JP6147032B2

JP6147032B2 - 秘匿通信方法

Info

Publication number: JP6147032B2
Application number: JP2013045811A
Authority: JP
Inventors: 智彦佐川; 小林　英樹; 英樹小林; 俊宏長岡; 鈴木　健太郎; 健太郎鈴木
Original assignee: Osaka Denki Co Ltd
Current assignee: Osaka Denki Co Ltd
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2017-06-14
Anticipated expiration: 2033-03-07
Also published as: JP2014175796A

Description

本発明は、複数の機器間で情報の通信を秘匿で行う秘匿通信方法に関するものである。

複数の機器間で情報通信を行う通信システムを構築する場合、特定小電力無線をマルチホップしてデータ通信を行うことが考えられる。特定小電力無線は、送信電力、送信時間制限、キャリアセンスなどの決まりを守れば、電波使用料を払わなくても使うことができる。特定小電力無線の標準規格として、ARIB STD-T67「特定小電力無線局 400MHz帯及び1,200MHz帯テレメータ用、テレコントロール用及びデータ伝送用無線設備」や、ARIB STD-T108「920MHz帯テレメータ用、テレコントロール用及びデータ伝送用無線設備」などが制定されている。このような標準仕様に関しては、半導体メーカから通信用チップが提供されているので、通信システムを構成する装置を安価に作ることができる。しかし、他の通信システムでも同じ周波数帯域を使うことになるので、他の通信システムからの影響を軽減する仕組みが必要になる。また、安価に装置を作れ、信号をモニタすることが簡単であるので、データの秘匿性を高める必要もある。

特許文献１に開示された無線通信システムや特許文献２に開示された装置では、スペクトラム拡散通信方式を用いて、同じ周波数帯域を使っている他の通信システムからの影響を軽減すると共に、スペクトラム拡散符号そのものを暗号化することによって、秘匿性を高める工夫をしている。スペクトラム拡散通信方式は、装置間で授受すべき信号のエネルギーを、その信号が持つ本来の周波数よりも広い周波数範囲に拡散して伝送する通信方式であり、電力密度を低く抑えたり、秘匿性を高めることができる等の利点を有する。

特開平１０−２２４３４０号公報特開平１１−１４５９３３号公報

しかしながら、標準規格ARIB STD-T67のように電波型式が定められていてスペクトラム拡散通信方式を採用できない場合や、標準規格ARIB STD-T108のように使用チャネルの周波数帯域が狭くてスペクトラム拡散通信方式を採用しづらい場合などには、特許文献１や特許文献２に開示されたようなスペクトラム拡散通信方式を用いる対策を、他の通信システムからの影響を軽減する仕組みやデータの秘匿性を高める方策として用いることはできない。また、半導体メーカが提供する通信用チップで対応できないような対策であれば、装置コストが高くなってしまう問題が生じる。

本発明は、スペクトラム拡散通信方式を使わずに、同じ周波数帯域を使う他の通信システムからの影響を低減し、データの秘匿性を高めた通信システムを安価に構築する技術を提供することを目的とする。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、
複数の機器間で情報の通信を秘匿で行う秘匿通信方法であって、
情報を伝送する搬送波の周波数が異なるｍ種類の複数の通信チャネルと、伝送する情報を暗号化するｎ（≠ｍ）種類の複数の暗号キーとを使用し、１周期でｍ種類の各通信チャネルを一巡する周期の、ホッピング順が各パターン間で相互相関の小さい複数のホッピングパターンで、搬送波の周波数を各タイムスロットに合わせて通信チャネル間でホッピングすると共に、この周波数ホッピングの周期を、各タイムスロットに合わせて１周期でｎ種類の各暗号キーを一巡する、使用する暗号キーのホッピング周期の整数倍と異なる周期にすることを特徴とする秘匿通信方法を構成した。

本構成によれば、搬送波周波数のホッピング周期と暗号キーのホッピング周期とが異なるため、１つの通信チャネルで伝送される情報の暗号化に使用される暗号キーは一定しない。このため、１つの通信チャネルをモニタし続けても、続けて同じ暗号キーが使用されないので、スペクトラム拡散通信方式を使わなくても、伝送される情報は第三者に傍受されにくくなる。

また、本発明は、複数の機器が階層をもって接続され、各機器は自己が持つ時刻を上位の階層の機器が持つ時刻に合わせることを特徴とする。

本構成によれば、各機器が自己の持つ時刻を頻繁に上位の階層の機器が持つ時刻に合わせることで、コストアップを招かずに各機器は正確な時刻を保つことが可能となる。この結果、搬送波周波数および暗号キーの異なる周期でのホッピングを確実に行えるようになる。

また、本発明は、機器間で少なくとも１往復の通信が可能な時間よりも長い時間を１タイムスロットとすることを特徴とする。

本構成によれば、１タイムスロットで少なくとも１往復の通信が機器間で行われ、スロー（低速）に周波数ホッピングするため、標準規格使用向けに作られた半導体メーカが提供する通信チップをそのまま利用して装置を製作することができる。従って、装置コストが高くなってしまう問題は生じない。

本発明によれば、スペクトラム拡散通信方式を使わずに、同じ周波数帯域を使う他の通信システムからの影響を低減し、データの秘匿性を高めた通信システムを安価に構築することが可能になる。

本発明の一実施の形態による秘匿通信方法が用いられる無線通信システムの構成を示すブロック図である。図１に示す無線通信システムのマルチホップネットワーク構成を示す図である。図１に示す無線通信システムで使用する周波数チャネルの割り当てを示す表である。図１に示す無線通信システムで使用するタイムスロットの割り当てを示す図である。図１に示す無線通信システムで行われる周波数ホッピングのパターンを示す表である。図５に示す周波数ホッピングによる通信チャネルの利用イメージを示す表である。図１に示す無線通信システムでスマートメータが送信する電文の受信の可否を記録したモニタ情報の一例を示す表である。図７に示すモニタ情報を集計してコンセントレータが作成する接続テーブルの一例を示す表である。図８に示す接続テーブルからコンセントレータが作成するホップテーブルの一例を示す表である。図１に示す通信システムにおける各機器の時計合わせのイメージを示す図である。図１に示す無線通信システムで周波数のホッピングと暗号キーのホッピングとが行われるときにおける通信チャネルの利用イメージを示す第１の表である。図１１に続く、通信チャネルの利用イメージを示す第２の表である。

次に、本発明による秘匿通信方法をスマートメータの無線通信システムに適用した一実施の形態について説明する。

図１は、このスマートメータの無線通信システムの構成を示すブロック図である。

スマートメータ１は、需要家の使用電力量を計測する計器部１ａと、９２０[ＭＨｚ]の周波数帯でマルチホップ通信を行う無線通信ユニット１ｂとから構成される。各スマートメータ１は、計器部１ａで計測された需要家の使用電力量等の情報を無線通信ユニット１ｂによって送信する。コンセントレータ（集線装置）２は、スマートメータ１との間で９２０[ＭＨｚ]の周波数帯でマルチホップ通信を行い、各スマートメータ１から送信される情報を集約する。そして、広域網３を介するＭＤＭＳ(Meter Data Management System：メータデータ管理システム)４からの要求に応じて、集約した情報を広域網３を介してＭＤＭＳ４へ返信する。ＭＤＭＳ４は、送信されてきた情報を収集して分析し、各スマートメータ１の管理や制御等を行う。

図２は、本実施の形態による無線通信システムのマルチホップネットワーク構成を示す図である。

本ネットワークは、コンセントレータ（Ｃ）２を頂点としてスマートメータ（ＳＭ）１が複数の階層にツリー状に接続されて構成される。階層は最大で２０ホップ（ｈｏｐ）であり、コンセントレータ２からその下位にある１ホップのスマートメータ１までの枝数は最大５０本に設定される。また、１つのスマートメータ１からその下位のホップにあるスマートメータ１までの枝数は２本が基本とされる。本実施の形態では、コンセントレータ２へのスマートメータ１の登録は最大で３００台に設定され、例えば、１ホップ目に５０台、２ホップ目に１００台接続する場合には、３ホップ目は１５０台（＝３００−５０−１００）に設定される。

図３は、本ネットワークで使用する周波数チャネルの割り当てを示す表である。

使用周波数は、９２０[ＭＨｚ]の周波数帯が１４チャネルに分割されて、図示する１〜１４の通信チャネル番号が付されている。これら通信チャネル番号は、特定小電力無線の標準規格ARIB STD-T108において、図示する３３〜６０の単位チャネル番号として定義されている。各通信チャネルの中心周波数[ＭＨｚ]、帯域幅[ＫＨｚ]、および空中線電力[ｍＷ]は図示する値となっている。

本通信システムでは、コリジョン（衝突）を回避して定例データ収集と随時指令との同時実行を確実にするため、「定例用２秒」、「随時用２秒」、「Ｐ２Ｐ用２秒」の各タイムスロットを６秒毎に繰り返すタイムスロットが図４に示すように割り当てられている。

定例データ収集は３０分毎に行われ、「定例用２秒」のタイムスロットにおいて、各スマートメータ１から使用電力量等の定例データが送出される。「定例用２秒」のタイムスロットでは、図示するように、各スマートメータ（ＳＭ１、ＳＭ２、ＳＭ３、ＳＭ４、ＳＭ５…）１が３０分毎に１タイムスロット（２秒）だけの優先発呼権を持つ。随時指令は、ＭＤＭＳ４からコンセントレータ（Ｃ）２および各スマートメータ１へ随時送信される。「随時用２秒」のタイムスロットは、各機器が、随時指令、情報配信、定例リトライなどにＣＳＭＡ(Carrier Sence Multiple Access)方式で使用する。例えば、ＳＭ３のスマートメータ１とコンセントレータ（Ｃ）２との間で、図示するように「随時用２秒」のタイムスロットが使われる。「Ｐ２Ｐ用２秒」のタイムスロットは、ハンディターミナル（ＨＴ）が、各スマートメータ１やコンセントレータ２に保守時などにアクセスするときに使用される。例えば、図示するように、ハンディターミナル（ＨＴ）は、ＳＭ４のスマートメータ１と「Ｐ２Ｐ用２秒」のタイムスロットでアクセスする。

また、本通信システムでは、同じ周波数帯域の無線を使用した他の通信システムからの影響を軽減するため、情報を搬送する搬送波の周波数が各通信チャネル間でタイムスロットに合わせてホッピングされる。この周波数ホッピングは、「定例用２秒」および「随時用２秒」のタイムスロットだけで行われる。「Ｐ２Ｐ用２秒」のタイムスロットは、各機器のＭＡＣアドレスを１４で除算した余りの数に相当する番号の通信チャネルが固定して使われる。

図５は、上記の周波数ホッピングのパターンを示す表である。

同表の横方向は１〜１４の丸付き数字で表される１４パターンの周波数ホッピングパターン、縦方向は時間ｔ[ｓ]を表す。また、表内の各数字は１〜１４の番号の通信チャネル[ＣＨ]を表す。図示するように、各パターンは６秒毎に通信チャネルがホッピングする。これらパターンにおける通信チャネル番号の変化順、つまり、コードは、各パターン間で相互相関の小さい異なるコードとなっている。本実施形態では、各パターン間で通信チャネルが一致するタイムスロットは全タイムスロットで４タイムスロット以下、また、通信チャネルが連続して一致するタイムスロットは最大で２タイムスロットに設定されている。周波数ホッピングは８４秒毎に同表内のチャネル切り替えを繰り返すが、毎時００分００秒および毎時３０分００秒には開始チャネルに戻って周波数ホッピングをリスタートする。

図６は、上記の周波数ホッピングによる通信チャネルの利用イメージを示す表である。

この利用イメージでは、機器のＭＡＣアドレスを１４で除算した余りの数に相当する番号が７、周波数ホッピングパターンが丸付き数字４のパターンの場合を表している。図示するように、時刻取得前のスマートメータ１が未接続の状態においては、通信チャネルはチャネル番号７に固定される。また、「定例用２秒」および「随時用２秒」のタイムスロットは、上記の図５における丸付き数字４のパターンに従い、通信チャネル間を各タイムスロットに合わせて６秒毎にホッピングしている。ただし、時刻００分００秒においては通信チャネル番号１０の開始チャネル（※印参照）に戻り、周波数ホッピングをリスタートしている。また、「Ｐ２Ｐ用２秒」のタイムスロットは通信チャネル番号７に固定されている。

スマートメータ１は、３０分毎に他のスマートメータ１が送信する電文の受信の可否を記録した、図７に例示するようなモニタ情報を、定例データの一部としてコンセントレータ２にアップロードする。同図に示すモニタ情報は、○印が電文の受信ができ、×印が電文の受信ができなかったことを表している。この例では、ＳＭ４のスマートメータ１は、コンセントレータ（Ｃ）２、ＳＭ１，ＳＭ２，ＳＭ３，ＳＭ５，ＳＭ９，ＳＭ１０，ＳＭ１１…のスマートメータ１との間で、電文が通信できたことを表す。

コンセントレータ２は、各スマートメータ１から受信したモニタ情報を集計し、図８に例示するような接続テーブルを作成する。同図は、コンセントレータ２および各スマートメータ１間における上記受信の可否を表しており、同様に、○印が電文の受信ができ、×印が電文の受信ができなかったことを表している。この接続テーブルは１日４８回分作成され、８日分コンセントレータ２に記憶される。また、コンセントレータ２は、この接続テーブルから図９に例示するような翌日のホップテーブルを作成して、各スマートメータ１に配信する。ホップテーブルは、各スマートメータ１の３００台分の登録番号毎に、接続先番号および定例発呼順が設定されている。接続先番号には、コンセントレータ（Ｃ）２とＳＭ１〜ＳＭ３００の３００台分のスマートメータ１とが割り当てられており、定例発呼順には１〜３００の順番が割り当てられている。

図２に示すマルチホップネットワーク構成において、通常の下りルートは図８に示す接続テーブル、上りルートは図９に示すホップテーブルに従って接続の選定が行われる。異常発生時の下り迂回ルートは、コンセントレータ２が接続テーブルから接続の選定を行う。また、上り迂回ルートは、各スマートメータ１が最新のモニタ情報とホップテーブルから接続の選定を行う。

図１０は、本通信システムにおける各機器の時計合わせのイメージを示す図である。

同図の横方向は時間の経過、縦方向はネットワークの階層を表している。各スマートメータ（ＳＭ）１は、３０分毎に定例データを上位階層のスマートメータ１またはコンセントレータ（Ｃ）２へ転送する際に、インターネットで使われるＳＮＴＰ(Simple Network Time Protocol)相当の仕組みによって時刻合わせを行う。つまり、下位のホップ（ｈｏｐ）に位置するスマートメータ１は、定例データの送信に併せて上位のホップに位置するスマートメータ２に時刻の転送を要求し、上位のスマートメータ１またはコンセントレータ２は、この要求に応じて自己が持つ時刻を下位のスマートメータ１に送信する。定例データの送信は３０分毎に行われるので、例えば５ホップに位置するスマートメータ１が時刻合わせを行うのは、同図に示すように、コンセントレータ２の時計に合わせてから最大で１５０分経過する。最下位の２０ホップに位置するスマートメータ１が時刻合わせを行うのは、コンセントレータ２の時計に合わせてから最大で６００分経過する。また、時刻の誤差は１ホップ当たり最大で±３６[ｍｓ]生じ、例えば５ホップに位置するスマートメータ１では同図に示すように±１８０[ｍｓ]の誤差が最大で生じる。最下位の２０ホップに位置するスマートメータ１では±７２０[ｍｓ]の誤差が最大で生じる。

本通信システムでは、周波数ホッピングを行う「定例用２秒」および「随時用２秒」のタイムスロットにおいて、伝送する情報を暗号化する。使用する暗号は、複数の暗号キーを持ち、搬送波周波数のホッピング周期と異なる周期で、暗号キーを各タイムスロットに合わせてホッピングする。つまり、搬送波周波数は通信チャネル間を６秒毎に１４のパターンでホッピングさせるが、暗号キーはｎ種類（ｎ≠１４）を６秒毎にホッピングさせる。このような暗号キーには例えばランダムに発生させた乱数が用いられ、この暗号キーを伝送する情報に乗じることで暗号化が行われる。受信側では、同じ暗号キーを暗号化された情報に乗じることによって復号化が行われる。

図１１および図１２は、搬送波周波数のホッピングと暗号キーのホッピングとが上記のように行われるときにおける通信チャネルの利用イメージを示す表である。

この利用イメージでは、暗号キーの種類ｎ＝１７で、機器のＭＡＣアドレスを１４で除算した余りの数に相当する番号が４、周波数ホッピングパターン（図５参照）が丸付き数字３のパターンの場合を表している。「定例用２秒」および「随時用２秒」のタイムスロットは、前述の、１４ホップで一巡する予め決められたコードの周波数ホッピングパターンに従い、通信チャネル番号５を開始チャネルとして、通信チャネル間を各タイムスロットに合わせて６秒毎にホッピングしている。また、「Ｐ２Ｐ用２秒」のタイムスロットは通信チャネル番号４に固定されている。また、暗号キーのホッピングは、「定例用２秒」および「随時用２秒」のタイムスロットに図示するホップ(Hop)１〜ホップ(Hop)１７のように、１４ホップで一巡する周波数ホッピングと異なる、１７ホップで一巡する周期で、通信チャネル間を各タイムスロットに合わせて６秒毎にホッピングしている。

このような本実施の形態による秘匿通信方法においては、上記のように、情報を伝送する搬送波の周波数が異なる１４の通信チャネルと、伝送する情報を暗号化する１７の暗号キーとを使用し、搬送波の周波数を各タイムスロットに合わせて通信チャネル間でホッピングする。そして、情報の暗号化に使用する暗号キーを、この周波数ホッピングの周期と異なる周期で各タイムスロットに合わせてホッピングする。従って、搬送波周波数のホッピング周期と暗号キーのホッピング周期とが異なるため、１つの通信チャネルで伝送される情報の暗号化に使用される暗号キーは一定しない。このため、１つの通信チャネルをモニタし続けても、続けて同じ暗号キーが使用されないので、従来のようにスペクトラム拡散通信方式を使わなくても、伝送される情報は第三者に傍受されにくくなる。

また、本実施の形態による秘匿通信方法においては、複数のスマートメータ１が図２に示すように階層をもって接続され、各スマートメータ１は、図１０に示すように、自己が持つ時刻を上位の階層のスマートメータ１が持つ時刻に合わせる。このため、搬送波周波数および暗号キーのホッピングを行うには通信するスマートメータ１間で正確な時刻を有している必要があるが、各スマートメータ１が自己の持つ時刻を頻繁に上位の階層のスマートメータ１が持つ時刻に合わせることで、コストアップを招かずに各スマートメータ１は正確な時刻を保つことが可能となる。この結果、搬送波周波数および暗号キーの異なる周期でのホッピングを確実に行えるようになる。

また、本実施の形態による秘匿通信方法においては、スマートメータ１およびコンセントレータ２の各機器間で少なくとも１往復の通信が可能な時間よりも長い時間、本実施の形態では２秒を、１タイムスロットとしている。従って、１タイムスロットで少なくとも１往復の通信が機器間で行われ、スロー（低速）に周波数ホッピングするため、標準規格使用向けに作られた半導体メーカが提供する通信チップをそのまま利用して装置を製作することができる。従って、装置コストが高くなってしまう問題は生じない。

よって、本実施の形態による秘匿通信方法によれば、スペクトラム拡散通信方式を使わずに、同じ周波数帯域を使う他の通信システムからの影響を低減し、データの秘匿性を高めた通信システムを安価に提供することが可能になる。

上記の実施の形態では、本発明による秘匿通信方法を無線通信システムに適用した場合について説明したが、ＰＬＣ(Power Line Communication:電力線搬送通信)などの有線の通信システムにも、同様に本発明による秘匿通信方法を適用することができる。また、適用する機器もスマートメータに限定されることはなく、その他の通信機器にも同様に適用することができる。そして、これらの場合においても、上記の実施の形態と同様な作用効果が奏される。

１…スマートメータ
１ａ…計器部
１ｂ…無線通信ユニット
２…コンセントレータ
３…広域網
４…ＭＤＭＳ

Claims

複数の機器間で情報の通信を秘匿で行う秘匿通信方法であって、
情報を伝送する搬送波の周波数が異なるｍ種類の複数の通信チャネルと、伝送する情報を暗号化するｎ（≠ｍ）種類の複数の暗号キーとを使用し、１周期でｍ種類の各前記通信チャネルを一巡する周期の、ホッピング順が各パターン間で相互相関の小さい複数のホッピングパターンで、前記搬送波の周波数を各タイムスロットに合わせて前記通信チャネル間でホッピングすると共に、この周波数ホッピングの周期を、各タイムスロットに合わせて１周期でｎ種類の各前記暗号キーを一巡する、使用する前記暗号キーのホッピング周期の整数倍と異なる周期にすることを特徴とする秘匿通信方法。
前記複数の機器は階層をもって接続され、各機器は自己が持つ時刻を上位の階層の機器が持つ時刻に合わせることを特徴とする請求項１に記載の秘匿通信方法。
機器間で少なくとも１往復の通信が可能な時間よりも長い時間を１タイムスロットとすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の秘匿通信方法。