JP2013126249A - 無線通信ネットワークにおける無線チャネルの変化を用いた秘密キー生成のための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無線通信ネットワークにおける無線チャネルの変化を用いた秘密キー生成のための装置及び方法を提供すること。
【解決手段】本発明の秘密キー生成装置は、無線通信を行う相対端末から無線信号を受信する少なくとも一つのアンテナと、前記少なくとも一つのアンテナを介して受信された無線信号の増幅ゲイン及び位相を調節する増幅及び位相調節部と、前記増幅ゲイン及び位相が調節された無線信号を用いて無線チャネルの状態を測定し、測定結果に基づいてパラメータを決定して秘密キーを生成する送受信機と、前記送受信機で秘密キーを生成する時期毎に、前記増幅ゲイン及び位相が調節されるように前記増幅及び位相調節部を制御するランダム信号制御部とを含んでなる。
【選択図】図６

Description

本発明は、 無線通信ネットワークにおける無線チャネルの変化を用いた秘密キー生成のための装置及び方法に関し、より詳しくは、無線チャネルの変化率を問わず、無線通信チャネルの位相及び増幅ゲインを変化させて信号を送受信し、受信された信号に基づいて秘密キーを生成する、無線通信ネットワークにおける無線チャネルの変化を用いた秘密キー生成のための装置及び方法に関する。

最近、多くの暗号化技術が無線通信システムに適用されて使われている。ところが、このような暗号化技術は、盗聴を防止するためにキーの獲得を数学的に不可能にするのではなく、計算を難しくすることにより行うという問題点がある。しかし、盗聴者が利用可能な計算能力が増加すると、このような方法の効果は減少する。よって、計算の難しさに対する仮定に基づくよりは絶対的な秘密を提供する暗号化技術を構築する技術が求められる。

暗号化技術に主に用いられる中央集中式秘密キー分配方式は、新しい無線通信環境であるＡｄ−ｈｏｃ又はＰｅｅｒ−ｔｏ−Ｐｅｅｒネットワークには適さない。言い換えれば、このような無線通信環境は、中央で制御されないため、中央集中式秘密キー分配方式を適用することが不可能なので、これを代替する新しいキー生成方式が求められる。

一方、無線通信ネットワークでは、絶対的な秘密を提供する相互関連のランダムソースを無線チャネル情報から獲得することができる。特に、無線通信システムが時分割デュプレックス（Time Division Duplex、ＴＤＤ）方式であれば、通信リンクを形成した２つのユーザーＡ、Ｂは特定の時間内で同一の無線チャネル情報をそれぞれ獲得することができる。これに対し、ユーザーＡ、Ｂと無線リンクを形成しない盗聴者は、２つのユーザーの無線チャネルと相関関係が殆どない無線チャネル状態を観察する。

このような差異を秘密キーの生成に適用し、２つのユーザーは一定の時間別に観察された無線チャネル情報を用いて秘密キーを生成することができる。このようなキー生成方式は、通信を行う主体が直接秘密キーを生成するので、中央でキーを分配又は生成しなくてもよいという利点がある。

前述した無線チャネルを用いた秘密キー生成方法は、無線通信を行うユーザーの通信リンクで自然に発生するチャネルインパルス応答によって秘密キーを生成する方案として提案された。これらの方法は、ユーザーが停止状態の場合には無線チャネル状況が速く変わらないため、秘密キーの乱数性(randomness)を弱化させ、キー生成速度を減少させるという問題点がある。

本発明が解決しようとする課題は、無線チャネルの変化率を問わず、無線通信チャネルの位相及び増幅を変化させて信号を送受信し、受信された信号に基づいて秘密キーを生成する、無線ネットワークにおける無線チャネルの変化を用いた秘密キー生成のための装置及び方法を提供することにある。

上記技術的課題を解決するために、本発明の実施例に係る秘密キー生成装置は、無線通信を行う相対端末から無線信号を受信する少なくとも一つのアンテナと、前記少なくとも一つのアンテナを介して受信された無線信号の増幅ゲイン及び位相を調節する増幅及び位相調節部と、前記増幅ゲイン及び位相が調節された無線信号を用いて無線チャネルの状態を測定し、測定結果に基づいてパラメータを決定して秘密キーを生成する送受信機と、前記送受信機で秘密キーを生成する時期毎に、前記増幅ゲイン及び位相が調節されるように前記増幅及び位相調節部を制御するランダム信号制御部とを含んでなることを特徴とする。

前記送受信機は、送信機モード又は受信機モードで動作するように制御する送受信制御器と、前記秘密キーの生成に使用される前記パラメータを調節するキー生成制御部とを含むことを特徴とする。

前記送受信機は、前記送受信制御器によってスイッチが制御されて前記受信機モードに設定されると、前記増幅ゲイン及び位相が調節された無線信号を用いて前記秘密キーを生成する受信機をさらに含むことを特徴とする。

前記受信機は、前記スイッチを介して増幅ゲイン及び位相が調節された無線信号の伝達を受ける無線チャネル情報収集部と、前記増幅ゲイン及び位相が調節された無線信号を所定のサンプリング比に適用して、該当増幅ゲイン及び位相を含む無線チャネル情報を抽出し、量子化過程を行って量子化情報を生成するサンプル収集部と、前記無線チャネル情報を用いて無線チャネルの変化を推定する無線チャネル推定部と、前記量子化情報を用いて前記秘密キーを生成するキー生成部とを含んでなることを特徴とする。

前記送受信機は、前記送受信制御器によってスイッチが制御されて前記送受信機モードに設定されると、前記少なくとも一つのアンテナを介して無線信号を伝送する送信機をさらに含むことを特徴とする。

前記キー生成制御部は、前記秘密キー又は前記秘密キーから誘導されたハッシュ値と、前記相対端末で生成された秘密キー又はハッシュ値とが一致するか否かを判断するキー
ペアリングを行うか否かを決定し、前記キーペアリングの遂行結果に基づいて前記パラメータを調節することを特徴とする。

前記送受信機は、前記キー生成制御部でキーペアリングを行った場合、前記キーペアリングの遂行結果を収集して格納するキー交換情報収集部をさらに含むことを特徴とする。

上記技術的課題を解決するために、本発明の他の実施例に係る秘密キー生成方法は、無線通信を行う相対端末とのフレーム同期を一致させる段階と、前記相対端末から無線信号を受信して長期無線チャネルの状態を測定する段階と、前記長期無線チャネルの状態を考慮して、秘密キーの生成に使用されるパラメータを決定する段階と、前記無線信号の増幅ゲイン及び位相を調節して無線チャネル応答を変化させ、短期無線チャネル状態を測定する段階と、前記短期無線チャネル状態で前記パラメータを用いて秘密キーを生成する段階とを含んでなることを特徴とする。

前記秘密キー又は秘密キーから誘導されたハッシュ値と、前記相対端末で生成された秘密キー又はハッシュ値とが一致するか否かを判断するキーペアリングを行うか否かを判断する段階を含むことを特徴とする。

前記キーペアリングを行うか否かを判断する段階は、前記相対端末で生成された秘密キー又はハッシュ値の伝達を受ける段階と、前記秘密キー又は前記秘密キーから誘導されたハッシュ値と、前記相対端末で生成された秘密キー又はハッシュ値とが一致する場合、前記秘密キーが確定されることを知らせるためにキー確定情報を生成する段階と、前記キー確定情報を前記相対端末へ伝達する段階とを含むことを特徴とする。

前記キーペアリングを行うか否かを判断する段階は、前記秘密キー又は前記秘密キーから誘導されたハッシュ値と、前記相対端末で生成された秘密キー又はハッシュ値とが一致しない場合、前記秘密キー又は前記秘密キーから誘導されたハッシュ値と、前記相手端末で生成された秘密キー又はハッシュ値とが一致しないことを知らせるためにキー不一致情報を生成する段階と、前記不一致情報を前記相手端末へ伝達する段階とを含むことを特徴とする。

前記不一致情報を前記相対端末へ伝達する段階は、予め定められたエラー処理方法を適用して前記パラメータを調節することにより前記秘密キーを再生成する段階をさらに含むことを特徴とする。

前記秘密キーを生成する段階は、前記秘密キー生成時期毎に、前記増幅ゲイン及び位相の同期が固定された状態でキー発生周期に合わせて前記増幅ゲイン及び位相を調節する段階を含むことを特徴とする。

本発明の実施例では、無線通信チャネルの位相及び増幅を変化させて信号を送受信し、受信された信号に基づいて秘密キーを生成することにより、端末の無線チャネルの変化率を問わずランダムに秘密キーを生成することができ、それにより、端末が停止しており或いは低速で移動する場合でもランダム性を向上させながらもより速い速度で秘密キーを生成することができる。

また、本発明の実施例では、多重アンテナを使用することにより、多様な無線チャネルを介して、秘密キーの生成に必要な最大限の情報を獲得し、速い速度で秘密キーを生成することができる。

また、本発明の実施例では、無線チャネルの変化及び受信ノイズによって同一のキーが生成されない場合、無線チャネルの状況に応じて、秘密キーを生成するパラメータを調節し或いはキーペアリング過程によってキー発生のエラー率を減少させることができる。

本発明の実施例に係る無線通信チャネルの位相及び増幅を変化させて秘密キーを生成する秘密キー生成装置を概略的に示す図である。 本発明の実施例に係る秘密キー生成装置の送受信機の構造を概略的に示す図である。 図２に示した受信機を概略的に示す図である。 図２に示した秘密キー生成装置の増幅及び位相調節部で位相を変化させる一例を示すグラフである。 図２に示した秘密キー生成装置の増幅及び位相調節部で増幅ゲインを変化させる一例を示すグラフである。 本発明の実施例に係る秘密キー生成装置で秘密キーを生成する順序を示す流れ図である。 本発明の実施例に係る生成キーに対するペアリング過程を示す図である。 図７におけるキーペアリング過程のうちキーマッチングによる処理過程をより具体的に示す順序図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を詳細に説明する。ここで、反復される説明、本発明の要旨を無駄に乱すおそれのある公知の機能、及び構成についての詳細な説明は省略する。本発明の実施形態は、当業界における通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。よって、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張できる。

図１は本発明の実施例に係る無線通信チャネルの位相及び増幅を変化させて秘密キーを生成する秘密キー生成装置を概略的に示す図である。本発明の実施例に係る秘密キーの生成は２つ以上の端末でも適用可能であるが、図１では多重アンテナを備えた２つの端末が無線チャネルの位相と増幅を変化させ、変化した無線チャネル情報を用いて秘密キーを生成する。

図１に示すように、本発明の実施例に係るユーザーＡが使用する端末１０と、ユーザーＢが使用する端末２０は、送信機モード又は受信機モードで動作し、互いに同じ構造の秘密キー生成装置１００、２００を含む。この際、各秘密キー生成装置は、該当端末が受信機モードで動作する場合、変化した無線チャネル情報を用いて秘密キーを生成する。

ユーザーＡの使用する端末１０が送信機モードに設定されると、秘密キー生成装置１００の送受信機１１０は予め約束された送信信号を発生させる。ランダム信号制御部１２０は増幅及び位相調節部１３０を制御する。すると、送信信号は、増幅及び位相調節部１３０を経ながら位相及び増幅が調節され、Ｍ個の多重アンテナ１４０を介して伝送される。

一方、ユーザーＢの使用する端末２０が受信機モードに設定されると、端末１０が伝送した信号はＮ個の多重アンテナ２４０を介して受信される。ランダム信号制御部２２０は、秘密キーの類似性とランダム性を向上させるために、秘密キーを生成する時期毎に増幅及び位相調節部２３０を制御して位相及びゲインが調節されるようにする。すると、増幅及び位相調節部２３０は、ランダム信号制御部２２０の制御に基づいて、受信された信号の位相及びゲインを調節して秘密キー生成装置２００へ伝達する。

このように同一構造のランダム信号制御部と増幅及び位相調節器を送受信機と結合して使用することにより、回路のサイズを縮小させ、費用を節減することができる。

図２は本発明の実施例に係る秘密キー生成装置の送受信機の構造を概略的に示す図である。図３は図２に示した受信機を概略的に示す図である。

図２に示すように、本発明の実施例に係る秘密キー生成装置１００と秘密キー生成装置２００の送受信機の構造は同一であるので、秘密キー生成装置２００の送受信機２１０を用いて具体的に説明する。

送受信機２１０は、送受信制御器２１１、スイッチ２１２、送信機２１３、受信機２１４、キー生成制御部２１５、及びキー交換情報収集部２１６を含む。

送受信制御器２１１は、送信機モード又は受信機モードとなるようにスイッチ２１２を制御する。すなわち、送受信制御器２１１は、送信機モードで動作しようとする場合、スイッチ２１２が送信機２１３と連結されるように制御する。そして、送受信制御器２１１は、受信機モードで動作しようとする場合、スイッチ２１２が受信機２１４と連結されるように制御する。

スイッチ２１２は、送受信制御器２１１の制御に基づいて送信機２１３又は受信機２１４に連結される。

送信機２１３は信号発生部２１３１を含む。送信機２１３は、スイッチ２１２に連結されて送信機モードに設定されると、多重アンテナ２４０へ無線信号を伝送する。すなわち、送信機モードで動作する場合、信号発生部２１３１は、予め約束された信号をランダム信号制御部２２０を介して各多重アンテナ２４０別に伝送する。

受信機２１４は、スイッチ２１２に連結されて受信機モードに設定されると、多重アンテナ２４０を介して伝達される無線信号を受信して秘密キーを生成する。

具他的に、図２及び図３を参照すると、受信機２１４は、無線チャネル情報収集部２１４１、サンプル収集部２１４２、無線チャネル推定部２１４３、及びキー生成部２１４４を含む。

無線チャネル情報収集部２１４１は、多重アンテナ２４０を介して受信される無線信号、すなわち無線チャネルアナログ情報の伝達をランダム信号制御部２２０を介して受ける。無線チャネル情報収集部２１４１は無線信号をサンプル収集部２１４２へ伝達する。

サンプル収集部２１４２は、無線チャネル情報収集部２１４１から無線信号を受信すると、無線信号を設定されたサンプリング比に適用して、該当増幅ゲイン及び位相を含む無線チャネル情報を抽出する。サンプル収集部２１４２は、抽出した無線チャネル情報を無線チャネル推定部２１４３へ伝達する。そして、サンプル収集部２１４２は、設定された量子化レベル関数を用いて無線信号の量子化過程を行って量子化情報を抽出する。サンプル収集部２１４２は抽出した量子化情報をキー生成部２１４４へ伝達する。

無線チャネル推定部２１４３は、サンプル収集部２１４２から無線チャネル情報の伝達を受ける。そして、無線チャネル推定部２１４３は無線チャネル情報を用いて以後のチャネル変化について予測する。無線チャネル推定部２１４３は、過去と現在の無線チャネル情報及び推定した未来の無線チャネル情報による無線チャネルの変化率をキー生成制御部２１５及びランダム信号制御部１２０と共有する。

キー生成部２１４４は、サンプル収集部２１４２から量子化情報の伝達を受け、伝達された量子化情報を用いて秘密キーを生成する。この際、キー生成のパラメータである速度やキー生成関数などはキー生成制御部２１５の制御に基づいて調節される。

再び図２を参照すると、キー生成制御部２１５は、受信機モードに設定されると、受信機２１４のキー生成部２１４４を制御し、秘密キーの生成に使用されるパラメータなどを調節する。ここで、パラメータは、キーの長さ、サンプリング比（単位時間当たりのサンプル数）、キー発生周期（増幅ゲイン及び位相変更周期）、及び量子化レベル（単位生成秘密キーの大きさ）などを含む。キー生成制御部２１５はキーペアリングが必要であるか否かを判断して行う。

ここで、キーペアリングは、自分が生成した秘密キー（以下、「生成キー」と混用して使用する。）と相手の秘密キーとを比較して使用有無を確定する過程であり、生成キーと相手の秘密キーとが互いに一致しない場合が発生し或いは直接的な秘密キーの確認が必要な場合に行われる。この際、生成キーと相手の秘密キーとが互いに一致するか否かは、約束された時刻における生成キーを用いて相手端末へ伝送することにより確認することができる。この際、キーペアリングを行う過程で、生成キーは、外部に露出させないためにＤｉｆｆｉｅ−Ｈｅｌｌｍａｎなどの交換アルゴリズムを用いて交換されてもよい。さらに、生成キーの代わりに、生成キーから誘導されたハッシュ値を伝送し、２つのユーザーの生成キーが一致するか否かを判別することもできる。

キー交換情報収集部２１６は、キー生成制御部２１５で行われたキーペアリング結果を収集して格納する。

本発明の実施例に係る受信機モードでユーザーＡが使用する端末１０の秘密キー生成装置１００とユーザーＢが使用する端末２０の秘密キー生成装置２００で秘密キーを生成する過程を具体的に考察すると、ランダムに発生する位相

、２つのユーザーＡ、Ｂがそれぞれ多重アンテナを使用する場合、ユーザーＡとＢのアンテナ対ｉ、ｊから発生する無線チャネルをｈ_ｉｊとし、ユーザーＡのｉ番目のアンテナからランダムに発生するアンテナ位相をΦ_Ａｉとし、増幅ゲインをｇ_Ａｉとし、ユーザーＢのｊ番目のアンテナからランダムに発生するアンテナ位相をΦ_Ｂｉとし、増幅ゲインをｇ_Ｂｉとし、各ユーザーＡ、Ｂが受信するノイズをｎ_Ａ、ｎ_Ｂと仮定すると、ユーザーＡ、Ｂの秘密キー生成装置１００、２００の無線チャネル情報収集部２１４１で収集されたそれぞれの受信信号強さの和ｒ_Ａ、ｒ_Ｂは、式１のとおりである。

〔式１〕

各ユーザーＡ、Ｂが受信するノイズｎ_Ａ、ｎ_Ｂが小さい場合、

状態になって２つのユーザーＡ、Ｂが類似の受信信号強さを獲得することができる。

この際、ユーザーＡ、Ｂが受信するノイズの影響を減少させるためには、多重アンテナから受信された信号を合わせて受信ノイズの影響を減らし、或いは秘密キーの発生に使用するサンプル数

を増加させ、或いは受信ノイズを最小化させるＬＮＡなどの受信装置を使用することができる。

前述したキー発生周期の間に受信機モードで動作する端末２０の秘密キー生成装置２００は、定められたサンプル数を取り合わせて受信信号が決定されると、平均受信信号が秘密キーの生成に影響を与えることができるので、信号強さを正規化する。すなわち、秘密キー生成装置２００は、ユーザーＡの平均受信信号強さ

で受信信号強さ

を割った値

に所定の量子化方法を適用させて秘密キーを生成する。そして、秘密キー生成装置２００は、秘密キーを暗・復号化に直接使用し或いは秘密キー値を暗号運用モードのシード値として暗・復号化を行う。

図４は図２に示した秘密キー生成装置の増幅及び位相調節部で位相を変化させる一例を示すグラフである。図５は図２に示した秘密キー生成装置の増幅及び位相調節部で増幅ゲインを変化させる一例を示すグラフである。

図４を参照すると、本発明の実施例に係る秘密キー生成装置２００の増幅及び位相調節部２３０は、位相の変化が発生すると、ランダム信号制御部２２０の制御に基づいて位相を変更して表示する。例えば、増幅及び位相調節部２３０は、時間０−ｔ１における位相がπ／３であってから、時間ｔ１−ｔ２における位相が４π／３に変更されると、４π／３に該当する位相に変更して表示する。同様に、増幅及び位相調節部２３０は、時間ｔ２−ｔ３における位相がπに変更されると、πに該当する位相に変更して表示する。同様に、増幅及び位相調節部２３０は残りの時間変化ｔ３−ｔ５による位相を変更して表示する。

一方、図５を参照すると、増幅及び位相調節部２３０は、増幅ゲインの変化が発生すると、増幅ゲインを変更して表示する。増幅及び位相調節部２３０は、最大増幅ゲインがＭａｘと定められているとき、時間０−ｔ１における増幅ゲインがＭａｘ／６であってから、時間ｔ１−ｔ２における増幅ゲインが４Ｍａｘ／６に変更されると、４Ｍａｘ／６に該当する増幅ゲインに変更して表示する。同様に、増幅及び位相調節部２３０は、時間ｔ２−ｔ３における位相がＭａｘ／２に変更されると、Ｍａｘ／２に該当する増幅ゲインに変更して表示する。同様に、増幅及び位相調節部２３０は残りの時間変化ｔ３−ｔ５による増幅ゲインを変更して表示する。

図６は本発明の実施例に係る秘密キー生成装置で秘密キーを生成する順序を示す流れ図である。図６では図１に示した多重アンテナを使用するユーザーＡの端末１０が送信機として動作し、ユーザーＢの端末２０が受信機として動作して秘密キーを生成すると仮定する。

図１及び図６を参照すると、本発明の実施例では、秘密キーの生成のための初期化過程として、信号を伝達する端末１０と信号を受信する端末２０間の初期化のために相手のフレーム同期を獲得し、端末１０の秘密キー生成装置１００と端末２０の秘密キー生成装置２００間のフレーム同期を合わせる（Ｓ１００）。

端末１０の秘密キー生成装置１００は、送信機モードで動作して、パイロット信号を含む無線信号を伝送する。この際、無線信号は、ＯＦＤＭシステムの場合には周波数サブキャリアに所定のパターンを持ってパイロット信号が分布して多重アンテナを介して伝送され、ＣＤＭＡシステムの場合には直交(orthogonal)コードをパイロット信号に割り当てて多重アンテナを介して伝送される。

その後、受信モードにある端末２０の秘密キー生成装置２００は、パイロット信号を含む無線信号を受信して長期的な無線チャネルの状態（以下、「長期無線チャネル状態」という。）を測定する（Ｓ１１０）。具体的に、秘密キー生成装置２００は現在の無線チャネル状態を測定し、長期的に観察して長期無線チャネル状態を測定する。秘密キー生成装置２００は、長期無線チャネル状態を測定するために、コヒーレンス時間及び周波数を類推する。

秘密キー生成装置２００は、長期無線チャネル状態で類推したコヒーレンス時間及び周波数と信号対ノイズ比（以下、「ＳＮＲ」という）を参考し、秘密キーの生成に使用されるパラメータを決定する（Ｓ１２０）。

例えば、ＳＮＲの強さが大きい場合、秘密キー生成装置２００は、キー発生速度を拡張させるためにサンプリング比を減少させ、或いはキー発生の周期を減らし、或いは量子化レベルを増加させる。

これに対し、ＳＮＲの強さが小さい場合、秘密キー生成装置２００は、端末の間に他の秘密キーを発生させる確率を示す生成キーエラー率を低めるためにサンプリング比を増加させ、或いはキー発生周期を増加させ、或いは量子化レベルを減少させる。ここで、端末の間で類似した無線チャネル情報を維持するためには、秘密キーを生成するコヒーレンス時間がキー発生周期より大きい値でなければならない。

別の例として、端末間の平均ＳＮＲに基づいてパラメータを決定することもできる。また、平均無線チャネル状態が変更される場合、パラメータを変更されたＳＮＲ値によって再設定することができる。

このようにパラメータを決定する過程で、一つの端末がマスターの役割をして主導的に誘導して決定し、或いは端末の間で無線チャネル情報を互いに共有して協商を介してパラメータを決定する。

Ｓ１２０段階で長期無線チャネル状態で秘密キーの生成に使用されるパラメータを決定した後、秘密キー生成装置２００は、定められた周期毎に位相と増幅ゲインを調節して無線チャネルの応答を変化させ、しかる後に、短期無線チャネル状態を測定する（Ｓ１３０）。そして、秘密キー生成装置２００は、短期無線チャネル状態で定められたキーの長さ、サンプリング及び量子化方法を用いて秘密キーを生成する（Ｓ１４０）。すなわち、秘密キー生成装置２００は、秘密キー生成時期毎に、増幅ゲイン及び位相の同期が固定された状態でキー発生の周期に合わせて位相と増幅ゲインを調節して秘密キーを生成する。

前述した方法によって秘密キーの生成が完了すると、各ユーザーが生成キーを直接暗・復号化に使用し、或いは暗号運用モードのシード値として活用する。また、必要な場合、相手端末とのキーペアリングが必要であるか否かを判断する（Ｓ１５０）。

Ｓ１５０段階の判断結果、相手端末とのキーペアリングが必要な場合、秘密キー生成装置２００は相手端末で生成された秘密キーと生成キーが一致するか否かを決定するキーペアリングを行う（Ｓ１６０）。

キーペアリングの遂行結果、秘密キー生成装置２００は、生成キーと相手の秘密キーが一致するか否かによってパラメータの調節有無を判断する（Ｓ１７０）。

Ｓ１７０段階の結果、パラメータを調節しなければならない場合、秘密キー生成装置２００はＳ１１０段階に戻って長期無線チャネル情報を観察してパラメータを再設定する。Ｓ１７０段階の判断結果、パラメータを調節しなくてもよい場合、秘密キー生成装置２００は秘密キーが十分に生成されたか否かを判断する（Ｓ１８０）。

Ｓ１８０段階の判断結果、秘密キーが十分に生成されていない場合、秘密キー生成装置２００は、Ｓ１３０段階に戻って短期無線チャネル状態を測定し、キー生成が完了するまでキー生成過程を繰り返し行う。Ｓ１８０段階の判断結果、秘密キーが十分に生成された場合、秘密キー生成装置２００はキー生成過程を終了する。

図７は本発明の実施例に係る生成キーに対するペアリング過程を示す図である。図７では２つのユーザーの各端末の無線通信が時分割デュプレックスモード又はこれと類似の方式で動作し、図２の送受信機の構造に応じて、同一の無線周波数が時間を交互にして送信機モード又は受信機モードに転換される。

図７に示すように、本発明の実施例に係る多重アンテナを使用するユーザーＡの秘密キー生成装置１００とユーザーＢの秘密キー生成装置２００はそれぞれ多重アンテナで受信した無線チャネル情報を用いてサンプリング及び量子化過程を経て秘密キーを生成する（Ｓ２００、Ｓ２１０）。

２つのユーザーのうち予め定められた順序によって生成キー又は生成キーから誘導されたハッシュ値を伝送する。ここでは、ユーザーＡが先に、生成キー又は生成キーから誘導されたハッシュ値をユーザーＢの端末へ伝送するものと仮定する。

ユーザーＡの秘密キー生成装置１００が生成キー又は生成キーから誘導されたハッシュ値をユーザーＢの秘密キー生成装置２００へ伝送すると、ユーザーＢの秘密キー生成装置２００は、自分が生成した秘密キー又は生成キーから誘導されたハッシュ値と、伝達された生成キー又は生成キーから誘導されたハッシュ値とが一致するか否かを判断し、キーマッチング情報を生成する（Ｓ２２０、Ｓ２３０）。

ユーザーＢの秘密キー生成装置２００は、自分が生成した秘密キーとキーマッチング情報をユーザーＡの秘密キー生成装置１００へ伝送する（Ｓ２４０）。

ユーザーＡとユーザーＢの各秘密キー生成装置１００、２００は、生成キー又は生成キーから誘導されたハッシュ値が一致すれば、秘密キーとして確定する。

もし、生成キー又は生成キーから誘導されたハッシュ値が一致しなければ、各秘密キー生成装置１００、２００は、前述した手続きを繰り返し行い、或いはキーエラー率に基づいてパラメータを調節して再生成する（Ｓ２５０、Ｓ２６０）。

図８は図７におけるキーペアリング過程中にキーマッチングによる処理過程をより具体的に順序図である。

図８に示すように、本発明の実施例に係る多重アンテナを用いるユーザーＡの秘密キー生成装置１００は、相手のユーザーＢが、無線チャネル情報を用いて、サンプリング及び量子化過程を経て生成した秘密キー又は秘密キーから誘導されたハッシュ値を受信する（Ｓ３００）。

秘密キー生成装置１００は、自分が生成した秘密キーと受信された秘密キーが一致するか否か、或いは自分が生成したハッシュ値と受信されたハッシュ値が一致するか否かを判断する（Ｓ３１０）。

Ｓ３１０段階の判断結果、自分が生成した秘密キーと受信された秘密キーとが一致し、或いは自分が生成したハッシュ値と受信されたハッシュ値とが一致する場合、秘密キー生成装置１００は、秘密キーを確定し、秘密キーが確定されることを知らせるためにキー確定情報を生成して相手のユーザーＢの秘密キー生成装置２００へ伝達する（Ｓ３２０）。

Ｓ３１０段階の判断結果、自分が生成した秘密キーと受信された秘密キーとが一致しない場合、或いは自分が生成したハッシュ値と受信されたハッシュ値とが一致しない場合、秘密キー生成装置１００は、キーが一致しないことを知らせるキー不一致情報を生成する。そして、秘密キー生成装置１００は、ユーザーＢの秘密キー生成装置２００へキー不一致情報を伝達する（Ｓ３４０）。秘密キー生成装置１００はパラメータを調節して秘密キーを再生成する（Ｓ３５０）。

このように、本発明の実施例では、無線通信チャネルの位相及び増幅を変化させて信号を送受信し、受信された信号に基づいて秘密キーを生成することにより、端末の無線チャネルの変化率を問わずランダムに秘密キーを生成することができ、それにより、端末が停止しており或いは低速で移動する場合でもランダム性を向上させながらもより速い速度で秘密キーを生成することができる。

そして、本発明の実施例では、多重アンテナを使用することにより、多様な無線チャネルを介して、秘密キーの生成に必要な最大限の情報を獲得し、速い速度で秘密キーを生成することができる。

また、本発明の実施例では、無線チャネルの変化及び受信ノイズによって同一の秘密キーが生成されない場合、無線チャネルの状況に応じて、秘密キーを生成するパラメータを調節し或いはキーペアリング過程を介してキー発生のエラー率を減少させることができる。

以上、図面と明細書において最適の実施例が開示された。ここで、特定の用語が使用されたが、これは本発明を説明するための目的で使用されたものに過ぎず、意味限定又は特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を制限するために使用されたものではない。よって、本技術分野における通常の知識を有する者であれば、これから多様な変形及び均等な他の実施例が可能であることを理解するであろう。したがって、本発明の真正な技術的保護範囲は特許請求の範囲の技術的思想によって定められるべきである。

１０、２０ 端末
１００、２００ 秘密キー生成装置
１１０、２１０ 送受信機
１２０、２２０ ランダム信号制御部
１３０、２３０ 増幅及び位相調節部
１４０、２４０ 多重アンテナ
２１１ 送受信制御器
２１２ スイッチ
２１３ 送信機
２１４ 受信機
２１５ キー生成制御部
２１６ キー交換情報収集部
２１３１ 信号発生部
２１４１ 無線チャネル情報収集部
２１４２ サンプル収集部
２１４３ 無線チャネル推定部
２１４４ キー生成部

Claims (9)

1. 無線通信を行う相手端末から無線信号を受信する少なくとも一つのアンテナと、
   前記少なくとも一つのアンテナを介して受信された無線信号の増幅ゲイン及び位相を調節する増幅及び位相調節部と、
   前記増幅ゲイン及び位相が調節された無線信号を用いて無線チャネルの状態を測定し、測定結果に基づいてパラメータを決定して秘密キーを生成する送受信機と、
   前記送受信機で秘密キーを生成する時期毎に、前記増幅ゲイン及び位相が調節されるように前記増幅及び位相調節部を制御するランダム信号制御部とを含んでなることを特徴とする、秘密キー生成装置。
2. 前記送受信機は、送信機モード又は受信機モードで動作するように制御する送受信制御器と、前記秘密キーの生成に使用される前記パラメータを調節するキー生成制御部とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の秘密キー生成装置。
3. 前記送受信機は、前記送受信制御器によってスイッチが制御されて前記受信機モードに設定されると、前記増幅ゲイン及び位相が調節された無線信号を用いて前記秘密キーを生成する受信機をさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の秘密キー生成装置。
4. 前記受信機は、
   前記スイッチを介して増幅ゲイン及び位相が調節された無線信号の伝達を受ける無線チャネル情報収集部と、
   前記増幅ゲイン及び位相が調節された無線信号を所定のサンプリング比に適用して、該当増幅ゲイン及び位相を含む無線チャネル情報を抽出し、量子化過程を行って量子化情報を生成するサンプル収集部と、
   前記無線チャネル情報を用いて無線チャネルの変化を推定する無線チャネル推定部と、
   前記量子化情報を用いて前記秘密キーを生成するキー生成部とを含んでなることを特徴とする、請求項３に記載の秘密キー生成装置。
5. 前記送受信機は、前記送受信制御器によってスイッチが制御されて前記送受信機モードに設定されると、前記少なくとも一つのアンテナを介して無線信号を伝送する送信機をさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の秘密キー生成装置。
6. 前記キー生成制御部は、前記秘密キー又は前記秘密キーから誘導されたハッシュ値と、前記相対端末で生成された秘密キー又はハッシュ値とが一致するか否かを判断するキーペアリングを行うか否かを決定し、前記キーペアリングの遂行結果に基づいて前記パラメータを調節することを特徴とする、請求項２に記載の秘密キー生成装置。
7. 前記送受信機は、前記キー生成制御部でキーペアリングを行った場合、前記キーペアリングの遂行結果を収集して格納するキー交換情報収集部をさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の秘密キー生成装置。
8. 無線通信を行う相対端末とのフレーム同期を一致させる段階と、
   前記相対端末から無線信号を受信して長期無線チャネルの状態を測定する段階と、
   前記長期無線チャネルの状態を考慮して、秘密キーの生成に使用されるパラメータを決定する段階と、
   前記無線信号の増幅ゲイン及び位相を調節して無線チャネル応答を変化させ、短期無線チャネル状態を測定する段階と、
   前記短期無線チャネル状態で前記パラメータを用いて秘密キーを生成する段階とを含んでなることを特徴とする、秘密キー生成方法。
9. 前記秘密キー又は秘密キーから誘導されたハッシュ値と、前記相対端末で生成された秘密キー又はハッシュ値とが一致するか否かを判断するキーペアリングを行うか否かを判断する段階を含むことを特徴とする、請求項８に記載の秘密キー生成方法。

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