JP5327974B2

JP5327974B2 - 無線装置、無線システム及び秘匿通信方法

Info

Publication number: JP5327974B2
Application number: JP2009554141A
Authority: JP
Inventors: 秀一笹岡; 誠人岩井; 隆康北野
Original assignee: Doshisha Co Ltd
Current assignee: Doshisha Co Ltd
Priority date: 2008-02-18
Filing date: 2008-02-18
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2028-02-18
Also published as: WO2009104234A1; JPWO2009104234A1

Description

技術分野は、無線装置間の通信に関し、特に通信内容が傍受されることを防止する秘匿通信に関する。

通信内容が傍受されることを防止する秘匿通信には、様々な方式が採用されている。例えば、秘匿処理のアルゴリズム自身を秘密にする方式がある。また、アルゴリズムは公開しつつ秘匿処理に用いる鍵を秘密にする方式もある。さらに、秘密鍵を用いる方式には、無線局間における電波の伝搬路特性を用いて秘密鍵を生成し、生成した鍵を用いて暗号通信を行う技術がある（特許文献１参照）。
特開２００４−１８７１９７号公報

本実施の形態の秘匿通信システムの概要を示す説明図である。送信局及び受信局の内部構成の概要を示すブロック図である。送信局の構成の一例を示すブロック図である。送信処理部の構成の一例を示すブロック図である。従来のＭＣ−ＣＤＭＡの場合の拡散方法の一例を示す説明図である。本実施の形態の拡散方法の一例を示す説明図である。ダミー信号によるガードインターバル挿入の一例を示す説明図である。受信局の構成を示すブロック図である。受信処理部の構成の一例を示すブロック図である。シミュレーションパラメータの一例を示す説明図である。信号点の原点からの分散と拡散率との関係を示す説明図である。秘匿信号の拡散率に対するＢＥＲ特性を示す説明図である。ガードインターバルによる秘匿信号の自己相関の例を示す説明図である。ガードインターバルを挿入した秘匿信号のＢＥＲ特性を示す説明図である。秘匿信号の振幅確率密度の例を示す説明図である。秘匿信号の逆拡散処理後の信号点配置の例を示す説明図である。秘匿情報及びカバーデータのＢＥＲ特性の例を示す説明図である。

符号の説明

１０送信局（無線装置）
１２送信処理部
１３伝搬路特性測定部
２０受信局（無線装置）
２１受信処理部
２３測定用信号生成部
１２１ＱＰＳＫ変調部
１２２マルチキャリア拡散部
１２３事前歪補償部
１２４ＩＦＦＴ
１２５、１２７ガードインターバル挿入部
１２６ＯＦＤＭ変調部
１２８レベル調整部
２１１カバー信号除去部
２１２ガードインターバル除去部
２１３ＦＦＴ
２１４逆拡散部
２１５ＱＰＳＫ復調部
１２３１位相補償部
１２３２振幅補償部
１２６１シリアル・パラレル変換部
１２６２ＩＦＦＴ

図１は本実施の形態の秘匿通信システム１００の概要を示す説明図である。図１に示すように、本実施の形態の秘匿通信システム１００（無線システム）は、秘匿信号の送信局（以下、「送信局」という）１０、秘匿信号の受信局（以下、「受信局」という）２０を備えている。なお、図１では、１つの送信局１０（第１の無線装置）及び受信局２０（第２の無線装置）で構成されているが、それぞれ対応する送信局１０と受信局２０との組が複数あってもよい。また、送信局１０、受信局２０は、基地局でもよく、あるいは移動局でもよい。送信局１０と受信局２０は、両者間の伝搬路を介して無線による秘匿通信を行う。秘匿通信システム１００は、送信局１０から受信局２０へ送信される秘匿情報が、盗聴局５０により傍受されることを防止するものである。

より具体的には、送信局１０は、秘匿情報が含まれる秘匿信号（埋め込み信号）をカバー信号（重畳信号）に埋め込み、秘匿信号が埋め込まれたカバー信号を伝送信号として受信局２０へ送信することにより、秘匿信号の存在が盗聴局５０で検知されないようにする。すなわち、無線通信における通常の伝送信号（秘匿信号ではない）にカバー信号の役割を与え、この伝送信号に秘匿信号を微小電力で多重して埋め込むことにより、秘匿信号の存在を秘匿することができる。この場合、送信局１０は、後述するように秘匿信号を雑音と区別できないように処理を施して受信局２０へ送信する。これを信号秘匿と称する。

また、送信局１０は、仮に盗聴局５０がカバー信号を推定することができ、カバー信号のみをほぼ除去可能であり、秘匿信号の存在を検知できた場合であっても、送信局１０と受信局２０との間の伝搬路特性の可逆性及び遅延歪みを利用した歪補償を予め秘匿信号に対して施すことにより、盗聴局５０が秘匿信号に含まれる秘匿情報を抽出することができないようにする。これを秘匿情報の秘密性と称する。このように、本実施の形態の秘匿通信システム１００は、信号秘匿と秘匿情報の秘密性という二重の秘匿技術を用いることにより、盗聴に対する安全な通信の実現を図ることができる。

次に、秘匿通信システム１００が行う秘匿通信の原理について説明する。図２は送信局１０及び受信局２０の内部構成の概要を示すブロック図である。送信局１０は、秘匿情報（秘匿データ）に対して、所定の拡散符号により複数の異なる周波数のサブキャリア毎の拡散処理（マルチキャリア拡散処理）を行うことにより、拡散処理後の秘匿信号の時間波形が雑音に近い時間波形となるようにする。盗聴局５０において、仮に伝送信号（カバー信号）を推定することができ、カバー信号のみを除去した場合であっても、カバー信号除去後の秘匿信号は雑音と非常に近い波形となることから、秘匿信号の存在を検出することができず、秘匿信号の秘匿性（信号秘匿）を高めることができる。

送信局１０は、マルチキャリア拡散処理後の信号に対して、伝搬路特性の測定結果に応じた事前歪補償を行う。すなわち、送信局１０と受信局２０との間の通信では、送信局１０と受信局２０間の電波の伝搬路特性（例えば、伝搬経路、信号の減衰量、信号の遅延時間など）に依存して、受信した信号の電界強度の変動（マルチパスフェージング）が発生する。特に、移動通信においては、マルチパスフェージングが顕著に現われる場合がある。

マルチパスフェージングの時間的あるいは空間的変動により、時間又は場所が異なる場合、送信局１０と受信局２０との間の伝搬路特性が無相関となる。例えば、マルチパスフェージングの時間的変動速度は、百〜数百Ｈｚ程度である場合があり、数十ｍ秒時間が異なれば、伝搬路特性は無相関となる。また、送信局１０と受信局２０との間の離隔距離が信号の半波長程度異なる場合、伝搬路特性は無相関となる。さらに、電波伝搬において、一般には特定の送受信点の間で可逆性が成り立つ。すなわち、送信局１０と受信局２０との間の電波の伝搬方向が逆になった場合でも、送信局１０と受信局２０との間の伝搬路特性は変わらない。

従って、正規の送信局１０と受信局２０との間における伝搬路特性は、両者間で相関がある。しかし、受信地点が受信局２０と異なる盗聴局５０では、伝搬路特性が無相関になる。このため、正規の送信局１０と受信局２０との間と、送信局１０と盗聴局５０との間とでは、伝搬路における信号の歪（例えば、位相の歪、振幅の歪など）は異なる。

送信局１０から受信局２０へ秘匿信号が埋め込まれた伝送信号（カバー信号）を送信する場合、送信した秘匿信号が送信局１０と受信局２０との間の伝搬路を経ることにより歪むことを予め考慮して、送信する秘匿信号に予め歪補償を施す。これにより、受信局２０では、秘匿信号の受信時に伝搬路での歪が相殺され、秘匿信号を正しく受信することができる。しかし、盗聴局５０では、伝搬路における歪が異なるため、秘匿信号がさらに歪むことになる。そのため、受信局２０では、正しく秘匿信号を受信して秘匿情報を取り出すことができるのに対して、盗聴局５０では、秘匿情報から秘匿情報を取り出すことができない。これにより、秘匿情報の秘密性を保つことが可能となる。

送信局１０がカバー信号に秘匿信号を埋め込んで受信局２０へ送信する場合、受信局２０は、予め秘匿信号に対する伝搬路特性を測定するための測定用信号を生成し、生成した測定用信号を送信局１０へ送信する。なお、測定用信号は、例えば、伝搬路の周波数特性が測定可能なＭＣ−ＣＤＭＡ（Multi Carrier Code Division Multiple Access）信号である。

送信局１０は、測定用信号を受信し、周波数の異なる各サブキャリアで構成される秘匿信号の各サブキャリアの周波数に対応する位相と振幅の変動量（伝搬路における歪）を測定する。送信局１０は、測定した変動量に基づいて、送信する秘匿信号が受信局２０で正しく受信できるように歪補償を行う。例えば、送信局１０は受信した測定信号の位相歪を補償すべく逆位相を秘匿信号に乗算する。また、測定信号の振幅が大きい場合、送信する秘匿信号の電力を小さくする。

送信局１０は、事前歪補償を施した秘匿信号に対してＩＦＦＴ（逆高速フーリエ変換）を行う。上述の一連の処理により、秘匿情報は、周波数領域でサブキャリアにまたがって所定の拡散符号で拡散され、拡散符号のチップ（各符号）に応じて各サブキャリア周波数で変調され、別々のサブキャリアで送信される。これにより、秘匿信号の時間波形は、雑音と非常に近い波形となる。

送信局１０は、ＩＦＦＴ後の秘匿信号にガードインターバルを挿入する。この場合、１シンボル区間の秘匿信号の間に挿入する信号は、通常行われているように秘匿信号を巡回的に拡張して、その部分を挿入するのではなく、秘匿信号と全く関連性のないランダムなダミー信号を挿入する。これにより、秘匿信号の自己相関を抑制することが可能となり、盗聴局５０が秘匿信号の存在を検出することを一層困難にする。

送信局１０は、秘匿信号に対してカバー信号を付加する。送信局１０は、秘匿する必要のない非秘匿情報（カバーデータ）を生成し、生成したカバーデータに対してＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：直交周波数分割多重）変調を行うことによりカバー信号を生成する。送信局１０は、秘匿信号を埋め込んだ（多重した）カバー信号を伝送信号として受信局２０へ送信する。この場合、秘匿信号の電力はカバー信号の品質を劣化させない程度に小さくする。これにより、盗聴局５０が、カバー信号の品質の劣化によりカバー信号以外に何らかの信号を埋め込まれていると推定することを防止する。

受信局２０は、送信局１０が送信した伝送信号を受信し、受信した伝送信号からカバー信号を除去するとともに、ガードインターバルを除去して秘匿信号を取り出す。受信局２０は、秘匿信号に対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）を行うとともに、逆拡散符号（拡散復調用符号）により逆拡散を行って元の秘匿情報を取り出す。

図３は送信局１０の構成の一例を示すブロック図である。送信局１０は、送信するデータ（秘匿情報である秘匿データ及び秘匿する必要のないカバーデータ）に対して所定の処理を行うデータ処理部１１、データ処理部１１から出力されたデータに対して送信処理する送信処理部１２、測定用信号を受信して伝搬路特性を測定する伝搬路特性測定部１３などを備える。

伝搬路特性測定部１３は、受信した測定用信号に基づいて、周波数の異なる各サブキャリアで構成される秘匿信号の各サブキャリアの周波数に対応する位相と振幅の変動量（伝搬路における歪）を測定する。伝搬路特性測定部１３は、測定した変動量を送信処理部１２へ出力する。

図４は送信処理部１２の構成の一例を示すブロック図である。送信処理部１２は、ＱＰＳＫ変調部１２１、マルチキャリア拡散部１２２、事前歪補償部１２３、ＩＦＦＴ１２４、ガードインターバル挿入部１２５、レベル調整部１２８、ＯＦＤＭ変調部１２６、ガードインターバル挿入部１２７などを備えている。

ＱＰＳＫ変調部１２１は、入力されたデータ（秘匿情報、非秘匿情報）に対して、４相ＰＳＫ（ＱＰＳＫ：Quadrature phase shift keying）変調を行い、２ビットのデータをお互いに直交（同相成分及び直交成分）の関係にある４つの位相のいずれかに変調する。ＱＰＳＫ変調部１２１は、変調した秘匿情報をマルチキャリア拡散部１２２へ出力し、変調した非秘匿情報（カバーデータ）をＯＦＤＭ変調部１２６へ出力する。なお、位相変調は、ＱＰＳＫ変調に限定されるものではなく、２相ＰＳＫ、８相ＰＳＫ、１６相ＰＳＫなどの変調方式でもよい。また、位相変調に限らず、振幅変調、振幅位相変調などの他の変調方式を用いることもできる。

マルチキャリア拡散部１２２は、Ｃｏｐｉｅｒ１２２１で秘匿情報の同じシンボル（秘匿データ）を周波数の異なる各サブキャリアに割り当て、所定の拡散符号（例えば、Walsh符号など）のチップに応じて、シンボルの一部を別々のサブキャリアに拡散して拡散信号を生成する。なお、この場合、伝搬路による振幅及び位相の補償を行うためのパイロットシンボルは付加しない。これにより、盗聴局５０がパイロットシンボルを用いた伝搬路特性の推定により秘匿情報を検出する可能性を除去することができる。

次に拡散方法について説明する。図５は従来のＭＣ−ＣＤＭＡの場合の拡散方法の一例を示す説明図であり、図６は本実施の形態の拡散方法の一例を示す説明図である。図５及び図６において、横軸はサブキャリアの数を示し、縦軸は図中下方向に沿って時間経過を示す。図５及び図６の例では、サブキャリアの数は１２であるが、これに限定されるものではない。まず、従来の拡散方法の場合の欠点について説明する。

秘匿信号を高速フーリエ変換して得られた拡散信号と逆拡散符号（拡散復調用符号）との相関（信号の自己相関）は、一般的には送信局１０と受信局２０との間では大きくなり、盗聴局５０との間ではほぼ相関がない。しかし、送信局１０と受信局２０との間の伝搬路特性の歪みと、送信局１０と盗聴局５０との間の伝搬路特性の歪みとの関係により、相関が大きくなる確率がごくわずかある。また、伝搬路特性の時間的変化が少ない場合にも、相関が大きくなる確率がごくわずかある。

従来のＭＣ−ＣＤＭＡの場合は、サブキャリアの数が拡散符号の拡散率（図５の場合、６）の倍数であった。図５の例では、拡散率６の２倍がサブキャリア数に一致する。周波数領域のみで拡散する場合、図５に示すように、拡散させるサブキャリアのパターンが常に同じとなるため、同じ周波数で同じような歪みが与えられ、連続するシンボルＲ（１）、Ｒ（２）、Ｒ（３）、…で相関が生じる。このため、逆拡散処理後の秘匿信号の信号点が重なってしまい、盗聴局５０でも自己相関の測定により秘匿信号の存在を検知することが可能となる。

これに対して、本実施の形態では、図６に示すように、サブキャリアの数が拡散符号の拡散率（図６の場合、５）の倍数と異なる。この場合、図６に示すように、拡散させるサブキャリアのパターンが異なるため、シンボル毎に加わる歪みが異なり、連続するシンボルＲ’（１）、Ｒ’（２）、Ｒ’（３）、…で相関がなくなる。すなわち、遅延歪みによる影響を拡散のチップごとに分散させる。ある程度の時間が経過した場合、拡散させるサブキャリアのパターンが同じものが現われるが、その間の時間経過により伝搬路特性も変わり、歪みの状況も変化するので、相関はなくなる。このため、逆拡散処理後の秘匿信号の信号点が分散し、盗聴局５０で自己相関の測定を行っても秘匿信号の存在を検知することが不可能となる。

図６の例では、説明を簡略化するためサブキャリアの数を１２としたが、サブキャリアの数はこれに限定されるものではなく、例えば、６４など他の値を設定することができる。サブキャリアの数が６４の場合には、拡散率の倍数が６４にならないように設定すればよく、例えば、３１、３３、３５などの値を用いることができる。

事前歪補償部１２３は、位相補償部１２３１、振幅補償部１２３２などを備える。位相補償部１２３１は、周波数の異なる各サブキャリアで構成される秘匿信号の各サブキャリアの周波数に対応する位相の変動量（伝搬路における歪）に応じて、拡散信号の位相を予め補償する処理を行う。例えば、位相補償部１２３１は、伝搬路における位相歪の逆位相を拡散信号に乗算する。また、振幅補償部１２３２は、周波数の異なる各サブキャリアで構成される秘匿信号の各サブキャリアの周波数に対応する振幅の変動量（伝搬路における歪）に応じて、拡散信号の振幅を予め補償する処理を行う。例えば、振幅補償部１２３２は、伝搬路特性により信号の振幅が小さくなる場合、拡散信号の電力を大きくする。これにより、送信局１０で送信する秘匿信号に対して、送信局１０と受信局２０との間の伝搬路特性による歪みを補償する事前歪みを予め与え、秘匿信号が受信局２０に到達した時点で伝搬路による歪みがない状態で取り出すことができる

ＩＦＦＴ１２４は、歪補償を行った拡散信号に対して逆高速フーリエ変換を施すことにより、周波数領域の拡散信号から時間領域の秘匿信号を生成する。上述の一連の処理により、秘匿情報は、周波数領域でサブキャリアにまたがって所定の拡散符号で拡散され、拡散符号のチップに応じて各サブキャリア周波数で変調され、別々のサブキャリアで送信される。これにより、秘匿信号の時間波形は、雑音と非常に近い波形となる。

ガードインターバル挿入部１２５は、逆高速フーリエ変換後の秘匿信号にガードインターバルを挿入する。この場合、１シンボル区間の秘匿信号の間に挿入する信号は、通常行われているように秘匿信号を巡回的に拡張して、その部分を挿入するのではなく、秘匿信号と全く関連性のないランダムなダミー信号を挿入する。ここで、ダミー信号は、各シンボルに挿入される場合、シンボル毎のガードインターバル内の信号がシンボルとは全く無関係な信号であるということである。これにより、秘匿信号の自己相関を抑制することが可能となり、盗聴局５０が秘匿信号の存在を検出することを一層困難にする。

図７はダミー信号によるガードインターバル挿入の一例を示す説明図である。図７に示すように、１シンボル区間の信号の先頭にガードインターバルΔＴを設け、ガードインターバル内の信号はダミー信号である。なお、Ｔｓは高速フーリエ変換対象の時間範囲を示す。直接波が遅延した遅延波が合成された合成波の１つ前のシンボル混在する範囲Ｔｄは、ガードインターバルΔＴ内にあり、Ｔｓの範囲で高速フーリエ変換することにより、元の拡散信号を取り出すことができる。

通常のガードインターバルを用いた場合、すなわち、１シンボル区間の信号を巡回的に拡張して、その部分を１シンボル区間の信号の先頭又は末尾にガードインターバルとして挿入した場合には、自己相関が発生し、盗聴局５０で受信した伝送信号からカバー信号を除去した信号の自己相関を求めることにより、秘匿信号の有無を検出することが可能となる。

図７の例のように、本実施の形態では、ガードインターバルにダミー信号を用いるため、自己相関を抑制することができる。これにより、盗聴局５０で受信した伝送信号からカバー信号を除去した信号の自己相関を求めた場合でも、秘匿信号の有無を検出することが不可能となる。

レベル調整部１２８は、ガードインターバル挿入部１２５でガードインターバルが挿入された秘匿信号の電力がカバー信号の電力よりも２０ｄＢ以下となるように秘匿信号の電力を設定する。これにより、秘匿信号をカバー信号に埋め込む際に、秘匿信号によるカバー信号の本質の劣化を抑制することができ、盗聴局５０でカバー信号の劣化によりカバー信号以外に何らかの信号を埋め込まれていると推定することを防止する。

ＯＦＤＭ変調部１２６は、シリアル・パラレル変換部１２６１、ＩＦＦＴ１２６２などを備える。シリアル・パラレル変換部１２６１は、非秘匿情報（カバーデータ）をシリアルデータからパラレルデータに変換し、変換したカバーデータを相互に直交するサブキャリア信号に割り当てる。

ＩＦＦＴ１２６２は、サブキャリア信号に対して逆高速フーリエ変換を施してＯＦＤＭ信号を生成する。生成されたＯＦＤＭ信号はカバー信号となる。なお、ＯＦＤＭ変調して生成したカバー信号の時間波形は、一般的に雑音に近似するため、カバー信号に埋め込まれた秘匿信号の秘匿性を一層高めることができる。

ガードインターバル挿入部１２７は、逆高速フーリエ変換後のカバー信号にガードインターバルを挿入する。この場合、シンボル間に挿入する信号は、１シンボル区間のカバー信号を巡回的に拡張した部分である。

送信処理部１２は、秘匿信号をカバー信号に埋め込み、伝送信号として送信する。

図８は受信局２０の構成を示すブロック図である。受信局２０は、受信した伝送信号から元の送信データを取り出すための処理を行う受信処理部２１、受信処理部２１で処理したデータに対して所定の処理を行うデータ処理部２２、伝搬路特性を測定するための測定用信号を生成する測定用信号生成部２３などを備える。

測定用信号生成部２３は、例えば、伝搬路の周波数特性が測定可能なＭＣ−ＣＤＭＡ（Multi Carrier Code Division Multiple Access）信号を生成する。なお、測定用信号は、これに限定されるものではない。

図９は受信処理部２１の構成の一例を示すブロック図である。受信処理部２１は、カバー信号除去部２１１、ガードインターバル除去部２１２、ＦＦＴ２１３、逆拡散部２１４、ＱＰＳＫ復調部２１５などを備えている。

カバー信号除去部２１１は、ＯＦＤＭ変調部１２６の変調方式に対応した復調方式の復調回路を備え、受信した伝送信号からカバー信号を復調し、復調したカバー信号を伝送信号から除去することによりカバー信号に埋め込まれている秘匿信号を抽出する。

ガードインターバル除去部２１２は、１シンボル区間の秘匿信号の間に挿入されたダミー信号を除去することにより、ガードインターバルを除去する。

ＦＦＴ２１３は、ガードインターバルが除去された秘匿信号に対して高速フーリエ変換を行って拡散信号を生成する。

逆拡散部２１４は、拡散信号に対して所定の逆拡散符号（拡散復調用の符号）をかけて各サブキャリアを復調し、周波数領域で拡散された電力を合計する。各サブキャリアの周波数で変調されたシンボルの一部は、逆拡散符号をかけることにより、元のシンボルとなる。

ＱＰＳＫ復調部２１５は、秘匿情報を復調して元の秘匿情報（秘匿データ）を復元する。正規の受信局２０では秘匿信号の送信時に行われた歪補償処理による歪と、伝搬路で生じる歪とが相殺される。このため、正規の受信局２０では、伝送信号からカバー信号を除去した信号が秘匿信号であると判別することができる。

一方、盗聴局５０では、カバー信号に埋め込まれている秘匿信号が雑音と区別することができないため、秘匿信号の存在を検出することができない。また、盗聴局５０で仮にカバー信号を推定することができてカバー信号を除去したとしても、盗聴局５０では、秘匿信号の送信時に行われた歪補償処理による歪と、伝搬路で生じる歪とが相殺されないため、カバー信号を除去した後の信号から秘匿情報を取り出すことはできない。

次に、計算機シミュレーションによる秘匿通信システム１００の評価結果について説明する。図１０はシミュレーションパラメータの一例を示す説明図である。図１０に示すように、カバー信号の変調方式は、ＱＰＳＫとＯＦＤＭであり、サブキャリア数は６４、パイロットシンボルはあり（シンボル数は、例えば、２など）、ガードインターバルはカバーデータの一部を用いる。また、秘匿信号の変調方式は、ＱＰＳＫとマルチキャリア拡散変調であり、サブキャリア数は６４、拡散符号の拡散率は３１、パイロットシンボルはなく、ガードインターバルはダミー信号を用いる。また、カバー信号電力対秘匿信号電力比は２０ｄＢ、伝搬路環境は、３パスモデル（独立レイリーフェージング、遅延時間は０．１μｓ、相対電力はそれぞれ、０ｄＢ、−６ｄＢ、−１２ｄＢであり、最大ドップラー周波数は１０Ｈｚである。なお、シンボル数は、カバー信号が６２、秘匿信号が１２８である。なお、数値は一例であって、これに限定されるものではない。また、シミュレーションにおいては、これらの数値をパラメータとして変化させることができる。

図１１は信号点の原点からの分散と拡散率との関係を示す説明図である。図１１において、横軸は拡散符号の拡散率を示し、縦軸は信号点の原点からの距離の分散を示す。図中、実線は秘匿信号の特性を示し、破線は平均ＳＮＲを秘匿信号と同じ２０ｄＢに設定した場合のランダム雑音の特性を示す。図１１に示すように、秘匿信号の拡散率を３１から３５の値に設定した場合、逆拡散後の信号点の分散が雑音に近い値となり、逆拡散後の信号点が適度に分散する。

図１２は秘匿信号の拡散率に対するＢＥＲ特性を示す説明図である。図１２において、横軸は秘匿信号の拡散率を示し、縦軸はＢＥＲ（Bit Error Ratio）を示す。なお、許容可能なＢＥＲは、例えば、１０^-3である。図１２に示すように、秘匿信号はカバー信号電力に対して、−２０ｄＢと微小な電力に設定されているため、秘匿信号の拡散率を低く設定するとＢＥＲ特性が悪化する。拡散率が大きくなるに応じてＢＥＲ特性が良好になることが分かる。また、拡散率が２５以上では、ＢＥＲが１０^-7以下となり、この範囲では拡散率の影響はない。

図６、図１１及び図１２の例から、例えば、サブキャリア数が６４の場合、秘匿信号の拡散率は、３１、３３、３５などの値を用いることができる。

図１３はガードインターバルによる秘匿信号の自己相関の例を示す説明図である。図１３（ａ）は通常のガードインターバル、すなわち、秘匿データ（シンボル）の一部を用いたガードインターバルの場合を示し、図１３（ｂ）はダミー信号を用いたガードインターバルの場合を示す。自己相関は、秘匿信号を任意の時間だけ離れた信号間の相関であり、図１３の例では、シンボル周期分（例えば、４μｓ）移動させたときの相関値を示す。

図１３（ａ）に示すように、通常のガードインターバルを用いた場合には、自己相関が発生する。このため、盗聴局５０でカバー信号を除去した信号の自己相関を求めることにより、秘匿信号の存在を検出することが可能となる。一方、図１３（ｂ）に示すように、ダミー信号を用いたガードインターバルの場合には、自己相関を抑制することができる。このため、盗聴局５０で自己相関を求めるだけでは、秘匿信号の存在を検出することは不可能となる。

図１４はガードインターバルを挿入した秘匿信号のＢＥＲ特性を示す説明図である。図１４において、横軸はカバー信号電力対雑音電力比ＳＮＲを示し、縦軸はＢＥＲを示す。図中、実線はダミー信号を用いたガードインターバルの場合の特性を示し、破線は通常のガードインターバルの場合の特性を示す。図１４に示すように、ＳＮＲが高い範囲では、ダミー信号を用いたガードインターバルの場合が、通常のガードインターバルの場合よりもＢＥＲ特性が若干劣化している。しかし、誤り訂正符号などを用いることにより、ＢＥＲ特性の劣化は抑制することができるので、ダミー信号を用いたガードインターバルを秘匿信号に挿入しても問題はない。

図１５は秘匿信号の振幅確率密度の例を示す説明図である。図１５において、横軸は振幅を示し、縦軸はＰＤＦ（振幅確率密度関数）を示す。図１５に示すように、秘匿信号の振幅確率密度がガウス分布に従う分布（近似する分布）であり、振幅には偏りが少なく雑音に近似する特性を示すことが分かる。これにより、秘匿信号に雑音を付加する処理を行うことなく、秘匿信号を雑音に近似させることができる。

図１６は秘匿信号の逆拡散処理後の信号点配置の例を示す説明図である。図１６（ａ）は正規の受信局２０の場合を示し、図１６（ｂ）は盗聴局５０の場合を示す。図１６に示すように、正規の受信局２０では、ＱＰＳＫ変調された信号が検出可能であるが、盗聴局５０では、信号点配置が雑音のように特に定まった配置となっていないため、秘匿信号の存在を検出することは不可能となる。

図１７は秘匿情報及びカバーデータのＢＥＲ特性の例を示す説明図である。図１７において、横軸はカバー信号電力対雑音電力比ＳＮＲを示し、縦軸はＢＥＲを示す。図１７の例において、カバー信号電力対秘匿信号電力比は２０ｄＢとする。図１７に示すように、ＳＮＲが約２２ｄＢ以上で、正規局（正規の受信局２０）での秘匿情報（秘匿データ）のＢＥＲは、１０^-3以下となりＢＥＲ特性が良好になっている。これにより、正規の受信局２０では、正しく秘匿情報を受信することができる。

一方、盗聴局５０では、ＳＮＲの値にかかわらず、秘匿情報のＢＥＲは、５×１０^-1程度となり、ＢＥＲの許容レベルを１０^-3以下とすれば、盗聴局５０では秘匿情報を正しく受信することができず、盗聴局５０に対する秘匿情報の秘密性が確保されている。

また、カバーデータのＢＥＲ特性では、秘匿情報を含むか否かによって、ＢＥＲ特性に大きな差異はない。このことから、秘匿信号をカバー信号に埋め込む場合に、カバー信号の品質の劣化は、秘匿情報の有無にかかわらず同程度であることがわかり、秘匿信号の埋め込みによるカバー信号の品質の劣化を抑制することができる。これにより、盗聴局５０では、カバー信号の品質の劣化を検出して秘匿信号の存在を検知することは不可能である。

以上説明したように、本実施の形態によれば、無線通信における通常の伝送信号にカバー信号の役割を与え、この伝送信号に秘匿信号を微小電力で多重して埋め込むことにより、秘匿信号の存在を秘匿することができる。また、秘匿信号を雑音と区別できないように処理を施すことにより、信号の秘匿性をさらに高めることができる。また、秘匿信号に雑音を付加する必要がないため、雑音付加による秘匿信号の特性劣化を防止することができる。また、正規の送信局と受信局との間の伝搬路特性の可逆性及び遅延歪みを利用した歪補償を予め秘匿信号に対して施すことにより、盗聴局が秘匿信号に含まれる秘匿情報を抽出することができないようにすることができ、盗聴に対する安全な通信の実現を図ることができる。

上述の実施の形態では、送信局には送信処理機能を備え、受信局には受信処理機能を備えた構成について説明したが、このような構成に限定されるものではなく、１つの無線装置に送信局と受信局の両者の処理機能を備える構成であってもよい。

Claims

秘匿情報に対して所定の処理を行って秘匿信号を生成し、生成した秘匿信号を伝送信号に含めて秘匿通信を行う無線装置であって、
秘匿情報に対して所定の拡散符号により複数の異なる周波数のサブキャリア毎の拡散処理を行う拡散処理手段と、
他の無線装置が送信した所定の測定用信号を受信する受信手段と、
該受信手段で受信した測定用信号に基づいて、前記他の無線装置との間の伝搬路特性による各サブキャリアの歪度合いを測定する測定手段と、
該測定手段で測定した歪度合いに応じて、前記拡散処理手段で拡散処理した拡散信号に対して各サブキャリアの周波数に対応する歪補償を予め施す歪補償手段と、
該歪補償手段で歪補償した拡散信号に対して逆フーリエ変換を施して秘匿信号を生成する秘匿信号生成手段と
を備え、
前記拡散処理手段は、
前記秘匿信号をフーリエ変換して得られる拡散信号と逆拡散処理で用いる逆拡散符号との相関を低減すべく、拡散符号の拡散率の倍数が前記サブキャリアの数と異なる値の拡散符号を用いて拡散処理を行うようにしてあることを特徴とする無線装置。
所定の重畳信号を生成する重畳信号生成手段と、
前記秘匿信号生成手段で生成した秘匿信号に前記重畳信号生成手段で生成した重畳信号を付加する付加手段と、
該付加手段で前記秘匿信号に付加した重畳信号を伝送信号として前記他の無線装置へ送信する送信手段と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の無線装置。
秘匿情報でない情報に対して直交周波数分割多重による変調処理を行う変調処理手段を備え、
前記重畳信号生成手段は、
前記変調処理手段で変調した変調信号を重畳信号として生成するように構成してあることを特徴とする請求項２に記載の無線装置。
重畳信号電力対秘匿信号電力比を２０ｄＢ以下に設定する設定手段を備えることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の無線装置。
前記秘匿信号生成手段で生成した秘匿信号と異なるランダムな信号をガードインターバルとして挿入する挿入手段を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の無線装置。
前記秘匿信号生成手段は、
信号振幅確率密度がガウス分布に近似すべく秘匿信号を生成するように構成してあることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の無線装置。
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の無線装置を複数備え、一の無線装置が送信した秘匿情報を他の無線装置で受信するように構成してあることを特徴とする無線システム。
無線装置間で秘匿情報に対して所定の処理を行って秘匿信号を生成し、生成した秘匿信号を伝送信号に含めて秘匿通信を行う秘匿通信方法であって、
第１の無線装置は、
秘匿情報に対して所定の拡散符号により複数の異なる周波数のサブキャリア毎の拡散処理を行うステップと、
第２の無線装置が送信した所定の測定用信号を受信するステップと、
受信した測定用信号に基づいて、前記第２の無線装置との間の伝搬路特性による各サブキャリアの歪度合いを測定するステップと、
測定した歪度合いに応じて、拡散処理した拡散信号に対して各サブキャリアの周波数に対応する歪補償を予め施すステップと、
歪補償した拡散信号に対して逆フーリエ変換を施して秘匿信号を生成するステップと
を含み、
前記拡散処理を行うステップは、さらに
前記秘匿信号をフーリエ変換して得られる拡散信号と逆拡散処理で用いる逆拡散符号との相関を低減すべく、拡散符号の拡散率の倍数が前記サブキャリアの数と異なる値の拡散符号を用いて拡散処理を行うことを特徴とする秘匿通信方法。