JP4628156B2 - 無線通信端末、無線基地局及び通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、上位レイヤにおいて生成されたユーザデータと、当該ユーザデータの再生に必要な制御データとの所定の無線通信方式を用いて送受信する送受信部を備える無線通信端末、無線基地局及び通信装置に関する。

従来、Ｗ−ＣＤＭＡなどの所定の無線通信方式を用いた移動通信システムでは、携帯電話機などの無線通信端末と無線基地局との間において、無線フレームが送受信される。

無線フレームには、同期検波でのチャネル推定に用いられるパイロットビットや、無線フレーム中の有効データ長を示すＴＦＣＩ（transport format combination indicator）などの制御データの送受信に用いられる制御チャネル（ＤＰＣＣＨ）と、上位レイヤにおいて生成されたユーザデータの送受信に用いられるユーザチャネル（ＤＰＤＣＨ）とが多重される。

このような移動通信システムでは、無線フレームに多重されるユーザチャネルの内容の秘匿性を確保するため、一般的に、ユーザチャネルを用いて送受信されるユーザデータが暗号化される（例えば、特許文献１）。
特表２００２−５３９４９０号公報（第１９−２５頁、第３，６図）

しかしながら、上述した従来の方法には、次のような問題があった。すなわち、ユーザチャネルを用いて送受信されるユーザデータの暗号処理の負荷が高く、特に、容量の限られたバッテリを搭載する携帯型の無線通信端末では、消費電力が増大するといった問題があった。

そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、ユーザデータの秘匿性を確保しつつ、消費電力を抑制することができる無線通信端末、無線基地局及び通信装置を提供することを目的とする。

上述した問題を解決するため、本発明は、次のような特徴を有している。まず、本発明の第１の特徴は、上位レイヤにおいて生成されたユーザデータと、前記ユーザデータの再生に必要な制御データとを、無線基地局（無線基地局２００）との間において所定の無線通信方式（例えば、Ｗ−ＣＤＭＡ移動通信方式）を用いて送受信する送受信部（拡散処理部１０７）を備える無線通信端末（無線通信端末１００）であって、前記制御データを暗号化する暗号処理部（暗号・復号処理部１０５）を備え、前記送受信部は、前記暗号化処理部によって暗号化された暗号化制御データ及び前記ユーザデータを前記無線基地局に送信することを要旨とする。

このような特徴によれば、ユーザデータよりも情報量が少ない制御データのみが暗号処理の対象となる。このため、ユーザデータを暗号処理する場合と比較して、暗号処理の負荷を低減することができる。

すなわち、このような特徴によれば、暗号処理に伴う消費電力を抑制することができるため、特に、容量の限られたバッテリを搭載する携帯型の無線通信端末の通信可能時間を延長することができる。

また、ユーザデータの再生に必要な制御データ（パイロットビットやＴＦＣＩ）が暗号処理されるため、ユーザデータが暗号処理されていなくてもユーザデータの一定の秘匿性を確保することができる。

つまり、変調されたユーザデータが傍受された場合でも、制御データを取得することができないため、ユーザデータを正常に再生することができないのである。

本発明の第２の特徴は、本発明の第１の特徴に係り、前記制御データには、前記ユーザデータの特定位置の判定に用いられるユーザデータ同期信号（パイロットビット）が含まれることを要旨とする。

本発明の第３の特徴は、本発明の第１または第２の特徴に係り、前記暗号処理部は、共通鍵暗号方式を用いて前記制御データを暗号化することを要旨とする。

本発明の第４の特徴は、本発明の第１乃至第３の特徴に係り、前記ユーザデータ及び前記暗号化制御データは、所定の周期を有する無線フレームに多重されることを要旨とする。

本発明の第５の特徴は、本発明の第１乃至第４の特徴に係り、前記所定の無線通信方式を介して前記無線基地局から受信した暗号化制御データを復号する復号処理部（暗号・復号処理部１０５）をさらに備えることを要旨とする。

本発明の第６の特徴は、本発明の第１乃至第５の特徴に係り、前記制御データの暗号処理に対応していることを示す制御データ暗号化対応通知を前記無線基地局に送信する対応可否通知送信部をさらに備えることを要旨とする。

本発明の第７の特徴は、上位レイヤにおいて生成されたユーザデータと、前記ユーザデータの再生に必要な制御データとを、無線通信端末（無線通信端末１００）との間において所定の無線通信方式（例えば、Ｗ−ＣＤＭＡ移動通信方式）を用いて送受信する送受信部（拡散処理部２０７）を備える無線基地局（無線基地局２００）であって、前記制御データを暗号化する暗号処理部（暗号・復号処理部２０５）を備え、前記送受信部は、前記暗号化処理部によって暗号化された暗号化制御データ及び前記ユーザデータを前記無線通信端末に送信することを要旨とする。

本発明の第８の特徴は、本発明の第７の特徴に係り、前記制御データには、前記ユーザデータの特定位置の判定に用いられるユーザデータ同期信号（パイロットビット）が含まれることを要旨とする。

本発明の第９の特徴は、本発明の第７または第８の特徴に係り、前記暗号処理部は、共通鍵暗号方式を用いて前記制御データを暗号化することを要旨とする。

本発明の第１０の特徴は、本発明の第７乃至第９の特徴に係り、前記ユーザデータ及び前記暗号化制御データは、所定の周期を有する無線フレームに多重されることを要旨とする。

本発明の第１１の特徴は、本発明の第７乃至第１０の特徴に係り、前記所定の無線通信方式を介して前記無線通信端末から受信した暗号化制御データを復号する復号処理部（暗号・復号処理部２０５）をさらに備えることを要旨とする。

本発明の第１２の特徴は、本発明の第７乃至第１１の特徴に係り、前記無線通信端末が前記制御データの暗号処理に対応していることを示す前記制御データ暗号化対応通知を前記無線通信端末から受信する制御データ暗号化対応通知受信部（対応通知受信部２０９）と、前記対応可否通知受信部が受信した前記制御データ暗号化対応通知に基づいて、前記制御データを暗号処理するか否かを判定する暗号処理判定部（暗号・復号処理部２０５）とをさらに備えることを要旨とする。

本発明の第１３の特徴は、上位レイヤにおいて生成されたユーザデータと、前記ユーザデータの再生に必要な制御データとの所定の無線通信方式を用いて送受信する送受信部を備える通信装置（例えば、無線通信端末１００に実装される特定用途ＩＣ）であって、前記制御データを暗号化する暗号処理部を備え、前記送受信部は、前記暗号化処理部によって暗号化された暗号化制御データ及び前記ユーザデータを送信することを要旨とする。

本発明の第１４の特徴は、本発明の第１３の特徴に係り、前記制御データには、前記ユーザデータの特定位置の判定に用いられるユーザデータ同期信号が含まれることを要旨とする。

本発明の第１５の特徴は、本発明の第１３または第１４の特徴に係り、前記暗号処理部は、共通鍵暗号方式を用いて前記制御データを暗号化することを要旨とする。

本発明の第１６の特徴は、本発明の第１３乃至第１５の特徴に係り、前記ユーザデータ及び前記暗号化制御データは、所定の周期を有する無線フレームに多重されることを要旨とする。

本発明の第１７の特徴は、本発明の第１３乃至第１６の特徴に係り、前記所定の無線通信方式を介して他の通信装置から受信した暗号化制御データを復号する復号処理部をさらに備えることを要旨とする。

本発明の特徴によれば、ユーザデータの秘匿性を確保しつつ、消費電力を抑制することができる無線通信端末、無線基地局及び通信装置を提供することができる。

次に、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。

したがって、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（移動通信システムの全体概略構成）
図１は、本実施形態に係る移動通信システムの全体概略構成を示している。図１に示すように、本実施形態に係る移動通信システムは、Ｗ−ＣＤＭＡ移動通信方式を用いた移動通信システムであり、無線通信端末１００と、無線基地局２００とによって構成されている。

なお、図１では、１台の無線通信端末１００、及び１局の無線基地局２００のみが示されているが、移動通信システムは、複数の無線通信端末１００や無線基地局２００によって構成されてもよいことは勿論である。

また、本実施形態では、図１に示すように、無線通信端末１００は携帯電話機であるが、無線通信端末１００としては、Ｗ−ＣＤＭＡ移動通信方式を用いた通信カードを搭載した携帯情報端末や、パーソナル・コンピュータなどであってもよい。

（移動通信システムの論理ブロック構成）
次に、本実施形態に係る移動通信システムの論理ブロック構成について説明する。図２は、無線通信端末１００の論理ブロック構成図である。また、図３は、無線基地局２００の論理ブロック構成図である。

なお、以下、本発明との関連がある部分について主に説明する。したがって、図２に示す無線通信端末１００及び図３に示す無線基地局２００は、当該装置の機能を実現する上で必須な、図示しない或いは説明を省略した論理ブロック（電源部など）を備える場合があることに留意されたい。

（１）無線通信端末
図２に示すように、無線通信端末１００は、Ｉチャネル変調処理部１０１、Ｑチャネル変調処理部１０３、暗号・復号処理部１０５、拡散処理部１０７及び対応通知送信部１０９を備えている。

Ｉチャネル変調処理部１０１は、上位レイヤ（例えば、アプリケーション層）において生成されたユーザデータ（図４参照）の変調処理を実行する。

具体的には、Ｉチャネル変調処理部１０１は、ユーザデータの送受信に用いられるユーザチャネル（ＤＰＤＣＨ）、及びユーザデータの再生に必要な制御データ、具体的には、パイロットビットやＴＦＣＩ（transport format combination indicator）などの送受信に用いられる制御チャネル（ＤＰＣＣＨ）が多重される無線フレームのうち、ユーザデータをＱＰＳＫなどによって位相変調（データ変調マッピング）する。

Ｑチャネル変調処理部１０３は、ユーザチャネル（ＤＰＤＣＨ）及び制御チャネル（ＤＰＣＣＨ）が多重される無線フレームのうち、制御データをＱＰＳＫなどによって位相変調（データ変調マッピング）する。

暗号・復号処理部１０５は、Ｑチャネル変調処理部１０３によって変調された制御データを暗号化する。また、暗号・復号処理部１０５は、拡散処理部１０７から出力された暗号化制御データ、つまり、無線基地局２００によって暗号化された制御データを受信し、受信した暗号化制御データを復号する。

本実施形態において、暗号・復号処理部１０５は、制御データのみを暗号化する暗号処理部を構成する。また、暗号・復号処理部１０５は、無線基地局から受信した暗号化制御データを復号する復号処理部を構成する。

具体的には、暗号・復号処理部１０５は、ＤＥＳなどの共通鍵暗号方式を用いて、Ｑチャネル変調処理部１０３によって変調された制御データを暗号化したり、拡散処理部１０７によって出力された暗号化制御データを復号したりする。

拡散処理部１０７は、Ｉチャネル変調処理部１０１によってデータ変調マッピングされたユーザデータ、及びＱチャネル変調処理部１０３によってデータ変調マッピングされ、暗号・復号処理部１０５によって暗号化された制御データ（暗号化制御データ）の拡散処理を実行する。

具体的には、拡散処理部１０７は、所定の拡散符号を用いて、データ変調マッピングされたユーザデータ及び暗号化制御データの拡散処理を実行する。

また、拡散処理部１０７は、無線基地局２００によって拡散処理が実行された無線信号を受信し、受信した無線信号の拡散符号と、拡散処理部１０７が有する拡散符号のレプリカとを同期させ、逆拡散処理を実行する。

さらに、拡散処理部１０７は、逆拡散処理を実行することによって、データ変調マッピングされたユーザデータをＩチャネル変調処理部１０１に、データ変調マッピングされた暗号化制御データを暗号・復号処理部１０５にそれぞれ出力する。なお、拡散処理部１０７は、複数のマルチパス成分を分離し、フェージング変動に起因する位相変動を補正して合成（ＲＡＫＥ合成）することができる。

本実施形態において、拡散処理部１０７は、無線基地局２００との間においてＷ−ＣＤＭＡ移動通信方式（所定の無線通信方式）を用いて、ユーザデータと制御データとを送受信する送受信部を構成する。

対応通知送信部１０９は、無線通信端末１００が制御データの暗号処理に対応しているか否かを示す制御データ暗号化対応通知を無線基地局２００に送信する。

具体的には、対応通知送信部１０９は、無線通信端末１００が無線基地局２００との通信路を確立する際に、制御データ暗号化対応通知を送信する。

（２）無線基地局
図３に示すように、無線基地局２００は、Ｉチャネル変調処理部２０１、Ｑチャネル変調処理部２０３、暗号・復号処理部２０５、拡散処理部２０７及び対応通知受信部２０９を備えている。

図２及び図３に示すように、無線基地局２００は、ユーザデータ及び制御データの送受信に関して、概ね無線通信端末１００と同様の論理ブロック構成を有している。そこで、以下、上述した無線通信端末１００と同様の機能を提供する論理ブロックの説明は省略し、無線通信端末１００と異なる機能を提供する論理ブロックについて説明する。

暗号・復号処理部２０５は、上述した無線通信端末１００の暗号・復号処理部１０５が提供する機能に加え、以下の機能を有している。

すなわち、暗号・復号処理部２０５は、対応通知受信部２０９が無線通信端末１００から受信した制御データ暗号化対応通知に基づいて、無線通信端末１００に送信する制御データを暗号処理するか否かを判定する。本実施形態において、暗号・復号処理部２０５は、暗号処理判定部を構成する。

対応通知受信部２０９は、無線通信端末（例えば、無線通信端末１００）が制御データの暗号処理に対応しているか否かを示す制御データ暗号化対応通知を当該無線通信端末から受信する。

具体的には、対応通知受信部２０９は、無線基地局２００が無線通信端末１００との通信路を確立する際に、制御データ暗号化対応通知を無線通信端末（例えば、無線通信端末１００）から受信し、受信した制御データ暗号化対応通知を暗号・復号処理部２０５に出力する。

（無線フレームの構成）
次に、図４（ａ）〜（ｃ）を参照して、上述した無線通信端末１００と無線基地局２００との間において送受信される無線フレームの構成について説明する。

図４（ａ）〜（ｃ）は、無線通信端末１００が無線基地局２００に向けて送信する“上り方向”の無線フレームの構成を示している。なお、無線基地局２００が無線通信端末１００に向けて送信する“下り方向”の無線フレームは、図４（ａ）〜（ｃ）に示す“上り方向”の無線フレームと比較すると、ユーザチャネル及び制御チャネルの多重方法や、制御データの内容が一部異なっている。

図４（ａ）に示すように、無線フレームは、１０ｍｓの周期を有しており、ユーザチャネルまたは制御チャネルが多重された複数の無線フレームが順次送受信される。無線フレームは、暗号処理及び復号処理の最小単位である。

また、図４（ｂ）に示すように、ユーザチャネル（ＤＰＤＣＨ）では、無線フレーム当たりの転送ビットレート（Ｎｄａｔａ／ｆｒａｍｅ）は可変である。例えば、高速なデータ伝送が必要な場合、数百ｋｂｐｓ〜数Ｍｂｐｓの転送ビットレートを実現することができる。

一方、図４（ｃ）に示すように、制御チャネル（ＤＰＣＣＨ）では、無線フレーム当たりの転送ビットレートは、１５０ビット／ｆｒａｍｅ（１５ｋｂｐｓ）に固定されている。つまり、制御チャネルにおいて送受信される制御データの転送ビットレートは、ユーザチャネルと比較してかなり低速である。

また、制御チャネルにおいて送受信される制御データには、パイロットビット（ユーザデータ同期信号）や、ＴＦＣＩなどがある。パイロットビットやＴＦＣＩ以外には、送信電力制御（ＴＰＣ）コマンド及びフィードバック情報（ＦＢＩ）がある。

パイロットビットは、上述したように、同期検波でのチャネル推定に用いられる。すなわち、パイロットビットによって、受信した無線信号の位相及び振幅の変動が推定される。受信した無線信号の位相及び振幅の変動が推定されると、ユーザデータの特定位置を判定することができ、ユーザデータの同期を確立することができる。

ＴＦＣＩは、無線フレーム中の有効データ長を示すものである。また、ＴＦＣＩは、無線フレームに多重されているユーザチャネルの数や各ユーザチャネルにおいて使用されている送信フォーマット（transport format）の種別を示すものである。

（移動通信システムの動作）
次に、図５を参照して、上述した移動通信システムの動作について説明する。図５は、無線通信端末１００及び無線基地局２００が通信路を確立する場合における状態遷移を示している。

無線通信端末１００と無線基地局２００とが通信路を確立する場合、無線通信端末１００と無線基地局２００との間において接続処理が実行される。当該接続処理が開始されると、アイドル状態Ｓ１からセットアップ状態Ｓ２に移行する。

セットアップ状態Ｓ２では、無線通信端末１００から“制御データ暗号化対応通知”が無線基地局２００に送信されるか否かに基づいて、鍵交換状態Ｓ３に移行するか、通常モード状態Ｓ４に移行するかが判定される。

なお、通常モード状態Ｓ４とは、ユーザデータ及び制御データを暗号処理せず、平文として送受信するモードである。なお、通常モード状態Ｓ４では、制御データではなく、ユーザデータのみを暗号処理してもよい。

鍵交換状態Ｓ３では、制御データを暗号処理するために用いられる暗号鍵（共通鍵）が、無線通信端末１００と無線基地局２００との間において交換される。

無線通信端末１００と無線基地局２００との間において、暗号鍵（共通鍵）の交換が完了すると、当該暗号鍵によって制御データを暗号処理する暗号通信モード状態Ｓ５に移行する。

暗号通信モード状態Ｓ５に移行後、無線通信端末１００と無線基地局２００との間では、ユーザデータは暗号処理せずに送受信され、制御データのみが当該暗号鍵によって暗号処理される。

（作用・効果）
以上説明した本実施形態に係る移動通信システムによれば、ユーザデータよりも情報量が少ない制御データのみが暗号処理の対象となる。このため、ユーザデータを暗号処理する場合と比較して、暗号処理の負荷を低減することができる。

すなわち、本実施形態に係る移動通信システムによれば、暗号処理に伴う消費電力を抑制することができるため、特に、容量の限られたバッテリを搭載する無線通信端末１００の通信可能時間を延長することができる。

また、ユーザデータの再生に必要な制御データ（パイロットビットやＴＦＣＩ）が暗号処理されるため、ユーザデータが暗号処理されていなくてもユーザデータの一定の秘匿性を確保することができる。

つまり、変調されたユーザデータが傍受された場合でも、制御データを取得することができないため、ユーザデータを正常に再生することができないのである。

さらに、本実施形態に係る移動通信システムによれば、共通鍵暗号方式を用いて制御データが暗号処理されるため、ＲＳＡなどの公開鍵暗号方式を用いる場合と比較して、制御データの暗号処理の負荷をさらに低減することができる。

また、本実施形態に係る移動通信システムによれば、制御データの暗号処理に対応していることを示す制御データ暗号化対応通知が、無線通信端末１００から無線基地局２００に送信される。

このため、移動通信システム内に、制御データの暗号処理に対応している無線通信端末と、制御データの暗号処理に対応していない無線通信端末とが混在している場合でも、制御データの暗号処理に対応している無線通信端末と無線基地局２００との間でのみ、制御データの暗号処理を実行することができる。

（その他の実施形態）
上述したように、本発明の一実施形態を通じて本発明の内容を開示したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態が明らかとなろう。

例えば、上述した本発明の実施形態では、Ｗ−ＣＤＭＡ移動通信方式を用いた移動通信システムを例と説明したが、本発明の適用範囲は、Ｗ−ＣＤＭＡ移動通信方式を用いた移動通信システムに限定されるものではない。

本発明は、Ｗ−ＣＤＭＡ移動通信方式を用いた移動通信システムだけでなく、上位レイヤにおいて生成されたユーザデータと、当該ユーザデータの再生に必要な制御データとを、無線基地局との間において無線通信方式を用いて送受信するシステムに適用することができる。

また、上述した本発明の実施形態では、制御データの暗号処理に共通鍵暗号方式を用いる形態としたが、制御データの暗号処理には、必ずしも共通鍵暗号方式を用いなくても構わない。

さらに、上述した本発明の実施形態では、無線通信端末１００が制御データの暗号処理に対応していることを示す制御データ暗号化対応通知を無線基地局２００に送信する形態としたが、制御データ暗号化対応通知を送信しない形態としても構わない。

また、上述した本発明の実施形態では、無線通信端末１００及び無線基地局２００を例として説明したが、本発明は、無線通信端末、無線基地局、または携帯情報端末やパーソナル・コンピュータに装着される通信カードに実装される特定用途ＩＣなどの通信装置として提供することもできる。

このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は、上述の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の実施形態に係る移動通信システムの全体概略構成図である。 本発明の実施形態に係る無線通信端末の論理ブロック構成図である。 本発明の実施形態に係る無線基地局の論理ブロック構成図である。 本発明の実施形態に係る移動通信システムにおいて送受信される無線フレームの構成図である。 本発明の実施形態に係る移動通信システムの状態遷移図である。

符号の説明

１００…無線通信端末、１０１…Ｉチャネル変調処理部、１０３…Ｑチャネル変調処理部、１０５…暗号・復号処理部、１０７…拡散処理部、１０９…対応通知送信部、２００…無線基地局、２０１…Ｉチャネル変調処理部、２０３…Ｑチャネル変調処理部、２０５…暗号・復号処理部、２０７…拡散処理部、２０９…対応通知受信部

Claims (4)

1. 上位レイヤにおいて生成されたユーザデータと、前記ユーザデータの再生に必要な少なくともパイロットビットを含む制御データとが多重されたフレームを、無線基地局との間において所定の無線通信方式を用いて送受信する送受信部を備える無線通信端末であって、
   前記制御データのみを暗号化する暗号処理部を備え、
   前記送受信部は、前記暗号化処理部によって暗号化された暗号化制御データ、及び前記ユーザデータを前記無線基地局に送信する無線通信端末。
2. 前記制御データには、前記ユーザデータの特定位置の判定に用いられるユーザデータ同期信号が含まれる請求項１に記載の無線通信端末。
3. 上位レイヤにおいて生成されたユーザデータと、前記ユーザデータの再生に必要な少なくともパイロットビットを含む制御データとが多重されたフレームを、無線通信端末との間において所定の無線通信方式を用いて送受信する送受信部を備える無線基地局であって、
   前記制御データのみを暗号化する暗号処理部を備え、
   前記送受信部は、前記暗号化処理部によって暗号化された暗号化制御データ、及び前記ユーザデータを前記無線通信端末に送信する無線基地局。
4. 前記制御データには、前記ユーザデータの特定位置の判定に用いられるユーザデータ同期信号が含まれる請求項３に記載の無線基地局。

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