JP2007020159A - Data transmission apparatus and data reception apparatus - Google Patents

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剛 生島
Masaru Fuse
優 布施
Satoshi Furusawa
佐登志 古澤
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide transmission and reception apparatuses which can realize performing key distribution and encrypted communication, at the same time. <P>SOLUTION: A transmission apparatus overlaps and transmits minute amplitude modulations, based on a random number signal on a multi-level signal generated, based on information data and key information. A receiving apparatus, in addition to data identification, performs, by using 2 thresholds between which an interval sufficiently larger than a modulation amplitude by a random number is provided, 3 kinds of identification for the random number signal: "1", "0", and "identification impossible", sends back to the transmission apparatus the information of bits with which the identification has succeeded, and shares the sent-back bits as a new key. Thus, the common device, including the transmission and reception apparatuses can realize performing the key distribution and the encrypted communication in the simultaneous manner. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、第三者による不法な盗聴・傍受を防ぐ秘密通信を行う装置に関する。より特定的には、正規の送受信者間で、特定の符号化/復号化(変調/復調)方式を選択・設定してデータ通信を行う装置に関する。   The present invention relates to an apparatus that performs secret communication that prevents illegal eavesdropping and interception by a third party. More specifically, the present invention relates to an apparatus that performs data communication by selecting and setting a specific encoding / decoding (modulation / demodulation) scheme between authorized senders and receivers.

従来、特定者同志でのみ通信を行うためには、送信/受信間で符号化/復号化のための元情報(鍵情報)を共有し、当該元情報に基づいて、伝送すべき情報データ(平文)を数学的に演算/逆演算することにより秘密通信を実現する構成が一般的に採用されている。   Conventionally, in order to perform communication only between specific persons, original information (key information) for encoding / decoding is shared between transmission / reception, and information data to be transmitted based on the original information ( In general, a configuration that realizes secret communication by mathematically calculating / reversing a plaintext) is employed.

これに対して、近年、伝送路における物理現象を積極的に利用した暗号方式がいくつか提案されている。その中の1つとして、光伝送路で発生する量子雑音を利用して暗号通信を行うY−00プロトコルと呼ばれる方式がある。Y−00プロトコルを用いた送受信装置の一例として、特許文献1に開示されているものがある。   On the other hand, in recent years, several encryption schemes that actively use physical phenomena in the transmission path have been proposed. One of them is a method called Y-00 protocol that performs cryptographic communication using quantum noise generated in an optical transmission line. One example of a transmission / reception apparatus using the Y-00 protocol is disclosed in Patent Document 1.

図13は、Y−00プロトコルを用いた従来の送受信装置の構成例を示すブロック図である。図13において、送信部90001は、第1の多値符号発生部911と、多値処理部912と、変調部913とから構成される。受信部90002は、復調部915と、第2の多値符号発生部914と、識別部916とから構成される。まず、送信部90001と受信部90002とは、予め同じ内容の第1の鍵情報91と第2の鍵情報96とを共有しておく。第1の多値符号発生部911は、第1の鍵情報91に基づいて、“0”から“M−1”までのM個の値を有する多値の疑似乱数系列を、多値符号列92として生成する。   FIG. 13 is a block diagram illustrating a configuration example of a conventional transmission / reception apparatus using the Y-00 protocol. In FIG. 13, the transmission unit 90001 includes a first multilevel code generation unit 911, a multilevel processing unit 912, and a modulation unit 913. The receiving unit 90002 includes a demodulating unit 915, a second multi-level code generating unit 914, and an identifying unit 916. First, the transmission unit 90001 and the reception unit 90002 share the first key information 91 and the second key information 96 having the same contents in advance. Based on the first key information 91, the first multi-level code generator 911 converts a multi-value pseudo-random number sequence having M values from “0” to “M−1” into a multi-level code sequence. 92.

多値処理部912は、情報データ90と多値符号列92との値に基づいて、図14に示す信号フォーマットを用いて強度変調信号である多値信号93を生成する。すなわち、多値処理部912は、多値符号列92の信号強度を2M個のレベルに分け、これらのレベルを2つずつM個の組み合わせ(変調方式)とし、各組み合わせの一方のレベルに情報データ90の“0”を、他方のレベルに“1”を割り当てる。多値処理部912は、2M個のレベル全体では、情報データ90の“0”と“1”に相当するレベルが均等に分布するように割り当てる。   Based on the values of the information data 90 and the multi-level code string 92, the multi-level processing unit 912 generates a multi-level signal 93 that is an intensity modulation signal using the signal format shown in FIG. That is, the multi-level processing unit 912 divides the signal strength of the multi-level code sequence 92 into 2M levels, sets these levels to M combinations (modulation schemes) two by two, and stores information on one level of each combination. “0” of data 90 is assigned and “1” is assigned to the other level. The multi-value processing unit 912 assigns the levels corresponding to “0” and “1” of the information data 90 so as to be evenly distributed in the entire 2M levels.

図14の例では、“0”と“1”とが交互に割り当てられるようにしている。多値処理部912は、入力される多値符号列92の値に基づきレベルの組み合わせを1つ選択し、情報データ90の値に基づき、組み合わせのうちの一方のレベルを選択し、そのレベルを有する多値信号93を出力する。なお、特許文献1には、第1の多値符号発生部911は「送信用疑似乱数発生部」、多値処理部912は「変調方式指定部」及び「レーザ変調駆動部」、変調部913は「レーザダイオード」、復調部915は「フォトディテクタ」、第2の多値符号発生部914は「受信用疑似乱数発生部」、識別部916は「判定回路」と記載されている。   In the example of FIG. 14, “0” and “1” are alternately assigned. The multi-level processing unit 912 selects one level combination based on the value of the input multi-level code string 92, selects one level of the combination based on the value of the information data 90, and selects the level. The multi-value signal 93 is output. In Patent Document 1, the first multi-level code generation unit 911 is a “transmission pseudo-random number generation unit”, the multi-level processing unit 912 is a “modulation method designation unit”, a “laser modulation drive unit”, and a modulation unit 913. Is a “laser diode”, a demodulator 915 is a “photo detector”, a second multi-level code generator 914 is a “reception pseudo-random number generator”, and an identification unit 916 is a “determination circuit”.

M=4の場合の信号変化の例を図15(a)〜(g)に示す。例えば、情報データ90の値が“0111”(図15(a)参照)、多値符号列92の値が“0321”(図15(b)参照)のように変化する場合、多値信号93は図15(c)に示すような変化をする。変調部913は、多値信号93を光強度変調信号である変調信号94に変換し、光伝送路910を介して送信する。   Examples of signal changes when M = 4 are shown in FIGS. For example, when the value of the information data 90 changes as “0111” (see FIG. 15A) and the value of the multilevel code string 92 changes as “0321” (see FIG. 15B), the multilevel signal 93 Changes as shown in FIG. The modulation unit 913 converts the multilevel signal 93 into a modulation signal 94 that is a light intensity modulation signal, and transmits the modulated signal 94 via the optical transmission path 910.

復調部915は、光伝送路910を介して伝送されてきた変調信号94を光電変換し、多値信号95として出力する。第2の多値符号発生部914は、第2の鍵情報96に基づき、多値符号列92と同じ多値の疑似乱数系列である多値符号列97を生成する。識別部916は、多値信号95において、多値符号列97の値から図14に示す信号レベルの組み合わせ(変調方式)のうちどちらが用いられているかを判断し、組み合わせに含まれる2つの信号レベルを2値識別する。具体的には、識別部916は、図15(e)に示すように、多値符号列97の値に基づき識別レベルを設定し、多値信号95が識別レベルよりも大きい(上)か、あるいは小さい(下)かを判断する。この例では、識別部916は、“下、下、上、下”と識別している。   The demodulator 915 photoelectrically converts the modulated signal 94 transmitted via the optical transmission path 910 and outputs it as a multilevel signal 95. Based on the second key information 96, the second multi-level code generation unit 914 generates a multi-level code sequence 97 that is the same multi-value pseudo-random number sequence as the multi-level code sequence 92. The identifying unit 916 determines which one of the signal level combinations (modulation schemes) shown in FIG. 14 is used from the value of the multi-level code sequence 97 in the multi-level signal 95, and the two signal levels included in the combination Is binary-identified. Specifically, as shown in FIG. 15E, the identification unit 916 sets an identification level based on the value of the multi-level code sequence 97, and whether the multi-level signal 95 is larger (above) than the identification level. Or it is judged whether it is small (below). In this example, the identification unit 916 identifies “lower, lower, upper, lower”.

次に、識別部916は、多値符号列97が偶数の場合は下側が“0”、上側が“1”、奇数の場合は下側が“1”、上側が“0”と判定し、情報データ98として出力する。この例では、多値符号列97は“偶数、奇数、偶数、奇数”となっているため、情報データ98は“0111”となる。なお、多値信号95には雑音が含まれているが、送信部90001は、信号強度を適切に選ぶことで、2値識別における誤りの発生は無視できる程度に抑えることができる。   Next, the identification unit 916 determines that the lower side is “0”, the upper side is “1”, the lower side is “1”, and the upper side is “0” when the multi-level code sequence 97 is an even number. Output as data 98. In this example, since the multi-level code sequence 97 is “even, odd, even, odd”, the information data 98 is “0111”. Although the multi-level signal 95 includes noise, the transmission unit 90001 can suppress the occurrence of errors in binary identification to a negligible level by appropriately selecting the signal strength.

次に、想定される盗聴について説明する。盗聴者は、送信者と受信者とが共有する鍵情報を持たない状態で、変調信号94から情報データ90または第1の鍵情報91の解読を試みる。鍵情報を持たないため、盗聴者は、正規受信者が受信部90002を用いて行うのと同じ2値識別による受信方法を用いることはできない。そこで、盗聴者は、復調部921を用いて光電変換して得られる多値信号81を多値識別部922で多値識別し、得られた受信系列82に対して解読処理部923で解読処理を行うことで、情報データ90もしくは第1の鍵情報91の解読を試みると考えられる。   Next, assumed wiretapping will be described. An eavesdropper attempts to decrypt the information data 90 or the first key information 91 from the modulated signal 94 without having the key information shared by the sender and the receiver. Since it does not have key information, an eavesdropper cannot use the same reception method based on binary identification as an authorized receiver uses the receiving unit 90002. Therefore, the eavesdropper identifies the multilevel signal 81 obtained by photoelectric conversion using the demodulating unit 921 by the multilevel identifying unit 922 and decrypts the obtained received sequence 82 by the decrypting processing unit 923. By performing the above, it is considered that the information data 90 or the first key information 91 is attempted to be decrypted.

この場合、復調部921においてフォトディテクタで光電変換する際に、ショット雑音が発生し、多値信号81に重畳される。このショット雑音は、量子力学の原理により必ず発生することが知られている。ここで、信号レベルの間隔(以下、ステップ幅と称する)をショット雑音のレベルより十分小さくしておけば、識別誤りによって受信した多値信号81が正しい信号レベル以外の様々な多値レベルをとる可能性が無視できなくなる。よって盗聴者は、正しい信号レベルが、識別によって得られた信号レベル以外の値である可能性を考慮して解読処理を行う必要があるため、識別誤りが無い場合と比較して解読処理に要する計算量が増大し、結果として盗聴に対する安全性が向上する。
特開2005−57313号公報
In this case, when the demodulator 921 performs photoelectric conversion with the photodetector, shot noise is generated and superimposed on the multilevel signal 81. It is known that this shot noise is always generated by the principle of quantum mechanics. Here, if the signal level interval (hereinafter referred to as step width) is made sufficiently smaller than the shot noise level, the multilevel signal 81 received due to the identification error takes various multilevel levels other than the correct signal level. The possibility cannot be ignored. Therefore, an eavesdropper needs to perform decryption processing in consideration of the possibility that the correct signal level is a value other than the signal level obtained by identification. The calculation amount increases, and as a result, security against eavesdropping is improved.
JP 2005-57313 A

図13に示す従来の送受信装置は、第1の鍵情報91と第2の鍵情報96とを予め共有しておくことを前提としているが、実際の通信においては、鍵情報の同期外れが生じた時などに、改めて鍵情報の配送が必要となる場合がある。しかしながら、図13に示す従来の送受信装置は、鍵配送の機能を有していないという課題があった。   13 is based on the premise that the first key information 91 and the second key information 96 are shared in advance. However, in actual communication, the key information is out of synchronization. In some cases, it may be necessary to deliver the key information again. However, the conventional transmission / reception apparatus shown in FIG. 13 has a problem that it does not have a key distribution function.

それ故に、本発明は、上記の課題を解決するものであり、鍵配送と暗号化通信とを同時に実現可能な送受信装置を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to solve the above-described problems and to provide a transmission / reception apparatus that can simultaneously realize key distribution and encrypted communication.

本発明は、情報データを秘密通信するデータ送信装置に向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明のデータ送信装置は、所定の鍵情報を用いて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、所定の処理に従って、多値符号列と情報データとを合成し、両信号レベルの組み合わせに対応したレベルを有する多値信号を生成する多値処理部と、多値信号に基づいて、所定の変調形式の変調信号を発生する変調部と、乱数信号を生成する乱数発生部と、受信側から伝送された選択変調信号に基づき、乱数信号から一部のビットを選択し、当該選択したビットを選択ビットとして蓄積し、所定の条件を満足した場合には選択ビットを新たな鍵情報として出力する鍵共有部とを備える。また、変調信号には、所定の期間において乱数信号に基づく振幅変調が加えられている。   The present invention is directed to a data transmission apparatus for secretly communicating information data. In order to achieve the above object, the data transmitting apparatus of the present invention uses a predetermined key information, a multi-level code generation unit that generates a multi-level code sequence whose signal level changes in a substantially random manner, The multi-level code sequence and the information data are combined in accordance with the above processing, a multi-level processing unit for generating a multi-level signal having a level corresponding to the combination of both signal levels, and a predetermined modulation format based on the multi-level signal A modulation unit that generates a modulation signal, a random number generation unit that generates a random number signal, and a selected bit that is selected from the random number signal based on the selected modulation signal transmitted from the reception side, and the selected bits are selected bits And a key sharing unit that outputs selected bits as new key information when a predetermined condition is satisfied. In addition, amplitude modulation based on a random number signal is added to the modulation signal in a predetermined period.

好ましくは、鍵共有部は、所定の変調形式の選択変調信号を復調し、選択信号として出力する選択信号復調部と、乱数信号から、選択信号に基づいて一部のビットを選択し、当該選択したビットを選択ビットとして出力する鍵蓄積制御部と、鍵情報を出力し、かつ選択ビットを蓄積し、所定の条件を満足した場合には選択ビットを新たな鍵情報として出力する鍵蓄積部とを備える。   Preferably, the key sharing unit demodulates a selection modulation signal of a predetermined modulation format and selects a part of the selection signal demodulation unit that outputs the selection modulation signal as a selection signal and a random signal based on the selection signal. A key storage control unit that outputs the selected bit as a selected bit, a key storage unit that outputs key information and stores the selected bit, and outputs a selected bit as new key information when a predetermined condition is satisfied, Is provided.

好ましくは、データ送信装置は、乱数信号に基づいて、情報データの振幅を決定する振幅制御信号を出力する振幅制御信号発生部と、多値処理部の前段に挿入され、振幅制御信号に基づいて情報データに振幅変調を施して出力する振幅変調部とをさらに備える。   Preferably, the data transmission device is inserted before the amplitude control signal generation unit that outputs the amplitude control signal for determining the amplitude of the information data based on the random number signal and the multi-level processing unit, and based on the amplitude control signal And an amplitude modulation unit that performs amplitude modulation on the information data and outputs the information data.

また、データ送信装置は、乱数信号に基づいて、多値信号の情報振幅を決定する振幅制御信号を出力する振幅制御信号発生部と、多値処理部と変調部との間に挿入され、振幅制御信号に基づいて多値信号に振幅変調を施して出力する振幅変調部とをさらに備えてもよい。   Further, the data transmission device is inserted between the amplitude control signal generating unit that outputs an amplitude control signal that determines the information amplitude of the multilevel signal based on the random number signal, the multilevel processing unit, and the modulation unit, and the amplitude An amplitude modulation unit that performs amplitude modulation on the multilevel signal based on the control signal and outputs the result may be further included.

また、データ送信装置は、乱数信号に基づいて、変調信号の情報振幅を決定する振幅制御信号を出力する振幅制御信号発生部と、変調部の後段に挿入され、振幅制御信号に基づいて変調信号に振幅変調を施して出力する振幅変調部とをさらに備えてもよい。   In addition, the data transmission device includes an amplitude control signal generation unit that outputs an amplitude control signal that determines the information amplitude of the modulation signal based on the random number signal, and a modulation signal that is inserted in the subsequent stage of the modulation unit and that is based on the amplitude control signal. And an amplitude modulation unit that performs amplitude modulation and outputs the result.

ただし、乱数信号に基づく振幅変調の大きさは、多値信号の情報振幅より十分小さいものとする。また、所定の期間は、情報データを伝送する期間と同一の期間であるものとする。   However, the amplitude modulation based on the random number signal is sufficiently smaller than the information amplitude of the multilevel signal. The predetermined period is the same as the period for transmitting information data.

好ましくは、データ送信装置は、所定の形式の制御信号を多値符号発生部に出力する制御信号発生部をさらに備える。   Preferably, the data transmission device further includes a control signal generation unit that outputs a control signal of a predetermined format to the multilevel code generation unit.

また、本発明は、情報データを秘密通信するデータ受信装置にも向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明のデータ受信装置は、送信側から所定の変調形式の変調信号を受信し、当該受信した変調信号を復調して、多値信号を出力する復調部と、所定の鍵情報を用いて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、多値符号列に基づいて、多値信号を識別し、情報データを出力する多値識別部と、所定の期間において、多値信号から送信側で生成された乱数信号の識別を試み、識別に成功した場合はその結果を選択ビットとして蓄積し、所定の条件を満足した場合には選択ビットを新たに鍵情報として出力し、かつ識別に成功したビットの位置を示す選択変調信号を送信側に出力する鍵共有部を備える。   The present invention is also directed to a data receiving apparatus for secretly communicating information data. In order to achieve the above object, the data receiving apparatus of the present invention receives a modulation signal of a predetermined modulation format from the transmission side, demodulates the received modulation signal, and outputs a multilevel signal And a multi-level code generator that generates a multi-level code sequence whose signal level changes in a substantially random manner using predetermined key information, and the multi-level signal is identified based on the multi-level code sequence, and information data And a multi-value identification unit that outputs a random number signal generated on the transmission side from a multi-value signal in a predetermined period, and if the identification is successful, the result is stored as a selection bit, and a predetermined condition is When satisfied, a key sharing unit is provided that outputs a selected bit as new key information and outputs a selected modulation signal indicating the position of the successfully identified bit to the transmitting side.

好ましくは、鍵共有部は、所定の期間において多値信号から乱数信号の識別を試み、識別に成功した場合はその結果を選択ビットとして出力し、かつ識別に成功したビットの位置を示す選択信号を出力する鍵識別部と、鍵情報を出力し、かつ選択ビットを蓄積し、所定の条件を満足した場合には選択ビットを新たに鍵情報として出力する鍵蓄積部と、選択信号を所定の変調形式で変調し、選択変調信号として出力する選択信号変調部とを備える。   Preferably, the key sharing unit attempts to identify the random number signal from the multi-level signal in a predetermined period, outputs the result as a selection bit when the identification is successful, and a selection signal indicating the position of the successfully identified bit A key identification unit that outputs the key information, accumulates the selected bits, and stores a selected bit as key information when a predetermined condition is satisfied, and a selection signal as a predetermined signal. A selection signal modulation unit that modulates the signal in a modulation format and outputs the signal as a selection modulation signal.

ただし、乱数信号に基づく振幅変調の大きさは、多値信号の情報振幅より十分小さいものとする。また、所定の期間は、情報データを伝送する期間と同一の期間であるものとする。   However, the amplitude modulation based on the random number signal is sufficiently smaller than the information amplitude of the multilevel signal. The predetermined period is the same as the period for transmitting information data.

好ましくは、データ受信装置は、多値信号から所定の形式の制御信号を再生する制御信号再生部をさらに備える。   Preferably, the data receiving apparatus further includes a control signal reproduction unit that reproduces a control signal of a predetermined format from the multilevel signal.

本発明のデータ通信装置は、鍵情報に基づいて情報データを多値信号に符号化・変調して送信し、受信した多値信号を同一の鍵情報に基づいて復調・復号化し、多値信号の信号対雑音電力比を適正化することに加え、多値信号に対して乱数信号に基づく振幅変調を重畳する。これによって、本発明のデータ通信装置は、暗号文の伝送と暗号鍵の配送とを、同じ送受信部を用いて同時に実現し、別途暗号鍵配送システムを用意する必要のない簡素な構成の秘密通信システムを提供することができる。   The data communication apparatus of the present invention encodes and modulates information data into a multilevel signal based on the key information, transmits the multilevel signal, and demodulates and decodes the received multilevel signal based on the same key information. In addition to optimizing the signal-to-noise power ratio, amplitude modulation based on a random number signal is superimposed on the multilevel signal. As a result, the data communication apparatus of the present invention realizes the transmission of the ciphertext and the distribution of the encryption key at the same time by using the same transmission / reception unit, and does not require a separate encryption key distribution system. A system can be provided.

また、制御信号に対して乱数信号に基づく振幅変調を重畳し、伝送することにより、暗号文と暗号鍵とに加え、タイミング信号等の様々な制御信号を同一の送受信部で伝送することが可能になる。そのため、別途暗号鍵配送システムを用意する必要がなく、秘密通信システムの構成を簡略化することができる。   In addition to ciphertext and encryption key, various control signals such as timing signals can be transmitted by the same transmitter / receiver by superimposing amplitude modulation based on random number signals on the control signal and transmitting it. become. Therefore, it is not necessary to prepare a separate encryption key distribution system, and the configuration of the secret communication system can be simplified.

(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るデータ通信装置の構成例を示すブロック図である。図1において、データ通信装置は、送信部23105と、受信部23205と、伝送路110と、選択信号伝送路152とを備える。送信部23105は、多値符号化部111と、変調部112と、第1の鍵共有部150と、乱数発生部151とを備える。受信部23205は、復調部211と、多値復号化部212と、第2の鍵共有部250とを備える。多値符号化部111は、第1の多値符号発生部111aと多値処理部111bとを備える。多値復号化部212は、第2の多値符号発生部212aと多値識別部212bとを備える。第1の鍵共有部150は、鍵蓄積制御部1501と、選択信号復調部1502と、第1の鍵蓄積部1503とを備える。第2の鍵共有部250は、鍵識別部2501と、選択信号変調部2502と、第2の鍵蓄積部2503とを備える。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a data communication apparatus according to the first embodiment of the present invention. 1, the data communication apparatus includes a transmission unit 23105, a reception unit 23205, a transmission path 110, and a selection signal transmission path 152. The transmission unit 23105 includes a multi-level encoding unit 111, a modulation unit 112, a first key sharing unit 150, and a random number generation unit 151. The receiving unit 23205 includes a demodulating unit 211, a multi-level decoding unit 212, and a second key sharing unit 250. The multi-level encoding unit 111 includes a first multi-level code generation unit 111a and a multi-level processing unit 111b. The multi-level decoding unit 212 includes a second multi-level code generation unit 212a and a multi-level identification unit 212b. The first key sharing unit 150 includes a key accumulation control unit 1501, a selection signal demodulation unit 1502, and a first key accumulation unit 1503. The second key sharing unit 250 includes a key identification unit 2501, a selection signal modulation unit 2502, and a second key storage unit 2503.

本実施形態は、暗号文伝送と、多値符号の発生に利用する鍵情報の配送とを同一の送受信部で行うものである。鍵情報の配送には、Yuen−Kim鍵配送プロトコルと呼ばれる方法を用いる。まず、Yuen−Kim鍵配送プロトコルについて、図2を参照しながら説明する。図2は、Yuen−Kim鍵配送プロトコルにおける信号レベルを説明する図である。   In the present embodiment, ciphertext transmission and delivery of key information used to generate a multilevel code are performed by the same transmission / reception unit. For delivery of key information, a method called Yuen-Kim key delivery protocol is used. First, the Yuen-Kim key distribution protocol will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram for explaining signal levels in the Yuen-Kim key distribution protocol.

鍵情報の配送において、データ通信装置は、正規受信者のみが正しい鍵情報を受け取ることができ、盗聴者は正しい鍵情報を受け取ることができない条件を作り出すことが必要である。ここで、送信者から正規受信者に伝送される信号のSN比が小さく、かつ信号に重畳される雑音は光デバイスで生じる量子雑音であるか、または受信装置内部で発生する雑音である場合を考える。このような場合、正規受信者の受信信号に重畳される雑音と、盗聴者の受信信号に重畳される雑音とに相関がないため、結果として正規受信者と盗聴者との受信レベルには相関が無くなる。Yuen−Kim鍵配送プロトコルはこの仕組みを利用したものである。   In the distribution of key information, the data communication apparatus needs to create a condition in which only a legitimate receiver can receive correct key information and an eavesdropper cannot receive correct key information. Here, the signal-to-noise ratio of the signal transmitted from the sender to the authorized receiver is small, and the noise superimposed on the signal is quantum noise generated in the optical device or noise generated in the receiver. Think. In such a case, there is no correlation between the noise superimposed on the reception signal of the legitimate receiver and the noise superimposed on the reception signal of the eavesdropper, and as a result, there is a correlation between the reception levels of the legitimate receiver and the eavesdropper. Disappears. The Yuen-Kim key distribution protocol uses this mechanism.

まず、送信者は乱数に基づいて信号を変調する。この時、送信者は、図2に示すように、“1”と“0”とに対応した信号レベルの差を雑音レベルより十分に小さく設定する。正規受信者がこの信号を受信する際には、雑音が重畳されているために信号レベルは“1”の場合は実線、“0”の場合は点線で示すような確率分布を示す。ここで、正規受信者は、“1”の平均レベルより十分大きく、これより上のレベルでは値が“0”である確率がほとんどないようなレベルを閾値1に設定する。   First, the sender modulates the signal based on a random number. At this time, as shown in FIG. 2, the sender sets the difference between the signal levels corresponding to “1” and “0” sufficiently smaller than the noise level. When a regular receiver receives this signal, noise is superimposed, so that the signal level indicates a probability distribution as indicated by a solid line when it is “1” and indicated by a dotted line when it is “0”. Here, the regular receiver sets the threshold value 1 to a level that is sufficiently larger than the average level of “1” and has a probability that the value is “0” above this level.

また、正規受信者は、“0”の平均レベルより十分小さく、これより下のレベルでは値が“1”である確率がほとんどないようなレベルを閾値0に設定する。正規受信者は、受信信号が閾値1より大きい場合は“1”、閾値0より小さい場合は“0”と識別し、閾値1と閾値0との間のレベルにある場合は値が不明であると判断してそのビットを破棄する。正規受信者は、識別に成功したビットについて、その位置を送信者に返送し、これを鍵として共有する。なお、正規受信者は、ごくまれに誤って受信信号を識別する可能性があるが、これに対しては誤り訂正符号等を用いて対処することができる。   Further, the regular receiver sets the threshold value 0 to a level that is sufficiently smaller than the average level of “0” and has a probability that the value is “1” at a level below this level. A legitimate recipient identifies “1” if the received signal is greater than threshold 1, and “0” if the received signal is less than threshold 0, and the value is unknown if the received signal is at a level between threshold 1 and threshold 0. It is determined that the bit is discarded. The legitimate receiver returns the position of the successfully identified bit to the sender, and shares this as a key. In addition, although a regular receiver may rarely mistakenly identify a received signal, this can be dealt with using an error correction code or the like.

一方、盗聴者の受信レベルも正規受信者と同様の確率分布を示すため、盗聴者も同様の識別を試みることが可能であるが、正規受信者と盗聴者との信号レベルとに相関性がないため識別に成功するビットの位置が異なる。このため、盗聴者は鍵を共有できない。また、仮に盗聴者が“1”と“0”との平均レベルの中間レベルを閾値として識別したとしても、信号レベルの確率分布が中間レベルを超えて分布しているため、高い確率でビット誤りが発生し、盗聴者が得られる鍵のビット列は誤ったものとなる。これにより、安全に鍵配送を実現できる。   On the other hand, since the reception level of the eavesdropper shows a probability distribution similar to that of the regular receiver, the eavesdropper can try the same identification, but there is a correlation between the signal level of the regular receiver and the eavesdropper. Because there is no bit, the position of the bit that succeeds in identification is different. For this reason, eavesdroppers cannot share keys. Even if an eavesdropper identifies an intermediate level between the average levels of “1” and “0” as a threshold, since the probability distribution of the signal level is distributed beyond the intermediate level, a bit error occurs with high probability. Occurs, and the bit string of the key obtained by the eavesdropper is incorrect. Thereby, key distribution can be realized safely.

次に、本実施形態の各部の動作について、図1を参照しながら説明する。図1において、第1の多値符号発生部111aは、予め定められた所定の第1の鍵情報11に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列12を発生する。多値処理部111bには、多値符号列12と情報データ10とが入力される。多値処理部111bは、所定の手順に従って、多値符号列12と情報データ10とを合成し、両信号レベルの組み合わせに一意に対応したレベルを有する多値信号13を生成し出力する。変調部112は、多値信号13を元データとして、所定の変調形式の変調信号14に変換して、伝送路110に送出する。   Next, the operation of each part of this embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 1, a first multi-level code generator 111a generates a multi-level code string 12 whose signal level changes substantially in a random manner based on predetermined first key information 11 determined in advance. The multi-level processing unit 111b receives the multi-level code string 12 and the information data 10. The multilevel processing unit 111b combines the multilevel code string 12 and the information data 10 according to a predetermined procedure, and generates and outputs a multilevel signal 13 having a level uniquely corresponding to the combination of both signal levels. The modulation unit 112 converts the multi-level signal 13 as original data into a modulation signal 14 having a predetermined modulation format, and sends it to the transmission line 110.

復調部211は、伝送路110を介して伝送されてきた変調信号14を復調し、多値信号15を再生する。第2の多値符号発生部212aは、第1の鍵情報11と同一の第2の鍵情報16を予め共有し、第2の鍵情報16に基づいて、多値符号列12に相当する多値符号列17を発生する。多値識別部212bは、多値符号列17を閾値として、多値信号15の識別(2値判定)を行い、情報データ18を再生する。ここで、変調部112と復調部211とが、伝送路110を介して送受信する所定の変調形式の変調信号14は、電磁波(電磁界)または光波を多値信号13で変調して得られるものである。   The demodulator 211 demodulates the modulated signal 14 transmitted via the transmission path 110 and reproduces the multilevel signal 15. The second multi-level code generation unit 212 a shares in advance the second key information 16 that is the same as the first key information 11, and the multi-level code sequence 12 corresponds to the multi-level code sequence 12 based on the second key information 16. A value code string 17 is generated. The multilevel identifying unit 212b identifies the multilevel signal 15 (binary determination) using the multilevel code string 17 as a threshold value, and reproduces the information data 18. Here, the modulation signal 14 of a predetermined modulation format transmitted and received by the modulation unit 112 and the demodulation unit 211 via the transmission line 110 is obtained by modulating an electromagnetic wave (electromagnetic field) or a light wave with the multilevel signal 13. It is.

なお、多値処理部111bにおける多値信号13の生成については、上述のように、多値符号列12と情報データ10との加算処理による方法以外に、情報データ10に従って、多値符号列12のレベルを振幅変調/制御する方法や、あるいは、両信号レベルの組み合わせに対応した多値信号レベルを予め記憶させたメモリから、両信号レベルに応じて逐次読み出す方法等、いかなる方法であっても構わない。   The generation of the multi-level signal 13 in the multi-level processing unit 111b is not limited to the method of adding the multi-level code sequence 12 and the information data 10 as described above, but according to the information data 10, the multi-level code sequence 12 Any method can be used, such as a method of amplitude modulating / controlling the level of a signal or a method of sequentially reading out a multi-level signal level corresponding to a combination of both signal levels from a memory in which the signal levels are stored in advance. I do not care.

乱数発生部151は、乱数信号84を発生し、第1の多値符号発生部111aと鍵蓄積制御部1501とに出力する。第1の多値符号発生部111aは、第1の鍵情報11に加え、乱数信号84の値に基づいて多値符号列12を生成し、多値処理部111bに出力する。   The random number generation unit 151 generates a random number signal 84 and outputs the random number signal 84 to the first multi-level code generation unit 111a and the key accumulation control unit 1501. The first multi-level code generation unit 111a generates the multi-level code sequence 12 based on the value of the random number signal 84 in addition to the first key information 11, and outputs the multi-level code sequence 12 to the multi-level processing unit 111b.

第1の鍵共有部150と第2の鍵共有部250とは、伝送された乱数信号84のうち、識別に成功したビットを送受信間で共有し、新たな鍵情報として保持する。その詳細について以下に説明する。鍵識別部2501は、多値信号15から乱数信号84を識別し、識別に成功した場合はその結果を選択ビット88として第2の鍵蓄積部2503に出力し、かつ識別に成功したビットの位置を選択信号89として選択信号変調部2502に出力する。第2の鍵蓄積部2503は、第2の鍵情報16の値を保持し、第2の鍵情報16の値を第2の多値符号発生部212aに出力する機能と、選択ビット88を蓄積する機能とを有する。そして、第2の鍵蓄積部2503は、所定の条件を満足した場合に、第2の鍵情報16の値を蓄積した選択ビット88の値に入れ替える。   The first key sharing unit 150 and the second key sharing unit 250 share the successfully identified bits in the transmitted random number signal 84 between the transmission and reception, and hold them as new key information. Details thereof will be described below. The key identifying unit 2501 identifies the random number signal 84 from the multilevel signal 15 and outputs the result to the second key storage unit 2503 as the selection bit 88 when the identification is successful, and the position of the bit that has been successfully identified. As a selection signal 89 to the selection signal modulation section 2502. The second key storage unit 2503 stores the value of the second key information 16, outputs the value of the second key information 16 to the second multi-level code generation unit 212a, and stores the selection bit 88. It has the function to do. Then, the second key storage unit 2503 replaces the value of the second key information 16 with the stored value of the selection bit 88 when a predetermined condition is satisfied.

所定の条件とは、蓄積された選択ビット88のビット数が第2の鍵情報16のビット数に達した場合であってもよいし、前回の鍵情報の入れ替えから所定の時間が経過した場合であってもよい。選択信号変調部2502は、選択信号89を所定の変調形式を有する選択変調信号87に変調し、選択信号伝送路152を介して伝送する。選択信号伝送路152には、任意の伝送路を用いることができ、例えば伝送路110と逆方向の伝送路に多重してもよく、また専用の伝送路を用意してもよい。   The predetermined condition may be a case where the number of bits of the stored selection bits 88 has reached the number of bits of the second key information 16 or when a predetermined time has elapsed since the previous key information was replaced. It may be. The selection signal modulation unit 2502 modulates the selection signal 89 into a selection modulation signal 87 having a predetermined modulation format, and transmits the modulation signal 87 via the selection signal transmission path 152. An arbitrary transmission path can be used as the selection signal transmission path 152. For example, the selection signal transmission path 152 may be multiplexed on a transmission path in the opposite direction to the transmission path 110, or a dedicated transmission path may be prepared.

選択信号復調部1502は、選択信号伝送路152を介して伝送された選択変調信号87を復調し、選択信号85として鍵蓄積制御部1501に出力する。鍵蓄積制御部1501は、乱数信号84の値を選択信号85が返送されるまで保持しておき、選択信号85の情報から受信側で識別に成功したことが分かった場合は乱数信号84のビットの値を選択ビット86として第1の鍵蓄積部1503に出力する。   The selection signal demodulator 1502 demodulates the selection modulation signal 87 transmitted via the selection signal transmission path 152 and outputs it to the key accumulation control unit 1501 as the selection signal 85. The key accumulation control unit 1501 holds the value of the random number signal 84 until the selection signal 85 is returned, and when it is found from the information of the selection signal 85 that the identification is successful on the receiving side, the bit of the random number signal 84 Is output as a selection bit 86 to the first key storage unit 1503.

一方、鍵蓄積制御部1501は、受信側で識別に失敗したことが分かった場合は乱数信号84のビットを破棄する。第1の鍵蓄積部1503は、第1の鍵情報11の値を保持し、第1の多値符号発生部111aに出力する機能と、選択ビット86を蓄積する機能とを有する。そして、第1の鍵蓄積部1503は、第2の鍵蓄積部2503と同じ所定の条件を満足した場合に、第1の鍵情報11の値を蓄積した選択ビット86の値に入れ替える。   On the other hand, the key accumulation control unit 1501 discards the bits of the random number signal 84 when it is found that identification has failed on the receiving side. The first key accumulation unit 1503 has a function of holding the value of the first key information 11 and outputting the value to the first multi-level code generation unit 111a and a function of accumulating the selection bit 86. The first key storage unit 1503 replaces the value of the first key information 11 with the stored value of the selected bit 86 when the same predetermined condition as that of the second key storage unit 2503 is satisfied.

続いて、図3及び図4を参照しながら、本実施形態で用いられる信号について説明する。図3は、第1の実施形態に係るデータ通信装置で用いられる信号波形を説明する模式図である。図3(a)に示すように、乱数信号84の値が“100100”である場合を考える。図3(b)に示すように、多値符号化部111は、多値信号13のレベルが情報データ10及び第1の鍵情報11に基づいて8種類のレベルを取る場合、それぞれについて乱数信号84の値“1”と“0”とに対応したレベル(それぞれ“+”、“−”で表記)を設定し、合計16種類のレベルを設定する。   Next, signals used in the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. 3 is a schematic diagram for explaining signal waveforms used in the data communication apparatus according to the first embodiment. Consider a case where the value of the random number signal 84 is “100100” as shown in FIG. As shown in FIG. 3B, when the multi-level encoding unit 111 takes eight levels based on the information data 10 and the first key information 11, the multi-level encoding unit 111 uses a random number signal for each level. Levels corresponding to 84 values “1” and “0” (represented by “+” and “−”, respectively) are set, and a total of 16 types of levels are set.

ここで、乱数信号の値“1”と“0”とに対応したレベル(例えば、L1+とL1−)の差は、量子雑音または復調部211で発生する雑音のレベルより小さく、かつ情報振幅(例えば、L1+とL5+)の差より十分に小さく設定しておく。これにより、多値信号13は、前述したYuen−Kim鍵配送プロトコルの信号レベルの条件を満たし、かつ多値信号13のレベルの差は、多値識別部212bにおける識別の際に誤差として無視できるようにする。   Here, the difference between the levels (for example, L1 + and L1−) corresponding to the values “1” and “0” of the random number signal is smaller than the level of the quantum noise or noise generated in the demodulator 211, and the information amplitude ( For example, it is set to be sufficiently smaller than the difference between L1 + and L5 +). As a result, the multilevel signal 13 satisfies the signal level condition of the Yuen-Kim key distribution protocol described above, and the level difference of the multilevel signal 13 can be ignored as an error during identification in the multilevel identification unit 212b. Like that.

受信側では、図3(c)に示すように、復調された多値信号15には雑音が重畳された状態となる。鍵識別部2501における識別では、第2の鍵情報16に基づいて生成された多値符号列17のレベルと、多値符号列17を元に生成された鍵識別レベルとを用いて乱数信号84を識別する。この識別方法について、期間t1(多値符号列のレベルC1)を例に説明する。ここでは、鍵識別レベルを“CK1a+”,“CK1a−”,“CK1b+”,“CK1b−”の4種類に設定する。“CK1a+”,“CK1b+”は図2における閾値1に、“CK1a−”,“CK1b−”は図2における閾値0に相当する。また、“CK1a+”,“CK1a−”は情報データ18の値が“0”の場合に対応し、“CK1b+”,“CK1b−”は情報データ18の値が“1”の場合に対応する。   On the receiving side, noise is superimposed on the demodulated multilevel signal 15 as shown in FIG. In the identification by the key identification unit 2501, the random number signal 84 is generated using the level of the multi-level code sequence 17 generated based on the second key information 16 and the key identification level generated based on the multi-level code sequence 17. Identify This identification method will be described taking the period t1 (level C1 of the multilevel code string) as an example. Here, four types of key identification levels, “CK1a +”, “CK1a−”, “CK1b +”, and “CK1b−” are set. “CK1a +” and “CK1b +” correspond to the threshold value 1 in FIG. 2, and “CK1a−” and “CK1b−” correspond to the threshold value 0 in FIG. “CK1a +” and “CK1a−” correspond to the case where the value of the information data 18 is “0”, and “CK1b +” and “CK1b−” correspond to the case where the value of the information data 18 is “1”.

図4は、各識別レベルにおいて受信した信号レベルの相対値と識別結果との対応関係を示す図である。図4において、“上”が受信した信号レベルが識別レベルより大きいことを、“下”が受信した信号レベルが識別レベルより小さいことを示している。鍵識別部2501は、受信した信号レベルが多値符号列レベルC1より小さい場合は情報データ18の値が“0”に対応するため、“CK1a+”と“CK1a−”とを用いて乱数信号を識別する。このとき鍵識別部2501は、信号レベルが“CK1a+”より大きい場合は乱数信号を“1”、“CK1b−”より小さい場合は乱数信号を“0”と識別し、“CK1a+”と“CK1a−”との間の場合は乱数信号を不明と判断する。   FIG. 4 is a diagram illustrating a correspondence relationship between the relative value of the received signal level and the identification result at each identification level. In FIG. 4, “upper” indicates that the received signal level is higher than the identification level, and “lower” indicates that the received signal level is lower than the identification level. Since the value of the information data 18 corresponds to “0” when the received signal level is smaller than the multi-level code string level C1, the key identification unit 2501 uses “CK1a +” and “CK1a−” to generate a random number signal. Identify. At this time, the key identifying unit 2501 identifies the random number signal as “1” when the signal level is greater than “CK1a +”, and identifies the random number signal as “0” when the signal level is smaller than “CK1b−”, and “CK1a +” and “CK1a−”. "", It is determined that the random number signal is unknown.

一方、鍵識別部2501は、受信した信号レベルが多値符号列レベルC1より小さい場合は情報データ18の値が“1”に対応するため、“CK1b+”と“CK1b−”とを用いて乱数信号を識別する。このとき鍵識別部2501は、信号レベルが“CK1b+”より大きい場合は乱数信号を“1”、“CK1b−”より小さい場合は乱数信号を“0”と識別し、“CK1b+”と“CK1b−”との間の場合は乱数信号を不明と判断する。鍵識別部2501は、同様にして、それぞれの期間において多値符号列17のレベルに基づいて鍵識別レベルを設定し、乱数信号の識別を行う。   On the other hand, when the received signal level is smaller than the multi-level code string level C1, the key identification unit 2501 uses “CK1b +” and “CK1b−” as a random number because the value of the information data 18 corresponds to “1”. Identify the signal. At this time, the key identifying unit 2501 identifies the random number signal as “1” when the signal level is greater than “CK1b +”, and identifies the random number signal as “0” when the signal level is smaller than “CK1b−”, and “CK1b +” and “CK1b−”. "", It is determined that the random number signal is unknown. Similarly, the key identification unit 2501 sets a key identification level based on the level of the multilevel code string 17 in each period, and identifies a random number signal.

以上で説明した方法は、既に使用している鍵情報から新しい鍵情報に更新する場合における乱数信号の伝送方法である。最初の鍵配送の場合は、データの伝送は行わず、所定の2つの隣接する多値信号レベル(例えば、L1+とL1−)のみを用い、乱数信号を伝送する。これにより、最初に使用する鍵情報の配送、及び何らかの理由(鍵情報の同期外れ、あるいは安全性の向上等)により鍵情報の更新を行いたい場合の双方に、本実施形態の方法を適用できる。   The method described above is a random number signal transmission method in the case where key information already used is updated to new key information. In the case of the first key distribution, no random number signal is transmitted using only predetermined two adjacent multilevel signal levels (for example, L1 + and L1−) without transmitting data. As a result, the method of this embodiment can be applied to both the distribution of the key information to be used first and the case where it is desired to update the key information for some reason (such as loss of synchronization of the key information or improvement of security). .

上述したような処理は、送信部23105が別の構成であっても実現できる。そのいくつかの例について説明する。図5は、第1の実施形態に係るデータ通信装置の第2の構成例を示すブロック図である。図5において、送信部23105aは、振幅制御信号発生部153と振幅変調部154とを新たに備える点が図1の構成と異なる。この構成例では、乱数信号84は、第1の多値符号発生部111aの代わりに振幅制御信号発生部153に入力される。振幅制御信号発生部153は、乱数信号80に基づいて、情報データ10の振幅を決定する振幅制御信号35を出力する。振幅変調部154は、多値処理部111bの前段に挿入され、振幅制御信号35に基づいて情報データ10に雑音レベルより小さな振幅変調を施して出力する。これにより、多値処理部111bは、図3(b)で説明したものと同様の多値信号13を生成することができる。   The processing described above can be realized even if the transmission unit 23105 has another configuration. Some examples will be described. FIG. 5 is a block diagram illustrating a second configuration example of the data communication apparatus according to the first embodiment. 5 is different from the configuration of FIG. 1 in that a transmission unit 23105a newly includes an amplitude control signal generation unit 153 and an amplitude modulation unit 154. In this configuration example, the random number signal 84 is input to the amplitude control signal generation unit 153 instead of the first multi-level code generation unit 111a. The amplitude control signal generator 153 outputs an amplitude control signal 35 that determines the amplitude of the information data 10 based on the random number signal 80. The amplitude modulation unit 154 is inserted in the previous stage of the multi-value processing unit 111b, performs amplitude modulation smaller than the noise level on the information data 10 based on the amplitude control signal 35, and outputs it. Thereby, the multi-value processing unit 111b can generate the multi-value signal 13 similar to that described with reference to FIG.

図6は、本発明の第1の実施形態に係るデータ通信装置の第3の構成例を示すブロック図である。本構成例は、振幅変調部154が多値処理部111bと変調部112との間に挿入されている点が図5の構成例と異なる。この場合、振幅変調部154は、多値信号13に対して雑音レベルより小さな振幅変調を施して出力する。   FIG. 6 is a block diagram showing a third configuration example of the data communication apparatus according to the first embodiment of the present invention. This configuration example is different from the configuration example of FIG. 5 in that the amplitude modulation unit 154 is inserted between the multi-level processing unit 111b and the modulation unit 112. In this case, the amplitude modulation unit 154 performs amplitude modulation smaller than the noise level on the multilevel signal 13 and outputs the result.

図7は、本発明の第1の実施形態に係るデータ通信装置の第4の構成例を示すブロック図である。本構成例は、振幅変調部154が変調部112の後段に挿入されている点のみが図5の構成例と異なる。この場合、振幅変調部154は、変調信号14に対して雑音レベルより小さな振幅変調を施して出力する。   FIG. 7 is a block diagram showing a fourth configuration example of the data communication apparatus according to the first embodiment of the present invention. This configuration example is different from the configuration example of FIG. 5 only in that the amplitude modulation unit 154 is inserted in the subsequent stage of the modulation unit 112. In this case, the amplitude modulation unit 154 performs amplitude modulation smaller than the noise level on the modulated signal 14 and outputs the result.

以上のように本実施形態によれば、暗号文の伝送と暗号鍵の配送を、同じ送受信部を用いて同時に実現できるため、別途暗号鍵配送システムを用意する必要がなく、秘密通信システムの構成を簡略化することができる。   As described above, according to the present embodiment, since the transmission of ciphertext and the distribution of the encryption key can be realized simultaneously using the same transmission / reception unit, it is not necessary to prepare a separate encryption key distribution system, and the configuration of the secret communication system Can be simplified.

(第2の実施形態)
図8は、本発明の第2の実施形態に係るデータ通信装置の構成例を示すブロック図である。図8に示すデータ通信装置の構成は、基本的に図1(第1の実施形態)と同様であるが、第2の多値符号発生部212aから出力される多値符号列17が鍵識別部2501に入力されず、タイミング信号61が鍵識別部2501と多値識別部212bとに入力される点が異なる。本実施形態は、データ伝送を行う期間を、暗号伝送するデータ期間と鍵配送を行う鍵配送期間とに時分割するものである。本実施形態における信号形態について、図9を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration example of a data communication apparatus according to the second embodiment of the present invention. The configuration of the data communication apparatus shown in FIG. 8 is basically the same as that in FIG. 1 (first embodiment), except that the multi-level code string 17 output from the second multi-level code generator 212a is key identification. The timing signal 61 is input to the key identifying unit 2501 and the multi-level identifying unit 212b without being input to the unit 2501. In the present embodiment, the period for data transmission is divided into a data period for cryptographic transmission and a key distribution period for key distribution. The signal form in this embodiment will be described with reference to FIG.

図9は、第2の実施形態に係るデータ通信装置で用いられる信号波形を説明する模式図である。図9(a)に示すように、鍵配送期間(t1)の多値信号13において鍵配送専用のレベルを設定し、乱数信号の値“1”に対応するレベルをK2、乱数信号の値“0”に対応するレベルをK1とする。ここで、K2とK1との差は、量子雑音または復調部211で生じる雑音のレベルより十分小さくなるように設定する。データ期間で設定される値については、第1の実施形態と同じであるので説明を省略する。   FIG. 9 is a schematic diagram for explaining signal waveforms used in the data communication apparatus according to the second embodiment. As shown in FIG. 9A, a level dedicated to key distribution is set in the multi-value signal 13 in the key distribution period (t1), the level corresponding to the value “1” of the random number signal is set to K2, and the value “ A level corresponding to 0 ″ is K1. Here, the difference between K2 and K1 is set to be sufficiently smaller than the level of quantum noise or noise generated in the demodulator 211. Since values set in the data period are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.

受信側では、図9(b)に示すように、多値信号15には雑音が重畳される。鍵識別部2501は、鍵配送期間であることを示すタイミング信号61が入力されている期間においては鍵識別を行う。乱数信号の値“1”に対応する鍵識別レベルCK2(図2の閾値1に相当)は“1”の平均レベルK2より十分大きく、乱数信号の値“0”に対応する鍵識別レベルCK1(図2の閾値0に相当)は“0”の平均レベルK1より十分小さく設定する。鍵識別部2501は、多値信号15の信号レベルがCK2より大きい場合は乱数信号を“1”、CK1より小さい場合は乱数信号を“0”と識別し、CK2とCK1との間の場合は乱数信号を不明と判断する。   On the receiving side, noise is superimposed on the multilevel signal 15 as shown in FIG. The key identification unit 2501 performs key identification during the period in which the timing signal 61 indicating the key distribution period is input. The key identification level CK2 corresponding to the value “1” of the random number signal (corresponding to the threshold value 1 in FIG. 2) is sufficiently larger than the average level K2 of “1”, and the key identification level CK1 corresponding to the value “0” of the random number signal ( (Corresponding to the threshold value 0 in FIG. 2) is set sufficiently smaller than the average level K1 of “0”. The key identification unit 2501 identifies the random number signal as “1” when the signal level of the multilevel signal 15 is greater than CK2, and identifies the random number signal as “0” when it is smaller than CK1, and in the case between CK2 and CK1. It is determined that the random number signal is unknown.

多値識別部212bは、タイミング信号61よりデータ期間を判断し、その期間において情報データの識別を行う。これ以外の各部の動作については、第1の実施形態と同様であるため、説明を省略する。   The multi-level identifying unit 212b determines a data period from the timing signal 61, and identifies information data in that period. Since the operation of each part other than this is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.

なお、図9では、鍵配送期間の多値信号レベルをデータ期間と異なる値に設定する場合について説明したが、鍵配送期間の多値信号レベルをデータ期間と同じ値に設定しても構わない。また、鍵配送期間とデータ期間との比率は通信システムの要求条件に応じて任意に設定することができる。例えば、鍵の交換頻度を多くして安全性を高めることを重視する場合には鍵配送期間を多くとればよく、情報データのスループットを大きくすることを重視する場合にはデータ期間を多くとればよい。   Although FIG. 9 illustrates the case where the multi-level signal level in the key distribution period is set to a value different from the data period, the multi-level signal level in the key distribution period may be set to the same value as the data period. . The ratio between the key distribution period and the data period can be arbitrarily set according to the requirements of the communication system. For example, if it is important to increase security by increasing the frequency of key exchange, the key distribution period may be increased. If it is important to increase the throughput of information data, the data period may be increased. Good.

以上のように、本発明の第2の実施形態によれば、鍵識別部2501における識別レベルを複雑に制御することなしに、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。   As described above, according to the second embodiment of the present invention, the same effect as that of the first embodiment can be obtained without complicatedly controlling the identification level in the key identifying unit 2501.

(第3の実施形態)
図10は、本発明の第3の実施形態に係るデータ通信装置の構成例を示すブロック図である。図10のデータ通信装置は、図8に示した構成に加え、送信部23107の内部にタイミング信号発生部132を、受信部23207の内部にタイミング信号再生部230を新たに備える。タイミング信号発生部132は、タイミング信号62を発生させる。タイミング信号62は、フレームクロックまたはデータ用クロックを分周した信号である。タイミング信号再生部230は、多値信号15からタイミング信号63を再生する。
(Third embodiment)
FIG. 10 is a block diagram showing a configuration example of a data communication apparatus according to the third embodiment of the present invention. In addition to the configuration shown in FIG. 8, the data communication apparatus in FIG. 10 newly includes a timing signal generation unit 132 inside the transmission unit 23107 and a timing signal reproduction unit 230 inside the reception unit 23207. The timing signal generator 132 generates the timing signal 62. The timing signal 62 is a signal obtained by dividing the frame clock or the data clock. The timing signal reproduction unit 230 reproduces the timing signal 63 from the multilevel signal 15.

本実施形態は、暗号文と暗号鍵とに加え、タイミング信号も同時に伝送する構成である。本実施形態における信号形態について、図11を参照しながら説明する。図11は、本発明の第3の実施形態で用いられる信号波形を説明する模式図である。図11(a)〜(c)は、タイミング信号と鍵配送とを同じタイミングで行う場合の例である。図11(a)を参照して、多値符号化部111は、タイミング信号伝送と鍵配送とを行う期間において、多値信号13のレベルを専用のレベルに設定する。乱数信号の変調と識別とについては、図9を用いて説明したものと同じであるので説明を省略する。図11(b)を参照して、タイミング信号再生部230は、データ期間の多値信号レベルと、タイミング信号伝送と鍵配送とを行う期間の多値信号15との間に、タイミング信号識別レベルCCを設定し、多値信号15に対して識別を行う。これにより、タイミング信号再生部230は、図11(c)に示すようなタイミング信号63を得ることができる。このタイミング信号63を多値符号化部212や鍵識別部2501で用いるクロック信号の基準として用いる。   In the present embodiment, in addition to the ciphertext and the encryption key, a timing signal is also transmitted at the same time. The signal form in this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a schematic diagram for explaining signal waveforms used in the third embodiment of the present invention. FIGS. 11A to 11C show examples when the timing signal and key distribution are performed at the same timing. Referring to FIG. 11A, the multi-level encoding unit 111 sets the level of the multi-level signal 13 to a dedicated level during a period in which timing signal transmission and key distribution are performed. The modulation and identification of the random number signal are the same as those described with reference to FIG. Referring to FIG. 11B, the timing signal reproducing unit 230 determines the timing signal identification level between the multi-level signal level in the data period and the multi-level signal 15 in the period for performing the timing signal transmission and key distribution. CC is set and the multilevel signal 15 is identified. Thereby, the timing signal reproducing unit 230 can obtain the timing signal 63 as shown in FIG. This timing signal 63 is used as a reference of a clock signal used in the multi-level encoding unit 212 and the key identification unit 2501.

なお、図11ではタイミング信号を伝送する期間のみ鍵配送を行う例を示したが、第1の実施形態で説明した方法を用いれば、データ期間においても鍵配送を行うことができる。   Note that FIG. 11 shows an example in which key distribution is performed only during a period in which the timing signal is transmitted. However, if the method described in the first embodiment is used, key distribution can be performed in the data period.

また、上述したデータ通信装置は、タイミング信号を伝送する例を示したが、同様の方法を用いることでタイミング信号に限らず様々な種類の制御信号を伝送することが可能である。図12は、第3の実施形態に係るデータ通信装置の第2の構成例を示すブロック図である。図12において、送信部23107aは、タイミング信号発生部132の代わりに、制御信号55を発生する制御信号発生部155を備え、受信部23207aは、タイミング信号再生部230の代わりに、多値信号15から制御信号56を再生する制御信号再生部255を備える構成となる。   Moreover, although the example which transmits a timing signal showed the data communication apparatus mentioned above, it is possible to transmit not only a timing signal but various types of control signals by using the same method. FIG. 12 is a block diagram illustrating a second configuration example of the data communication apparatus according to the third embodiment. In FIG. 12, the transmission unit 23107 a includes a control signal generation unit 155 that generates the control signal 55 instead of the timing signal generation unit 132, and the reception unit 23207 a replaces the timing signal reproduction unit 230 with the multilevel signal 15. The control signal reproduction unit 255 for reproducing the control signal 56 is provided.

以上のように本実施形態によれば、暗号文と暗号鍵に加え、タイミング信号等の様々な制御信号を同一の送受信部で伝送することが可能になる。   As described above, according to the present embodiment, in addition to the ciphertext and the encryption key, various control signals such as timing signals can be transmitted by the same transmission / reception unit.

本発明に係るデータ通信装置は、盗聴・傍受等を受けない安全な秘密通信装置等として有用である。   The data communication apparatus according to the present invention is useful as a secure secret communication apparatus that does not receive eavesdropping / interception.

本発明の第1の実施形態に係るデータ通信装置の構成例を示すブロック図1 is a block diagram showing a configuration example of a data communication apparatus according to a first embodiment of the present invention. Yuen−Kim鍵配送プロトコルにおける信号レベルを説明する図The figure explaining the signal level in a Yuen-Kim key distribution protocol 本発明の第1の実施形態に係るデータ通信装置で用いられる信号波形を説明する模式図Schematic diagram illustrating a signal waveform used in the data communication apparatus according to the first embodiment of the present invention. 各識別レベルにおいて受信した信号レベルの相対値と識別結果との対応関係を示す図The figure which shows the correspondence of the relative value of the signal level received in each identification level, and an identification result 第1の実施形態に係るデータ通信装置の第2の構成例を示すブロック図FIG. 3 is a block diagram showing a second configuration example of the data communication apparatus according to the first embodiment. 第1の実施形態に係るデータ通信装置の第3の構成例を示すブロック図The block diagram which shows the 3rd structural example of the data communication apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係るデータ通信装置の第4の構成例を示すブロック図The block diagram which shows the 4th structural example of the data communication apparatus which concerns on 1st Embodiment. 本発明の第2の実施形態に係るデータ通信装置の構成例を示すブロック図The block diagram which shows the structural example of the data communication apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態で用いられる信号波形を説明する模式図Schematic diagram illustrating the signal waveform used in the second embodiment of the present invention 本発明の第3の実施形態に係るデータ通信装置の構成例を示すブロック図The block diagram which shows the structural example of the data communication apparatus which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係るデータ通信装置で用いられる信号波形を説明する模式図Schematic diagram illustrating a signal waveform used in a data communication apparatus according to a third embodiment of the present invention. 第3の実施形態に係るデータ通信装置の第2の構成例を示すブロック図The block diagram which shows the 2nd structural example of the data communication apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 従来のデータ通信装置の構成を示すブロック図Block diagram showing the configuration of a conventional data communication device 従来のデータ通信装置における信号点配置の説明図Illustration of signal point arrangement in a conventional data communication device 従来のデータ通信装置で用いられる信号波形を説明する模式図Schematic diagram explaining signal waveforms used in conventional data communication devices

符号の説明Explanation of symbols

10、18 情報データ
11、16 鍵情報
12、17 多値符号列
13、15 多値信号
14 変調信号
84 乱数信号
85、89 選択信号
86、88 選択ビット
87 選択変調信号
110 伝送路
111 多値符号化部
111a 第1の多値符号発生部
111b 多値処理部
112 変調部
150 第1の鍵共有部
151 乱数発生部
152 選択信号伝送路
153 振幅制御信号発生部
154 振幅変調部
155 制御信号発生部
1501 鍵蓄積制御部
1502 選択信号復調部
1503 第1の鍵蓄積部
211 復調部
212 多値復号化部
212a 第2の多値符号発生部
212b 多値識別部
230 タイミング信号再生部
250 第2の鍵共有部
255 制御信号発生部
2501 鍵識別部
2502 選択信号変調部
2503 第2の鍵蓄積部
23105〜23107 送信部
23205〜23207 受信部
10, 18 Information data 11, 16 Key information 12, 17 Multi-level code string 13, 15 Multi-level signal 14 Modulated signal 84 Random number signal 85, 89 Select signal 86, 88 Select bit 87 Select modulation signal 110 Transmission path 111 Multi-level code Conversion unit 111a first multi-level code generation unit 111b multi-level processing unit 112 modulation unit 150 first key sharing unit 151 random number generation unit 152 selection signal transmission path 153 amplitude control signal generation unit 154 amplitude modulation unit 155 control signal generation unit 1501 Key accumulation control unit 1502 Selection signal demodulation unit 1503 First key accumulation unit 211 Demodulation unit 212 Multi-level decoding unit 212a Second multi-level code generation unit 212b Multi-level identification unit 230 Timing signal reproduction unit 250 Second key Sharing unit 255 Control signal generation unit 2501 Key identification unit 2502 Selection signal modulation unit 2503 Second key storage units 23105 to 23107 Transmitter 23205 to 23207 Receiver

Claims (13)

情報データを秘密通信するデータ送信装置であって、
所定の鍵情報を用いて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、
所定の処理に従って、前記多値符号列と前記情報データとを合成し、前記多値符号列と前記情報データのレベルの組み合わせに対応したレベルを有する多値信号を生成する多値処理部と、
前記多値信号に基づいて、所定の変調形式の変調信号を発生する変調部と、
乱数信号を生成する乱数発生部と、
受信側から伝送された選択変調信号に基づき、前記乱数信号から一部のビットを選択し、当該選択したビットを選択ビットとして蓄積し、所定の条件を満足した場合には前記選択ビットを新たな鍵情報として出力する鍵共有部とを備え、
前記変調信号には、所定の期間において前記乱数信号に基づく振幅変調が加えられていることを特徴とする、データ送信装置。
A data transmission device for secretly communicating information data,
A multi-level code generator that generates a multi-level code sequence in which the signal level changes substantially randomly using predetermined key information;
In accordance with a predetermined process, the multilevel code sequence and the information data are combined, and a multilevel processing unit that generates a multilevel signal having a level corresponding to a combination of the multilevel code sequence and the level of the information data;
A modulation unit that generates a modulation signal of a predetermined modulation format based on the multilevel signal;
A random number generator for generating a random number signal;
Based on the selected modulation signal transmitted from the receiving side, some bits are selected from the random number signal, the selected bits are stored as selected bits, and when the predetermined condition is satisfied, the selected bits are newly set. A key sharing unit that outputs as key information,
The data transmission device, wherein the modulation signal is subjected to amplitude modulation based on the random number signal in a predetermined period.
前記鍵共有部は、
所定の変調形式の選択変調信号を復調し、選択信号として出力する選択信号復調部と、
前記乱数信号から、前記選択信号に基づいて一部のビットを選択し、当該選択したビットを選択ビットとして出力する鍵蓄積制御部と、
前記鍵情報を出力し、かつ前記選択ビットを蓄積し、所定の条件を満足した場合には前記選択ビットを新たな鍵情報として出力する鍵蓄積部とを備えることを特徴とする、請求項1に記載のデータ送信装置。
The key sharing unit
A selection signal demodulator that demodulates a selection modulation signal of a predetermined modulation format and outputs the demodulation signal;
A key accumulation control unit that selects some bits from the random number signal based on the selection signal and outputs the selected bits as a selection bit;
2. A key storage unit that outputs the key information, stores the selected bits, and outputs the selected bits as new key information when a predetermined condition is satisfied. The data transmission device described in 1.
前記乱数信号に基づいて、前記情報データの振幅を決定する振幅制御信号を出力する振幅制御信号発生部と、
前記多値処理部の前段に挿入され、前記振幅制御信号に基づいて前記情報データに振幅変調を施して出力する振幅変調部とをさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載のデータ送信装置。
An amplitude control signal generator for outputting an amplitude control signal for determining the amplitude of the information data based on the random number signal;
2. The data transmission according to claim 1, further comprising: an amplitude modulation unit that is inserted in a preceding stage of the multi-level processing unit and that performs amplitude modulation on the information data based on the amplitude control signal and outputs the information data. apparatus.
前記乱数信号に基づいて、前記多値信号の情報振幅を決定する振幅制御信号を出力する振幅制御信号発生部と、
前記多値処理部と変調部との間に挿入され、前記振幅制御信号に基づいて前記多値信号に振幅変調を施して出力する振幅変調部とをさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載のデータ送信装置。
An amplitude control signal generator for outputting an amplitude control signal for determining an information amplitude of the multilevel signal based on the random number signal;
2. The apparatus according to claim 1, further comprising: an amplitude modulation unit that is inserted between the multi-level processing unit and the modulation unit and performs amplitude modulation on the multi-level signal based on the amplitude control signal and outputs the result. The data transmission device described in 1.
前記乱数信号に基づいて、前記変調信号の情報振幅を決定する振幅制御信号を出力する振幅制御信号発生部と、
前記変調部の後段に挿入され、前記振幅制御信号に基づいて前記変調信号に振幅変調を施して出力する振幅変調部とをさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載のデータ送信装置。
An amplitude control signal generator for outputting an amplitude control signal for determining an information amplitude of the modulation signal based on the random number signal;
The data transmission apparatus according to claim 1, further comprising: an amplitude modulation unit that is inserted in a subsequent stage of the modulation unit and performs amplitude modulation on the modulation signal based on the amplitude control signal and outputs the modulated signal.
前記乱数信号に基づく振幅変調の大きさは、前記多値信号の情報振幅より十分小さいことを特徴とする、請求項1に記載のデータ送信装置。   The data transmitting apparatus according to claim 1, wherein the magnitude of amplitude modulation based on the random number signal is sufficiently smaller than the information amplitude of the multilevel signal. 前記所定の期間は、前記情報データを伝送する期間と同一の期間であることを特徴とする、請求項1に記載のデータ送信装置。   The data transmission apparatus according to claim 1, wherein the predetermined period is the same as a period for transmitting the information data. 所定の形式の制御信号を前記多値符号発生部に出力する制御信号発生部をさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載のデータ送信装置。   The data transmission apparatus according to claim 1, further comprising a control signal generation unit that outputs a control signal of a predetermined format to the multilevel code generation unit. 情報データを秘密通信するデータ受信装置であって、
送信側から所定の変調形式の変調信号を受信し、当該受信した変調信号を復調して、多値信号を出力する復調部と、
所定の鍵情報を用いて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、
前記多値符号列に基づいて、前記多値信号を識別し、前記情報データを出力する多値識別部と、
所定の期間において、前記多値信号から送信側で生成された乱数信号の識別を試み、識別に成功した場合はその結果を選択ビットとして蓄積し、所定の条件を満足した場合には前記選択ビットを新たに鍵情報として出力し、かつ識別に成功したビットの位置を示す選択変調信号を送信側に出力する鍵共有部を備えることを特徴とする、データ受信装置。
A data receiving device for secretly communicating information data,
A demodulator that receives a modulated signal in a predetermined modulation format from the transmission side, demodulates the received modulated signal, and outputs a multi-level signal;
A multi-level code generator that generates a multi-level code sequence in which the signal level changes substantially randomly using predetermined key information;
Based on the multi-level code sequence, a multi-level identifying unit that identifies the multi-level signal and outputs the information data;
In a predetermined period, an attempt is made to identify a random number signal generated on the transmission side from the multilevel signal, and if the identification is successful, the result is stored as a selection bit, and if the predetermined condition is satisfied, the selection bit is stored. And a key sharing unit that outputs a selection modulation signal indicating the position of the bit that has been successfully identified to the transmission side.
前記鍵共有部は、
所定の期間において前記多値信号から前記乱数信号の識別を試み、識別に成功した場合はその結果を選択ビットとして出力し、かつ識別に成功したビットの位置を示す選択信号を出力する鍵識別部と、
前記鍵情報を出力し、かつ前記選択ビットを蓄積し、所定の条件を満足した場合には前記選択ビットを新たに鍵情報として出力する鍵蓄積部と、
前記選択信号を所定の変調形式で変調し、選択変調信号として出力する選択信号変調部とを備えることを特徴とする、請求項9に記載のデータ受信装置。
The key sharing unit
A key identification unit that attempts to identify the random number signal from the multilevel signal in a predetermined period, outputs the result as a selection bit when the identification is successful, and outputs a selection signal indicating the position of the successfully identified bit When,
A key storage unit that outputs the key information and stores the selected bits, and outputs the selected bits as new key information when a predetermined condition is satisfied;
The data receiving apparatus according to claim 9, further comprising a selection signal modulation unit that modulates the selection signal in a predetermined modulation format and outputs the modulation signal as a selection modulation signal.
前記乱数信号に基づく振幅変調の大きさは、前記多値信号の情報振幅より十分小さいことを特徴とする、請求項9に記載のデータ受信装置。   The data receiving apparatus according to claim 9, wherein the magnitude of amplitude modulation based on the random number signal is sufficiently smaller than the information amplitude of the multilevel signal. 前記所定の期間は、前記情報データを伝送する期間と同一の期間であることを特徴とする、請求項9に記載のデータ受信装置。   The data receiving apparatus according to claim 9, wherein the predetermined period is the same period as a period for transmitting the information data. 前記多値信号から所定の形式の制御信号を再生する制御信号再生部をさらに備えることを特徴とする、請求項9に記載のデータ受信装置。

The data receiving apparatus according to claim 9, further comprising a control signal reproducing unit that reproduces a control signal of a predetermined format from the multilevel signal.

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