JP5351079B2 - 受信装置 - Google Patents

Description

本発明は受信装置に係り、特に、光通信量子暗号通信のような光多値変調を用いた通信に好適な受信装置における閾値位相の制御に関する。

光通信量子暗号は、光の量子ゆらぎ（量子ショット雑音）を変調によって拡散させ、盗聴者が光信号を正確に受信できなくすることにより、無限の計算能力でも解読不能な共通鍵量子暗号が開発されている。この共通鍵量子暗号は、２値の送信データを搬送する２値の光信号を１つのセット（基底という）とし、この基底をＭ個用意し、どの基底を使ってデータを送るかは暗号鍵に従う擬似乱数によって不規則に決めるようにしたことにより、現実的には多値光信号は量子ゆらぎによって識別ができないほど信号間距離が小さく設計されているため、結局、盗聴者は全く受信信号からデータ情報を読みとることができない。

正規送受信者の光変復調装置は、２値のＭ個の基底を共通の擬似乱数にしたがって切り換えて通信するため、正規受信者は信号間距離の大きな２値の信号判定によってデータを読みとることができ、結局、量子ゆらぎによるエラーは無視でき、正確な通信が可能となる。

光通信量子暗号は、Ｙｕｅｎ−２０００暗号通信プロトコル（Ｙ−００プロトコルと略称される）によるＹｕｅｎ量子暗号と呼ばれ、現在このＹ−００プロトコルを具現化する通信方式としては、Ｐ．ＫｕｍａｒやＨ．ＹｕｅｎらのＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ大学が非特許文献１により光位相変調方式を発表し、また玉川大学グループが非特許文献２により光強度変調方式を発表している。
このＹｕｅｎ量子暗号は、通信システム自体が量子性の弱い従来の光通信で構成されているが、鍵を知らない盗聴者は量子ゆらぎによって情報が得られない工夫がなされていることに基づく安全性を提供する暗号である。

Ｇ．Ａ．Ｂａｒｂｏｓａ， Ｅ．Ｃｏｒｎｄｏｒｆ， Ｐ．Ｋｕｍａｒ， Ｈ．Ｐ．Ｙｕｅｎ， "Ｓｅｃｕｒｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｔａｔｅ，" Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． ｖｏｌ−９０， ２２７９０１， （２００３） Ｏ．Ｈｉｒｏｔａ， Ｋ．Ｋａｔｏ， Ｍ．Ｓｏｈｍａ， Ｔ．Ｕｓｕｄａ， Ｋ．Ｈａｒａｓａｗａ， "Ｑｕａｎｔｕｍ ｓｔｒｅａｍ ｃｉｐｈｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ" ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃ． ｏｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｍａｇｉｎｇ ｖｏｌ−５５５１，（２００４）

光強度変調方式によるＹ−００量子暗号通信は、送信装置で、送信データに対して、共通鍵（共有鍵ともいう）を用いて生成したＲｕｎｎｉｎｇ鍵の値に基づいて多値光信号を発生して通過路に伝送する。受信装置では、光多値信号をフォトダイオードで受信して光電変換し、送信時と同一のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて閾値生成部で受信閾値を制御し、その閾値を用いて受信データを識別する。

受信装置において、受信した暗号信号（多値信号：ビット毎に基底信号レベルが変化する）に含まれる基底信号の識別を行うために、図２に示すように、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に基づいて、送信基底の選択及び受信閾値の選択を信号ビット毎に行い、ダイナミックに閾値レベルを変化させる。この受信閾値の選択制御により、図３に示すように、受信信号３０１に対して、閾値信号３０２（破線）は一定の識別マージンを保つように遷移する。そして、受信信号３０１と閾値信号３０２のレベルを比較することで受信データを復号する。

然しながら、受信装置において、受信信号を処理するロジック処理部や閾値生成部が持つ温度特性や部品の個体差等に因り、生成される閾値信号の位相が変化することがある。その結果、図４に示すように、閾値信号３０２´の位相がＦだけ変動し、受信信号の識別において随所で不定状態や識別マージンの不足が発生する。その結果、受信信号を正確に識別できなくなり、通信エラー（ハッチング部の識別信号３０３´）を引き起こす要因となる。

本発明の目的は、光通信量子暗号通信を行う受信装置において、閾値を変動制御する閾値生成部や他の論理部の温度特性や遅延量変化等による位相誤差を補正し、受信データの誤検出を防止することにある。

本発明は、好ましくは、Ｙｕｅｎ量子暗号通信による多値信号を受信する受信装置であって、送信側と同一のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて閾値信号を可変制御する閾値生成部と、該閾値生成部によって生成された閾値信号を用いて、多値信号から成る受信信号を識別する識別部と、受信装置内部で生成される再生クロックと該閾値生成部から出力される監視クロックの位相のずれを補正するように、出力クロックの位相を制御する位相制御部を有し、該閾値生成部は、該位相制御部からの出力クロックを基に、該再生クロックと該閾値信号の位相を一致するように制御することを特徴とする受信装置として構成される。

好ましい例において、前記位相制御部は、該再生クロックと該位相制御部から出力されてフィードバックされた出力クロックの位相を比較して位相ずれを検出する位相比較器と、該位相比較器の比較結果に従って、該再生クロックと監視クロックの位相が一致するように、該出力クロックの位相を制御する電圧制御クロック発信器を有するＰＬＬ回路で構成される。
また、好ましくは、前記識別器からの識別信号に同期したクロックを生成するＣＤＲを有し、該ＣＤＲで生成される該クロックを、前記再生クロックとして使用する。

本発明によれば、光通信量子暗号通信を行う受信装置において、閾値を変動制御する閾値生成部や他の論理部の温度特性や遅延量変化等による位相誤差を補正し、受信データの誤検出を防止できる。これにより光通信量子暗号通信の信頼性を向上することが可能である。

Ｙｕｅｎ量子暗号を用いた通信システムの一般的な構成を示す図。 Ｙｕｅｎ量子暗号通信における信号基底、受信閾値の配置を示す図。 Ｙｕｅｎ量子暗号通信における受信信号と閾値信号の遷移、識別信号を示す図。 Ｙｕｅｎ量子暗号通信において閾値位相が変動した場合の識別信号の検出を示す図。 本発明の実施形態による受信装置の構成ブロックを示す図。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態について説明する。
まず、図１を参照して、光強度変調方式によるＹｕｅｎ量子暗号の通信システムの一般的な構成について説明する。
この通信システムは、送信装置１０と受信装置１４が光ファイバーのような通信路１２で接続して構成される。送信装置１０は、共有鍵１０１を用いて送信用のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を発生するＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１０２と、送信データとＲｕｎｎｉｎｇ鍵から多値光信号を生成発生する多値光信号生成部１０３を有する。

受信装置１４は、通過路１２を通して伝送された光信号をフォトダイオードで受信して光電変換するＯ／Ｅ変換部１４５と、共有鍵１４１を用いて受信用Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵（送信用のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を同期が取られた同一のＲｕｎｎｉｎｇ鍵）を生成するＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１４２と、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１４２で生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて多値信号判定用の受信閾値を生成する閾値生成部１４６と、Ｏ／Ｅ変換部１４５で受信した光信号に対して、閾値生成部１４６で生成された閾値を用いて１と０との判定（弁別）を行って受信データを出力する識別器１４７を有する。

図５は、本発明の実施形態による受信装置の構成ブロックを示す。
識別器１４７は、Ｙ−００伝送プロトコルを使用した送信装置より送信された多値信号である受信信号を受信して、二値のディジタル信号へ変換する。即ち、受信信号と閾値生成部１４６で生成された閾値信号との差分を比較し、HighもしくはLowで示す二値信号へと変換する。この識別器１４７は、伝送レートにて動作するコンパレータや差動識別器を用いて実現できる。

ＣＤＲ（クロックデータリカバリー）５０２は、識別器１４７からの識別信号に同期した再生クロックを生成する機能を有する。ＣＤＲ５０２は通信用に市販されているデバイスを用いて実現できる。

ロジック処理部５０３は、識別信号の論理処理を行う論理回路部分であり、伝送信号の受信や、Ｙ−００の暗号通信にて付加的に行われる論理的なランダマイゼーションを解除する機能を有する。共有鍵１４１は、Ｙ−００暗号通信で使用される共有鍵を格納する記憶部であり、一般的なメモリに共有鍵のビット列を格納しておくことにより、或いはハードウェア的に固有の共有鍵を設定しておくことにより実現できる。
Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１４２は、共有鍵１４１の共有鍵を基に暗号実行鍵を生成する機能を有する。Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１４２は、擬似乱数生成器など固有長のビット列から複雑性を持つ長いビット列を生成する。この鍵生成部１４２をハードウェアで構成する場合には、ＬＦＳＲ（リニアシフトフィードバックレジスタ）等を用いて実現できる。

閾値生成部１４６は、識別器１４７で多値信号を識別するための閾値信号を生成する機能を有し、例えば、受信信号のレートに対応するＤＡコンバータを用いて実現可能である。Ｙ−００暗号通信では、送信側と受信側で同じＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部、共有鍵を持つことで、暗号化された信号に対応する閾値信号を生成することが可能である。

ＰＬＬ回路５１は、位相比較器５１２、フィルタ５１３、電圧制御クロック発信器（ＶＣＸＯ）５１４を備え、ＣＤＲ５０２の再生クロックと閾値生成部１４６の出力クロックの位相の変化を検出して、その位相ずれを補正するように、ＰＬＬの出力クロックの位相を制御する。即ち、位相比較器５１２は、入力される基準クロック（再生クロック）と、ＰＬＬ出力クロックからフィードバックされるクロック（監視クロック）の位相比較して位相ずれを検出し、基準クロックと監視クロックの位相が一致するように、フィルタ５１３を通してＶＣＸＯ５１４の出力クロックの位相を制御する。

ＰＬＬ出力クロックは、閾値生成部１４６に入力され、その内部のクロック処理系を通って、識別器１４７への閾値信号と同期した監視クロックをＰＬＬ回路５１へ戻す。このＰＬＬ回路５１の制御により、ＣＤＲ５０２により再生された再生クロックと、閾値生成部１４６で生成される閾値信号は位相が一致するように制御され、その結果として受信信号と閾値信号の位相が一致する。

この構成により、受信装置で生成される閾値信号の位相を、受信信号に正確に一致させることができる。その結果、図４の閾値信号３０２´の位相ずれが防止でき、識別信号３０３´のハッチング部が除かれた信号を得ることが出来る。そのため、受信信号の復号時（識別時）の識別誤りを回避することができ、識別位相マージンの劣化を防ぐことが可能となる。

１０：送信装置 １０１：共有鍵 １０２：Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部 １０３：多値光信号生成部 １２：通信路
１４：受信装置 １４５：Ｏ／Ｅ変換部 １４１：共有鍵 １４２：Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部 １４６：閾値生成部 １４７：識別器
５０１：識別器 ５０２：ＣＤＲ（クロックデータリカバリー） ５０３：ロジック処理部 ５１：ＰＬＬ回路 ５１２：位相比較器 ５１３：フィルタ ５１４：電圧制御クロック発振器。

Claims (3)

1. Ｙｕｅｎ量子暗号通信による多値信号を受信する受信装置であって、
   送信側と同一のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて閾値信号を可変制御する閾値生成部と、該閾値生成部によって生成された閾値信号を用いて、多値信号から成る受信信号を識別する識別部と、受信装置内部で生成される再生クロックと該閾値生成部から出力される監視クロックの位相のずれを補正するように、出力クロックの位相を制御する位相制御部を有し、
   該閾値生成部は、該位相制御部からの出力クロックを基に、該再生クロックと該閾値信号の位相を一致するように制御することを特徴とする受信装置。
2. 前記位相制御部は、該再生クロックと該位相制御部から出力されてフィードバックされた出力クロックの位相を比較して位相ずれを検出する位相比較器と、該位相比較器の比較結果に従って、該再生クロックと監視クロックの位相が一致するように、該出力クロックの位相を制御する電圧制御クロック発信器を有するＰＬＬ回路で構成されることを特徴とする請求項１に記載の受信装置。
3. 前記識別器からの識別信号に同期したクロックを生成するＣＤＲを有し、該ＣＤＲで生成される該クロックを、前記再生クロックとして使用することを特徴とする請求項１又は２に記載の受信装置。

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