JP5710521B2 - High security communication system and transmitter and receiver used therefor - Google Patents

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Description

本発明は、高セキュリティ通信システム、並びにそれに用いる送信機及び受信機に係り、特に光通信において安全性を向上させた通信システム、並びにそれに用いる送信機及び受信機に関する。   The present invention relates to a high security communication system, and a transmitter and a receiver used therefor, and more particularly, to a communication system improved in safety in optical communication, and a transmitter and a receiver used therefor.

ネットワークにより世界中が結ばれた現在、通信における安全性(秘匿性)は通信システムに要求される重要仕様のひとつである。この重要性に基づき、量子暗号の研究が活発に進められてきた(例えば、非特許文献1を参照)。量子暗号は物理法則的に安全性を保証するもので安全性の観点からは最強のものと考えられているが、微視的世界を支配する量子力学にその理論的根拠を置いているために、現実的環境下で運用するには制限事項が多く、通常の光通信システムに導入することは難しい。   Now that the world is connected by a network, safety (confidentiality) in communication is one of the important specifications required for communication systems. Based on this importance, research on quantum cryptography has been actively carried out (see, for example, Non-Patent Document 1). Quantum cryptography guarantees security in terms of physical laws and is considered the strongest from the viewpoint of security, but because its theoretical basis is based on quantum mechanics that dominates the microscopic world However, there are many restrictions for operation in a realistic environment, and it is difficult to introduce it into a normal optical communication system.

そこで、その問題点を解消するものとして、安全性と利便性のバランスした「位相揺らぎを利用した安全な光通信法」が考案された(例えば、非特許文献2を参照)。この方式は位相揺らぎの大きいキャリア光を利用するのが特徴で、大きい位相揺らぎのために不正受信者による盗聴があったとしても十分には情報が漏れない。正規受信者は送信者との間で予め共通鍵を共有しているものとし、これにより正規受信者はノイズの多い信号の中から正しい信号を抜き出すことができる。   In order to solve this problem, a “safe optical communication method using phase fluctuation” that balances safety and convenience has been devised (see, for example, Non-Patent Document 2). This method is characterized by the use of carrier light having a large phase fluctuation, and even if there is an eavesdropping by an unauthorized receiver due to the large phase fluctuation, information is not leaked sufficiently. It is assumed that the legitimate receiver shares a common key with the sender in advance, so that the legitimate receiver can extract a correct signal from a noisy signal.

正規受信者は共通鍵を利用して不正受信者よりも有利な状況を形成できるが、大きい揺らぎが導入されていることもあり正規受信者においても受信信号にビット誤りがある。そのため、信号に加えてパリティ検査記号を送受信し、受信機において誤り訂正を行う。パリティ検査記号は信号列の並びに付け加えて伝送することも可能であるし、信号列とは別に通常の伝送路を利用して伝送することも可能である(例えば、特許文献1を参照)。   An authorized receiver can form a more advantageous situation than an unauthorized recipient by using a common key, but there is a bit error in the received signal even in the authorized receiver because a large fluctuation is introduced. Therefore, a parity check symbol is transmitted and received in addition to the signal, and error correction is performed at the receiver. Parity check symbols can be transmitted in addition to the signal sequence, or can be transmitted using a normal transmission path separately from the signal sequence (see, for example, Patent Document 1).

「位相揺らぎを利用した安全な光通信法」は共通鍵と揺らぎの相乗効果を利用する。但し、前述のように揺らぎを利用しているために誤り訂正が必須の重要技術であり、従ってパリティ検査記号の利用法、言い換えれば符号化復号化は本通信法において重要技術との位置付けになる。   "Safe optical communication method using phase fluctuation" uses the synergistic effect of common key and fluctuation. However, since the fluctuation is used as described above, error correction is an indispensable important technique. Therefore, the use of the parity check symbol, in other words, encoding / decoding is positioned as an important technique in this communication method. .

WO2010/103677号公報WO2010 / 103677 gazette

N. Gisin,G. Ribordy,W. Tittel and H. Zbinden,Rev. Mod. Phys. 74,145−195 (2002)N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel and H. Zbinden, Rev. Mod. Phys. 74, 145-195 (2002) T. Tomaru,Jpn. J. Appl. Phys. 74,074401 (2010)T. Tomaru, Jpn. J. Appl. Phys. 74, 074401 (2010)

上述のように位相揺らぎを利用した安全な光通信法ではビット誤り訂正のためにパリティ検査記号を送受信する。信号列の送受信では大きい揺らぎを伴うキャリア光を利用するために、パリティ検査記号を信号列の並びに付け加えて送受信する場合にはパリティ検査記号にもビット誤りが生じる可能性が高くなる。この場合、受信機における誤り訂正の処理が複雑になる。   As described above, in a secure optical communication method using phase fluctuation, parity check symbols are transmitted and received for bit error correction. Since transmission / reception of signal sequences uses carrier light with large fluctuations, when transmitting / receiving parity check symbols in addition to the sequence of signals, there is a high possibility that a bit error will also occur in the parity check symbols. In this case, the error correction process in the receiver becomes complicated.

一方、パリティ検査記号を信号列とは切り離して通常の伝送路で送受信する場合には誤りなく確実に送受信できるが、不正受信者にも確実にパリティ検査記号の情報が知られる可能性があり、通信の安全性を向上させる観点からは好ましくない。理想的には、パリティ検査記号が正確に送受信され、また不正受信者に正確な情報が漏れないことが望まれる。   On the other hand, when the parity check symbol is separated from the signal sequence and transmitted / received through a normal transmission path, it can be transmitted / received without error, but there is a possibility that information of the parity check symbol is surely known even to an unauthorized receiver This is not preferable from the viewpoint of improving communication safety. Ideally, it is desirable that the parity check symbols are transmitted and received accurately and that accurate information is not leaked to unauthorized recipients.

そこで、本発明の目的は、信号処理の容易さと通信の安全性を両立することが可能な光通信法を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical communication method capable of achieving both signal processing ease and communication safety.

本発明の送信機、受信機およびそれらを用いた通信システムにおける技術的特徴は以下の通りである。   The technical features of the transmitter and receiver of the present invention and the communication system using them are as follows.

送受信者間で共有される共通鍵を利用して信号値とは独立にパリティ検査記号を決定し、パリティ検査記号の情報が不正受信者に漏れることを防止する。その際、信号値に無関係にパリティ検査記号を決定するため、信号列のパリティに整合するように調整用のビットを信号列に加え、信号列のパリティとパリティ検査記号が一致するようにする。   A parity check symbol is determined independently of the signal value using a common key shared between the sender and the receiver, and information on the parity check symbol is prevented from leaking to an unauthorized receiver. At this time, in order to determine the parity check symbol regardless of the signal value, an adjustment bit is added to the signal sequence so as to match the parity of the signal sequence so that the parity of the signal sequence matches the parity check symbol.

パリティ検査記号が共通鍵を利用して決定されるため、パリティ検査記号を安全で且つ確実に送受信者間で共有できる。これにより、信号処理の容易さと通信の安全性を両立することが可能になる。   Since the parity check symbol is determined using the common key, the parity check symbol can be shared between the sender and the receiver safely and reliably. This makes it possible to achieve both signal processing ease and communication safety.

本発明による高セキュリティ通信システムの概略を示したブロック図。The block diagram which showed the outline of the high security communication system by this invention. 高セキュリティ通信を行うためのプロトコルの概略を示したブロック図。The block diagram which showed the outline of the protocol for performing high security communication. 直交座標(位相空間)上に示した信号状態を示す図。The figure which shows the signal state shown on the orthogonal coordinate (phase space). 本発明による高セキュリティ通信システムに基づく信号処理の一例を示す図。The figure which shows an example of the signal processing based on the high security communication system by this invention. 本発明による高セキュリティ通信システムを実現するための構成例を示す図。The figure which shows the structural example for implement | achieving the high security communication system by this invention. 本発明による高セキュリティ通信システムに基づく信号処理の一例を示す図。The figure which shows an example of the signal processing based on the high security communication system by this invention. 本発明による高セキュリティ通信システムに基づく信号処理の一例を示す図。The figure which shows an example of the signal processing based on the high security communication system by this invention. 本発明による高セキュリティ通信システムに基づく信号処理の一例を示す図。The figure which shows an example of the signal processing based on the high security communication system by this invention. 本発明による高セキュリティ通信システムに基づく信号処理の一例を示す図。The figure which shows an example of the signal processing based on the high security communication system by this invention. 本発明による高セキュリティ通信システムに基づく信号処理の一例を示す図。The figure which shows an example of the signal processing based on the high security communication system by this invention.

以下に、図面を用いて実施例を詳述する。   Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings.

本発明の基本形態を図1に示す。送信機100から伝送路200を介して受信機300へ信号源110で発生された信号が伝送される。一般に伝送路中においてビット誤りが生じるため、誤り訂正用の付加ビットが必要である。この付加ビットをパリティ検査記号と呼ぶ。本発明では、送信機100内の共通鍵120と受信機300内の共通鍵320を予め送受信者間での共通鍵として共有し、その共通鍵を利用してパリティ検査記号を生成する。その際、パリティ検査記号に共通鍵をそのまま利用することが可能である。またその共通鍵を元に疑似乱数を発生させ、それをパリティ検査記号とすることも可能である。   A basic form of the present invention is shown in FIG. The signal generated by the signal source 110 is transmitted from the transmitter 100 to the receiver 300 via the transmission path 200. In general, since a bit error occurs in the transmission path, an additional bit for error correction is necessary. This additional bit is called a parity check symbol. In the present invention, the common key 120 in the transmitter 100 and the common key 320 in the receiver 300 are shared in advance as a common key between the sender and the receiver, and a parity check symbol is generated using the common key. At that time, it is possible to use the common key as it is for the parity check symbol. It is also possible to generate a pseudo-random number based on the common key and use it as a parity check symbol.

パリティ検査記号は、送信機100内では共通鍵120を利用してパリティ検査記号生成部125で生成する。受信機300内では共通鍵120と同一である共通鍵320を利用してパリティ検査記号生成部325においてパリティ検査記号を生成する。パリティ検査記号は信号のビット誤りを訂正するための付加ビットなので、パリティ検査記号は本来信号を元に生成されるべきものであるが、本発明ではパリティ検査記号を信号源110で発生された信号とは独立に決定する。   The parity check symbol is generated by the parity check symbol generator 125 using the common key 120 in the transmitter 100. In the receiver 300, the parity check symbol generator 325 generates a parity check symbol using the common key 320 that is the same as the common key 120. Since the parity check symbol is an additional bit for correcting a bit error of the signal, the parity check symbol should originally be generated based on the signal. However, in the present invention, the parity check symbol is generated by the signal source 110. Determined independently of

そのために、信号とパリティ検査記号とを関係づける調整ビットを信号列に追加する。図1の挿入図にその初歩的な一例を符号例1として示す。ここでは5ビットの信号に対して1ビットの調整ビットを加えた場合を示す。図中では信号源110からの信号列の最初の5ビットが“11010”の場合を示す。本符号列1の信号の下段には、共通鍵120を利用して生成されたパリティ検査記号の値を示す。この例では“0”である。   For this purpose, adjustment bits relating the signal and the parity check symbol are added to the signal sequence. An introductory example is shown as Code Example 1 in the inset of FIG. Here, a case where a 1-bit adjustment bit is added to a 5-bit signal is shown. In the figure, the case where the first 5 bits of the signal sequence from the signal source 110 is “11010” is shown. The lower part of the signal of this code string 1 shows the value of the parity check symbol generated using the common key 120. In this example, it is “0”.

なお、対象とする信号列のパリティはその信号列に現れる“1”の個数で決まる。“1”の個数が偶数ならばパリティ“0”であり、奇数ならばパリティ“1”である。   Note that the parity of the target signal sequence is determined by the number of “1” appearing in the signal sequence. If the number of “1” is an even number, the parity is “0”, and if it is an odd number, the parity is “1”.

図中の例では、信号列の最初の5ビットは“1”が3個で奇数となるのでパリティは“1”になる。しかし、共通鍵で決まるパリティ検査記号の最初の値は“0”なので、両者のパリティが一致しない。   In the example in the figure, since the first 5 bits of the signal sequence have three “1” s and become odd numbers, the parity is “1”. However, since the first value of the parity check symbol determined by the common key is “0”, the parity of both does not match.

そこで、信号列の6ビット目に調整用のビット“1”を加えることにする。この6ビット目を含めて一群の信号列とすれば“1”の個数が偶数となってパリティは“0”となり、共通鍵を元に決めたパリティ検査記号に一致する。最初の信号“11010”の次の信号“01010”に対しても同様な操作を繰り返す。さらに同様な操作を信号列5ビットごとに実施する。   Therefore, an adjustment bit “1” is added to the sixth bit of the signal string. If a group of signal strings including the sixth bit is used, the number of “1” s is an even number and the parity is “0”, which matches the parity check symbol determined based on the common key. The same operation is repeated for the next signal “01010” after the first signal “11010”. Further, the same operation is performed every 5 bits of the signal train.

以上の処理の後、信号を送信機から伝送路200を通して受信機300に伝送する。伝送手段としては電気信号や光信号等、いずれの手段でもよい。また、有線でも無線でもよい。   After the above processing, the signal is transmitted from the transmitter to the receiver 300 through the transmission path 200. Any means such as an electric signal or an optical signal may be used as the transmission means. Also, it may be wired or wireless.

受信機300では検出器310により受信し、その後、パリティ算出部において6ビットごとにパリティを計算する。受信機300内には送信機100内と同じ共通鍵320が予め用意されており、この共通鍵を元に送信機100内と同じ処理を通してパリティ検査記号がパリティ検査記号生成部325で生成される。このパリティ検査記号は先ほど計算したパリティと比較され、伝送中にビット誤りがあったかどうかが判定される。両パリティが一致しない場合は、対象の6ビット中のいずれかがビット誤りを起こしていることになる。   In the receiver 300, the signal is received by the detector 310, and then the parity is calculated every 6 bits in the parity calculation unit. The same common key 320 as that in the transmitter 100 is prepared in advance in the receiver 300, and a parity check symbol is generated by the parity check symbol generation unit 325 through the same processing as in the transmitter 100 based on this common key. . This parity check symbol is compared with the previously calculated parity to determine whether there was a bit error during transmission. If the two parities do not match, one of the 6 bits of interest has a bit error.

以上のパリティ検査記号の利用法(符号化法)ではビット誤りが生じたところまでは検出できるが訂正まではできない。誤り訂正を可能にするためにはパリティ検査記号をさらに増やす必要がある。その一例を図1の別の挿入図に符号例2として示す。   The above parity check symbol utilization method (encoding method) can detect up to a bit error but cannot correct it. In order to enable error correction, it is necessary to further increase the parity check symbols. One example is shown as Code Example 2 in another inset of FIG.

信号列を行列に並べ、各行各列に対してパリティ検査記号を割り付けて調整用のビットを加える。これは水平垂直符号と呼ばれる符号化を変形したものである。このように符号化しておけば、各行列内の一か所にビット誤りがあった場合に、行パリティと列パリティのそれぞれひとつにビット誤りが生じることになり、誤りビットが特定できて訂正可能になる。この誤り訂正を通して受信機おいて信号が再生される。   The signal sequence is arranged in a matrix, a parity check symbol is assigned to each column in each row, and adjustment bits are added. This is a modification of encoding called horizontal / vertical code. If coded in this way, if there is a bit error in one place in each matrix, a bit error will occur in each of the row parity and column parity, and the error bit can be identified and corrected. become. Through this error correction, the signal is reproduced at the receiver.

以上のパリティ検査符号の利用法(符号化法)は比較的初歩的な利用法であり、各種符号化法を同様に変形すれば本発明に適用可能である。   The use method (encoding method) of the above parity check code is a relatively rudimentary use method, and can be applied to the present invention if various encoding methods are similarly modified.

実施例1では本発明に関する最も初歩的な利用形態について述べた。しかし、パリティ検査記号に関する本発明は様々な利用形態があり、特に「揺らぎを利用した安全な通信法」において本発明の効果が発揮される。そこで、以下では主として光通信を具体例に挙げて実施例を述べる。また、揺らぎとしてキャリア光の位相揺らぎを取り上げることにする。もちろん、本発明は強度揺らぎに対しても適用可能であると共に、光通信に限らず電気信号を利用した一般の通信、さらに有線に限らず無線通信にも適用可能である。   In the first embodiment, the most rudimentary usage mode related to the present invention is described. However, the present invention related to the parity check symbol has various usage forms, and the effect of the present invention is exhibited particularly in the “safe communication method using fluctuation”. Therefore, in the following, an embodiment will be described mainly using optical communication as a specific example. Further, the phase fluctuation of the carrier light is taken up as the fluctuation. Of course, the present invention is applicable to intensity fluctuations, and is applicable not only to optical communication but also to general communication using an electric signal, and not only to wired communication but also to wireless communication.

位相揺らぎを利用した安全な光通信のプロトコルは、3段階のステップからなり、図2に示すように、第1段階での乱数の送受信(鍵配送)、第2段階での送受信された乱数列からの秘密鍵生成、第3段階での生成した秘密鍵を利用した実データの暗号通信からなる(非特許文献2:T. Tomaru, Jpn. J. Appl. Phys. 74, 074401 (2010)を参照)。第2段階の「送受信された乱数列からの秘密鍵生成」は送受信機内の論理演算であり、送受信された乱数列のビット数を減らし、それにより秘密鍵の安全性を増強する(秘匿性の増強)(C. H. Bennett,G. Brassard,C. Crepeau,and U. U. Maurer,“Generalized privacy amplification,”IEEE Trans. Inf. Theory 41,1915 (1995)を参照)。本プロトコルでは第1段階と第2段階の処理を通して秘密鍵を生成し、それにより安全性を保証するため、第3段階の「生成した秘密鍵を利用した実データの暗号通信」に関しては通常の暗号通信と同様な形態をとる。   A secure optical communication protocol using phase fluctuation comprises three steps, as shown in FIG. 2, random number transmission / reception (key distribution) in the first step, and random number sequence transmitted / received in the second step. From private key generation and actual data encryption communication using the private key generated in the third stage (Non-Patent Document 2: T. Tomaru, Jpn. J. Appl. Phys. 74, 074401 (2010) reference). The second stage “secret key generation from transmitted / received random number sequence” is a logical operation in the transmitter / receiver, and reduces the number of bits of the transmitted / received random number sequence, thereby enhancing the security of the secret key (the confidentiality (Enhanced) (see CH Bennett, G. Brassard, C. Crepeau, and UU Maurer, “Generalized privacy amplification,” IEEE Trans. Inf. Theory 41, 1915 (1995)). In this protocol, a secret key is generated through the processing of the first stage and the second stage, so that the security is ensured. Therefore, the “cipher communication of actual data using the generated secret key” in the third stage It takes the same form as encryption communication.

ここで通常の暗号通信とは、伝送路における揺らぎを極力排除した状況で実データを秘密鍵により暗号化して送受信することを意味する。第3段階の「生成した秘密鍵を利用した実データの暗号通信」は通常の暗号通信で安全性の確保は十分であるが、さらに安全性を確保するために、第1段階でのように揺らぎを伴う光を利用することも可能である。   Here, normal encryption communication means that actual data is encrypted with a secret key and transmitted / received in a state where fluctuations in the transmission path are eliminated as much as possible. The third stage “Cryptographic communication of actual data using the generated secret key” is normal cryptographic communication, and sufficient safety is ensured. However, in order to ensure further safety, as in the first stage It is also possible to use light with fluctuations.

次に第1段階の鍵配送を、揺らぎの効果を含めて説明する。図3(a)は位相0と位相πの信号状態を直交座標上に模式的に示したものである(この直交座標系を位相空間と呼ぶ)。(0,π)の信号値は、本来a軸上にあるはずのものであるが、「位相揺らぎを利用した安全な光通信法」では信号値に位相揺らぎδθがあるために信号値が正確に(0,π)にならず(0+δθ,π+δθ)となる。その結果、(0,π)の信号範囲は、図1(a)に示すような三日月状の領域になる(なお、δθは正負の値を取り得る)。図3(b)は、信号値として(π/2,3π/2)の位相を利用した場合である。 Next, the first stage key distribution will be described including the effect of fluctuation. FIG. 3A schematically shows signal states of phase 0 and phase π on orthogonal coordinates (this orthogonal coordinate system is called a phase space). The signal value of (0, π) is supposed to be on the a 1 axis. However, in the “safe optical communication method using phase fluctuation”, the signal value has a phase fluctuation δθ, and therefore the signal value is It is not exactly (0, π) but (0 + δθ, π + δθ). As a result, the signal range of (0, π) becomes a crescent-shaped region as shown in FIG. 1A (note that δθ can take a positive or negative value). FIG. 3B shows a case where a phase of (π / 2, 3π / 2) is used as a signal value.

第1段階の鍵配送では“0”及び“1”の乱数を位相0及びπ、あるいは位相π/2及び3π/2として伝送する。どちらの位相の組み合せを利用するかはランダムに決定する。(0,π)の位相を利用する場合を基底0(図3(a))、(π/2,3π/2)の位相を利用する場合を基底1と定義する(図3(b))。信号乱数は(0, 1)の2値であり、またランダムな基底も(0,1)の2値なので合わせて見かけ上4値になる(図3(c))。
図3(c)では三日月状の領域(揺らぎの範囲)が重なっておりこれがビット誤りの原因である。
In the first stage key distribution, random numbers “0” and “1” are transmitted as phases 0 and π or phases π / 2 and 3π / 2. Which phase combination is used is determined randomly. The case where the phase of (0, π) is used is defined as base 0 (FIG. 3 (a)), and the case of using the phase of (π / 2, 3π / 2) is defined as base 1 (FIG. 3 (b)). . The signal random number is a binary value of (0, 1), and the random base is also a binary value of (0, 1), so it becomes a total of 4 values (FIG. 3 (c)).
In FIG. 3C, crescent-shaped regions (fluctuation ranges) overlap, which is the cause of bit errors.

「位相揺らぎを利用した安全な光通信法」では安全な情報量の確保にこのビット誤りを利用する。一般に安全な情報量を確保するためには正規受信者を不正受信者に対して有利な状況にする必要がある。ここでは正規受信者が不正受信者に比べて低いビット誤り率で信号を受信できる状況にする。そのために送信者と正規受信者とで予め共有した共通鍵を利用する。正規受信者はこの共通鍵を利用して位相揺らぎの影響を低減し、低いビット誤り率で受信する。以下はそれを実現するための処理である。   In the “safe optical communication method using phase fluctuation”, this bit error is used to secure a safe amount of information. In general, in order to secure a safe amount of information, it is necessary to make a legitimate recipient advantageous for an unauthorized recipient. Here, it is assumed that the legitimate receiver can receive a signal with a lower bit error rate than the unauthorized receiver. For this purpose, a common key shared in advance by the sender and the authorized receiver is used. The legitimate receiver uses this common key to reduce the influence of phase fluctuation, and receives with a low bit error rate. The following is a process for realizing it.

共通鍵は主に2つの目的に利用する。一つは「共有基底」と呼ぶ基底を決定するためであり、もう一方は本発明の主題であるパリティ検査記号を決定するためである。   The common key is mainly used for two purposes. One is for determining a basis called “shared basis”, and the other is for determining a parity check symbol which is the subject of the present invention.

先ず、共有基底に関して述べる。上述のように鍵配送ではランダムな基底(以下に、「ランダム基底」と呼ぶ)を利用して乱数を送受信する。ここで、不正受信者へ意味のある情報流出を防ぐ狙いで、送受信する乱数をすべて秘密鍵生成のために使うのではなく、半数をダミーとして受信後に破棄することにする。これにより不正受信者はどこに意味のある情報があるのかが分からない。鍵配送で送受信する乱数は、実際に秘密鍵生成に利用する乱数もダミーも共に乱数である。そこで秘密鍵生成に利用する乱数をダミーと区別して「信号乱数」と呼ぶことにする。送受信する乱数のどれが信号乱数でどれがダミーであるかは共通鍵で決まる共有基底とランダム基底との照合により決定することにする。   First, the shared base will be described. As described above, in key distribution, random numbers are transmitted and received using random bases (hereinafter referred to as “random bases”). Here, with the aim of preventing meaningful information leakage to unauthorized recipients, half of the random numbers to be transmitted and received are not used for secret key generation, but half are discarded after reception as a dummy. As a result, unauthorized recipients do not know where there is meaningful information. Random numbers that are transmitted and received by key distribution are both random numbers and dummy numbers that are actually used for secret key generation. Therefore, a random number used for generating a secret key is called a “signal random number” to distinguish it from a dummy. Which random number to transmit / receive is a signal random number and which is a dummy is determined by collating a shared basis determined by a common key with a random basis.

図4に、その様子を例示する。図4で示す送信機の左欄には、共有基底(共通鍵)、ランダム基底、信号乱数、ダミー、伝送信号、およびパリティ検査記号が示され、それぞれに対応するビット列が右欄に記載されている。各ビット列は、左から右へ順番に第一ビット、第二ビット、・・・と呼ぶことにする。図4に示す受信機も送信機と同様な記述に従うが、基底の判定に誤りがない場合(右上段)と、誤りがある場合(右下段)とに分けて表記している。   FIG. 4 illustrates such a situation. In the left column of the transmitter shown in FIG. 4, a shared basis (common key), a random basis, a signal random number, a dummy, a transmission signal, and a parity check symbol are shown, and a bit string corresponding to each is shown in the right column. Yes. Each bit string is referred to as a first bit, a second bit,... In order from left to right. The receiver shown in FIG. 4 follows the same description as the transmitter, but is described separately when there is no error in the basis determination (upper right) and when there is an error (lower right).

図4について具体的に見てみると、送信機側において共有基底の第一ビットは“1”であり、ランダム基底の第一ビットは“0”である。両ビットが不一致なのでダミーの乱数を送るものとする。第二ビットは共有基底とランダム基底の両者が“1”であり、信号乱数を送るものとする。以下同様な取り決めで信号乱数かダミーであるかを決定する。伝送信号は基底分の1ビットと乱数分の1ビットの2ビットで決まるため、図4では4値表現してある。4値の割り振りは図4の挿入図に示す。   Looking specifically at FIG. 4, the first bit of the shared basis is “1” and the first bit of the random basis is “0” on the transmitter side. Since both bits do not match, a dummy random number is sent. As for the second bit, both the shared basis and the random basis are “1”, and a signal random number is transmitted. Thereafter, whether the signal random number or the dummy is determined is determined in the same manner. Since the transmission signal is determined by 2 bits, that is, 1 bit for the base and 1 bit for the random number, FIG. The allocation of four values is shown in the inset of FIG.

受信機では送信機と逆の処理を行う。まず、4値の伝送信号を受信する。図4右側の「受信信号」の項目がそれに相当する。4値の受信信号には基底の情報を含んでおりまず基底の判定を行う。受信信号が“0”及び“2”ならば基底0、“1”及び“3”ならば基底1と判定する。この判定された基底が「ランダム基底」に相当する。受信機は共通鍵を保持しておりこれにより「共有基底」が決まる。送信機の場合と同様にランダム基底と共有基底を比較し、各ビット上の乱数が信号乱数かダミーかを判定する。なお、図4中の受信機側では、乱数の判定結果として信号乱数のみ示しダミーは特に示していない。以上の処理において、受信機において誤りなく受信できた場合は、以上で信号乱数を送受信機間で共有できたことになる。   The receiver performs the reverse process of the transmitter. First, a four-value transmission signal is received. The item “received signal” on the right side of FIG. The quaternary received signal includes base information, and the base is first determined. If the received signal is “0” or “2”, it is determined as base 0, and if it is “1” or “3”, it is determined as base 1. This determined basis corresponds to a “random basis”. The receiver holds a common key, which determines the “shared base”. As in the case of the transmitter, the random base and the shared base are compared to determine whether the random number on each bit is a signal random number or a dummy. On the receiver side in FIG. 4, only the signal random number is shown as the random number determination result, and the dummy is not shown. In the above processing, if the receiver can receive without error, the signal random number can be shared between the transmitter and the receiver.

しかし、実際には受信信号に誤りが発生する場合がある。特に「位相揺らぎを利用した安全な光通信法」ではこの誤りが多くなるような設定をする。受信信号に誤りがある場合の例を図4の右下段に示す。下線部のビットが誤りである。本来、4値判定で“1”であるべきところが“0”になっている。その結果、ダミーであるべきデータが信号乱数として判定される。ダミーと信号乱数の判定誤りを訂正するためにはパリティ検査記号を利用する。   However, an error may actually occur in the received signal. In particular, the “safe optical communication method using phase fluctuation” is set to increase this error. An example in which there is an error in the received signal is shown in the lower right part of FIG. The underlined bit is incorrect. The place that should be “1” in the four-value judgment is “0”. As a result, data that should be dummy is determined as a signal random number. A parity check symbol is used to correct a determination error between the dummy and the signal random number.

パリティ検査記号は、送受信機間で共有された共通鍵により決定する。しかし、パリティはデータに基づき決まるものなので、データから決まるパリティと共通鍵から決まるパリティは一般に一致しない。そこで両パリティが一致するように信号乱数列に調整用のビットを挿入する。初歩的な例として信号乱数5ビットをひとまとめにし、6ビット目に調整用のビットを加えた例が図4である。   The parity check symbol is determined by a common key shared between the transceivers. However, since the parity is determined based on the data, the parity determined from the data and the parity determined from the common key generally do not match. Therefore, adjustment bits are inserted into the signal random number sequence so that both parities match. As an rudimentary example, FIG. 4 shows an example in which 5 bits of signal random numbers are grouped and an adjustment bit is added to the 6th bit.

図4の送信機側では、信号乱数の最初の5ビットは“1”が3個、“0”が2個からなり、パリティは“1”になる。しかし共通鍵により決定するパリティ検査記号は“0”である。両パリティが一致しないことになるので調整用のビット“1”を信号乱数列の6ビット目(斜字体のビット)に挿入する。以下、同様の規則で5ビットの乱数に1ビットの調整ビットを加え、6ビットを一単位とする信号乱数列を形成する。   On the transmitter side in FIG. 4, the first five bits of the signal random number are composed of three “1” s and two “0” s, and the parity is “1”. However, the parity check symbol determined by the common key is “0”. Since both parities do not match, the adjustment bit “1” is inserted into the sixth bit (italic bit) of the signal random number sequence. Thereafter, in accordance with the same rule, a 1-bit adjustment bit is added to a 5-bit random number to form a signal random number sequence with 6 bits as a unit.

受信機においては誤りなく受信できれば信号乱数列が再現される。図4の右上段の信号処理例では、送信機側の信号乱数列が再現されている。しかし、判定誤りがあった場合には図4の右下段に示すように信号乱数列とダミー乱数列の判定が誤ることになる。図4の右下段の例では信号乱数列が1ビット余分になる。信号乱数列を6ビットごとに処理する規則に従えば、本来乱数の第5ビットであるはずのビットが調整ビットになってしまう。その結果、図4の右下段の例では、信号乱数列のパリティ(“1”が3個なので“1”)とパリティ検査記号“0”が一致しなくなる。調整ビット位置のずれは後続の全ビットにも起こるので、判定誤りのあった位置以降パリティ不一致は確率1/2で起こる。従って、どの位置に判定誤りがあったかは概ね判る。   If the receiver can receive without error, the signal random number sequence is reproduced. In the signal processing example in the upper right part of FIG. 4, the signal random number sequence on the transmitter side is reproduced. However, if there is a determination error, the signal random number sequence and the dummy random number sequence are erroneously determined as shown in the lower right part of FIG. In the example at the lower right in FIG. 4, the signal random number sequence is one bit extra. If the rule for processing the signal random number sequence every 6 bits is followed, the bit that should originally be the fifth bit of the random number becomes the adjustment bit. As a result, in the example at the lower right in FIG. 4, the parity (“1” because there are three “1”) and the parity check symbol “0” do not match. Since the shift of the adjustment bit position also occurs in all subsequent bits, the parity mismatch occurs with a probability of 1/2 after the position where the determination error has occurred. Therefore, it can be generally understood at which position there is a determination error.

そこで、判定誤りがあったと思われるビット位置付近の受信信号の一つに対して判定値を訂正し、ランダム基底と共有基底の判定からすべてやり直してパリティを調べる。この処理を疑わしいビット位置付近のすべてのビットに対して順番に実行すれば全パリティがほぼ一致する訂正が見つかる。このようにして基底の判定誤りが訂正される。   Therefore, the determination value is corrected for one of the received signals in the vicinity of the bit position where it is considered that there is a determination error, and the parity is checked by repeating all of the determinations of the random base and the shared base. If this process is executed sequentially for all the bits near the suspicious bit position, a correction in which all the parities substantially match can be found. In this way, the basis determination error is corrected.

この基底の訂正を通して鍵配送時の基底が受信機において確定することになる。即ち、共通鍵を共有している正規の受信者はこの時点で信号乱数“0”あるいは“1”の2値のみを判定すれば良いことになる。不正受信者は共通鍵を持たないために信号乱数列とダミーを識別することができず、信号の解析では4値信号の判定結果をそのまま使わなければならない。最終的に2値信号として処理できる正規受信者に対して不正受信者は4値信号のまま処理しなければならない。この差が本方法における安全性の起源である。   Through this correction of the base, the base at the time of key distribution is determined at the receiver. In other words, a legitimate recipient who shares the common key needs to determine only the binary value of the signal random number “0” or “1” at this time. Since the unauthorized receiver does not have the common key, the signal random number sequence and the dummy cannot be identified, and the determination result of the quaternary signal must be used as it is in the signal analysis. An unauthorized receiver must process a quaternary signal with respect to a legitimate receiver that can ultimately be processed as a binary signal. This difference is the source of safety in this method.

以上の処理では信号乱数5ビットごとに1ビットの調整ビットを加える方法でパリティ検査記号の利用法を説明した。但し、これは原理を示すための初歩的な利用法であり、実際にはより高度なパリティ検査記号の利用法が適用可能である。例えば、実施例1に示したように信号乱数列を行列に並べ、水平方向と垂直方向の両方向に対してパリティを検査するのもひとつの方法である。また、ここまでは基底の訂正に話を限定したが、基底の訂正が完了しても信号乱数に対するビット誤りが残る。そのため、信号乱数用に別の誤り訂正符号を併用することも有用である。このようにしておけば、基底訂正が不十分で僅かに基底の判定誤りが残ったとしてもビット誤りとして処理することが可能になる。   In the above processing, the method of using the parity check symbol has been described by adding one adjustment bit for every 5 bits of the signal random number. However, this is a rudimentary usage to show the principle, and in fact, a more advanced usage of the parity check symbol is applicable. For example, as shown in the first embodiment, signal random number sequences are arranged in a matrix, and parity is checked in both the horizontal direction and the vertical direction. Although the discussion has so far been limited to the basis correction, a bit error with respect to the signal random number remains even if the basis correction is completed. Therefore, it is also useful to use another error correction code for signal random numbers. By doing so, even if the basis correction is insufficient and a slight basis determination error remains, it can be processed as a bit error.

以上の原理に基づいた送受信機の構成図を図5に示す。なお、図中の吹き出しは、図4で示す送信機または受信機における「共有基底」などの各項目名に対応させた説明文である。
送信機100には共通鍵1(121)と共通鍵2(122)の2つの共通鍵、及び乱数発生器1(111)、乱数発生器2(112)、乱数発生器3(113)の3台の乱数発生器を用意する。但し、2つの共通鍵はひとつの共通鍵を2分割して利用することも可能であるし、3台の乱数発生器は1台の乱数発生器の出力を3分割して利用することも可能である。
A block diagram of a transceiver based on the above principle is shown in FIG. Note that balloons in the figure are explanatory texts corresponding to each item name such as “shared base” in the transmitter or receiver shown in FIG.
The transmitter 100 includes two common keys, a common key 1 (121) and a common key 2 (122), and a random number generator 1 (111), a random number generator 2 (112), and a random number generator 3 (113). Prepare a random number generator. However, two common keys can be used by dividing one common key into two, and three random number generators can be used by dividing the output of one random number generator into three. It is.

乱数発生器1(111)は信号乱数の生成源である。揺らぎ(ノイズ)のために信号乱数列は受信時には誤りがあり、その誤りは基底の判定誤りとビット値の誤りに分類される。ビット誤りの対応には符号器141において誤り訂正符号化しておく。基底の誤り対応には共通鍵2(122)により決まるパリティ検査記号を利用する。パリティ検査記号は信号乱数列に無関係に決まるため、信号乱数列のパリティとパリティ検査記号とは一般に一致しない。   The random number generator 1 (111) is a signal random number generation source. Due to fluctuations (noise), the signal random number sequence has an error when it is received, and the error is classified into a base determination error and a bit value error. To cope with bit errors, the encoder 141 performs error correction coding. A parity check symbol determined by the common key 2 (122) is used for base error handling. Since the parity check symbol is determined independently of the signal random number sequence, the parity of the signal random number sequence generally does not match the parity check symbol.

そこで、調整ビット挿入部126において調整ビットを付加して両パリティを一致させる。共通鍵2はそのまま使うことも可能であるが、共通鍵2を種鍵として疑似乱数を発生させてそれをパリティ検査記号とすることも可能である。調整ビットが付加された信号乱数はバッファ131で待機する。ダミーは乱数発生器2(112)で生成し、バッファ132で待機する。ランダム基底は乱数発生器3(113)の出力で決定し、共通鍵1(121)で決まる共有基底と比較し、両基底が一致するかどうかで信号乱数を送信するかダミーを送信するかを決める。両基底が一致した場合はバッファ131に待機の信号乱数を送信するものとし、両基底が一致しなかった場合はバッファ132に待機のダミーを送信するものとする。   Therefore, the adjustment bit insertion unit 126 adds adjustment bits to match both parities. The common key 2 can be used as it is, but it is also possible to generate a pseudo random number using the common key 2 as a seed key and use it as a parity check symbol. The signal random number to which the adjustment bit is added stands by in the buffer 131. The dummy is generated by the random number generator 2 (112) and waits in the buffer 132. The random base is determined by the output of the random number generator 3 (113), compared with the shared base determined by the common key 1 (121), and whether to send a signal random number or a dummy depending on whether both bases match. Decide. When both bases match, a standby signal random number is transmitted to the buffer 131, and when both bases do not match, a standby dummy is transmitted to the buffer 132.

信号乱数及びダミーの値は揺らぎ光源151からの出力光に変調器161において重畳する。揺らぎ光源151は揺らぎ(ノイズ)を伴った光を生成する光源で、揺らぎの生成法としては、レーザーダイオード(LD)を閾値近傍で動作させることにより位相揺らぎを拡大する方法(特許文献1、及びWO2011/099325を参照)、アンチスクイジングを利用した方法(特開2008−003339号公報を参照)等がある。また、揺らぎ源(ノイズ源)を別に用意し、LD光の出力に揺らぎ源の出力を重畳し疑似的に揺らいだ光源とすることも可能である(特許文献1、及びWO2011/099325を参照)。揺らぎ源としては、乱数発生器の出力や熱揺らぎを利用する方法や、伝送用とは別のLDを用意し、そのLD光の位相揺らぎを一旦受光しその電気的出力を揺らぎ源の出力として伝送用LDの出力光に重畳する方法等が考えられる。尚、共通鍵1により共有基底を決定する方法は、共通鍵1をそのまま利用することも可能であるし、共通鍵を種鍵として疑似乱数を生成してそれを共有基底とすることも可能である。   The signal random number and the dummy value are superimposed on the output light from the fluctuation light source 151 by the modulator 161. The fluctuation light source 151 is a light source that generates light accompanied by fluctuation (noise). As a fluctuation generation method, a method of expanding phase fluctuation by operating a laser diode (LD) in the vicinity of a threshold (Patent Document 1, and WO2011 / 099325), a method using anti-squeezing (see JP 2008-003339 A), and the like. It is also possible to prepare a fluctuation source (noise source) separately and superimpose the output of the fluctuation source on the output of the LD light to obtain a pseudo fluctuation light source (see Patent Document 1 and WO 2011/099325). . As a fluctuation source, a method using the output of a random number generator or thermal fluctuation, or an LD other than the one for transmission are prepared, the phase fluctuation of the LD light is temporarily received, and the electrical output is used as the fluctuation source output. A method of superimposing on the output light of the transmission LD is conceivable. The method of determining the shared base using the common key 1 can use the common key 1 as it is, or can generate a pseudo-random number using the common key as a seed key and use it as a shared base. is there.

信号乱数及びダミーが重畳された信号光は、伝送路201を通して受信機に伝送される。受信機ではまず検出器311により4値判定する。その判定結果に基づきランダム基底を決定する。受信機内には共通鍵1(321)を保持しており共有基底を決定する。共通鍵1(321)は送信機内の共通鍵1(121)と同じものであり、共有基底は送受信機双方で同一なものとなる。共有基底とランダム基底は比較され、各ビットの基底が一致するか、あるいは一致しないかに基づいて信号乱数とダミーに分離される。信号乱数列に関しては送信機内と同様な規則によりパリティを計算し、共通鍵2(322)で決まるパリティ検査記号を用いて検査する。検査結果が正しければ、検査を実施した一群の信号乱数列を正しく再現できたと判定する。検査結果が誤りであった場合は、検出器311での4値判定に誤りがあったとして、判定誤りがあったと考えられるビット近傍のひとつのビットに対して4値判定の結果を訂正してパリティ検査までの処理を繰り返す。この繰り返し処理を判定誤りのあったと考えられる領域のビットに対してひとつずつ順番に行い正しいランダム基底を見つける。これにより各ビットの基底が確定することになる。   The signal light on which the signal random number and the dummy are superimposed is transmitted to the receiver through the transmission path 201. In the receiver, first, four-value determination is performed by the detector 311. A random basis is determined based on the determination result. The common key 1 (321) is held in the receiver and the shared base is determined. The common key 1 (321) is the same as the common key 1 (121) in the transmitter, and the shared base is the same in both the transmitter and receiver. The shared basis and the random basis are compared and separated into a signal random number and a dummy based on whether the basis of each bit matches or does not match. For the signal random number sequence, the parity is calculated according to the same rule as in the transmitter, and is checked using the parity check symbol determined by the common key 2 (322). If the inspection result is correct, it is determined that the group of signal random number sequences subjected to the inspection can be correctly reproduced. If the test result is incorrect, it is assumed that there is an error in the quaternary determination at the detector 311, and the result of the quaternary determination is corrected for one bit in the vicinity of the bit considered to have had the determination error. Repeat the process up to parity check. This iterative process is performed one by one with respect to the bits in the area considered to have a determination error to find a correct random basis. As a result, the base of each bit is determined.

基底が確定すれば2値判定により信号乱数を判定できる。但し、基底の判定に若干の判定誤りが残っていること、及び信号乱数の判定結果にも誤りがあることが予想される。そのために送信機側で符号器141により誤り訂正符号化してあった。受信機では復号器341によりその誤り訂正符号を復号する。   If the base is fixed, the signal random number can be determined by binary determination. However, it is expected that some determination errors remain in the base determination and that there are errors in the signal random number determination result. Therefore, error correction coding is performed by the encoder 141 on the transmitter side. In the receiver, the error correction code is decoded by the decoder 341.

以上の処理により送信機内の乱数発生器1(111)の出力である信号乱数が受信機内で再現される。これにより送信機と受信機は同じ乱数を保持していることになる。本発明の目的は実データを安全に伝送することである。そのためには秘密鍵(暗号鍵)が必要であり、その秘密鍵生成のために上記の手順で乱数を送受信した。秘密鍵生成にあたっては送受信した乱数のビット数を減らす(情報量の縮小)処理を行う。これは秘密鍵の安全性を増強するためである(「秘匿性の増強」と呼ばれる)。例えば、00110の5ビットから1ビットの秘密鍵を生成する処理を考えることにする。一つの方法としては5ビットのパリティを取ることが考えられ、その場合は秘密鍵が“0”になる。秘密鍵生成の処理は送信機と受信機で同じ規則で行う。これにより送受信機内で同じ秘密鍵が生成される。   With the above processing, the signal random number output from the random number generator 1 (111) in the transmitter is reproduced in the receiver. As a result, the transmitter and the receiver hold the same random number. An object of the present invention is to transmit actual data safely. For this purpose, a secret key (encryption key) is required, and random numbers were transmitted and received in accordance with the above procedure in order to generate the secret key. When generating the secret key, a process of reducing the number of bits of the transmitted / received random number (reducing the amount of information) is performed. This is to enhance the security of the secret key (referred to as “enhancement of confidentiality”). For example, consider a process of generating a 1-bit secret key from 5 bits of 011010. One method is to take a 5-bit parity, in which case the secret key is “0”. The secret key generation process is performed according to the same rules for the transmitter and the receiver. As a result, the same secret key is generated in the transceiver.

実データは送信機内の暗号器181において、秘密鍵生成部171で生成した秘密鍵により暗号化される。暗号化された実データは光送信部182において光信号に変換され、伝送路202を通して受信機300に伝送される。受信機では検出器381により電気信号に変換され、復号器382において秘密鍵生成部371で生成した秘密鍵を用いて実データの平文に変換される。以上で安全な通信が完了する。   The actual data is encrypted with the secret key generated by the secret key generation unit 171 in the encryptor 181 in the transmitter. The encrypted actual data is converted into an optical signal by the optical transmission unit 182 and transmitted to the receiver 300 through the transmission path 202. In the receiver, the signal is converted into an electric signal by the detector 381, and converted into plaintext of actual data using the secret key generated by the secret key generation unit 371 in the decoder 382. This completes secure communication.

実施例2では、図4を用いて信号処理の例を述べた。そこでは、共有基底とランダム基底の一致不一致に従い信号乱数とダミーを分類した。   In the second embodiment, an example of signal processing has been described with reference to FIG. There, signal random numbers and dummies were classified according to the match / mismatch of the shared basis and the random basis.

しかし、共有基底とランダム基底の比較の方法は図4に示す方法以外にもあり得る(特許文献1、及びWO2011/099325を参照)。その例を示したのが図6である。この場合、共有基底とランダム基底の一致不一致に従い信号乱数とダミーを分類するのは同じであるが、不一致の場合にそのビットの共有基底を次ビットにおいて再利用する点が異なる。   However, there is a method for comparing the shared basis and the random basis other than the method shown in FIG. 4 (see Patent Document 1 and WO2011 / 099325). An example is shown in FIG. In this case, the signal random number and the dummy are classified according to the coincidence / mismatch of the shared basis and the random basis, but the difference is that the shared basis of the bit is reused in the next bit in the case of the mismatch.

図6では共有基底の第一ビットは“1”でランダム基底は“0”である。不一致なのでこのビットはダミーとする。第二ビットの決定に当たっては共有基底の第一ビット“1”を再度利用し、ランダム基底の第二ビット“1”と比較する。ここでは一致したので信号乱数とする。信号乱数であった場合には次のビットに進むに当たって共有基底も次に進むものとし、共有基底の第二ビット“0”とランダム基底の第三ビット“0”を比較する。両基底が一致したのでこのビットも信号乱数とする。以下同様に進める。   In FIG. 6, the first bit of the shared basis is “1” and the random basis is “0”. This bit is dummy because of mismatch. In determining the second bit, the first bit “1” of the shared basis is used again and compared with the second bit “1” of the random basis. Here, since they match, signal random numbers are used. If it is a signal random number, the shared base also advances to the next bit, and the second bit “0” of the shared base is compared with the third bit “0” of the random base. Since both bases match, this bit is also used as a signal random number. Proceed in the same manner.

図6では図4の場合と同様に、信号乱数5ビットごとに1ビットの調整ビットを加えた例を示してある。   FIG. 6 shows an example in which one adjustment bit is added for every 5 bits of the signal random number, as in FIG.

受信機においては実施例2と同様に送信器とは逆の処理を行い信号乱数とダミーを分類する。図6の右上段にその処理例を示す。受信機における4値判定に誤りがなければこのようにして信号乱数を再現できるが、4値判定に誤りがあれば図6の右下段の処理例に示すように信号乱数を再現できなくなる。図6の例では下線付きの第二ビットで判定を誤っている。この例では第二ビット以降、信号乱数の並びは正しい信号乱数の並びと全く異なる。誤りがあったと推定される近傍のビットに対して実施例2と同様にして1ビットずつ順番に、4値判定の結果の変更とパリティ検査とを繰り返し、ランダム基底を再現させる。   In the receiver, the signal random number and the dummy are classified by performing processing reverse to that of the transmitter as in the second embodiment. An example of the processing is shown in the upper right part of FIG. If there is no error in the quaternary determination in the receiver, the signal random number can be reproduced in this way, but if there is an error in the quaternary determination, the signal random number cannot be reproduced as shown in the processing example in the lower right part of FIG. In the example of FIG. 6, the determination is wrong with the second underlined bit. In this example, after the second bit, the signal random number sequence is completely different from the correct signal random number sequence. In the same manner as in the second embodiment, the change of the result of quaternary determination and the parity check are repeated for the neighboring bits estimated to have an error in the same manner as in the second embodiment to reproduce the random base.

実施例2及び3においては共有基底とランダム基底の比較により信号乱数とダミーを決定した。この様な分類を行ったのは正規受信者に比べて不正受信者を不利にするためで共通鍵の利用法の一つである。実施例2及び3ではダミーを単純に破棄していたが、ダミーは信号乱数と同様に乱数でありこれも乱数データ群として利用することも可能である。即ち、実施例2及び3における信号乱数を信号乱数1とし、ダミーを信号乱数2として、2系列の信号乱数列として伝送することも可能である(WO2011/099325を参照)。その場合の信号処理例が図7及び図9である。それぞれ図4及び図6において「信号乱数」を「信号乱数1」に、「ダミー」を「信号乱数2」に書き換えたものになっている。図7及び9では信号乱数列が2つあるがパリティ検査記号は信号乱数列1に対してのみ用意した。これは信号乱数列1に対するパリティ検査記号だけで信号系列1と2に分類できるからである。但し、基底の訂正能力を向上させる目的や、このパリティ検査記号に、基底の判定誤りだけでなく信号乱数値に対する誤り訂正機能を持たせることを目的に信号乱数列2にもパリティ検査記号を用意する方法もあり得る。その場合の信号処理例を図8及び10に示す。図8が図7の拡張であり、図10が図9の拡張である。   In Examples 2 and 3, the signal random number and the dummy were determined by comparing the shared basis and the random basis. This classification is one of the ways to use the common key, because it is a disadvantage for unauthorized recipients compared to legitimate recipients. In the second and third embodiments, the dummy is simply discarded, but the dummy is a random number similar to the signal random number, and this can also be used as a random number data group. That is, it is also possible to transmit the signal random number in the second and third embodiments as the signal random number 1 and the dummy as the signal random number 2 as a two-sequence signal random number sequence (see WO2011 / 099325). Examples of signal processing in that case are shown in FIGS. In FIG. 4 and FIG. 6, “signal random number” is rewritten as “signal random number 1” and “dummy” is rewritten as “signal random number 2”. 7 and 9, there are two signal random number sequences, but a parity check symbol is prepared only for the signal random number sequence 1. This is because the signal sequences 1 and 2 can be classified only by the parity check symbol for the signal random number sequence 1. However, a parity check symbol is also prepared for the signal random number sequence 2 for the purpose of improving the correction capability of the base and for the purpose of providing this parity check symbol with an error correction function for not only the base determination error but also the signal random value. There is also a way to do this. Examples of signal processing in that case are shown in FIGS. 8 is an extension of FIG. 7, and FIG. 10 is an extension of FIG.

以上、共通鍵を利用してパリティ検査記号を決定する本発明に関して具体例を述べた。この方法は揺らぎを利用した安全な光通信法に適用した場合に効果が高いことが明らかであり、実施例2、3、4では「位相揺らぎを利用した安全な光通信法」を想定して実施例を述べた。但し、本発明はパリティ検査記号を共通鍵により決定するのがポイントであり、位相揺らぎを利用した安全な光通信法への適用に限定するものではない。また、信号重畳法は位相変調方式に限定されるものではなく、振幅変調方式や振幅変調と位相変調を組み合わせた方式等各種方式に適用可能である。但し、振幅変調方式の場合には対象となる揺らぎは振幅揺らぎになる。また、実施例では光通信を想定して述べたが無線通信等各種通信法にも適用可能である。   In the above, the specific example was described regarding the present invention which determines a parity check symbol using a common key. It is clear that this method is highly effective when applied to a safe optical communication method using fluctuations. In Examples 2, 3, and 4, it is assumed that a “safe optical communication method using phase fluctuations” is assumed. Examples have been described. However, the point of the present invention is that the parity check symbol is determined by the common key, and is not limited to application to a safe optical communication method using phase fluctuation. Further, the signal superimposing method is not limited to the phase modulation method, and can be applied to various methods such as an amplitude modulation method and a method combining amplitude modulation and phase modulation. However, in the case of the amplitude modulation method, the target fluctuation is amplitude fluctuation. Further, although the embodiments have been described assuming optical communication, the present invention can also be applied to various communication methods such as wireless communication.

100:送信機、
110:信号源、
111,112,113:乱数発生器、
120,121,122:共通鍵、
125:パリティ検査記号生成部、
126:調整ビット挿入部、
131,132:バッファ、
141:符号器、
151:揺らぎ光源、
161:変調器、
171:秘密鍵生成部、
181:暗号器、182:光送信部、
200,201,202:伝送路、
300:受信機、
310,311:検出器、
320,321,322:共通鍵、
325:パリティ検査記号生成部、
341:復号器、
371:秘密鍵生成部、
381:検出器、382:復号器。
100: transmitter,
110: signal source,
111, 112, 113: random number generator,
120, 121, 122: a common key,
125: Parity check symbol generator,
126: Adjustment bit insertion part,
131, 132: buffer,
141: Encoder,
151: Fluctuating light source,
161: modulator
171: Secret key generation unit,
181: Encryptor, 182: Optical transmitter,
200, 201, 202: transmission path,
300: Receiver,
310, 311: detector,
320, 321, 322: common key,
325: Parity check symbol generator,
341: decoder;
371: Secret key generation unit,
381: Detector, 382: Decoder.

Claims (15)

信号源と、
前記信号源を構成要素とする送信機と該送信機からの信号を受信する受信機との間で共有する共通鍵を用いてパリティ検査記号を決定するパリティ検査記号生成部と、
前記信号源からの出力列のパリティと前記パリティ検査記号とが一致するように調整ビットを該出力列に付加して信号列を生成する調整ビット挿入部とを有することを特徴とする送信機。
A signal source;
A parity check symbol generation unit that determines a parity check symbol using a common key shared between a transmitter including the signal source as a component and a receiver that receives a signal from the transmitter;
A transmitter comprising: an adjustment bit insertion unit that generates a signal sequence by adding an adjustment bit to the output sequence so that the parity of the output sequence from the signal source matches the parity check symbol.
前記信号源は、乱数発生器であることを特徴とする請求項1に記載の送信機。   The transmitter according to claim 1, wherein the signal source is a random number generator. 前記乱数発生器が出力する乱数列の情報量を縮小する処理を行い、該情報量の縮小された乱数列を秘密鍵として出力する秘密鍵生成部と、
該秘密鍵により実データを暗号化する暗号器とを備え、
該暗号化した実データを送信することを特徴とする請求項2に記載の送信機。
A process for reducing the information amount of the random number sequence output by the random number generator, and outputting a random number sequence with the reduced information amount as a secret key;
An encryption device for encrypting real data with the secret key,
The transmitter according to claim 2, wherein the encrypted actual data is transmitted.
前記信号列に揺らぎが重畳されていることを特徴とする請求項1に記載の送信機。   The transmitter according to claim 1, wherein fluctuation is superimposed on the signal sequence. 前記信号源を乱数発生器で構成し、
前記受信機との間で予め共有された前記共通鍵を2分割して第1の共通鍵及び第2の共通鍵とし、
前記乱数発生器を第1の乱数発生器、第2の乱数発生器、第3の乱数発生器に3分割し、
前記第1の共通鍵に基づいて共有基底を決定し、
前記第2の共通鍵を利用してパリティ検査記号生成部でパリティ検査記号を決定し、
前記第1の乱数発生器により信号列1を生成し、
前記第2の乱数発生器により信号列2を生成し、
前記第3の乱数発生器の出力によりランダム基底を決定し、
前記共有基底と前記ランダム基底の比較により、前記信号列の各位置での値が前記信号列1に属するのか前記信号列2に属するのかを決定し、
前記信号列1及び前記信号列2の少なくとも一方の信号列のパリティが前記パリティ検査記号に一致するように調整ビットを該少なくとも一方の信号列に付加し、
前記信号列1及び信号列2の合成信号列を前記ランダム基底により送信することを特徴とする請求項1に記載の送信機。
The signal source comprises a random number generator;
The common key shared in advance with the receiver is divided into two to be a first common key and a second common key,
Dividing the random number generator into a first random number generator, a second random number generator, and a third random number generator;
Determining a shared basis based on the first common key;
A parity check symbol is determined by a parity check symbol generator using the second common key;
A signal sequence 1 is generated by the first random number generator;
A signal sequence 2 is generated by the second random number generator;
A random basis is determined by the output of the third random number generator;
By comparing the shared basis and the random basis, it is determined whether the value at each position of the signal sequence belongs to the signal sequence 1 or the signal sequence 2;
An adjustment bit is added to the at least one signal sequence so that the parity of at least one of the signal sequence 1 and the signal sequence 2 matches the parity check symbol;
The transmitter according to claim 1, wherein a combined signal sequence of the signal sequence 1 and the signal sequence 2 is transmitted by the random basis.
前記信号列1及び信号列2の少なくとも一方の情報量を縮小する処理を行い、該縮小された信号列を秘密鍵として出力する秘密鍵生成部と、
該秘密鍵により実データを暗号化する暗号器とを備え、
該暗号化した実データを送信することを特徴とする請求項5に記載の送信機。
A secret key generation unit that performs a process of reducing the amount of information of at least one of the signal sequence 1 and the signal sequence 2 and outputs the reduced signal sequence as a secret key;
An encryption device for encrypting real data with the secret key,
6. The transmitter according to claim 5, wherein the encrypted actual data is transmitted.
送信機から伝送された信号列を検出する信号検出部と、
前記信号検出部で検出された信号のパリティを算出するパリティ算出部と、
前記信号列を受信する受信機と前記送信機との間で共有する共通鍵を用いてパリティ検査記号を決定するパリティ検査記号生成部と、
前記パリティ検査記号を利用して前記パリティ算出部で算出されたパリティを検査するパリティ検査部とを有することを特徴とする受信機。
A signal detector for detecting a signal train transmitted from the transmitter;
A parity calculator that calculates the parity of the signal detected by the signal detector;
A parity check symbol generator that determines a parity check symbol using a common key shared between a receiver that receives the signal sequence and the transmitter;
And a parity check unit that checks the parity calculated by the parity calculation unit using the parity check symbol.
前記送信機との間で予め共有された前記共通鍵を2分割して第1の共通鍵及び第2の共通鍵とし、
前記第1の共通鍵に基づいて共有基底を決定し、
前記第2の共通鍵を利用して前記パリティ検査記号生成部でパリティ検査記号を決定し、
前記信号検出部で得られた前記信号列の受信結果からランダム基底を判定し、
前記ランダム基底と前記共有基底の比較により信号列1と信号列2の分類を行ない、
前記信号列1と前記信号列2の少なくとも一方のパリティをパリティ検査部で前記パリティ検査記号と照合し、
前記パリティにパリティ誤りがあった場合は前記ランダム基底の判定を訂正し、
再度、前記パリティの照合を行ない、前記ランダム基底の訂正と前記パリティの照合を正しいパリティが得られるまで繰り返すことにより、
正しいランダム基底と正しい信号列1、信号列2を得ることを特徴とする請求項7に記載の受信機。
The common key shared in advance with the transmitter is divided into two as a first common key and a second common key,
Determining a shared basis based on the first common key;
A parity check symbol is determined by the parity check symbol generation unit using the second common key;
A random basis is determined from the reception result of the signal sequence obtained by the signal detection unit,
Classification of the signal sequence 1 and the signal sequence 2 is performed by comparing the random basis and the shared basis,
The parity check unit collates at least one parity of the signal sequence 1 and the signal sequence 2 with the parity check symbol,
If there is a parity error in the parity, the determination of the random basis is corrected,
Again, check the parity and repeat the correction of the random basis and the parity check until the correct parity is obtained,
The receiver according to claim 7, wherein a correct random basis and a correct signal sequence 1 and signal sequence 2 are obtained.
前記信号列1及び信号列2の少なくとも一方の情報量を縮小する処理を行い、該縮小された信号列を秘密鍵として出力する秘密鍵生成部と、
送信機から暗号化して送られてきた実データを該秘密鍵により復号する復号部とを有することを特徴とする請求項8に記載の受信機。
A secret key generation unit that performs a process of reducing the amount of information of at least one of the signal sequence 1 and the signal sequence 2 and outputs the reduced signal sequence as a secret key;
The receiver according to claim 8, further comprising: a decrypting unit that decrypts actual data transmitted from the transmitter by using the secret key.
送信機と受信機と前記送信機からの信号を前記受信機に伝送する伝送路とを備え、
該送信機と該受信機は共通鍵を共有し、
前記送信機は、
信号源と、前記共通鍵を用いてパリティ検査記号を決定するパリティ検査記号生成部と、前記信号源からの出力列のパリティと前記パリティ検査記号とが一致するように調整ビットを該出力列に付加して信号列を生成する調整ビット挿入部とを有し、
前記受信機は、
前記送信機から伝送された信号を検出する信号検出部と、
前記信号検出部で検出された信号のパリティを算出するパリティ算出部と、
前記共通鍵を用いてパリティ検査記号を決定するパリティ検査記号生成部と、
前記パリティ検査記号を利用して前記算出されたパリティを検査するパリティ検査部とを有することを特徴とする通信システム。
A transmitter, a receiver, and a transmission path for transmitting a signal from the transmitter to the receiver;
The transmitter and the receiver share a common key;
The transmitter is
A signal source, a parity check symbol generation unit that determines a parity check symbol using the common key, and an adjustment bit in the output sequence so that the parity of the output sequence from the signal source matches the parity check symbol An adjustment bit insertion unit for adding and generating a signal sequence;
The receiver
A signal detector for detecting a signal transmitted from the transmitter;
A parity calculator that calculates the parity of the signal detected by the signal detector;
A parity check symbol generator that determines a parity check symbol using the common key;
And a parity check unit that checks the calculated parity using the parity check symbol.
前記信号源を乱数発生器で構成し、
前記送信機と前記受信機との間で予め共有された前記共通鍵を2分割して第1の共通鍵及び第2の共通鍵とし、
前記送信機において、
該乱数発生器を第1の乱数発生器、第2の乱数発生器、第3の乱数発生器に3分割し、
前記第1の共通鍵に基づいて共有基底を決定し、
前記第2の共通鍵を利用してパリティ検査記号生成部でパリティ検査記号を決定し、
前記第1の乱数発生器により信号列1を生成し、
前記第2の乱数発生器により信号列2を生成し、
前記第3の乱数発生器の出力によりランダム基底を決定し、
前記共有基底と前記ランダム基底の比較により、前記信号列の各位置での値が前記信号列1に属するのか前記信号列2に属するのかを決定し、
前記信号列1及び前記信号列2の少なくとも一方の信号列のパリティが前記パリティ検査記号に一致するように調整ビットを該少なくとも一方の信号列に付加し、
前記信号列1及び信号列2の合成信号列を前記ランダム基底を用いて送信し、
前記受信機において、
前記第1の共通鍵に基づいて共有基底を決定し、
前記第2の共通鍵を利用してパリティ検査記号生成部でパリティ検査記号を決定し、
前記信号検出部で得られた前記信号列の受信結果からランダム基底を判定し、
前記ランダム基底と前記共有基底の比較により信号列1と信号列2の分類を行ない、
前記信号列1と前記信号列2の少なくとも一方のパリティをパリティ検査部で前記パリティ検査記号と照合し、
前記パリティにパリティ誤りがあった場合は、前記ランダム基底の判定を訂正し、
再度、前記パリティの照合が行ない、前記ランダム基底の訂正と前記パリティの照合を正しいパリティが得られるまで繰り返すことにより、
正しいランダム基底と正しい信号列1、信号列2を得ることを特徴とする請求項10に記載の通信システム。
The signal source comprises a random number generator;
The common key shared in advance between the transmitter and the receiver is divided into two as a first common key and a second common key,
In the transmitter,
Dividing the random number generator into a first random number generator, a second random number generator, and a third random number generator;
Determining a shared basis based on the first common key;
A parity check symbol is determined by a parity check symbol generator using the second common key;
A signal sequence 1 is generated by the first random number generator;
A signal sequence 2 is generated by the second random number generator;
A random basis is determined by the output of the third random number generator;
By comparing the shared basis and the random basis, it is determined whether the value at each position of the signal sequence belongs to the signal sequence 1 or the signal sequence 2;
An adjustment bit is added to the at least one signal sequence so that the parity of at least one of the signal sequence 1 and the signal sequence 2 matches the parity check symbol;
Transmitting the combined signal sequence of the signal sequence 1 and the signal sequence 2 using the random basis;
In the receiver,
Determining a shared basis based on the first common key;
A parity check symbol is determined by a parity check symbol generator using the second common key;
A random basis is determined from the reception result of the signal sequence obtained by the signal detection unit,
Classification of the signal sequence 1 and the signal sequence 2 is performed by comparing the random basis and the shared basis,
The parity check unit collates at least one parity of the signal sequence 1 and the signal sequence 2 with the parity check symbol,
If there is a parity error in the parity, correct the determination of the random basis,
Again, the parity check is performed, and the correction of the random basis and the parity check are repeated until the correct parity is obtained,
The communication system according to claim 10, wherein a correct random basis and a correct signal sequence 1 and signal sequence 2 are obtained.
前記送信機及び前記受信機において、
前記信号列1及び信号列2の少なくとも一方の情報量を縮小する処理を行い、該縮小された信号列を秘密鍵とし、
前記送信機においては、該秘密鍵により実データを暗号化して送信し、
前記受信機においては、送信機から暗号化して送られてきた実データを該秘密鍵により復号することを特徴とする請求項11に記載の通信システム。
In the transmitter and the receiver,
Performing a process of reducing the amount of information of at least one of the signal sequence 1 and the signal sequence 2, and using the reduced signal sequence as a secret key;
In the transmitter, the actual data is encrypted with the secret key and transmitted,
12. The communication system according to claim 11, wherein the receiver decrypts the actual data transmitted from the transmitter by using the secret key.
前記信号源は、乱数発生器であることを特徴とする請求項10に記載の通信システム。   The communication system according to claim 10, wherein the signal source is a random number generator. 前記乱数発生器が出力する乱数列の情報量を縮小する処理を行い、該情報量の縮小された乱数列を秘密鍵として出力する秘密鍵生成部と、
該秘密鍵により実データを暗号化する暗号器とを備え、
該暗号化した信号を送信することを特徴とする請求項13に記載の通信システム。
A process for reducing the information amount of the random number sequence output by the random number generator, and outputting a random number sequence with the reduced information amount as a secret key;
An encryption device for encrypting real data with the secret key,
Communication system according to claim 13, wherein the signal to you route dark Goka signal.
前記送信機からの出力信号列に揺らぎが重畳されていることを特徴とする請求項10に記載の通信システム。   The communication system according to claim 10, wherein fluctuation is superimposed on an output signal sequence from the transmitter.
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