JP4616351B2 - 無線通信を安全にするための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に無線通信に関する。より詳細には、本発明は、通信の発信源および／または受信側を戦略的に配置することによって、そのような無線通信を安全にするための方法およびシステムに関する。

無線接続性がより普及し、信頼性が高まるにつれて、今日広く使用されているすべてのデジタルコンピューティングデバイス、データストレージデバイス、およびメディアストレージデバイスが、アドホックの無線通信ネットワークの一部となることが予想されている。しかしながら、そうしたネットワークは多くの点でデータセキュリティ侵害の影響を受け易い。例えば、個々のユーザが仲介のネットワークノードを使用することなく、互いに直接通信するアドホックネットワークは、ユーザおよびネットワークに対して新たな妨害感受性を作り出している。

無線ネットワークの妨害感受性を減少させるために、ＷＥＰ（ｗｉｒｅｄ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｐｒｉｖａｃｙ）、ＷＰＡ（Ｗｉ−Ｆｉ ｐｒｏｔｅｃｔｅｄ ａｃｃｅｓｓ）、ＥＡＰ（Ｅｘｔｅｎｓｉｂｌｅ Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｔｏｃｏｌ）、およびＧＳＭベースの暗号化などの技術が開発されてきた。これらの技術は何らかの保護措置を提供しているが、それらは依然として信頼性、権利、アイデンティティ、プライバシー、およびセキュリティの問題の影響を受け易い。例えば、特定の無線通信ノードは無線ユーザと通信するための正しいＷＥＰキーを有しているかもしれないが、そのユーザはその特定のノードを信頼できるかどうかわからない場合もある。

さらに、これらのキーを使用するユーザの認証は、通常は通信スタックの上位層で起こる。したがって、これらの制御がたとえ適切な場合でも、危険な無線ユーザまたはハッカーは、（制限されてはいるが）通信スタックへの何らかのアクセスを有することもある。これらのアクセスは、特にはサービス拒否の攻撃などの脆弱性を作り出す。

信号を妨害するには、それを検出するために、妨害するものが発信源の十分近くにあることが必要なことから、無線信号が距離とともに劣化するという事実は自然なセキュリティ手段をもたらす。このことは、伝送電力が典型的に低く、通信が典型的に高速でアドホック方式の中で起こる小さなネットワークの中で、特に当てはまることである。多くの状況では、物理的に近くにあるということは、悪意のある攻撃者にとって達成するのが最も難しい特性であるかもしれない。実際には、送信器の極めて近いところでだけ検出されることができる通信は、とてもしっかりと保護される必要はないかもしれない。

したがって、無線信号の劣化によって与えられる自然なセキュリティを利用することができる、無線ネットワークのためのセキュリティシステムを実装することが望ましい。さらに、ユーザに隣接する位置にではなく、ユーザのだいたい近くに位置する「盗聴者」がユーザに送信された完全なメッセージを受信することが防止されるように、ユーザに送信される任意の情報がユーザの位置だけでアクセス可能であることを確実にすることが望ましい。

本発明は、無線通信を安全にするための方法および装置に関する。１つの実施形態では、受信器と送信器との間の距離に基づいて異なるセキュリティポリシーが使用され、それによって無線通信のデータを、特定の信頼ゾーンで受信される場合にだけ復調することができる。別の実施形態では、複数のビットストリームのフラグメントは、送信器によって放射される送信パターンが交差する領域に位置する受信器に、複数の送信器によって送信される。代替として、受信器は送信器によって送信されるパケットデータユニット（ＰＤＵ）の関数を実行する。さらに別の実施形態では、変調コンステレーション（ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ）の第１変調ポイントは、送信器の範囲内にある受信器によってだけ復調されることができる、すぐ近くの第２変調ポイントのクラスタに分割される。さらに別の実施形態では、ＱＰＳＫ信号を符号化されたデスクランブル情報を有する階層変調（ＨＭ）でオーバーレイする主波形が送信される。

本発明のより詳細な理解は、一例として示され、添付の図面と合わせて理解されるべき以下の説明から得られるであろう。

以下で「無線送信／受信ユニット（ＷＴＲＵ）」という用語はユーザ機器（ＵＥ）、モバイル局、固定またはモバイルの加入者ユニット、ページャ、局（ＳＴＡ）、または無線環境で動作することができる任意の別のタイプのデバイスを含むが、それらに限定されるわけではない。「アクセスポイント（ＡＰ）」という用語は以下で言及される場合、基地局、ノードＢ、サイトコントローラ、または無線環境の中の任意の別の種類のインタフェースデバイスを含むが、それらに限定されるわけではない。

本発明は、最も普通のチャネル符号（例えばターボ符号、低密度パリティ検査（ＬＤＰＣ）符号、その他等）が、最も実際的なシナリオの中で、シャノン限界の近くで動作するという事実に基づいている。無線通信システムに適用されるとき、（フェーディングの効果を無視して）受信器のデータを復調する能力はほとんど、受信器のデコーダへの入力における実効ＳＮＲのバイナリ関数である。

本発明の機能は、集積回路（ＩＣ）の中に組み込まれてもよく、または多数の相互接続する構成要素を含む回路の中で構成されてもよい。

図１は、実効デコーダ入力ＳＮＲとデコーダ出力ＢＥＲとの間の関係を示すグラフである。臨界ＳＮＲは、実際の実効ＳＮＲが臨界ＳＮＲ以下に落ちる場合、デコーダが完全に機能しなくなり（すなわちデコーダの出力ＢＥＲは事実上１である）、無線通信のデータが読み取られることができないように存在している。反対に、デコーダ入力における実際の実効ＳＮＲが臨界ＳＮＲを上回る場合、デコーダ出力におけるエラーの確率は極めて低く、無線通信の中のデータは非常に高い確率で読み取られることができる。

チャネル符号はシャノン限界に接近するということが仮定されているので、符号化はシャノン容量の速度で実行されるということが仮定されることができる。さらに、スペクトル効率に関して実際に機能することは、このことが測定結果を帯域幅から独立したものとするということから便利である。ＡＷＧＮ（ｃｏｍｐｌｅｘ−ｖａｌｕｅｄ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｗｈｉｔｅ Ｇａｕｓｓｉａｎ ｎｏｉｓ）チャネルについては、シャノン容量速度は
Ｒ＝ｌｏｇ₂（１＋ＳＮＲ） 式（１）
によって与えられ、この式のＳＮＲはＥ_b／Ｎ₀の意味で使用されている。この速度を上回る符号化速度については、信頼性が高い情報の復号化は不可能であり、この速度を下回る符号化速度については、信頼性が高い情報の復号化は基本的に保証されるということが仮定されている。実際、ＬＤＰＣおよびターボ符号などの大きなブロック長の符号では、これは現実的な仮定である。

ＳＮＲは基本的に送信器と受信器との間の距離に応じて決まる。送信器からの距離へのＳＮＲの依存性は、

のような、指数法則（ｐｏｗｅｒ ｌａｗ）によって与えられ、この式のＥは１ユニットの距離での公称ＳＮＲである。自由空間では指数γは２であるが、実際の無線ネットワークでは、指数γはチャネルの位相に応じて、だいたい３と４の間である。

ＳＮＲＣを、選択された符号化方式のための臨界ＳＮＲとする。すると、この臨界ＳＮＲでカバーされる距離は、

として定義され、この式は、

としてｄＢｓで書き直されることができる。

本発明はｄをセキュリティポリシーの関数とする。動的にｄを選択することによって、ｄよりも近い距離にある受信器は、より緩やかなセキュリティポリシーで動作することができる一方で、ｄを超える距離にある受信器は、より厳格なセキュリティポリシーを必要とする。

典型的な通信方式では、完全に異なる符号化方式のために「プログラム可能な」デコーダを備えることは非常に高くつくことから、チャネル符号化方式は固定されている。したがって、ＳＮＲＣは固定されている。そのとき、式（３）および（４）から、通信システムの中でＥおよびγを制御することによって、ｄは制御されることができる。この目標を達成するために、これらの制御のうちの少なくとも１つは、受信器が所持していても、または所持していなくてもよい外的なセキュリティ関連情報に応じて、異なっていなければならない。

Ｅは、ユニット距離での公称ＳＮＲとして定義される。実際には、Ｅは特定の受信器に向けられた情報ビット当たりの送信電力である。式（２）の指数法則モデルは小さなｄの値のために崩れ、無限のＳＮＲにつながることから、公称ＳＮＲの定義が必要とされる。したがってＥを制御することは、情報ビット当たりの出力電力を制御することを意味する。例えば、情報ビット当たりの出力電力の制御は、以下のプロセスのうちの任意の１つか、またはそれらの組合せにおいて達成されてもよい。
１）特定の受信器のデータに適用された出力電力を直接制御することによるプロセス。
２）信号などのさらなるノイズを送信される信号に付加することによって、出力ＳＮＲを減少させ、それによって受信器の受信ＳＮＲを減少させることによるプロセス。これには、個々の受信器に対するＳＮＲを管理する間、一定の出力電力を維持するという利点がある。
３）変調方式を制御すること（例えば、ＱＰＳＫ／Ｍ直交振幅変調（ＱＡＭ）／Ｍ位相偏移変調（ＰＳＫ）／周波数偏移変調（ＦＳＫ）、またはその他を選択すること）によるプロセス。
４）（例えばＵＷＢシステムのための）ビット長を調整することによるプロセス。
５）送信のジッタおよびタイミングを制御することによるプロセス。
６）本発明で好ましいものである、受信器に対するデータのための実効符号化速度を制御することによるプロセス。この方法はＷＬＡＮシステムの中で、ＣＳＭＡシステムの性能に変動する送信電力レベルの影響を及ぼすことなく、システム中の様々なＡＰの間で均一な規則正しい格子空間を維持するようなやり方で、ＡＰとＷＴＲＵとの間で一定の電力レベルを維持する能力を提供する。
７）シンボルのパンクチャリングまたは反復を取り入れ、それによって有効なビットエネルギーを導入するために、速度のマッチング規則を変更することによるプロセス。
８）変調インデックスを制御することによるプロセス。
９）受信器が受ける干渉の量を制御することによるプロセス。

干渉の制御は、以下の方法に限定されるわけではないが、以下の方法のうちの１つか、またはそれらの組合せによって達成されることができる。
１）所望の受信器の信号および／または干渉を行う受信器の信号に対する事前の均等化などの様々な干渉管理技術を適用し、クロス干渉が除去されるか、または持ち込まれる程度を変えることによる方法。
２）選択的な電力制御による方法（電力制御は、セキュリティポリシーとともに最適化されるプロセスでありことができる）。
３）潜在的な干渉の数を制御するために、時間／周波数／符号化をスケジューリングすることによる方法。
４）動的な干渉制御（例えばスイッチのオンとオフ）による方法。
５）さらなる干渉パターンを作り出す信号を次々に送信する第３者のビーコンを通して信号送信することによる方法。

さらに、複数の受信器アンテナが存在する中で、Ｅの値は送信器（Θ）に対する受信器の角位置に応じて作られることができる（すなわちＥ＝Ｅ（Θ））であり、その結果ｄは同様にΘの関数として作られることができる。これは、以下の方法に限定されるわけではないが、以下の方法を含む制御能力の別のセットを取り入れる。
１）方位、高度、またはそれらの両方において、受信器に向けて、または受信器から離れてビーム形成する方法。
２）高性能なアンテナ技術を使用する干渉管理方法。
３）送信パターンを取り入れる方法。

γに関しては、γの値は受信される信号のドップラー拡散に応じて決まり、一般には送信器に対する受信器の相対速度およびそれらのある環境の地形に応じて決まる。しかしながら、送信器は内部の信号処理によって、人工的にドップラー拡散を増加させることができる。γの値は環境の地形に応じて決まるので、送信器は複数のアンテナが装備されている場合、適切な方法で送信される信号の狙いを定めることによって、ある程度まではγを制御することができる。

本発明によって、受信器は無線チャネルに活発に干渉している敵対者の存在を検出してもよい。受信器は、受信器がデータストリームをうまく復調することができなければならないのだが、十分に多数の試みの後で実際にはそうすることができないということを、補助的手段を通じて通知される場合、および受信器のセキュリティポリシーと通信制御とがデータストリームを復調することができるように設定されていることから、その後受信器は無線チャネルが干渉されていると仮定することができる。

本発明は好ましくは、受信器のセキュリティポリシーに応じて決まるパラメータとして、符号化速度を利用する。典型的に、信号を復調するための受信器の能力は、直線距離よりも複雑なものである地形（実効距離）に応じて決まる。必要であれば、送信器と受信器とは、１つまたは複数の制御パラメータをゆっくりと増加させ（または代替として減少させ）、信頼性の高いデータの復号化が可能となる（または代替として、もはや可能ではなくなる）ポイントを検出することによって、送信器と受信器との間の実効距離を見つけ出すことができる。

図２は、本発明による送信器１１０と受信器１２０とを含む通信システム１００のブロック図である。送信器１１０はプロトコルスタックユニット１１２、チャネルエンコーダ１１４、速度マッチングユニット１１５、複数レイヤセキュアビット（ＭＬＳＢ）スクランブラ（ｍｕｌｔｉ−ｌａｙｅｒ ｓｅｃｕｒｅ ｂｉｔ ｓｃｒａｍｂｌｅｒ）１１６、および物理チャネル処理ユニット１１８を含む。受信器１２０は物理チャネル処理ユニット１２８、ＭＬＳＢデスクランブラ１２６、速度デマッチングユニット１２５、チャネルデコーダ１２４、およびプロトコルスタックユニット１２２を含む。プロトコルスタックユニット１１２、１２２、チャネルエンコーダ１１４、速度マッチングユニット１１５、速度デマッチングユニット１２５、チャネルデコーダ１２４、および物理チャネル処理ユニット１１８、１２８は、従来の送信器および受信器で使用される構成要素と本質的に同じものである。プロトコルスタックユニット１１２は情報ストリームを生成し、この情報ストリームはチャネルエンコーダ１１４によってエラー防止のために符号化され、その後物理チャネル処理ユニット１１８によって、無線チャネル１３０（すなわち特定のエアインタフェース）を介して送信されるためにさらに処理される。この処理は、受信器１２０では逆におこなわれる。

チャネルエンコーダ１１４は、入力データのシーケンスを出力チャネルシンボルのシーケンスにマップする。ＭＬＳＢスクランブラ１１６はチャネルシンボルをスクランブルする。チャネルシンボルは、ビットまたは高次の変調シンボルであってよい。すべてのシンボルがスクランブルされることを必要とするわけではない。ＭＬＳＢスクランブラ１１６はシンボルの部分集合を取り出し、それらをスクランブルしてもよい。受信器は、どのシンボル位置がスクランブルされるのかを認識していなければならない。

本発明によって、複数のセキュリティ層が定義される。ＭＬＳＢデスクランブラ１２６がデスクランブルすることができるスクランブルされたシンボルの割合は、セキュリティ層に応じて決まる。ＭＬＳＢデスクランブラ１２６がデスクランブルすることができる任意のシンボルについて、ＭＬＳＢデスクランブル１２６はデスクランブルを行う。ＭＬＳＢデスクランブラ１２６がデスクランブルすることができない任意のシンボルについて、ＭＬＳＢデスクランブラ１２６はそのシンボルのためにイレージャ（ｅｒａｓｕｒｅ）（すなわち０のチャネル観測結果）を挿入する。任意の従来のチャネルデコーダは、イレージャとともに動作することができる。したがって、これは現システムにとって問題となることはない。

すべてのシンボルをデスクランブルすることができない受信器に対する本発明によるセキュリティシステムの効果は、符号化速度が増加すること、それと同時に情報ビット当たりの実効ＳＮＲが減少することである。符号化速度の増加および実効ＳＮＲの減少の特定の量は、以下で説明されるセキュリティレベルに応じて決まる。

送信器１１０の速度マッチングユニット１１５は、シンボルのパンクチャリングまたは反復を取り入れ、したがって実効ビットエネルギーを取り入れるために変更されてもよい速度マッチング規則に従って動作する。符号化速度Ｒのチャネルが利用される。Ｒは１ビット毎チャネルシンボルよりも大きいことが可能であり、セキュリティ層ｎのための実効速度は

によって与えられ、この式でのθはスクランブルされたシンボルの割合を示し、ｅｎはデスクランブラ（すなわち受信器１２０の速度デマッチングユニット１２５）がセキュリティ層ｎでデスクランブルすることができるシンボルの割合である。すべての場合でｅｎ∈［０，１］、ｅ１＝０、ｅＮ＝１である。最初の情報ビット当たりのＳＮＲ（より正確にはＥｂ／Ｎ０）は、Ｅ０によって示される。セキュリティ層ｎのための実効ＳＮＲは、
Ｅｎ＝Ｅ０（１−θ（１−ｅｎ）） 式（６）
によって与えられる。

速度とＳＮＲとの両方は、スクランブルされていない既知のビットの割合によって単純に測定され、
ηｎ＝１−θ（１−ｅｎ） 式（７）
によって与えられる。したがって、この数量に関してだけ分析を公式化することで十分である。送信器からの距離に対するＳＮＲの依存性は式（２）によって与えられる。

本発明によって、特定の割合の消去されていないシンボル（すなわち受信器がスクランブルすることができないシンボル）が与えられたとすると、データを復調することができるようにするために、送信器から受信器までの距離が判定されることができる。以下の式を得るために、式（２）は式（７）に代入され、ｄについて解かれる。

次に、シンボルの割合ηが消去されないとすると、以下の式を得るために、式（５）および（６）が式（９）に代入される。

特定のセキュリティレベルηで達成可能な距離の割合は、最大限のセキュリティ（η＝１）で達成可能な距離の割合として表されることができる。これは、以下のように定義されるＮＳＰＲである。

ＮＳＰＲはＥに依存していないが、公称送信速度に依存している。例えば図３〜６は、それぞれＲ＝１，γ＝２；Ｒ＝１，γ＝４；Ｒ＝１／２，γ＝２；Ｒ＝１／２，γ＝４の４つの異なるシナリオについての既知のシンボルの割合に対するＮＳＰＲのプロットを表す。シミュレーションの結果から、チャネルシンボルの５０％のみを明らかにすることによって、「最大限のセキュア」送信半径のおよそ６０％よりも遠くに位置する受信器は、情報を復調することが防がれることができるということが観測される。したがって、受信器がそのセキュリティパラメータのための実効距離を超える場合、５０％よりもはるかに上のＢＥＲを備えたデータを復号化することが理論的には妨げられる。

図７は、複数の重複していない信頼ゾーン７３０、７４０、７５０か、または信頼ゾーンの外部にある「非信頼ゾーン」の領域７６０で動作する複数のＷＴＲＵ７０５、７１０、７１５、７２０、および７２５を含むセキュリティネットワーク７００を示す。信頼ゾーン７３０、７４０、７５０、および「非信頼ゾーン」７６０は、以下のようにして確立される。

符号化速度方式、パンクチャリング方式、電力方式またはその他などの送信パラメータは、信頼ゾーン７５０と「非信頼ゾーン」７６０との境界の外部にある受信器（すなわちＷＴＲＵ）が、たとえすべての送信パラメータを認識している場合でも、送信信号を復号することができないように選択される。さらに、（ＭＬＳＢサブシステムによって実施されるための）ビットスクランブリング方式は、信頼ゾーン７３０の内側にある受信器が、たとえスクランブルされたビットのうちのいかなるものも知らない場合でも、データを復調することができるように選択される。受信される電力は十分に高いので、たとえスクランブルされたビットが単にパンクチャされるために取り出される場合でも、良好な復調が生じることができる。

信頼ゾーン７４０の受信器は、ＭＬＳＢによって適用されたスクランブリングパターンのいくつかを認識していない限り、もはや送信されたデータを復調することはできない。したがって、信頼ゾーン７４０に位置する受信器は、スクランブリングシーケンスの一部の必要な部分が受信器に明らかにされるように、送信器によるある種の認証手続きを通過することを強制される。

信頼ゾーン７５０の受信器は、信頼ゾーン７４０で受信器に明らかにされるスクランブルシーケンスの一部を（例えばそれらの受信器が、それによってこのシーケンスへのアクセスを許された付帯的な（ｓｉｄｅ）通信を聞くことによって）認識している場合でも、データ送信器を復調することはできない。代わりに、受信器はスクランブルシーケンスについてのさらなる情報を要求することを求められ（例えば、受信器はシーケンス全体を知ることを必要としてもよい）、したがって、信頼ゾーン７４０の受信器とは異なる（場合によっては、より要求の厳しい）認証プロセスを通過しなければならない。先に述べられた通り、領域７６０の受信器は、いかなる状況下でも送信されるデータを復調することはできない。

先に説明された本発明の実施形態により、送信を行うＷＴＲＵ７５０から受信を行うＷＴＲＵへの距離は、セキュリティポリシーの関数である。動的に距離ｄ（例えば５０ｍ）を選択することによって、ｄよりも近い距離にある受信を行うＷＴＲＵ７１０は、より緩やかなセキュリティポリシーで動作することがでる一方で、距離がｄを超える受信を行うＷＴＲＵ７１５、７２０、および７２５は、より厳しいセキュリティポリシーを必要とすることになる。

図８は、ＡＰ８０５とＷＴＲＵ８１０とを含む従来のネットワーク８００を示す。ＡＰ８０５がＷＴＲＵ８１０にビットストリーム８１５を送信する場合、ＡＰ８０５の範囲内にいる盗聴者８２０は、例えば１１１０００１０１などのビットストリームの全体を受信することができる。

図９は、本発明の１つの実施形態によって、複数のアクセスポイント（ＡＰ）９０５、９１０、９１５、ＷＴＲＵ９２０、および図８の盗聴者８２０を含むネットワーク９００を示す。図８の従来のネットワーク８００の中の唯一のＡＰ８０５ではなく、複数のＡＰ９０５、９１０、９１５を使用することによって、ビットストリーム８１５は盗聴者８２０によって解読されることから守られる。ＷＴＲＵ９２０はＡＰ９０５、９１０、および９１５の送信パターンの共通部分９３５に位置し、それによってＷＴＲＵ９２０はビットストリーム８１５の第１フラグメント９３０Ａ「１１１」をＡＰ９０５から、ビットストリーム８１５の第２フラグメント９３０Ｂ「０００」をＡＰ９１０から、ビットストリーム８１５の第３フラグメント９３０Ｃ「１０１」をＡＰ９１５から受信する。各フラグメント９３０Ａ、９３０Ｂ、９３０ＣはＰＤＵと呼ばれ、オリジナルのビットストリーム「１１１０００１０１」はサービスデータユニット（ＳＤＵ）と呼ばれる。次いでＷＴＲＵ９２０は、３つのＰＤＵである９３０Ａ、９３０Ｂ、９３０Ｃから解読されたＳＤＵ全体を再アセンブルする。盗聴者８２０はＡＰ９０５、９１０、および９１５の送信パターンの共通部分９３５に物理的に位置していないので、フラグメント９３０Ａ、９３０Ｂ、９３０ＣのすべてはＷＴＲＵ９２０のものと同等のエラー率で受信され、盗聴者８２０は（たとえ秘密キーを知っていても）全体のビットストリーム８１５を解読することはできない。

図９のネットワーク９００では、ＷＴＵＲ９２０によって解読されるＳＤＵは１１１０００１０１であり、ここではＰＤＵＡ＝１１１、ＰＤＵＢ＝０００、およびＰＤＵＣ＝１０１である。盗聴者８２０が３つのＰＤＵのうちの２つ（例えば０００と１０１）をなんとか解読する場合、盗聴者８２０は不完全ではあるが正しい何らかの情報を、なんとかして得ることになる。

代替の実施形態では、盗聴者８２０が受信する任意のＰＤＵは、不完全であるならば意味のないものとされる。例えば、ネットワーク９００の中でＷＴＲＵ９２０に送信される必要のあるＳＤＵは１１１０００１０１である。しかしながら、３つの異なるＡＰ９０５、９１０、および９１５によって送信される３つのＰＤＵ（例えばＰＤＵ１、ＰＤＵ２、ＰＤＵ３）は、図９に示されているようにフラグメントではないが、代わりにＰＤＵ１＝１００１１００１１、ＰＤＵ２＝１１００００１１１、およびＰＤＵ３＝１０１１１０００１としてＳＤＵ＝ＰＤＵ１ ＸＯＲ ＰＤＵ２ ＸＯＲ ＰＤＵ３となるようにし、ＳＤＵ＝１００１１００１１ ＸＯＲ １１００００１１１ ＸＯＲ １０１１１０００１＝１１１０００１０１となるように選択され、ここでのＸＯＲは排他的論理和（ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ−ｏｒ）の関数である。したがって、ＷＴＲＵ９２０がＡＰ９０５、９１０、および９１５の送信パターンの共通部分９３５に位置すると仮定すると、ＷＴＲＵ９３５はＳＤＵ１１１０００１０１を解読するために、３つのすべてのＰＤＵとＸＯＲとをまとめて受信することができる。盗聴者８２０がこれら３つのＰＤＵのうちの２つを捕獲する場合であっても、それらはＳＤＵを解読することに関しては、全く意味のないものである。すべての送信が首尾よく受信されるわけではない限り、パケットをスクランブルして異なる送信器から異なるビットを送信し、そうした方法で送信を無意味なものにすることなどの、ＸＯＲ以外の代替のメカニズムもまた可能である。

別の実施形態では、図９のネットワーク９００の中に位置ベースの認証メカニズムが組み込まれてもよい。ＷＴＲＵ９２０はＡＰ９０５、９１０、および９１５からの送信を受信し、ＷＴＲＵ９２０の位置をＡＰ９０５、９１０、および９１５の各々に報告する。ＷＴＲＵ９２０ならびにＡＰ９０５、９１０、および９１５の報告された位置に基づいて、ＡＰ９０５、９１０、および９１５の各々は、それぞれＡＰ９０５、９１０、９１５の各々とＷＴＲＵ９２０との間の公称距離によって示唆される符号化速度よりも速い、および遅い様々な実効符号化速度で、ＷＴＲＵ９２０から肯定応答（ＡＣＫ）または否定応答（ＮＡＣＫ）を要求するメッセージのシーケンスを送信するプロトコルを発してもよい。したがって、プロトコルはＡＰ９０５、９１０、および９１５の位置に対するＷＴＲＵ９２０の位置に基づいて、ＷＴＲＵがＡＰ９０５、９１０、および９１５から受信された送信を復号してもよいかどうかを指示する基準を確立する。ＷＴＲＵ９２０によって報告される位置が正しいと判定される場合、次いでプロトコルはメッセージのシーケンスに応答して、ＷＴＲＵ９２０から受信されたＡＣＫ／ＮＡＣＫメッセージを処理することによって、ＷＴＲＵ９２０の位置の認証を検証する。

ＷＴＲＵ９２０の認証の検証はまた、ＷＴＲＵ９２０（またはＷＴＲＵ９２０のユーザ）とＡＰ９０５、９１０、および９１５とが共通の秘密を共有するようにして実行されてもよい。例えば、ＡＰ９０５、９１０、および９１５が、ＷＴＲＵ９２０によって示される位置が認証されることを求める場合、ＡＰ９０５、９１０、および９１５は、ＷＴＲＵ９２０が示されているところに位置する場合にだけ「チャレンジ質問」がＷＴＲＵ９２０によって解読可能となるように、上述のようにフラグメント化されているか、または暗号化されていてもよい複数のＰＤＵを介して、「チャレンジ質問」を送信してもよい。したがって、ＷＴＲＵ９２０は「チャレンジ質問」が解読されることができる場所に位置していない限り、「チャレンジ質問」に「応答する」ことができない。

図１０は、この場合はそれぞれＱＰＳＫとＢＰＳＫである、第１変調方式と第２変調方式の組合せによって定義される階層変調（ＨＭ）方式の例を示す。ＱＰＳＫ変調方式は、ともにＱＰＳＫ変調コンステレーションを構成する４つの変調ポイントによって定義されるということはよく知られている。変調ポイントはπ／２、３π／２、−π／２、および−３π／２のキャリア位相を表し、それぞれ２つのビット００、０１、１０、および１１を示す。同様に、ＢＰＳＫ変調方式は、ともにＢＰＳＫ変調コンステレーションを構成する２つの変調ポイントによって定義されるということはよく知られている。変調ポイントは＋δ半径と−δ半径との２つのキャリア位相を表し、それぞれ１つのビット０または１を示す。次に、ＨＭ方式は第１変調コンステレーションと第２変調コンステレーションとから構成される８つの変調ポイントによって定義される。

ＨＭ変調ポイントは（π／２−δ）、（π／２＋δ）、（３π／２−δ）、（３π／２＋δ）、（−π／２−δ）、（−π／２＋δ）、（−３π／２−δ）、（−３π／２＋δ）のキャリア位相を表し、３つのビット０００、００１、０１０、０１１、１００、１０１、１１０、および１１１をそれぞれ示す。これらの８つの変調ポイントは、各々が近くに位置する２つの（２）変調ポイントを含む４つの（４）クラスタを構成する。例えば、キャリア位相（π／２−δ）、（π／２＋δ）によって表される変調はクラスタを構成する。送信器はＨＭコンステレーションから取り出されたシンボルの列を、無線チャネルを介して送信し、これは送信器から遠く離れるにつれて信号を減衰させ、汚染する。送信器のより近くにある受信器は、一般に良好な信号強度と信号品質とを備えた信号を受信するので、キャリア位相を検出することができ、したがって３つのビットを正確に検出することができる。しかしながら、送信器から遠く離れた受信器は、一般により劣った信号強度と信号品質とを備えた信号を受信するので、各クラスタの中のより近くに位置する変調ポイントを区別することができない場合があるが、送信されるシンボルがどのクラスタに属するのかを判定することができる。このため、そうした受信器は第１変調を検出することはできるが、第２変調を検出することができない。したがって、受信器はデータのうちの２つのビットを検出することができるが、３番目のビットを検出することはできない。

本発明のこの実施形態は、セキュリティまたは信頼ゾーンを実装するために使用されてもよい。最初の２ビットである第１変調ポイントに関連するデータは、秘密キーで符号化されるか、または暗号化されるか、またはスクランブルされ、秘密キー自体はシンボルの列の３番目のビットを介して送信される。したがって、信頼ゾーンの内側にある受信器はキーを検出し、第１データを復号するか、または暗号化するか、またはデスクランブルするためにキーを使用することができる。信頼ゾーンの外部にある受信器は第１データを検出することができるが、秘密キーを検出することはできないので、第１データを復号するか、または解読するか、またはデスクランブルすることはできない。本発明の第１および第２変調方式のために、任意の変調方式が使用されてもよい。例はＭアレイＰＳＫ、ＭアレイＦＳＫ、ＭアレイＱＡＭまたはその他を含む。さらに、第１変調コンステレーションの中の選択された変調ポイントだけが、第２クラスタと重畳（ｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｅｄ）されてもよい。最終的に、階層のうちの３つ以上のレベルが重畳されてもよい。例えば、ＢＰＳＫの上にあるＢＰＳＫの上のＱＰＳＫは、３つのレベルのＨＭを表す。

別の実施形態では、階層化されたＨＭ方式が実施されてもよい。図１０は、主波形が２位相偏移変調（ＢＰＳＫ）ＨＭで覆われたＱＰＳＫ信号である、単純な２つのレベルの方式を示す。受信器のＳＮＲが高い場合、すべてのコンステレーションポイントを区別することが可能である。ＳＮＲ低下するにつれて、公称ＱＳＰＫコンステレーションポイントからＢＰＳＫ階層のポイントを区別することが難しくなるので、ＨＭデータは失われる。

本発明によって、スクランブルされたデータは主波形の中で変調され、デスクランブル情報はＨＭの中で符号化される。ＨＭの識別が可能なゾーンに受信器が位置する場合、デスクランブル情報によって受信が首尾よく行われることができる。受信器があまりにも遠くにあり、そのためＨＭデータを抜き出すことができない場合、デスクランブル情報は別のチャネルを通じて明確に要求されなければならない。ＨＭ波形に割り当てられる電力を変えることによって、範囲はゾーン毎に制御される（ｚｏｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ）ことができる。

本発明の特徴および要素は、特定の組合せにおける特定の実施形態の中で説明されているが、各々の特徴または要素は、本発明の別の特徴および要素を伴わずに単独で使用されるか、または本発明の別の特徴および要素を伴うか、または伴わない様々な組合せの中で使用できる。

受信器のデコーダの実効入力ＳＮＲとデコーダの出力ＢＥＲとの間の関係を示すグラフである。 本発明によって無線通信を安全にするために使用される送信器と受信器とを含む無線通信システムのブロック図である。 Ｒ＝１、γ＝２の場合の正規化セキュア近接半径（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｓｅｃｕｒｅ ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ ｒａｄｉｕｓ）（ＮＳＰＲ）と既知のシンボルとの間の関係を示すグラフである。 Ｒ＝１、γ＝４の場合のＮＳＰＲと既知のシンボルと間の関係を示すグラフである。 Ｒ＝１／２、γ＝２の場合のＮＳＰＲと既知のシンボルとの間の関係を示すグラフである。 Ｒ＝１／２、γ＝４の場合のＮＳＰＲと既知のシンボルとの間の関係を示すグラフである。 本発明の１つの実施形態によって無線通信を安全にするために使用される複数の信頼ゾーンを備えたセキュリティネットワークの図である。 盗聴者がＡＰからＷＴＲＵに送信されるビットストリームと交差する場合のある従来のネットワークの図である。 本発明の別の実施形態によって無線通信を安全にするために、複数のＡＰの各々が、ＡＰの各々の送信パターンによって交差される信頼ゾーンに位置するＷＴＲＵにＰＤＩを送信するネットワークの図である。 本発明のさらに別の実施形態によって無線通信がどのように安全されるのかを例示するＱＰＳＫ変調コンステレーションを示す図である。

Claims (20)

1. セキュアな無線通信において使用される方法であって、
   暗号化された信号の復号がＷＴＲＵに関連する信頼ゾーンによって決まるよう前記暗号化された信号を前記ＷＴＲＵへ送信するステップ
   を備えたことを特徴とする方法。
2. 前記信頼ゾーンは、複数の地形的な信頼ゾーンのうちの１つであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記暗号化された信号を送信するステップは、
   前記信頼ゾーンが第１の信頼ゾーンであるという条件の下に前記暗号化された信号の復号を許可するステップと、
   前記信頼ゾーンが第２の信頼ゾーンであるという条件の下に前記暗号化された信号の復号を防止にするステップと
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記暗号化された信号を送信するステップは、階層変調コンステレーションから選出された階層変調ポイントを使用してメッセージを変調することによって暗号化された信号を生成するステップを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記メッセージを変調することは、
   第１の暗号コードを使用して前記メッセージを暗号化することと、
   前記階層変調ポイントの第１の変調レベルを使用して前記暗号化されたメッセージを変調することと、
   前記階層変調ポイントの第２の変調レベルを使用して前記第１の暗号コードを変調すること
   を含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記暗号化された信号の復号を防止にするステップは、前記第２の信頼ゾーンにおける前記第２の変調レベルの検出を防止にするステップを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記暗号化された信号を送信するステップは、スクランブルシーケンスを使用してメッセージのシンボルをスクランブルするステップを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
8. 前記暗号化された信号の復号を許可するステップは、前記スクランブルシーケンスの一部を前記ＷＴＲＵへ提供するステップを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記第１の信頼ゾーンは、第３の信頼ゾーン及び第４の信頼ゾーンを含み、前記スクランブルシーケンスの一部を提供するステップは、
   前記ＷＴＲＵが前記第３の信頼ゾーンに関連するという条件の下に前記スクランブルシーケンスの第１の部分を前記ＷＴＲＵへ提供するステップと、
   前記ＷＴＲＵが前記第４の信頼ゾーンに関連するという条件の下に前記スクランブルシーケンスの第２の部分を前記ＷＴＲＵへ提供するステップと
   を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記暗号化された信号の復号を許可するステップは、前記ＷＴＲＵを認証するステップを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
11. 前記第１の信頼ゾーンは、第３の信頼ゾーン及び第４の信頼ゾーンを含み、前記ＷＴＲＵを認証するステップは、
    前記ＷＴＲＵが前記第３の信頼ゾーンに関連するという条件の下に第１の認証の方法を使用して前記ＷＴＲＵを認証するステップと、
    前記ＷＴＲＵが前記第４の信頼ゾーンに関連するという条件の下に第２の認証の方法を使用して前記ＷＴＲＵを認証するステップと
    を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 送信パラメータを調節することによって前記信頼ゾーンの大きさを調節するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 前記送信パラメータは、符号化速度スキーム、パンクチャリングスキーム又は電力スキームであることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記ＷＴＲＵの位置を検証するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の方法。
15. 前記ＷＴＲＵの位置を検証するステップは、
    第１の位置検証メッセージを前記ＷＴＲＵへ送信するステップと、
    前記ＷＴＲＵから第１の応答を受信するステップと
    を含み、前記第１の応答は前記ＷＴＲＵが前記第１の位置検証メッセージをデコードしたかどうかを示すことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記ＷＴＲＵの位置を認証するステップは、
    送信パラメータを調整するステップと、
    第２の位置検証メッセージを前記ＷＴＲＵへ送信するステップと、
    前記ＷＴＲＵから第２の応答を受信するステップと
    を含み、前記第２の応答は前記ＷＴＲＵが前記第２の位置検証メッセージをデコードしたかどうかを示すことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記暗号化された信号を送信するステップは、メッセージの第１の部分を送信するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
18. 前記メッセージの第１の部分を送信するステップは、前記メッセージの第１の部分と前記メッセージの第２の部分とを連結することにより前記メッセージを復元できるよう前記メッセージの第１の部分を選択するステップを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記メッセージの第１の部分を送信するステップは、
    前記メッセージをスクランブルステップと、
    前記メッセージの第１の部分と前記メッセージの第２の部分とを連結し、前記連結されたメッセージの第１及び第２の部分をデスクランブルすることにより前記メッセージを復元できるよう前記スクランブルされたメッセージの第１の部分を選択するステップと
    を含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記メッセージの第１の部分を送信するステップは、排他的論理和の関数を前記メッセージの第１の部分及び前記メッセージの第２の部分に適用することにより前記メッセージを復元できるよう前記メッセージの第１の部分を選択するステップを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。

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