JP7176449B2

JP7176449B2 - 無線装置および無線送信方法

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Publication number: JP7176449B2
Application number: JP2019054276A
Authority: JP
Inventors: 允温; 誠吉田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2022-11-22
Anticipated expiration: 2039-03-22
Also published as: JP2020156009A; US20200305002A1; US10785654B1

Description

本発明は、無線装置および無線送信方法に係わる。

無線通信においては、宛先局以外の端末装置にも電波が届くので、光ファイバ通信などの有線通信と比べて盗聴のリスクが高い。このため、送信データを暗号化する数理暗号に加えて、送信局と宛先局との間の無線チャネルの特性を利用して秘匿通信を実現する方法が提案されている。

例えば、送信局は、送信局と宛先局との間の無線チャネルの歪を付加した信号を送信する。そうすると、宛先局は、無線チャネルにおいて歪が相殺された信号を受信する。よって、宛先局は、受信信号からデータを再生できる。ところが、送信局と他の端末装置との間の無線チャネルは、送信局と宛先局との間の無線チャネルと異なるので、他の端末装置に到着する信号の歪は相殺されない。よって、他の端末装置は、受信信号からデータを再生できない（例えば、特許文献１）。

ただし、多くのケースにおいて、無線信号は、所定の変調方式のコンスタレーションに対応する信号点（位相および振幅）を利用して伝送されるので、各シンボルの信号点の候補は既知である。よって、盗聴局は、受信信号の信号点と信号点の候補との差分を利用して無線チャネルの歪を補償すれば、送信局から宛先局に送信される信号からデータを再生できることがある。

送信局が複数のアンテナを備えるときは、人工雑音を利用して秘匿通信を実現する方法が提案されている（例えば、特許文献２および非特許文献１）。この方式においては、送信局は、送信局と宛先局との間の無線チャネルに基づいて、宛先局において相殺される人工雑音を生成する。そして、送信局は、データ信号および人工雑音に対してプリコーディングを行い、プリコーディングにより得られる複数の信号を、複数のアンテナを介して送信する。よって、宛先局は、人工雑音が相殺された信号からデータを再生できる。

ＷＯ２００９／０２２４２３特開２００４－２６６８１８号公報

S. Goel and R. Negi, "Guaranteeing Secrecy using Artificial Noise,"IEEE Trans. Wireless Commun., VOL. 7, NO. 6, pp. 2180-2189, JUNE 2008 Vicente Zarzoso and Pierre Comon, "Robust Independent Component Analysis by Iterative Maximization of the Kurtosis Contrast With Algebraic Optimal Step Size", IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL NETWORKS, VOL. 21, NO. 2, FEBRUARY 2010 S. Liu, Y. Hong, and E. Viterbo, "Artificial Noise Revisited," IEEE Trans. Inf. Theory, VOL. 61, NO. 7, pp. 3901-3911, JULY 2015

人工雑音を利用する秘匿通信においては、上述したように、宛先局において受信信号の人工雑音が相殺され、他の端末装置においては、受信信号中に人工雑音が残存する。よって、他の端末装置は、受信信号からデータを再生することは困難である。

ただし、送信局の送信アンテナの数よりも盗聴局の受信アンテナの数が多いときは、盗聴局は、送信局で行われるプリコーディングによる信号合成方法を知らなくても、受信信号から人工雑音系列を分離できることがある（例えば、非特許文献２）。この場合、盗聴局は、データを再生できることがある。

本発明の１つの側面に係わる目的は、無線通信の秘匿性を高めることである。

本発明の１つの態様の無線装置は、複数のアンテナと、送信データに基づいて第１の相関系列を生成する第１の相関系列生成部と、前記第１の相関系列に基づいて第２の相関系列を生成する第２の相関系列生成部と、前記送信データを変調して第１の変調信号を生成する第１の変調部と、前記第１の相関系列を変調して第２の変調信号を生成する第２の変調部と、前記第２の相関系列を変調して第３の変調信号を生成する第３の変調部と、前記第１の変調信号、前記第２の変調信号、および前記第３の変調信号を合成して第１の送信信号、第２の送信信号、および第３の送信信号を生成する信号合成部と、前記複数のアンテナの中の第１のアンテナを介して前記第１の送信信号を出力し、前記複数のアンテナの中の第２のアンテナを介して前記第２の送信信号を出力し、前記複数のアンテナの中の第３のアンテナを介して前記第３の送信信号を出力する送信部と、を備える。

上述の態様によれば、無線通信の秘匿性が高くなる。

無線通信システムの一例を示す図である。人工雑音を利用する秘匿化方法の一例を示す図である。解読成功率のシミュレーション結果の一例を示す図である。第１の実施形態に係わる無線装置の一例を示す図である。信号生成部の一例を示す図である。信号生成部の処理の一例を示すフローチャートである。人工雑音系列を生成する方法の一例を示すフローチャートである。第１の実施形態による効果の一例を示す図である。第２の実施形態に係わる無線装置の一例を示す図である。相関係数を決定するための情報を格納するテーブルの一例を示す図である。第３の実施形態に係わる信号生成部の一例を示す図である。第４の実施形態に係わる信号生成部の一例を示す図である。無線装置のハードウェア構成の一例を示す図である。

図１は、本発明の実施形態に係わる無線通信システムの一例を示す。無線通信システム１００は、送信局１、宛先局２、盗聴局３を含む。送信局１は、例えば、基地局により実現される。この場合、宛先局２および盗聴局３は、それぞれ端末装置により実現される。なお、送信局１、宛先局２、盗聴局３は、それぞれ無線装置の一例である。

送信局１は、宛先局２にデータを送信する。但し、このデータを伝搬する無線信号は、宛先局２だけでなく、盗聴局３にも到達する。したがって、送信局１は、盗聴局３によりデータが解読されないように、無線信号を秘匿化する機能を備える。具合的には、送信局１は、人工雑音を利用して送信データを秘匿化する機能を備える。

＜人工雑音を利用する秘匿化＞
図２は、人工雑音を利用する秘匿化方法の一例を示す。この例では、送信局１は、宛先局２にデータＳを送信する。データＳは、シンボル列ｓ１、ｓ２、・・・、ｓｎで表される。データＳの各シンボルは、指定された変調方式に従ってコンスタレーション上にマッピングされる。また、送信局１は、人工雑音系列ＡＮ１、ＡＮ２を生成する。各人工雑音系列ＡＮ１、ＡＮ２の各シンボルは、コンスタレーション上にランダムにマッピングされる。信号合成部は、各マッパから出力される信号を合成して送信信号１～３を生成する。各送信信号１～３は、それぞれ、データＳ、人工雑音ＡＮ１、ＡＮ２を含む。また、信号合成部は、人工雑音ＡＮ１、ＡＮ２が相殺されるように、送信局１と宛先局２との間の無線チャネルＨに基づいて送信信号１～３を生成する。そして、送信信号１～３は、図２に示すように、アンテナＡ１～Ａ３を介して出力される。

送信信号１～３は、無線チャネルＨを介して宛先局２に伝搬される。ここで、無線チャネルＨにおいて人工雑音ＡＮ１、ＡＮ２は相殺される。よって、宛先局２は、受信信号からデータＳを再生できる。一方、送信信号１～３は、無線チャネルＧを介して盗聴局３に伝搬される。ところが、送信信号１～３は無線チャネルＨに基づいて生成されているので、盗聴局３において人工雑音ＡＮ１、ＡＮ２は残存する。したがって、盗聴局３は、受信信号からデータＳを再生できない。

ただし、図２に示す例では、人工雑音ＡＮ１、ＡＮ２の各シンボルは、それぞれランダムな位相／振幅で送信される。すなわち、人工雑音ＡＮ１、ＡＮ２の位相／振幅の発生頻度は、ガウス分布に従う。したがって、データＳと人工雑音ＡＮ１、ＡＮ２との間に相関が無く、また、人工雑音ＡＮ１、ＡＮ２間にも相関が無い。

他方、送信局において合成された複数の信号を受信局において互いに分離する方法が研究されている。例えば、ブラインド信号源分離（Blind Source Separation）またはブラインド等化（Blind Equalization）は、送信局と受信局との間の無線チャネルの情報を使用することなく、合成された複数の信号を互いに分離することができる。これらのうちで、独立成分分析（Independent Component Analysis (ICA)）は、代表的な分離方法として知られている。

独立成分分析は、送信局において合成される複数の信号が互いに独立しているときに、それらの信号を高い確率で互いに分離できる。ここで、図２に示す例では、データＳと人工雑音ＡＮ１、ＡＮ２との間に相関が無く、また、人工雑音ＡＮ１、ＡＮ２間にも相関が無い。このため、盗聴局３の受信アンテナの数が送信局１の送信アンテナの数より多いときは、盗聴局３は、独立成分分析を利用してデータＳと人工雑音ＡＮ１、ＡＮ２とを高い確率で分離できる。

図３は、図２に示す方法でデータが送信され、盗聴局３が独立成分分析を使用したときの、解読成功率のシミュレーション結果の一例を示す。このシミュレーションによれば、干渉波電力（すなわち、人工雑音の電力）が小さいときには、非常に高い確率でデータＳが解読されている。また、干渉波電力を大きくしても、約４０パーセントの確率でデータＳが解読されている。

＜第１の実施形態＞
図４は、本発明の第１の実施形態に係わる無線装置の一例を示す。無線装置１０は、図１に示す無線通信システムにおいては、例えば、基地局（送信局）１に相当する。以下の記載では、無線装置１０は、図１に示す端末装置（宛先局）２にデータＳを送信するものとする。

無線装置１０は、図４に示すように、受信部１１、信号生成部１２、信号合成部１３、送信部１４、および複数の送信アンテナＡ１～Ａ３を備える。ただし、無線装置１０は、図４に示していない他の機能または要素を備えてもよい。例えば、無線装置１０は、１または複数の受信アンテナを備える。

受信部１１は、他の無線装置から送信される無線信号を受信する。ここで、各無線装置は、定期的に、パイロット信号を送信する。パイロット信号は、送信パワーおよびビットパターンが既知である。よって、受信部１１は、パイロット信号を受信して復調することにより、無線チャネルの状態を推定することができる。この実施例では、受信部１１は、宛先局２から送信されるパイロット信号を受信して復調することにより、無線装置１０と宛先局２との間の無線チャネルＨを推定する。無線チャネルＨを表すチャネル情報は、受信部１１から信号合成部１３に与えられる。

信号生成部１２は、データＳからデータ系列および人工雑音系列を生成する。この実施例では、データ系列Ｓおよび人工雑音系列ＡＮ１、ＡＮ２が生成される。データＳは、アプリケーション（または、アプリケーション層）から無線装置１０に与えられる。なお、後で詳しく記載するが、データ系列と人工雑音系列との間には、相関が存在する。また、複数の人工雑音が生成されるときは、人工雑音間にも相関が存在する。

信号合成部１３は、無線チャネルＨを表すチャネル情報に基づいて、データ系列および人工雑音系列を合成する。すなわち、信号合成部１３は、無線チャネルＨを表すチャネル情報に基づいて、データ系列および人工雑音系列に対してプリコーディング処理を実行する。この結果、送信信号Ｔ１～Ｔ３が生成される。このとき、プリコーディング処理は、無線装置１０から送信信号Ｔ１～Ｔ３が送信されたときに、無線チャネルＨにおいて人工雑音が相殺されるように、送信信号Ｔ１～Ｔ３を生成する。

送信部１４は、アンテナＡ１～Ａ３を介して送信信号Ｔ１～Ｔ３を出力する。具体的には、送信信号Ｔ１はアンテナＡ１を介して出力され、送信信号Ｔ２はアンテナＡ２を介して出力され、送信信号Ｔ３はアンテナＡ３を介して出力される。

送信信号Ｔ１～Ｔ３は、無線チャネルＨを介して宛先局２に伝搬される。ここで、送信信号Ｔ１～Ｔ３は、無線チャネルＨにおいて人工雑音が相殺されるように生成されている。よって、無線チャネルＨにおいて人工雑音ＡＮ１、ＡＮ２が相殺され、宛先局２は、受信信号からデータＳを再生できる。一方、送信信号Ｔ１～Ｔ３は、無線チャネルＧを介して盗聴局３に伝搬される。ところが、送信信号Ｔ１～Ｔ３は無線チャネルＨに基づいて生成されているので、盗聴局３において人工雑音ＡＮ１、ＡＮ２は残存する。したがって、盗聴局３は、受信信号からデータＳを再生できない。

なお、信号生成部１２および信号合成部１３は、例えば、プロセッサおよびメモリを含むプロセッサシステムにより実現される。この場合、プロセッサは、メモリに格納されているプログラムを実行することにより信号生成部１２および信号合成部１３の機能を提供する。なお、信号生成部１２および信号合成部１３は、１個のプロセッサシステムで実現してもよいし、複数のプロセッサシステムで実現してもよい。或いは、信号生成部１２および信号合成部１３は、デジタル信号処理回路で実現してもよい。さらに、信号生成部１２および信号合成部１３は、ソフトウェア処理およびハードウェア回路の組合せで実現してもよい。

図５は、信号生成部１２の一例を示す。この実施例では、信号生成部１２は、相関系列生成部２１～２２、およびマッパ２３～２５を備える。なお、信号生成部１２は、図５に示していない他の機能または要素を備えてもよい。そして、信号生成部１２には、データＳが与えられる。なお、この実施例では、データＳは、シンボル列（ｓ₁ ～ｓ_N ）で表されるものとする。各シンボルは、変調方式に応じて決まるビット数のデータを伝送する。例えば、無線装置１０がＱＰＳＫでデータを送信するときは、各シンボルは２ビットのデータを伝送する。また、無線装置１０が１６ＱＡＭでデータを送信するときは、各シンボルは４ビットのデータを伝送する。

相関系列生成部２１は、データＳに基づいて第１の相関系列を生成する。ここで、第１の相関系列は、人工雑音として使用される。よって、以下の記載では、相関系列生成部２１により生成される第１の相関系列を「人工雑音系列ＡＮ１」と呼ぶことがある。人工雑音系列ＡＮ１は、シンボル列（ａｎ１₁ ～ａｎ１_N ）で表される。人工雑音系列ＡＮ１のシンボル数は、データＳのシンボル数と同じである。

相関系列生成部２２は、人工雑音系列ＡＮ１に基づいて第２の相関系列を生成する。ここで、第２の相関系列も、人工雑音として使用される。よって、以下の記載では、相関系列生成部２２により生成される第２の相関系列を「人工雑音系列ＡＮ２」と呼ぶことがある。人工雑音系列ＡＮ２は、シンボル列（ａｎ２₁ ～ａｎ２_N ）で表される。人工雑音系列ＡＮ２のシンボル数も、データＳのシンボル数と同じである。

マッパ（変調器）２３は、指定された変調方式に応じて、データＳの各シンボルを順番にコンスタレーション上にマッピングする。この結果、データＳを表す変調信号が生成される。例えば、無線装置１０がＱＰＳＫでデータを送信するときは、各シンボルは、そのシンボルの値（00、01、10、11）に対応する信号点にマッピングされる。このマッピングにより、各シンボルは、例えば、複素数で表される。この場合、この複素数は、信号の位相および振幅を表す。

マッパ（変調器）２４は、指定された変調方式に応じて、人工雑音系列ＡＮ１の各シンボルを順番にコンスタレーション上にマッピングする。この結果、人工雑音系列ＡＮ１を表す変調信号が生成される。また、マッパ（変調器）２５は、指定された変調方式に応じて、人工雑音系列ＡＮ２の各シンボルを順番にコンスタレーション上にマッピングする。この結果、人工雑音系列ＡＮ２を表す変調信号が生成される。尚、マッパ２３～２５は、同じ変調方式でマッピングを行うことが好ましい。

マッパ２３～２５により生成される変調信号は、信号合成部１３に与えられる。そうすると、信号合成部１３は、無線装置１０と宛先局２との間の無線チャネルＨを表すチャネル情報に基づいて、それらの変調信号を合成する。この結果、送信信号Ｔ１～Ｔ３が生成される。

図６は、信号生成部１２の処理の一例を示すフローチャートである。なお、無線装置１０は、このフローチャートの処理を実行する前に、無線装置１０と宛先局２との間の無線チャネルＨを表すチャネル情報を取得しているものとする。無線チャネルＨは、例えば、宛先局２から送信されるパイロット信号を受信部１１が受信することで推定される。

Ｓ１において、信号生成部１２は、送信データを取得する。送信データは、アプリケーション（または、アプリケーション層）から無線装置１０に与えられる。そして、信号生成部１２は、無線装置１０が使用する変調方式に従って、送信データからデータ系列を生成する。例えば、ＱＰＳＫでデータが送信されるときは、各シンボルに２ビットのデータが割り当てられる。これにより、データ系列（ｓ₁ ～ｓ_N ）が得られる。

Ｓ２において、信号生成部１２は、変数ｋを１に初期化する。変数ｋは、生成すべき人工雑音系列の個数をカウントする。

Ｓ３において、信号生成部１２は、データ系列に基づいて１番目の人工雑音系列を生成する。すなわち、人工雑音系列ＡＮ１が生成される。図５に示す例では、人工雑音系列ＡＮ１は、相関系列生成部２１により生成される。なお、人工雑音系列ＡＮ１を生成する方法は、後で図７を参照しながら説明する。

Ｓ４において、変数ｋが所定数を越えているか否かを判定する。この実施例では、所定数は、「無線装置１０が備える送信アンテナ数－２」である。図４に示す例では、無線装置１０は３本のアンテナ（Ａ１～Ａ３）を備える。よって、この場合、所定数は「１」であり、変数ｋの値が１よりも大きいか否かが判定される。

変数ｋが所定数を越えていないときは、信号生成部１２は、Ｓ５において、先に生成されている人工雑音系列に基づいて新たな人工雑音系列を生成する。例えば、図５において人工雑音系列ＡＮ１が生成されているときは、相関系列生成部２２により、人工雑音系列ＡＮ１に基づいて人工雑音系列ＡＮ２が生成される。人工雑音系列に基づいて新たな人工雑音系列を生成する方法は、データ系列に基づいて人工雑音系列を生成する方法と実質的に同じであり、後で図７を参照しながら説明する。

Ｓ６において、信号生成部１２は、変数ｋを１だけインクリメントする。この後、信号生成部１２の処理はＳ４に戻る。このように、信号生成部１２は、変数ｋが所定数を越えるまで、Ｓ４～Ｓ６の処理を繰り返し実行する。即ち、「アンテナ数－１」個の人工雑音系列が生成される。このとき、ｉ番目の人工雑音系列に基づいて、ｉ＋１番目の人工雑音系列が生成される。図４～図５に示す例では、２個の人工雑音系列（ＡＮ１、ＡＮ２）が生成される。なお、データ系列の数および人工雑音系列の数の和は、無線装置１０が備える送信アンテナの数と同じである。

変数ｋが所定数を越えると（Ｓ４：Ｙｅｓ）、信号生成部１２は、Ｓ７において、各系列の各シンボルについてマッピングを実行する。図５に示す例では、マッパ２３によりデータ系列を表す変調信号が生成され、マッパ２４により人工雑音系列ＡＮ１を表す変調信号が生成され、マッパ２５により人工雑音系列ＡＮ２を表す変調信号が生成される。そして、これらの変調信号は、信号合成部１３において合成される。

図７は、人工雑音系列を生成する方法の一例を示すフローチャートである。このフローチャートの処理は、図６に示すＳ３に相当する。すなわち、相関系列生成部２１によりデータ系列から人工雑音系列ＡＮ１が生成されるものとする。

Ｓ１１において、相関系列生成部２１は、人工雑音系列を生成する処理のための初期設定を行う。すなわち、相関系列生成部２１は、変数ｉを１に初期化する。変数ｉは、データ系列の各シンボルを識別する。また、相関系列生成部２１は、閾値Ｃを取得する。閾値Ｃは、図５に示す例では、データ系列と人工雑音系列との相関を表す係数Ｃ_S-ANに相当する。なお、閾値Ｃは、例えば、シミュレーション等により予め決められており、無線装置１０が備えるメモリの保存されている。

Ｓ１２において、相関系列生成部２１は、変数ｉがＮを超えているか否かを判定する。Ｎの値は、データ系列のシンボル数を表す。すなわち、相関系列生成部２１は、データ系列内の全てのシンボルについてＳ１３～Ｓ１６の処理を実行したか否かを判定する。そして、データ系列中に、Ｓ１３～Ｓ１６の処理を実行していないシンボルが残っているときは、相関系列生成部２１の処理はＳ１３に進む。

Ｓ１３において、相関系列生成部２１は、ゼロ以上、且つ、１未満の範囲内で乱数Ｒを生成する。Ｓ１４において、相関系列生成部２１は、Ｓ１３で生成した乱数Ｒと閾値Ｃとを比較する。

乱数Ｒが閾値Ｃ以下であるときは、Ｓ１５において、相関系列生成部２１は、データ系列Ｓの対応するシンボルに基づいて人工雑音系列ＡＮ１のシンボルを決定する。具体的には、人工雑音系列ＡＮ１のｉ番目のシンボルａｎ１_i として、データ系列Ｓのｉ番目のシンボルｓ_i と同じ値が出力される。なお、各シンボルは、例えば、複素数で表される。

一方、乱数Ｒが閾値Ｃより大きいときは、Ｓ１６において、相関系列生成部２１は、データ系列Ｓとは無関係に人工雑音系列ＡＮ１のシンボルを決定する。このとき、相関系列生成部２１は、無線装置１０が使用する変調方式により提供される複数の信号点の中から１つの信号点をランダムに選択する。例えば、無線装置１０がＱＰＳＫでデータを送信するときは、ＱＰＳＫが提供する４個の信号点（00、01、10、11）の中からランダムに１つの信号点が選択される。そして、相関系列生成部２１は、人工雑音系列ＡＮ１のｉ番目のシンボルａｎ１_i として、選択した信号点を表す値を出力する。

Ｓ１７において、相関系列生成部２１は、変数ｉを１だけインクリメントする。この後、相関系列生成部２１の処理はＳ１２に戻る。すなわち、相関系列生成部２１は、データ系列内の全てのシンボルについてＳ１３～Ｓ１６の処理を実行する。この結果、データ系列と同じシンボル数の人工雑音系列ＡＮ１が生成される。

このように、乱数Ｒが閾値Ｃ以下であるときは、データＳに基づく人工雑音シンボルが生成される。一方、乱数Ｒが閾値Ｃより大きいときは、データＳとは無関係な人工雑音シンボルが生成される。したがって、閾値Ｃが大きいときはデータＳと人工雑音ＡＮ１との相関が高くなり、閾値Ｃが小さいときはデータＳと人工雑音ＡＮ１との相関が低くなる。すなわち、閾値Ｃを調整することにより、データＳと人工雑音ＡＮ１との間の相関の高さを決定することが可能である。

人工雑音系列から新たな人工雑音系列を生成する方法は、データ系列から人工雑音系列を生成する方法と実質的に同じである。すなわち、図７に示すフローチャートに従って、人工雑音系列から新たな人工雑音系列が生成され得る。ただし、人工雑音系列から新たな人工雑音系列を生成する処理は、図５に示す例では、相関系列生成部２２により実行される。また、人工雑音系列から新たな人工雑音系列を生成する処理で使用される閾値（図５においては、Ｃ_AN-AN ）は、データ系列から人工雑音系列を生成する処理で使用される閾値（図５においては、Ｃ_S-AN ）と異なっていてもよい。

データ系列Ｓおよび人工雑音系列ＡＮ１、ＡＮ２は、信号合成部１３において合成される。よって、信号合成部１３により行われるプリコーディング処理について説明する。

無線装置１０と宛先局２との間の無線チャネルがＨで表されるものとする。この場合、Ｈは、Ｎ_B行、Ｎ_A列の複素数行列である。Ｎ_Aは、無線装置１０が備える送信アンテナの数を表し、Ｎ_Bは、宛先局２が備える受信アンテナの数を表す。

チャネル行列Ｈに対して特異値分解を行うことにより、チャネル行列Ｈを（１）式で表すことができる。

Ｕは、Ｎ_B行、Ｎ_B列のユニタリ行列である。Ｖは、Ｎ_A行、Ｎ_A列のユニタリ行列である。Λは、Ｎ_B行、Ｎ_A列の複素行列である。Λの第１行～第Ｎ_B行、第１列～第Ｎ_B列は、対角行列である。この対角行列の対角線上の各要素は、それぞれ特異値に相当する。なお、Λの第Ｎ_B＋１列～第Ｎ_A列は、ゼロ行列である。

行列Ｖは、第１行～第Ｎ_B列のサブ行列Ｖ１、および第Ｎ_B＋１列～第Ｎ_A列のサブ行列Ｚに分解される（Ｖ＝[Ｖ１，Ｚ]）。ここで、Ｕ、Λ、Ｖは、チャネル行列Ｈを特異値分解することにより得られている。よって、ＨＺは、ゼロ行列である。なお、Ｚは、無線チャネルＨに対応するヌル空間を表す。

信号合成部１３によるプリコーディング処理は、データ系列および複数の人工雑音系列から構成される信号ベクトルに行列Ｖを乗算することで実現される。一例として、図４～図５に示すケースについて説明する。なお、無線装置１０は、３本の送信アンテナを有するので、Ｎ_Aは３である。また、宛先局２は、１本の受信アンテナを使用して無線信号を受信するものとする。すなわち、Ｎ_Bは１である。

ここで、第１シンボルのデータＳおよび人工雑音ＡＮ１、ＡＮ２から構成される列ベクトル[s₁, an1₁, an2₁ ]^T が信号構成部１３に入力されるものとする。そうすると、信号構成部１３は、この列ベクトルに複素行列Ｖを乗算する。この乗算演算は、（２）式で表される。なお、Ｘは、信号合成部１３により生成される送信信号ベクトルを表す。

したがって、送信信号は、（３）式で表される。

送信信号ｘ１、ｘ２、ｘ３は、それぞれ、アンテナＡ１、Ａ２、Ａ３を介して出力される。

宛先局２は、無線装置１０から送信される信号ｘ１～ｘ３を受信する。そうすると、宛先局２における受信信号ｒ１は（４）式で表される。なお、ｎｄは、宛先局２における雑音電力を表す。

このように、ＨＺがゼロなので、無線チャネルＨにおいて人工雑音成分は相殺されてゼロになる。すなわち、宛先局２の受信信号は、人工雑音成分を含まない。よって、宛先局２は、受信信号ｒ１からデータシンボルｓ１を再生できる。同様に、後続のデータシンボルも再生される。

これに対して、盗聴局３における受信信号ｒ２は（５）式で表される。なお、ｎｅは、盗聴局３における雑音電力を表す。

ところが、無線装置１０と宛先局２との間の無線チャネルＨと、無線装置１０と盗聴局３との間の無線チャネルＧとの間には相関が無い。よって、ＧＺはゼロではなく、盗聴局３の受信信号は、人工雑音成分を含む。すなわち、盗聴局３は、受信信号ｒ２からデータを再生できない。

なお、上述したように、送信局において合成される複数の信号が互いに独立しているときには、盗聴局３は、独立成分分析を利用してそれらの信号を高い確率で互いに分離できる。すなわち、送信データと人工雑音との間に相関がないときは、盗聴局３により送信データが解読されることがある。

ところが、図２に示す構成とは異なり、第１の実施形態に係わる無線装置１０においては、各人工雑音系列の各シンボルの値はランダムに生成されるのではなく、送信データに基づいて生成される。よって、無線装置１０により生成される人工雑音系列は、非ガウス分布信号である。また、信号合成部１３により合成される複数の信号間には、相関が存在する。具体的には、データＳと人工雑音ＡＮ１との間には相関があり、人工雑音ＡＮ１、ＡＮ２間にも相関がある。したがって、独立成分分析でデータＳ、人工雑音ＡＮ１、ＡＮ２を互いに分離することは困難である。

図８は、第１の実施形態による効果の一例を示す。この例では、図５に示す構成において図７に示す方法で人工雑音系列ＡＮ１、ＡＮ２が生成される。変調方式はＱＰＳＫである。データＳから人工雑音ＡＮ１を生成する処理で使用する閾値Ｃ_S-ANは0.5であり、人工雑音ＡＮ１から人工雑音ＡＮ２を生成する処理で使用する閾値Ｃ_AN-ANは0.9である。

この例では、第１の実施形態の無線装置１０でデータＳが送信されると、盗聴局３における解成功読率は約３パーセントである。すなわち、図２に示す構成と比較すると、第１の実施形態の無線装置１０によれば、盗聴局３における解読成功率は１０分の１未満に抑制される。

＜第２の実施形態＞
第１の実施形態では、閾値Ｃは予め決定される。これに対して、第２の実施形態では、通信環境などに応じて閾値Ｃが決定される。

図９は、本発明の第２の実施形態に係わる無線装置の一例を示す。無線装置３０は、受信部１１、信号生成部１２、信号合成部１３、送信部１４、複数の送信アンテナＡ１～Ａ３、および相関係数算出部３１を備える。なお、受信部１１、信号生成部１２、信号合成部１３、送信部１４、複数の送信アンテナＡ１～Ａ３は、第１の実施形態および第２の実施形態において実質的に同じである。

相関係数算出部３１は、図９に示すように、設定情報および／または無線チャネルの状態に応じて相関係数を決定する。相関係数は、データ系列と人工雑音系列との間の相関を表す係数および人工雑音系列間の相関を表す係数を含む。

例えば、相関係数算出部３１は、無線通信システムが要求する秘匿性能に応じて相関係数を決定する。ここで、盗聴局３が独立成分分析を利用して信号の分離を試みることを想定した場合、相関係数が高いほど、送信データが解読されにくくなる。したがって、要求される秘匿性能が高いときは、相関係数算出部３１は、大きい相関係数を設定することが好ましい。一方、要求される秘匿性能が低いときは、相関係数算出部３１は、小さい相関係数を設定してもよい。なお、無線通信システムが要求する秘匿性能は、図９に示す例では、設定情報として相関係数算出部３１に与えられる。

相関係数算出部３１は、無線装置３０が備える送信アンテナの数に応じて相関係数を決定してもよい。ここで、送信アンテナの数が多いときは、人工雑音系列の数が多くなるので、送信データが解読されにくくなる。したがって、送信アンテナの数が多いときは、相関係数算出部３１は、小さい相関係数を設定してもよい。一方、送信アンテナの数が少ないときは、相関係数算出部３１は、大きい相関係数を設定することが好ましい。なお、無線装置３０が備える送信アンテナの数は、図９に示す例では、設定情報として相関係数算出部３１に与えられる。

送信局が備える複数のアンテナと受信局が備える１または複数のアンテナとの間には、複数のチャネル（又は、パス）が設定される。そして、これらのチャネル間の相関の大きさは、送信局および受信局が置かれる環境に依存する。すなわち、反射または回折の多いマルチパス環境（例えば、屋内環境）においては、チャネル間の相関が低くなりやすい。反対に、マルチパスが少ない環境（例えば、屋外の解放空間）においては、チャネル間の相関が高くなりやすい。

ここで、チャネル間の相関が高いときには、盗聴局３が受信する信号間の相関も高くなり、独立成分分析による分析性能が低くなりやすい。このため、チャネル間の相関が高いときは、相関係数算出部３１は、小さい相関係数を設定してもよい。一方、チャネル間の相関が低いときは、相関係数算出部３１は、大きい相関係数を設定することが好ましい。なお、無線装置３０は、宛先局２から送信されるパイロット信号を利用して、無線装置３０と宛先局２との間のマルチパス環境（すなわち、チャネル間の相関）を推定することができる。

独立成分分析の解読性能は、データを伝送する変調方式に依存する。例えば、シンボル当りのビット数が多い変調方式においては、コンスタレーション上にマッピングされるデータ信号の分布がガウス分布に近くなる。そして、データ信号の分布がガウス分布に近いときは、独立成分分析による解読が困難になる。したがって、シンボル当りのビット数が多い変調方式でデータが伝送されるときは、相関係数算出部３１は、小さい相関係数を設定してもよい。一方、シンボル当りのビット数が少ない変調方式でデータが伝送されるときは、相関係数算出部３１は、大きい相関係数を設定することが好ましい。なお、データを伝送する変調方式は、図９に示す例では、設定情報として相関係数算出部３１に与えられる。

相関係数の決定は、例えば、図１０に示すテーブルを参照することで実現される。この実施例では、無線装置３０が備える送信アンテナの数、変調方式、マルチパス環境の組合せに対して相関係数が設定されている。この場合、この対応関係は、例えば、シミュレーションまたは測定により予め作成される。そして、相関係数算出部３１は、設定情報およびチャネル情報に基づいて図１０に示すテーブルを参照することで、相関係数を決定することができる。

なお、相関係数は、図５または図７に示す実施例において閾値Ｃとして使用される。よって、相関係数が大きいほど、系列間の相関が高くなる。具体的には、閾値Ｃ_S-ANとして使用される相関係数が大きいほど、データと人工雑音との間の相関が高くなる。また、閾値Ｃ_AN-ANとして使用される相関係数が大きいほど、人工雑音間の相関が高くなる。

また、上述したように、盗聴局３が独立成分分析を使用するときは、相関係数が大きいほど送信データが解読されにくくなる。よって、大きな相関係数を使用すれば、秘匿性能が高くなる。ただし、相関係数が高いときは、複数の信号系列の中の１つが解析された場合、他の系列も解析されてしまう可能性が高い。即ち、相関係数を大きくし過ぎると、秘匿性能が低下することもある。したがって、相関係数は、これらの要因を考慮して決定することが好ましい。

例えば、無線通信システムが要求する秘匿性能が低いときは、人工雑音間の相関係数よりも、送信データと人工雑音との間の相関係数を優先的に小さくする。この場合、仮に、人工雑音が解読されても、その人工雑音から送信データを推定することは困難である。

＜第３の実施形態＞
第１～第２の実施形態では、データ系列Ｓから人工雑音系列ＡＮ１が生成され、人工雑音系列ＡＮ１から人工雑音系列ＡＮ２が生成される。これに対して第３の実施形態では、データ系列Ｓから人工雑音系列ＡＮ１および人工雑音系列ＡＮ２が生成される。

図１１は、第３の実施形態に係わる信号生成部の一例を示す。第３の実施形態においては、信号生成部１２ａは、図５に示す相関系列生成部２１、２２の代わりに、相関系列生成部２１ａ、２２ａを備える。相関系列生成部２１ａは、相関系列生成部２１と実質的に同じであり、データ系列Ｓから人工雑音系列ＡＮ１を生成する。一方、相関系列生成部２２ａは、相関系列生成部２２とは異なり、データ系列Ｓから人工雑音系列ＡＮ２を生成する。

なお、データ系列Ｓ、人工雑音系列ＡＮ１、人工雑音系列ＡＮ２のシンボル数は、互いに同じである。相関系列生成部２１ａが使用する閾値Ｃ_S-AN1および相関系列生成部２２ａが使用する閾値Ｃ_S-AN2は、互いに同じであってもよいし、互いに同じでなくてもよい。受信部１１、信号合成部１３、送信部１４、マッパ２３～２５の構成および動作は、第１～第３の実施形態において実質的に同じである。

＜第４の実施形態＞
第１～第３の実施形態では、送信データと人工雑音との間に相関が存在する。これに対して第４の実施形態では、人工雑音は、送信データに依存せずに生成される。

図１２は、第４の実施形態に係わる信号生成部の一例を示す。第４の実施形態においては、信号生成部１２ｂは、図５に示す相関系列生成部２１、２２の代わりに、相関系列生成部２６を備える。相関系列生成部２６は、データ系列Ｓから独立して人工雑音系列ＡＮ１、ＡＮ２を生成する。すなわち、データ系列Ｓと人工雑音系列ＡＮ１、ＡＮ２との間に相関はない。ただし、人工雑音系列ＡＮ１、ＡＮ２のシンボル数は、いずれもデータ系列Ｓと同じである。また、人工雑音系列ＡＮ１、ＡＮ２間には相関がある。人工雑音系列ＡＮ１、ＡＮ２間の相関の高さは、閾値Ｃにより指定される。

＜バリエーション＞
上述の実施例では、無線装置は３本の送信アンテナを備え、３個の信号系列（データ系列Ｓ、人工雑音系列ＡＮ１、ＡＮ２）が合成されて出力される。ただし、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、無線装置は、Ｎ（Ｎは、４以上の整数）本の送信アンテナを備え、Ｎ個の信号系列を合成して出力してもよい。この場合、１番目の人工雑音系列はデータ系列から生成され、ｉ（ｉ＝２～Ｎ－１）番目の人工雑音系列はｉ－１番目の人工雑音系列に基づいて生成される。この結果、Ｎ－１個の人工雑音系列が生成される。そして、データ系列およびＮ－１個の人工雑音系列が合成されて出力される。

また、上述の実施例では、無線装置１０、３０は、図１に示す基地局１として動作するが、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、無線装置１０、３０は、図１に示す端末装置として動作してもよいし、他の任意の無線装置として動作してもよい。

＜ハードウェア構成＞
図１３は、無線装置のハードウェア構成の一例を示す。無線装置は、この実施例では、受信回路４１、プロセッサ４２、メモリ４３、送信回路４４を備える。受信回路４１は、図４に示す受信部１１に相当し、無線信号を受信して復調する。プロセッサ４２は、メモリ４３に格納されているプログラムを実行することにより、信号生成部１２および信号合成部１３の機能を提供する。この場合、プログラムは、図６～図７に示すフローチャートの手順を記述する。送信回路４４は、図４に示す送信部１４に相当し、アンテナを介して送信信号を出力する。

１送信局
２宛先局
３盗聴局
１０無線装置
１１受信部
１２、１２ａ、１２ｂ信号生成部
１３信号合成部
１４送信部
２１、２１ａ、２１ｂ、２２、２２ａ、２６相関系列生成部
２３～２５マッパ（変調器）
３１相関係数算出部
４２プロセッサ
１００無線通システム

Claims

複数のアンテナと、
送信データに基づいて第１の相関系列を生成する第１の相関系列生成部と、
前記第１の相関系列に基づいて第２の相関系列を生成する第２の相関系列生成部と、
前記送信データを変調して第１の変調信号を生成する第１の変調部と、
前記第１の相関系列を変調して第２の変調信号を生成する第２の変調部と、
前記第２の相関系列を変調して第３の変調信号を生成する第３の変調部と、
前記第１の変調信号、前記第２の変調信号、および前記第３の変調信号を合成して第１の送信信号、第２の送信信号、および第３の送信信号を生成する信号合成部と、
前記複数のアンテナの中の第１のアンテナを介して前記第１の送信信号を出力し、前記複数のアンテナの中の第２のアンテナを介して前記第２の送信信号を出力し、前記複数のアンテナの中の第３のアンテナを介して前記第３の送信信号を出力する送信部と、
を備える無線装置。
前記送信データのシンボル数、前記第１の相関系列のシンボル数、および前記第３の相関系列のシンボル数は、互いに同じである
ことを特徴とする請求項１に記載の無線装置。
前記第１の変調部による変調方式、前記第２の変調部による変調方式、および前記第３の変調部による変調方式は、互いに同じである
ことを特徴とする請求項１に記載の無線装置。
前記送信データと前記第１の相関系列との間の相関、及び、前記第１の相関系列と前記第２の相関系列との間の相関は、それぞれ、前記変調方式のシンボル当りのビット数に基づいて決定される
ことを特徴とする請求項３に記載の無線装置。
前記送信データと前記第１の相関系列との間の相関、及び、前記第１の相関系列と前記第２の相関系列との間の相関は、それぞれ、前記第１～第３のアンテナと宛先局との間に設定される複数の無線チャネルの間の相関の大きさに基づいて決定される
ことを特徴とする請求項１に記載の無線装置。
前記送信データと前記第１の相関系列との間の相関、及び、前記第１の相関系列と前記第２の相関系列との間の相関は、それぞれ、前記無線装置のアンテナ数に基づいて決定される
ことを特徴とする請求項１に記載の無線装置。
前記信号合成部は、前記無線装置と宛先局との間の無線チャネルの状態に基づいて、前記無線チャネルにおいて前記第１の相関系列および前記第２の相関系列が相殺されるように、前記第１の変調信号、前記第２の変調信号、および前記第３の変調信号を合成して前記第１の送信信号、前記第２の送信信号、および前記第３の送信信号を生成する
ことを特徴とする請求項１に記載の無線装置。
前記無線装置がＮ（Ｎは、４以上の整数）個のアンテナを備えるときは、
前記第１の相関系列および前記第２の相関系列を含むＮ－１個の相関系列が生成され、
前記Ｎ－１個の相関系列から、前記第２の変調信号および前記第３の変調信号を含むＮ－１個の変調信号が生成され、
前記信号合成部は、前記第１の変調信号および前記Ｎ－１個の変調信号を合成して前記第１～第３の送信信号を含むＮ個の送信信号を生成し、
前記送信部は、前記Ｎ個のアンテナを介して前記Ｎ個の送信信号を出力する
ことを特徴とする請求項１に記載の無線装置。
送信データに基づいて第１の相関系列を生成し、
前記第１の相関系列に基づいて第２の相関系列を生成し、
前記送信データを変調して第１の変調信号を生成し、
前記第１の相関系列を変調して第２の変調信号を生成し、
前記第２の相関系列を変調して第３の変調信号を生成し、
前記第１の変調信号、前記第２の変調信号、および前記第３の変調信号を合成して第１の送信信号、第２の送信信号、および第３の送信信号を生成し、
第１のアンテナ、第２のアンテナ、および第３のアンテナを介して、それぞれ、前記第１の送信信号、前記第２の送信信号、および前記第３の送信信号を出力する
ことを特徴とする無線通信方法。
複数のアンテナと、
送信データに基づいて第１の相関系列を生成する第１の相関系列生成部と、
前記送信データに基づいて第２の相関系列を生成する第２の相関系列生成部と、
前記送信データを変調して第１の変調信号を生成する第１の変調部と、
前記第１の相関系列を変調して第２の変調信号を生成する第２の変調部と、
前記第２の相関系列を変調して第３の変調信号を生成する第３の変調部と、
前記第１の変調信号、前記第２の変調信号、および前記第３の変調信号を合成して第１の送信信号、第２の送信信号、および第３の送信信号を生成する信号合成部と、
前記複数のアンテナの中の第１のアンテナを介して前記第１の送信信号を出力し、前記複数のアンテナの中の第２のアンテナを介して前記第２の送信信号を出力し、前記複数のアンテナの中の第３のアンテナを介して前記第３の送信信号を出力する送信部と、
を備える無線装置。
複数のアンテナと、
互いに相関を有する第１の相関系列および第２の相関系列を生成する相関系列生成部と、
送信データを変調して第１の変調信号を生成する第１の変調部と、
前記第１の相関系列を変調して第２の変調信号を生成する第２の変調部と、
前記第２の相関系列を変調して第３の変調信号を生成する第３の変調部と、
前記第１の変調信号、前記第２の変調信号、および前記第３の変調信号を合成して第１の送信信号、第２の送信信号、および第３の送信信号を生成する信号合成部と、
前記複数のアンテナの中の第１のアンテナを介して前記第１の送信信号を出力し、前記複数のアンテナの中の第２のアンテナを介して前記第２の送信信号を出力し、前記複数のアンテナの中の第３のアンテナを介して前記第３の送信信号を出力する送信部と、
を備える無線装置。