JP2009017231A

JP2009017231A - Data transmitter and data receiver

Info

Publication number: JP2009017231A
Application number: JP2007176612A
Authority: JP
Inventors: Tomokazu Sada; 友和佐田; Takeshi Ikushima; 剛生島; Satoshi Furusawa; 佐登志古澤; Masaru Fuse; 優布施
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-07-04
Filing date: 2007-07-04
Publication date: 2009-01-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a data transmitter and a data receiver which effect high-speed transmission, and reduce the deterioration of communication quality owing to the mistake of multi-value data upon reception of regular receiver while enhancing the specified prevention effect of key information owing to the multi-value mistake upon reception of an eavesdropper. <P>SOLUTION: For the production of multi-value base, a multi-value coding rule, wherein a hamming distance between neighbored signal levels is big, is utilized while multi-value coding rule, wherein a hamming distance between neighbored signal levels is small, is utilized for the production of multi-value data. <P>COPYRIGHT: (C)2009,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、特定者間で秘密通信を行うために、送信／受信間で符号化／復号化のための鍵情報を共有し、当該鍵情報に基づいて、伝送すべき情報データ（平文）を数学的に演算／逆演算する方式が一般的に採用されている。 Conventionally, in order to perform secret communication between specific persons, key information for encoding / decoding is shared between transmission / reception, and information data (plain text) to be transmitted is mathematically based on the key information. In general, a method of performing an operation / reverse operation 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秘密通信方式がいくつか提案されている。その内の１つとして、光伝送路で発生する量子雑音を利用して秘密通信を行うＹ−００プロトコルと呼ばれる方式がある。特許文献１には、Ｙ−００プロトコルを用いた従来のデータ通信装置が開示されている。 On the other hand, in recent years, several secret communication 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 secret communication using quantum noise generated in an optical transmission line. Patent Document 1 discloses a conventional data communication apparatus using the Y-00 protocol.

図９は、Ｙ−００プロトコルを用いた従来のデータ通信装置９の構成例を示すブロック図である。図９に示す通り、従来のデータ通信装置９は、送信部９０１と、受信部９０２とが、光伝送路９１０を介して接続された構成である。送信部９０１は、多値基底生成部９１１と、多値信号生成部９１２と、変調部９１３とを備える。受信部９０２は、復調部９１５と、多値基底生成部９１４と、２値データ復号部９１６とを備える。なお、送信部９０１と受信部９０２とは、互いに同じ内容である鍵情報９１、９６をそれぞれ予め共有しているものとする。なお、盗聴受信部９０３は、データ通信装置９の構成には含まれない。また、特許文献１には、多値基底生成部９１１が「送信用擬似乱数発生部」として、多値信号生成部９１２が「変調方式指定部」及び「レーザ変調駆動部」として、変調部９１３が「レーザダイオード」として、復調部９１５が「フォトディテクタ」として、多値基底生成部９１４が「受信用擬似乱数発生部」として、２値データ復号部９１６が「判定回路」として記載されている。 FIG. 9 is a block diagram showing a configuration example of a conventional data communication apparatus 9 using the Y-00 protocol. As shown in FIG. 9, the conventional data communication apparatus 9 has a configuration in which a transmission unit 901 and a reception unit 902 are connected via an optical transmission line 910. The transmission unit 901 includes a multilevel base generation unit 911, a multilevel signal generation unit 912, and a modulation unit 913. The reception unit 902 includes a demodulation unit 915, a multi-value base generation unit 914, and a binary data decoding unit 916. It is assumed that the transmission unit 901 and the reception unit 902 share key information 91 and 96 having the same content in advance. The wiretap receiving unit 903 is not included in the configuration of the data communication device 9. Further, in Patent Document 1, a multi-value base generation unit 911 is used as a “transmission pseudo-random number generation unit”, a multi-value signal generation unit 912 is used as a “modulation method designation unit” and a “laser modulation drive unit”, and a modulation unit 913. Is a “laser diode”, a demodulator 915 is “photodetector”, a multi-value base generator 914 is “reception pseudorandom number generator”, and a binary data decoder 916 is “determination circuit”.

送信部９０１において、多値基底生成部９１１は、鍵情報９１に基づいて、多値基底９２を生成する。ここで、多値基底９２は、“０”から“Ｍ_B−１”までのＭ_B個の値を有する多値の擬似乱数系列であり、複数の多値信号レベルのペア（以下、基底という）にそれぞれ対応する。多値信号生成部９１２は、２値データ９０と多値基底９２との組み合わせに対応したレベルを有する信号を多値信号９３として生成する。 In the transmission unit 901, the multilevel base generation unit 911 generates a multilevel base 92 based on the key information 91. Here, the multi-value base 92 is a multi-value pseudo-random number sequence having M _B values from “0” to “M _B −1”, and a plurality of multi-value signal level pairs (hereinafter referred to as bases). ) Respectively. The multilevel signal generation unit 912 generates a signal having a level corresponding to the combination of the binary data 90 and the multilevel base 92 as the multilevel signal 93.

図１０は、Ｙ−００プロトコルを用いた従来のデータ通信装置９における多値信号９３を生成する信号フォーマットを示す図である。以下では、図１０を用いて、より具体的に説明する。多値信号生成部９１２は、図１０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、多値信号生成部９１２は、多値基底生成部９１１で生成された多値基底９２に基づいて、複数の基底のうちの一つを選択する。ここで、各基底の一方のレベルには２値データ９０の“０”が割り当てられ、他方のレベルには２値データ９０の“１”が割り当てられている。また、２値データ９０の“０”と“１”とに相当するレベルは、“０”及び“１”の値がレベル全体に対して均等に分布するように割り当てられる。図１０では、一例として、“０”と“１”とが交互に各レベルに割り当てられている。次に、多値信号生成部９１２は、選択した基底のうち、２値データ９０の値（“０”又は“１”）が割り当てられたレベルを有する多値信号９３を生成する。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。 FIG. 10 is a diagram showing a signal format for generating the multilevel signal 93 in the conventional data communication apparatus 9 using the Y-00 protocol. Below, it demonstrates more concretely using FIG. The multi-level signal generation unit 912 generates a multi-level signal 93 that is an intensity modulation signal using the signal format shown in FIG. That is, the multilevel signal generation unit 912 selects one of a plurality of bases based on the multilevel base 92 generated by the multilevel base generation unit 911. Here, “0” of binary data 90 is assigned to one level of each base, and “1” of binary data 90 is assigned to the other level. The levels corresponding to “0” and “1” of the binary data 90 are assigned so that the values “0” and “1” are evenly distributed over the entire level. In FIG. 10, as an example, “0” and “1” are alternately assigned to each level. Next, the multilevel signal generation unit 912 generates a multilevel signal 93 having a level to which the value (“0” or “1”) of the binary data 90 is assigned among the selected bases. 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.

図１１は、従来のデータ通信装置９で用いられる信号形態を説明するための模式図である。多値基底９２の数量Ｍ_B＝４の場合の各信号の変化の例を図１１（ａ）〜（ｇ）に示す。例えば、２値データ９０の値が“０１１１”（図１１（ａ）参照）のように変化し、多値基底９２の値が“０３２１”（図１１（ｂ）参照）のように変化する場合、多値信号９３は、図１０に示す信号フォーマットに従って、図１１（ｃ）に示すように変化する。 FIG. 11 is a schematic diagram for explaining a signal form used in the conventional data communication device 9. Examples of changes in signals when the quantity M _B of the multi-value base 92 is 4 are shown in FIGS. For example, the value of the binary data 90 changes as “0111” (see FIG. 11A), and the value of the multi-value base 92 changes as “0321” (see FIG. 11B). The multi-value signal 93 changes as shown in FIG. 11C according to the signal format shown in FIG.

また、図９に示す通り、受信部９０２において、復調部９１５は、光伝送路９１０を介して伝送される変調信号９４を光信号から電気信号へ変換（以下、光電変換という）して、多値信号９５として出力する。多値基底生成部９１４は、鍵情報９６に基づいて、多値基底９２と同じ多値の擬似乱数系列である多値基底９７を生成する。２値データ復号部９１６は、多値基底９７の値に対応する基底（信号レベルのペア）に含まれる２つの信号レベルについて２値識別して、２値データ９８を特定する。 Further, as shown in FIG. 9, in the receiving unit 902, the demodulating unit 915 converts the modulated signal 94 transmitted through the optical transmission path 910 from an optical signal to an electrical signal (hereinafter referred to as photoelectric conversion), and performs multiple processing. A value signal 95 is output. Based on the key information 96, the multi-value base generation unit 914 generates a multi-value base 97 that is the same multi-value pseudo-random number sequence as the multi-value base 92. The binary data decoding unit 916 identifies binary data 98 by performing binary identification on two signal levels included in a base (a pair of signal levels) corresponding to the value of the multilevel base 97.

より具体的には、２値データ復号部９１６は、図１０（ｅ）に示すように、多値基底９７の値（図１０（ｄ））に基づいて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、２値データ復号部９１６は、“下、下、上、下”と識別する。次に、２値データ復号部９１６は、多値基底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、２値データ９８として出力する。この例では、多値基底９７は、“偶数、奇数、偶数、奇数”であるため、２値データ９８は“０１１１”となる（図１０（ｆ））。なお、多値信号９５には、雑音が含まれているが、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を無視できる程度に抑えることができる。 More specifically, as shown in FIG. 10E, the binary data decoding unit 916 sets an identification level based on the value of the multi-value base 97 (FIG. 10D), and the multi-value signal 95 Is greater (above) or less (below) the identification level. In this example, the binary data decoding unit 916 identifies “down, down, up, down”. Next, when the multi-value base 97 is an even number, the binary data decoding unit 916 has “0” on the lower side, “1” on the upper side, and “1” on the lower side and “0” on the upper side when the multi-value base 97 is odd. The determination is made and output as binary data 98. In this example, since the multilevel base 97 is “even, odd, even, odd”, the binary data 98 is “0111” (FIG. 10F). The multilevel signal 95 contains noise, but by appropriately selecting the signal strength, it is possible to suppress the occurrence of errors in binary identification to a level that can be ignored.

次に、想定される盗聴について説明する。図９に示す通り、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２値データ９０または鍵情報９１の解読を試みる。盗聴者は、正規受信者（受信部９０２）と同様の２値識別を行う場合、鍵情報を持っていないため、鍵情報が取り得る全ての値に対して識別を試みる（鍵の総当り攻撃をする）必要がある。このような方法は、試行回数が鍵情報の長さに対して指数関数的に増大するため、鍵情報の長さが十分長い場合には現実的ではない。そこで、より効率的な方法として、盗聴者は、図９に示す通り、盗聴受信部９０３を用いて、変調信号９４から２値データ９０又は鍵情報９１の解読を試みることが考えられる。盗聴受信部９０３において、復調部９２１は、光伝送路９１０から分岐して得られる変調信号９４を復調（光電変換）し、多値信号８１を再生する。多値識別部９２２は、多値信号８１を多値識別し（図１０（ｇ））、得られた情報を受信系列８２として出力する。解読処理部９２３は、受信系列８２に対して解読処理を行い、２値データ９０又は鍵情報９１の特定を試みる。このような解読方法を用いた場合、盗聴受信部９０３は、仮に受信系列８２を誤り無く多値識別することができたならば、得られた受信系列８２から１回の試行で鍵情報９１の解読を行うことが可能となる。 Next, assumed wiretapping will be described. As shown in FIG. 9, the eavesdropper attempts to decrypt the binary data 90 or the key information 91 from the modulated signal 94 without having the key information shared by the sender and the receiver. An eavesdropper does not have key information when performing binary identification similar to that of an authorized receiver (receiving unit 902), and therefore attempts to identify all possible values of key information (key brute force attack). Need to). Such a method is not practical when the length of the key information is sufficiently long because the number of trials increases exponentially with respect to the length of the key information. Therefore, as a more efficient method, it is conceivable that the eavesdropper attempts to decrypt the binary data 90 or the key information 91 from the modulated signal 94 using the eavesdropping reception unit 903 as shown in FIG. In the eavesdropping reception unit 903, the demodulation unit 921 demodulates (photoelectrically converts) the modulation signal 94 obtained by branching from the optical transmission path 910 and reproduces the multilevel signal 81. The multi-level identifying unit 922 multi-levels the multi-level signal 81 (FIG. 10 (g)) and outputs the obtained information as a reception sequence 82. The decryption processing unit 923 performs decryption processing on the reception sequence 82 and attempts to specify the binary data 90 or the key information 91. When such a decryption method is used, if the wiretap receiving unit 903 can identify the reception sequence 82 without errors, the eavesdropping reception unit 903 can retrieve the key information 91 from the obtained reception sequence 82 in one trial. Decoding can be performed.

しかし、多値信号８１には、復調部９２１で変調信号９４を光電変換する際に発生したショット雑音が重畳されている。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、多値信号の信号レベルの間隔をショット雑音のレベルよりも十分に小さくしておけば、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取る可能性（確率）が無視できなくなる（図１０（ｇ））。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を要する試行回数、すなわち計算量が増大し、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 However, shot noise generated when the modulation signal 94 is photoelectrically converted by the demodulator 921 is 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 interval between the signal levels of the multilevel signal is sufficiently smaller than the shot noise level, the multilevel signal 81 received due to the identification error may take various multilevel levels other than the correct signal level. (Probability) cannot be ignored (FIG. 10 (g)). 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, and therefore requires decryption processing compared to the case where there is no identification error. The number of trials, that is, the amount of calculation increases, and as a result, security against eavesdropping is improved.
JP 2005-57313 A

将来的に伝送速度を高速化する場合、伝送する情報データは、上述した２値データから多値データとなることが想定される。これは、情報データの多値化によって伝送効率が向上するからである。 When the transmission speed is increased in the future, the information data to be transmitted is assumed to be multi-value data from the binary data described above. This is because transmission efficiency is improved by multi-value information data.

ここで、情報データが多値化された場合、多値信号の信号点間距離は縮小することとなる。この場合、復調部で発生するショット雑音によって、正規受信者が受信する情報データに復号誤りが生じる可能性は増加する。すなわち、情報データの多値化は、通信品質が劣化する方向に作用する。そこで、この問題を解消するために、多値信号の信号点間距離を拡大すると、盗聴者の解読に対する安全性が低下するという問題が生じる。そして、この様に情報データの多値化によって伝送効率を向上させる場合において、通信品質の確保と盗聴安全性の確保という相反する課題の達成を両立する手段については、十分な検討がなされていなかった。 Here, when the information data is multi-valued, the distance between the signal points of the multi-value signal is reduced. In this case, the possibility of a decoding error occurring in the information data received by the regular receiver increases due to shot noise generated in the demodulator. That is, the multi-value information data acts in the direction that the communication quality deteriorates. Therefore, in order to solve this problem, if the distance between the signal points of the multilevel signal is increased, there arises a problem that the security against eavesdropper's decoding is lowered. And in the case where transmission efficiency is improved by multi-valued information data in this way, sufficient consideration has not been given to means for achieving both conflicting issues of ensuring communication quality and securing eavesdropping safety. It was.

それ故に、本発明の目的は、上記課題を解決するものであり、盗聴者の受信時における多値誤りによる鍵情報の特定防止効果を増強しつつ、正規受信者の受信時における多値データの誤りによる通信品質劣化を低減することによって、通信品質と盗聴安全性とを十分に確保した、高速伝送を行うデータ送信装置及びデータ受信装置を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problem, and while enhancing the effect of preventing the identification of key information due to multi-level errors at the time of reception by an eavesdropper, It is an object to provide a data transmission device and a data reception device that perform high-speed transmission that sufficiently ensure communication quality and eavesdropping safety by reducing communication quality deterioration due to errors.

本発明は、所定の鍵情報に基づいて、データ受信装置との間で秘密通信を行うデータ送信装置に向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明のデータ送信装置は、鍵情報に基づいて、２値乱数を生成する２値乱数生成部と、２値乱数のビットパターンと、データ受信装置へ送信する２値データのビットパターンとの組合せに対応したレベルの多値信号を生成する多値信号生成部と、多値信号を所定の変調方式で変調して、変調信号を生成する変調部とを備える。 The present invention is directed to a data transmission apparatus that performs secret communication with a data reception apparatus based on predetermined key information. In order to achieve the above object, the data transmitting apparatus of the present invention transmits a binary random number generating unit that generates a binary random number based on the key information, a bit pattern of the binary random number, and the data receiving apparatus. A multi-level signal generation unit that generates a multi-level signal corresponding to a combination with a binary data bit pattern, and a modulation unit that generates a modulation signal by modulating the multi-level signal with a predetermined modulation method. Prepare.

また、２値データを多値化し、当該２値データのビットパターンに対応した多値データを生成する２値データ多値化部と、２値乱数のビットパターンに対応した多値の数値である多値基底を生成する２値乱数多値化部とを更に備え、多値信号生成部は、多値データと多値基底との組合せに対応したレベルの多値信号を生成してもよい。 In addition, the binary data is converted into multi-values, and a binary data multi-value conversion unit that generates multi-value data corresponding to the bit pattern of the binary data and a multi-value value corresponding to the bit pattern of the binary random number. A multi-value base may further include a binary random number multi-value conversion unit, and the multi-value signal generation unit may generate a multi-value signal having a level corresponding to a combination of the multi-value data and the multi-value base.

また、好ましくは、互いに隣接する多値データの値にそれぞれ対応する２値データのビットパターンの間のハミング距離は、互いに隣接しない多値データの値にそれぞれ対応する２値データのビットパターンの間のハミング距離以下である。 Preferably, the Hamming distance between the binary data bit patterns corresponding to the values of the multi-value data adjacent to each other is between the bit patterns of the binary data corresponding to the values of the multi-value data not adjacent to each other. Is less than the Hamming distance.

また、好ましくは、互いに隣接する多値基底の値にそれぞれ対応する２値乱数のビットパターンの間のハミング距離は、互いに隣接しない多値基底の値にそれぞれ対応する２値乱数のビットパターンの間のハミング距離以上である。 Preferably, the Hamming distance between the binary random number bit patterns respectively corresponding to the values of the multi-value bases adjacent to each other is between the binary random number bit patterns corresponding to the values of the multi-value bases not adjacent to each other. More than the Hamming distance.

また、好ましくは、多値データの多値数は、２のべき乗で表される数である。 Preferably, the multi-value number of the multi-value data is a number represented by a power of 2.

また、好ましくは、多値基底の多値数は、２のべき乗で表される数である。 Preferably, the multi-value number of the multi-value base is a number represented by a power of 2.

また、好ましくは、多値データの多値数は、多値基底の多値数以下となる。 Preferably, the multi-value number of the multi-value data is equal to or less than the multi-value number of the multi-value base.

また、好ましくは、多値データの多値数は、多値基底の多値数の約数となる。 Preferably, the multi-value number of the multi-value data is a divisor of the multi-value number of the multi-value base.

また、好ましくは、多値信号の多値数は、多値データの多値数と多値基底の多値数との積となる。 Preferably, the multi-value number of the multi-value signal is a product of the multi-value number of the multi-value data and the multi-value number of the multi-value base.

また、好ましくは、多値信号のレベルと、多値基底の値と多値データの値との組み合わせとは、一意の対応関係にある。 Preferably, the level of the multilevel signal and the combination of the multilevel base value and the multilevel data value have a unique correspondence.

また、好ましくは、互いに隣接する多値信号にそれぞれ対応する多値データの値は、互いに異なる。 Preferably, the values of the multilevel data corresponding to the multilevel signals adjacent to each other are different from each other.

また、好ましくは、多値データの多値数は、データ受信装置が変調信号を復調する際に生じる雑音が存在する多値信号のレベルの数量以下となる。 Preferably, the multi-level number of the multi-level data is equal to or less than the number of levels of the multi-level signal in which noise is generated when the data receiving apparatus demodulates the modulated signal.

また、本発明は所定の鍵情報に基づいて、データ送信装置との間で秘密通信を行うデータ受信装置にも向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明のデータ受信装置は、データ送信装置から受信した変調信号を所定の復調形式で復調し、当該復調の際に生じる雑音を含む多値信号を出力する復調部と、鍵情報に基づいて、２値乱数を生成する２値乱数生成部と、２値乱数のビットパターンに対応する複数のレベルのうち、雑音を含む多値信号のレベルの範囲に含まれるレベルに対応する２値データのビットパターンを復号する多値データ復号部とを備える。 The present invention is also directed to a data receiving apparatus that performs secret communication with a data transmitting apparatus based on predetermined key information. In order to achieve the above object, the data receiving apparatus of the present invention demodulates the modulated signal received from the data transmitting apparatus in a predetermined demodulation format, and outputs a multilevel signal including noise generated during the demodulation. The demodulator, a binary random number generator for generating a binary random number based on key information, and a level of a multilevel signal including noise among a plurality of levels corresponding to the bit pattern of the binary random number A multi-value data decoding unit for decoding a bit pattern of binary data corresponding to the level to be recorded.

また、２値乱数のビットパターンに対応した多値の数値である多値基底を生成する２値乱数多値化部と、２値データに対応する多値データから２値データを復号する２値データ復号部とを更に備え、多値データ復号部は、多値基底が対応する複数のレベルのうち、雑音を含む多値信号のレベルの範囲に含まれるレベルに対応する多値データを復号してもよい。 In addition, a binary random number multi-value generator for generating a multi-value base which is a multi-value numerical value corresponding to a binary random number bit pattern, and a binary value for decoding binary data from multi-value data corresponding to binary data A multi-level data decoding unit that decodes multi-level data corresponding to a level included in a level range of a multi-level signal including noise among a plurality of levels corresponding to the multi-level base. May be.

以上のように、本発明において、多値基底の生成には、隣接信号レベル間のハミング距離が大きい多値符号化則を利用する一方で、多値データの生成には隣接信号レベル間のハミング距離が小さい多値符号化則を利用する。このことによって、受信時の多値データ誤りによって、盗聴者が鍵情報を特定することを防止する効果を増強しつつ、正規受信者の通信品質劣化を低減することができる。この結果として、本発明によれば、通信品質と盗聴安全性とを十分に確保した、高速伝送を行うデータ送信装置及びデータ受信装置を提供することができる。 As described above, in the present invention, a multi-level basis is generated by using a multi-level coding rule having a large Hamming distance between adjacent signal levels, while multi-level data is generated by hamming between adjacent signal levels. A multi-value coding rule with a small distance is used. As a result, it is possible to reduce the communication quality deterioration of the authorized receiver while enhancing the effect of preventing the eavesdropper from specifying the key information due to the multi-value data error at the time of reception. As a result, according to the present invention, it is possible to provide a data transmission device and a data reception device that perform high-speed transmission with sufficiently ensured communication quality and eavesdropping safety.

（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１の構成の一例を示すブロック図である。図１に示す通り、データ通信装置１は、データ送信装置１０１とデータ受信装置２０１とが光伝送路３０によって接続された構成である。データ送信装置１０１は、多値基底生成部１１６と、２値データ多値化部１１３と、多値信号生成部１１４と、変調部１１５とを備える。データ受信装置２０１は、多値基底生成部２１６と、復調部２１５と、多値データ復号部２１４と、２値データ復号部２１３とを備える。多値基底生成部１１６は、２値乱数生成部１１１と、２値乱数多値化部１１２とを含む。多値基底生成部２１６は、２値乱数生成部２１１と、２値乱数多値化部２１２とを含む。なお、データ通信装置１が光伝送路３０を用いないで自由空間を介した通信を行う場合には、データ通信装置１は、光伝送路３０を備えない。 (First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of the data communication apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the data communication device 1 has a configuration in which a data transmission device 101 and a data reception device 201 are connected by an optical transmission line 30. The data transmission apparatus 101 includes a multilevel base generation unit 116, a binary data multilevel conversion unit 113, a multilevel signal generation unit 114, and a modulation unit 115. The data receiving apparatus 201 includes a multilevel base generation unit 216, a demodulation unit 215, a multilevel data decoding unit 214, and a binary data decoding unit 213. The multilevel base generation unit 116 includes a binary random number generation unit 111 and a binary random number multilevel conversion unit 112. The multilevel base generation unit 216 includes a binary random number generation unit 211 and a binary random number multilevel conversion unit 212. When the data communication apparatus 1 performs communication through free space without using the optical transmission path 30, the data communication apparatus 1 does not include the optical transmission path 30.

以下に、データ送信装置１０１の動作について説明する。多値基底生成部１１６は、鍵情報１１を用いて、値が略乱数的に変化する多値基底１３を生成する。より具体的には、多値基底生成部１１６において、２値乱数生成部１１１は、鍵情報１１に従って値が略乱数的に変化する２値乱数１２を生成し、２値乱数多値化部１１２は、当該２値乱数１２に対して所定の符号化則に従った多値化を行って多値基底１３を生成する。以下では、２値乱数多値化部１１２が用いる符号化則を多値基底生成符号化則という。２値データ多値化部１１３は、データ受信装置２０１へ送信する情報データである２値データ１０に対して、所定の符号化則に従った多値化を行って多値データ１４を生成する。以下では、２値データ多値化部１１３が用いる符号化則を多値データ生成符号化則という。多値信号生成部１１４は、多値基底１３と多値データ１４とを用いて、所定の信号フォーマットに従って多値信号１５を生成する。以下では、多値信号生成部１１４が用いる信号フォーマットを、多値信号生成フォーマットという。なお、多値信号生成フォーマットとは、多値基底１３の値と多値データ１４の値とを多値信号１５のレベルに対応付ける信号フォーマットであり、具体的な内容については後に説明する。変調部１１５は、多値信号１５を光強度変調して変調信号１６を生成し、光伝送路３０に出力する。 Hereinafter, the operation of the data transmission apparatus 101 will be described. The multi-value base generation unit 116 uses the key information 11 to generate a multi-value base 13 whose value changes in a substantially random manner. More specifically, in the multilevel base generation unit 116, the binary random number generation unit 111 generates a binary random number 12 whose value changes substantially randomly according to the key information 11, and generates a binary random number multilevel conversion unit 112. Performs multi-value quantization on the binary random number 12 according to a predetermined coding rule to generate a multi-value base 13. Hereinafter, the encoding rule used by the binary random number multilevel conversion unit 112 is referred to as a multilevel base generation encoding rule. The binary data multi-value conversion unit 113 generates multi-value data 14 by performing multi-value conversion according to a predetermined encoding rule for the binary data 10 that is information data to be transmitted to the data receiving apparatus 201. . Hereinafter, the encoding rule used by the binary data multi-level conversion unit 113 is referred to as a multi-level data generation encoding rule. The multilevel signal generation unit 114 generates the multilevel signal 15 using the multilevel base 13 and the multilevel data 14 according to a predetermined signal format. Hereinafter, the signal format used by the multilevel signal generation unit 114 is referred to as a multilevel signal generation format. The multi-level signal generation format is a signal format that associates the value of the multi-level base 13 and the value of the multi-level data 14 with the level of the multi-level signal 15, and the specific contents will be described later. The modulation unit 115 modulates the light intensity of the multilevel signal 15 to generate a modulation signal 16 and outputs the modulation signal 16 to the optical transmission line 30.

次に、データ受信装置２０１の動作について説明する。復調部２１５は、光伝送路３０から入力された変調信号１６を復調して、多値信号１５の再生信号である多値信号２５を生成する。ここで、多値信号２５には、変調信号１６を復調する際に生じたショット雑音が重畳されている。多値基底生成部２１６は、鍵情報１１と等しい鍵情報２１を用いて、値が略乱数的に変化する多値基底１３と等しい多値基底２３を生成する。より具体的には、多値基底生成部２１６において、２値乱数生成部２１１は、鍵情報１１と等しい鍵情報２１に従って、２値乱数１２と等しい２値乱数２２を生成し、また、２値乱数多値化部２１２は、当該２値乱数２２に対して、多値基底生成符号化則に従った多値化を行って多値基底１３と等しい多値基底２３を生成する。多値データ復号部２１４は、多値基底２３と多値信号２５とを用いて、多値信号生成フォーマットを用いて多値データ２４を復号する。２値データ復号部は、多値データ生成符号化則を用いて、多値データ２４から、２値データ１０と等しい２値データ２０を復号する。 Next, the operation of the data receiving apparatus 201 will be described. The demodulator 215 demodulates the modulated signal 16 input from the optical transmission path 30 to generate a multilevel signal 25 that is a reproduction signal of the multilevel signal 15. Here, shot noise generated when demodulating the modulation signal 16 is superimposed on the multilevel signal 25. The multi-value base generation unit 216 uses the key information 21 that is the same as the key information 11 to generate a multi-value base 23 that is equal to the multi-value base 13 whose value changes in a substantially random manner. More specifically, in the multilevel base generation unit 216, the binary random number generation unit 211 generates a binary random number 22 that is equal to the binary random number 12 according to the key information 21 that is equal to the key information 11. The random number multi-value conversion unit 212 multi-values the binary random number 22 according to the multi-value base generation coding rule to generate a multi-value base 23 equal to the multi-value base 13. The multilevel data decoding unit 214 decodes the multilevel data 24 using the multilevel base 23 and the multilevel signal 25 using the multilevel signal generation format. The binary data decoding unit decodes the binary data 20 that is equal to the binary data 10 from the multi-value data 24 using a multi-value data generation coding rule.

次に、多値信号生成フォーマットについて説明する。図２は、多値信号生成部１１４及び多値データ復号部２１４が用いる多値信号生成フォーマットの一例である。図２に示す通り、多値信号１５の各レベルには、多値基底１３の値と多値データ１４の値とが割り当てられる。ここで、図２の多値信号生成フォーマットでは、一例として、多値基底１３の多値数は８とし、多値データ１４の多値数は４としている。この場合、多値信号１５のレベルの数量は、３２（＝８×４）となる。多値基底１３の値「０，１，２，・・・７」は、多値信号１５のレベル「０，１，２，・・・３１」に、周期的に割り当てられる。多値データ１４は、或る多値基底１３の値が割当てられた複数の多値信号１５のレベル（４つのレベル）に互いに異なる多値データ１４の値が割当てられるように、多値信号１５の各レベルに割当てられる。具体的には、図２の太線で囲んだ部分に示すように、例えば、多値基底１３の値「５」が割当てられた複数の多値信号１５のレベル「５，１３，２１，２９」には、それぞれ、互いに異なる多値データ１４の値「１，２，３，０」が割当てられる。 Next, a multilevel signal generation format will be described. FIG. 2 is an example of a multilevel signal generation format used by the multilevel signal generation unit 114 and the multilevel data decoding unit 214. As shown in FIG. 2, the value of the multi-value base 13 and the value of the multi-value data 14 are assigned to each level of the multi-value signal 15. Here, in the multilevel signal generation format of FIG. 2, as an example, the multilevel number of the multilevel base 13 is 8 and the multilevel number of the multilevel data 14 is 4. In this case, the number of levels of the multilevel signal 15 is 32 (= 8 × 4). The value “0, 1, 2,... 7” of the multi-value base 13 is periodically assigned to the level “0, 1, 2,. The multi-level data 14 is such that different values of the multi-level data 14 are assigned to the levels (four levels) of the plurality of multi-level signals 15 to which the value of a certain multi-value base 13 is assigned. Assigned to each level. Specifically, as shown in a portion surrounded by a thick line in FIG. 2, for example, the levels “5, 13, 21, 29” of a plurality of multilevel signals 15 to which the value “5” of the multilevel base 13 is assigned. Are assigned values “1, 2, 3, 0” of multi-value data 14 different from each other.

ここで、図２の多値信号生成フォーマットでは、多値基底生成符号化則として、２値乱数１２を３ビット毎に２進数から１０進数に変換する符号化則を用い、また、多値データ生成符号化則として、２値データ１０を２ビット毎に２進数から１０進数に変換する符号化則を用いている。なお、２値乱数１２をｍ_Bビット毎に１０進数に変換し、２値データ１０をｍ_Dビット毎に１０進数に変換する場合には、多値基底１３の多値数は２のｍ_B乗となり、多値データ１４の多値数は２のｍ_D乗となる。 Here, in the multilevel signal generation format of FIG. 2, an encoding rule for converting the binary random number 12 from binary to decimal every 3 bits is used as the multilevel base generation encoding rule. As a generation coding rule, a coding rule for converting the binary data 10 from binary to decimal every 2 bits is used. Incidentally, the binary random number 12 is converted to a decimal each m _B bits, the binary data 10 to convert to decimal for each m _D bit, multi-level number of multi-level base 13 2 m _B The multi-value number of the multi-value data 14 is 2 to the m _D power.

また、図２の多値信号生成フォーマットは、式１で表すことができる。

ここで、ｍｏｄ（Ａ，Ｂ）は、整数Ａを整数Ｂで割った場合の余りを示す。また、多値基底１３の多値数をＭ_Bとし、多値基底１３の値をｉ_Bとし、多値データ１４の多値数をＭ_Dとし、多値データ１４の値をｉ_Dとし、多値信号１５のレベルをＬとする。なお、多値信号１５の多値数は、Ｍ_BとＭ_Dの積となる。但し、式１のｉ_D−ｉ_B＋Ｍ_Dの値が負の場合には、図２の多値信号生成フォーマットは、式２で表すことができる。

この様に、各値を対応付ける数式を多値信号生成フォーマットの代わりに用いることもできる。 Also, the multi-level signal generation format of FIG.

Here, mod (A, B) indicates the remainder when the integer A is divided by the integer B. In addition, the multi-value number of the multi-value base 13 is M _B , the value of the multi-value base 13 is i _B , the multi-value number of the multi-value data 14 is M _D , and the value of the multi-value data 14 is i _D , The level of the multilevel signal 15 is set to L. Note that multi-level number of the multi-level signal 15 is the product of M _B and M _D. However, when the value of i _D −i _B + M _D in Expression 1 is negative, the multilevel signal generation format in FIG. 2 can be expressed by Expression 2.

In this way, a mathematical expression that associates each value can be used instead of the multi-value signal generation format.

図３は、図２の多値信号生成フォーマットを用いて、多値信号１５を生成する方法について説明するための図である。以下では、２値データ１０のビットパターンが「１１」であり、２値乱数１２のビットパターンが「１０１」である場合を例に挙げて説明する。２値データ多値化部１１３は、多値データ生成符号化則に従って、２値データ１０のビットパターン「１１」から多値データ１４の値「３」を生成する。ここで、多値データ１４の値「３」が対応する多値信号１５のレベルは、図３の太枠で示す「３，７，１０，１４，１７，２１，２４，２８」である。一方、２値乱数多値化部１１２は、多値基底生成符号則に従って、２値乱数１２の値「１０１」から多値基底１３の値「５」を生成する。多値信号生成部１１４は、多値データ１４の値「３」及び多値基底１３の値「５」の両方が対応する多値信号１５のレベル「２１」を選択し（図３の矢印で示した太枠部分を参照）、当該レベルの多値信号１５を生成する。 FIG. 3 is a diagram for explaining a method of generating the multilevel signal 15 using the multilevel signal generation format of FIG. Hereinafter, a case where the bit pattern of the binary data 10 is “11” and the bit pattern of the binary random number 12 is “101” will be described as an example. The binary data multilevel conversion unit 113 generates the value “3” of the multilevel data 14 from the bit pattern “11” of the binary data 10 according to the multilevel data generation coding rule. Here, the level of the multilevel signal 15 corresponding to the value “3” of the multilevel data 14 is “3, 7, 10, 14, 17, 21, 21, 28” indicated by a thick frame in FIG. On the other hand, the binary random number multilevel conversion unit 112 generates the value “5” of the multilevel base 13 from the value “101” of the binary random number 12 according to the multilevel base generation code rule. The multi-value signal generation unit 114 selects the level “21” of the multi-value signal 15 corresponding to both the value “3” of the multi-value data 14 and the value “5” of the multi-value base 13 (indicated by the arrow in FIG. 3). The multi-level signal 15 of the level is generated.

図４は、正規受信者が、図２の多値信号生成フォーマットを用いて、多値データ１４と等しい多値データ２４を復号する方法について説明するための図である。以下では、レベルが「２１」の多値信号１５が変調された変調信号１６が、データ受信装置２０１へ送信される場合を例に挙げて説明する（図１参照）。変調信号１６は、復調されて多値信号２５となる。ここで、既に説明したように、データ受信装置２０１の多値信号２５は、変調信号１６を復調した際に生じる雑音を含んでいる。この雑音は、多値信号１５のレベル「２１」を中心とした所定範囲のレベルに分布（確率密度分布）する。そして、正規の多値信号１５のレベル「２１」は、この分布範囲内のいずれかのレベルに誤って判定される可能性がある。この様に変調信号１６を復調した際に生じる雑音の分布範囲を、多値誤り範囲Ｊと定義する。図４には、一例として、多値信号２５がレベル２０からレベル２２までの範囲に分布する場合（多値誤り範囲Ｊ＝３の場合）を示している。 FIG. 4 is a diagram for explaining a method in which the authorized receiver decodes the multi-value data 24 equal to the multi-value data 14 using the multi-value signal generation format of FIG. Hereinafter, a case where the modulated signal 16 obtained by modulating the multilevel signal 15 having the level “21” is transmitted to the data receiving apparatus 201 will be described as an example (see FIG. 1). The modulated signal 16 is demodulated into a multilevel signal 25. Here, as already described, the multilevel signal 25 of the data receiving apparatus 201 includes noise generated when the modulated signal 16 is demodulated. This noise is distributed (probability density distribution) in a predetermined range of levels centering on the level “21” of the multilevel signal 15. The level “21” of the normal multilevel signal 15 may be erroneously determined as any level within this distribution range. A distribution range of noise generated when demodulating the modulation signal 16 in this way is defined as a multi-level error range J. FIG. 4 shows, as an example, the case where the multilevel signal 25 is distributed in the range from the level 20 to the level 22 (when the multilevel error range J = 3).

多値データ復号部２１４は、多値基底２３と多値信号２５（Ｊ＝３）とを用いて、以下に説明する方法で、多値データ１４と等しい多値データ２４を復号（判定）する（図１参照）。まず、多値データ復号部２１４は、入力された多値基底２３の値「５」に対応する４つの多値信号１５のレベル「５，１３，２１，２９」を特定する（図４の太枠を参照）。次に、多値データ復号部２１４は、多値信号２５の多値誤り範囲Ｊ＝３を考慮して、特定した４つの多値信号１５のレベル「５，１３，２１，２９」のうち、「２１」を送信された多値信号１５のレベルであると判定する。次に、多値データ復号部２１４は、判定した多値信号１５のレベル「２１」に対応する多値データ１４の値「３」（図４参照）を、送信された多値データ１４の値と等しい多値データ２４の値として決定する（図１参照）。次に、２値データ復号部２１３は、多値データ生成符号化則を用いて、多値データ２４「３」をビットパターンが「１１」である２値データ２０に変換する（図１及び図４参照）。 The multi-value data decoding unit 214 uses the multi-value base 23 and the multi-value signal 25 (J = 3) to decode (determine) the multi-value data 24 equal to the multi-value data 14 by the method described below. (See FIG. 1). First, the multi-value data decoding unit 214 specifies the levels “5, 13, 21, 29” of the four multi-value signals 15 corresponding to the input value “5” of the multi-value base 23 (the thick line in FIG. 4). See frame). Next, the multi-level data decoding unit 214 considers the multi-level error range J = 3 of the multi-level signal 25, and among the identified levels “5, 13, 21, 29” of the four multi-level signals 15, It is determined that “21” is the level of the transmitted multilevel signal 15. Next, the multilevel data decoding unit 214 uses the value “3” (see FIG. 4) of the multilevel data 14 corresponding to the determined level “21” of the multilevel signal 15 as the value of the transmitted multilevel data 14. Is determined as the value of the multi-value data 24 (see FIG. 1). Next, the binary data decoding unit 213 converts the multi-value data 24 “3” into the binary data 20 having the bit pattern “11” using the multi-value data generation coding rule (FIGS. 1 and 3). 4).

この様にして、データ受信装置２０１は、データ送信装置１０１が用いる多値信号生成フォーマットと同じ信号フォーマットを用いて、鍵情報１１と等しい鍵情報２１から生成された、多値基底１３と等しい多値基底２３によって、２値データ１０と等しい２値データ２０を受信することができる（図１参照）。 In this way, the data receiving apparatus 201 uses the same signal format as the multilevel signal generation format used by the data transmitting apparatus 101, and uses the same multivalue base 13 that is generated from the key information 21 that is the same as the key information 11. The binary data 20 equal to the binary data 10 can be received by the value base 23 (see FIG. 1).

次に、盗聴者が変調信号１６から２値データ１０の受信（復号）を試みる場合について、図４を用いて説明する。盗聴者は、正規の受信者と同様に、変調信号１６から多値信号２５を復調する。ここで、既に説明した通り、多値信号２５は、復調時に生じる雑音を含んでいる（多値誤り範囲Ｊ＝３）。また、盗聴者は、鍵情報を持たないので多値基底２３を特定できない。このことによって、多値信号２５から多値データ１４と等しい多値データ２４を復号することは、盗聴者にとって、極めて困難となる。 Next, a case where an eavesdropper attempts to receive (decode) the binary data 10 from the modulated signal 16 will be described with reference to FIG. An eavesdropper demodulates the multi-level signal 25 from the modulated signal 16 in the same manner as a legitimate receiver. Here, as already described, the multilevel signal 25 includes noise generated during demodulation (multilevel error range J = 3). Further, since the eavesdropper does not have key information, the multi-value base 23 cannot be specified. This makes it extremely difficult for an eavesdropper to decode the multi-value data 24 equal to the multi-value data 14 from the multi-value signal 25.

以上に説明した通り、本発明のデータ通信装置１によれば、図２に代表される多値信号生成フォーマットを用いて、伝送する情報データを２値データから多値データとすることによって、高速伝送が可能な秘密通信を実現できる。 As described above, according to the data communication device 1 of the present invention, the information data to be transmitted is changed from binary data to multi-value data by using the multi-value signal generation format represented by FIG. Secret communication that can be transmitted can be realized.

なお、多値信号生成フォーマットにおいて、多値基底１３の各値に対応する複数の多値信号１５のレベルは、等間隔に配置されていることが好ましい。例えば、図２の多値信号生成フォーマットでは、多値基底１３の値「５」に対応する４つの多値信号１５のレベル「５，１３，２１，２９」は、等間隔に配置されている。同様に、他の多値基底１３の値に対応する４つの多値信号１５のレベルも、それぞれ、等間隔に配置されている。このことによって、正規受信者の誤受信を低減することができる。 In the multilevel signal generation format, it is preferable that the levels of the plurality of multilevel signals 15 corresponding to the respective values of the multilevel base 13 are arranged at equal intervals. For example, in the multilevel signal generation format of FIG. 2, the levels “5, 13, 21, 29” of the four multilevel signals 15 corresponding to the value “5” of the multilevel base 13 are arranged at equal intervals. . Similarly, the levels of the four multilevel signals 15 corresponding to the values of the other multilevel bases 13 are also arranged at equal intervals. This can reduce erroneous reception of authorized recipients.

また、図２に示す多値信号生成フォーマットのように、多値基底１３の任意の値に対応する多値データ１４の値は、互いに異なることが好ましい。このことによって、多値信号１５の多値誤り範囲Ｊには、より多くの種類の多値基底１３の値及び多値データ１４の値が含まれる。この結果として、盗聴に対する安全性は向上する。 In addition, as in the multilevel signal generation format shown in FIG. 2, the values of the multilevel data 14 corresponding to arbitrary values of the multilevel base 13 are preferably different from each other. As a result, the multilevel error range J of the multilevel signal 15 includes more types of values of the multilevel base 13 and values of the multilevel data 14. As a result, safety against eavesdropping is improved.

また、データ送信装置１０１は、２値乱数多値化部１１２及び２値データ多値化部１１３を備えず、２値乱数１２及び２値データ１０から２値ビットパターンの論理処理によって直接的に多値信号１５を生成してもよい。この場合には、データ受信装置２０１も、２値乱数多値化部２１２及び２値データ復号部２１３を備えず、２値乱数２２及び多値信号２５から多値信号１５を生成する。図５には、この様な構成としたデータ送信装置１０１を、データ送信装置１０１ａとして示す。なお、図５において、データ送信装置１０１ははデータ送信装置１０１ａとし、データ受信装置２０１ははデータ送信装置２０１ａとし、多値信号生成部１１４は多値信号生成部１１４ａとし、多値データ復号部２１４は多値データ復号部２１４ａとしている。 Further, the data transmission apparatus 101 does not include the binary random number multi-value conversion unit 112 and the binary data multi-value conversion unit 113, but directly from the binary random number 12 and the binary data 10 by the logical processing of the binary bit pattern. A multilevel signal 15 may be generated. In this case, the data receiving apparatus 201 also does not include the binary random number multilevel conversion unit 212 and the binary data decoding unit 213, and generates the multilevel signal 15 from the binary random number 22 and the multilevel signal 25. FIG. 5 shows the data transmission apparatus 101 having such a configuration as a data transmission apparatus 101a. In FIG. 5, the data transmission device 101 is the data transmission device 101a, the data reception device 201 is the data transmission device 201a, the multilevel signal generation unit 114 is the multilevel signal generation unit 114a, and the multilevel data decoding unit. Reference numeral 214 denotes a multi-value data decoding unit 214a.

また、以上では、データ通信装置１が光通信を行い、光電変換の際に生じるショット雑音を秘密通信に利用した。しかし、データ通信装置１が行う通信は、光通信には限られず、データ受信装置２０１で変調信号１６を復調する際に必ず雑音が生じる通信であればよい。従って、例えば、振幅変調信号、周波数変調信号、位相変調信号等を用いた通信であってもよい。この場合には、光伝送路３０の代わりに自由空間等が伝送路となる。 In the above, the data communication apparatus 1 performs optical communication, and shot noise generated during photoelectric conversion is used for secret communication. However, communication performed by the data communication device 1 is not limited to optical communication, and may be communication that always causes noise when the data reception device 201 demodulates the modulated signal 16. Therefore, for example, communication using an amplitude modulation signal, a frequency modulation signal, a phase modulation signal, or the like may be used. In this case, a free space or the like becomes the transmission path instead of the optical transmission path 30.

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、第１の実施形態で用いた多値信号生成フォーマット（図２参照）を変形させた多値信号生成フォーマットを用いて、正規受信者の復号性能を向上させるデータ通信装置２（図示せず）について説明する。なお、第２の実施形態に係るデータ通信装置２の構成は、第１の実施形態に係るデータ受信装置１と同じ構成であるので、その説明は省略する。 (Second Embodiment)
In the second embodiment, a data communication device that improves the decoding performance of a legitimate receiver by using a multilevel signal generation format obtained by modifying the multilevel signal generation format (see FIG. 2) used in the first embodiment. 2 (not shown) will be described. Note that the configuration of the data communication apparatus 2 according to the second embodiment is the same as that of the data reception apparatus 1 according to the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

ここで、第１の実施形態で図４を用いて説明した、正規受信者が多値データ１４を復号する場合について考える。図４に示す通り、例えば、多値基底２３の値「５」を用いて４つの多値信号１５のレベル「５，１３，２１，２９」が特定され、多値信号２５の多値誤り範囲Ｊの拡大等によって、正規の多値信号１５のレベル「２１」に隣接するレベル「２９」が誤って多値信号１５のレベルとして判定されたとする。この場合、復号される２値データ２０の値「００」は、正規の２値データ１０の値「１１」に対して、２ビットの誤りを含んでいる。この様に、特定された多値信号１５のレベルのうち、正規のレベルに対応する２値データと、当該正規のレベルに隣接するレベルに対応する２値データとのハミング距離は、正規受信者の復号性能に影響する。ここで、ハミング距離とは、等しい文字数を持つ二つの文字列の間で、対応する位置にある異なった文字の個数である。 Here, consider the case where the authorized receiver decodes the multi-value data 14 as described with reference to FIG. 4 in the first embodiment. As shown in FIG. 4, for example, the level “5, 13, 21, 29” of the four multilevel signals 15 is specified using the value “5” of the multilevel base 23, and the multilevel error range of the multilevel signal 25 is specified. It is assumed that the level “29” adjacent to the level “21” of the regular multilevel signal 15 is erroneously determined as the level of the multilevel signal 15 due to J enlargement or the like. In this case, the value “00” of the binary data 20 to be decoded contains a 2-bit error with respect to the value “11” of the regular binary data 10. As described above, the Hamming distance between the binary data corresponding to the normal level and the binary data corresponding to the level adjacent to the normal level among the levels of the specified multilevel signal 15 is the normal receiver. Affects the decoding performance. Here, the Hamming distance is the number of different characters at corresponding positions between two character strings having the same number of characters.

データ通信装置２は、上記した多値誤り範囲Ｊの拡大等によって生じる多値信号２５のレベルの誤判定による２値データ２０のビット誤りの数量を低減できる多値信号生成フォーマットを用いる。図６は、第２の実施形態に係るデータ通信装置２が用いる多値信号生成フォーマットの一例を示す図である。図６の多値信号生成フォーマットは、多値データ生成符号化則として、多値データ１４の任意の隣接する値にそれぞれ対応する２値データ１０の値の間でハミング距離が最小となる符号化則（例えば、Ｇｒａｙ符号化則）を用いる点で、図２の多値信号生成フォーマットと異なる。すなわち、第２の実施形態に係るデータ通信装置２は、互いに隣接する多値データ１４の値にそれぞれ対応する２値データ１０のビットパターンの間のハミング距離が、互いに隣接しない多値データ１４の値にそれぞれ対応する２値データ１０のビットパターンの間のハミング距離以下となる多値信号生成フォーマットを用いる。 The data communication apparatus 2 uses a multi-level signal generation format that can reduce the number of bit errors in the binary data 20 due to erroneous determination of the level of the multi-level signal 25 caused by the expansion of the multi-level error range J described above. FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a multilevel signal generation format used by the data communication apparatus 2 according to the second embodiment. The multilevel signal generation format of FIG. 6 is an encoding that minimizes the Hamming distance between the values of the binary data 10 respectively corresponding to arbitrary adjacent values of the multilevel data 14 as a multilevel data generation encoding rule. It differs from the multilevel signal generation format of FIG. 2 in that a rule (for example, Gray coding rule) is used. That is, in the data communication device 2 according to the second embodiment, the Hamming distance between the bit patterns of the binary data 10 respectively corresponding to the values of the multi-value data 14 adjacent to each other is different from that of the multi-value data 14 that is not adjacent to each other. A multi-level signal generation format that is equal to or less than the Hamming distance between the bit patterns of the binary data 10 corresponding to each value is used.

具体的には、図６に示す通り、多値データ１４の値「０」に対応する２値データ１０の値「００」と、多値データ１４の値「３」に対応する２値データ１０の値「１０」とのハミング距離は、１となる。多値データ１４の値「３」に対応する２値データ１０の値「１０」と、多値データ１４の値「２」に対応する２値データ１０の値「１１」とのハミング距離は、１となる。多値データ１４の値「２」に対応する２値データ１０の値「１１」と、多値データ１４の値「１」に対応する２値データ１０の値「０１」とのハミング距離は、１となる。多値データ１４の値「１」に対応する２値データ１０の値「０１」と、多値データ１４の値「０」に対応する２値データ１０の値「００」とのハミング距離は、１となる。 Specifically, as shown in FIG. 6, the value “00” of the binary data 10 corresponding to the value “0” of the multi-value data 14 and the binary data 10 corresponding to the value “3” of the multi-value data 14 The Hamming distance with the value “10” is 1. The Hamming distance between the value “10” of the binary data 10 corresponding to the value “3” of the multi-value data 14 and the value “11” of the binary data 10 corresponding to the value “2” of the multi-value data 14 is 1 The Hamming distance between the value “11” of the binary data 10 corresponding to the value “2” of the multi-value data 14 and the value “01” of the binary data 10 corresponding to the value “1” of the multi-value data 14 is 1 The Hamming distance between the value “01” of the binary data 10 corresponding to the value “1” of the multi-value data 14 and the value “00” of the binary data 10 corresponding to the value “0” of the multi-value data 14 is 1

ここで、一例として、図６の多値信号生成フォーマットを用いて、正規受信者が２値データ１０の値「１０」を復号する場合について考える（矢印で示す太枠を参照）。図６に示す通り、多値基底２３の値「５」を用いて４つの多値信号１５のレベル「５，１３，２１，２９」が特定される。ここで、この特定された多値信号１５のレベル「５，１３，２１，２９」はそれぞれ、多値データ１４の値「１，２，３，０」に対応する。そして、多値信号２５の多値誤り範囲Ｊの拡大等によって、正規の多値信号１５のレベル「２１」に隣接するレベル「２９」が多値信号１５のレベルとして誤って判定されたとする。この場合、復号される２値データ２０の値「００」は、正規の２値データ１０の値「１０」に対して、１ビットの誤りしか生じない。 Here, as an example, consider the case where the authorized receiver decodes the value “10” of the binary data 10 using the multilevel signal generation format of FIG. 6 (see the thick frame indicated by the arrow). As shown in FIG. 6, the level “5, 13, 21, 29” of the four multilevel signals 15 is specified using the value “5” of the multilevel base 23. Here, the level “5, 13, 21, 29” of the identified multilevel signal 15 corresponds to the value “1, 2, 3, 0” of the multilevel data 14, respectively. Then, it is assumed that the level “29” adjacent to the level “21” of the normal multilevel signal 15 is erroneously determined as the level of the multilevel signal 15 by expanding the multilevel error range J of the multilevel signal 25 or the like. In this case, the value “00” of the binary data 20 to be decoded causes only a one-bit error with respect to the value “10” of the regular binary data 10.

以上に説明した通り、第２の実施形態に係るデータ通信装置２は、多値データ生成符号化則として、多値データ１４の任意の隣接する値にそれぞれ対応する２値データ１０の値の間でハミング距離が最小となる符号化則を多値信号生成フォーマットに用いる。このことによって、データ通信装置２は、第１の実施形態に係るデータ通信装置１と同様の効果を得つつ、更に、正規受信者の復号性能を向上させることができる。 As described above, the data communication apparatus 2 according to the second embodiment uses the value of the binary data 10 corresponding to any adjacent value of the multilevel data 14 as the multilevel data generation and coding rule. The encoding rule that minimizes the Hamming distance is used for the multilevel signal generation format. As a result, the data communication device 2 can further improve the decoding performance of the authorized receiver while obtaining the same effect as that of the data communication device 1 according to the first embodiment.

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、第２の実施形態で用いた多値信号生成フォーマット（図６参照）を変形させた多値信号生成フォーマットを用いて、盗聴に対する安全性能を向上させるデータ通信装置３（図示せず）について説明する。なお、第３の実施形態に係るデータ通信装置３の構成は、第１の実施形態に係るデータ受信装置１と同じ構成であるので、その説明は省略する。 (Third embodiment)
In the third embodiment, the data communication device 3 (which improves the safety performance against eavesdropping) using a multi-level signal generation format obtained by modifying the multi-level signal generation format (see FIG. 6) used in the second embodiment. (Not shown) will be described. Note that the configuration of the data communication apparatus 3 according to the third embodiment is the same as that of the data reception apparatus 1 according to the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

ここで、第２の実施形態に係るデータ通信装置２の秘密通信を、多値信号２５の多値誤り範囲Ｊ＝３の条件において盗聴者が傍受する場合について考える。図７は、図６の多値信号生成フォーマットを用いるデータ通信装置２の盗聴に対する安全性について説明するための図である。なお、図７に示す多値信号生成フォーマットは、図６に示す多値信号生成フォーマットと同じである。図７に示す通り、正規の多値信号１５のレベルが「２１」である場合、盗聴者は、「２０，２１，２２」のいずれかを多値信号２５のレベルとして復調する。ここで、正規の多値信号１５のレベル「２１」は、２値乱数１２のビットパターン「１０１」に対応しており、誤りの多値信号１５のレベル「２０，２２」は、それぞれ、２値乱数１２のビットパターン「１００，１１０」に対応している。盗聴者が多値信号１５のレベル「２０」を多値信号２５として誤って復調した場合、盗聴者が特定する誤りの２値乱数１２のビットパターン「１００」は、正規の２値乱数１２のビットパターン「１０１」に対して１ビットの誤りを含む。また、盗聴者が多値信号１５のレベル「２２」を多値信号２５とし誤って復調した場合、盗聴者が特定する誤りの２値乱数１２のビットパターン「１１０」は、正規の２値乱数１２のビットパターン「１０１」に対して２ビットの誤りを含む。 Here, consider a case where an eavesdropper intercepts the secret communication of the data communication device 2 according to the second embodiment under the condition of the multilevel error range J = 3 of the multilevel signal 25. FIG. 7 is a diagram for explaining the security against eavesdropping of the data communication apparatus 2 using the multilevel signal generation format of FIG. Note that the multilevel signal generation format shown in FIG. 7 is the same as the multilevel signal generation format shown in FIG. As shown in FIG. 7, when the level of the regular multilevel signal 15 is “21”, the eavesdropper demodulates any of “20, 21, 22” as the level of the multilevel signal 25. Here, the level “21” of the normal multilevel signal 15 corresponds to the bit pattern “101” of the binary random number 12, and the level “20, 22” of the erroneous multilevel signal 15 is 2 respectively. This corresponds to the bit pattern “100, 110” of the value random number 12. When the eavesdropper erroneously demodulates the level “20” of the multilevel signal 15 as the multilevel signal 25, the bit pattern “100” of the binary random number 12 of the error specified by the eavesdropper is the normal binary random number 12. The bit pattern “101” includes a 1-bit error. In addition, when the eavesdropper erroneously demodulates the level “22” of the multilevel signal 15 as the multilevel signal 25, the bit pattern “110” of the binary random number 12 specified by the eavesdropper is a normal binary random number. A 12-bit pattern “101” includes a 2-bit error.

つまり、図６の多値信号生成フォーマットを用いるデータ通信装置２において、盗聴者は、３ビットの２値乱数１２に対して、０〜２個のビット誤りを有する２値乱数１２を特定することとなる。盗聴に対する安全性を高めるには、盗聴者が特定する２値乱数１２が有するビット誤りの数量を増やすことが好ましい。 That is, in the data communication apparatus 2 using the multilevel signal generation format of FIG. 6, the eavesdropper specifies the binary random number 12 having 0 to 2 bit errors with respect to the 3-bit binary random number 12. It becomes. In order to increase security against eavesdropping, it is preferable to increase the number of bit errors that the binary random number 12 specified by the eavesdropper has.

データ通信装置３は、上記した盗聴者が特定する２値乱数１２が有するビット誤りの数量を増やすことができる多値信号生成フォーマットを用いる。図８は、第３の実施形態に係るデータ通信装置３が用いる多値信号生成フォーマットの一例を示す図である。図８の多値信号生成フォーマットは、多値基底生成符号化則として、多値基底１３の任意の隣接する値にそれぞれ対応する２値乱数１２のビットパターンの間でハミング距離が大きい符号化則（例えば、ＭＨ符号化則）を用いる点で、図６の多値信号生成フォーマットと異なる。すなわち、互いに隣接する前記多値基底の値にそれぞれ対応する２値乱数のビットパターンの間のハミング距離が、互いに隣接しない前記多値基底の値にそれぞれ対応する２値乱数のビットパターンの間のハミング距離以上となる多値信号生成フォーマットを用いる。 The data communication device 3 uses a multi-value signal generation format that can increase the number of bit errors that the binary random number 12 specified by the eavesdropper has. FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a multilevel signal generation format used by the data communication apparatus 3 according to the third embodiment. The multilevel signal generation format of FIG. 8 is an encoding rule having a large Hamming distance between bit patterns of binary random numbers 12 corresponding to arbitrary adjacent values of the multilevel base 13 as a multilevel base generation encoding rule. It differs from the multilevel signal generation format of FIG. 6 in that (for example, MH encoding rule) is used. That is, the hamming distance between the binary random number bit patterns respectively corresponding to the values of the multi-value bases adjacent to each other is between the binary random number bit patterns corresponding to the non-adjacent values of the multi-value bases. A multi-level signal generation format that is greater than the Hamming distance is used.

図８の多値信号生成フォーマットでは、一例として、多値基底１３の値「０，１，２，３，４，５，６，７」に対して、それぞれ、２値乱数１２のビットパターン「０００，１１１，０１０，１０１，１１０，００１，１００，０１１」を割当てている。このことによって、図８の多値信号生成フォーマットにおいて、隣接する２値乱数１２のビットパターン間のハミング距離は、２〜３となる。この結果として、図８の多値信号生成フォーマットを用いるデータ通信装置３において、盗聴者は、３ビットの２値乱数１２に対して、２〜３個のビット誤りを有する２値乱数１２を特定することとなる。 In the multilevel signal generation format of FIG. 8, as an example, for the values “0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7” of the multilevel base 13, the bit pattern “ 000, 111, 010, 101, 110, 001, 100, 011 ". Thus, in the multilevel signal generation format of FIG. 8, the hamming distance between the bit patterns of the adjacent binary random numbers 12 becomes 2-3. As a result, in the data communication device 3 using the multi-level signal generation format of FIG. 8, the eavesdropper identifies the binary random number 12 having 2-3 bit errors with respect to the 3-bit binary random number 12. Will be.

以上に説明した通り、第３の実施形態に係るデータ通信装置３は、多値基底生成符号化則として、多値基底１３の任意の隣接する値にそれぞれ対応する２値乱数１２の値の間でハミング距離が大きい符号化則を多値信号生成フォーマットに用いる。このことによって、データ通信装置３は、第２の実施形態に係るデータ通信装置２と同様の効果を得つつ、更に、盗聴に対する安全性を向上させることができる。 As described above, the data communication device 3 according to the third embodiment uses a value between binary random numbers 12 corresponding to arbitrary adjacent values of the multi-value base 13 as a multi-value base generation coding rule. The coding rule having a large Hamming distance is used for the multilevel signal generation format. Thus, the data communication device 3 can further improve the safety against eavesdropping while obtaining the same effect as the data communication device 2 according to the second embodiment.

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１の構成の一例を示すブロック図1 is a block diagram showing an example of the configuration of a data communication device 1 according to a first embodiment of the present invention. 多値信号生成部１１４及び多値データ復号部２１４が用いる多値信号生成フォーマットの一例An example of a multilevel signal generation format used by the multilevel signal generation unit 114 and the multilevel data decoding unit 214 図２の多値信号生成フォーマットを用いて、多値信号１５を生成する方法について説明するための図The figure for demonstrating the method to produce | generate the multi-value signal 15 using the multi-value signal generation format of FIG. 正規受信者が、図２の多値信号生成フォーマットを用いて、多値データ１４と等しい多値データ２４を復号する方法について説明するための図The figure for demonstrating the method a legitimate receiver decodes the multi-value data 24 equal to the multi-value data 14 using the multi-value signal generation format of FIG. 本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置１の別の構成例を示すブロック図The block diagram which shows another structural example of the data communication apparatus 1 which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 第２の実施形態に係るデータ通信装置２が用いる多値信号生成フォーマットの一例を示す図The figure which shows an example of the multi-value signal generation format which the data communication apparatus 2 which concerns on 2nd Embodiment uses. 図６の多値信号生成フォーマットを用いるデータ通信装置２の盗聴に対する安全性について説明するための図The figure for demonstrating the safety | security with respect to eavesdropping of the data communication apparatus 2 using the multi-value signal generation format of FIG. 第３の実施形態に係るデータ通信装置３が用いる多値信号生成フォーマットの一例を示す図The figure which shows an example of the multi-value signal generation format which the data communication apparatus 3 which concerns on 3rd Embodiment uses. Ｙ−００プロトコルを用いた従来のデータ通信装置９の構成例を示すブロック図Block diagram showing a configuration example of a conventional data communication device 9 using the Y-00 protocol Ｙ−００プロトコルを用いた従来のデータ通信装置９における多値信号９３を生成する信号フォーマットを示す図The figure which shows the signal format which produces | generates the multi-value signal 93 in the conventional data communication apparatus 9 using Y-00 protocol. 従来のデータ通信装置９で用いられる信号形態を説明するための模式図Schematic diagram for explaining the signal form used in the conventional data communication device 9

Explanation of symbols

１、１ａ、９データ通信装置
４、２４多値データ
１０、２０、９０、９８２値データ
１１、２１、９１、９６鍵情報
１２、２２２値乱数
１３、２３、９２、９７多値基底
１５、２５、８１、９３、９５多値信号
１６、９４変調信号
３０、９１０光伝送路
８２受信系列
１０１、１０１ａ、９０１データ送信装置（送信部）
１１１、２１１２値乱数生成部
１１２、２１２２値乱数多値化部
１１３２値データ多値化部
１１４、１１４ａ、９１２多値信号生成部
１１５、９１３変調部
１１６、２１６、９１１、９１４多値基底生成部
２０１、２０１ａ、９０２データ受信装置（受信部）
２１３、９１６２値データ復号部
２１４、２１４ａ、多値データ復号部
２１５、９１５、９２１復調部
９０３盗聴受信部
９２２多値識別部
９２３解読処理部 1, 1a, 9 Data communication device 4, 24 Multi-value data 10, 20, 90, 98 Binary data 11, 21, 91, 96 Key information 12, 22 Binary random numbers 13, 23, 92, 97 Multi-value base 15 , 25, 81, 93, 95 Multi-level signal 16, 94 Modulated signal 30, 910 Optical transmission line 82 Reception sequence 101, 101a, 901 Data transmission device (transmission unit)
111, 211 Binary random number generation unit 112, 212 Binary random number multilevel conversion unit 113 Binary data multilevel conversion unit 114, 114a, 912 Multilevel signal generation unit 115, 913 Modulation unit 116, 216, 911, 914 Multilevel Base generation unit 201, 201a, 902 Data receiving device (receiving unit)
213, 916 Binary data decoding unit 214, 214a, Multi-level data decoding unit 215, 915, 921 Demodulation unit 903 Eavesdropping reception unit 922 Multi-level identification unit 923 Decoding processing unit

Claims

A data transmission device that performs secret communication with a data reception device based on predetermined key information,
A binary random number generator for generating a binary random number based on the key information;
A multilevel signal generation unit that generates a multilevel signal of a level corresponding to a combination of the binary random number bit pattern and the binary data bit pattern to be transmitted to the data receiving device;
A data transmission apparatus comprising: a modulation unit that modulates the multilevel signal with a predetermined modulation method to generate a modulation signal.

A binary data multi-value conversion unit that multi-values the binary data and generates multi-value data corresponding to the bit pattern of the binary data;
A binary random number multi-value conversion unit that generates a multi-value base that is a multi-value numeric value corresponding to the binary random number bit pattern;
The data transmission apparatus according to claim 1, wherein the multilevel signal generation unit generates a multilevel signal of a level corresponding to a combination of the multilevel data and the multilevel base.

The Hamming distance between the bit patterns of binary data corresponding to the values of the multi-value data adjacent to each other is the Hamming distance between the bit patterns of binary data corresponding to the values of the multi-value data not adjacent to each other. The data transmission device according to claim 2, wherein:

The Hamming distance between the binary random number bit patterns corresponding to the values of the multi-value bases adjacent to each other is the Hamming distance between the binary random number bit patterns corresponding to the values of the multi-value bases not adjacent to each other. The data transmission apparatus according to claim 2, wherein the data transmission apparatus is as described above.

The data transmission apparatus according to claim 2, wherein the multi-value number of the multi-value data is a number represented by a power of two.

The data transmission apparatus according to claim 2, wherein the multi-value number of the multi-value base is a number represented by a power of two.

The data transmission device according to claim 2, wherein the multi-value number of the multi-value data is equal to or less than the multi-value number of the multi-value base.

The data transmission device according to claim 7, wherein the multi-value number of the multi-value data is a divisor of the multi-value number of the multi-value base.

The data transmission device according to claim 2, wherein the multi-value number of the multi-value signal is a product of the multi-value number of the multi-value data and the multi-value number of the multi-value base.

The data transmission device according to claim 9, wherein the level of the multi-level signal, the combination of the multi-level base value, and the multi-level data value have a unique correspondence.

The data transmission apparatus according to claim 2, wherein the values of the multi-value data corresponding to the multi-value signals adjacent to each other are different from each other.

The multi-level number of the multi-level data is equal to or less than a quantity of the level of the multi-level signal in which noise generated when the data receiving apparatus demodulates the modulated signal is present. Data transmission device.

A data receiving device that performs secret communication with a data transmitting device based on predetermined key information,
A demodulator that demodulates the modulated signal received from the data transmission device in a predetermined demodulation format, and outputs a multilevel signal including noise generated during the demodulation;
A binary random number generator for generating a binary random number based on the key information;
A multi-value data decoding unit for decoding a bit pattern of binary data corresponding to a level included in a level range of the multi-value signal including noise among a plurality of levels corresponding to the bit pattern of the binary random number; A data receiving apparatus comprising:

A binary random number multilevel conversion unit that generates a multilevel base that is a multilevel numerical value corresponding to the binary random number bit pattern;
A binary data decoding unit for decoding binary data from multi-value data corresponding to the binary data;
The multi-value data decoding unit decodes the multi-value data corresponding to a level included in a level range of the multi-value signal including the noise among a plurality of levels to which the multi-value base corresponds. The data receiving device according to claim 13.

The Hamming distance between the bit patterns of binary data corresponding to the values of the multi-value data adjacent to each other is the Hamming distance between the bit patterns of binary data corresponding to the values of the multi-value data not adjacent to each other. The data receiving device according to claim 14, wherein:

The Hamming distance between the binary random number bit patterns corresponding to the values of the multi-value bases adjacent to each other is the Hamming distance between the binary random number bit patterns corresponding to the values of the multi-value bases not adjacent to each other. The data receiving apparatus according to claim 14, which is as described above.