JP2013532435A - 無線通信のセキュリティ方法、該方法を実施する受信装置および通信システム - Google Patents

Abstract

発信装置（Ａ）と受信装置（Ｂ）との間の無線通信の本セキュリティ方法は、受信装置（Ｂ）が信号を受信するステップ、受信装置（Ｂ）が、前記受信信号から少なくとも１つのノイズパラメータを抽出するステップ、抽出されたノイズパラメータを、受信装置（Ｂ）内のメモリに格納されている、少なくとも１つの基準ノイズパラメータと比較するステップ、およびこの比較結果に応じて、発信装置（Ａ）と受信装置（Ｂ）との間の中継装置の有無を決定するステップを含む。さらに、受信装置（Ｂ；３０）の事前校正を含み、この校正では、受信装置（Ｂ）は、中継装置の介入なしに発信装置（Ａ）との直接通信から得られた信号を受信し（１０２）、受信装置（Ｂ）は、受信信号から少なくとも１つのノイズパラメータを抽出し（１０４）、受信装置（Ｂ）は、このノイズパラメータを、発信装置（Ａ）と受信装置（Ｂ）との間に中継装置のない直接通信を特徴とする基準ノイズパラメータとして、メモリに格納する（１０８）。
【選択図】図５

Description

本発明は、無線通信のセキュリティ方法に関する。本発明はまた、本方法を実施する受信装置および通信セキュリティシステムにも関する。

「無線通信」とは、発信器Ａと受信器Ｂとの間にいかなる物理的接続も必要とせずに確立されるＡとＢとの間の通信のことであり、この物理的接続は、電流を伝送するための電気ワイヤーもしくは電気ケーブル、光信号を伝送するための光ファイバー、または電磁波もしくは音響波を誘導できる任意の物理的な導波管である。

この定義によれば、一般に「非接触」、つまり電気的に非接触と呼ばれるＲＦＩＤ、ＮＦＣなどのタイプの通信は、無線通信系の一種である。

本発明の実施は、従来の遠隔無線通信（例えば、移動体端末とアンテナ中継との間の通信）のネットワーク、アドホック型の無線ネットワーク（例えば、２つの移動体の間の自発的通信）、センサネットワーク（例えば、センサが生成する情報を別のネットワークポイントに向けて伝送する無線伝送）、非接触システム（例えば、近距離または遠距離範囲でのＲＦＩＤシステム、ＮＦＣなど）、車両ネットワーク（例えば、遠距離から車を開けるよう命令する非接触通信）またはその他のあらゆる無線通信の用途で検討することができる。

このほか、発信器Ａと受信器Ｂとの間で無線通信を実行している間に、Ｂが受信する信号は、用途に応じて以下の結果：
１−Ａが生成し発信した信号（例えばＡとＢとの間の遠隔無線通信）、
２−Ｂが発信し、Ａが反射した波（例えば遠距離範囲でのＲＦＩＤタイプの通信）、または
３−例えば電磁場を発生するＢの隣にＡが設置されている場合のＡとＢとの間の誘導結合（例えば近距離範囲での非接触型通信）
を出すことができると考えられる。

そのため、発信器Ａが発信した信号は、場合に応じて、Ａが生成した信号（ケース１）、Ａが反射した信号（ケース２）または受信器Ｂから見える磁場にＡが与える影響に相当する、「誘導された」信号（ケース３）である。

この種の通信は、極めて広く普及しているが、特に攻撃に対して弱く、とりわけ特定の場合では「ワームホール」攻撃（英語の「ｗｏｒｍｈｏｌｅ ａｔｔａｃｋ」）とも呼ばれる中継攻撃に対して弱い。実際、無線通信システムで送信されたデータは、通信の正常動作を狂わせることを目的とする悪質な傍受によって脅威にさらされる恐れがある。作成が簡易だが阻止が困難なこれらの攻撃は、この種の通信におけるユーザの信頼性を低下させるものである。

中継攻撃は、さらに正確には、先験的に無認可の少なくとも１つの中継装置を用いて、発信器と受信器との間の無線接続を達成し、両者が互いの通信範囲内になくとも通信するようにすることである。その目的は、発信器と受信器との間に経路を作成してアプリケーションへのアクセス権を獲得できるようにすることであり、この経路は、空中を自由に伝搬する信号の形態、または発信器と受信器との間の電磁場を制御して変動させた形態で交換される、一般に機密性のデータの流れを傍受する。アドホックネットワークでは、この経路の作成により、発信器と受信器との間の情報を盗むほか、進行中の通信のルーティングテーブル、位置検出、コンセンサスアルゴリズムなどに関する虚偽の情報を発生させる。

中継攻撃は、それ自体がすでに潜在的に危険であるが、さらに、「中間者」攻撃（英語の「ｍａｎ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ａｔｔａｃｋ」）、「サービス拒否」攻撃（英語の「ｄｅｎｉａｌ ｏｆ ｓｅｒｖｉｃｅ ａｔｔａｃｋ」）あるいは「リプレイ」攻撃（英語の「ｒｅｐｌａｙ ａｔｔａｃｋ」）など、さらに高度な他の攻撃を導入する能力がある。

この攻撃を阻止するための数々のセキュリティ対策が考案されてきたが、その対策は、依然としてあまりにも複雑であり、かつ／または特定の用途に対してあまりにも特殊であり、かつ／または効率の面で不十分なものである。

例えば、アドホックネットワークおよびセンサネットワークなどの協働型のネットワークを適用する場合は、以下の方法を提案することができる。
− データパケットの発信時間および受信時間（処理時間を含む）に応じて遅延時間を測定する方法。しかし、この複雑な対策は、決定エラーを減らすために、発信器と受信器との間で同期クロックを使用する必要がある。
− 発信装置が受信装置の通信範囲内にあるかどうかを知るために、発信装置の地理的位置を確認する方法。しかし、この対策も複雑であり、ＧＰＳ（英語の「Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ」）などの位置検出システムを使用する必要がある。
− メッセージを送信してから、通信プロトコルが肯定応答を備えている場合にその肯定応答を受信するまでの時間を、発信装置で測定することによって盗聴時間を推定する方法。しかし、正確ではないこの対策は、肯定応答を送信する前に受信器がメッセージを処理する時間を考慮しておらず、この処理時間はまったく無視できないものである。
− 受信信号の強度を測定することによって、発信器と受信器とを隔てている距離を推定する方法。しかし、この対策は、発信器も受信器も静止状態であるネットワークにしか検討できない。
− 指向性アンテナを使用する方法。しかし、特定の用途に対する極めて特殊なこの対策には、特定の構造上の複雑性が加わる。
− 静止状態である装置間の通信環境でなければならない、さらに一層特殊なその他の対策。

さらに、例えば、ＲＦＩＤカードおよびセンサのタイプの非接触通信を適用する場合は、前述の方法に加えてその他の以下の方法を提案することができる。
− ３０ｃｍ未満の分解能で距離を測定できるＵＷＢ技術を用いてＲＦＩＤカードの位置を検出する方法。しかし、この対策には、精度を実証するためにかなりのコストおよび複雑性が加わる。
− ファラデーケージタイプの装置またはチップとカードのアンテナとを分離する手段を用いて、搬送波によってＲＦＩＤカードを一時的に作動停止にする方法。しかし、これらの対策には、複雑性が加わり、ユーザの介入を必要とする。

さらに他の対策も提案され、極めて特殊な用途に対して提案されることが多く、例えば、国際特許出願公報第２００４／１１４２２７号（特許文献１）に記載の対策がある。この文献では、ユーザが聞き取れる音響信号を、発信器と受信器との間の通信プロセスで生成し、使用することで、技術的に簡易な対策が考案されている。しかし、ここでもまた、例えば遠距離から車を開ける命令など、検討可能な適用分野は極めて狭く、その上、この対策もユーザを必要とすることは考慮されていない。

米国特許出願公報第２００６／０２５５９０９Ａ１号（特許文献２）には、発信装置と受信装置との間の無線通信のセキュリティ方法が記載されており、受信装置が信号を受信する。この信号は、例えば、認証データ含むメッセージまたは高周波ノイズの「自然な」信号であり、高周波ノイズのレベルは受信器が定期的に監視する。ノイズ検定は、受信器によって行われる。この検定は、受信器の自然な環境の高周波ノイズにおける干渉または変化を検出することが目的である。この目的は、受信信号から抽出された少なくとも１つのノイズパラメータを、自然な信号の基準高周波ノイズを特徴とする基準ノイズパラメータと比較することに基づいている。

国際特許出願公報第２００４／１１４２２７号 米国特許出願公報第２００６／０２５５９０９Ａ１号

Ｍ．Ｇ．Ｋｅｎｄａｌｌ、Ａ．Ｓｔｕａｒｔ、Ｊ．Ｋ．Ｏｒｄ、題「Ｋｅｎｄａｌｌ’ｓ ａｄｖａｎｃｅｄ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ」、Ｈｏｄｄｅｒ Ａｒｎｏｌｄ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ、１９９４年６月

前述の問題および課題の少なくとも一部を緩和できるセキュリティ方法を備えることが望まれる。

よって本発明は、発信装置と受信装置との間の無線通信のセキュリティ方法であって、
− 受信装置が信号を受信するステップ、
− 受信装置が、この受信信号から少なくとも１つのノイズパラメータを抽出するステップ、
− 抽出されたノイズパラメータを、受信装置内のメモリに格納されている、少なくとも１つの基準ノイズパラメータと比較するステップ、および
− この比較結果に応じて、発信装置と受信装置との間の中継装置の有無を決定するステップ
を含む方法を目的とする。

有利には、本発明による無線通信のセキュリティ方法は、さらに、受信装置の事前の校正を含み、この校正では、
− 受信装置は、中継装置の介入なしに発信装置との直接通信から得られた信号を受信し、
− 受信装置は、受信信号から少なくとも１つのノイズパラメータを抽出し、
− 受信装置は、このノイズパラメータを、発信装置と受信装置との間に中継装置のない直接通信を特徴とする基準ノイズパラメータとして、メモリに格納する。

実際には、無線通信に少なくとも１つの中継装置が介入することは、とりわけ中継装置が信号を傍受し、信号を増幅してまたは増幅せずに再伝送するだけの場合に、受信装置が受信した信号のノイズに影響を及ぼすことを本発明で示す。したがって、とりわけ事前の校正ステップで、受信信号からノイズパラメータを抽出することは、受信器には簡単なことであるため、１つまたは複数の無認可の中継装置の検出には、これらのパラメータを使用することが賢明である。さらに、この対策は、ユーザにとって透明性がある。最後に、この対策は、受信器レベルでノイズパラメータが推定される（開放型システム間相互接続の国際モデルＯＳＩの階層の意味での）物理層の特性に基づいて、中継攻撃を検出する可能性を提供することがわかるであろう。

任意に、本発明による無線通信のセキュリティ方法は、
− 発信装置および受信装置が認識する少なくとも１つの所定のノイズパラメータから所定のノイズを、発信装置により生成するステップ、および
− 所定のノイズを含む信号を発信するステップ
を事前に含むことができ、抽出されたノイズパラメータと基準ノイズパラメータとの受信装置による比較は、発信装置および受信装置が認識する所定のノイズパラメータを計算に入れることを含むことができる。

同じく任意に、抽出されたノイズパラメータおよび基準ノイズパラメータは、それぞれノイズの分散の推定パラメータを含む。

同じく任意に、中継装置の有無に対する決定は、中継装置の有無の仮説検定に基づく検定ステップを含み、この仮説は、対象とする肯定的な誤りおよび／または否定的な誤りのフィッシャーの確率検定または所定の確率検定に応じて算出された、この仮説の棄却閾値と比較対照するものである。

本発明はまた、所定の発信装置と受信装置との間で無線通信により生成された信号を受信する受信装置であって、
− 中継装置を介入しない発信装置との直接通信から得られた信号を受信し、受信信号の少なくとも１つのノイズパラメータを、発信装置と受信装置との間に中継装置のない直接通信を特徴とする基準ノイズパラメータとして抽出することにより校正する校正手段、
− この基準ノイズパラメータを格納する格納手段、
− 受信信号から少なくとも１つのノイズパラメータを抽出する抽出手段、
− 抽出されたノイズパラメータを基準ノイズパラメータと比較する比較手段、および
− この比較結果に応じて、所定の発信装置と受信装置との間の中継装置の有無を検出する検出手段
を備える受信装置も目的とする。

任意に、本発明による受信装置は、さらに、所定の発信装置からも認識されている少なくとも１つの所定のノイズパラメータを格納する格納手段も備えることができ、比較手段は、この所定のノイズパラメータを計算に入れるように設計されることができる。

同じく任意に、抽出手段は、
− フィルタリングされたノイズ信号を供給するために、受信信号に適用されるようになっているバンドストップフィルタであって、その遮断周波数は、受信信号のあらかじめ仮定した有用な帯域幅に応じて定義される、バンドストップフィルタ、および
− フィルタリングされたノイズ信号の統計パラメータ、スペクトルパラメータおよび／または振幅のパラメータを少なくとも１つ推定する推定手段
を備える。

本発明はまた、少なくとも１つの受信装置および少なくとも１つの発信装置を有する無線通信のセキュリティシステムであって、それぞれの受信装置が上記で定義したような装置である、セキュリティシステムも目的とする。

任意に、発信装置はそれぞれ受信装置でもあり、受信器はそれぞれ発信器でもある。

本発明は、添付の図を参照しながら例示のみを目的として挙げた以下の説明文を読めばよりよく理解できるであろう。

２つの無線通信装置の間で中継装置なしで通信を確立する様子を示す概略図である。 ２つの無線通信装置の間で中継装置を用いて通信を確立する様子を示す概略図である。 図１Ａおよび図１Ｂに示す２つの通信装置の間で起こり得る中継攻撃のシナリオを示す図である。 図１Ａおよび図１Ｂに示す２つの通信装置の間で起こり得る中継攻撃のシナリオを示す図である。 図１Ａおよび図１Ｂに示す２つの通信装置の間で起こり得る中継攻撃のシナリオを示す図である。 図１Ａおよび図１Ｂに示す２つの通信装置の間で起こり得る中継攻撃のシナリオを示す図である。 通信装置が受信したノイズに対して中継装置の有無が及ぼす影響を示すグラフである。 本発明の一実施形態による受信装置の全体構造の概略図である。 本発明の一実施形態によるセキュリティ方法の校正段階の一連のステップを示すフローチャートである。 本発明の一実施形態によるセキュリティ方法の通信段階の一連のステップを示すフローチャートである。

図１Ａに示す無線通信システムは、発信装置Ａおよび受信装置Ｂを備える。

検討した通信の種類（前述したケース１、２または３）によれば、受信装置Ｂは、Ｂの周辺に位置してＢを含むＢの受信領域ＺＢの内部にＡが配置されている場合に、Ａが生成する可能性のある信号（ケース１）、Ａが反射した信号（ケース２）または単純にＢの磁場にＡが単に存在していたことで生じた信号（ケース３）を受信できる。この領域ＺＢを超えると、装置ＡはＢの範囲外になり、両者の間で非接触通信は確立されない。したがって、図１Ａの直接通信の構成では、Ａは、この受信領域ＺＢの内部に位置する。

２つの装置ＡおよびＢが発信器であると同時に受信器でもある無線通信のその他の適用例では、Ａも図１Ａに点線で示した受信領域ＺＡを有し、直接通信がＢからＡに対しても達成されることができるように、Ｂもこの領域内にある必要があることがわかるであろう。直接通信の状況では、ＡおよびＢは２つとも、受信領域ＺＡおよびＺＢの交点の内部に位置する。

図１Ｂは、通信システムの構成を示し、この構成では、ＡはＢの範囲外にあるため、装置ＡおよびＢは直接通信できない。しかし、この構成では、中継装置ＲがＡとＢとの間に配置されているため、ＡとＢとの間では間接通信を行うことができる。さらに正確には、中継装置Ｒは、受信領域ＺＢの内部に配置され、中継装置自体は、Ｒの周辺に位置してＲを含むＲの受信領域ＺＲの内部にＡが配置されている場合に、Ａが発信する可能性のある信号、Ａが反射した信号または単純にＡが単に存在していたことで生じた信号を受信できる。

したがって、起こり得る第１のタイプの間接通信（上記のケース１）では、装置Ａが発信した信号は、ＡがＲの受信領域ＺＲ内に位置するために中継装置Ｒに受信され、中継装置によって再伝送され、ＲがＢの受信領域ＺＢ内に位置するために装置Ｂに受信されることができる。

起こり得る第２のタイプの間接通信（上記のケース２）では、装置Ｂが発信した信号は、ＢがＲの受信領域ＺＲ内に位置するときに中継装置Ｒに受信され、中継装置によって再伝送されて装置Ａによって反射され、ＡがＲの受信領域ＺＲ内に位置するためにＲに受信され、Ｒによって再伝送され、ＲがＢの受信領域ＺＢ内に位置するために装置Ｂに受信されることができる。

最後に、起こり得る第３のタイプの間接通信（ケース３）では、装置Ｂが生成する磁場の特徴（強度、変調、場合によっては搬送波周波数がまだわかっていないときは搬送波周波数）は、ＢがＲの受信領域ＺＲ内に位置するときは中継装置Ｒが感知することができ、その後、中継器Ｒが装置Ａに対して複製する。装置Ａは、Ｒの受信領域ＺＲ内に位置するため、中継器Ｒの範囲内でＡが及ぼす影響に相当する、Ａが発信した信号は、中継器ＲがＢの受信領域ＺＢ内に位置するかぎり、同じ方法（誘導結合）でＢの方へ再伝送される。

２つの装置ＡおよびＢが発信器であると同時に受信器でもある、無線通信の他の適用例では、Ａも図１Ｂに点線で示した受信領域ＺＡを有し、ＢからＡへ中継器Ｒを介して間接通信を確立できるように、Ｒもこの領域内にある必要があることがわかるであろう。間接通信の状況では、中継装置Ｒは、受信領域ＺＡおよびＺＢの交点の内部に位置する。

装置ＡおよびＢがさらに離れている場合、とりわけ両装置の受信領域に交点がない場合、両装置の間に間接通信を確立するために、複数の中継装置が必要となることがある。

通信装置ＡとＢとの間に、認可済みで認証可能な１つまたは複数の中継装置を検討または許容してもよいことが時折あるが、前述の中継攻撃の例では、ＡとＢとの間で交換されるデータを傍受し、１つずつ識別し、かつ／または両装置が互いに直接通信の範囲内にあると両装置に思い込ませるために、中継装置もまた不正に使用されることがある。そのため、中継装置の存在を容易かつ迅速に検出できることが望ましい。認可済みの複数の中継装置が使用される場合、最初の発信器に加えて認可済みの全中継器を、本発明の意味での唯一の発信器と見なすことができる。

中継装置Ｒがない状態で、上記の３ケースのうちの１つに従って、Ａが発信した信号をＸと表記し、さらにＡとＢとの間の伝送路の応答をＨ_ＡＢと表記し、Ｂが直接受信する信号をＹ_ＡＢと表記する場合、以下の式が得られる。
Ｙ_ＡＢ＝Ｈ_ＡＢ×Ｘ＋Ｎ_Ｂ（１）
式中、Ｎ_Ｂは、例えば受信された白色ガウスノイズであり、これは装置Ｂを用いて測定できる。

複数タイプの中継攻撃に対して、複数タイプの中継装置を検討することができる。

図２Ａに示した、増幅せずに再伝送する最も単純なシナリオの第１の変形例によれば、発信装置Ａと受信装置Ｂとの間に配置された中継装置Ｒは、受信および発信を行うアンテナ１０を備える。このアンテナ１０があることにより、中継装置は、装置Ａが発信した信号を受信し、この信号を増幅せずにＢの方へ再伝送できる。また逆に、双方向の無線通信の適用例では、中継装置は、装置Ｂが発信した信号を受信し、この信号を増幅せずにＡの方へ再伝送できる。

図２Ｂに示した、増幅せずに再伝送する最も単純なシナリオの第２の変形例によれば、中継装置Ｒは、発信および受信を行う第１のアンテナ１２、アンテナ１２とは異なる、発信および受信を行う第２のアンテナ１４、ならびに２つのアンテナ１２と１４との間でデータを伝送する連絡路１６を備える。伝送用連絡路１６は、例えば従来の同軸電気ケーブルであるが、より一般には、有線または無線のあらゆるデータ伝送用連絡路を検討することができる。この種の中継装置は、装置ＡおよびＢが離れすぎていて、図２Ａに示す単一の中継装置Ｒしか使用できない場合に使用できる。したがって、中継装置Ｒは、アンテナ１２があることにより、装置Ａが発信した信号を受信でき、アンテナ１４があることにより、同軸ケーブル１６を介してこの信号を増幅せずにＢの方へ再伝送できる。また逆に、中継装置は、アンテナ１４があることにより、装置Ｂが発信した信号を受信でき、アンテナ１２があることにより、同軸ケーブル１６を介してこの信号を増幅せずにＡの方へ再伝送できる。

実際には、前述のアンテナ１０、１２、１４は、ＭＩＭＯ（英語の「Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ」）、ＳＩＳＯ（英語の「Ｓｉｎｇｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｓｉｎｇｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ」）、ＳＩＭＯ（英語の「Ｓｉｎｇｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ」）またはＭＩＳＯ（英語の「Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｓｉｎｇｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ」）のタイプのアンテナとすることができる。

中継装置Ｒにより増幅せずに再伝送するこのシナリオによれば、Ｂが間接的に受信する、Ｙ_ＡＲＢと表記する信号は、以下のようになり、
Ｙ_ＡＲＢ＝Ｈ_ＲＢ×（Ｈ_ＡＲ×Ｘ＋Ｎ_Ｒ）＋Ｎ_Ｂ
＝Ｈ_ＲＢ×Ｈ_ＡＲ×Ｘ＋Ｈ_ＲＢ×Ｎ_Ｒ＋Ｎ_Ｂ （２）
式中、Ｎ_Ｒは、例えば中継装置Ｒが受信する白色ガウスノイズであり、Ｈ_ＡＲは、ＡとＲとの間の伝送路の応答であり、Ｈ_ＲＢは、ＲとＢとの間の伝送路の応答である。

式（１）および（２）から、中継装置Ｒがある場合とない場合との、装置Ｂが受信したノイズ量の差がわかる。特に、直接受信では、式（１）により、Ｂが受信した有用な信号との分離が可能なノイズの値はＮ_Ｂであるが、間接受信では、増幅なしの再伝送のシナリオによれば、式（２）により、Ｂが受信した有用な信号との分離が可能なノイズの値はＨ_ＲＢ×Ｎ_Ｒ＋Ｎ_Ｂであることに気づく。この特性は、有利には、本発明が使用するものであり、これについては図４から図６を参照して詳述していく。

図２Ｃに示した、前例よりも少し複雑な増幅する再伝送のシナリオによれば、中継装置Ｒは、発信および受信を行う第１のアンテナ１２、アンテナ１２とは異なる、発信および受信を行う第２のアンテナ１４、ならびに２つのアンテナ１２と１４との間で信号を伝送する、アンプ１８を有する連絡路を備える。したがって、中継装置Ｒは、アンテナ１２があることにより、装置Ａが発信した信号を受信でき、アンテナ１４があることにより、この信号を増幅して直接Ｂの方へ再伝送できる。また逆に、中継装置は、アンテナ１４があることにより、装置Ｂが発信した信号を受信でき、アンテナ１２があることにより、この信号を増幅してＡの方へ再伝送できる。

中継装置Ｒが増幅して再伝送するというこのシナリオによれば、Ｂが間接的に受信する信号Ｙ_ＡＲＢは、以下のようになり、
Ｙ_ＡＲＢ＝Ｇ×Ｈ_ＲＢ×（Ｈ_ＡＲ×Ｘ＋Ｎ_Ｒ）＋Ｎ_Ｂ
＝Ｇ×Ｈ_ＲＢ×Ｈ_ＡＲ×Ｘ＋Ｇ×Ｈ_ＲＢ×Ｎ_Ｒ＋Ｎ_Ｂ （３）
式中、Ｇは、アンプ１８の利得である。

式（１）および（３）から、ここでもまた、中継装置Ｒがある場合とない場合との、装置Ｂが受信したノイズ量の差がわかる。特に、直接受信では、式（１）により、Ｂが受信した有用な信号との分離が可能なノイズの値はＮ_Ｂであるが、間接受信では、増幅する再伝送のシナリオによれば、式（３）により、Ｂが受信した有用な信号との分離が可能なノイズの値はＧ×Ｈ_ＲＢ×Ｎ_Ｒ＋Ｎ_Ｂであることに気づく。この特性は、有利には、本発明が使用するものであり、これについては図４から図６を参照して詳述していく。

図２Ｄに示した、復号化および再符号化を行って再伝送するもう１つのシナリオによれば、中継装置Ｒは、発信および受信を行う第１のアンテナ１２、アンテナ１２とは異なる、発信および受信を行う第２のアンテナ１４、ならびに２つのアンテナ１２と１４との間でデータを伝送する、符号器／復号器２０を有する連絡路を備える。したがって、中継装置Ｒは、アンテナ１２があることにより、装置Ａが発信した信号を受信でき、符号器／復号器２０があることにより、この信号を復号化、再符号化でき、アンテナ１４があることにより、この信号をＢの方へ再伝送できる。また逆に、中継装置は、アンテナ１４があることにより、装置Ｂが発信した信号を受信でき、符号器／復号器２０があることにより、この信号を復号化、再符号化でき、アンテナ１２があることにより、この信号をＡの方へ再伝送できる。

中継装置Ｒが復号化および再符号化を行って再伝送するこのシナリオによれば、Ｂが間接的に受信する信号Ｙ_ＡＲＢは、以下のようになり、
Ｙ_ＡＲＢ＝Ｈ_ＲＢ×Ｘ’＋Ｎ_Ｂ（４）
式中、Ｘ’は、復号化および再符号化の後に中継装置Ｒが得る信号である。

式（１）および（４）から、今度は、中継装置Ｒがある場合とない場合との、装置Ｂが受信したノイズ量が、先験的に同じであることがわかる。

したがって、復号化および再符号化を行うこの種の中継装置を検出するため、発信時に意図的に所定のノイズＮ_Ｃを追加することが有利とすることができ、この所定のノイズおよび／またはこの所定のノイズを生成できるパラメータは、発信装置および受信装置からは認識されるが、中継装置Ｒからは認識されない。

そのため、式（１）は、以下のようになる。
Ｙ_ＡＢ＝Ｈ_ＡＢ×Ｘ＋Ｎ_Ｂ＋Ｎ_Ｃ（５）

式（５）および（４）から、再び、中継装置Ｒがある場合とない場合との、装置Ｂが受信したノイズ量の差がわかる。特に、直接受信では、式（５）により、Ｂが受信した有用な信号との分離が可能なノイズの値はＮ_Ｂ＋Ｎ_Ｃであるが、間接受信では、複合化および再符号化を行って再伝送するシナリオによれば、式（４）により、Ｂが受信した有用な信号との分離が可能なノイズの値はＮ_Ｂであることに気づく。この特性は、有利には、本発明の一実施形態が使用するものであり、これについては図４から図６を参照して詳述していく。

図３に示すグラフは、中継器Ｒがなく通信装置ＡとＢとの間の距離がｄ（Ａ，Ｂ）である様々な構成、および中継器Ｒがあり通信装置ＡとＲ１との間の距離がｄ（Ａ，Ｒ１）であり、Ｒ２とＢとの間の距離がｄ（Ｂ，Ｒ２）である様々な構成に従って、特定数の標本に対するノイズ分布（オシロスコープで測定、単位ボルト）を測定するために、受信装置、例えば装置Ｂに対して行った実験的測定の結果であり、Ｒ１は、発信器Ａの近辺に配置したＲのアンテナを指し、Ｒ２は、受信器Ｂの近辺に配置したＲのアンテナを指す（前述した第１および第２のシナリオのうちの一方による）。

実験条件は、以下の通りである。通信は、近距離範囲で行われる非接触型のものであり、交換される信号は、規格ＩＳＯ１４４４３−Ａに準拠するものである。受信装置Ｂは、従来の非接触型の読み取り器であり、発信装置Ａは、従来の非接触カード型のトランスポンダである。受信器Ｂが受信し、発信器Ａが変調した信号は、周波数１３．５６ＭＨｚ（読み取り器／受信器の搬送波）に集中し、帯域幅が約２ＭＨｚ（トランスポンダ／発信器の変調）である。受信したノイズを抽出するために、例えば遮断周波数が９ＭＨｚおよび１８Ｍｈｚであるバンドストップフィルタを適用すると、その結果、フィルタリングされたＢが受信した信号が、ノイズに関連する周波数のみを有していると考えることができる。

ＡとＢとの間に中継器がない直接通信の構成では、ＡとＢとの間の距離ｄ（Ａ，Ｂ）が１から７ｃｍまでのどの距離であっても、ノイズ分布は、０近辺では極めて密集し、かなり一定の状態を保っていることに気づく。ＡとＢとの間に中継器がある間接通信の構成では、ＡとＲ１との間の距離ｄ（Ａ，Ｒ１）が１から５ｃｍまでのどの距離であっても、また、ＢとＲ２との間の距離ｄ（Ｂ，Ｒ２）が１から５ｃｍまでのどの距離であっても、ノイズ分布は、０近辺では明らかに少なく、かなり一定の状態を保っていることに気づく。そのため、フィルタリングされたノイズ信号の統計特性、スペクトル特性および／または振幅の特性は、前述した第１および第２のシナリオのうちの一方に従って動作する中継器がＡとＢとの間の無線通信にあるかないかによって異なることが、この測定から明らかになることがわかる。これらの測定は、式（１）から（３）の予想結果を裏付けるものである。

そのため、本発明による受信装置３０は、有利には、図４に示すように、
− 信号の受信アンテナ３２、
− 所定の発信装置と受信装置３０との間に中継装置がない直接通信であることを特徴とする、少なくとも１つの基準ノイズパラメータを格納するためのメモリ３４、
− アンテナ３２が受信し、伝送した信号の少なくとも１つのノイズパラメータを抽出する手段３６であって、例えばバンドストップフィルタ３８、ならびにフィルタリングされたノイズ信号の統計パラメータ、スペクトルパラメータおよび／または振幅のパラメータを少なくとも１つ推定する手段４０を有する、抽出手段３６、
− 抽出されたノイズパラメータを基準ノイズパラメータと比較する比較手段４２、および
− この比較結果に応じて、所定の発信装置と受信装置３０との間の中継装置の有無を検出する検出手段４４
を備える。

実際には、推定手段４０、比較手段４２および検出手段４４は、マイクロプロセッサにある少なくとも１つの電子チップの形態で実装されることができ、かつ／または受信装置３０に格納される少なくとも１つのコンピュータプログラムの命令の形態でプログラムされることができる。

任意に、再伝送された信号を復号化し再符号化する中継装置の存在を検出できるようにするため、メモリ３４は、さらに、所定の発信装置からも認識されている、少なくとも１つの所定のノイズパラメータを格納できる。この場合、比較手段４２は、この所定のノイズパラメータを計算に入れるように設計される。

装置Ｂのみが必然的に受信器である、図１Ａまたは図１Ｂに示すような実施形態では、受信器の全体構造を、図４の受信装置３０の構造と同一にしてよい。特に、近距離範囲での非接触通信をパッシブカードおよびカード読み取り器に適用する場合は、（局所的に磁場を発生させることによる）発信器であると同時に（カードを識別してこの磁場に生成された変調を検出することによる）受信器でもあるカード読み取り器を、本発明を実施できるようにアンテナ３２をこの特殊な用途に適応させて、受信装置３０と同一のものにするだけでよいことがわかるであろう。

通信システムの無線通信装置ＡまたはＢがそれぞれ発信器であると同時に受信器でもある、その他の可能な実施形態では、装置ＡおよびＢの全体構造を、それぞれ図４の受信装置３０の構造と同一にしてよい。

次に、図４の受信装置のような受信装置の動作を、図５および図６を参照して詳述していく。

図５に示す受信装置Ｂの校正段階では、中継装置のない通信が装置ＡとＢとの間で実現できることを確認し、発信装置Ａは、まず有用な信号Ｓを装置Ｂに送信する（ステップ１００）。

この信号Ｓは、ステップ１０２で装置Ｂが受信する。

次に、分析ステップ１０４では、受信装置Ｂは、ノイズパラメータを抽出する。例えば、受信装置は、とりわけバンドストップフィルタ３８を用いて（このようなフィルタが実装されている場合）受信信号をフィルタリングして、ノイズ信号を供給し、この信号から従来のように統計パラメータ、スペクトルパラメータおよび／または振幅のパラメータを、手段４０を用いて抽出する。これらの手段４０は、例えばノイズ信号を特徴付ける従来のソフトウェア手段である。周波数の応答または一時的な応答を特徴付ける、統計的方法を用いてノイズを特徴付けてノイズを識別したのちに、このノイズを他のノイズと比較できるようにする多数の公知の方法が存在する。例えば、信号同士を相互に関連付ける方法、設定した閾値に対する信号の振幅を分析する方法、信号雑音比を推定する方法、信号のスペクトルまたは統計（分散、平均など）を分析する方法を挙げることができる。ノイズの入った信号をあらかじめフィルタリングする必要なく、ノイズの入った信号のノイズパラメータを抽出することが可能であり、これによって、抽出手段３６の実装を大幅に簡易化できることもわかるであろう。

ノイズパラメータの算出は、例えばＮ回繰り返し、回数Ｎは、基準ノイズ信号、つまり通常は中継装置Ｒがない状態で装置Ｂが受信するノイズ信号の特徴付けを改善するために、増やしてもよい。この繰り返しは、反復回数Ｎに達していないかぎり、装置Ｂを強制的にステップ１０２に戻す検定ステップ１０６を実行することで行われる。

最後に、基準ノイズの特徴付けがＮ回達成されると、その結果生じたパラメータは、ステップ１０８でメモリ３４に格納される。したがって、様々なノイズ測定値を集めたノイズのベースを構築することが可能になり、このベースは、のちに中継装置の検出に使用できる。このほか、これらの様々な特徴付けを様々な条件で行うことができ、それによって複数のノイズの推定値を含むデータベースを形成できることがわかるであろう。非接触通信を適用する場合には、この様々な条件とは、例えば、複数のトランスポンダが読み取り装置／受信装置の受信領域内にある、様々な認可済みのケースとすることができる。

相互性により、また任意に、双方向通信を適用する場合には、装置Ａ自体も、Ｂに対する潜在的な受信器として、中継装置なしにＢを用いてこの校正段階のステップを実行できる。

前述した校正段階は、装置Ａと装置Ｂとの間に中継器がない通信の最中に行われなければならない。この校正段階は、例えば従来の遠隔無線通信を適用する場合にネットワークを展開する前に、例えば２つの装置ＡとＢとの間にフレームの交換がないときに実行されることができる。

中継装置のあるまたはない通信段階を図６に示す。この通信は、通信装置ＡとＢとの間で確立され、この２つの装置は、交換が中継により再伝送されることなく直接行われることを先験的に仮定している。

第１のステップ２００では、装置Ａは、有用な信号を装置Ｂに送信する。任意に、また、復号化および再符号化を行って再伝送する際に中継攻撃を阻止するため、このステップ２００では、装置Ａは、装置Ｂからも認識されている少なくとも１つの所定のノイズパラメータから所定のノイズ信号を生成し、このノイズ信号を有用な信号に追加したのち、これを装置Ｂに送信する。

Ａが送信した信号は、ステップ２０２で装置Ｂが受信する。

次に、分析ステップ２０４では、装置Ｂは、ノイズパラメータを抽出する。例えば、装置Ｂは、とりわけバンドストップフィルタ３８を用いて（このフィルタが実装されている場合）受信信号をフィルタリングして、ノイズ信号を供給し、この信号から従来のように、手段４０を用いて、校正段階のときと同じ方法で、統計パラメータ、スペクトルパラメータおよび／または振幅のパラメータを抽出する。

ステップ２０６では、受信装置Ｂは、抽出されたノイズパラメータを、メモリに格納されている基準ノイズパラメータと比較する。当然ながら、有用な信号が、Ｂが認識する所定のノイズとともに発信されていた場合は、抽出されたノイズパラメータと基準ノイズパラメータとの受信装置Ｂによる比較には、Ｂが認識する所定のノイズパラメータを計算に入れることも含まれる。

次に、検定ステップ２０８では、受信装置Ｂは、前ステップの比較結果に従って、比較したパラメータを同じとみなすべきか異なるとみなすべきかを検定する。

比較したパラメータが異なるとみなされた場合、つまり校正段階に対してノイズの特徴に変動があると考えられる場合、２つの通信装置ＡとＢとの間に中継装置Ｒがあると結論付ける肯定的な決定を下すステップ２１０に移る。そうでなければ、ステップ２１２に移る。

１回のみの比較で、比較したパラメータ間に同一性が得られても、２つの通信装置ＡとＢとの間に中継装置がないと結論付けるには不十分であり、同じ結果が得られる比較をｘ回連続的に行わなければならないと考える場合、ステップ２１２は、この比較回数ｘに達しないかぎり強制的にステップ２０６に戻るようにする。

最後に、すべての回で比較したパラメータ間に同一性が得られる比較回数ｘに達すると、２つの通信装置ＡとＢとの間に中継装置Ｒがないと結論付ける否定的な決定を下すステップ２１４に移る。

１回のみの比較でも、比較したパラメータ間に差が得られれば肯定的な決定を下すのには十分であるのに、否定的な決定を下すためには、すべての回で比較したパラメータ間に同一性が得られる比較回数ｘを要求するのは、「否定的な誤り」、つまり中継装置ＲがＡとＢとの間に実際にはあるのに否定的な決定を下す（中継がないと結論付ける決定）リスクを制限することが狙いである。実際、「肯定的な誤り」、つまり中継装置ＲがＡとＢとの間にはないのに肯定的な決定を下す（中継があると結論付ける決定」）ことは、否定的な誤りほど重大な影響はない。換言すれば、比較を重ねることでセキュリティを強化することができる。

任意に、否定的な決定を下すステップ２１４に移る前に行うべき比較回数ｘは、校正段階で行われる、基準ノイズを特徴付ける回数Ｎに応じて変化してもよい。

肯定的な誤りおよび否定的な誤りのリスクを軽減するもう１つの補足的方法は、例えば、当業者に公知の検定である、いわゆるフィッシャーの確率検定を使用して、あるいは対象とする肯定的な誤りおよび否定的な誤りの確率に応じて、受信装置Ｂが仮説（中継装置の有無の仮説）の棄却閾値を設定できる仮説検定を検定ステップ２０８に備える方法である。フィッシャーの確率検定は、とりわけ文献（Ｍ．Ｇ．Ｋｅｎｄａｌｌ、Ａ．Ｓｔｕａｒｔ、Ｊ．Ｋ．Ｏｒｄ、題「Ｋｅｎｄａｌｌ’ｓ ａｄｖａｎｃｅｄ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ」、Ｈｏｄｄｅｒ Ａｒｎｏｌｄ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ、１９９４年６月）（非特許文献１）に詳細に記載されている。

簡易かつ具体的な例であって、純粋に説明のための非限定的な例として、検出は、受信装置Ｂが受信したノイズの分散パラメータの分析に基づくことができる。そのため、基準ノイズパラメータは、校正段階で算出された分散の値σ_０ ^２である。ｎ個の標本に対して得られた、ステップ２０４でフィルタリングされたノイズの分散σ^２の推定の統計量Ｓ^２を使用することができる。

ノイズは白色、ガウス性、平均ゼロであると仮定して、検定統計量Ｓ^２は、自由度がｎ−１である中心化した確率変数χ^２であり、以下の近似が実証される。

したがって、決定の規則は、以下のようになり、
Ｓ^２∈［ａ，ｂ］であれば、中継器はないと結論付ける

であれば、中継器はあると結論付ける
式中、パラメータａおよびｂは、肯定的な誤りおよび否定的な誤りを対象とする臨界確率αに応じて決定される。

さらに正確には、
σ^２＝σ_０ ^２のとき

である。

この区間の限度は、以下の式から得ることができる。

実際、変数αは、先験的に設定されており、そこから値ａおよびｂを導き出すことは簡単である。

その結果、ステップ２０８で実行した検定の原理は、この例では、
− ｎ個の標本に対してＳ^２を算出するステップ、
− 区間［ａ，ｂ］を用いて得られた値を比較するステップ、および
− 比較したパラメータの同一性または差に基づいて結論付けるステップ
を含むことができる。

相互性により、また任意に、双方向通信を適用する場合は、装置Ａ自体も、Ｂに対する受信器として、この通信段階の同じステップ２０２から２１４を実行できる。

前述したような無線通信のセキュリティ方法であれば、実施するのが簡易であるため、通信システムにおける実装コストの面で経済的であることが明らかになる。とりわけ、動作中の発信装置／受信装置に対して、指向性アンテナのような特定の技術を追加したり、両装置の間で同期するクロック使用したりすることが一切ない。さらに、本方法を実施するために、暗号プロトコルを使用する必要がない。

本方法は、伝送された信号の特徴を利用するものであり、この特徴はＯＳＩモデルの物理層で抽出できるため、本方法は、高度な規格にもプロトコルにも依存していない。したがって、本方法は、あらゆる種類の無線ネットワークまたは非接触ネットワーク（携帯電話の従来の無線ネットワーク、アドホック型の無線ネットワーク、センサネットワーク、非接触型システムであるＲＦＩＤまたはＮＦＣ、車両ネットワークなど）に適応する。

最後に、本方法は、軍事用途、認証用途など、検討可能なそれぞれの用途向けに容易に調整できる。

このほか、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではないことがわかるであろう。ここに開示した教示に照らし合わせて、上に記載した実施形態にさまざまな修正を加えてもよいことは当業者には明らかであろう。以下の特許請求の範囲では、使用した用語が請求項を本明細書で明らかにした実施形態に限定するものと解釈してはならず、本文の記載およびそこから予見される内容は、ここに開示した教示の実施に一般知識を応用することによって当業者が到達しうる範囲内であることから、請求項が範囲に含めると想定するあらゆる同等のものも含まれると解釈すべきである。

Claims (9)

1. 発信装置（Ａ）と受信装置（Ｂ；３０）との間の無線通信のセキュリティ方法であって、
   − 前記受信装置（Ｂ；３０）が信号を受信するステップ（２０２）、
   − 前記受信装置（Ｂ；３０）が前記受信信号から少なくとも１つのノイズパラメータを抽出するステップ（２０４）、
   − 抽出された前記ノイズパラメータを、前記受信装置（Ｂ；３０）内のメモリ（３４）に格納されている、少なくとも１つの基準ノイズパラメータと比較するステップ（２０６）、および
   − 前記比較結果（２０６）に応じて、前記発信装置（Ａ）と前記受信装置（Ｂ；３０）との間の中継装置（Ｒ）の有無を決定するステップ（２０８、２１０、２１２、２１４）
   を含む、無線通信のセキュリティ方法において、
   さらに、前記受信装置（Ｂ；３０）の事前校正を含み、該校正では、
   − 前記受信装置（Ｂ；３０）は、中継装置の介入なしに前記発信装置（Ａ）との直接通信から得られた信号を受信し（１０２）、
   − 前記受信装置（Ｂ；３０）は、前記受信信号から少なくとも１つのノイズパラメータを抽出し（１０４）、
   − 前記受信装置（Ｂ；３０）は、前記ノイズパラメータを、前記発信装置（Ａ）と前記受信装置（Ｂ；３０）との間に中継装置のない直接通信を特徴とする基準ノイズパラメータとして、メモリ（３２）に格納する（１０８）
   ことを特徴とする、無線通信のセキュリティ方法。
2. − 前記発信装置（Ａ）および前記受信装置（Ｂ；３０）が認識する少なくとも１つの所定のノイズパラメータから所定のノイズを、前記発信装置（Ａ）により生成するステップ（２００）、および
   − 前記所定のノイズを含む信号を発信するステップ（２００）
   を事前に含み、
   前記抽出されたノイズパラメータと前記基準ノイズパラメータとの前記受信装置（Ｂ；３０）による前記比較（２０６）は、前記発信装置（Ａ）および前記受信装置（Ｂ；３０）が認識する前記所定のノイズパラメータを計算に入れることを含む、
   請求項１に記載の無線通信のセキュリティ方法。
3. 前記抽出されたノイズパラメータおよび前記基準ノイズパラメータは、それぞれノイズの分散の推定パラメータを含む、請求項１または２のうちいずれか一項に記載の無線通信のセキュリティ方法。
4. 中継装置（Ｒ）の有無に対する決定（２０８、２１０、２１２、２１４）は、中継装置（Ｒ）の有無の仮説検定に基づく検定ステップ（２０８）を含み、該仮説は、対象とする肯定的な誤りおよび／または否定的な誤りのフィッシャーの確率検定または所定の確率検定に応じて算出された前記仮説の棄却閾値と比較対照するものである、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の無線通信のセキュリティ方法。
5. 所定の発信装置（Ａ）と受信装置との間で無線通信により生成された信号を受信する受信装置であって、
   − 中継装置を介入しない前記発信装置（Ａ）との直接通信から得られた信号を受信し（１０２）、前記受信信号の少なくとも１つのノイズパラメータを、前記発信装置（Ａ）および前記受信装置（Ｂ；３０）との間に中継装置のない直接通信を特徴とする基準ノイズパラメータとして抽出する（１０４）ことにより校正する、校正手段、
   − 前記基準ノイズパラメータを格納する格納手段（３４）、
   − 受信信号から少なくとも１つのノイズパラメータを抽出する抽出手段（３６）、
   − 前記抽出されたノイズパラメータを前記基準ノイズパラメータと比較する比較手段（４２）、および
   − 前記比較結果に応じて、前記所定の発信装置（Ａ）と前記受信装置（Ｂ；３０）との間の中継装置（Ｒ）の有無を検出する検出手段（４４）
   を備える受信装置（Ｂ；３０）。
6. さらに、前記所定の発信装置（Ａ）からも認識されている少なくとも１つの所定のノイズパラメータを格納する格納手段（３４）も備え、該比較手段（４２）は、前記所定のノイズパラメータを計算に入れるように設計される、請求項５に記載の受信装置（Ｂ；３０）。
7. 前記抽出手段（３６）は、
   − フィルタリングされたノイズ信号を供給するために、前記受信信号に適用されるようになっているバンドストップフィルタであって、その遮断周波数は、前記受信信号のあらかじめ仮定した有用な帯域幅に応じて定義される、バンドストップフィルタ（３８）、ならびに
   − 前記フィルタリングされたノイズ信号の統計パラメータ、スペクトルパラメータおよび／または振幅のパラメータを少なくとも１つ推定する推定手段（４０）
   を備える、請求項５または６に記載の受信装置（Ｂ；３０）。
8. 少なくとも１つの受信装置（Ｂ；３０）および少なくとも１つの発信装置（Ａ）を有する無線通信のセキュリティシステムであって、それぞれの受信装置（Ｂ；３０）が、請求項５〜７のうちいずれかに記載の装置である、無線通信のセキュリティシステム。
9. 発信装置（Ａ）はそれぞれ受信装置でもあり、受信器（Ｂ）はそれぞれ発信器でもある、請求項８に記載の通信セキュリティシステム。