JP2000252751A - スペクトル拡散信号発生方法、スペクトル拡散信号発生器、ストリーム暗号化方法、及びストリーム暗号通信方法 - Google Patents
スペクトル拡散信号発生方法、スペクトル拡散信号発生器、ストリーム暗号化方法、及びストリーム暗号通信方法Info
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Abstract
を、カオス系列の2値コード系列から発生できるスペク
トル拡散信号発生方法、及びスペクトル拡散信号発生器
を提供することを課題とする。 【解決手段】 対称な非線形写像関数であるロジスティ
ックマップx(t+1)=4x(t){1-x(t)}、フィードバックx(t)
=x(t+1)、同相変換量子化y(t)=[{2/π・arcsin√x(t)}
・2n]、の各計算式を与えておき、適宜の初期値x(0)を
与えて前記フィードバック x(t)=x(t+1)を繰り返し計算
することでタイムシリーズx(t)-tを求め、量子化分解能
n=1を与えて前記求められたタイムシリーズx(t)-tに
対応する同相変換量子化y(t)=[{2/π・arcsin√x(t)}・
2n]を求め、当該求められた同相変換量子化y(t)からタ
イムシリーズy(t)-tを取得し、当該取得したタイムシリ
ーズy(t)-tから切り出した2値コード系列y(t)を周期と
するスペクトル拡散信号を発生する。
Description
クトル拡散信号を発生するスペクトル拡散信号発生方
法、スペクトル拡散信号発生器、ストリーム暗号化方
法、及びストリーム暗号通信方法に関する。
ペクトル拡散通信方式を用いた符号分割多重通信方式
(CDMA)の実現が望まれている。そこでは、コイン
投げをして生成される2値乱数列がスペクトル拡散信号
(以下「SS信号」と言う。)として理想的だと考えら
れている。
るSS信号は、M系列、Kasami系列、Gold系列などを適
当な長さに切り取った系列が使用される。また、多段シ
フトレジスタから生成されるM系列が用いられることも
ある。
号として用いられている拡散符号系列は、種類が限ら
れ、今後予想される通信需要の増大に対応できないおそ
れがある。
るためには、いわゆる原文が透けて見えることのないよ
うにする必要がある。そのためには、SS信号は、自己
相関も相互相関も抑制された周期時系列であることが望
まれるが、上述した従来の発生方法によれば、自己相関
も相互相関も十分に抑制された周期時系列を再現性よく
発生することは困難である。
分を含み、複雑な組み合わせの整数列(2値コード系列
を含み、「カオス系列」と称する)を生成可能なカオス
に着目し、カオス系列でのSS信号発生について鋭意研
究を進めたところ、下記に述べる新たな課題を生じた。
コード系列は、“0”と“1”の数に片寄りのないこと
が望ましいのであるが、カオス系列でそのような要件を
満たすSS信号をどのようにして発生するかといった解
決すべき課題を生じたのである。
れたものであり、“0”と“1”の数に片寄りのないS
S信号を、カオス系列の2値コード系列から発生できる
スペクトル拡散信号発生方法、及びスペクトル拡散信号
発生器を提供することを課題とする。
スペクトル拡散信号発生方法で得られた2値コード系列
を用いてストリーム暗号化を行うことにより、例えば通
信の用途に用いて最適なきわめて秘匿性が高い暗号コー
ドを生成し得るストリーム暗号化方法を提供することを
課題とする。
なストリーム暗号化方法で得られた暗号コードを用いて
ストリーム暗号通信を行うことにより、きわめて秘匿性
が高いストリーム暗号通信を実現可能なストリーム暗号
通信方法を提供することを課題とする。
に、請求項1の発明は、対称な非線形写像関数である ロジスティックマップ x(t+1)=4x(t){1-x(t)}、 フィードバック x(t)=x(t+1)、 同相変換量子化 y(t)=[{2/π・arcsin√x(t)}・2n]、 (ただし、tは離散時間であり、x(t)は0と1の間に正
規化された倍精度の実数で与えられるカオスの内部状態
である。)の各計算式を与えておき、適宜の初期値x(0)
を与えて前記フィードバック x(t)=x(t+1)を繰り返し計
算することでタイムシリーズx(t)-tを求め、量子化分解
能n=1を与えて前記求められたタイムシリーズx(t)-t
に対応する同相変換量子化y(t)=[{2/π・arcsin√x(t)}
・2n]を求め、当該求められた同相変換量子化y(t)から
タイムシリーズy(t)-tを取得し、当該取得したタイムシ
リーズy(t)-tから切り出した2値コード系列y(t)を周期
とするスペクトル拡散信号を発生することを要旨とす
る。
式を与えておき、適宜の初期値x(0)を与えて前記フィー
ドバック x(t)=x(t+1)を繰り返し計算することでタイム
シリーズx(t)-tを求め、量子化分解能n=1を与えて前
記求められたタイムシリーズx(t)-tに対応する同相変換
量子化y(t)=[{2/π・arcsin√x(t)}・2n]を求め、当該
求められた同相変換量子化y(t)からタイムシリーズy(t)
-tを取得し、当該取得したタイムシリーズy(t)-tから切
り出した2値コード系列y(t)を周期とするスペクトル拡
散信号を発生する。
像関数である ロジスティックマップ x(t+1)=4x(t){1-x(t)}、 フィードバック x(t)=x(t+1)、 同相変換量子化 y(t)=[{2/π・arcsin√x(t)}・2n]、 (ただし、tは離散時間であり、x(t)は0と1の間に正
規化された倍精度の実数で与えられるカオスの内部状態
である。)の各計算式をプログラムで与え、量子化分解
能n=1と初期値x(0)をデータベースで与え、これらを
演算処理・記憶機能を持つハードウエアチップにインス
トールしておき、このハードウエアチップがデータベー
スを参照しつつプログラムを実行することにより、スペ
クトル拡散信号としての2値コード系列y(t)を発生する
ように構成したことを要旨とする。
Uなどのハードウエアチップは、量子化分解能n=1と
して得られる2値コード系列y(t)をスペクトル拡散信号
として必要なだけ必要なときに出力するので、ハードウ
エアとしてのスペクトル拡散発生器を提供することがで
きる。
含しているカオスの内部状態x(t)を量子化して整数列と
して観察すると、その量子化分解能をnとしたとき2n
の整数列の組み合わせを時系列として発生する。このと
き、非線形写像を線形に量子化して観察したのでは、取
り出される整数の分布には片寄りが生じる。
x(t){1-x(t)}は、低次元カオスの理想的で代表的な数学
モデルであるが、このロジスティックマップに対する同
相量子化y(t)=[{2/π・arcsin√x(t)}・2n]は、長い時
間にわたって観察したときに、0〜2n −1の整数の分
布がほぼ均一になり、固有の片寄りは生じない。なお、
前式における記号[]は、小数点以下を切り捨てることを
意味している。
きに、度数分布が均一になるのに対し、カオスにあって
は、初期値敏感性を常に残しているため、分布はその切
り出し方によって様々に変化する。
化観察の分解能をn=1とし、出力される2値コード系
列y(t)を直接2進コード列としてSS信号の元となる時
系列を発生するようにした。ロジスティックマップとそ
のフィードバックの計算を倍精度で実行したとき、その
時系列は初期値x(0)に固有に生成され、OSや機種に依
存しない再現性をもつ。
と1との間の実数を倍精度で与える。与えることのでき
る初期値の種類は倍精度の分だけあり、産業技術的には
無限にあると言っても過言ではない。
時系列y(t)-tをある長さに切断した2値コード系列y(t)
を周期とするSS信号を発生するのであるから、2値コ
ード系列y(t)の種類も十分多数用意できる。
載のスペクトル拡散信号発生方法で得られた2値コード
系列を用いてストリーム暗号化を行うことで暗号コード
を得るストリーム暗号化方法であって、前記ストリーム
暗号化は、請求項1に記載のスペクトル拡散信号発生方
法で得られた2値コード系列と、暗号化対象となるディ
ジタル情報との排他的論理和演算を実行することで達成
されることを要旨とする。
クトル拡散信号発生方法で得られた2値コード系列を用
いてストリーム暗号化を行うことで暗号コードを得るに
あたり、このストリーム暗号化は、請求項1のスペクト
ル拡散信号発生方法で得られた2値コード系列と、暗号
化対象となるディジタル情報との排他的論理和演算を実
行することで達成されるので、したがって、例えば通信
の用途に用いて最適なきわめて秘匿性が高い暗号コード
を生成し得るストリーム暗号化方法を提案することがで
きる。
載のストリーム暗号化方法で得られた暗号コードを用い
てストリーム暗号通信を行うことを要旨とする。
のストリーム暗号化方法で得られた暗号コードを用いて
ストリーム暗号通信を行うので、したがって、きわめて
秘匿性が高いストリーム暗号通信を実現可能となる。具
体的には、暗号コードを生成、拡張、混合、転送し、同
一のスペクトル拡散信号発生器を有するユーザが同期を
とってこれを復元するという、非同期多重マルチユーザ
ストリーム暗号通信を実現可能である。
多重化を容易にするために、ディジタル情報とSS信号
との比は1対1ではなく、数倍または数10倍に広げて
演算を実行することが好ましい。
-t}を任意に切断し、周期2値コード系列y(t)からなる
SS信号を多数用意して、ディジタル情報を対象とした
ストリーム暗号化コードの復元を試みたとき、同期がと
れた排他的論理和(EXOR)演算を実行したときにの
み、完全な復号ができることを確かめた。
で復号を行っても、原文が透けて見えることはないこと
も確かめた。さらに、データ拡散倍率を1としたときで
も、アスキーコードで作成した英文や日本語の文章を原
文とするとき、文字や単語が透けて見えることはない。
拡散倍率を数倍から、10数倍に選ぶと暗号の頑健性は
さらに強化される。
互相関係数を調べることにより、SS信号内での“0”
と“1”の配列の類似性及びSS信号間での“0”と
“1”の配列の類似性が評価された。そのなかには、非
同期での非類似性だけでなく、完全な同期状態での検証
も含まれる。
したSS信号でも、異なる初期値からのSS信号でも、
スペクトル拡散通信に使用することができる。このよう
にSS信号の独立性を保証できるのは、カオスの初期値
敏感性、長時間予測不可能な性質、リヤブノフ指数に依
存した発散と収束といったカオスの持つ本性に由来す
る。
を参照して説明する。
発生方法を用いて発生したSS信号の一例を示す。
は、対称な非線形写像関数である ロジスティックマップ x(t+1)=4x(t){1-x(t)}、 フィードバック x(t)=x(t+1)、 同相変換量子化 y(t)=[{2/π・arcsin√x(t)}・2n]、 (ただし、tは離散時間であり、x(t)は0と1の間に正
規化された倍精度の実数で与えられるカオスの内部状態
である。)の各計算式を与えておき、適宜の初期値x(0)
を与えて前記フィードバック x(t)=x(t+1)を繰り返し計
算することでタイムシリーズx(t)-tを求め、量子化分解
能n=1を与えて前記求められたタイムシリーズx(t)-t
に対応する同相変換量子化y(t)=[{2/π・arcsin√x(t)}
・2n]を求め、当該求められた同相変換量子化y(t)から
タイムシリーズy(t)-tを取得し、当該取得したタイムシ
リーズy(t)-tから切り出した2値コード系列y(t)を周期
とするスペクトル拡散信号を発生するものである。
法を用いて、初期値x(0)=0.300・・・とし、y(0)から y(1
999)までの2000ビット分の出力のうち、離散時間tの順
番に出力される2値コード系列y(t)のみを、時間tを省
略して示してある。
合を例に挙げて説明しよう。周期160ビットは任意に
選んだ1つの実施形態にすぎない。SS信号の周期の中
の“0”と“1”の数を数えたとき、その数が同じくら
いになる長さとして周期160ビットを選ぶ。
たは“1”の連なりの分布である。図1において、
“0”または“1”が1ビットずつ孤立している割合は
約20%である。また、“00”または“11”と2つ
連なっている割合は約15%である。さらに、“00
0”または“111”と3つ連なった割合は約10%で
ある。そして、連なりが5個以上の割合は5%以下であ
るが、最大7個ぐらいまでの連なりは存在している。
連なりの片寄りと“1”の連なりの片寄りが相互に埋め
合わさって、“0”も平均すると約80個となり、
“1”もほぼ同数となる。周期をより長くするか、もっ
と短く選ぶかは、システム設計の要求に依存する。
出し方は、y(0)〜y(159)を1つのSS信号とし、y(160)
〜y(319)を他のSS信号とする。そのような取り出し方
は一例である。相互に重なり合うように取り出すと、意
識して重ねたところで相互相関が大きくなるのは当然で
ある。そのような重なり合う取り出し方は避けた方がよ
い。
期のSS信号の自己相関係数は、位相が一致したときは
当然160となるが、位相がずれたところでは0〜30
程度の正負の値をとる。位相がずれたところで同期がと
れてしまうということは、逆相関を含めて観測されたこ
とはない。相互相関も0〜30程度の正負の値を示し、
相関和は自己相関、相互相関とも500〜900程度で
ある。なお、相関係数を求めるとき、タイムシリーズの
“0”を−1とし、“1”を+1としている。
いのとき、安全な拡散倍率は10以上であろう。拡散倍
率を10としたとき、1周期で2バイトの文字が暗号コ
ード化されることになる。
されて、一旦は取り出され、“0”の連なりも“1”の
連なりも正確に10でなければならない。その中に反転
ビットが1つでもあれば、それはエラーである。伝送に
おけるエラーの発生を復元の過程で検出でき、修正がで
き、システムの信頼性を常に判断できることがスペクト
ル拡散通信の特徴である。
る手法であるが、周波数ホッピングに適用した場合に
も、2値コードをnビットで束ねた2n のn進ビットコ
ードに区分し、m個で1周期(2n ×m)とする利用が
可能である。
発明によれば、対称な非線形写像であるロジスティック
マップと、非線型量子化観察の基本モード(n=1)か
ら片寄りのない2値コード系列を多数取得して、CDM
A多重通信に用いて最適なSS信号を発生する具体的手
法を提供することができる。
用CPUなどのハードウエアチップは、量子化分解能n
=1として得られる2値コード系列y(t)をスペクトル拡
散信号として必要なだけ必要なときに出力するので、ハ
ードウエアとしてのスペクトル拡散信号発生器を提供す
ることができる。
通信の用途に用いて最適なきわめて秘匿性が高い暗号コ
ードを生成し得るストリーム暗号化方法を提案すること
ができる。
て秘匿性が高いストリーム暗号通信を実現可能となる。
具体的には、暗号コードを生成、拡張、混合、転送し、
同一のスペクトル拡散信号発生器を有するユーザが同期
をとってこれを復元するという、非同期多重マルチユー
ザストリーム暗号通信を実現可能であるというきわめて
優れた効果を奏する。
で構成され、順序の入れ替えは苦手としているが、本発
明では、非線形関数と非線型量子化により整数列の順序
の入れ替えを可能にし、工業用汎用CPUなどのハード
ウエアチップへのインストールにも成功している。
は、ハードウエアチップ毎に異なる値がインストールさ
れるという、ハードウエアチップの新しい活用法が見出
されている。
いて発生したSS信号の一例を示す図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 対称な非線形写像関数である ロジスティックマップ x(t+1)=4x(t){1-x(t)}、 フィードバック x(t)=x(t+1)、 同相変換量子化 y(t)=[{2/π・arcsin√x(t)}・2n]、 (ただし、tは離散時間であり、x(t)は0と1の間に正
規化された倍精度の実数で与えられるカオスの内部状態
である。)の各計算式を与えておき、 適宜の初期値x(0)を与えて前記フィードバック x(t)=x
(t+1)を繰り返し計算することでタイムシリーズx(t)-t
を求め、 量子化分解能n=1を与えて前記求められたタイムシリ
ーズx(t)-tに対応する同相変換量子化y(t)=[{2/π・arc
sin√x(t)}・2n]を求め、 当該求められた同相変換量子化y(t)からタイムシリーズ
y(t)-tを取得し、 当該取得したタイムシリーズ y(t)-tから切り出した2
値コード系列y(t)を周期とするスペクトル拡散信号を発
生することを特徴とするスペクトル拡散信号発生方法。 - 【請求項2】 対称な非線形写像関数である ロジスティックマップ x(t+1)=4x(t){1-x(t)}、 フィードバック x(t)=x(t+1)、 同相変換量子化 y(t)=[{2/π・arcsin√x(t)}・2n]、 (ただし、tは離散時間であり、x(t)は0と1の間に正
規化された倍精度の実数で与えられるカオスの内部状態
である。)の各計算式をプログラムで与え、 量子化分解能n=1と適宜の初期値x(0)をデータベース
で与え、これらを演算処理・記憶機能を持つハードウエ
アチップにインストールしておき、このハードウエアチ
ップがデータベースを参照しつつプログラムを実行する
ことにより、スペクトル拡散信号としての2値コード系
列y(t)を発生するように構成したことを特徴とするスペ
クトル拡散信号発生器。 - 【請求項3】 請求項1に記載のスペクトル拡散信号発
生方法で得られた2値コード系列を用いてストリーム暗
号化を行うことで暗号コードを得るストリーム暗号化方
法であって、 前記ストリーム暗号化は、請求項1に記載のスペクトル
拡散信号発生方法で得られた2値コード系列と、暗号化
対象となるディジタル情報との排他的論理和演算を実行
することで達成されることを特徴とするストリーム暗号
化方法。 - 【請求項4】 請求項3に記載のストリーム暗号化方法
で得られた暗号コードを用いてストリーム暗号通信を行
うことを特徴とするストリーム暗号通信方法。
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