JP2020017834A - 通信装置、光伝送装置、光伝送方法、および通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】物理暗号通信の再開時に安全に擬似乱数の同期を確立する。【解決手段】通信装置は、カウンタ、擬似乱数発生器、シンボル生成部、変調器、コントローラを備え、相手装置との間で通信を行う。カウンタは、相手装置に送信されるシンボルをカウントする。擬似乱数発生器は、カウンタのカウント値に対応する擬似乱数を生成する。シンボル生成部は、送信信号および擬似乱数から送信シンボルを生成する。変調器は、送信シンボルから変調信号を生成する。コントローラは、通信の切断が検出された時刻に基づいて、予め決められた複数の待合せ時刻の中から通信を再開する待合せ時刻を選択し、選択した待合せ時刻に対して予め割り当てられているカウント値を取得してカウンタに与える。カウンタは、通信装置が相手装置との間の通信を再開するときに、コントローラから与えられたカウント値からカウント動作を再開する。【選択図】図８

Description

本発明は、暗号通信を行う通信装置、光伝送装置、光伝送方法、および通信システムに係わる。

秘匿通信を実現するために、様々な暗号方式が実用化されている。暗号通信では、多くのケースにおいて、擬似乱数が使用される。

図１（ａ）は、暗号通信の一例を示す。この例では、送信ノードは、擬似乱数発生器１００１および暗号化器１００２を備える。擬似乱数発生器１００１は、種（seed key）に基づいて擬似乱数（running key）を生成する。暗号化器１００２は、擬似乱数発生器１００１により生成される擬似乱数を用いて平文データから暗号文信号を生成する。受信ノードは、擬似乱数発生器１０１１および復号器１０１２を備える。擬似乱数発生器１０１１は、種に基づいて擬似乱数を生成する。復号器１０１２は、擬似乱数発生器１０１１により生成される擬似乱数を用いて暗号文信号を復号する。ここで、送信ノードおよび受信ノードにおいて互いに同じ種が与えられ、かつ疑似乱数の同期がとれていると、復号器１０１２は、暗号文信号から平文データを再生できる。

例えば、自己同期式ストリーム暗号を用いることにより、送信ノードと受信ノードとの間で疑似乱数の同期が自動的とれる暗号通信を行うことができる。或いは、送信ノードおよび受信ノードは、必要に応じて、公開鍵暗号で種を交換（共有）してもよい。この場合、公開鍵暗号で共有した新しい種で生成される疑似乱数を、送信ノードおよび受信ノードがそれぞれ第１番目に生成される疑似乱数から使用することで、疑似乱数の同期を取ることができる。なお、擬似乱数を用いる暗号通信は、例えば、特許文献１、２に記載されている。

近年、物理暗号の研究が進められている。物理暗号は、例えば、光の量子ゆらぎ（すなわち、雑音）を利用して物理層での秘匿を実現する。例えば、Ｙ−００量子暗号は、物理暗号の一例である。

図１（ｂ）は、物理暗号通信の一例を示す。この例では、送信ノードは、擬似乱数発生器１００１、シンボル決定部１０２１、光源１０２２、変調器１０２３、光アンプ１０２４を備える。シンボル決定部１０２１は、平文データから送信シンボルを決定する。このとき、送信シンボルは、擬似乱数発生器１００１により生成される擬似乱数の影響を受ける。変調器１０２３は、擬似乱数の影響を受けた送信シンボルで光源１０２２から出力される連続光を変調して光信号を生成する。よって、擬似乱数に対応する雑音が光信号に付加される。そして、光アンプ１０２４は、光信号を増幅する。

受信ノードは、擬似乱数発生器１０１１、受光部１０３１、信号判定部１０３２を備える。受光部１０３１は、受信光信号を電気信号に変換する。信号判定部１０３２は、擬似乱数発生器１０１１により生成される擬似乱数を用いて受信信号から雑音を除去することでシンボルを再生する。ここで、送信ノードおよび受信ノードにおいて互いに同じ種が与えられ、かつ疑似乱数の同期がとれていると、信号判定部１０３２は、平文データを再生できる。

なお、物理暗号については、例えば、特許文献３〜６および非特許文献１、２に記載されている。

特開平７−１９３５６５号公報 特開２０００−２０９１９６号公報 特開２０１７−５０６７８号公報 特開２００２−１６４８８３号公報 米国特許７８３１０４９号 特開２０１４−９３７６４号公報

G. S. Kanter et al., Practical Physical-Layer Encryption: The Marriage of Optical Noise with Traditional Cryptography, IEEE Communications Magazine (Volume; 47, Issue: 11, pp. 74-81, November 2009) K. Tanizawa et al., IEICE Communications Express, Vol.7, No.1, 1-6, Digital feedforward carrier phase estimation for PSK Y-00 quantum-noise randomized stream cipher

図１（ａ）または図１（ｂ）に示す暗号通信システムにおいては、送信ノードと受信ノードとの間で擬似乱数の同期を確立する必要がある。ところが、物理暗号においては、擬似乱数に対応する雑音が光信号に付加されており、受信ノードは暗号文自体を取得できない。よって、自己同期式ストリーム暗号を物理暗号に適用することは困難である。

上述の問題は、送信ノードおよび受信ノードが公開鍵暗号で種を交換（共有）した後に、第一番目に生成される疑似乱数から使用を開始すれば解決され得る。ただし、公開鍵暗号の安全性は、暗号を解読するための計算量に依存する。そして、物理暗号は、多くのケースにおいて、計算量に依存しない安全性を実現するために導入される。よって、公開鍵暗号で種を交換する手順を採用すると、物理暗号の安全性が計算量に依存してしまう。

このように、従来の技術では、送信ノードと受信ノードとの間で物理暗号のための擬似乱数の同期を確立できないことがある。よって、障害の発生または冗長系の切替えなどに際して通信がいったん切断されると、暗号通信の再開が困難となることがある。なお、この問題は、暗号通信の再開時に限定されるものではない。

本発明の１つの側面に係わる目的は、物理暗号通信の再開時に安全に擬似乱数の同期を確立する構成および方法を提供することである。

本発明の１つの態様の通信装置は、相手装置との間で通信を行う。通信装置は、前記相手装置に送信されるシンボルをカウントするカウンタと、前記カウンタのカウント値に対応する擬似乱数を生成する擬似乱数発生器と、送信信号および前記擬似乱数発生器により生成される擬似乱数から送信シンボルを生成するシンボル生成部と、前記シンボル生成部により生成される送信シンボルから変調信号を生成する変調器と、前記相手装置との間の通信の切断が検出されたときに、予め決められた複数の待合せ時刻の中から前記通信の切断が検出された時刻に基づいて前記通信を再開する待合せ時刻を選択し、選択した待合せ時刻に対して予め割り当てられているカウント値を取得して前記カウンタに与えるコントローラと、を備える。前記カウンタは、前記通信装置が前記相手装置との間の通信を再開するときに、前記コントローラから与えられたカウント値からカウント動作を再開する。

上述の態様によれば、物理暗号通信の再開時に安全に擬似乱数の同期を確立することができる。

暗号通信の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係わる暗号通信システムの一例を示す図である。 信号断時刻＿待合せ時刻テーブルおよび待合せ時刻＿カウント値テーブルの一例を示す図である。 暗号通信の切断および再開の一例を示す図である。 暗号通信を再開する手順の一例を示す図である。 暗号通信を再開する手順の一例を示すシーケンス図である。 暗号通信を再開する手順の他の例を示すシーケンス図である。 送信器の一例を示す図である。 受信器の一例を示す図である。 物理暗号を実現する送信器および受信器の一例を示す図である。 暗号鍵から位相雑音を生成する方法の一例を示す図である。 送信信号の暗号化の一例を示す図である。 送信信号の復号の一例を示す図である。 第１の実施形態に係わる通信システムの一例を示す図である。 残留雑音を検出する方法の一例を示す図である。 残留雑音検出部の一例を示す図である。 第１の実施形態に係わる暗号通信の一例を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係わる通信装置の一例を示す図である。 第３の実施形態に係わる通信システムの一例を示す図である。 第４の実施形態に係わる受信器の一例を示す図である。 雑音除去信号のタイミングを調整する方法の一例を示す図である。 雑音除去信号のタイミングを調整する方法を示すフローチャートである。 第５の実施形態に係わる通信システムの一例を示す図である。 暗号鍵のビット長を最適化する方法の一例を示すフローチャートである。 暗号鍵から振幅雑音を生成する方法の一例を示す図である。 暗号鍵を偏波回転に変換する方法の一例を示す図である。

図２は、本発明の実施形態に係わる暗号通信システムの一例を示す。この実施例では、ノードＡに実装される通信装置１０（１０ａ）とノードＢに実装される通信装置１０（１０ｂ）との間で双方向に暗号通信が行われる。各通信装置１０は、例えば、光送受信器を含む光伝送装置により実現される。

通信装置１０ａは、送信器（Ｔｘ）１１ａおよび受信器（Ｒｘ）１２ａを備える。通信装置１０ｂは、送信器（Ｔｘ）１１ｂおよび受信器（Ｒｘ）１２ｂを備える。そして、送信器１１ａから送信される信号は、受信器１２ｂにより受信される。また、送信器１１ｂから送信される信号は、受信器１２ａにより受信される。

送信器１１ａは、時計１３、カウンタ１４、および擬似乱数発生器１５を備える。時計１３は、時計１３が起動されたときからの経過時間を表す。カウンタ１４は、送信器１１ａが送信するシンボルの数をカウントする。擬似乱数発生器１５は、カウンタ１４から出力されるカウント値に対応する擬似乱数を生成する。そして、送信器１１ａは、この擬似乱数を使用して平文データから暗号文信号を生成する。

受信器１２ｂは、時計１６、カウンタ１７、および擬似乱数発生器１８を備える。時計１６は、時計１６が起動されたときからの経過時間を表す。カウンタ１７は、受信器１２ｂが受信するシンボルの数をカウントする。擬似乱数発生器１８は、カウンタ１７から出力されるカウント値に対応する擬似乱数を生成する。そして、受信器１２ｂは、この擬似乱数を使用して、送信器１１ａから送信される暗号文信号を復号して平文データを再生する。

なお、送信器１１ａおよび送信器１１ｂは、互いに実質的に同じ構成である。また、受信器１２ａおよび受信器１２ｂは、互いに実質的に同じ構成である。そして、送信器１１ｂと受信器１２ａとの間の暗号通信は、送信器１１ａと受信器１２ｂとの間の暗号通信と実質的に同じである。よって、送信器１１ｂおよび受信器１２ａの構成および動作については説明を省略する。

送信器１１ａと受信器１２ｂとの間の暗号通信においては、ノードＡにおいて生成される擬似乱数およびノードＢにおいて生成される擬似乱数が互いに同期していることが要求される。すなわち、送信器１１ａがあるシンボルを暗号化するための擬似乱数および受信器１２ｂがそのシンボルを復号するための擬似乱数が互いに一致していることが要求される。以下、送信器１１ａと受信器１２ｂとの間での擬似乱数の同期について記載する。

時計１３および時計１６は、同時に起動されることが要求される。例えば、通信装置１０ａおよび通信装置１０ｂが出荷されるときに、時計１３および時計１６が同時に起動される。したがって、時計１３および時計１６は、常に、実質的に同じ時刻を計時する。ただし、時計１３および時計１６により計時される時刻は、それぞれ誤差を有する。時計１３および時計１６の誤差（すなわち、精度）は、互いに同じであることが好ましいが、互いに異なっていてもよい。例えば、原子時計の精度は１０^-11程度である。また、水晶発振器またはＭＥＭＳ発振器を利用する時計の精度は１０^-7程度である。なお、時計１３および時計１６は、それぞれ、例えば、所定の周波数のクロック信号に基づいてカウントアップ動作を行うカウンタで実現してもよい。

通信装置１０ａ、１０ｂは、耐タンパ構造となっており、時計１３、１６を動作させるための電源を備える。この電源は、例えば、電池またはコンデンサにより実現される。また、時計１３、１６は、それぞれ通信装置１０ａ、１０ｂの耐タンパ構造の内側に実装される。電池またはコンデンサは、通信装置１０ａおよび通信装置１０ｂの出荷時には充電されている。時計１３、１６は、通信装置１０ａおよび通信装置１０ｂが所定の設置場所に設置されるまでの輸送期間中に停止することはない。また、通信装置１０ａおよび通信装置１０ｂが所定の設置場所に設置された後は、継ぎ足し充電が行われ、停電時は時計１３、１６には所定の電力が供給される。即ち、時計１３、１６は、出荷時に起動された後は、通信装置１０ａおよび通信装置１０ｂの寿命が終わるまで停止することはない。また、時計１３、１６により計時される時刻は、再設定されることはないものとする。

カウンタ１４は、送信器１１ａが送信するシンボルの数をカウントする。但し、送信器１１ａは、カウンタ１４のカウント値を予め決められた所定の値にリセットすることができる。同様に、カウンタ１７は、受信器１２ｂが受信するシンボルの数をカウントする。但し、受信器１２ｂは、カウンタ１７のカウント値を予め決められた所定の値にリセットすることができる。

擬似乱数発生器１５、１８は、それぞれ対応するカウンタ１４、１７のカウント値により指定される擬似乱数を生成する。ただし、擬似乱数発生器１５、１８は、下記の動作を実現するものとする。
（１）カウント値ｎが与えられたときは、その前にｎよりも小さいカウント値が与えられていなくても、カウント値ｎに対応する擬似乱数を生成できる。
（２）カウント値ｎに対して生成される擬似乱数は、カウント値１〜カウント値ｎ−１に対して生成された擬似乱数から予測されることはない。
（１）及び（２）を実現する擬似乱数発生器は、例えば、ＢＢＳ（Blum-Blum-Shub）生成器により実現される。

上記構成の暗号通信システムにおいて、暗号通信が開始または再開されるときは、送信器１１ａと受信器１２ｂとの間で疑似乱数の同期を確立することが要求される。例えば、暗号通信が再開されるときは、送信器１１ａが信号を送信する時刻と受信器１２ｂが信号を受信する時刻との間で疑似乱数の同期を確立することが要求される。

そこで、本発明の実施形態においては、送信器１１ａおよび受信器１２ｂに対して同じ待合せ時刻が設定される。待合せ時刻は、暗号通信を再開する時刻を表す。また、待合せ時刻は、例えば、時計１３、１６が起動された時刻を基準として表される。さらに、待合せ時刻は、所定の時間間隔で設定される。待合せ時刻が設定される時間間隔Ｉは、下記の条件を満足するように決定される。
Ｉ≧Ｅ×（ＡＴ＋ＡＲ）
Ｅは、時計１３、１６が起動された時刻から待合せ時刻までの経過時間を表す。ＡＴは、送信器１１ａに実装されている時計１３の精度を表し、ＡＲは、受信器１２ｂに実装されている時計１６の精度を表す。このように、待合せ時刻が設定される時間間隔Ｉは、時計１３の精度と時計１６の精度との和に、時計１３、１６が起動されたときからの経過時間を乗算することで得られる時間以上である。すなわち、待合せ時刻が設定される時間間隔Ｉは、時計１３、１６の誤差に起因して発生する時計１３、１６間の時刻の差の最大値よりも大きいことが要求される。

なお、時計１３、１６の誤差に起因して発生する時計１３、１６間の時刻の差より時間間隔Ｉを大きくするためには、経過時間Ｅは、例えば、「通信装置１０が動作する最大期間（即ち、装置の寿命）」であってもよい。この場合、時間間隔Ｉは、時計１３、１６の精度に基づいて決定される。

一例として、通信装置１０ａ、１０ｂの寿命が２０年であり、時計１３、１６の精度が１０^-11であるものとする。そうすると、通信装置１０ａ、１０ｂが動作を開始したときから２０年が経過するまでの期間において、時計１３、１６間の時刻の差の最大値は１２．６ｍ秒（＝２０年×（１０^-11＋１０^-11））である。したがって、この場合、時間間隔Ｉは２０ｍ秒程度に設定される。

時計１３、１６の精度が１０^-7であるケースでは、時計１３、１６間の時刻の差の最大値は１２６秒（＝２０年×（１０^-7＋１０^-7））である。したがって、この場合、時間間隔Ｉは２分３０秒程度に設定される。

このように、待合せ時刻は、時計１３、１６が起動された時刻を基準として所定の時間間隔で設定される。そして、待合せ時刻は、暗号通信が切断された後、その暗号通信が再開されるときに使用される。具体的には、通信装置１０ａ、１０ｂは、暗号通信の切断を検出すると、その暗号通信を再開する時刻を決定する。このとき、通信装置１０ａ、１０ｂは、それぞれ、所定の時間間隔で設定されている待合せ時刻の中から、暗号通信が切断された時刻に対応する待合せ時刻を選択する。そして、通信装置１０ａ、１０ｂは、選択した待合せ時刻において暗号通信を再開する。したがって、この暗号通信システムにおいては、暗号通信が切断された時刻と待合せ時刻との対応関係が予め決められている。

図３（ａ）は、暗号通信が切断された時刻と待合せ時刻との対応関係を表す信号断時刻＿待合せ時刻テーブルの一例を示す。信号断時刻は、暗号通信の切断が検出された時間帯を表す。次待合せ時刻は、暗号通信を再開する時刻として選択すべき待合せ時刻を表す。例えば、時刻「000015」において暗号通信の切断が検出されたときは、暗号通信を再開する待合せ時刻として「000035」が選択される。ここで、通信装置１０ａ、１０ｂは、同じ信号断時刻＿待合せ時刻テーブルを備える。よって、通信装置１０ａ、１０ｂによりほぼ同時に暗号通信の切断が検出されると、通信装置１０ａ、１０ｂは、同じ待合せ時刻を選択する。

送信器１１ａおよび受信器１２ｂは、上述のようにして選択した待合せ時刻において暗号通信を再開する。ここで、暗号通信は、擬似乱数発生器１５、１８により生成される擬似乱数を用いて実現される。また、擬似乱数発生器１５、１８は、それぞれ対応するカウンタ１４、１７のカウント値に対応する擬似乱数を生成する。よって、暗号通信を再開するときは、通信装置１０ａ、１０ｂは、同じカウント値を取得する必要がある。

図３（ｂ）は、待合せ時刻と暗号通信の再開時に使用されるカウント値との対応関係を表す待合せ時刻＿カウント値テーブルの一例を示す。再設定カウント値ｋは、各待合せ時刻に対してそれぞれ一意に割り当てられる。具体的には、再設定カウント値ｋは、下記の条件を満足するように決定される。
ｋ≧Ｅ×{１＋Max（AT,AR）}×ＳＲ×α
Ｅは、時計１３、１６が起動された時刻から待合せ時刻までの経過時間を表す。ＡＴは、送信器１１ａに実装されている時計１３の精度を表し、ＡＲは、受信器１２ｂに実装されている時計１６の精度を表す。Ｍａｘ（ｘ，ｙ）は、変数ｘまた変数ｙのうちの大きい方を出力する関数を表す。ＳＲは、シンボルレートを表す。αは、安全係数を表し、１または１よりも大きい実数である。なお、再設定カウント値ｋを決定するための条件式において、αは必ずしも必要ではない。

上述の条件を満足する再設定カウント値ｋは、カウンタ１４、１７が過去に出力したカウント値よりも必ず大きくなる。すなわち、再設定カウント値ｋは、カウンタ１４、１７が過去に出力したカウント値よりも必ず大きくなるように決定される。ここで、擬似乱数発生器１５、１８は、与えられるカウント値に対応する擬似乱数を生成する。よって、暗号通信の再開時に擬似乱数発生器１５、１８に再設定カウント値ｋが与えられると、擬似乱数発生器１５、１８は、過去に入力されたことのないカウント値ｋに基づいて擬似乱数を生成する。

例えば、時刻「000015」において暗号通信の切断が検出されたときは、図３（ａ）に示す信号断時刻＿待合せ時刻テーブルに基づいて、待合せ時刻「000035」が選択される。また、待合せ時刻「000035」は、図３（ｂ）に示す待合せ時刻＿カウント値テーブルに基づいて、再設定カウント値「0004500000」に変換される。この場合、暗号通信は、カウント値「0004500000」に対応する擬似乱数から再開される。

ここで、カウント値「0004500000」は、カウンタ１４、１７が過去に出力したいずれのカウント値よりも大きい。そして、暗号通信が再開されると、カウント値は、この値からインクリメントされてゆく。したがって、暗号通信の再開後に使用される擬似乱数は、暗号通信の切断前に使用された擬似乱数と重複することはない。この結果、信頼性の高い暗号通信が実現される。

なお、送信器１１ａおよび受信器１２ｂは、同じ信号断時刻＿待合せ時刻テーブルを備える。また、送信器１１ａおよび受信器１２ｂは、同じ待合せ時刻＿カウント値テーブルを備える。よって、送信器１１ａおよび受信器１２ｂがほぼ同時に信号断を検出すると、送信器１１ａおよび受信器１２ｂにおいて互いに同じ待合せ時刻が選択され、互いに同じ再設定カウント値ｋが取得される。よって、送信器１１ａおよび受信器１２ｂにおいてそれぞれ再設定カウント値ｋを使用して擬似乱数の生成を開始すれば、擬似乱数の同期が確立される。

図４は、暗号通信の切断および再開の一例を示す。この実施例では、待合せ時刻Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、．．．が予め設定されている。なお、待合せ時刻が設定される時間間隔は、一定（例えば、２０ｍ秒）である。また、各待合せ時刻に対して再設定カウント値ｋが予め決められている。各再設定カウント値ｋは、上述の条件を満足するように決定されている。例えば、待合せ時刻Ｔ１に対応する再設定カウント値ｋとしては、時計１３、１６が起動されたときから時刻Ｔ１まで継続して暗号通信が行われたと仮定したときにカウンタ１４、１７により得られるカウント値よりも大きな値が設定される。また、待合せ時刻Ｔ２に対応する再設定カウント値ｋとしては、時計１３、１６が起動されたときから時刻Ｔ２まで継続して暗号通信が行われたと仮定したときにカウンタ１４、１７により得られるカウント値よりも大きな値が設定される。

通信装置１０ａ、１０ｂ間で暗号通信が行われている期間は、１個のシンボルが送信される毎に、カウンタ１４、１７のカウント値ｎがそれぞれ１ずつインクリメントされる。この実施例では、カウント値ｎは、時刻Ｔ１において「2764800000000000」であり、時刻Ｔ２において「2764800640000000」まで増加している。

この後、暗号通信の切断が検出されるものとする。そうすると、通信装置１０ａ、１０ｂは、図３（ａ）示す信号断時刻＿待合せ時刻テーブルを参照し、暗号通信の切断が検出された時刻に対応する待合せ時刻を選択する。この実施例では、待合せ時刻Ｔ３が選択される。このとき、必ずしも、暗号通信の切断が検出された時刻を基準として最初に現れる待合せ時刻が選択されなくてもよい。

続いて、通信装置１０ａ、１０ｂは、図３（ｂ）に示す待合せ時刻＿カウント値テーブルを参照し、選択した待合せ時刻Ｔ３に対して割り当てられている再設定カウント値ｋを取得する。図４に示す例では、待合せ時刻Ｔ３に対して割り当てられている再設定カウント値ｋは「11059201280200000」である。そして、通信装置１０ａ、１０ｂは、カウンタ１４、１７のカウント値ｎを再設定カウント値ｋでリセットする。具体的には、カウンタ１４、１７のカウント値が「ｎ」から「ｋ」に更新される。この結果、カウンタ１４、１７のカウント値はそれぞれ「11059201280200000」に更新される。

通信装置１０ａ、１０ｂは、待合せ時刻Ｔ３において暗号通信を再開する。このとき、カウンタ１４、１７のカウント値ｎは、いずれも「ｋ」である。即ち、待合せ時刻Ｔ３において、カウンタ１４、１７のカウント値ｎは互いに一致している。そして、待合せ時刻Ｔ３において暗号通信が再開された後は、カウンタ１４、１７のカウント値ｎはシンボル毎にインクリメントされてゆくので、カウンタ１４、１７は互いに同期している。また、擬似乱数発生器１５、１８は、カウンタ１４、１７のカウント値に対応する擬似乱数を生成する。したがって、通信装置１０ａ、１０ｂ間で擬似乱数は同期している。この結果、通信装置１０ａ、１０ｂ間での暗号通信の再開が実現される。

図５は、暗号通信を再開する手順の一例を示す。この例では、通信装置１０ａから通信装置１０ｂに暗号化信号を伝送する暗号通信が切断されたものとする。そして、通信装置１０ａおよび通信装置１０ｂがほぼ同時に信号断を検出するものとする。

通信装置１０ａ、１０ｂは、図４を参照しながら説明したように、信号断が検出された時刻に基づいて待合せ時刻Ｔ３を選択する。また、通信装置１０ａ、１０ｂは、選択した待合せ時刻Ｔ３に対応する再設定カウント値ｋを取得する。そして、通信装置１０ａ、１０ｂは、取得した再設定カウント値ｋでカウンタ１４、１７をリセットする。すなわち、この時点で、カウンタ１４、１７のカウント値は互いに同じである。

通信装置１０ａは、既知パターンＸを送信する。既知パターンＸは、暗号化されることなく通信装置１０ａから通信装置１０ｂに伝送される。また、既知パターンＸは、信号引き込み用パターンおよび暗号開始予告パターンを含む。信号引き込み用パターンは、通信装置１０ａ、１０ｂ間で信号同期を確立するために送信される。信号引き込み用パターンが送信される期間は、信号立ち上り時間および信号引き込み時間の和に相当する。信号立ち上り時間は、信号が安定するまでに要する時間に相当し、送信器１１ａの性能および伝送路の特性に基づいて予め決定される。また、信号引き込み時間は、受信器１２ｂにおいて信号同期が確立するまでに要する時間に相当し、受信器１２ｂの性能に基づいて予め決定される。

暗号開始予告パターンは、暗号通信を開始する時刻またはタイミングを指定する。例えば、暗号開始予告パターンにより「暗号開始予告パターンが終了した時刻を基準としてｍシンボルが経過してタイミング」が指定される。この場合、暗号開始予告パターンが終了した時点を基準としてｍ番目のシンボルから暗号通信が開始される。また、ｍは、ゼロであってもよい。この場合、暗号開始予告パターンが終了した直後のシンボルから暗号通信が開始される。

通信装置１０ａは、既知パターンＸに続いて、既知パターンＹを送信する。既知パターンＹの送信は、暗号開始予告パターンが指定する時刻またはタイミングで開始される。また、既知パターンＹは、暗号化されて送信される。なお、通信装置１０ａにおいて、既知パターンＹの送信の開始に伴って、カウンタ１４のカウントアップが開始され、カウンタ１４のカウント値に対応する擬似乱数が生成される。

通信装置１０ｂは、暗号化された既知パターンＹを受信する。ここで、通信装置１０ｂは、通信装置１０ａから通知された暗号開始予告パターンに従って復号処理を開始する。具体的には、通信装置１０ｂは、暗号開始予告パターンにより指定される時刻またはタイミングで復号処理を開始する。なお、通信装置１０ｂにおいて、既知パターンＹの受信の開始に伴って、カウンタ１７のカウントアップが開始され、カウンタ１７のカウント値に対応する擬似乱数が生成される。そして、この擬似乱数を使用して既知パターンＹが復号される。

通信装置１０ｂは、既知パターンＹの復号に成功すると、通信装置１０ａ、１０ｂ間で擬似乱数の同期が確立したと判定する。この場合、通信装置１０ｂは、擬似乱数の同期が確立したことを表す同期ＯＫ信号を通信装置１０ａに通知する。同期ＯＫ信号は、暗号通信により伝送される。図２に示す例では、同期ＯＫ信号は、暗号化され、通信装置１０ｂに実装される送信器１１ｂから通信装置１０ａに実装される受信器１２ａに伝送される。

通信装置１０ａは、通信装置１０ｂから同期ＯＫ信号を受信すると、ペイロードの暗号送信を開始する。これにより、通信装置１０ａ、１０ｂ間の暗号通信が再開される。

図６は、暗号通信を再開する手順の一例を示すシーケンス図である。このシーケンス図は、図５に示す手順に相当する。すなわち、通信装置１０ａから通信装置１０ｂに暗号化信号を伝送する暗号通信が切断されたものとする。

通信装置１０ｂは、信号断を検知する。なお、信号断は、受信信号のレベル（例えば、光信号の受信パワー）が所定の閾値より低下した状態または光信号の信号同期や疑似乱数の同期が外れた状態を表す。そして、通信装置１０ｂは、信号断を検知したことを表す信号断検知信号を通信装置１０ａに通知する。信号断検知信号は、暗号通信により伝送される。図２に示す例では、信号断検知信号は、送信器１１ｂから受信器１２ａに伝送される。なお、通信装置１０ｂは、信号断を検知すると、擬似乱数同期シーケンスを開始する。

通信装置１０ａは、信号断検知信号を受信することにより、通信装置１０ａから通信装置１０ｂに暗号化信号を伝送する暗号通信が切断されたことを検知する。そうすると、通信装置１０ａは、擬似乱数同期シーケンスを開始する。

このように、通信装置１０ａ、１０ｂは、信号断の検知に起因して、擬似乱数同期シーケンスを開始する。具体的には、通信装置１０ａ、１０ｂは、暗号通信を再開する時刻を表す待合せ時刻を選択し、選択した待合せ時刻に対応する再設定カウント値ｋを取得し、カウンタ１４、１７をリセットする。

通信装置１０ａは、既知パターンＸを通信装置１０ｂに送信する。既知パターンＸは、上述したように、信号引き込み用パターンおよび暗号開始予告パターンを含む。通信装置１０ｂは、信号引き込み用パターンを利用して信号同期を確立し、暗号開始予告パターンに基づいて暗号通信を開始するタイミングを認識する。

通信装置１０ａは、暗号化された既知パターンＹを通信装置１０ｂに送信する。既知パターンＹが開始されるタイミング（すなわち、暗号通信が開始されるタイミング）は、暗号開始予告パターンにより通信装置１０ａから通信装置１０ｂに通知されている。したがって、通信装置１０ｂは、既知パターンＹを復号できる。

通信装置１０ｂは、既知パターンＹの復号に成功すると、通信装置１０ａに同期ＯＫ信号を通知する。同期ＯＫ信号は、暗号通信により伝送される。図２に示す例では、同期ＯＫ信号は、送信器１１ｂから受信器１２ａに伝送される。そして、通信装置１０ａは、同期ＯＫ信号を受信すると、ペイロードの暗号送信を開始する。これにより、通信装置１０ａから通信装置１０ｂに暗号化信号を伝送する暗号通信が再開される。

なお、既知パターンＹの復号が失敗したときは、通信装置１０ｂは、既知パターンＹの復号が失敗したことを表す失敗通知を通信装置１０ａに送信する。この失敗通知は、暗号通信により伝送される。この場合、通信装置１０ａ、１０ｂは、再度、擬似乱数同期シーケンスを実行する。

このように、本発明の実施形態に係わる暗号通信方法においては、暗号通信が切断されたときに、擬似乱数を生成するために使用される変数（実施例では、カウント値）を通信装置間で交換することなく、擬似乱数の同期を確立することができる。したがって、暗号通信の安全性が向上する。

なお、図６に示すシーケンスでは、通信装置１０ｂは、信号断を検知すると、信号断通知を送信する。そして、通信装置１０ａは、この信号断通知により信号断を検知する。ただし、本発明の実施形態は、このシーケンスに限定されるものではない。

図７は、暗号通信を再開する手順の他の例を示すシーケンス図である。図７に示すシーケンスでは、通信装置１０ｂは、信号断を検知すると、送信装置１０ａへの信号送信を停止する。そうすると、通信装置１０ａは、信号断を検知する。なお、通信装置１０ｂが送信装置１０ａへの信号送信を停止する動作は、通信装置１０ａ、１０ｂ間の通信の切断が検出されたことを通信装置１０ｂから通信装置１０ａに通知する処理の一例である。この場合、通信装置１０ａは、この通知により、通信装置１０ａ、１０ｂ間の通信の切断を検出する。

この後の手順は、図６および図７において実質的に同じである。ただし、図７に示すシーケンスでは、双方向において擬似乱数同期の確立が実行される。このとき、通信装置１０ａから通信装置１０ｂに暗号文信号を伝送するための擬似乱数の同期は、主に、送信器１１ａおよび受信器１２ｂにより実行される。また、通信装置１０ｂから通信装置１０ａに暗号文信号を伝送するための擬似乱数の同期は、主に、送信器１１ｂおよび受信器１２ａにより実行される。

図８は、送信器１１ａの一例を示す。尚、送信器１１ａおよび送信器１１ｂの構成は、実質的に同じである。

コントローラ２１は、送信器１１ａの動作を制御する。また、コントローラ２１は、信号断検知部２２を備える。信号断検知部２２は、通信装置１０ａ、１０ｂ間の通信の切断を検知する。例えば、受信器１２ａが通信装置１０ｂから信号断通知を受信したとき、信号断検知部２２は信号断を検知する。また、受信器１２ａが受信する光信号の強度が所定の閾値レベルよりも低くなったときに、信号断検知部２２は信号断を検知する。なお、受信器１２ａは、受信状態を表す受信情報を信号断検知部２２に通知する。

信号断検知部２２が信号断を検知すると、コントローラ２１は、時計１３を参照することにより、信号断が検知された時刻（以下、信号断時刻）を認識する。そして、コントローラ２１は、信号断時刻＿待合せ時刻テーブル２３を参照することにより、信号断時刻に対応する待合せ時刻を選択する。信号断時刻＿待合せ時刻テーブル２３には、図３（ａ）に示すように、信号断時刻と待合せ時刻との対応関係が記録されている。なお、この対応関係は、予め作成されている。

コントローラ２１は、待合せ時刻＿カウント値テーブル２４を参照することにより、選択した待合せ時刻に対応する再設定カウント値ｋを取得する。待合せ時刻＿カウント値テーブル２４には、図３（ｂ）に示すように、待合せ時刻と暗号通信の再開時に使用されるカウント値（すなわち、再設定カウント値ｋ）との対応関係が記録されている。なお、この対応関係は、予め作成されている。

コントローラ２１は、取得した再設定カウント値ｋでカウンタ１４をリセットする。カウンタ１４は、送信器１１ａが暗号文信号を送信するときに、シンボル毎にカウント値ｎをインクリメントする。なお、送信器１１ａが既知パターンＸを送信するときは、カウント値ｎはインクリメントされない。

擬似乱数発生器１５は、種（seed key）に基づいて擬似乱数（running key）を生成する。このとき、擬似乱数発生器１５は、カウンタ１４のカウント値ｎに対応する擬似乱数を生成する。

既知パターン信号生成部２５は、コントローラ２１から出力指示を受信すると、既知パターンＸを生成する。既知パターンＸは、上述したように、信号引き込み用パターンおよび暗号開始予告パターンを含む。なお、コントローラ２１は、信号断を検出すると、所定時間経過後に、既知パターン信号生成部２５に出力指示を与える。

既知パターン信号生成部２６は、コントローラ２１から出力指示を受信すると、既知パターンＹを生成する。なお、コントローラ２１は、既知パターンＸに続いて既知パターンＹが送信されるように、既知パターン信号生成部２６に出力指示を与える。

ＯＫ信号生成部２７は、コントローラ２１から出力指示を受信すると、同期ＯＫ信号を出力する。なお、コントローラ２１は、受信器１２ａにおいて擬似乱数同期が確立したときに、同期ＯＫ信号の生成を表す出力指示をＯＫ信号生成部２７に与える。

平文バッファ２８は、通信装置１０ｂに送信すべき平文データを格納する。この平文データは、既知パターンを含んでいてもよい。そして、平文バッファ２８は、コントローラ２１から停止指示を受信すると、平文データの出力を停止する。また、平文バッファ２８は、コントローラ２１から再開指示を受信すると、平文データの出力を再開する。

なお、コントローラ２１は、信号断を検出すると、平文バッファ２８に停止指示を与える。また、コントローラ２１は、通信装置１０ｂから同期ＯＫ信号を受信すると、平文バッファ２８に再開指示を与える。

送信シンボル生成部２９は、送信信号を表すシンボル列を生成する。送信信号は、ペイロードデータに相当する平文データ、同期ＯＫ信号、または既知パターンＹである。ただし、送信信号を表す各シンボルは、対応する擬似乱数により暗号化される。例えば、送信シンボル生成部２９は、送信信号のビット列を表す電界情報を生成するマッパを備える。この場合、例えば、送信信号の各シンボルを表す電界情報は、擬似乱数に応じて補正される。よって、送信シンボル生成部２９から出力されるシンボルは、擬似乱数の影響を受けている。送信シンボルは、擬似乱数に基づいて暗号化されている。

光源３１は、所定の波長の連続光を生成する。変調器３２は、既知パターン信号生成部２５または送信シンボル生成部２９の出力信号で連続光を変調して光信号を生成する。既知パターン信号生成部２５の出力信号が選択されるときは、変調器３２は、既知パターンＸを表す光信号を生成する。一方、送信シンボル生成部２９の出力信号が選択されるときは、変調器３２は、暗号化された送信シンボルを表す光信号を生成する。変調器３２により生成される光信号は、光アンプ３３により増幅され、通信装置１０ｂに送信される。

図９は、受信器１２ｂの一例を示す。尚、受信器１２ａおよび受信器１２ｂの構成は、実質的に同じである。

受信部４１は、通信装置１０ａから送信される光信号を受信する。受信部４は、たとえば、コヒーレント受信器を含む。そして、受信部４１は、この光信号からシンボル列を再生する。信号再生部４２は、受信部４１から出力される各シンボルに基づいて信号を再生する。なお、光信号により暗号文信号が伝送されるときは、信号再生部４２は、擬似乱数発生器１８により生成される擬似乱数を使用して暗号文信号を復号して平文データを再生する。

既知パターン検出部４３は、信号再生部４２の出力信号から既知パターンＸおよび既知パターンＹを検出する。既知パターン検出部４３の検出結果は、コントローラ４４に通知される。

コントローラ４４は、受信器１２ｂの動作を制御する。また、コントローラ４４は、信号断検知部４５を備える。信号断検知部４５は、受信部４１により生成される受信情報に基づいて、通信装置１０ａ、１０ｂ間の通信の切断を検知する。受信情報は、信号同期が外れたときにコントローラ４４に与えられる。また、受信部４１が受信する光信号の強度が所定の閾値レベルよりも低くなったときにも、受信情報がコントローラ４４に与えられる。

信号断検知部４５が信号断を検知すると、コントローラ４４は、時計１６を参照することにより、信号断が検知された時刻（以下、信号断時刻）を認識する。このとき、コントローラ４４は、送信器１１ｂを利用して、信号断通知を通信装置１０ａに送信することができる。また、コントローラ４４は、信号断時刻＿待合せ時刻テーブル４６を参照することにより、信号断時刻に対応する待合せ時刻を選択する。なお、送信器１１ａに実装される信号断時刻＿待合せ時刻テーブル２３および受信器１２ｂに実装される信号断時刻＿待合せ時刻テーブル４６は、実質的に同じである。

コントローラ４４は、待合せ時刻＿カウント値テーブル４７を参照することにより、選択した待合せ時刻に対応する再設定カウント値ｋを取得する。なお、送信器１１ａに実装される待合せ時刻＿カウント値テーブル２４および受信器１２ｂに実装される待合せ時刻＿カウント値テーブル４７は、実質的に同じである。

コントローラ４４は、取得した再設定カウント値ｋでカウンタ１７をリセットする。カウンタ１７は、受信器１２ｂが暗号文信号を受信するときに、シンボル毎にカウント値ｎをインクリメントする。なお、受信器１２ｂが既知パターンＸを受信するときは、カウント値ｎはインクリメントされない。

コントローラ４４は、既知パターン検出部４３により既知パターンＸが検出されると、既知パターンＸ中の暗号開始予告パターンを読み込む。また、コントローラ４４は、暗号開始予告パターンに基づいて、暗号通信が再開されるタイミングを認識する。ここで、カウンタ１７は、暗号通信が行われているときは、カウントアップを行う必要がある。よって、コントローラ４４は、暗号通信が再開されるタイミングでカウンタ１７がカウントアップを再開するように、カウンタ１７を制御する。

既知パターン検出部４３により既知パターンＹが検出されると、コントローラ４４は、送信器１１ａと受信器１２ｂとの間で擬似乱数の同期が確立したと判定する。この場合、コントローラ４４は、送信器１１ｂを利用して、同期ＯＫ信号を通信装置１０ａに送信する。

擬似乱数発生器１８は、種（seed key）に基づいて擬似乱数（running key）を生成する。このとき、擬似乱数発生器１８は、カウンタ１７のカウント値ｎに対応する擬似乱数を生成する。そして、信号再生部４２は、擬似乱数発生器１８により生成される擬似乱数で暗号文信号を復号して平文データを再生する。

このように、暗号通信が切断されたとき、送信器１１ａおよび受信器１２ｂは、擬似乱数の生成に係わる変数（この実施例では、種およびカウント値ｎ）を交換することなく、擬似乱数の同期を確立できる。したがって、暗号通信の安全性を確保しながら暗号通信を再開できる。また、暗号通信の再開時には、過去に使用されたことがないカウント値で擬似乱数が生成されるので、暗号通信の安全性がさらに向上する。

なお、図８〜図９において、コントローラ２１、４４は、例えば、それぞれプロセッサシステムにより実現される。プロセッサシステムは、メモリおよびプロセッサを含む。プロセッサは、メモリに格納されているプログラムを実行することにより、暗号通信に係わる機能（擬似乱数の同期を確立する機能）を提供する。

信号断時刻＿待合せ時刻テーブル２３、４６、および待合せ時刻＿カウント値テーブル２４、４７は、例えば、メモリ上に作成される。ただし、これらのテーブルは、コントローラ２１、４４が実行する演算アルゴリズムで実現してもよい。

＜物理暗号＞
図１０は、物理暗号を実現する送信器および受信器の一例を示す。この実施例では、物理暗号は、光信号に雑音を付加することで実現される。

送信器１００は、図１０（ａ）に示すように、雑音生成部１０１、雑音付加部１０２、デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）１０３、光源１０４、変調器１０５を備える。雑音生成部１０１は、暗号鍵に基づいて雑音を生成する。以下の記載では、物理信号を実現するために雑音生成部１０１により生成される雑音を「暗号雑音」と呼ぶことがある。雑音付加部１０２は、データ信号に暗号雑音を付加する。ＤＡＣ１０３は、雑音付加部１０２の出力信号をアナログ信号に変換する。光源１０４は、所定の波長の連続光を生成する。変調器１０５は、ＤＡＣ１０３の出力信号で連続光を変調することで光信号を生成する。

ここで、送信器１００は、位相変調で光信号を生成するものとする。また、暗号化されていない光信号（即ち、暗号雑音が付加されていない光信号）は（１）式で表されるものとする。

ωは、搬送波の角周波数を表す。φ_DATAは、データ信号の位相を表す。φ_LWは、レーザ位相雑音を表す。

暗号化された光信号（即ち、暗号雑音が付加された光信号）は（２）式で表される。

φ_noiseは、雑音付加部１０２によりデータ信号に付加される暗号雑音を表す。

受信器２００は、図１０（ｂ）に示すように、雑音除去信号生成部２０１、局発光源２０２、光フロントエンド２０３、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）２０４、雑音除去部２０５、位相同期部２０６、データ識別部２０７を備える。雑音除去信号生成部２０１は、暗号鍵に基づいて雑音除去信号を生成する。雑音生成部１０１に与えられる暗号鍵および雑音除去信号生成部２０１に与えられる暗号鍵は互いに同じである。局発光源２０２は、局発光を生成する。光源１０４により生成される連続光の波長および局発光源２０２により生成される局発光の波長は、ほぼ同じである。光フロントエンド２０３は、コヒーレント受信により、受信光信号の電界情報信号を生成する。ＡＤＣ２０４は、光フロントエンド２０３の出力信号をデジタル信号に変換する。

雑音除去部２０５は、雑音除去信号を使用して、受信信号から暗号雑音を除去する。位相同期部２０６は、光源１０４と局発光源２０２との間の周波数オフセットを除去する。データ識別部２０７は、位相同期部２０６の出力信号からデータを再生する。

ここで、光フロントエンド２０３により得られる受信信号は（３）式で表される。

Δｗｔは、光源１０４と局発光源２０２との間の周波数オフセットを表す。

雑音除去部２０５は、雑音除去信号を使用して、受信信号から暗号雑音を除去する。したがって、雑音除去部２０５の出力信号は（４）式で表される。

ここで、周波数オフセットは、上述したように、位相同期部２０６により除去される。そして、データ識別部２０７は、φ_DATAに基づいて受信シンボルの位相を検出してデータを再生する。

上記構成の送信器１００において、雑音生成部１０１は、この実施例では、暗号鍵に基づいて位相雑音を生成する。ここで、各シンボルが４ビットの暗号鍵で暗号化されるものとする。この場合、雑音生成部１０１は、例えば、図１１に示すマッピングルールに従って暗号鍵を位相に変換する。なお、各シンボルに対して割り当てられる暗号鍵は、所定のアルゴリズムに従って決定される。図１１に示す実施例では、シンボルａ、ｂ、ｃ、ｄに対してそれぞれ暗号鍵「１００１」「００１１」「１１１０」「０００１」が生成されている。この場合、雑音生成部１０１は、シンボルａ、ｂ、ｃ、ｄに対してそれぞれ暗号雑音「−２２．５」「１１２．５」「−１３５」「１５７．５」を生成する。

雑音付加部１０２は、雑音生成部１０１により生成される暗号雑音をデータ信号に付加する。具体的には、雑音付加部１０２は、各シンボルの位相に暗号雑音を加算することで暗号化信号を生成する。例えば、図１２に示すように、シンボルａ、ｂ、ｃ、ｄがそれぞれ「４５」「１３５」「−４５」「−１３５」にマッピングされるものとする。この場合、暗号化されたシンボルａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ「２２．５」「−１１２．５」「−１８０」「２２．５」で表される。

一方、受信器２００において、雑音除去信号生成部２０１は、暗号雑音を除去するための雑音除去信号を生成する。雑音除去信号生成部２０１は、図１３（ａ）に示すように、雑音生成部１０１と同じ方法でシンボル毎に位相雑音を生成する。そして、雑音除去信号生成部２０１は、生成した位相雑音の符号を反転させることで雑音除去信号を生成する。ここで、雑音生成部１０１に与えられる暗号鍵および雑音除去信号生成部２０１に与えられる暗号鍵は互いに同じである。よって、送信器１００において付加された暗号雑音を相殺する雑音除去信号が生成される。図１３（ａ）に示す例では、例えば、シンボルａに対して暗号鍵「１００１」が割り当てられ、位相雑音「−２２．５」が生成される。この場合、シンボルａに対して雑音除去信号「２２．５」が生成される。

雑音除去部２０５は、図１３（ｂ）に示すように、位相同期前の受信信号に雑音除去信号を付加することにより、送信器１００において付加された暗号雑音を除去する。この結果、図１２に示す送信信号と同じ信号が得られる。尚、図１３（ｂ）に示す受信信号は、図１２に示す暗号化信号に相当する。また、ここでは、説明を簡潔にするために、レーザ位相雑音、周波数オフセット、光増幅器の雑音、非線形雑音などを無視している。

このように、物理暗号においては、物理的な信号（図１０に示す例では、光信号）に対して、共通鍵に基づいて生成される暗号雑音が付加される。よって、盗聴者が伝送路上で光信号を取得しても、その光信号からデータを再生することは困難である。

ただし、送信器および／または受信器を構成するデバイス（例えば、変調器、ドライバ等）の特性はばらつきを有する。このため、従来の物理暗号においては、送信器において付加された暗号雑音が、受信器において十分に除去されずに残留してしまうことがある。この結果、データ信号の品質が劣化することがある。加えて、暗号雑音が付加された信号のコンスタレーションの分布が偏ることがある。この場合、暗号が解読されやすくなるおそれがある。

＜第１の実施形態＞
図１４は、第１の実施形態に係わる通信システムの一例を示す。第１の実施形態に係わる通信システムは、送信器１００および受信器２００を備える。

送信器１００は、雑音生成部１０１、雑音付加部１０２、ＤＡＣ１０３、光源１０４、変調器１０５、雑音補正部１１１を備える。雑音生成部１０１、雑音付加部１０２、ＤＡＣ１０３、光源１０４、変調器１０５は、図１０（ａ）および図１４において実質的に同じである。そして、雑音補正部１１１は、雑音生成部１０１と雑音付加部１０２との間に設けられ、受信器２００から通知される残留雑音情報に基づいて暗号雑音を補正する。具体的には、雑音補正部１１１は、残留雑音情報に基づいて、暗号雑音が付加された信号の位相および振幅を補正する。

受信器２００は、雑音除去信号生成部２０１、局発光源（ＬＯ）２０２、光フロントエンド２０３、ＡＤＣ２０４、雑音除去部２０５、位相同期部２０６、データ識別部２０７、残留雑音検出部２１１を備える。雑音除去信号生成部２０１、局発光源２０２、光フロントエンド２０３、ＡＤＣ２０４、雑音除去部２０５、位相同期部２０６、データ識別部２０７は、図１０（ｂ）および図１４において実質的に同じである。そして、残留雑音検出部２１１は、位相同期部２０６の出力信号に基づいて、雑音除去部２０５において除去されずに残留してしまった暗号雑音を検出する。検出された残留雑音を表す残留雑音情報は、送信器１００に通知される。残留雑音情報は、例えば、制御信号を伝送するための監視制御チャネルを介して送信器１００に伝送される。或いは、残留雑音情報は、受信器２００を含むノードから送信器１００を含むノードにデータを伝送するためのチャネルに多重化されるようにしてもよい。この場合、残留雑音情報は、例えば、周波数変調でデータチャネルに多重化される。さらに、不図示のネットワーク管理システムを経由して残留雑音情報が通知されるようにしてもよい。

上記構成の通信システムにおいて、例えば、データ通信が行われる前に、雑音補正部１１１が調整される。雑音補正部１１１を調整するシーケンスにおいては、送信器１００において、雑音付加部１０２に既知パターン信号が入力され、受信部２００において、残留雑音検出部２１１に既知パターン信号が入力される。雑音付加部１０２に入力される既知パターン信号および残留雑音検出部２１１に入力される既知パターン信号は、互いに同じである。

図１５は、残留雑音を検出する方法の一例を示す。この例では、既知パターン信号の位相および振幅がそれぞれ「θ₂」及び「Ａ₂」である。Ｐ０は、暗号雑音が除去される前の信号のコンスタレーションを表す。Ｐ１は、暗号雑音が除去された後の信号のコンスタレーションを表す。そして、残留雑音検出部２１１は、暗号雑音が除去された後の信号の位相および振幅を検出する。この例では、Ｐ１（即ち、暗号雑音が除去された後の信号）の位相および振幅はそれぞれ「θ₁」及び「Ａ₁」である。Ｐ２は、既知パターン信号のコンスタレーションを表す。既知パターン信号Ｐ２は、暗号雑音が除去された後の理想的な信号に相当する。

この場合、送信器１００において付加された暗号雑音が、雑音除去部２０５において完全に除去されると、Ｐ１およびＰ２は一致する。換言すれば、Ｐ１とＰ２との差分は、雑音除去部２０５において除去されずに残留してしまった残留雑音に相当する。よって、残留雑音検出部２１１は、Ｐ１とＰ２との差分を計算することで残留雑音を検出する。具体的には、位相ずれΔθ（＝θ₁−θ₂）および振幅ΔＡ（＝Ａ₁−Ａ₂）が検出される。

なお、残留雑音は、暗号雑音が付加された各信号について検出される。例えば、変調方式がＱＰＳＫであり、且つ、４ビットの暗号鍵に基づいて生成されるケースでは、１６セットの残留雑音が検出される。

図１６は、残留雑音検出部２１１の一例を示す。残留雑音検出部２１１は、この実施例では、平均化処理部２１１ａ、同期部２１１ｂ、および振幅・位相ずれ検出部２１１ｃを備える。

平均化処理部２１１ａは、位相同期部２０６の出力信号（すなわち、暗号雑音が除去された受信信号）中の各シンボルについて位相および振幅の平均を計算する。この平均化により、暗号雑音以外の雑音が除去される。なお、平均化処理においては、複数の既知パターン信号を使用してもよい。同期部２１１ｂは、平均化処理部２１１ａの出力信号と既知パターン信号とのタイミングが互いに一致するように、平均化処理部２１１ａの出力信号または既知パターン信号の少なくとも一方のタイミングを調整する。振幅・位相ずれ検出部２１１ｃは、各シンボルについて、位相ずれおよび振幅ずれを検出して残留雑音情報を生成する。

上述の残留雑音情報は、受信器２００から送信器１００に通知される。そうすると、雑音補正部１１１は、残留雑音情報に基づいて、暗号雑音が付加された信号の位相および振幅を補正する。たとえば、残留雑音検出部２１１により検出された残留雑音がΔθおよびΔＡである場合、雑音補正部１１１は、雑音付加部１０２の出力信号（即ち、暗号雑音が付加された信号）の位相および振幅からそれぞれ「Δθ」および「ΔＡ」を差し引く。

図１７は、第１の実施形態に係わる暗号通信の一例を示すフローチャートである。このフローチャートの処理は、例えば、送信器１００と受信器２００との間でデータ通信が開始される前に実行される。

Ｓ１において、送信器１００は、既知パターン信号を暗号化して受信器２００に送信する。なお、既知パターン信号は、暗号雑音が付加されることにより暗号化される。

Ｓ２において、雑音除去信号生成部２０１は雑音除去信号を生成し、雑音除去部２０５は、雑音除去信号を利用して受信信号から暗号雑音を除去する。また、位相同期部２０６は、暗号雑音が除去された受信信号から周波数オフセットを除去する。

Ｓ３において、残留雑音検出部２１１は、平均化処理により、受信信号から暗号雑音以外の雑音を除去する。Ｓ４において、残留雑音検出部２１１は、受信信号と既知パターン信号との間の同期を確立する。Ｓ５において、残留雑音検出部２１１は、受信信号と既知パターン信号との間の差分を計算する。すなわち、位相ずれおよび振幅ずれを表す残留雑音情報が生成される。Ｓ６において、受信器２００は、残留雑音情報を送信器１００に通知する。

Ｓ７において、雑音補正部１１１は、残留雑音情報に基づいて暗号雑音を補正する。具体的には、雑音補正部１１１は、残留雑音情報に基づいて、受信器２００において残留雑音が小さくなるように（好ましくは、残留雑音がゼロになるように）暗号雑音が付加された信号の位相および振幅を補正する。

なお、図１４に示す例では、受信器２００において残留雑音が検出されるが、第１の実施形態はこの構成に限定されるものではない。例えば、位相同期部２０６の出力信号が送信器１００に通知され、送信器１００において、位相同期部２０６の出力信号と既知パターン信号とが比較されて残留雑音が検出されるようにしてもよい。

このように、第１の実施形態の暗号通信方法においては、受信器２００において残留雑音が検出され、この残留雑音をキャンセルするように暗号雑音が補正される。そして、補正後の暗号雑音を使用して暗号化が行われる。よって、受信器２００において、暗号雑音が精度よく除去され、データ信号の品質が改善する。また、暗号雑音が付加された信号のコンスタレーションの分布の偏りが抑制されるので、暗号が解読されにくくなる。

＜第２の実施形態＞
第１の実施形態では、受信器２００において残留雑音が検出され、送信器１００は、受信器２００から通知される残留雑音情報に基づいて暗号雑音を補正する。これに対して、第２の実施形態では、送信器および受信器を備える通信装置内で暗号雑音の補正が行われる。

図１８は、第２の実施形態に係わる通信装置の一例を示す。通信装置は、送信器１００Ｔおよび受信器１００Ｒを備える。なお、送信器１００Ｔは、図１４に示す送信器１００と同じである。また、受信器１００Ｒは、図１４に示す受信器２００と実質的に同じである。すなわち、受信器１００Ｒに実装される雑音除去信号生成部１３１、局発光源１３２、光フロントエンド１３３、ＡＤＣ１３４、雑音除去部１３５、位相同期部１３６、データ識別部１３７、残留雑音検出部１４１は、図１４に示す受信器２００に実装される雑音除去信号生成部２０１、局発光源２０２、光フロントエンド２０３、ＡＤＣ２０４、雑音除去部２０５、位相同期部２０６、データ識別部２０７、残留雑音検出部２１１に相当する。

光スイッチ１２１は、送信器１００Ｔにより生成される光信号を伝送路または受信器１００Ｒに導く。光スイッチ１２２は、送信器１００Ｔから導かれてくる光信号または伝送路を介して受信する光信号を選択する。そして、暗号雑音を補正する制御シーケンスにおいては、送信器１００Ｔにより生成される光信号が受信器１００Ｒに導かれるように、光スイッチ１２１および１２２が制御される。

暗号雑音の補正がデータ通信前のみに行われる場合には、光スイッチ１２１、１２２を設けなくてもよい。この場合、例えば、変調器１０５と光フロントエンド１３３との間を光ファイバで接続した状態で、暗号雑音の補正が行われる。また、暗号雑音の補正は、データ通信が開始された後に実行してもよい。

なお、光スイッチ１２１、１２２の一方または双方を光カプラ（または、光分岐器）に置き換えてもよい。この場合、図１８に示す構成と比較して、光送受信器のコストが削減される。

＜第３の実施形態＞
第１の実施形態では、受信器２００において残留雑音が検出され、送信器１００は、受信器２００から通知される残留雑音情報に基づいて暗号雑音を補正する。これに対して、第３の実施形態では、受信器２００において残留雑音が検出され、受信装置２００内で補正処理が行われる。

図１９は、第３の実施形態に係わる通信システムの一例を示す。第３の実施形態に係わる通信システムは、送信器１００および受信器２００を備える。

送信器１００は、図１０（ａ）および図１９において実質的に同じである。すなわち、送信器１００は、暗号雑音の補正時には、既知パターン信号に暗号雑音を付加する。そして、送信器１００は、暗号雑音が付加された既知パターン信号で連続光を変調して光信号を生成する。

受信器２００は、雑音除去信号生成部２０１、局発光源２０２、光フロントエンド２０３、ＡＤＣ２０４、雑音除去部２０５、位相同期部２０６、データ識別部２０７、残留雑音検出部２１１、雑音除去信号補正部２１２を備える。雑音除去信号生成部２０１、局発光源２０２、光フロントエンド２０３、ＡＤＣ２０４、雑音除去部２０５、位相同期部２０６、データ識別部２０７は、図１０（ｂ）および図１９において実質的に同じである。

残留雑音検出部２１１は、第１の実施形態および第３の実施形態において実質的に同じである。すなわち、残留雑音検出部２１１は、位相同期部２０６の出力信号に基づいて、雑音除去部２０５において除去されずに残留している暗号雑音を検出する。

雑音除去信号補正部２１２は、残留雑音検出部２１１により検出された残留雑音に基づいて、雑音除去信号補正部２１２により生成される雑音除去信号を補正する。雑音除去信号補正部２１２による補正処理は、第１の実施形態における雑音補正部１１１による補正処理に対応する。即ち、残留雑音検出部２１１により位相ずれΔθおよび振幅ずれΔＡが検出されたときは、雑音除去信号補正部２１２は、雑音除去信号の位相および振幅からそれぞれ「Δθ」および「ΔＡ」を差し引く。或いは、雑音除去信号補正部２１２は、雑音除去信号の位相および振幅にそれぞれ「−Δθ」および「−ΔＡ」を加算する。

第１の実施形態と同様に、第３の実施形態においても、受信信号から精度よく暗号雑音が除去される。よって、データ信号に品質が改善する。

＜第４の実施形態＞
第１または第３の実施形態においては、送信器１００において信号に暗号雑音が付加され、受信器２００において受信信号から暗号雑音が除去される。したがって、受信器２００において、受信信号に付加されている暗号雑音および雑音除去信号のタイミングを互いに一致させることが要求される。第４の実施形態は、このタイミング調整に係わる。

図２０は、第４の実施形態に係わる受信器の一例を示す。第４の実施形態の受信器２００は、雑音除去信号生成部２０１、局発光源２０２、光フロントエンド２０３、ＡＤＣ２０４、雑音除去部２０５、位相同期部２０６、データ識別部２０７、既知パターン信号検出部２２１、タイミング調整部２２２を備える。なお、受信器２００は、図２０には示していないが、残留雑音検出部２１１を備えている。

既知パターン信号検出部２２１は、データ識別部２０７の出力信号をモニタして既知パターン信号を検出する。そして、既知パターン信号検出部２２１は、既知パターン信号を検出したか否かを表すモニタ結果情報を出力する。タイミング調整部２２２は、モニタ結果情報に基づいて、雑音除去信号のタイミングを調整する。

図２１は、雑音除去信号のタイミングを調整する方法の一例を示す。この実施例では、暗号通信を開始または再開するときに、送信器１００は、既知パターン信号１および既知パターン信号２を送信する。既知パターン信号１は、暗号化されることなく受信器２００に送信される。或いは、既知パターン信号１は、データ通信のための暗号鍵とは異なる暗号鍵で暗号化されて受信器２００に送信されるようにしてもよい。また、既知パターン信号１は、暗号通信を開始する時刻またはタイミングを表してもよい。この場合、既知パターン信号１は、図５に示す暗号開始予告パターンに相当する。

既知パターン信号２は、データ通信のための暗号鍵で暗号化されて受信器２００に送信される。また、既知パターン信号２は、受信器２００において暗号同期が確立するまで繰り返し送信される。

図２２は、雑音除去信号のタイミングを調整する方法を示すフローチャートである。このフローチャートの処理は、例えば、送信器１００および受信器２００が暗号通信を開始または再開するときに実行される。

Ｓ１１において、送信器１００は、既知パターン信号１および暗号化された既知パターン信号２を受信器２００に送信する。この実施例では、既知パターン信号１は、暗号化されずに受信信号２００に送信されるものとする。また、既知パターン信号２は、図２１に示すように、受信器２００において暗号同期が確立するまで繰り返し送信される。

Ｓ１２において、既知パターン信号検出部２２１は、既知パターン信号１を検出する。そうすると、受信器２００は、Ｓ１３において、雑音除去を開始する。すなわち、雑音除去信号生成部２０１は雑音除去信号の生成を開始し、雑音除去部２０５は、雑音除去信号を使用して受信信号から暗号雑音を除去する処理を開始する。

Ｓ１４において、既知パターン信号検出部２２１は、暗号雑音が除去された受信信号から既知パターン信号２を検出できるか否かを判定する。既知パターン信号２が検出されなければ、既知パターン信号検出部２２１は、Ｓ１６において、既知パターン信号１を検出したときから所定の制御時間が経過したか否かを判定する。

制御時間が経過していなければ（Ｓ１６：Ｎｏ）、既知パターン信号検出部２２１は、Ｓ１７において、既知パターン信号２が検出されていないことを表すモニタ結果をタイミング調整部２２２に通知する。そうすると、タイミング調整部２２２は、雑音除去信号生成部２０１により生成される雑音除去信号のタイミングを変更する。この後、受信器２００の処理はＳ１４に戻る。

このように、送信器１００は、既知パターン信号２を繰り返し送信する。また、受信器２００は、Ｓ１４およびＳ１７を繰り返し実行することにより、雑音除去信号のタイミングを変更しながら既知パターン信号２をモニタする。そして、受信器２００は、既知パターン信号２を検出すると、受信信号に付加されている暗号雑音および雑音除去信号のタイミングが互いに一致し、暗号同期が確立したと判定する。

既知パターン信号２が検出されると、既知パターン信号検出部２２１は、Ｓ１５において、雑音除去信号のタイミング調整が完了したことを表す完了通知を送信器１００に送信する。送信器１００は、完了通知を受信すると、既知パターン信号２の送信を停止し、データ送信を開始する。なお、受信器２００は、制御時間内に既知パターン信号２を検出できなかったときは、Ｓ１８において、異常状態を送信器１００に通知する。

＜第５の実施形態＞
近年、伝送路の状況または光送受信器の特性等に応じて最適な送信パラメータが選択される技術が検討されている。例えば、伝送路の状況に応じて、最適な変調フォーマット、ボーレート、ＦＥＣ種別などが選択される。

ここで、要求される暗号鍵のビット長は、送信パラメータに依存する。例えば、ＱＰＳＫと比較すると、１６ＱＡＭの信号点間距離は小さい。よって、ＱＰＳＫと比較すると、１６ＱＡＭの暗号鍵のビット長を短くすることが可能と考えられる。よって、第５の実施形態では、選択される送信パラメータに応じて暗号鍵のビット長が変更される。

図２３は、第５の実施形態に係わる通信システムの一例を示す。なお、第５の実施形態においては、伝送路の状況または光送受信器の特性等に応じて最適な送信パラメータが選択される。伝送路の状況または光送受信器の特性等を表す通信状況情報は、例えば、不図示のネットワーク管理システムにより収集される。

送信器１００は、雑音生成部１０１、雑音付加部１０２、ＤＡＣ１０３、光源１０４、変調器１０５、送信パラメータ設定部１５１、暗号鍵ビット長変更部１５２を備える。送信パラメータ設定部１５１は、通信状況情報に基づいて送信パラメータを選択する。たとえば、送信パラメータ設定部１５１は、通信状況情報に基づいて変調フォーマットを選択し、選択した変調フォーマットに基づいてマッパの構成を設定する。また、送信パラメータ設定部１５１は、選択した送信パラメータを暗号鍵ビット長変更部１５２および後述する暗号鍵ビット長変更部２３１に通知する。

暗号鍵ビット長変更部１５２は、送信パラメータ設定部１５１から通知される送信フォーマットに基づいて暗号鍵のビット長を決定する。そして、暗号鍵ビット長変更部１５２は、暗号鍵のビット長を変更する。たとえば、送信器１００にｎビットの暗号鍵が与えられ、送信パラメータに基づいて決定したビット長がｍである場合、暗号鍵ビット長変更部１５２は、ｎビットの暗号鍵からｍビットの暗号鍵を生成する。なお、雑音生成部１０１は、暗号鍵ビット長変更部１５２により生成される暗号鍵を使用して暗号雑音を生成し、雑音付加部１０２は、この暗号雑音をデータ信号に付加する。

受信器２００は、雑音除去信号生成部２０１、局発光源２０２、光フロントエンド２０３、ＡＤＣ２０４、雑音除去部２０５、位相同期部２０６、データ識別部２０７、暗号鍵ビット長変更部２３１を備える。暗号鍵ビット長変更部２３１の処理は、実質的に暗号鍵ビット長変更部１５２と同じである。すなわち、暗号鍵ビット長変更部２３１は、送信パラメータ設定部１５１から通知される送信パラメータに基づいて暗号鍵のビット長を変更する。暗号鍵ビット長変更部１５２により生成される暗号鍵および暗号鍵ビット長変更部２３１により生成される暗号鍵は、互いに同じである。なお、雑音除去信号生成部２０１は、暗号鍵ビット長変更部２３１により生成される暗号鍵に基づいて雑音除去信号を生成し、雑音除去部２０５は、この雑音除去信号を利用して受信信号から暗号雑音を除去する。

図２４は、暗号鍵のビット長を最適化する方法の一例を示すフローチャートである。このフローチャートの処理は、例えば、データ通信が開始される前に実行される。また、このフローチャートの処理は、データ通信中に動的に実行されるようにしてもよい。

Ｓ２１において、送信パラメータ設定部１５１は、通信状況情報に基づいて送信パラメータを選択する。この例では、送信パラメータ設定部１５１は、変調フォーマットを選択する。Ｓ２２において、送信パラメータ設定部１５１は、選択した送信パラメータ（この例では、変調フォーマット）を暗号鍵ビット長変更部１５２、２３１に通知する。送信パラメータは、監視制御チャネルを用いて通知してもよいし、データチャネルに多重化されるようにしてもよい。さらに、不図示のネットワーク管理システムを経由して送信パラメータが通知されるようにしてもよい。Ｓ２３において、暗号鍵ビット長変更部１５２、２３１は、それぞれ、通知された送信パラメータに従って暗号鍵のビット長を変更する。

＜第６の実施形態＞
図１１〜図１３に示す例では、送信信号に位相雑音を付加することで物理暗号が実現される。これに対して、第６の実施形態では、図２５に示すように、送信信号に振幅雑音を付加することで物理暗号が実現される。この場合、雑音生成部１０１は、与えられる暗号鍵に応じて振幅雑音を生成する。また、雑音除去信号生成部２０１は、与えられる暗号鍵に応じて雑音除去信号を生成する。

なお、位相および振幅の双方において暗号化を行ってもよい。例えば、図１１および図２５に示す実施例を組み合わせるケースでは、８ビットの暗号鍵が使用される。そして、例えば、暗号鍵の上位４ビットに基づいて位相雑音が生成され、暗号鍵の下位４ビットに基づいて振幅雑音が生成される。

＜第７の実施形態＞
送信器１００と受信器２００との間で偏波多重光信号が伝送されるケースでは、偏波の回転に雑音を付加することで物理暗号を実現してもよい。例えば、暗号鍵が４ビットである場合、暗号雑音として図２６に示す偏波回転θ_noiseが生成される。

雑音付加部１０１は、（５）式の演算を実行する。Ｅ_x0、Ｅ_y0は、雑音付加部１０１に入力されるＸ偏波信号およびＹ偏波信号を表す。Ｅ_x、Ｅ_yは、雑音付加部１０１から出力されるＸ偏波信号およびＹ偏波信号を表す。

また、雑音除去部２０５は、（６）式の演算を実行する。Ｅ_x0、Ｅ_y0は、雑音除去部２０５に入力されるＸ偏波信号およびＹ偏波信号を表す。Ｅ_x、Ｅ_yは、雑音除去部２０５から出力されるＸ偏波信号およびＹ偏波信号を表す。

なお、位相および偏波回転の双方において暗号化を行ってもよい。また、振幅および偏波回転の双方において暗号化を行ってもよい。さらに、位相、振幅、および偏波回転を組み合わせて暗号化を行ってもよい。

＜バリエーション＞
図１０〜図２６に示す物理暗号通信が切断されたときは、図４〜図７に示す手順で物理暗号通信を再開してもよい。この場合、図２１に示す既知パターン信号１は、図５に示す既知パターンＸまたは暗号開始予告パターンに相当する。また、図２１に示す既知パターン信号２は、図５に示す既知パターンＹに相当する。

図８および図９に示す通信装置（送信器１１ａおよび受信器１２ｂ）は、図１４〜図２６に示す機能を備えていてもよい。例えば、図１４〜図１７に示す第１の実施形態の機能が図８および図９に示す通信装置に適用されるものとする。この場合、図１４に示す雑音生成部１０１、雑音付加部１０２、雑音補正部１１１の機能は、図８に示す擬似乱数発生器１５および送信シンボル生成部２９により実現される。また、図１４に示す雑音除去信号生成部２０１、雑音除去部２０５、残留雑音検出部２１１の機能は、図９に示す擬似乱数発生器１８および信号再生部４２により実現される。

このケースでは、送信シンボル生成部２９は、擬似乱数発生器１５により生成される擬似乱数に対応する暗号雑音を生成し、送信信号の各シンボルに対応する暗号雑音を付加する。また、送信シンボル生成部２９は、送信信号に暗号雑音を付加することで生成されるシンボルの電界情報を、受信器から通知される残留雑音情報に基づいて補正する。

信号再生部４２は、擬似乱数発生器１８により生成される擬似乱数に対応する雑音除去信号を生成し、その雑音除去信号を利用して受信信号から暗号雑音を除去する。また、信号再生部４２は、暗号雑音が除去された受信信号の位相ずれおよび振幅ずれを検出する。位相ずれおよび振幅ずれは、図１５等を参照しながら説明したように、既知パターン信号を利用して検出される。そして、位相ずれおよび振幅ずれを表す残留雑音情報は、送信シンボル生成部２９に通知される。送信シンボル生成部２９は、通知された位相ずれおよび振幅ずれに基づいて各シンボルを補正する。

なお、図１４〜図２６に示す実施形態において、雑音生成部１０１、雑音付加部１０２、雑音補正部１１１、送信パラメータ設定部１５１、暗号鍵ビット長変更部１５２の機能は、例えば、プロセッサおよびメモリを含むプロセッサシステムにより実現される。この場合、プロセッサは、メモリに格納されているプログラムを実行することで雑音生成部１０１、雑音付加部１０２、雑音補正部１１１、送信パラメータ設定部１５１、暗号鍵ビット長変更部１５２の機能を提供する。ただし、雑音生成部１０１、雑音付加部１０２、雑音補正部１１１、送信パラメータ設定部１５１、暗号鍵ビット長変更部１５２の機能の一部は、ハードウェア回路で実現してもよい。

また、雑音除去信号生成部２０１、雑音除去部２０５、残留雑音検出部２１１、雑音除去信号補正部２１２、既知パターン信号検出部２２１、タイミング調整部２２２、暗号鍵ビット長変更部２３１の機能は、例えば、プロセッサおよびメモリを含むプロセッサシステムにより実現される。この場合、プロセッサは、メモリに格納されているプログラムを実行することで雑音除去信号生成部２０１、雑音除去部２０５、残留雑音検出部２１１、雑音除去信号補正部２１２、既知パターン信号検出部２２１、タイミング調整部２２２、暗号鍵ビット長変更部２３１の機能を提供する。ただし、雑音除去信号生成部２０１、雑音除去部２０５、残留雑音検出部２１１、雑音除去信号補正部２１２、既知パターン信号検出部２２１、タイミング調整部２２２、暗号鍵ビット長変更部２３１の機能の一部は、ハードウェア回路で実現してもよい。

上述の実施例を含む実施形態に関し、さらに下記の付記を開示する。
（付記１）
相手装置との間で通信を行う通信装置であって、
前記相手装置に送信されるシンボルをカウントするカウンタと、
前記カウンタのカウント値に対応する擬似乱数を生成する擬似乱数発生器と、
送信信号および前記擬似乱数発生器により生成される擬似乱数から送信シンボルを生成するシンボル生成部と、
前記シンボル生成部により生成される送信シンボルから変調信号を生成する変調器と、
前記相手装置との間の通信の切断が検出されたときに、予め決められた複数の待合せ時刻の中から前記通信の切断が検出された時刻に基づいて前記通信を再開する待合せ時刻を選択し、選択した待合せ時刻に対して予め割り当てられているカウント値を取得して前記カウンタに与えるコントローラと、を備え、
前記カウンタは、前記通信装置が前記相手装置との間の通信を再開するときに、前記コントローラから与えられたカウント値からカウント動作を再開する
ことを特徴とする通信装置。
（付記２）
前記カウンタにより新たに生成されるカウント値に対応して前記擬似乱数発生器により生成される擬似乱数は、前記カウンタにより過去に生成されたカウント値に対応して前記擬似乱数発生器により生成された擬似乱数から予測されない
ことを特徴とする付記１に記載の通信装置。
（付記３）
相手装置との間で通信を行う通信装置であって、
前記相手装置から受信するシンボルをカウントするカウンタと、
前記カウンタのカウント値に対応する擬似乱数を生成する擬似乱数発生器と、
前記擬似乱数発生器により生成される擬似乱数を利用して前記相手装置から受信する変調信号から送信信号を再生する信号再生部と、
前記相手装置との間の通信の切断が検出されたときに、予め決められた複数の待合せ時刻の中から前記通信の切断が検出された時刻に基づいて前記通信を再開する待合せ時刻を選択し、選択した待合せ時刻に対して予め割り当てられているカウント値を取得して前記カウンタに与えるコントローラと、を備え、
前記カウンタは、前記通信装置が前記相手装置との間の通信を再開するときに、前記コントローラから与えられたカウント値からカウント動作を再開する
ことを特徴とする通信装置。
（付記４）
第１の通信装置と第２の通信装置との間で通信を行う通信システムであって、
前記第１の通信装置は、
第１の時計と、
前記第１の通信装置に送信されるシンボルをカウントする第１のカウンタと、
前記第１のカウンタのカウント値に対応する擬似乱数を生成する第１の擬似乱数発生器と、
送信信号および前記第１の擬似乱数発生器により生成される擬似乱数から送信シンボルを生成するシンボル生成部と、
前記シンボル生成部により生成される送信シンボルから変調信号を生成する変調器と、
前記第２の通信装置との間の通信の切断が検出されたときに、前記第１の時計を用いて前記通信の切断が検出された時刻を検出し、予め決められた複数の待合せ時刻の中から前記通信の切断が検出された時刻に基づいて前記通信を再開する待合せ時刻を選択し、選択した待合せ時刻に対して予め割り当てられているカウント値を取得して前記第１のカウンタに与える第１のコントローラと、を備え、
前記第２の通信装置は、
第２の時計と、
前記第１の通信装置から受信するシンボルをカウントする第２のカウンタと、
前記第２のカウンタのカウント値に対応する擬似乱数を生成する第２の擬似乱数発生器と、
前記第２の擬似乱数発生器により生成される擬似乱数を利用して前記第１の通信装置から受信する変調信号から前記送信信号を再生する信号再生部と、
前記第１の通信装置との間の通信の切断が検出されたときに、前記第２の時計を用いて前記通信の切断が検出された時刻を検出し、前記複数の待合せ時刻の中から前記通信の切断が検出された時刻に基づいて前記通信を再開する待合せ時刻を選択し、選択した待合せ時刻に対して予め割り当てられているカウント値を取得して前記第２のカウンタに与える第２のコントローラと、を備え、
前記第１のカウンタは、前記第１の通信装置が前記第２の通信装置との間の通信を再開するときに、前記第１のコントローラから与えられたカウント値からカウント動作を再開し、
前記第２のカウンタは、前記第２の通信装置が前記第１の通信装置との間の通信を再開するときに、前記第２のコントローラから与えられたカウント値からカウント動作を再開する
ことを特徴とする通信システム。
（付記５）
前記複数の待合せ時刻は、所定の時間間隔で設定され、
前記第１の時計および前記第２の時計は、同時に起動され、
前記時間間隔は、前記第１の時計の精度と前記第２の時計の精度との和に、前記第１の時計および前記第２の時計が起動されたときからの経過時間を乗算することで得られる時間以上である
ことを特徴とする付記４に記載の通信システム。
（付記６）
前記第１の時計および前記第２の時計は、同時に起動され、
各待合せ時刻に対して割り当てられているカウント値は、前記第１の時計および前記第２の時計が起動されたときから各待合せ時刻までの経過時間と、前記第１の時計の精度と前記第２の時計の精度のうちの低い方の値に１を加算することで得られる値と、前記第１の通信装置から前記第２の通信装置に伝送される信号のシンボルレートとの積以上である
ことを特徴とする付記４に記載の通信システム。
（付記７）
前記第２の通信装置は、前記第１の通信装置と前記第２の通信装置との間の通信の切断を検出したときは、前記通信の切断が検出されたことを前記第１の通信装置に通知し、
前記第１の通信装置は、前記通知により、前記第１の通信装置と前記第２の通信装置との間の通信の切断を検出する
ことを特徴とする付記４に記載の通信システム。
（付記８）
前記第１の通信装置は、前記第１の擬似乱数発生器により生成される擬似乱数を使用する暗号通信を開始するタイミングを前記第２の通信装置に通知し、
前記第２の通信装置は、前記通知に基づいて、前記第２の擬似乱数発生器により生成される擬似乱数を使用する暗号通信を開始する
ことを特徴とする付記４に記載の通信システム。
（付記９）
前記シンボル生成部は、送信信号に前記第１の擬似乱数発生器により生成される擬似乱数に対応する暗号雑音を付加して前記送信シンボルを生成し、
前記信号再生部は、前記第２の擬似乱数発生器により生成される擬似乱数に対応する雑音除去信号を用いて前記変調信号から前記暗号雑音を除去する
ことを特徴とする付記４に記載の通信システム。
（付記１０）
前記第２の通信装置は、前記雑音除去信号を用いて前記変調信号から前記暗号雑音を除去したときの残留雑音を検出する残留雑音検出部をさらに備え、
前記第１の通信装置は、前記残留雑音に基づいて前記送信シンボルを補正する補正部をさらに備える
ことを特徴とする付記９に記載の通信システム。
（付記１１）
前記第２の通信装置は、
前記雑音除去信号を用いて前記変調信号から前記暗号雑音を除去したときの残留雑音を検出する残留雑音検出部と、
前記残留雑音に基づいて前記雑音除去信号を補正する補正部と、をさらに備える
ことを特徴とする付記９に記載の通信システム。
（付記１２）
相手装置において暗号鍵に対応する暗号雑音が付加された光信号を前記相手装置から受信する受信部と、
前記暗号鍵と同じ暗号鍵に基づいて前記暗号雑音に対応する雑音除去信号を生成する雑音除去信号生成部と、
前記雑音除去信号を用いて前記光信号から前記暗号雑音を除去する雑音除去部と、
前記雑音除去部により暗号雑音が除去された光信号に係わる情報を前記相手装置に通知する通知部と、
を備える光伝送装置。
（付記１３）
相手装置において暗号鍵に対応する暗号雑音が付加された光信号を前記相手装置から受信し、
前記暗号鍵と同じ暗号鍵に基づいて前記暗号雑音に対応する雑音除去信号を生成し、
前記雑音除去信号を用いて前記光信号から前記暗号雑音を除去し、
前記暗号雑音が除去された光信号に係わる情報を前記相手装置に通知する
ことを特徴とする光伝送方法。

１０（１０ａ、１０ｂ） 通信装置
１１ａ、１１ｂ 送信器
１２ａ、１２ｂ 受信器
１３、１６ 時計
１４、１７ カウンタ
１５、１８ 擬似乱数発生器
２１、４４ コントローラ
２３、４６ 信号断時刻＿待合せ時刻テーブル
２４、４７ 待合せ時刻＿カウント値テーブル
１００ 送信器
１０１ 雑音生成部
１０２ 雑音付加部
１０５ 変調器
１１１ 雑音補正部
１５２、２３１ 暗号鍵ビット長変更部
２００ 受信器
２０１ 雑音除去信号生成部
２０５ 雑音除去部
２１１ 残留雑音検出部
２１２ 雑音除去信号補正部
２２１ 既知パターン信号検出部
２２２ タイミング調整部

上述の実施例を含む実施形態に関し、さらに下記の付記を開示する。
（付記１）
相手装置との間で通信を行う通信装置であって、
前記相手装置に送信されるシンボルをカウントするカウンタと、
前記カウンタのカウント値に対応する擬似乱数を生成する擬似乱数発生器と、
送信信号および前記擬似乱数発生器により生成される擬似乱数から送信シンボルを生成するシンボル生成部と、
前記シンボル生成部により生成される送信シンボルから変調信号を生成する変調器と、
前記相手装置との間の通信の切断が検出されたときに、予め決められた複数の待合せ時刻の中から前記通信の切断が検出された時刻に基づいて前記通信を再開する待合せ時刻を選択し、選択した待合せ時刻に対して予め割り当てられているカウント値を取得して前記カウンタに与えるコントローラと、を備え、
前記カウンタは、前記通信装置が前記相手装置との間の通信を再開するときに、前記コントローラから与えられたカウント値からカウント動作を再開する
ことを特徴とする通信装置。
（付記２）
前記カウンタにより新たに生成されるカウント値に対応して前記擬似乱数発生器により生成される擬似乱数は、前記カウンタにより過去に生成されたカウント値に対応して前記擬似乱数発生器により生成された擬似乱数から予測されない
ことを特徴とする付記１に記載の通信装置。
（付記３）
相手装置との間で通信を行う通信装置であって、
前記相手装置から受信するシンボルをカウントするカウンタと、
前記カウンタのカウント値に対応する擬似乱数を生成する擬似乱数発生器と、
前記擬似乱数発生器により生成される擬似乱数を利用して前記相手装置から受信する変調信号から送信信号を再生する信号再生部と、
前記相手装置との間の通信の切断が検出されたときに、予め決められた複数の待合せ時刻の中から前記通信の切断が検出された時刻に基づいて前記通信を再開する待合せ時刻を選択し、選択した待合せ時刻に対して予め割り当てられているカウント値を取得して前記カウンタに与えるコントローラと、を備え、
前記カウンタは、前記通信装置が前記相手装置との間の通信を再開するときに、前記コントローラから与えられたカウント値からカウント動作を再開する
ことを特徴とする通信装置。
（付記４）
第１の通信装置と第２の通信装置との間で通信を行う通信システムであって、
前記第１の通信装置は、
第１の時計と、
前記第２の通信装置に送信されるシンボルをカウントする第１のカウンタと、
前記第１のカウンタのカウント値に対応する擬似乱数を生成する第１の擬似乱数発生器と、
送信信号および前記第１の擬似乱数発生器により生成される擬似乱数から送信シンボルを生成するシンボル生成部と、
前記シンボル生成部により生成される送信シンボルから変調信号を生成する変調器と、
前記第２の通信装置との間の通信の切断が検出されたときに、前記第１の時計を用いて前記通信の切断が検出された時刻を検出し、予め決められた複数の待合せ時刻の中から前記通信の切断が検出された時刻に基づいて前記通信を再開する待合せ時刻を選択し、選択した待合せ時刻に対して予め割り当てられているカウント値を取得して前記第１のカウンタに与える第１のコントローラと、を備え、
前記第２の通信装置は、
第２の時計と、
前記第１の通信装置から受信するシンボルをカウントする第２のカウンタと、
前記第２のカウンタのカウント値に対応する擬似乱数を生成する第２の擬似乱数発生器と、
前記第２の擬似乱数発生器により生成される擬似乱数を利用して前記第１の通信装置から受信する変調信号から前記送信信号を再生する信号再生部と、
前記第１の通信装置との間の通信の切断が検出されたときに、前記第２の時計を用いて前記通信の切断が検出された時刻を検出し、前記複数の待合せ時刻の中から前記通信の切断が検出された時刻に基づいて前記通信を再開する待合せ時刻を選択し、選択した待合せ時刻に対して予め割り当てられているカウント値を取得して前記第２のカウンタに与える第２のコントローラと、を備え、
前記第１のカウンタは、前記第１の通信装置が前記第２の通信装置との間の通信を再開するときに、前記第１のコントローラから与えられたカウント値からカウント動作を再開し、
前記第２のカウンタは、前記第２の通信装置が前記第１の通信装置との間の通信を再開するときに、前記第２のコントローラから与えられたカウント値からカウント動作を再開する
ことを特徴とする通信システム。
（付記５）
前記複数の待合せ時刻は、所定の時間間隔で設定され、
前記第１の時計および前記第２の時計は、同時に起動され、
前記時間間隔は、前記第１の時計の精度と前記第２の時計の精度との和に、前記第１の時計および前記第２の時計が起動されたときからの経過時間を乗算することで得られる時間以上である
ことを特徴とする付記４に記載の通信システム。
（付記６）
前記第１の時計および前記第２の時計は、同時に起動され、
各待合せ時刻に対して割り当てられているカウント値は、前記第１の時計および前記第２の時計が起動されたときから各待合せ時刻までの経過時間と、前記第１の時計の精度と前記第２の時計の精度のうちの低い方の値に１を加算することで得られる値と、前記第１の通信装置から前記第２の通信装置に伝送される信号のシンボルレートとの積以上である
ことを特徴とする付記４に記載の通信システム。
（付記７）
前記第２の通信装置は、前記第１の通信装置と前記第２の通信装置との間の通信の切断を検出したときは、前記通信の切断が検出されたことを前記第１の通信装置に通知し、
前記第１の通信装置は、前記通知により、前記第１の通信装置と前記第２の通信装置との間の通信の切断を検出する
ことを特徴とする付記４に記載の通信システム。
（付記８）
前記第１の通信装置は、前記第１の擬似乱数発生器により生成される擬似乱数を使用する暗号通信を開始するタイミングを前記第２の通信装置に通知し、
前記第２の通信装置は、前記通知に基づいて、前記第２の擬似乱数発生器により生成される擬似乱数を使用する暗号通信を開始する
ことを特徴とする付記４に記載の通信システム。
（付記９）
前記シンボル生成部は、送信信号に前記第１の擬似乱数発生器により生成される擬似乱数に対応する暗号雑音を付加して前記送信シンボルを生成し、
前記信号再生部は、前記第２の擬似乱数発生器により生成される擬似乱数に対応する雑音除去信号を用いて前記変調信号から前記暗号雑音を除去する
ことを特徴とする付記４に記載の通信システム。
（付記１０）
前記第２の通信装置は、前記雑音除去信号を用いて前記変調信号から前記暗号雑音を除去したときの残留雑音を検出する残留雑音検出部をさらに備え、
前記第１の通信装置は、前記残留雑音に基づいて前記送信シンボルを補正する補正部をさらに備える
ことを特徴とする付記９に記載の通信システム。
（付記１１）
前記第２の通信装置は、
前記雑音除去信号を用いて前記変調信号から前記暗号雑音を除去したときの残留雑音を検出する残留雑音検出部と、
前記残留雑音に基づいて前記雑音除去信号を補正する補正部と、をさらに備える
ことを特徴とする付記９に記載の通信システム。
（付記１２）
相手装置において暗号鍵に対応する暗号雑音が付加された光信号を前記相手装置から受信する受信部と、
前記暗号鍵と同じ暗号鍵に基づいて前記暗号雑音に対応する雑音除去信号を生成する雑音除去信号生成部と、
前記雑音除去信号を用いて前記光信号から前記暗号雑音を除去する雑音除去部と、
前記雑音除去部により暗号雑音が除去された光信号に係わる情報を前記相手装置に通知する通知部と、
を備える光伝送装置。
（付記１３）
相手装置において暗号鍵に対応する暗号雑音が付加された光信号を前記相手装置から受信し、
前記暗号鍵と同じ暗号鍵に基づいて前記暗号雑音に対応する雑音除去信号を生成し、
前記雑音除去信号を用いて前記光信号から前記暗号雑音を除去し、
前記暗号雑音が除去された光信号に係わる情報を前記相手装置に通知する
ことを特徴とする光伝送方法。

Claims (8)

1. 相手装置との間で通信を行う通信装置であって、
   前記相手装置に送信されるシンボルをカウントするカウンタと、
   前記カウンタのカウント値に対応する擬似乱数を生成する擬似乱数発生器と、
   送信信号および前記擬似乱数発生器により生成される擬似乱数から送信シンボルを生成するシンボル生成部と、
   前記シンボル生成部により生成される送信シンボルから変調信号を生成する変調器と、
   前記相手装置との間の通信の切断が検出されたときに、予め決められた複数の待合せ時刻の中から前記通信の切断が検出された時刻に基づいて前記通信を再開する待合せ時刻を選択し、選択した待合せ時刻に対して予め割り当てられているカウント値を取得して前記カウンタに与えるコントローラと、を備え、
   前記カウンタは、前記通信装置が前記相手装置との間の通信を再開するときに、前記コントローラから与えられたカウント値からカウント動作を再開する
   ことを特徴とする通信装置。
2. 相手装置との間で通信を行う通信装置であって、
   前記相手装置から受信するシンボルをカウントするカウンタと、
   前記カウンタのカウント値に対応する擬似乱数を生成する擬似乱数発生器と、
   前記擬似乱数発生器により生成される擬似乱数を利用して前記相手装置から受信する変調信号から送信信号を再生する信号再生部と、
   前記相手装置との間の通信の切断が検出されたときに、予め決められた複数の待合せ時刻の中から前記通信の切断が検出された時刻に基づいて前記通信を再開する待合せ時刻を選択し、選択した待合せ時刻に対して予め割り当てられているカウント値を取得して前記カウンタに与えるコントローラと、を備え、
   前記カウンタは、前記通信装置が前記相手装置との間の通信を再開するときに、前記コントローラから与えられたカウント値からカウント動作を再開する
   ことを特徴とする通信装置。
3. 第１の通信装置と第２の通信装置との間で通信を行う通信システムであって、
   前記第１の通信装置は、
   第１の時計と、
   前記第１の通信装置に送信されるシンボルをカウントする第１のカウンタと、
   前記第１のカウンタのカウント値に対応する擬似乱数を生成する第１の擬似乱数発生器と、
   送信信号および前記第１の擬似乱数発生器により生成される擬似乱数から送信シンボルを生成するシンボル生成部と、
   前記シンボル生成部により生成される送信シンボルから変調信号を生成する変調器と、
   前記第２の通信装置との間の通信の切断が検出されたときに、前記第１の時計を用いて前記通信の切断が検出された時刻を検出し、予め決められた複数の待合せ時刻の中から前記通信の切断が検出された時刻に基づいて前記通信を再開する待合せ時刻を選択し、選択した待合せ時刻に対して予め割り当てられているカウント値を取得して前記第１のカウンタに与える第１のコントローラと、を備え、
   前記第２の通信装置は、
   第２の時計と、
   前記第１の通信装置から受信するシンボルをカウントする第２のカウンタと、
   前記第２のカウンタのカウント値に対応する擬似乱数を生成する第２の擬似乱数発生器と、
   前記第２の擬似乱数発生器により生成される擬似乱数を利用して前記第１の通信装置から受信する変調信号から前記送信信号を再生する信号再生部と、
   前記第１の通信装置との間の通信の切断が検出されたときに、前記第２の時計を用いて前記通信の切断が検出された時刻を検出し、前記複数の待合せ時刻の中から前記通信の切断が検出された時刻に基づいて前記通信を再開する待合せ時刻を選択し、選択した待合せ時刻に対して予め割り当てられているカウント値を取得して前記第２のカウンタに与える第２のコントローラと、を備え、
   前記第１のカウンタは、前記第１の通信装置が前記第２の通信装置との間の通信を再開するときに、前記第１のコントローラから与えられたカウント値からカウント動作を再開し、
   前記第２のカウンタは、前記第２の通信装置が前記第１の通信装置との間の通信を再開するときに、前記第２のコントローラから与えられたカウント値からカウント動作を再開する
   ことを特徴とする通信システム。
4. 前記複数の待合せ時刻は、所定の時間間隔で設定され、
   前記第１の時計および前記第２の時計は、同時に起動され、
   前記時間間隔は、前記第１の時計の精度と前記第２の時計の精度との和に、前記第１の時計および前記第２の時計が起動されたときからの経過時間を乗算することで得られる時間以上である
   ことを特徴とする請求項３に記載の通信システム。
5. 前記第１の時計および前記第２の時計は、同時に起動され、
   各待合せ時刻に対して割り当てられているカウント値は、前記第１の時計および前記第２の時計が起動されたときから各待合せ時刻までの経過時間と、前記第１の時計の精度と前記第２の時計の精度のうちの低い方の値に１を加算することで得られる値と、前記第１の通信装置から前記第２の通信装置に伝送される信号のシンボルレートとの積以上である
   ことを特徴とする請求項３に記載の通信システム。
6. 前記シンボル生成部は、送信信号に前記第１の擬似乱数発生器により生成される擬似乱数に対応する暗号雑音を付加して前記送信シンボルを生成し、
   前記信号再生部は、前記第２の擬似乱数発生器により生成される擬似乱数に対応する雑音除去信号を用いて前記変調信号から前記暗号雑音を除去する
   ことを特徴とする請求項３に記載の通信システム。
7. 前記第２の通信装置は、前記雑音除去信号を用いて前記変調信号から前記暗号雑音を除去したときの残留雑音を検出する残留雑音検出部をさらに備え、
   前記第１の通信装置は、前記残留雑音に基づいて前記送信シンボルを補正する補正部をさらに備える
   ことを特徴とする請求項６に記載の通信システム。
8. 相手装置において暗号鍵に対応する暗号雑音が付加された光信号を前記相手装置から受信する受信部と、
   前記暗号鍵と同じ暗号鍵に基づいて前記暗号雑音に対応する雑音除去信号を生成する雑音除去信号生成部と、
   前記雑音除去信号を用いて前記光信号から前記暗号雑音を除去する雑音除去部と、
   前記雑音除去部により暗号雑音が除去された光信号に係わる情報を前記相手装置に通知する通知部と、
   を備える光伝送装置。

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