des ersten Schalterverbindungspunktes die erste oder in einer zweiten Schalterstellung mittels des zweiten Schalterverbindungspunktes die zweite Rauschquelle mit einem Übertragungskanal zwischen Sender und Empfänger zur Erzeugung einer ersten oder einer zweiten Art eines Rauschsignals des Übertragungskanals elektrisch. Der Übertragungskanal kann beispielsweise eine herkömmliche Kupferleitung aufweisen. Beide Signale des Senders und des Empfängers überlagern sich auf den Übertragungskanal. Für die Schalterstellungen von Sender und Empfänger existieren insgesamt vier Zustände und zwar sind dies R1, R1; R1, R0; R0, R1 und R0, R0.
Ausgehend von der mittels einer Auswerteschaltung erfassten ersten oder zweiten Art des Rauschsignals und von einer Information der Schalterstellung auf der Seite des Empfängers, kann eine Information der Schalterstellung auf der Seite des Senders eindeutig bestimmt werden. Aufgrund der identischen Eigenschaften der Rauschquellen ist nun zu erwarten, dass sich die Signale auf dem Kanal für die beiden Schalterstellungen mit unterschiedlichen Widerständen auf Sender- und Empfängerseite nicht unterscheiden lassen. Diese beiden Zustände werden als sicher bezeichnet. Diese beiden sicheren Zustände werden einer ersten Art des Rauschsignals zugeordnet. Wird mittels der Auswerteschaltung diese erste Art des Rauschsignals erfasst, kann bestimmt werden, dass die Schalterstellungen im Empfänger und Sender jeweils zueinander verschieden sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung folgendermaßen bereitgestellt:
Beispielsweise zeigt 2 einen Rauschgenerator gemäß der vorliegenden Anmeldung. Zum Erzeugen eines Rauschsignals wurde das Lawinenrauschen in einem Basis-Emitter-Übergang eines Bipolar-Transistors vom Typ BC557B genutzt. Um einen Einfluss externer Störgrößen zu minimieren, wurde ein 9 Volt–Block als Spannungsquelle genutzt und die Eingangsspannung über zwei Kondensatoren geglättet. Das Lawinenrauschen ist ein Rauschen des Stromes, dieses wurde über einen hochohmigen Widerstand in ein Spannungssignal mit möglichst hoher Amplitude gewandelt.
Verstärker
Diese vom Rauschgenerator erzeugte Spannung wurde mit Hilfe einer zwei-stufigen Verstärkerkaskade bestehend aus Operationsverstärkern vom Typ EL5244C verstärkt. Am Ausgang der Verstärkerstufe konnte nun ein Rauschsignal mit einer Amplitude von nahezu 5 Volt Spitzenwert-zu-Spitzenwert abgenommen werden.
Das Schalten zwischen den beiden Widerständen auf Sender- und Empfängerseite erfolgte manuell. Für die beiden Widerstände wurden die Werte 1 MΩ und 1 KΩ verwendet.
Auswertung
Zum automatischen Zuordnen des Signals auf dem Kanal zu einem Schaltzustand wurde eine Brückengleichrichterschaltung verwendet, da die Spannungsamplitude auf dem Kanal durch die Dämpfung der Modulationswiderstände in Verbindung mit der parasitären Kapazität der Leitung häufiger kleiner 1 V wurde, wurde das Signal mit Hilfe einer weiteren Operationsverstärkerschaltung nochmals um den Faktor 5 verstärkt. Der hochohmige Eingang des Operationsverstärkers minimierte zusätzlich den Einfluss der Auswerteschaltung auf das Signal des Übertragungskanals. Die Amplitude des verstärkten Signals war nun ausreichend groß, um sie mit Hilfe von herkömmlichen Dioden in einer Brückengleichrichterschaltung und einem daran anschließenden Tiefpass gleichzurichten. Die sich daraus ergebene Spannung war von der Amplitude des Rauschsignals abhängig. Es zeigte sich, dass die höchste Amplitude den beiden sicheren Schaltzuständen zuzuordnen war. Die Zustände mit auf beiden Seiten identischen Schalterstellungen erzeugten geringere Amplituden. Mit Hilfe eines Komparators konnte so aus dem gleichgerichteten Spannungssignal des Kanals ein Signal erzeugt werden, das angibt, ob es sich bei dem aktuellen Zustand um einen sicheren handelt. Mit Hilfe dieser Information und dem Wissen um die eigene Schalterstellung war es nun beiden Seiten möglich, die Schalterstellung der anderen Seite und somit den Zustand des kompletten Systems eindeutig zu bestimmen.
Schlüsselerzeugung
Zur Erzeugung eines Schlüssels wurden die Schalter auf beiden Seiten synchron in eine zufällige Position gebracht. Signalisierte die Auswerteschaltung einen sicheren Zustand, konnte jede Seite aufgrund ihrer eigenen Schalterstellung ein neues Bit erzeugen. Erzeugt der Sender bei einem sicheren Zustand und der Position des eigenen Schalters auf R1 eine logische 1 und der Empfänger bei einer Positionierung des eigenen Schalters auf R1 eine 0, so erzeugen Sender und Empfänger einen identischen Schlüssel, wenn die 0 bei R1 im Empfänger mittels einer logischen Invertiereinrichtung in eine 1 umgewandelt wird.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Informationsübertragen mittels thermischen Rauschens, wobei auf einer Seite eines Senders und auf einer Seite eines zu dem Sender baugleichen Empfängers mit einem ersten Schritt S1 jeweils zwischen einem Bezugspotentials ein erster Schalterverbindungspunkt und eine erste Rauschquelle in Serie zu einem ersten elektrischen Widerstand und zwischen dem Bezugspotential und einem zweiten Schalterverbindungspunkt eine zweite Rauschquelle in Serie zu einem zweiten elektrischen Widerstand elektrisch angeschlossen werden. Mit einem zweiten Schritt S2 werden jeweils mittels eines Schalters in einer ersten Schalterstellung mittels des ersten Schalterverbindungspunktes die erste oder in einer zweiten Schalterstellung mittels des zweiten Schalterverbindungspunktes die zweite Rauschquelle mit einem Übertragungskanal zwischen Sender und Empfänger zur Erzeugung von einer ersten oder einer zweiten Art eines Rauschsignals des Übertragungskanals elektrisch verbunden. Mit einem Schritt S3 wird, ausgehend von der mittels einer Auswerteschaltung erfassten ersten oder zweiten Art des Rauschsignals und von einer Information der Schalterstellung auf der Seite des Empfängers, eine Information der Schalterstellung auf der Seite des Senders eindeutig bestimmt. Der ersten Art des Rauschsignals werden die Rauschsignale zugeordnet, die einem sicheren Zustand entsprechen. Der zweiten Art des Rauschsignals werden die Rauschsignale zugeordnet, die einem unsicheren Zustand entsprechen. In einem unsicheren Zustand sind die Schalterstellungen im Sender und Empfänger gleich. In dem sicheren Zustand sind die Schalterstellungen im Sender und Empfänger verschieden. Das Rauschsignal auf dem Übertragungskanal kann ein Spannungssignal oder ein Stromsignal sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

L. B. Kish, ”Absolut sichere klassische Übertragung unter Verwendung von Johnson (-ähnlichem) Rauschen und Kirchhoffs Gesetze”, in Physics Letters A352 (2006) 178–182 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Informationsübertragung mittels thermischen Rauschens, wobei auf einer Seite eines Senders und auf einer Seite eines zu dem Sender baugleichen Empfängers – jeweils zwischen einem Bezugspotential und einem ersten Schalterverbindungspunkt eine erste Rauschquelle in Serie zu einem ersten elektrischen Widerstand und zwischen dem Bezugspotential und einem zweiten Schalterverbindungspunkt eine zweite Rauschquelle in Serie zu einem zweiten elektrischen Widerstand elektrisch angeschlossen sind und – jeweils ein Schalter in einer ersten Schalterstellung mittels des ersten Schalterverbindungspunktes die erste oder in einer zweiten Schalterstellung mittels des zweiten Schalterverbindungspunktes die zweite Rauschquelle mit einem Übertragungskanal zwischen Sender und Empfänger zur Erzeugung von einer ersten oder einer zweiten Art eines Rauschsignals des Übertragungskanals elektrisch verbindet, wobei – ausgehend von der mittels einer Auswerteschaltung erfassten ersten oder zweiten Art des Rauschsignals und von einer Information der Schalterstellung auf der Seite des Empfängers eine Information der Schalterstellung auf der Seite des Senders eindeutig bestimmt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer mittels der Auswerteschaltung erfassten ersten Art des Rauschsignals bestimmt wird, dass die Schalterstellungen in Empfänger und Sender jeweils zueinander verschieden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Art von Rauschsignalen Rauschsignale mit maximaler Amplitude sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass, falls ein Schalter in einer Schalterstellung den Übertragungskanal mit einem Schalterverbindungspunkt und dem dazugehörigen elektrischen Widerstand elektrisch verbindet, diesem ein Bit und dem anderen elektrischen Widerstand ein entgegengesetztes Bit zugeordnet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4 in Verbindung mit Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass, falls ein Bit für einen elektrischen Widerstand im Empfänger erfasst wird, eindeutig dasselbe Bit für den anderen elektrischen Widerstand im Sender bestimmt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4 in Verbindung mit Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass, falls ein Bit für einen elektrischen Widerstand im Empfänger erfasst wird, eindeutig das entgegengesetzte Bit für den gleichen elektrischen Widerstand im Sender bestimmt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer logischen Invertiereinrichtung für den elektrischen Widerstand im Empfänger das entgegengesetzte Bit erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Bits übertragen wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung zur Erfassung der ersten oder zweiten Art des Rauschens eine Verstärkerschaltung zur Verstärkung eines Spannungssignals auf dem Übertragungskanal, eine Brückengleichrichterschaltung und einen Tiefpass zur Gleichrichtung des Spannungssignals und einen Komparator zum Vergleichen des gleichgerichteten Spannungssignals mit einem Schwellenwert aufweist, wobei, wenn das gleichgerichtete Spannungssignal größer als der Schwellenwert ist, der Komparator ein Signal erzeugt, das die erste Art des Rauschens anzeigt.
Verfahren zum Informationsübertragen mittels thermischen Rauschens, wobei auf einer Seite eines Senders und auf einer Seite eines zu dem Sender baugleichen Empfängers – jeweils zwischen einem Bezugspotential und einem ersten Schalterverbindungspunkt eine erste Rauschquelle in Serie zu einem ersten elektrischen Widerstand und zwischen dem Bezugspotential und einem zweiten Schalterverbindungspunkt eine zweite Rauschquelle in Serie zu einem zweiten elektrischen Widerstand elektrisch angeschlossen werden und – jeweils ein Schalter in einer ersten Schalterstellung mittels des ersten Schalterverbindungspunktes die erste oder in einer zweiten Schalterstellung mittels des zweiten Schalterverbindungspunktes die zweite Rauschquelle mit einem Übertragungskanal zwischen Sender und Empfänger zur Erzeugung von einer ersten oder einer zweiten Art eines Rauschsignals des Übertragungskanals elektrisch verbindet, wobei – ausgehend von der mittels einer Auswerteschaltung erfassten ersten oder zweiten Art des Rauschsignals und von einer Information der Schalterstellung auf der Seite des Empfängers eine Information der Schalterstellung auf der Seite des Senders eindeutig bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass, ausgehend von einer mittels der Auswerteschaltung erfassten ersten Art des Rauschsignals bestimmt wird, dass die Schalterstellungen in Empfänger und Sender jeweils zueinander verschieden sind.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Art von Rauschsignalen Rauschsignale mit maximaler Amplitude sind.
Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass, falls ein Schalter in einer Schalterstellung den Übertragungskanal mit einem Schalterverbindungspunkt und dem dazugehörigen elektrischen Widerstand elektrisch verbindet, diesem ein Bit und dem anderen elektrischen Widerstand ein entgegengesetztes Bit zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 13 in Verbindung mit Anspruch 11 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass, falls ein Bit für einen elektrischen Widerstand im Empfänger erfasst wird, eindeutig dasselbe Bit für den anderen elektrischen Widerstand im Sender bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 in Verbindung mit Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass, falls ein Bit für einen elektrischen Widerstand im Empfänger erfasst wird, eindeutig das entgegengesetzte Bit für den gleichen elektrischen Widerstand im Sender bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer logischen Invertiereinrichtung für den elektrischen Widerstand im Empfänger das entgegengesetzte Bit erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Bits übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung zur Erfassung der ersten oder zweiten Art des Rauschens eine Verstärkerschaltung zur Verstärkung eines Spannungssignals auf dem Übertragungskanal, eine Brückengleichrichterschaltung und einen Tiefpass zur Gleichrichtung des Spannungssignals und einen Komparator zum Vergleichen des gleichgerichteten Spannungssignals mit einem Schwellenwert aufweist, wobei, wenn das gleichgerichtete Spannungssignal größer als der Schwellenwert ist, der Komparator ein Signal erzeugt, das die erste Art des Rauschens anzeigt.