JP2008507768A - 乱数発生器のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

乱数を発生するための方法および装置が開示されている。一つの観点において、無線通信装置中での使用のための乱数を発生する方法は、乱数を発生し、その発生した乱数のサンプルを収集し、平均値、標準偏差および、またはエントロピーのような少なくとも１つのメトリックを計算する。その方法はさらに、そのメトリックを対応する基準値と比較し、その発生した乱数が所望の分布を達成するように前記比較の結果に基づいてメトリックを調整する。別の観点において、乱数を発生する装置は、乱数を調整するためにフィードバック値および乱数を発生するハードウェアコンポーネントおよびアナログ雑音発生器を備えている。その装置はさらに、乱数を調整するための制御アルゴリズムを行わせる命令を実行することのできるプロセッサを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は乱数発生器に関する。さらに詳しくは、本発明は、無線通信装置の大量生産用の安定した、一貫した、自己較正する乱数発生器のための方法と装置に関する。

無線通信端末または装置において、例えば暗号アプリケーション用の乱数発生器が必要である。しかし、（温度、電圧および電流の変化のような）動作条件の変化（コンポーネントの製造時の非一貫性(inconsistencies)や、経時変化、保管寿命(self life)、操作寿命(operational life)による）やコンポーネント特性の変化は、既存の乱数発生器の、乱数を発生する性能を変化させる。結果として、その構成の乱数発生器の性能が変化するので、均一に機能するように製造された類似の装置は性能が変動し(fluctuate)、したがって異なる乱数分布が生じる。

したがって、コンポーネント特性、動作条件および環境の変化に関わらず、均一に機能する乱数発生器が必要である。また、同様に動作し、均一で一貫した性能を示す同様に製造された装置も必要である。

開示されている実施例は、新規かつ改良された乱数発生方法および装置を提供する。一つの観点において、無線通信装置中での使用のための乱数発生方法は、乱数を発生し、その発生した乱数のサンプルを収集する。その方法はさらに、平均値、標準偏差(standard deviation)および、またはエントロピー(entropy)のような少なくとも１つのメトリック(metric)をその収集したサンプルに基づいて計算し、そのメトリックを対応する基準値と比較する。その方法はさらに、その発生した乱数が所望の分布を達成するようにその比較の結果に基づいてメトリックを調整する。

他の観点において、乱数発生装置は、乱数およびその分布を調整するためにフィードバック値および乱数を発生するハードウェアコンポーネントおよびアナログ雑音発生器を備えている。その装置はさらに、乱数およびその分布を調整するための制御アルゴリズムを行わせる命令を実行することのできるプロセッサを含んでいる。

本発明の特徴と利点は、以下に説明する図面と関連した実施例の詳細な説明からより明らかになるであろう。
いくつかの実施例を詳細に説明する前に、本発明の技術的範囲は、以下の説明に記載されて図面に示されたコンポーネントの構成や配列の詳細に限定されてはならないことを理解すべきである。また、ここにおいて使用されている言い回し(phraseology)や専門用語は、記述のために用いられた、限定的なものとみなしてはならないことを理解すべきである。

図１は、一実施例による自動自己調整乱数発生器１００のブロック図を示している。乱数発生器１００は一般的に、アナログ雑音発生器ハードウェア１０２、制御プロセッサハードウェア１０４、および制御プロセッサソフトウェアモジュール１０６を備えている。アナログ雑音発生器ハードウェア１０２は、平均値Ｘおよび標準偏差Ｓで正規分布されるランダムアナログ電圧を供給する。一実施例によると、アナログ雑音発生器ハードウェア１０２はまた、信号処理のために雑音ダイオード１０８および増幅器１１０を備えてもよい。雑音ダイオードは、動作特性のこの部分の「屈曲(knee)」に作用するようにバイアスされた、その逆降伏領域（reverse breakdown region）中で使用されることができる。そのダイオードがこの領域中で動作されるとき、その端末における交流電圧は、その帯域にわたって平坦な(flat)スペクトル密度を有するガウス(Gaussian)分布である。

制御プロセッサハードウェア１０４は、ＡＤＣ（アナログ-デジタル変換器）１１２、ＣＰＵ（中央処理装置）もしくはコンピュータ、ならびにＤＡＣ（デジタル-アナログ変換器）１１４および１１６を備えている。ＡＤＣ１１２は、電圧基準（Ｖ−Ｒｅｆ）値に基づいて正規分布された(normally distributed)アナログ雑音電圧を量子化し、乱数を発生する。制御ソフトウェアモジュールに関連したＣＰＵは、乱数の分布をＡＤＣの能力の全範囲(full range)“ウィンドウ”に“適合させる(fit)”ために、例えば、乱数等、その量子化された雑音電圧のサンプルに基づいて、少なくとも１つのメトリックを計算し、ＡＤＣ１１２に入力された基準電圧（Ｖ−Ｒｅｆ）と増幅器１１０の直流オフセット入力を調整する。直流オフセットは乱数の平均Ｘを表し、基準電圧（Ｖ−Ｒｅｆ）は乱数の標準偏差を表す。ＡＤＣ基準電圧は、そのＡＤＣのフルスケール(full-scale)量子化能力に相当する。すなわち、それは、変換器のオーバースケーリング(over scaling)を行わずにデジタル化されることのできるＡＤＣへの最高電圧を定める。したがって、基準電圧の調整は、ＡＤＣのピーク・トゥ・ピーク電圧変換に直接的に比例する。

一実施例によると、制御プロセッサソフトウェアモジュール１０６はＡＤＣ１１２によって生成された乱数のサンプルに関して動作し、ＤＡＣ１１４および１１６にそれぞれフィードバックするために選択されたサンプルの平均Ｘおよび標準偏差Ｓを計算する。平均値Ｘは、波形１１８により示されているように、ＡＤＣ１１２により発生された乱数のヒストグラムのピークの位置を制御するために用いられる。基準偏差Ｓは、波形１２０により示されているように、ＡＤＣ１１２により発生された乱数のヒストグラムの幅を制御するために用いられる。

２〜３のもののみが構築中であって、動作環境が準静的(quasi-static)である典型的な乱数発生器システムにおいて、システムは、全てのシステムにわたって一貫した乱数分布を達成するためにそれらの一部分を変化させることにより調整されることができる。しかし、移動電話のような大量生産品(a high-volume production)においては、大量生産にわたって、かつ、変化する動作条件下において一貫した乱数分布を行う自動調整能力が必要である。

図２は一実施例による、乱数分布を調整するためのフローチャートを図示している。ステップ２０２において、直流オフセットおよび基準電圧（Ｖ−Ｒｅｆ）に関するいくつかの初期値が選択され、それらは乱数発生器が最後に調整されたときに得られた最終的な値でもよい。ステップ２０４において、ＡＤＣ１１２によって生成された乱数のサンプルが選択される。ステップ２０６において、その選択された乱数のサンプルの平均値が計算されて、基準平均値と比較される。その基準平均値は、乱数発生器のＡＤＣビット幅に基づいて選ばれてもよい。例えば、８ビットＡＤＣに関しては、基準平均値あるいは望ましい平均値は、望ましいガウス乱数ヒストグラム１２２に従うために１２７となる。１２７という基準平均値は８ビットＡＤＣ範囲の中間点に相当する。ステップ２０６において行われた比較に基づいて、増幅器１１０に入力された直流オフセット値は、ステップ２０８あるいは２１０において、状況に応じて線形、非線形、もしくは技術的によく知られた適応(adaptive)制御アルゴリズムによって調整される。

同様に、ステップ２１２において、選択された乱数のサンプルの標準偏差値が計算されて、基準(reference)標準偏差値と比較される。その基準標準偏差値は、乱数発生器の精度(accuracy)もしくはＡＤＣフルスケール(full scale)値に基づいて選択されてもよい。例えば、８ビットＡＤＣ１１２に関して、基準標準偏差値あるいは望ましい標準偏差値は、望ましいガウス乱数ヒストグラム１１２に従うために約４２となる。４２という基準標準偏差値は、８ビットＡＤＣ範囲の約６分の１に相当し、そのＡＤＣにおいて６シグマ（６ sigma）の乱数分布を提供する。ステップ２１２において行われた比較に基づいて、ステップ２１４あるいは２１６において、状況に応じて線形、非線形、もしくは技術的によく知られている適応制御アルゴリズムによって、ＤＡＣ１１６への入力が調整される。

図３は、３つの同様に製造された装置によって発生された３つの雑音電圧波形を図示している。これらの雑音電圧波形は、それぞれの増幅器１１０の出力で発生された信号に相当する。これらの波形は一般的に、構成コンポーネント特性、動作条件、および環境の違いのために、異なる平均および標準偏差値を有する。

図４は、自動調整を行われていない、図３と関連して上述した３つの同様に製造された装置に関する３つの乱数分布を図示している。これらの乱数分布は、それぞれのＡＤＣ１１２の出力で発生された乱数に相当する。それらは、まだ、異なる平均および標準偏差値を有している。

一方、図５は、自動調整メカニズムを有する、図３と関連して上述した同様に製造された装置に関する３つの均一な乱数分布を図示している。これらの乱数分布は、それぞれのＡＤＣ１１２の出力で発生された乱数に相当する。それらは、それらの構成コンポーネント特性、動作条件、および環境の違いにも関わらず、同じ、あるいは非常に近い平均および標準偏差値を有することが望ましい。

したがって、ここにおいて開示されている制御プロセッサおよびソフトウェアモジュールは、変化する動作条件下において多数の同様に製造された装置にわたって同様の乱数分布を生成するために乱数発生器を調整する。例えば、平均およびシグマ調整基準(criteria)が満たされた後に、乱数発生器は、較正されて、製品の寿命、環境変化および初期生産(initial production)に対して一貫したメトリックを所望のアプリケーションの乱数に提供する準備が整うと考えられる。

他の実施例において、発生された乱数内にどれだけランダムネス(randomness)が存在するかを示すエントロピーのような追加のメトリックはまた、乱数発生器の性能を調整するために計算されて調整されてもよい。

当業者は、情報および信号が様々な異なる技術およびプロトコルの任意のものを用いて表されることができることを理解するであろう。例えば、上記の記載全体を通じて引用されることのできるデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、記号およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁界や磁気粒子、光学フィールドや光学粒子、あるいはこれらの組み合わせによって表される。

当業者はさらに、ここに開示された実施形態と関連して記載された様々な実例となる論理ブロック、モジュール、回路およびアルゴリズムステップは、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、あるいは両者の組み合わせとして実施されることができることを認識するであろう。ハードウェアとソフトウェアのこの互換性を明確に説明するために、様々な実例となるコンポーネント、ブロック、モジュール、回路およびステップは、それらの機能性の点から一般的に上述されてきた。このような機能性がハードウェアとして実施されるか、あるいはソフトウェアとして実施されるかは、システム全体に課されている特定のアプリケーションおよびデザイン制約に依存する。当業者は、特定のアプリケーションのそれぞれに関して様々なやり方でその記載された機能性を実施することができ、このような実施の決定は、本発明の技術的範囲を逸脱するものではないと解釈されるべきである。

ここに開示されている実施形態と関連して記載された様々な実例となる論理ブロック、モジュールおよび回路は、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラム可能なゲートアレイ（ＦＰＧＡ）もしくは他のプログラム可能な論理装置、ディスクリートゲートもしくはトランジスタ論理、分離したハードウェアコンポーネント、あるいはここで述べられている機能を実行するようにデザインされたこれらの任意の組み合わせにより実施され、あるいは実行されてもよい。汎用プロセッサはマイクロプロセッサであってもよいが、別の実施形態では、プロセッサは任意の通常のプロセッサ、制御装置、マイクロコントローラ、または状態マシン(state machine)であってもよい。プロセッサはまた、計算装置の組み合わせ、例えば、１つのマイクロプロセッサ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと関連した１以上のマイクロプロセッサ、あるいは任意の他のこのような構成と、ＤＳＰとの組み合わせとして実施されてもよい。

ここに開示の実施形態と関連して記載された方法もしくはアルゴリズムのステップは、ハードウェアの中に、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュール中に、あるいはその２者の組み合わせの中に、直接的に含まれてもよい。ソフトウェアモジュールは、ＲＡＭメモリ、フラッシュメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、レジスタ、ハードディスク、取外し可能ディスク、ＭＳ−ＲＯＭ、あるいは技術的に周知の任意の他の形態の保存媒体中に備わっていてもよい。典型的な保存媒体は、プロセッサがその保存媒体から情報を読み取り、およびその保存媒体に情報を書き込むことができるように、そのプロセッサに接続される。別の実施形態においては、保存媒体はプロセッサと一体であってもよい。プロセッサおよび保存媒体はＡＳＩＣ中に備わっていてもよい。そのＡＳＩＣは、ユーザ端末中に備わっていてもよい。別の実施形態では、プロセッサおよび保存媒体は分離したコンポーネントとしてユーザ端末中に備わっていてもよい。

開示された実施形態の記載は、当業者が本発明を形成し、あるいは使用することを可能にするために提供されている。当業者は、これらの実施形態への様々な改良を容易に認識することができ、そして、ここに規定された包括的原理は、本発明の技術的範囲を逸脱することなく、例えば、即時(instant)メッセージング(messaging)サービスや任意の一般的な無線データ通信アプリケーション等において、他の実施形態に適応されうる。したがって、本発明はここに示されている実施形態に制限されるものではなく、ここに開示された原理および新しい特徴と一致した最も広範な技術的範囲を与えられている。

乱数発生器のブロック図。 乱数を発生するためのフローチャート。 同様に製造された装置の雑音電圧波形を示す概略図。 調整が行われない同様に製造された装置の乱数分布を示す概略図。 自動調整が行われる同様に製造された装置の同様の乱数分布を示す概略図。

Claims (26)

1. 以下を含む、無線通信装置中での使用のための乱数を発生させる方法：
   乱数を発生する；
   前記発生した乱数のサンプルを収集する；
   前記サンプルに基づいて少なくとも１つのメトリックを計算する；
   前記メトリックを対応する基準値と比較する；
   前記発生した乱数が所望の分布を達成するように前記比較の結果に基づいて前記メトリックを調整することを含む。
2. 前記メトリックは平均値を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記メトリックは標準偏差値を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記メトリックはエントロピー値を含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記調整は線形アルゴリズムにより前記メトリックを調整することを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記調整は非線形アルゴリズムにより前記メトリックを調整することを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記調整は適応アルゴリズムにより前記メトリックを調整することを含む、請求項１に記載の方法。
8. 以下を備える、無線通信装置において乱数を発生する装置：
   乱数を発生するための手段；
   前記発生した乱数のサンプルを収集するための手段；
   前記サンプルに基づいて少なくとも１つのメトリックを計算するための手段；
   前記メトリックを対応する基準値と比較するための手段；
   前記発生した乱数が所望の分布を達成するように前記比較の結果に基づいて前記メトリックを調整するための手段。
9. 前記メトリックは平均値を含む、請求項８に記載の装置。
10. 前記メトリックは標準偏差値を含む、請求項８に記載の装置。
11. 前記メトリックはエントロピー値を含む、請求項８に記載の装置。
12. 前記調整するための手段は線形アルゴリズムにより前記メトリックを調整するための手段を含む、請求項８に記載の装置。
13. 前記調整するための手段は非線形アルゴリズムにより前記メトリックを調整するための手段を含む、請求項８に記載の装置。
14. 前記調整するための手段は適応アルゴリズムにより前記メトリックを調整するための手段を含む、請求項８に記載の装置。
15. 以下を含む無線通信装置において乱数を発生する方法を実行するための手段を搭載しているコンピュータ可読媒体：
    ランダムに発生した数のサンプルに基づいて少なくとも１つのメトリックを計算する；
    前記メトリックを対応する基準値と比較する；
    前記発生した乱数が所望の分布を達成するように前記比較の結果に基づいて前記メトリックを調整する。
16. 前記メトリックは平均値を含む、請求項１５に記載の媒体。
17. 前記メトリックは標準偏差値を含む、請求項１５に記載の媒体。
18. 前記メトリックはエントロピー値を含む、請求項１５に記載の媒体。
19. 前記調整は、線形アルゴリズムにより前記メトリックを調整することを含む、請求項１５に記載の媒体。
20. 前記調整は非線形アルゴリズムにより前記メトリックを調整することを含む、請求項１５に記載の媒体。
21. 前記調整は適応アルゴリズムにより前記メトリックを調整することを含む、請求項１５に記載の媒体。
22. 以下を含むランダムに発生した数を調整する方法を、実施するプロセッサ：
    ランダムに発生した数のサンプルに基づいて少なくとも１つのメトリックを計算する；
    前記メトリックを対応する基準値と比較する；
    前記発生した乱数が所望の分布を達成するように前記比較の結果に基づいて前記メトリックを調整する。
23. 以下を備える、乱数を発生する装置：
    アナログ雑音電圧を発生するための手段；
    前記アナログ雑音電圧を乱数に変換するアナログ-デジタル変換器；
    前記乱数のサンプルに基づいて計算された直流オフセット値を、前記アナログ雑音電圧を発生するための手段に供給する第１のデジタル-アナログ変換器；
    前記乱数が所望の分布を達成するように、前記乱数のサンプルに基づいて計算された基準電圧値を前記アナログ-デジタル変換器に供給する第２のデジタル-アナログ変換器。
24. 前記発生するための手段は雑音発生器と増幅器とを含む、請求項２３に記載の装置。
25. 前記直流オフセット値は前記増幅器に供給される、請求項２４に記載の装置。
26. 前記基準電圧値は前記アナログ-デジタル変換器に供給される、請求項２４に記載の装置。

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