JPWO2006013699A1 - 無線通信装置、無線通信システム及び無線通信方法 - Google Patents

無線通信装置、無線通信システム及び無線通信方法 Download PDF

Info

Publication number
JPWO2006013699A1
JPWO2006013699A1 JP2006531343A JP2006531343A JPWO2006013699A1 JP WO2006013699 A1 JPWO2006013699 A1 JP WO2006013699A1 JP 2006531343 A JP2006531343 A JP 2006531343A JP 2006531343 A JP2006531343 A JP 2006531343A JP WO2006013699 A1 JPWO2006013699 A1 JP WO2006013699A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
channel
secret key
wireless communication
mimo
channel estimation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2006531343A
Other languages
English (en)
Inventor
友裕 今井
友裕 今井
湯田　泰明
泰明 湯田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Corp, Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Panasonic Corp
Publication of JPWO2006013699A1 publication Critical patent/JPWO2006013699A1/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0413—MIMO systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0861—Generation of secret information including derivation or calculation of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0875—Generation of secret information including derivation or calculation of cryptographic keys or passwords based on channel impulse response [CIR]

Abstract

ＭＩＭＯ技術を利用する無線通信システムにおいて、第三者に無線信号を傍受されても暗号化通信の盗聴を防止できる無線通信装置を開示する。この装置では、チャネル間相関計算部（１０４）は、チャネル推定部（１０３）から入力されてくる４つのチャネル推定値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおける２つのチャネル間のチャネル相関値を算出し、算出した全６つのチャネル相関値をチャネル選択部（１０５）に入力する。チャネル選択部（１０５）は、チャネル間相関計算部（１０４）から入力されてくる６つのチャネル相関値の中から最小のチャネル相関値を選択し、選択したチャネル相関値に対応する２つのチャネルをチャネル間相関監視部（１１０）に通知すると伴に、その２つのチャネルのチャネル推定値を秘密鍵生成部（１０６）に入力する。

Description

本発明は、複数のアンテナ素子から送信された無線信号を複数のアンテナ素子で受信して無線通信を行うＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）技術を利用した無線通信システム、並びにこのシステムにおいて使用される無線通信装置及び無線通信方法に関する。
近年の情報化社会の発展に伴い、移動体無線通信技術がその利便性から急速に普及している。移動体無線通信では、第三者による無線信号の傍受が比較的容易であるため、移動体無線通信において個人情報や企業の機密情報を送受信する場合には、無線信号の盗聴対策が必要不可欠である。
移動体無線通信における盗聴対策としては、暗号化技術の利用が一般的である。具体的には、移動体無線通信システムにおける伝搬路特性を利用して送信側と受信側との無線通信装置がそれぞれ個別に秘密鍵を生成する暗号化技術が知られている（例えば非特許文献１参照）。非特許文献１に記載された暗号化技術は、移動体無線通信システムにおける伝搬路特性が不規則に時間変動すること、送受信位置の僅かな変動でもその前後における伝搬路の相関が急激に低下すること及び一般に電波の可逆性が成り立つことを利用して、送信側と受信側との無線通信装置がそれぞれ個別に伝搬路特性を測定する。そして、この測定結果から得られる情報を秘密裏に共有して同一の秘密鍵を生成することにより、これら無線通信装置間で暗号化通信を実現するものである。
図１に、非特許文献１に記載された技術の概要を示す。図１では、基地局と移動局とがそれぞれ、パイロット信号を時分割複信（ＴＤＤ：Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ）方式で交互に、かつ、短期間で送受信して、伝搬路特性即ち受信したパイロット信号の振幅や位相等を個別に測定することにより、伝搬路特性情報を共有する。また、基地局と移動局とは、共有した伝搬路特性情報を量子化して０と１との２値からなる量子化データを生成する。そして、生成した量子化データを所定の方式で選択したり、組み合わせたり、繰り返したりさらに必要に応じて誤り訂正することによって秘密鍵を生成する。さらに、基地局又は移動局の一方が、生成した秘密鍵に不可逆的な信号処理、例えばハッシュ化処理を施して、そのハッシュ化情報等を相手局に送信する。相手局は、受信したハッシュ化情報と自局で生成したハッシュ化情報等とを比較することにより、基地局と移動局とで個別に生成された秘密鍵が同一であることを秘密裏に確認し、その確認結果を返信する。このような一連の秘密鍵生成ステップを経た後に、基地局と移動局とは、それぞれが個別に生成した秘密鍵を用いて暗号化通信を開始する。
堀池元樹、笹岡秀一，「陸上移動通信路の不規則変動に基づく秘密鍵共有方式」，信学技報，ＲＣＳ２００２−１７３
しかしながら、非特許文献１に記載された技術では、暗号化通信に使用される秘密鍵が伝搬路特性情報に基づいて生成される。このため、伝搬路特性が移動局と近似する場所に位置する第三者によってパイロット信号が傍受された場合には、この第三者が傍受したパイロット信号から独自に秘密鍵を生成して基地局と移動局との間の暗号化通信を盗聴できるようになる問題がある。
図２に、図１における基地局と移動局との間の暗号化通信が盗聴者によって盗聴されている態様を示す。図２では、伝搬路特性が移動局と近似する場所に盗聴者が位置しており、この盗聴者が基地局から送信されたパイロット信号を秘密裏に傍受している。この盗聴者が傍受したパイロット信号から算出されるチャネル推定値は、移動局の算出するチャネル推定値との相関が必然的に高くなる。そのため、この盗聴者は、基地局と移動局との間の暗号化通信に使用される秘密鍵を、秘密裏に傍受したパイロット信号から独自に生成することができる。その結果、基地局と移動局との間の暗号化通信を盗聴することができる。
本発明の目的は、ＭＩＭＯ技術を利用する無線通信システムにおいて、第三者に無線信号を傍受されても暗号化通信の盗聴を防止できる無線通信装置及び無線通信方法等を提供することである。
本発明に係る無線通信装置は、ＭＩＭＯチャネルの無線信号を受信する複数のアンテナと、前記アンテナによる受信信号のチャネル推定値を算出するチャネル推定手段と、算出されたチャネル推定値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおけるチャネル間のチャネル相関値を算出するチャネル間相関計算手段と、算出されたチャネル相関値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルを選択するチャネル選択手段と、選択されたチャネルのチャネル推定値から秘密鍵を生成する鍵生成手段と、を具備する構成を採る。
本発明によれば、ＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルが選択され、選択されたチャネルのチャネル推定値から暗号化通信に使用される秘密鍵が生成されるため、第三者に無線信号を傍受されてもいずれのチャネルのチャネル推定値を選択するかは第三者にとって不明であることから、第三者による暗号化通信の盗聴を防止することができる。
従来の無線通信システムにおける暗号化通信用の秘密鍵の生成態様を示す図 従来の無線通信システムにおいて暗号化通信用の秘密鍵が盗聴者によって生成される態様を示す図 実施の形態１に係る無線通信装置を備える基地局の構成を示すブロック図 実施の形態１に係る無線通信装置の一部の構成を詳細に示すブロック図 実施の形態１に係る無線通信装置を備える移動局の構成を示すブロック図 実施の形態１に係る無線通信システムの動作を説明する図 実施の形態１に係る無線通信システムにおいて秘密鍵が更新される様子を示す図 実施の形態２に係る無線通信装置を備える基地局の構成を示すブロック図 実施の形態２に係る無線通信システムの動作を説明する図 実施の形態３に係る無線通信システムの動作の概要を説明する図 実施の形態３に係る無線通信装置を備える基地局の構成を示すブロック図 実施の形態３に係る無線通信装置を備える移動局の構成を示すブロック図 実施の形態３に係る無線通信システムの動作を説明する図
以下、本発明の実施の形態について、図を適宜参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の各実施の形態では、ＭＩＭＯ技術を利用するＴＤＤ方式の移動体無線通信システムにおいて、基地局と移動局とが暗号化通信を行う場合を例に説明する。
（実施の形態１）
図３は、本発明の実施の形態１に係る無線通信装置１００を備える基地局の構成を示すブロック図である。無線通信装置１００は、２つのアンテナ素子１０１−１、１０１−２、２つのパイロット受信部１０２−１、１０２−２、チャネル推定部１０３、チャネル間相関計算部１０４、チャネル選択部１０５、秘密鍵生成部１０６、チャネル間相関監視部１１０、パイロット送信制御部１２１及び２つのパイロット送信部１２２−１、１２２−２を有する。
アンテナ素子１０１−１、１０１−２はそれぞれ、後述する移動局の２つのアンテナ素子から送信されたＭＩＭＯチャネルの無線信号を捕捉する。
パイロット受信部１０２−１、１０２−２はそれぞれ、バンドパスフィルタ、アナログ／ディジタル変換器及び低雑音アンプ等を有し、アンテナ素子１０１−１、１０１−２による受信信号からパイロット信号を抽出し、抽出したパイロット信号に所定の受信信号処理を施し、その処理後のパイロット信号をチャネル推定部１０３に入力する。
チャネル推定部１０３は、パイロット受信部１０２−１、１０２−２から入力されてくるパイロット信号に基づいてＭＩＭＯチャネルにおける全４つのチャネルのチャネル推定値を算出し、算出した４つのチャネル推定値をチャネル間相関計算部１０４及びチャネル選択部１０５にそれぞれ入力する。
チャネル間相関計算部１０４は、チャネル推定部１０３から入力されてくる４つのチャネル推定値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおける２つのチャネル間のチャネル相関値を算出し、算出した全６つのチャネル相関値をチャネル選択部１０５に入力する。なお、ＭＩＭＯチャネルにおける２つのチャネル間のチャネル相関値を算出する様子については、後に詳述する。
チャネル選択部１０５は、チャネル間相関計算部１０４から入力されてくる６つのチャネル相関値の中から最小のチャネル相関値を選択し、選択したチャネル相関値に対応する２つのチャネルをチャネル間相関監視部１１０に通知すると伴に、その２つのチャネルのチャネル推定値を秘密鍵生成部１０６に入力する。
秘密鍵生成部１０６は、チャネル選択部１０５から入力されてくる２つのチャネル推定値を量子化して量子化データを生成し、生成した量子化データを既定の方式で選択したり、組み合わせたり、繰り返したり、さらに必要に応じて誤り訂正を行うことによって秘密鍵を生成し、生成した秘密鍵を図示しない制御部等に入力する。
チャネル間相関監視部１１０は、チャネル選択部１０５から通知される２つのチャネルについて、その２つのチャネル間のチャネル相関値を図示しない制御部等から入力されてくるデータ伝送時の（パイロット信号を再度受信するまでの間に受信するデータ信号に基づいて測定された）チャネル推定値から算出して監視する。監視中のチャネル推定値が所定の閾値以上となったときには、チャネル間相関監視部１１０は、パイロット送信制御部１２１に対してパイロット信号の送信を指示するパイロット制御信号を入力する。
パイロット送信制御部１２１は、チャネル間相関監視部１１０からパイロット制御信号が入力されてくると、直ちにパイロット信号を生成し、生成したパイロット信号をパイロット送信部１２２−１、１２２−２にそれぞれ入力する。
パイロット送信部１２２−１、１２２−２はそれぞれ、バンドパスフィルタ、ディジタル／アナログ変換器及び低雑音アンプ等を有しており、パイロット送信制御部１２１から入力されてくるパイロット信号に所定の送信信号処理を施す。処理後のパイロット信号はアンテナ素子１０１−１、１０１−２を介して移動局にＭＩＭＯチャネルで無線送信される。
図４は、チャネル間相関監視部１１０のより詳細な構成を示すブロック図である。チャネル間相関監視部１１０は、監視チャネル抽出部１１１、監視チャネル間相関計算部１１２及び監視チャネル間相関閾値判定部１１３を有する。
監視チャネル抽出部１１１は、データ伝送時のＭＩＭＯチャネルにおける全４つのチャネルのチャネル推定値を図示しない制御部等から入力され、その中のチャネル選択部１０５から通知された２つのチャネルのチャネル推定値だけを監視チャネル間相関計算部１１２に継続的に入力する。なお、無線通信装置１００では、暗号化通信開始後のデータ伝送時において受信信号からデータ信号を分離するために、ＭＩＭＯチャネルにおける全チャネルについてチャネル推定が継続的に行われる。
監視チャネル間相関計算部１１２は、監視チャネル抽出部１１１から入力されてくる２つのチャネル推定値から後述の方式でチャネル相関値を算出し、算出したチャネル相関値を監視チャネル間相関閾値判定部１１３に入力する。
監視チャネル間相関閾値判定部１１３は、監視チャネル間相関計算部１１２から入力されてくるチャネル相関値を監視し、そのチャネル相関値が所定の閾値以上となったときには、直ちにパイロット信号を生成して移動局に送信するように指示するパイロット制御信号をパイロット送信制御部１２１に入力する。
図５は、本実施の形態に係る無線通信装置３００を備える移動局の構成を示すブロック図である。無線通信装置３００は、２つのアンテナ素子３０１−１、３０１−２、２つのパイロット受信部３０２−１、３０２−２、チャネル推定部３０３、チャネル間相関計算部３０４、チャネル選択部３０５、秘密鍵生成部３０６、パイロット送信制御部３２１及び２つのパイロット送信部３２２−１、３２２−２を有する。
アンテナ素子３０１−１、３０１−２はそれぞれ、基地局の２つのアンテナ素子１０１−１、１０１−２から送信されたＭＩＭＯチャネルの無線信号を捕捉する。
パイロット受信部３０２−１、３０２−２はそれぞれ、バンドパスフィルタ、アナログ／ディジタル変換器及び低雑音アンプ等を有し、アンテナ素子３０１−１、３０１−２による受信信号からパイロット信号を抽出し、抽出したパイロット信号に所定の受信信号処理を施す。処理後のパイロット信号はチャネル推定部３０３及びパイロット送信制御部３２１に入力される。
チャネル推定部３０３は、パイロット受信部３０２−１、３０２−２から入力されてくるパイロット信号に基づいてＭＩＭＯチャネルにおける全４つのチャネルのチャネル推定値を算出し、算出した４つのチャネル推定値をチャネル間相関計算部３０４及びチャネル選択部３０５にそれぞれ入力する。
チャネル間相関計算部３０４は、チャネル推定部３０３から入力されてくる４つのチャネル推定値に基づいて２つのチャネル間のチャネル相関値を算出し、算出した全６つのチャネル相関値をチャネル選択部３０５に入力する。
チャネル選択部３０５は、チャネル間相関計算部３０４から入力されてくる６つのチャネル相関値の中から最小のチャネル相関値を選択し、選択したチャネル相関値に対応する２つのチャネルのチャネル推定値を秘密鍵生成部３０６に入力する。
秘密鍵生成部３０６は、チャネル選択部３０５から入力されてくる２つのチャネル推定値を量子化して量子化データを生成し、生成した量子化データを既定の方式で選択したり、組み合わせたり、繰り返したり、さらに必要に応じて誤り訂正を行うことによって秘密鍵を生成する。生成した秘密鍵は図示しない制御部等に入力される。
パイロット送信制御部３２１は、パイロット受信部３０２からパイロット信号が入力されてくると、直ちにパイロット信号を生成し、生成したパイロット信号をパイロット送信部３２２−１、３２２−２にそれぞれ入力する。
パイロット送信部３２２−１、３２２−２はそれぞれ、バンドパスフィルタ、ディジタル／アナログ変換器及び低雑音アンプ等を有しており、パイロット送信制御部３２１から入力されてくるパイロット信号に所定の送信信号処理を施す。処理後のパイロット信号はアンテナ素子３０１−１、３０１−２を介して基地局にＭＩＭＯチャネルで無線送信される。
次いで、本発明に係るＭＩＭＯ技術を利用した無線通信システムの動作について、図６及び図７を用いて説明する。
図６に、ＭＩＭＯ技術を利用した無線通信システムにおいて、基地局と移動局とが暗号化通信を行っており、その近傍で第三者が無線信号を傍受している態様を示す。図６では、基地局の有するアンテナ素子１０１−１と移動局の有するアンテナ素子３０１−１との間に形成されるチャネルをＣ１１と表記する。また、基地局の有するアンテナ素子１０１−２と移動局の有するアンテナ素子３０１−１との間に形成されるチャネルをＣ２１と表記する。また、基地局の有するアンテナ素子１０１−１と移動局の有するアンテナ素子３０１−２との間に形成されるチャネルをＣ１２と表記する。また、基地局の有するアンテナ素子１０１−２と移動局の有するアンテナ素子３０１−２との間に形成されるチャネルをＣ２２と表記する。
ここで、移動局は、基地局からのパイロット信号を受信すると直ちにパイロット信号を返信するため、基地局と移動局とがそれぞれ算出するチャネルＣ１１のチャネル推定値はほぼ同一とみなすことができる。同様に、基地局と移動局とがそれぞれ算出するチャネルＣ２１、Ｃ１２及びＣ２２のチャネル推定値もほぼ同一とみなすことができる。そこで、図６では、基地局と移動局とにおけるチャネルＣ１１のチャネル推定値を共にｈ１１と、チャネルＣ２１のチャネル推定値をｈ２１と、チャネルＣ１２のチャネル推定値をｈ１２と、チャネルＣ２２のチャネル推定値をｈ２２と、表記する。
基地局のチャネル間相関計算部１０４又は移動局のチャネル間相関計算部３０４は、４つのチャネル推定値ｈ１１、ｈ２１、ｈ１２及びｈ２２の中の２つを総当りで組み合わせて、全６つの組み合わせに係るチャネル相関値を計算し、算出した６つのチャネル相関値を全てチャネル選択部１０５又はチャネル選択部３０５に入力する。
ここで、チャネル間相関計算部１０４又はチャネル間相関計算部３０４において、４つのチャネル推定値から６つのチャネル相関値が算出される様子を説明する。ｍ行×ｎ列のＭＩＭＯチャネルのチャネル行列Ｈを下記「式１」で表すとすると、任意の２つのチャネル推定値ｈｉｊ、ｈｘｙ（ｈｉｊ≠ｈｘｙ）の組み合わせに係るチャネル相関値ρｉｊ，ｘｙは、下記「式２」で表される。なお、チャネル行列Ｈにおける「ｍ」は基地局のアンテナ素子１０１の総数を、また同「ｎ」は移動局のアンテナ素子３０１の総数を表すため、本実施の形態ではｍ＝ｎ＝２となる。また、式２におけるＥ［ ］はアンサンブル平均を表す。
Figure 2006013699
Figure 2006013699
そして、チャネル選択部１０５又はチャネル選択部３０５は、入力されてくる６つのチャネル相関値の中から最小のチャネル相関値を選択し、選択したチャネル相関値に対応する２つのチャネルのチャネル推定値を秘密鍵生成部１０６又は秘密鍵生成部３０６に入力する。図６では、チャネル推定値ｈ２１とチャネル推定値ｈ２２との組み合わせに係るチャネル相関値ρ２１，２２が最小となっていることから、チャネル選択部１０５又はチャネル選択部３０５は、チャネル推定値ｈ２１とチャネル推定値ｈ２２とを秘密鍵生成部１０６又は秘密鍵生成部３０６に入力することになる。なお、チャネル相関値ρが最小であるとは、対応する２つのチャネル間のチャネル変動の違いが最大であることを意味する。また、本実施の形態において、チャネル選択部１０５又はチャネル選択部３０５が、チャネルを選択することと、チャネル推定値を選択することと、アンテナ素子１０１、３０１を選択することとは互いに同義である。
秘密鍵生成部１０６又は秘密鍵生成部３０６は、入力されてくるチャネル推定値ｈ２１とチャネル推定値ｈ２２とをそれぞれ量子化して量子化データを生成し、生成した量子化データを既定の方式で選択したり、組み合わせたり、繰り返したり、必要に応じて誤り訂正することによって所定のデータ長の秘密鍵を生成する。
一方で、伝搬路特性が移動局と近似する場所に位置する第三者によって基地局及び移動局の無線送信したパイロット信号が傍受された場合、この第三者によって算出されるチャネル推定値が移動局によって算出されるチャネル推定値とＭＩＭＯチャネルにおける全チャネルについて同一になることは稀有である。換言すれば、図６では、第三者の算出するチャネルＣ２１のチャネル推定値をａ２１とチャネルＣ２２のチャネル推定値ａ２２と表記しているところ、チャネル推定値ｈ２１とａ２１とが一致し、かつ、同時にチャネル推定値ｈ２２とａ２２とが一致する確率は極めて低い。さらに、基地局と移動局とはチャネル相関値ρが最低となる即ちチャネル変動の違いが最大である２つのチャネル推定値ｈ２１とｈ２２とを選択するため、仮に第三者が基地局や移動局と同一の方式で２つのチャネル推定値ａを選択するとしても、この第三者は、基地局や移動局の選択したチャネルとは全く異なるチャネルを選択する可能性が高い。従って、本実施の形態に係る無線通信システムにおいて、第三者は、伝搬路特性が移動局と近似する場所に位置して基地局及び移動局からのＭＩＭＯチャネルのパイロット信号を傍受したとしても、この基地局や移動局の生成する秘密鍵と同一の秘密鍵を生成することは極めて困難であり、暗号化通信を盗聴することは不可能であると言える。
図７に、基地局と移動局とにおいて、暗号化通信で使用される秘密鍵が更新される態様を時系列で示す。基地局と移動局とがパイロット信号の送受信によって秘密鍵を秘密裏に共有すると、直ちに暗号化通信が開始される。そして、暗号化通信中は、基地局のチャネル間相関監視部１１０が、秘密鍵の生成時に選択された２つのチャネル間のチャネル相関値を継続的に監視し、その監視対象のチャネル相関値が所定の閾値以上となったときに、移動局にパイロット信号を送信するように指示するパイロット制御信号をパイロット送信制御部１２１に入力する。そして、基地局と移動局とが、相互にパイロット信号を再度送受信してＭＩＭＯチャネルにおける全４つのチャネル推定値を再度算出し、再度算出したチャネル推定値に基づいてチャネル相関値ρの最小となる２つのチャネルを再度選択することにより、秘密鍵を改めて生成即ち更新する。
このように、本実施の形態によれば、基地局のチャネル選択部１０５又は移動局のチャネル選択部３０５がＭＩＭＯチャネルにおける２つのチャネルを選択し、この選択されたチャネルのチャネル推定値から秘密鍵生成部１０６又は秘密鍵生成部３０６が秘密鍵を生成するため、第三者に無線信号を傍受されてもいずれのチャネルが選択されるかは第三者にとって不明であることから、第三者による暗号化通信の盗聴を防止することができる。
また、本実施の形態によれば、チャネル間相関監視部１１０によって秘密鍵の生成の際に選択された２つのチャネル間のチャネル相関値が継続的に監視され、監視中のチャネル相関値が所定の閾値以上となったときに、秘密鍵が更新されるため、第三者による盗聴をより確実に防止することができる。
また、本実施の形態によれば、チャネル選択部１０５又はチャネル選択部３０５が、チャネル相関値の最小となる２つのチャネルを選択するため、無線信号を傍受した第三者が暗号化通信で使用される秘密鍵を独自に生成してしまう確率を一層低下させることができる。
なお、本実施の形態では、基地局がチャネル間相関監視部１１０を有して秘密鍵を更新する必要性を判定する場合について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではなく、例えば移動局が図３に示す無線通信装置１００を備え、一方で基地局が図５に示す無線通信装置３００を備える構成であってもよい。
また、本実施の形態では、基地局のチャネル選択部１０５又は移動局のチャネル選択部３０５が、チャネル相関値ρの最低となる２つのチャネル推定値ｈｉｊとｈｘｙとを選択する場合について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではなく、例えばチャネル選択部１０５又はチャネル選択部３０５が、信号対雑音比（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ：ＳＮＲ）の高いチャネルから順に選択するようにしてもよい。
また、本実施の形態では、チャネル選択部１０５又はチャネル選択部３０５がＭＩＭＯチャネルにおける２つのチャネルを選択する場合について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではなく、例えばチャネル選択部１０５又はチャネル選択部３０５がチャネルを選択し直す毎に選択するチャネルの数を増減してもよい。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、基地局と移動局とがそれぞれ、秘密鍵を周期的に更新して秘密鍵の秘匿性を保持する。以下、本実施の形態について、重複を避けるため、実施の形態１と相違する点についてのみ説明する。
図８は、本実施の形態に係る無線通信装置６００を有する基地局の構成を示すブロック図である。無線通信装置６００は、上記実施の形態１における無線通信装置１００において、さらにタイマ部６３１を有するものである。
タイマ部６３１は、パイロット信号を生成して移動局に送信するように指示するパイロット制御信号を、既定の周期でパイロット送信制御部１２１に入力する。
図９に、チャネル選択部１０５又はチャネル選択部３０５によって選択されるチャネル推定値ｈを時系列で示す。図９に示すように、基地局と移動局とにおいて、暗号化通信の開始当初は、チャネル推定値ｈ２２とｈ２１とが選択され、チャネル推定値ｈ２２とｈ２１とから秘密鍵が生成される。続いて、Δｔ経過後にタイマ部６３１からパイロット送信制御部１２１にパイロット制御信号が入力され、基地局と移動局とがパイロット信号を送受信することにより、チャネル推定値ｈ２１とｈ１１とが選択されて秘密鍵が更新される。その後、既定の周期Δｔ毎に、タイマ部６３１からパイロット送信制御部１２１にパイロット制御信号が入力され、基地局と移動局とがパイロット信号を送受信して秘密鍵が更新される。
このように、本実施の形態によれば、タイマ部６３１からパイロット送信制御部１２１にパイロット制御信号が既定の周期Δｔで入力されることにより、基地局及び移動局において秘密鍵が更新されるため、秘密鍵の使用中に第三者によって偶発的に同一の秘密鍵が生成されてしまっても、暗号化通信の秘匿性を回復することができる。
なお、本実施の形態では、タイマ部６３１とチャネル間相関監視部１１０とから並行してパイロット送信制御部１２１にパイロット制御信号が入力される場合について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではなく、例えば無線通信装置６００においてチャネル間相関監視部１１０を除去して、タイマ部６３１からのみパイロット送信制御部１２１にパイロット制御信号が入力されるようにしてもよい。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３では、４つのアンテナ素子を有する基地局と３つのアンテナ素子を有する移動局とが、それぞれの有するアンテナ素子を切り替えて使用することにより、チャネル推定値の多様性を増大させた上で秘密鍵を生成し暗号化通信を行う。以下、本実施の形態について、重複を避けるため、実施の形態１と相違する点についてのみ説明する。
図１０に、本実施の形態に係る無線通信システムの動作の概要を示す。図１０において、基地局の有する４つのアンテナ素子１０１−１〜１０１−４は、アンテナ素子１０１−１、１０１−２の第一組と、アンテナ素子１０１−３、１０１−４の第二組と、に区分されている。また、移動局の有する３つのアンテナ素子３０１−１〜３０１−３も、アンテナ素子３０１−１、３０１−２の第一組と、アンテナ素子３０１−２、３０１−３の第二組と、に区分されている。そして、本実施の形態では、図１０に示すように、基地局と移動局とがそれぞれ、秘密鍵の更新が必要になる毎に、第一組のアンテナ素子と第二組のアンテナ素子とを切り替えて交互に使用する。
図１１は、図１０における基地局の備える無線通信装置９００の構成を示すブロック図である。なお、図１１において、前記実施の形態１に係る無線通信装置１００における構成部と同様の機能を発揮する構成部については、無線通信装置１００における構成部と同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
無線通信装置９００は、４つのアンテナ素子１０１−１〜１０１−４、４つのパイロット受信部１０２−１〜１０２−４、チャネル推定部１０３、秘密鍵生成部１０６、パイロット送信制御部１２１、４つのパイロット送信部１２２−１〜１２１−４、アンテナ制御部９５１及び２つの切替部９５２、９５３を具備する。
アンテナ制御部９５１は、図示しない制御部等からパイロット制御信号を入力されたときに、アンテナ切替要求信号を生成し、生成したアンテナ切替要求信号をアンテナ素子１０１を介して移動局に無線送信する。続いて、アンテナ制御部９５１は、このアンテナ切替要求信号に対する移動局の応答である確認信号をアンテナ素子１０１を介して受信した後に、切替部９５２、９５３に対して、パイロット信号を送受信するアンテナ素子１０１の組を切り替えるように指示するアンテナ制御信号を入力する。
切替部９５２、９５３はそれぞれ、アンテナ制御部９５１からアンテナ制御信号が入力されてきたときに、現在使用しているアンテナ素子の組を他方の組に切り替える。
図１２は、図１０における移動局の備える無線通信装置１０００の構成を示すブロック図である。なお、図１２において、前記実施の形態１に係る無線通信装置３００における構成部と同様の機能を発揮する構成部については、無線通信装置３００における構成部と同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
無線通信装置１０００は、３つのアンテナ素子３０１−１〜３０１−３、３つのパイロット受信部３０２−１〜３０２−３、チャネル推定部３０３、秘密鍵生成部３０６、パイロット送信制御部３２１、３つのパイロット送信部３２２−１〜３２２−３、アンテナ制御部１０５１及び２つの切替部１０５２、１０５３を具備する。
アンテナ制御部１０５１は、無線通信装置９００から無線送信されてくるアンテナ切替要求信号をアンテナ素子３０１を介して受信したときに、切替部１０５２、１０５３に対して、パイロット信号を送受信するアンテナ素子３０１の組を切り替えるように指示するアンテナ制御信号を入力する。そして、アンテナ制御部１０５１は、切替部１０５２、１０５３におけるアンテナ素子３０１の組の切り替えが完了したことを示す確認信号を、アンテナ素子３０１を介して無線通信装置９００に無線送信する。
切替部１０５２、１０５３はそれぞれ、アンテナ制御部１０５１からアンテナ制御信号が入力されてきたときに、現在使用しているアンテナ素子の組を他方の組に切り替える。
図１３に、本実施の形態に係る無線通信システムにおいて、基地局と移動局とが暗号化通信で使用するアンテナ素子の組を切り替える態様を時系列で示す。
図１３に示すように、アンテナ素子の組を再度選択する必要が生じたときには、先ず基地局において、アンテナ切替要求が暗号化通信に割り込んで発生する。そして、基地局は、このアンテナ切替要求信号を移動局に送信する。移動局は、アンテナ切替要求信号を受信すると、現在使用しているアンテナ素子の組を他の組に切り替え、その切り替えが完了したことを通知する確認信号を基地局に無線送信する。
このように、本実施の形態によれば、秘密鍵を更新する際にパイロット信号を受信するアンテナ素子が切り替えられるため、その更新の前後で算出されるチャネル推定値が一変することから、第三者が暗号化通信で使用中の秘密鍵を偶発的に生成できたとしても、秘密鍵の更新によって暗号化通信の秘匿性を回復することができる。
また、本実施の形態によれば、秘密鍵を更新する際にパイロット信号を受信するアンテナ素子を機械的に切り替えるだけでよいため、基地局及び移動局における信号処理の負荷を軽減することができる。
また、本実施の形態によれば、基地局や移動局がそれぞれ３つ以上のアンテナ素子を有していても、チャネル推定の対象となるアンテナ素子の数は一定であるため、チャネル推定における演算量やパイロット信号のオーバーヘッドを削減することができる。
なお、本実施の形態では、基地局の切替部９５２、９５３及び移動局の切替部１０５２、１０５３において、アンテナ素子の組が予め定められている場合について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではなく、例えば切替部９５２、９５３、１０５２、１０５３がそれぞれ、アンテナ制御部９５１、１０５１の指示に従って又はランダムに、アンテナ素子を選択するようにしてもよい。さらに、例えば切替部９５２、９５３、１０５２、１０５３がそれぞれ、選択するアンテナ素子の数を適宜調節するようにしてもよい。このようにすれば、チャネル推定値の分散を増大させることができ、秘密鍵の多様性を向上させることができる。
上記各実施の形態では、本発明をハードウェアで構成する場合を例にとって説明したが、本発明はソフトウェアで実現することも可能である。
また、上記各実施の形態の説明に用いた各機能ブロックは、典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現される。これらは個別に１チップ化されてもよいし、一部または全てを含むように１チップ化されてもよい。ここでは、ＬＳＩとしたが、集積度の違いにより、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩと呼称されることもある。
また、集積回路化の手法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサで実現してもよい。ＬＳＩ製造後に、プログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）や、ＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサーを利用してもよい。
さらには、半導体技術の進歩または派生する別技術によりＬＳＩに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックの集積化を行ってもよい。バイオ技術の適応等が可能性としてありえる。
本発明の第１の態様は、ＭＩＭＯチャネルの無線信号を受信する複数のアンテナと、前記アンテナによる受信信号のチャネル推定値を算出するチャネル推定手段と、算出されたチャネル推定値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおけるチャネル間のチャネル相関値を算出するチャネル間相関計算手段と、算出されたチャネル相関値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルを選択するチャネル選択手段と、選択されたチャネルのチャネル推定値から秘密鍵を生成する鍵生成手段と、を具備する無線通信装置である。
この構成によれば、ＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルが選択され、選択されたチャネルのチャネル推定値から暗号化通信に使用される秘密鍵が生成されるため、第三者に無線信号を傍受されてもいずれのチャネルのチャネル推定値を選択するかは第三者にとって不明であることから、第三者による暗号化通信の盗聴を防止することができる。
本発明の第２の態様は、前記発明において、前記チャネル選択手段によって選択されたチャネル間のチャネル相関値を監視し、監視中のチャネル相関値が所定の閾値以上となったときに、前記チャネル選択手段に対して、前記チャネル間相関計算手段によって算出されたチャネル相関値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルを改めて選択させるチャネル間相関監視手段と、をさらに具備する無線通信装置である。
この構成によれば、前記発明による効果に加えて、選択されたチャネル間のチャネル相関値が監視され、監視中のチャネル相関値が所定の閾値以上となったときに、ＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルが改めて選択されて秘密鍵が更新されるため、第三者による盗聴をより確実に防止することができる。
本発明の第３の態様は、前記発明において、前記チャネル選択手段に対して、前記チャネル間相関計算手段によって算出されたチャネル相関値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルを周期的に改めて選択させるタイマ手段をさらに具備する無線通信装置である。
この構成によれば、前記発明による効果に加えて、ＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルのチャネル推定値が周期的に選択されて秘密鍵が更新されるため、秘密鍵の使用中に第三者によって偶発的に同一の秘密鍵が生成されてしまっても、暗号化通信の秘匿性を回復することができる。
本発明の第４の態様は、前記発明において、前記チャネル選択手段は、前記チャネル間相関計算手段によって算出されたチャネル相関値が最低となるＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルを選択する無線通信装置である。
この構成によれば、前記発明による効果に加えて、チャネル相関値が最低となるＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルのチャネル推定値が選択されるため、無線信号を傍受した第三者が暗号化通信で使用される秘密鍵を独自に生成してしまう確率を一層低下させることができる。
本発明の第５の態様は、前記発明において、前記チャネル選択手段は、前回選択したＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルと異なるチャネルを選択する無線通信装置である。
この構成によれば、前記発明による効果に加えて、前回選択されたＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルと異なるチャネルが選択されるため、第三者が暗号化通信で使用される秘密鍵を偶発的に生成したとしても秘密鍵の更新によって暗号化通信の秘匿性を回復することができる。
本発明の第６の態様は、前記発明に係る無線通信装置を複数具備する無線通信システムである。
この構成によれば、ＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルが選択され、選択されたチャネルのチャネル推定値から暗号化通信に使用される秘密鍵が生成されるため、第三者に無線信号を傍受されてもいずれのチャネルのチャネル推定値を選択するかは第三者にとって不明であることから、第三者による暗号化通信の盗聴を防止することができる。
本発明の第７の態様は、複数のアンテナでＭＩＭＯチャネルの無線信号を受信する受信ステップと、前記アンテナによる受信信号のチャネル推定値を算出するチャネル推定ステップと、算出されたチャネル推定値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおけるチャネル間のチャネル相関値を算出するチャネル間相関計算ステップと、算出されたチャネル相関値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルを選択するチャネル選択ステップと、選択されたチャネルのチャネル推定値から秘密鍵を生成する鍵生成ステップと、を具備する無線通信方法である。
この方法によれば、ＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルが選択され、選択されたチャネルのチャネル推定値から暗号化通信に使用される秘密鍵が生成されるため、第三者に無線信号を傍受されてもいずれのチャネルのチャネル推定値を選択するかは第三者にとって不明であることから、第三者による暗号化通信の盗聴を防止することができる。
本明細書は、２００４年８月４日出願の特願２００４−２２８６５９に基づくものである。この内容は全てここに含めておく。
本発明に係る無線通信装置及び無線通信方法は、第三者に無線信号を傍受されても暗号化通信の盗聴を防止できるという効果を有し、ＭＩＭＯ技術を利用した無線通信システム等として有用である。
本発明は、複数のアンテナ素子から送信された無線信号を複数のアンテナ素子で受信して無線通信を行うＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）技術を利用した無線通信システム、並びにこのシステムにおいて使用される無線通信装置及び無線通信方法に関する。
近年の情報化社会の発展に伴い、移動体無線通信技術がその利便性から急速に普及している。移動体無線通信では、第三者による無線信号の傍受が比較的容易であるため、移動体無線通信において個人情報や企業の機密情報を送受信する場合には、無線信号の盗聴対策が必要不可欠である。
移動体無線通信における盗聴対策としては、暗号化技術の利用が一般的である。具体的には、移動体無線通信システムにおける伝搬路特性を利用して送信側と受信側との無線通信装置がそれぞれ個別に秘密鍵を生成する暗号化技術が知られている（例えば非特許文献１参照）。非特許文献１に記載された暗号化技術は、移動体無線通信システムにおける伝搬路特性が不規則に時間変動すること、送受信位置の僅かな変動でもその前後における伝搬路の相関が急激に低下すること及び一般に電波の可逆性が成り立つことを利用して、送信側と受信側との無線通信装置がそれぞれ個別に伝搬路特性を測定する。そして、この測定結果から得られる情報を秘密裏に共有して同一の秘密鍵を生成することにより、これら無線通信装置間で暗号化通信を実現するものである。
図１に、非特許文献１に記載された技術の概要を示す。図１では、基地局と移動局とがそれぞれ、パイロット信号を時分割複信（ＴＤＤ：Time Division Duplex）方式で交互に、かつ、短期間で送受信して、伝搬路特性即ち受信したパイロット信号の振幅や位相等を個別に測定することにより、伝搬路特性情報を共有する。また、基地局と移動局とは、共有した伝搬路特性情報を量子化して０と１との２値からなる量子化データを生成する。そして、生成した量子化データを所定の方式で選択したり、組み合わせたり、繰り返したりさらに必要に応じて誤り訂正することによって秘密鍵を生成する。さらに、基地局又は移動局の一方が、生成した秘密鍵に不可逆的な信号処理、例えばハッシュ化処理を施して、そのハッシュ化情報等を相手局に送信する。相手局は、受信したハッシュ化情報と自局で生成したハッシュ化情報等とを比較することにより、基地局と移動局とで個別に生成された秘密鍵が同一であることを秘密裏に確認し、その確認結果を返信する。このような一連の秘密鍵生成ステップを経た後に、基地局と移動局とは、それぞれが個別に生成した秘密鍵を用いて暗号化通信を開始する。
堀池元樹、笹岡秀一，「陸上移動通信路の不規則変動に基づく秘密鍵共有方式」，信学技報，ＲＣＳ２００２−１７３
しかしながら、非特許文献１に記載された技術では、暗号化通信に使用される秘密鍵が伝搬路特性情報に基づいて生成される。このため、伝搬路特性が移動局と近似する場所に位置する第三者によってパイロット信号が傍受された場合には、この第三者が傍受したパイロット信号から独自に秘密鍵を生成して基地局と移動局との間の暗号化通信を盗聴できるようになる問題がある。
図２に、図１における基地局と移動局との間の暗号化通信が盗聴者によって盗聴されて
いる態様を示す。図２では、伝搬路特性が移動局と近似する場所に盗聴者が位置しており、この盗聴者が基地局から送信されたパイロット信号を秘密裏に傍受している。この盗聴者が傍受したパイロット信号から算出されるチャネル推定値は、移動局の算出するチャネル推定値との相関が必然的に高くなる。そのため、この盗聴者は、基地局と移動局との間の暗号化通信に使用される秘密鍵を、秘密裏に傍受したパイロット信号から独自に生成することができる。その結果、基地局と移動局との間の暗号化通信を盗聴することができる。
本発明の目的は、ＭＩＭＯ技術を利用する無線通信システムにおいて、第三者に無線信号を傍受されても暗号化通信の盗聴を防止できる無線通信装置及び無線通信方法等を提供することである。
本発明に係る無線通信装置は、ＭＩＭＯチャネルの無線信号を受信する複数のアンテナと、前記アンテナによる受信信号のチャネル推定値を算出するチャネル推定手段と、算出されたチャネル推定値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおけるチャネル間のチャネル相関値を算出するチャネル間相関計算手段と、算出されたチャネル相関値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルを選択するチャネル選択手段と、選択されたチャネルのチャネル推定値から秘密鍵を生成する鍵生成手段と、を具備する構成を採る。
本発明によれば、ＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルが選択され、選択されたチャネルのチャネル推定値から暗号化通信に使用される秘密鍵が生成されるため、第三者に無線信号を傍受されてもいずれのチャネルのチャネル推定値を選択するかは第三者にとって不明であることから、第三者による暗号化通信の盗聴を防止することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図を適宜参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の各実施の形態では、ＭＩＭＯ技術を利用するＴＤＤ方式の移動体無線通信システムにおいて、基地局と移動局とが暗号化通信を行う場合を例に説明する。
（実施の形態１）
図３は、本発明の実施の形態１に係る無線通信装置１００を備える基地局の構成を示すブロック図である。無線通信装置１００は、２つのアンテナ素子１０１−１、１０１−２
、２つのパイロット受信部１０２−１、１０２−２、チャネル推定部１０３、チャネル間相関計算部１０４、チャネル選択部１０５、秘密鍵生成部１０６、チャネル間相関監視部１１０、パイロット送信制御部１２１及び２つのパイロット送信部１２２−１、１２２−２を有する。
アンテナ素子１０１−１、１０１−２はそれぞれ、後述する移動局の２つのアンテナ素子から送信されたＭＩＭＯチャネルの無線信号を捕捉する。
パイロット受信部１０２−１、１０２−２はそれぞれ、バンドパスフィルタ、アナログ／ディジタル変換器及び低雑音アンプ等を有し、アンテナ素子１０１−１、１０１−２による受信信号からパイロット信号を抽出し、抽出したパイロット信号に所定の受信信号処理を施し、その処理後のパイロット信号をチャネル推定部１０３に入力する。
チャネル推定部１０３は、パイロット受信部１０２−１、１０２−２から入力されてくるパイロット信号に基づいてＭＩＭＯチャネルにおける全４つのチャネルのチャネル推定値を算出し、算出した４つのチャネル推定値をチャネル間相関計算部１０４及びチャネル選択部１０５にそれぞれ入力する。
チャネル間相関計算部１０４は、チャネル推定部１０３から入力されてくる４つのチャネル推定値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおける２つのチャネル間のチャネル相関値を算出し、算出した全６つのチャネル相関値をチャネル選択部１０５に入力する。なお、ＭＩＭＯチャネルにおける２つのチャネル間のチャネル相関値を算出する様子については、後に詳述する。
チャネル選択部１０５は、チャネル間相関計算部１０４から入力されてくる６つのチャネル相関値の中から最小のチャネル相関値を選択し、選択したチャネル相関値に対応する２つのチャネルをチャネル間相関監視部１１０に通知すると伴に、その２つのチャネルのチャネル推定値を秘密鍵生成部１０６に入力する。
秘密鍵生成部１０６は、チャネル選択部１０５から入力されてくる２つのチャネル推定値を量子化して量子化データを生成し、生成した量子化データを既定の方式で選択したり、組み合わせたり、繰り返したり、さらに必要に応じて誤り訂正を行うことによって秘密鍵を生成し、生成した秘密鍵を図示しない制御部等に入力する。
チャネル間相関監視部１１０は、チャネル選択部１０５から通知される２つのチャネルについて、その２つのチャネル間のチャネル相関値を図示しない制御部等から入力されてくるデータ伝送時の（パイロット信号を再度受信するまでの間に受信するデータ信号に基づいて測定された）チャネル推定値から算出して監視する。監視中のチャネル推定値が所定の閾値以上となったときには、チャネル間相関監視部１１０は、パイロット送信制御部１２１に対してパイロット信号の送信を指示するパイロット制御信号を入力する。
パイロット送信制御部１２１は、チャネル間相関監視部１１０からパイロット制御信号が入力されてくると、直ちにパイロット信号を生成し、生成したパイロット信号をパイロット送信部１２２−１、１２２−２にそれぞれ入力する。
パイロット送信部１２２−１、１２２−２はそれぞれ、バンドパスフィルタ、ディジタル／アナログ変換器及び低雑音アンプ等を有しており、パイロット送信制御部１２１から入力されてくるパイロット信号に所定の送信信号処理を施す。処理後のパイロット信号はアンテナ素子１０１−１、１０１−２を介して移動局にＭＩＭＯチャネルで無線送信される。
図４は、チャネル間相関監視部１１０のより詳細な構成を示すブロック図である。チャネル間相関監視部１１０は、監視チャネル抽出部１１１、監視チャネル間相関計算部１１２及び監視チャネル間相関閾値判定部１１３を有する。
監視チャネル抽出部１１１は、データ伝送時のＭＩＭＯチャネルにおける全４つのチャネルのチャネル推定値を図示しない制御部等から入力され、その中のチャネル選択部１０５から通知された２つのチャネルのチャネル推定値だけを監視チャネル間相関計算部１１２に継続的に入力する。なお、無線通信装置１００では、暗号化通信開始後のデータ伝送時において受信信号からデータ信号を分離するために、ＭＩＭＯチャネルにおける全チャネルについてチャネル推定が継続的に行われる。
監視チャネル間相関計算部１１２は、監視チャネル抽出部１１１から入力されてくる２つのチャネル推定値から後述の方式でチャネル相関値を算出し、算出したチャネル相関値を監視チャネル間相関閾値判定部１１３に入力する。
監視チャネル間相関閾値判定部１１３は、監視チャネル間相関計算部１１２から入力されてくるチャネル相関値を監視し、そのチャネル相関値が所定の閾値以上となったときには、直ちにパイロット信号を生成して移動局に送信するように指示するパイロット制御信号をパイロット送信制御部１２１に入力する。
図５は、本実施の形態に係る無線通信装置３００を備える移動局の構成を示すブロック図である。無線通信装置３００は、２つのアンテナ素子３０１−１、３０１−２、２つのパイロット受信部３０２−１、３０２−２、チャネル推定部３０３、チャネル間相関計算部３０４、チャネル選択部３０５、秘密鍵生成部３０６、パイロット送信制御部３２１及び２つのパイロット送信部３２２−１、３２２−２を有する。
アンテナ素子３０１−１、３０１−２はそれぞれ、基地局の２つのアンテナ素子１０１−１、１０１−２から送信されたＭＩＭＯチャネルの無線信号を捕捉する。
パイロット受信部３０２−１、３０２−２はそれぞれ、バンドパスフィルタ、アナログ／ディジタル変換器及び低雑音アンプ等を有し、アンテナ素子３０１−１、３０１−２による受信信号からパイロット信号を抽出し、抽出したパイロット信号に所定の受信信号処理を施す。処理後のパイロット信号はチャネル推定部３０３及びパイロット送信制御部３２１に入力される。
チャネル推定部３０３は、パイロット受信部３０２−１、３０２−２から入力されてくるパイロット信号に基づいてＭＩＭＯチャネルにおける全４つのチャネルのチャネル推定値を算出し、算出した４つのチャネル推定値をチャネル間相関計算部３０４及びチャネル選択部３０５にそれぞれ入力する。
チャネル間相関計算部３０４は、チャネル推定部３０３から入力されてくる４つのチャネル推定値に基づいて２つのチャネル間のチャネル相関値を算出し、算出した全６つのチャネル相関値をチャネル選択部３０５に入力する。
チャネル選択部３０５は、チャネル間相関計算部３０４から入力されてくる６つのチャネル相関値の中から最小のチャネル相関値を選択し、選択したチャネル相関値に対応する２つのチャネルのチャネル推定値を秘密鍵生成部３０６に入力する。
秘密鍵生成部３０６は、チャネル選択部３０５から入力されてくる２つのチャネル推定
値を量子化して量子化データを生成し、生成した量子化データを既定の方式で選択したり、組み合わせたり、繰り返したり、さらに必要に応じて誤り訂正を行うことによって秘密鍵を生成する。生成した秘密鍵は図示しない制御部等に入力される。
パイロット送信制御部３２１は、パイロット受信部３０２からパイロット信号が入力されてくると、直ちにパイロット信号を生成し、生成したパイロット信号をパイロット送信部３２２−１、３２２−２にそれぞれ入力する。
パイロット送信部３２２−１、３２２−２はそれぞれ、バンドパスフィルタ、ディジタル／アナログ変換器及び低雑音アンプ等を有しており、パイロット送信制御部３２１から入力されてくるパイロット信号に所定の送信信号処理を施す。処理後のパイロット信号はアンテナ素子３０１−１、３０１−２を介して基地局にＭＩＭＯチャネルで無線送信される。
次いで、本発明に係るＭＩＭＯ技術を利用した無線通信システムの動作について、図６及び図７を用いて説明する。
図６に、ＭＩＭＯ技術を利用した無線通信システムにおいて、基地局と移動局とが暗号化通信を行っており、その近傍で第三者が無線信号を傍受している態様を示す。図６では、基地局の有するアンテナ素子１０１−１と移動局の有するアンテナ素子３０１−１との間に形成されるチャネルをＣ１１と表記する。また、基地局の有するアンテナ素子１０１−２と移動局の有するアンテナ素子３０１−１との間に形成されるチャネルをＣ２１と表記する。また、基地局の有するアンテナ素子１０１−１と移動局の有するアンテナ素子３０１−２との間に形成されるチャネルをＣ１２と表記する。また、基地局の有するアンテナ素子１０１−２と移動局の有するアンテナ素子３０１−２との間に形成されるチャネルをＣ２２と表記する。
ここで、移動局は、基地局からのパイロット信号を受信すると直ちにパイロット信号を返信するため、基地局と移動局とがそれぞれ算出するチャネルＣ１１のチャネル推定値はほぼ同一とみなすことができる。同様に、基地局と移動局とがそれぞれ算出するチャネルＣ２１、Ｃ１２及びＣ２２のチャネル推定値もほぼ同一とみなすことができる。そこで、図６では、基地局と移動局とにおけるチャネルＣ１１のチャネル推定値を共にｈ１１と、チャネルＣ２１のチャネル推定値をｈ２１と、チャネルＣ１２のチャネル推定値をｈ１２と、チャネルＣ２２のチャネル推定値をｈ２２と、表記する。
基地局のチャネル間相関計算部１０４又は移動局のチャネル間相関計算部３０４は、４つのチャネル推定値ｈ１１、ｈ２１、ｈ１２及びｈ２２の中の２つを総当りで組み合わせて、全６つの組み合わせに係るチャネル相関値を計算し、算出した６つのチャネル相関値を全てチャネル選択部１０５又はチャネル選択部３０５に入力する。
ここで、チャネル間相関計算部１０４又はチャネル間相関計算部３０４において、４つのチャネル推定値から６つのチャネル相関値が算出される様子を説明する。ｍ行×ｎ列のＭＩＭＯチャネルのチャネル行列Ｈを下記「式１」で表すとすると、任意の２つのチャネル推定値ｈｉｊ、ｈｘｙ（ｈｉｊ≠ｈｘｙ）の組み合わせに係るチャネル相関値ρｉｊ，ｘｙは、下記「式２」で表される。なお、チャネル行列Ｈにおける「ｍ」は基地局のアンテナ素子１０１の総数を、また同「ｎ」は移動局のアンテナ素子３０１の総数を表すため、本実施の形態ではｍ＝ｎ＝２となる。また、式２におけるＥ［ ］はアンサンブル平均を表す。
Figure 2006013699
Figure 2006013699
そして、チャネル選択部１０５又はチャネル選択部３０５は、入力されてくる６つのチャネル相関値の中から最小のチャネル相関値を選択し、選択したチャネル相関値に対応する２つのチャネルのチャネル推定値を秘密鍵生成部１０６又は秘密鍵生成部３０６に入力する。図６では、チャネル推定値ｈ２１とチャネル推定値ｈ２２との組み合わせに係るチャネル相関値ρ２１，２２が最小となっていることから、チャネル選択部１０５又はチャネル選択部３０５は、チャネル推定値ｈ２１とチャネル推定値ｈ２２とを秘密鍵生成部１０６又は秘密鍵生成部３０６に入力することになる。なお、チャネル相関値ρが最小であるとは、対応する２つのチャネル間のチャネル変動の違いが最大であることを意味する。また、本実施の形態において、チャネル選択部１０５又はチャネル選択部３０５が、チャネルを選択することと、チャネル推定値を選択することと、アンテナ素子１０１、３０１を選択することとは互いに同義である。
秘密鍵生成部１０６又は秘密鍵生成部３０６は、入力されてくるチャネル推定値ｈ２１とチャネル推定値ｈ２２とをそれぞれ量子化して量子化データを生成し、生成した量子化データを既定の方式で選択したり、組み合わせたり、繰り返したり、必要に応じて誤り訂正することによって所定のデータ長の秘密鍵を生成する。
一方で、伝搬路特性が移動局と近似する場所に位置する第三者によって基地局及び移動局の無線送信したパイロット信号が傍受された場合、この第三者によって算出されるチャネル推定値が移動局によって算出されるチャネル推定値とＭＩＭＯチャネルにおける全チャネルについて同一になることは稀有である。換言すれば、図６では、第三者の算出するチャネルＣ２１のチャネル推定値をａ２１とチャネルＣ２２のチャネル推定値ａ２２と表記しているところ、チャネル推定値ｈ２１とａ２１とが一致し、かつ、同時にチャネル推定値ｈ２２とａ２２とが一致する確率は極めて低い。さらに、基地局と移動局とはチャネル相関値ρが最低となる即ちチャネル変動の違いが最大である２つのチャネル推定値ｈ２１とｈ２２とを選択するため、仮に第三者が基地局や移動局と同一の方式で２つのチャネル推定値ａを選択するとしても、この第三者は、基地局や移動局の選択したチャネルとは全く異なるチャネルを選択する可能性が高い。従って、本実施の形態に係る無線通信システムにおいて、第三者は、伝搬路特性が移動局と近似する場所に位置して基地局及び移動局からのＭＩＭＯチャネルのパイロット信号を傍受したとしても、この基地局や移動局の生成する秘密鍵と同一の秘密鍵を生成することは極めて困難であり、暗号化通信を盗聴することは不可能であると言える。
図７に、基地局と移動局とにおいて、暗号化通信で使用される秘密鍵が更新される態様を時系列で示す。基地局と移動局とがパイロット信号の送受信によって秘密鍵を秘密裏に
共有すると、直ちに暗号化通信が開始される。そして、暗号化通信中は、基地局のチャネル間相関監視部１１０が、秘密鍵の生成時に選択された２つのチャネル間のチャネル相関値を継続的に監視し、その監視対象のチャネル相関値が所定の閾値以上となったときに、移動局にパイロット信号を送信するように指示するパイロット制御信号をパイロット送信制御部１２１に入力する。そして、基地局と移動局とが、相互にパイロット信号を再度送受信してＭＩＭＯチャネルにおける全４つのチャネル推定値を再度算出し、再度算出したチャネル推定値に基づいてチャネル相関値ρの最小となる２つのチャネルを再度選択することにより、秘密鍵を改めて生成即ち更新する。
このように、本実施の形態によれば、基地局のチャネル選択部１０５又は移動局のチャネル選択部３０５がＭＩＭＯチャネルにおける２つのチャネルを選択し、この選択されたチャネルのチャネル推定値から秘密鍵生成部１０６又は秘密鍵生成部３０６が秘密鍵を生成するため、第三者に無線信号を傍受されてもいずれのチャネルが選択されるかは第三者にとって不明であることから、第三者による暗号化通信の盗聴を防止することができる。
また、本実施の形態によれば、チャネル間相関監視部１１０によって秘密鍵の生成の際に選択された２つのチャネル間のチャネル相関値が継続的に監視され、監視中のチャネル相関値が所定の閾値以上となったときに、秘密鍵が更新されるため、第三者による盗聴をより確実に防止することができる。
また、本実施の形態によれば、チャネル選択部１０５又はチャネル選択部３０５が、チャネル相関値の最小となる２つのチャネルを選択するため、無線信号を傍受した第三者が暗号化通信で使用される秘密鍵を独自に生成してしまう確率を一層低下させることができる。
なお、本実施の形態では、基地局がチャネル間相関監視部１１０を有して秘密鍵を更新する必要性を判定する場合について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではなく、例えば移動局が図３に示す無線通信装置１００を備え、一方で基地局が図５に示す無線通信装置３００を備える構成であってもよい。
また、本実施の形態では、基地局のチャネル選択部１０５又は移動局のチャネル選択部３０５が、チャネル相関値ρの最低となる２つのチャネル推定値ｈｉｊとｈｘｙとを選択する場合について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではなく、例えばチャネル選択部１０５又はチャネル選択部３０５が、信号対雑音比（Signal to Noise Ratio：ＳＮＲ）の高いチャネルから順に選択するようにしてもよい。
また、本実施の形態では、チャネル選択部１０５又はチャネル選択部３０５がＭＩＭＯチャネルにおける２つのチャネルを選択する場合について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではなく、例えばチャネル選択部１０５又はチャネル選択部３０５がチャネルを選択し直す毎に選択するチャネルの数を増減してもよい。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、基地局と移動局とがそれぞれ、秘密鍵を周期的に更新して秘密鍵の秘匿性を保持する。以下、本実施の形態について、重複を避けるため、実施の形態１と相違する点についてのみ説明する。
図８は、本実施の形態に係る無線通信装置６００を有する基地局の構成を示すブロック図である。無線通信装置６００は、上記実施の形態１における無線通信装置１００において、さらにタイマ部６３１を有するものである。
タイマ部６３１は、パイロット信号を生成して移動局に送信するように指示するパイロット制御信号を、既定の周期でパイロット送信制御部１２１に入力する。
図９に、チャネル選択部１０５又はチャネル選択部３０５によって選択されるチャネル推定値ｈを時系列で示す。図９に示すように、基地局と移動局とにおいて、暗号化通信の開始当初は、チャネル推定値ｈ２２とｈ２１とが選択され、チャネル推定値ｈ２２とｈ２１とから秘密鍵が生成される。続いて、Δｔ経過後にタイマ部６３１からパイロット送信制御部１２１にパイロット制御信号が入力され、基地局と移動局とがパイロット信号を送受信することにより、チャネル推定値ｈ２１とｈ１１とが選択されて秘密鍵が更新される。その後、既定の周期Δｔ毎に、タイマ部６３１からパイロット送信制御部１２１にパイロット制御信号が入力され、基地局と移動局とがパイロット信号を送受信して秘密鍵が更新される。
このように、本実施の形態によれば、タイマ部６３１からパイロット送信制御部１２１にパイロット制御信号が既定の周期Δｔで入力されることにより、基地局及び移動局において秘密鍵が更新されるため、秘密鍵の使用中に第三者によって偶発的に同一の秘密鍵が生成されてしまっても、暗号化通信の秘匿性を回復することができる。
なお、本実施の形態では、タイマ部６３１とチャネル間相関監視部１１０とから並行してパイロット送信制御部１２１にパイロット制御信号が入力される場合について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではなく、例えば無線通信装置６００においてチャネル間相関監視部１１０を除去して、タイマ部６３１からのみパイロット送信制御部１２１にパイロット制御信号が入力されるようにしてもよい。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３では、４つのアンテナ素子を有する基地局と３つのアンテナ素子を有する移動局とが、それぞれの有するアンテナ素子を切り替えて使用することにより、チャネル推定値の多様性を増大させた上で秘密鍵を生成し暗号化通信を行う。以下、本実施の形態について、重複を避けるため、実施の形態１と相違する点についてのみ説明する。
図１０に、本実施の形態に係る無線通信システムの動作の概要を示す。図１０において、基地局の有する４つのアンテナ素子１０１−１〜１０１−４は、アンテナ素子１０１−１、１０１−２の第一組と、アンテナ素子１０１−３、１０１−４の第二組と、に区分されている。また、移動局の有する３つのアンテナ素子３０１−１〜３０１−３も、アンテナ素子３０１−１、３０１−２の第一組と、アンテナ素子３０１−２、３０１−３の第二組と、に区分されている。そして、本実施の形態では、図１０に示すように、基地局と移動局とがそれぞれ、秘密鍵の更新が必要になる毎に、第一組のアンテナ素子と第二組のアンテナ素子とを切り替えて交互に使用する。
図１１は、図１０における基地局の備える無線通信装置９００の構成を示すブロック図である。なお、図１１において、前記実施の形態１に係る無線通信装置１００における構成部と同様の機能を発揮する構成部については、無線通信装置１００における構成部と同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
無線通信装置９００は、４つのアンテナ素子１０１−１〜１０１−４、４つのパイロット受信部１０２−１〜１０２−４、チャネル推定部１０３、秘密鍵生成部１０６、パイロット送信制御部１２１、４つのパイロット送信部１２２−１〜１２１−４、アンテナ制御部９５１及び２つの切替部９５２、９５３を具備する。
アンテナ制御部９５１は、図示しない制御部等からパイロット制御信号を入力されたときに、アンテナ切替要求信号を生成し、生成したアンテナ切替要求信号をアンテナ素子１０１を介して移動局に無線送信する。続いて、アンテナ制御部９５１は、このアンテナ切替要求信号に対する移動局の応答である確認信号をアンテナ素子１０１を介して受信した後に、切替部９５２、９５３に対して、パイロット信号を送受信するアンテナ素子１０１の組を切り替えるように指示するアンテナ制御信号を入力する。
切替部９５２、９５３はそれぞれ、アンテナ制御部９５１からアンテナ制御信号が入力されてきたときに、現在使用しているアンテナ素子の組を他方の組に切り替える。
図１２は、図１０における移動局の備える無線通信装置１０００の構成を示すブロック図である。なお、図１２において、前記実施の形態１に係る無線通信装置３００における構成部と同様の機能を発揮する構成部については、無線通信装置３００における構成部と同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
無線通信装置１０００は、３つのアンテナ素子３０１−１〜３０１−３、３つのパイロット受信部３０２−１〜３０２−３、チャネル推定部３０３、秘密鍵生成部３０６、パイロット送信制御部３２１、３つのパイロット送信部３２２−１〜３２２−３、アンテナ制御部１０５１及び２つの切替部１０５２、１０５３を具備する。
アンテナ制御部１０５１は、無線通信装置９００から無線送信されてくるアンテナ切替要求信号をアンテナ素子３０１を介して受信したときに、切替部１０５２、１０５３に対して、パイロット信号を送受信するアンテナ素子３０１の組を切り替えるように指示するアンテナ制御信号を入力する。そして、アンテナ制御部１０５１は、切替部１０５２、１０５３におけるアンテナ素子３０１の組の切り替えが完了したことを示す確認信号を、アンテナ素子３０１を介して無線通信装置９００に無線送信する。
切替部１０５２、１０５３はそれぞれ、アンテナ制御部１０５１からアンテナ制御信号が入力されてきたときに、現在使用しているアンテナ素子の組を他方の組に切り替える。
図１３に、本実施の形態に係る無線通信システムにおいて、基地局と移動局とが暗号化通信で使用するアンテナ素子の組を切り替える態様を時系列で示す。
図１３に示すように、アンテナ素子の組を再度選択する必要が生じたときには、先ず基地局において、アンテナ切替要求が暗号化通信に割り込んで発生する。そして、基地局は、このアンテナ切替要求信号を移動局に送信する。移動局は、アンテナ切替要求信号を受信すると、現在使用しているアンテナ素子の組を他の組に切り替え、その切り替えが完了したことを通知する確認信号を基地局に無線送信する。
このように、本実施の形態によれば、秘密鍵を更新する際にパイロット信号を受信するアンテナ素子が切り替えられるため、その更新の前後で算出されるチャネル推定値が一変することから、第三者が暗号化通信で使用中の秘密鍵を偶発的に生成できたとしても、秘密鍵の更新によって暗号化通信の秘匿性を回復することができる。
また、本実施の形態によれば、秘密鍵を更新する際にパイロット信号を受信するアンテナ素子を機械的に切り替えるだけでよいため、基地局及び移動局における信号処理の負荷を軽減することができる。
また、本実施の形態によれば、基地局や移動局がそれぞれ３つ以上のアンテナ素子を有していても、チャネル推定の対象となるアンテナ素子の数は一定であるため、チャネル推
定における演算量やパイロット信号のオーバーヘッドを削減することができる。
なお、本実施の形態では、基地局の切替部９５２、９５３及び移動局の切替部１０５２、１０５３において、アンテナ素子の組が予め定められている場合について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではなく、例えば切替部９５２、９５３、１０５２、１０５３がそれぞれ、アンテナ制御部９５１、１０５１の指示に従って又はランダムに、アンテナ素子を選択するようにしてもよい。さらに、例えば切替部９５２、９５３、１０５２、１０５３がそれぞれ、選択するアンテナ素子の数を適宜調節するようにしてもよい。このようにすれば、チャネル推定値の分散を増大させることができ、秘密鍵の多様性を向上させることができる。
上記各実施の形態では、本発明をハードウェアで構成する場合を例にとって説明したが、本発明はソフトウェアで実現することも可能である。
また、上記各実施の形態の説明に用いた各機能ブロックは、典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現される。これらは個別に１チップ化されてもよいし、一部または全てを含むように１チップ化されてもよい。ここでは、ＬＳＩとしたが、集積度の違いにより、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩと呼称されることもある。
また、集積回路化の手法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサで実現してもよい。ＬＳＩ製造後に、プログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）や、ＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサーを利用してもよい。
さらには、半導体技術の進歩または派生する別技術によりＬＳＩに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックの集積化を行ってもよい。バイオ技術の適応等が可能性としてありえる。
本発明の第１の態様は、ＭＩＭＯチャネルの無線信号を受信する複数のアンテナと、前記アンテナによる受信信号のチャネル推定値を算出するチャネル推定手段と、算出されたチャネル推定値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおけるチャネル間のチャネル相関値を算出するチャネル間相関計算手段と、算出されたチャネル相関値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルを選択するチャネル選択手段と、選択されたチャネルのチャネル推定値から秘密鍵を生成する鍵生成手段と、を具備する無線通信装置である。
この構成によれば、ＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルが選択され、選択されたチャネルのチャネル推定値から暗号化通信に使用される秘密鍵が生成されるため、第三者に無線信号を傍受されてもいずれのチャネルのチャネル推定値を選択するかは第三者にとって不明であることから、第三者による暗号化通信の盗聴を防止することができる。
本発明の第２の態様は、前記発明において、前記チャネル選択手段によって選択されたチャネル間のチャネル相関値を監視し、監視中のチャネル相関値が所定の閾値以上となったときに、前記チャネル選択手段に対して、前記チャネル間相関計算手段によって算出されたチャネル相関値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルを改めて選択させるチャネル間相関監視手段と、をさらに具備する無線通信装置である。
この構成によれば、前記発明による効果に加えて、選択されたチャネル間のチャネル相関値が監視され、監視中のチャネル相関値が所定の閾値以上となったときに、ＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルが改めて選択されて秘密鍵が更新されるため、第三者による盗聴をより確実に防止することができる。
本発明の第３の態様は、前記発明において、前記チャネル選択手段に対して、前記チャネル間相関計算手段によって算出されたチャネル相関値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルを周期的に改めて選択させるタイマ手段をさらに具備する無線通信装置である。
この構成によれば、前記発明による効果に加えて、ＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルのチャネル推定値が周期的に選択されて秘密鍵が更新されるため、秘密鍵の使用中に第三者によって偶発的に同一の秘密鍵が生成されてしまっても、暗号化通信の秘匿性を回復することができる。
本発明の第４の態様は、前記発明において、前記チャネル選択手段は、前記チャネル間相関計算手段によって算出されたチャネル相関値が最低となるＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルを選択する無線通信装置である。
この構成によれば、前記発明による効果に加えて、チャネル相関値が最低となるＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルのチャネル推定値が選択されるため、無線信号を傍受した第三者が暗号化通信で使用される秘密鍵を独自に生成してしまう確率を一層低下させることができる。
本発明の第５の態様は、前記発明において、前記チャネル選択手段は、前回選択したＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルと異なるチャネルを選択する無線通信装置である。
この構成によれば、前記発明による効果に加えて、前回選択されたＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルと異なるチャネルが選択されるため、第三者が暗号化通信で使用される秘密鍵を偶発的に生成したとしても秘密鍵の更新によって暗号化通信の秘匿性を回復することができる。
本発明の第６の態様は、前記発明に係る無線通信装置を複数具備する無線通信システムである。
この構成によれば、ＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルが選択され、選択されたチャネルのチャネル推定値から暗号化通信に使用される秘密鍵が生成されるため、第三者に無線信号を傍受されてもいずれのチャネルのチャネル推定値を選択するかは第三者にとって不明であることから、第三者による暗号化通信の盗聴を防止することができる。
本発明の第７の態様は、複数のアンテナでＭＩＭＯチャネルの無線信号を受信する受信ステップと、前記アンテナによる受信信号のチャネル推定値を算出するチャネル推定ステップと、算出されたチャネル推定値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおけるチャネル間のチャネル相関値を算出するチャネル間相関計算ステップと、算出されたチャネル相関値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルを選択するチャネル選択ステップと、選択されたチャネルのチャネル推定値から秘密鍵を生成する鍵生成ステップと、を具備する無線通信方法である。
この方法によれば、ＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルが選択され、選択されたチャネルのチャネル推定値から暗号化通信に使用される秘密鍵が生成されるため、第三者に無線信号を傍受されてもいずれのチャネルのチャネル推定値を選択するかは第三者にとって不明であることから、第三者による暗号化通信の盗聴を防止することができる。
本明細書は、２００４年８月４日出願の特願２００４−２２８６５９に基づくものである。この内容は全てここに含めておく。
本発明に係る無線通信装置及び無線通信方法は、第三者に無線信号を傍受されても暗号化通信の盗聴を防止できるという効果を有し、ＭＩＭＯ技術を利用した無線通信システム等として有用である。
従来の無線通信システムにおける暗号化通信用の秘密鍵の生成態様を示す図 従来の無線通信システムにおいて暗号化通信用の秘密鍵が盗聴者によって生成される態様を示す図 実施の形態１に係る無線通信装置を備える基地局の構成を示すブロック図 実施の形態１に係る無線通信装置の一部の構成を詳細に示すブロック図 実施の形態１に係る無線通信装置を備える移動局の構成を示すブロック図 実施の形態１に係る無線通信システムの動作を説明する図 実施の形態１に係る無線通信システムにおいて秘密鍵が更新される様子を示す図 実施の形態２に係る無線通信装置を備える基地局の構成を示すブロック図 実施の形態２に係る無線通信システムの動作を説明する図 実施の形態３に係る無線通信システムの動作の概要を説明する図 実施の形態３に係る無線通信装置を備える基地局の構成を示すブロック図 実施の形態３に係る無線通信装置を備える移動局の構成を示すブロック図 実施の形態３に係る無線通信システムの動作を説明する図

Claims (7)

  1. ＭＩＭＯチャネルの無線信号を受信する複数のアンテナと、
    前記アンテナによる受信信号のチャネル推定値を算出するチャネル推定手段と、
    算出されたチャネル推定値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおけるチャネル間のチャネル相関値を算出するチャネル間相関計算手段と、
    算出されたチャネル相関値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルを選択するチャネル選択手段と、
    選択されたチャネルのチャネル推定値から秘密鍵を生成する鍵生成手段と、を具備する無線通信装置。
  2. 前記チャネル選択手段によって選択されたチャネル間のチャネル相関値を監視し、監視中のチャネル相関値が所定の閾値以上となったときに、前記チャネル選択手段に対して、前記チャネル間相関計算手段によって算出されたチャネル相関値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルを改めて選択させるチャネル間相関監視手段と、をさらに具備する請求項１記載の無線通信装置。
  3. 前記チャネル選択手段に対して、前記チャネル間相関計算手段によって算出されたチャネル相関値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルを周期的に改めて選択させるタイマ手段をさらに具備する、請求項２記載の無線通信装置。
  4. 前記チャネル選択手段は、前記チャネル間相関計算手段によって算出されたチャネル相関値が最低となるＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルを選択する、請求項１記載の無線通信装置。
  5. 前記チャネル選択手段は、前回選択したＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルと異なるチャネルを選択する、請求項１記載の無線通信装置。
  6. 請求項１記載の無線通信装置を複数具備する無線通信システム。
  7. 複数のアンテナでＭＩＭＯチャネルの無線信号を受信する受信ステップと、
    前記アンテナによる受信信号のチャネル推定値を算出するチャネル推定ステップと、
    算出されたチャネル推定値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおけるチャネル間のチャネル相関値を算出するチャネル間相関計算ステップと、
    算出されたチャネル相関値に基づいてＭＩＭＯチャネルにおけるいずれかのチャネルを選択するチャネル選択ステップと、
    選択されたチャネルのチャネル推定値から秘密鍵を生成する鍵生成ステップと、を具備する無線通信方法。
JP2006531343A 2004-08-04 2005-07-08 無線通信装置、無線通信システム及び無線通信方法 Pending JPWO2006013699A1 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004228659 2004-08-04
JP2004228659 2004-08-04
PCT/JP2005/012679 WO2006013699A1 (ja) 2004-08-04 2005-07-08 無線通信装置、無線通信システム及び無線通信方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPWO2006013699A1 true JPWO2006013699A1 (ja) 2008-05-01

Family

ID=35786994

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006531343A Pending JPWO2006013699A1 (ja) 2004-08-04 2005-07-08 無線通信装置、無線通信システム及び無線通信方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20080069251A1 (ja)
EP (1) EP1775875A1 (ja)
JP (1) JPWO2006013699A1 (ja)
CN (1) CN1993924A (ja)
BR (1) BRPI0513074A (ja)
RU (1) RU2007104173A (ja)
WO (1) WO2006013699A1 (ja)

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101288260A (zh) 2005-01-27 2008-10-15 美商内数位科技公司 使用未由他人分享联合随机衍生秘钥方法及系统
EP1847060A4 (en) * 2005-01-27 2011-09-14 Interdigital Tech Corp METHOD AND SYSTEM FOR DISTRIBUTING AN ENCRYPTION KEY USING UNINTERRUPTED ASSOCIATED CONTINGENCY
US8280046B2 (en) 2005-09-12 2012-10-02 Interdigital Technology Corporation Method and system for deriving an encryption key using joint randomness not shared by others
US9178597B2 (en) * 2008-01-28 2015-11-03 Broadcom Corporation Method of updating transmission channel information based on eaves-dropping of beamformed signals
FR2931478B1 (fr) 2008-05-26 2012-08-03 Arkema France Prodece de preparation de lactames comprenant une etape de photonitrosation suivie d'une etape de transposition de beckmann
US8098750B2 (en) 2008-07-10 2012-01-17 Infineon Technologies Ag Method and device for transmitting a plurality of data symbols
US8270602B1 (en) 2009-08-13 2012-09-18 Sandia Corporation Communication systems, transceivers, and methods for generating data based on channel characteristics
JP5505178B2 (ja) * 2009-11-02 2014-05-28 日本電気株式会社 無線通信装置、無線通信装置の受信レベル判別方法及びプログラム
US8401193B2 (en) * 2010-10-29 2013-03-19 Futurewei Technologies, Inc. System and method for securing wireless communications
US8744082B2 (en) 2010-11-03 2014-06-03 Futurewei Technologies, Inc. System and method for securing wireless communications
EP2670059B1 (en) * 2011-01-26 2021-03-03 LG Electronics Inc. Channel state information transmitting method and user equipment, channel state information receiving method and base station
JP5699304B2 (ja) * 2011-03-29 2015-04-08 株式会社国際電気通信基礎技術研究所 無線通信システム、情報機器、及び無線通信方法
KR101269502B1 (ko) * 2011-12-14 2013-05-30 한국전자통신연구원 무선 통신 네트워크에서 무선 채널 변화를 이용한 비밀키 생성을 위한 장치 및 방법
KR101977593B1 (ko) 2012-06-25 2019-08-28 삼성전자주식회사 복수의 안테나들을 이용한 ｍｉｍｏ 다중화에 기반하여 전송단에서 시크릿 정보를 전송하는 방법 및 수신단에서 시크릿 정보를 수신하는 방법
WO2014042684A1 (en) * 2012-09-11 2014-03-20 Ntt Docomo, Inc. Method and apparatus for efficient channel state information dissemination for mu-mimo transmission schemes based on outdated channel state information
KR101446629B1 (ko) * 2013-07-17 2014-10-06 한국전자통신연구원 무선 통신 시스템에서 보안 데이터 전송 장치 및 방법
CN109417469B (zh) * 2015-10-16 2021-09-07 华为技术有限公司 Mimo系统安全配对方法
CN106788867B (zh) * 2016-11-22 2019-03-15 西安电子科技大学 一种利用能量站提升物理层安全性能的通信系统和方法
CN108270559A (zh) * 2016-12-30 2018-07-10 华为技术有限公司 一种提取信道特征的方法及网络设备
WO2021013317A1 (en) * 2019-07-19 2021-01-28 Nokia Technologies Oy Apparatus, method and computer program for wireless key generation
CN112188491A (zh) * 2020-09-24 2021-01-05 江苏恒宝智能系统技术有限公司 一种基于mimo的数据安全传输基站、移动终端和方法
WO2023056165A1 (en) * 2021-10-01 2023-04-06 Qualcomm Incorporated Channel for eavesdropping-mitigation and secret key generation

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS613542A (ja) * 1984-06-15 1986-01-09 Sony Corp 送受信装置
US7406261B2 (en) * 1999-11-02 2008-07-29 Lot 41 Acquisition Foundation, Llc Unified multi-carrier framework for multiple-access technologies
WO2006130725A2 (en) * 2005-05-31 2006-12-07 Interdigital Technology Corporation Authentication and encryption methods using shared secret randomness in a joint channel

Also Published As

Publication number Publication date
US20080069251A1 (en) 2008-03-20
BRPI0513074A (pt) 2008-04-22
WO2006013699A1 (ja) 2006-02-09
EP1775875A1 (en) 2007-04-18
RU2007104173A (ru) 2008-08-10
CN1993924A (zh) 2007-07-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JPWO2006013699A1 (ja) 無線通信装置、無線通信システム及び無線通信方法
WO2006013798A1 (ja) 無線通信方法、無線通信システム及び無線通信装置
Wang et al. Survey on channel reciprocity based key establishment techniques for wireless systems
Tope et al. Unconditionally secure communications over fading channels
JP5600717B2 (ja) 無線通信ネットワークにおける無線チャネルの変化を用いた秘密キー生成のための装置及び方法
Revadigar et al. DLINK: Dual link based radio frequency fingerprinting for wearable devices
Premnath et al. Secret key extraction using Bluetooth wireless signal strength measurements
Badawy et al. Unleashing the secure potential of the wireless physical layer: Secret key generation methods
KR20070046824A (ko) 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법
KR101546205B1 (ko) 브로드캐스트된 무작위 잡음을 이용하여 무선 장치의 암호 능력을 향상시키는 방법 및 시스템
Zhang et al. Secure key generation from OFDM subcarriers' channel responses
KR20090130209A (ko) Ｆｄｄ, ｔｄｄ 및 ｍｉｍｏ 통신에서 ｊｒｎｓｏ를 수행하는 방법 및 장치
WO2010018493A1 (en) Cryptographic secret key distribution
US11516655B2 (en) Physical layer key generation
Revadigar et al. Mobility independent secret key generation for wearable health-care devices
EP2833558A1 (en) Method for detecting eavesdroppers in a wireless communication system
US20170171749A1 (en) Method for generating a secret sequence of values in a device as a function of measured physical properties of a transmission channel
Tsouri et al. Threshold constraints on symmetric key extraction from rician fading estimates
JP2021518720A (ja) ミリ波ｍｉｍｏモード選択のための方法および装置
Barsocchi et al. SHAKE: Single HAsh key establishment for resource constrained devices
KR20070032040A (ko) 무선 통신 장치, 무선 통신 시스템 및 무선 통신 방법
Molière et al. Tag signals for early authentication and secret key generation in wireless public networks
Caparra et al. 14 Wireless Physical-Layer Authentication for the Internet of Things
Lee et al. Blocking probability of massive MIMO: What is the capacity of a massive MIMO IoT system?
Kuruwatti et al. LQI-key: Symmetric key generation scheme for Internet-of-Things (IoT) devices using wireless channel link quality