KR20070032040A - 무선 통신 장치, 무선 통신 시스템 및 무선 통신 방법 - Google Patents

무선 통신 장치, 무선 통신 시스템 및 무선 통신 방법 Download PDF

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KR20070032040A
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도모히로 이마이
야스아키 유다
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마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
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Abstract

MIMO기술을 이용하는 무선 통신 시스템에 있어서, 제삼자에게 무선 신호가 수신되어도 암호화 통신의 도청을 방지할 수 있는 무선 통신 장치를 개시한다. 이 장치에서는, 채널간 상관 계산부(104)는, 채널 추정부(103)로부터 입력되는 4개의 채널 추정값에 근거하여, MIMO 채널에서의 2개의 채널간의 채널 상관값을 산출하고, 산출한 총6개의 채널 상관값을 채널 선택부(105)에 입력한다. 채널 선택부(105)는 채널간 상관 계산부(104)로부터 입력되는 6개의 채널 상관값 중에서 최소의 채널 상관값을 선택하고, 선택한 채널 상관값에 대응하는 2개의 채널을 채널간 상관 감시부(110)에 통지하는 것에 의해, 그 2개의 채널의 채널 추정값을 비밀키 생성부(106)에 입력한다.

Description

무선 통신 장치, 무선 통신 시스템 및 무선 통신 방법{RADIO COMMUNICATION DEVICE, RADIO COMMUNICATION SYSTEM, AND RADIO COMMUNICATION METHOD}
본 발명은, 복수의 안테나 소자로부터 송신된 무선 신호를 복수의 안테나 소자로 수신하여 무선 통신을 행하는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술을 이용한 무선 통신 시스템 및 이 시스템에서 사용되는 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법에 관한 것이다.
최근의 정보화 사회의 발전에 따라, 이동체 무선 통신 기술이 그 편리성 때문에 급속하게 보급되고 있다. 이동체 무선 통신에서는, 제삼자에 의한 무선 신호의 수신이 비교적 용이하기 때문에, 이동체 무선 통신에서 개인 정보나 기업의 기밀 정보를 송수신하는 경우에는, 무선 신호의 도청 대책이 필수적이다.
이동체 무선 통신에 있어서의 도청 대책으로는, 암호화 기술의 이용이 일반적이다.
구체적으로는, 이동체 무선 통신 시스템에 있어서의 전파로 특성을 이용하여 송신측과 수신측의 무선 통신 장치가 각각 개별적으로 비밀키를 생성하는 암호화 기술이 알려져 있다(예컨대, 비특허 문헌 1 참조). 비특허 문헌 1에 기재된 암호화 기술은 이동체 무선 통신 시스템에 있어서의 전파로 특성이 불규칙하게 시간 변동하는 것, 송수신 위치가 근소하게 변동하여도 그 전후에서의 전파로의 상관이 급격히 저하하는 것, 및 일반적으로 전파의 가역성(可逆性)이 성립하는 것을 이용하여, 송신측과 수신측의 무선 통신 장치가 각각 개별적으로 전파로 특성을 측정한다. 그리고, 이 측정 결과로부터 얻어지는 정보를 비밀리에 공유하여 동일한 비밀키를 생성함으로써, 이들 무선 통신 장치간에 암호화 통신을 실현하는 것이다.
도 1에, 비특허 문헌 1에 기재된 기술의 개요를 나타낸다. 도 1에서는, 기지국과 이동국이 각각, 파일럿 신호를 시분할 듀플렉스(TDD: Time Division Duplex) 방식으로 교대로, 또한 단기간에 송수신하여, 전파로 특성, 즉 수신한 파일럿 신호의 진폭이나 위상 등을 개별적으로 측정함으로써, 전파로 특성 정보를 공유한다. 또한, 기지국과 이동국이란, 공유한 전파로 특성 정보를 양자화하여 0과 1의 2값으로 이루어지는 양자화 데이터를 생성한다. 그리고, 생성한 양자화 데이터를 소정의 방식으로 선택하거나, 조합하거나, 반복하거나, 필요에 따라 오류 정정을 더 행하는 것에 의해 비밀키를 생성한다. 또한, 기지국 또는 이동국의 한쪽이, 생성한 비밀키에 불가역적인 신호 처리, 예컨대, 해시화 처리(hashing process)를 실시하여, 그 해시화 정보 등을 상대국에 송신한다. 상대국은, 수신한 해시화 정보와 자국에서 생성한 해시화 정보 등을 비교함으로써, 기지국과 이동국에서 개별적으로 생성된 비밀키가 동일한 것을 비밀리에 확인하고, 그 확인 결과를 회신한다. 이러한 일련의 비밀키 생성 단계를 거친 후에, 기지국과 이동국은 각각 이 개별적으로 생성한 비밀키를 이용하여 암호화 통신을 시작한다.
비특허 문헌 1: 호리이케 모토키, 사사오카 히데카즈, 「육상 이동 통신로의 불규칙 변동에 근거하는 비밀키 공유 방식」, 신학기보, RCS2002-173
(발명이 해결하고자 하는 과제)
그러나, 비특허 문헌 1에 기재된 기술에서는, 암호화 통신에 사용되는 비밀키가 전파로 특성 정보에 근거하여 생성된다. 이 때문에, 전파로 특성이 이동국과 근사(近似)하는 장소에 위치하는 제삼자에 의해 파일럿 신호가 수신된 경우에는, 이 제삼자가 수신한 파일럿 신호로부터 독자적으로 비밀키를 생성하여 기지국과 이동국간의 암호화 통신을 도청할 수 있게 되는 문제가 있다.
도 2에, 도 1에서의 기지국과 이동국간의 암호화 통신이 도청자에 의해 도청되어 있는 태양(態樣)을 나타낸다. 도 2에서는, 전파로 특성이 이동국과 근사하는 장소에 도청자가 위치하고, 이 도청자가 기지국으로부터 송신된 파일럿 신호를 비밀리에 수신하고 있다. 이 도청자가 수신한 파일럿 신호로부터 산출되는 채널 추정값은, 이동국이 산출하는 채널 추정값과의 상관이 필연적으로 높아진다. 그 때문에, 이 도청자는 기지국과 이동국간의 암호화 통신에 사용되는 비밀키를, 비밀리에 수신한 파일럿 신호로부터 독자적으로 생성할 수 있다. 그 결과, 기지국과 이동국간의 암호화 통신을 도청할 수 있다.
본 발명의 목적은, MIMO 기술을 이용하는 무선 통신 시스템에 있어서, 제삼자에게 무선 신호가 수신되더라도 암호화 통신의 도청을 방지할 수 있는 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법 등을 제공하는 것이다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
본 발명에 따른 무선 통신 장치는, MIMO 채널의 무선 신호를 수신하는 복수의 안테나와, 상기 안테나에 의한 수신 신호의 채널 추정값을 산출하는 채널 추정 수단과, 산출된 채널 추정값에 근거하여 MIMO 채널에서의 채널간의 채널 상관값을 산출하는 채널간 상관 계산 수단과, 산출된 채널 상관값에 근거하여 MIMO 채널 중 어느 하나의 채널을 선택하는 채널 선택 수단과, 선택된 채널의 채널 추정값으로부터 비밀키를 생성하는 키 생성 수단을 구비하는 구성을 채용한다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면, MIMO 채널 중 어느 하나의 채널이 선택되고, 선택된 채널의 채널 추정값으로부터 암호화 통신에 사용되는 비밀키가 생성되기 때문에, 제삼자에게 무선 신호가 수신되어도 어느 하나의 채널의 채널 추정값을 선택할지는 제삼자에게 불명확한 것이므로, 제삼자에 의한 암호화 통신의 도청을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 무선 통신 시스템에 있어서의 암호화 통신용의 비밀키 생성 태양(態樣)을 나타내는 도면,
도 2는 종래의 무선 통신 시스템에 있어서 암호화 통신용의 비밀키가 도청자에 의해 생성되는 태양을 나타내는 도면,
도 3은 실시예 1에 따른 무선 통신 장치를 구비하는 기지국의 구성을 나타내는 블록도,
도 4는 실시예 1에 따른 무선 통신 장치의 일부의 구성을 상세히 나타내는 블록도,
도 5는 실시예 1에 따른 무선 통신 장치를 구비하는 이동국의 구성을 나타내는 블록도,
도 6은 실시예 1에 따른 무선 통신 시스템의 동작을 설명하는 도면,
도 7은 실시예 1에 따른 무선 통신 시스템에 있어 비밀키가 갱신되는 모양을 나타내는 도면,
도 8은 실시예 2에 따른 무선 통신 장치를 구비하는 기지국의 구성을 나타내는 블록도,
도 9는 실시예 2에 따른 무선 통신 시스템의 동작을 설명하는 도면,
도 10은 실시예 3에 따른 무선 통신 시스템의 동작의 개요를 설명하는 도면,
도 11은 실시예 3에 따른 무선 통신 장치를 구비하는 기지국의 구성을 나타내는 블록도,
도 12는 실시예 3에 따른 무선 통신 장치를 구비하는 이동국의 구성을 나타내는 블록도,
도 13은 실시예 3에 따른 무선 통신 시스템의 동작을 설명하는 도면.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여, 도면을 적절히 참조하면서 상세히 설명한다. 또, 이하의 각 실시예에서는, MIMO 기술을 이용하는 TDD 방식의 이동체 무선 통신 시스템에 있어서, 기지국과 이동국이 암호화 통신을 하는 경우를 예로 설명한다.
(실시예 1)
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 무선 통신 장치(100)를 구비하는 기지국의 구성을 나타내는 블럭도이다. 무선 통신 장치(100)는 2개의 안테나 소자(101-1, 101-2), 2개의 파일럿 수신부(102-1, 102-2), 채널 추정부(103), 채널간 상관 계산부(104), 채널 선택부(105), 비밀키 생성부(106), 채널간 상관 감시부(110), 파일럿 송신 제어부(121) 및 2개의 파일럿 송신부(122-1, 122-2)를 갖는다.
안테나 소자(101-1, 101-2)는 각각, 후술하는 이동국의 2개의 안테나 소자로부터 송신된 MIMO 채널의 무선 신호를 포착한다.
파일럿 수신부(102-1, 102-2)는 각각, 밴드패스 필터, 아날로그/디지털 변환기 및 저잡음 증폭기 등을 갖고, 안테나 소자(101-1, 101-2)에 의한 수신 신호로부 터 파일럿 신호를 추출하고, 추출한 파일럿 신호에 소정의 수신 신호 처리를 실시하며, 그 처리 후의 파일럿 신호를 채널 추정부(103)에 입력한다.
채널 추정부(103)는 파일럿 수신부(102-1, 102-2)로부터 입력되는 파일럿 신호에 근거하여 MIMO 채널에서의 총4개의 채널의 채널 추정값을 산출하고, 산출한 4개의 채널 추정값을 채널간 상관 계산부(104) 및 채널 선택부(105)에 각각 입력한다.
채널간 상관 계산부(104)는 채널 추정부(103)로부터 입력되는 4개의 채널 추정값에 근거하여 MIMO 채널에서의 2개의 채널간의 채널 상관값을 산출하고, 산출한 총6개의 채널 상관값을 채널 선택부(105)에 입력한다. 또, MIMO 채널에서의 2개의 채널간의 채널 상관값을 산출하는 모양에 대해서는 후에 상술한다.
채널 선택부(105)는 채널간 상관 계산부(104)로부터 입력되는 6개의 채널 상관값 중에서 최소의 채널 상관값을 선택하고, 선택한 채널 상관값에 대응하는 2개의 채널을 채널간 상관 감시부(110)에 통지함에 따라, 그 2개의 채널의 채널 추정값을 비밀키 생성부(106)에 입력한다.
비밀키 생성부(106)는 채널 선택부(105)로부터 입력되는 2개의 채널 추정값을 양자화하여 양자화 데이터를 생성하고, 생성한 양자화 데이터를 기정(旣定) 방식으로 선택하거나, 조합하거나, 반복하거나, 필요에 따라 오류 정정을 더 행하는 것에 의해 비밀키를 생성하며, 생성한 비밀키를 도시하지 않은 제어부 등에 입력한다.
채널간 상관 감시부(110)는, 채널 선택부(105)로부터 통지되는 2개의 채널에 대하여, 그 2개의 채널간의 채널 상관값을 도시하지 않은 제어부 등으로부터 입력되는 데이터 전송 시의(파일럿 신호를 재차 수신하기까지의 동안에 수신하는 데이터 신호에 근거하여 측정된) 채널 추정값으로부터 산출하여 감시한다. 감시 중인 채널 추정값이 소정의 임계값 이상으로 되었을 때에는, 채널간 상관 감시부(110)는 파일럿 송신 제어부(121)에 대하여 파일럿 신호의 송신을 지시하는 파일럿 제어 신호를 입력한다.
파일럿 송신 제어부(121)는 채널간 상관 감시부(110)로부터 파일럿 제어 신호가 입력되면, 즉시 파일럿 신호를 생성하고, 생성한 파일럿 신호를 파일럿 송신부(122-1, 122-2)에 각각 입력한다.
파일럿 송신부(122-1, 122-2)는 각각, 밴드패스 필터, 디지털/아날로그 변환기 및 저잡음 증폭기 등을 갖고 있고, 파일럿 송신 제어부(121)로부터 입력되는 파일럿 신호에 소정의 송신 신호 처리를 실시한다. 처리 후의 파일럿 신호는 안테나 소자(101-1, 101-2)를 통해 이동국에 MIMO 채널로 무선 송신된다.
도 4는 채널간 상관 감시부(110)의 보다 상세한 구성을 나타내는 블럭도이다. 채널간 상관 감시부(110)는 감시 채널 추출부(111), 감시 채널간 상관 계산부(112) 및 감시 채널간 상관 임계값 판정부(113)를 갖는다.
감시 채널 추출부(111)는, 데이터 전송 시의 MIMO 채널에 있어서의 총4개 채널의 채널 추정값을 도시하지 않은 제어부 등으로부터 입력시키고, 그 중 채널 선택부(105)로부터 통지된 2개의 채널의 채널 추정값만을 감시 채널간 상관 계산부(112)에 계속적으로 입력한다. 또, 무선 통신 장치(100)에서는, 암호화 통신 개 시후의 데이터 전송 시에 수신 신호로부터 데이터 신호를 분리하기 위해, MIMO 채널에 있어서의 전 채널에 대하여 채널 추정이 계속적으로 행해진다.
감시 채널간 상관 계산부(112)는 감시 채널 추출부(111)로부터 입력되는 2개의 채널 추정값으로부터 후술하는 방식으로 채널 상관값을 산출하고, 산출한 채널 상관값을 감시 채널간 상관 임계값 판정부(113)에 입력한다.
감시 채널간 상관 임계값 판정부(113)는, 감시 채널간 상관 계산부(112)로부터 입력되는 채널 상관값을 감시하고, 그 채널 상관값이 소정의 임계값 이상으로 되었을 때에는, 즉시 파일럿 신호를 생성하여 이동국에 송신하도록 지시하는 파일럿 제어 신호를 파일럿 송신 제어부(121)에 입력한다.
도 5는 본 실시예에 따른 무선 통신 장치(300)를 구비하는 이동국의 구성을 나타내는 블럭도이다. 무선 통신 장치(300)는 2개의 안테나 소자(301-1, 301-2), 2개의 파일럿 수신부(302-1, 302-2), 채널 추정부(303), 채널간 상관 계산부(304), 채널 선택부(305), 비밀키 생성부(306), 파일럿 송신 제어부(321) 및 2개의 파일럿 송신부(322-1, 322-2)를 갖는다.
안테나 소자(301-1, 301-2)는 각각, 기지국의 2개의 안테나 소자(101-1, 101-2)로부터 송신된 MIMO 채널의 무선 신호를 포착한다.
파일럿 수신부(302-1, 302-2)는 각각, 밴드패스 필터, 아날로그/디지털 변환기 및 저잡음 증폭기 등을 갖고, 안테나 소자(301-1, 301-2)에 의한 수신 신호로부터 파일럿 신호를 추출하고, 추출한 파일럿 신호에 소정의 수신 신호 처리를 실시한다. 처리 후의 파일럿 신호는 채널 추정부(303) 및 파일럿 송신 제어부(321)에 입력된다.
채널 추정부(303)는 파일럿 수신부(302-1, 302-2)로부터 입력되는 파일럿 신호에 근거하여 MIMO 채널에서의 총4개 채널의 채널 추정값을 산출하고, 산출한 4개의 채널 추정값을 채널간 상관 계산부(304) 및 채널 선택부(305)에 각각 입력한다.
채널간 상관 계산부(304)는 채널 추정부(303)로부터 입력되는 4개의 채널 추정값에 근거하여 2개의 채널간 채널 상관값을 산출하고, 산출한 총6개의 채널 상관값을 채널 선택부(305)에 입력한다.
채널 선택부(305)는 채널간 상관 계산부(304)로부터 입력되는 6개의 채널 상관값 중에서 최소의 채널 상관값을 선택하고, 선택한 채널 상관값에 대응하는 2개 채널의 채널 추정값을 비밀키 생성부(306)에 입력한다.
비밀키 생성부(306)는 채널 선택부(305)로부터 입력되는 2개의 채널 추정값을 양자화하여 양자화 데이터를 생성하고, 생성한 양자화 데이터를 기정 방식으로 선택하거나, 조합하거나, 반복하거나, 필요에 따라 오류 정정을 더 행하는 것에 의해 비밀키를 생성한다. 생성한 비밀키는 도시하지 않은 제어부 등에 입력된다.
파일럿 송신 제어부(321)는, 파일럿 수신부(302)로부터 파일럿 신호가 입력되면, 즉시 파일럿 신호를 생성하고, 생성한 파일럿 신호를 파일럿 송신부(322-1, 322-2)에 각각 입력한다.
파일럿 송신부(322-1, 322-2)는 각각, 밴드패스 필터, 디지털/아날로그 변환기 및 저잡음 증폭기 등을 갖고 있고, 파일럿 송신 제어부(321)로부터 입력되는 파일럿 신호에 소정의 송신 신호 처리를 실시한다. 처리 후의 파일럿 신호는 안테나 소자(301-1, 301-2)를 거쳐 기지국에 MIMO 채널로 무선 송신된다.
다음에, 본 발명에 따른 MIMO 기술을 이용한 무선 통신 시스템의 동작에 대하여, 도 6 및 도 7을 이용하여 설명한다.
도 6에, MIMO 기술을 이용한 무선 통신 시스템에 있어서, 기지국과 이동국이 암호화 통신을 행하고, 그 근방에서 제삼자가 무선 신호를 수신하는 태양을 나타낸다. 도 6에서는, 기지국이 갖는 안테나 소자(101-1)와 이동국이 갖는 안테나 소자(301-1) 사이에 형성되는 채널을 C11로 표기한다. 또한, 기지국이 갖는 안테나(11) 소자(101-2)와 이동국이 갖는 안테나 소자(301-1) 사이에 형성되는 채널을 C21로 표기한다. 또한, 기지국이 갖는 안테나 소자(101-1)와 이동국이 갖는 안테나 소자(301-2) 사이에 형성되는 채널을 C12로 표기한다. 또한, 기지국이 갖는 안테나 소자(101-2)와 이동국이 갖는 안테나 소자(301-2) 사이에 형성되는 채널을 C22로 표기한다.
여기서, 이동국은 기지국으로부터의 파일럿 신호를 수신하면, 즉시 파일럿 신호를 회신하기 때문에, 기지국과 이동국이 각각 산출하는 채널 C11의 채널 추정값은 거의 동일하다고 간주할 수 있다. 마찬가지로, 기지국과 이동국이 각각 산출하는 채널 C21, C12 및 C22의 채널 추정값도 거의 동일하다고 간주할 수 있다. 그래서, 도 6에서는, 기지국과 이동국에서의 채널 C11의 채널 추정값을 모두 h11로, 채널 C21의 채널 추정값을 h21로, 채널 C12의 채널 추정값을 h12로, 채널 C22의 채널 추정값을 h22로 표기한다.
기지국의 채널간 상관 계산부(104) 또는 이동국의 채널간 상관 계산부(304)는 4개의 채널 추정값 h11, h21, h12 및 h22 중 2개를 무작위로 조합하여, 총6개의 조합에 관한 채널 상관값을 계산하고, 산출한 6개의 채널 상관값을 모두 채널 선택부(105) 또는 채널 선택부(305)에 입력한다.
여기서, 채널간 상관 계산부(104) 또는 채널간 상관 계산부(304)에 있어서, 4개의 채널 추정값으로부터 6개의 채널 상관값이 산출되는 모양을 설명한다. m행×n열의 MIMO 채널의 채널 행렬 H를 하기의 「수학식 1」로 나타내는 것으로 하면, 임의의 2개의 채널 추정값 hij, hxy(hij≠hxy)의 조합에 관한 채널 상관값 ρij , xy는, 하기 「수학식 2」로 표시된다. 또, 채널 행렬 H에서의 「m」은 기지국의 안테나 소자(101)의 총수를, 또한 동 「n」은 이동국의 안테나 소자(301)의 총수를 나타내기 때문에, 본 실시예에서는 m=n=2로 된다. 또한, 수학식 2에 있어서의 E[]는 앙상블 평균을 나타낸다.
Figure 112007009926715-PCT00001
Figure 112007009926715-PCT00002
그리고, 채널 선택부(105) 또는 채널 선택부(305)는 입력되는 6개의 채널 상관값 중에서 최소의 채널 상관값을 선택하고, 선택한 채널 상관값에 대응하는 2개의 채널의 채널 추정값을 비밀키 생성부(106) 또는 비밀키 생성부(306)에 입력한다. 도 6에서는, 채널 추정값 h21과 채널 추정값 h22의 조합에 관한 채널 상관값 ρ21,22가 최소로 되어있기 때문에, 채널 선택부(105) 또는 채널 선택부(305)는, 채널 추정값 h21과 채널 추정값 h22를 비밀키 생성부(106) 또는 비밀키 생성부(306)에 입력하는 것으로 된다. 또, 채널 상관값 ρ이 최소라는 것은, 대응하는 2개의 채널간의 채널 변동의 차이가 최대인 것을 의미한다. 또한, 본 실시예에 있어서, 채널 선택부(105) 또는 채널 선택부(305)가, 채널을 선택하는 것과, 채널 추정값을 선택하는 것과, 안테나 소자(101, 301)를 선택하는 것은 서로 동의(同義)이다.
비밀키 생성부(106) 또는 비밀키 생성부(306)는, 입력되는 채널 추정값 h21과 채널 추정값 h22를 각각 양자화하여 양자화 데이터를 생성하고, 생성한 양자화 데이터를 기정 방식으로 선택하거나, 조합하거나, 반복하거나, 필요에 따라 오류 정정함으로써 소정의 데이터 길이의 비밀키를 생성한다.
한편, 전파로 특성이 이동국과 근사하는 장소에 위치하는 제삼자에 의해 기 지국 및 이동국이 무선 송신한 파일럿 신호가 수신된 경우, 이 제삼자에 의해 산출되는 채널 추정값이 이동국에 의해 산출되는 채널 추정값과 MIMO 채널에서의 전 채널에 대하여 동일하게 되는 경우는 극히 드물다. 바꾸어 말하면, 도 6에서는, 제삼자가 산출하는 채널 C21의 채널 추정값을 a21로, 채널 C22의 채널 추정값을 a22로 표기하고 있는 경우, 채널 추정값 h21과 a21이 일치하고, 또한, 동시에 채널 추정값 h22와 a22가 일치할 확률은 지극히 낮다. 또한, 기지국과 이동국은 채널 상관값 ρ이 최저로 되는, 즉 채널 변동의 차이가 최대인 2개의 채널 추정값 h21과 h22를 선택하기 때문에, 가령 제삼자가 기지국이나 이동국과 동일한 방식으로 2개의 채널 추정값 a를 선택한다고 해도, 이 제삼자는 기지국이나 이동국이 선택한 채널과는 전혀 다른 채널을 선택할 가능성이 높다. 따라서, 본 실시예에 따른 무선 통신 시스템에 있어서, 제삼자는 전파로 특성이 이동국과 근사하는 장소에 위치하여 기지국 및 이동국으로부터의 MIMO 채널의 파일럿 신호를 수신했다고 해도, 이 기지국이나 이동국이 생성하는 비밀키와 동일한 비밀키를 생성하는 것은 매우 곤란하며, 암호화 통신을 도청하는 것은 불가능하다고 할 수 있다.
도 7에, 기지국과 이동국에 있어서, 암호화 통신에서 사용되는 비밀키가 갱신되는 태양을 시계열로 나타낸다. 기지국과 이동국이 파일럿 신호의 송수신에 의해 비밀키를 비밀리에 공유하면, 즉시 암호화 통신이 시작된다. 그리고, 암호화 통신 중에는, 기지국의 채널간 상관 감시부(110)가, 비밀키의 생성 시에 선택된 2개의 채널간의 채널 상관값을 계속적으로 감시하고, 그 감시 대상의 채널 상관값이 소정의 임계값 이상으로 되었을 때에, 이동국에 파일럿 신호를 송신하도록 지시하는 파일럿 제어 신호를 파일럿 송신 제어부(121)에 입력한다. 그리고, 기지국과 이동국이 서로 파일럿 신호를 재차 송수신하여 MIMO 채널에서의 총4개의 채널 추정값을 재차 산출하고, 재차 산출한 채널 추정값에 근거하여 채널 상관값 ρ가 최소로 되는 2개의 채널을 재차 선택함으로써, 비밀키를 다시 생성, 즉 갱신한다.
이와 같이, 본 실시예에 의하면, 기지국의 채널 선택부(105) 또는 이동국의 채널 선택부(305)가 MIMO 채널에서의 2개의 채널을 선택하고, 그 선택된 채널의 채널 추정값으로부터 비밀키 생성부(106) 또는 비밀키 생성부(306)가 비밀키를 생성하기 때문에, 제삼자에게 무선 신호가 수신되어도 어느 채널이 선택될지는 제삼자에게 불분명한 것이므로, 제삼자에 의한 암호화 통신의 도청을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에 의하면, 채널간 상관 감시부(110)에 의해 비밀키의 생성 시에 선택된 2개의 채널간의 채널 상관값이 계속적으로 감시되고, 감시중인 채널 상관값이 소정의 임계값 이상으로 되었을 때에, 비밀키가 갱신되기 때문에, 제삼자에 의한 도청을 보다 확실히 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에 의하면, 채널 선택부(105) 또는 채널 선택부(305)가, 채널 상관값이 최소로 되는 2개의 채널을 선택하기 때문에, 무선 신호를 수신한 제삼자가 암호화 통신에서 사용되는 비밀키를 독자적으로 생성할 확률을 더욱 저하시킬 수 있다.
또, 본 실시예에서는, 기지국이 채널간 상관 감시부(110)를 갖고 비밀키를 갱신할 필요성을 판정하는 경우에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이 경우에 한정되 는 것이 아니라, 예컨대, 이동국이 도 3에 나타내는 무선 통신 장치(100)를 구비하고, 한편으로 기지국이 도 5에 나타내는 무선 통신 장치(300)를 구비하는 구성이더라도 좋다.
또한, 본 실시예에서는, 기지국의 채널 선택부(105) 또는 이동국의 채널 선택부(305)가, 채널 상관값 ρ가 최저로 되는 2개의 채널 추정값 hij와 hxy를 선택하는 경우에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이 경우에 한정되는 것이 아니라, 예컨대, 채널 선택부(105) 또는 채널 선택부(305)가, 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio: SNR)가 높은 채널로부터 순서대로 선택하도록 하여도 좋다.
또한, 본 실시예에서는, 채널 선택부(105) 또는 채널 선택부(305)가 MIMO 채널에 있어서의 2개의 채널을 선택하는 경우에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이 경우에 한정되는 것이 아니라, 예컨대, 채널 선택부(105) 또는 채널 선택부(305)가 채널을 고쳐 선택할 때마다 선택하는 채널의 수를 증감하여도 좋다.
(실시예 2)
본 발명의 실시예 2에서는, 기지국과 이동국이 각각, 비밀키를 주기적으로 갱신하여 비밀키의 비닉성(秘匿性)을 유지한다. 이하, 본 실시예에 대하여, 중복을 피하기 위해, 실시예 1과 서로 다른 점에 대해서만 설명한다.
도 8은 본 실시예에 따른 무선 통신 장치(600)를 갖는 기지국의 구성을 나타내는 블럭도이다. 무선 통신 장치(600)는, 상기 실시예 1의 무선 통신 장치(100) 에 있어서, 타이머부(631)를 더 갖는 것이다.
타이머부(631)는 파일럿 신호를 생성하여 이동국에 송신하도록 지시하는 파일럿 제어 신호를, 미리 정해진 주기로 파일럿 송신 제어부(121)에 입력한다.
도 9에, 채널 선택부(105) 또는 채널 선택부(305)에 의해 선택되는 채널 추정값 h를 시계열로 나타낸다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 기지국과 이동국에 있어서, 암호화 통신의 개시 당초에는, 채널 추정값 h22와 h21이 선택되고, 채널 추정값 h22와 h21로부터 비밀키가 생성된다. 계속해서, Δt 경과 후에 타이머부(631)로부터 파일럿 송신 제어부(121)에 파일럿 제어 신호가 입력되고, 기지국과 이동국이 파일럿 신호를 송수신함으로써, 채널 추정값 h21과 h11이 선택되어 비밀키가 갱신된다. 그 후, 미리 정해진 주기 Δt마다, 타이머부(631)로부터 파일럿 송신 제어부(121)에 파일럿 제어 신호가 입력되고, 기지국과 이동국이 파일럿 신호를 송수신하여 비밀키가 갱신된다.
이와 같이, 본 실시예에 의하면, 타이머부(631)로부터 파일럿 송신 제어부(121)에 파일럿 제어 신호가 미리 정해진 주기 Δt로 입력되는 것에 의해, 기지국 및 이동국에서 비밀키가 갱신되기 때문에, 비밀키의 사용 중에 제삼자에 의해 우발적으로 동일한 비밀키가 생성되더라도, 암호화 통신의 비닉성을 회복할 수 있다.
또, 본 실시예에서는, 타이머부(631)와 채널간 상관 감시부(110)로부터 병행하여 파일럿 송신 제어부(121)에 파일럿 제어 신호가 입력되는 경우에 대하여 설명 했지만, 본 발명은 이 경우에 한정되는 것이 아니라, 예컨대, 무선 통신 장치(600)에 있어서 채널간 상관 감시부(110)를 제거하여, 타이머부(631)로부터만 파일럿 송신 제어부(121)에 파일럿 제어 신호가 입력되도록 하여도 좋다.
(실시예 3)
본 발명의 실시예 3에서는, 4개의 안테나 소자를 갖는 기지국과 3개의 안테나 소자를 갖는 이동국이, 각각이 갖는 안테나 소자를 전환하여 사용함으로써, 채널 추정값의 다양성을 증대시킨 후에 비밀키를 생성하여 암호화 통신을 행한다. 이하, 본 실시예에 대하여, 중복을 피하기 위해, 실시예 1과 서로 다른 점에 대해서만 설명한다.
도 10에, 본 실시예에 따른 무선 통신 시스템의 동작의 개요를 나타낸다. 도 10에서, 기지국이 갖는 4개의 안테나 소자(101-1∼101-4)는, 안테나 소자(101-1, 101-2)의 제 1 조와, 안테나 소자(101-3, 101-4)의 제 2 조로 구분되어 있다. 또한, 이동국이 갖는 3개의 안테나 소자(301-1∼301-3)도, 안테나 소자(301-1, 301-2)의 제 1 조와, 안테나 소자(301-2, 301-3)의 제 2 조로 구분되어 있다. 그리고, 본 실시예에서는, 도 10에 나타내는 바와 같이, 기지국과 이동국이 각각, 비밀키의 갱신이 필요하게 될 때마다, 제 1 조의 안테나 소자와 제 2 조의 안테나 소자를 전환하여 교대로 사용한다.
도 11은 도 10에서의 기지국이 구비하는 무선 통신 장치(900)의 구성을 나타내는 블럭도이다. 또, 도 11에서, 상기 실시예 1에 따른 무선 통신 장치(100)에 있어서의 구성부와 마찬가지의 기능을 발휘하는 구성부에 대해서는, 무선 통신 장치(100)에 있어서의 구성부와 동일한 참조 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다.
무선 통신 장치(900)는 4개의 안테나 소자(101-1∼101-4), 4개의 파일럿 수신부(102-1∼102-4), 채널 추정부(103), 비밀키 생성부(106), 파일럿 송신 제어부(121), 4개의 파일럿 송신부(122-1∼121-4), 안테나 제어부(951) 및 2개의 전환부(952, 953)를 구비한다.
안테나 제어부(951)는, 도시하지 않은 제어부 등으로부터 파일럿 제어 신호를 입력받았을 때에, 안테나 전환 요구 신호를 생성하고, 생성한 안테나 전환 요구 신호를 안테나 소자(101)를 통해 이동국으로 무선 송신한다. 계속해서, 안테나 제어부(951)는 이 안테나 전환 요구 신호에 대한 이동국의 응답인 확인 신호를 안테나 소자(101)를 통해 수신한 후에, 전환부(952, 953)에 대하여, 파일럿 신호를 송수신하는 안테나 소자(101)의 조를 전환하도록 지시하는 안테나 제어 신호를 입력한다.
전환부(952, 953)는 각각, 안테나 제어부(951)로부터 안테나 제어 신호가 입력되어 왔을 때에, 현재 사용하고 있는 안테나 소자의 조를 다른 쪽의 조로 전환한다.
도 12는, 도 10에서의 이동국이 구비하는 무선 통신 장치(1000)의 구성을 나타내는 블럭도이다. 또, 도 12에서, 상기 실시예 1에 따른 무선 통신 장치(300)에 있어서의 구성부와 마찬가지의 기능을 발휘하는 구성부에 대해서는, 무선 통신 장치(300)에 있어서의 구성부와 동일한 참조 부호를 부여하여, 그 설명을 생략한다.
무선 통신 장치(1000)는 3개의 안테나 소자(301-1∼301-3), 3개의 파일럿 수신부(302-1∼302-3), 채널 추정부(303), 비밀키 생성부(306), 파일럿 송신 제어부(321), 3개의 파일럿 송신부(322-1∼322-3), 안테나 제어부(1051) 및 2개의 전환부(1052, 1053)를 구비한다.
안테나 제어부(1051)는 무선 통신 장치(900)로부터 무선 송신되는 안테나 전환 요구 신호를 안테나 소자(301)를 통해 수신했을 때에, 전환부(1052, 1053)에 대하여, 파일럿 신호를 송수신하는 안테나 소자(301)의 조를 전환하도록 지시하는 안테나 제어 신호를 입력한다. 그리고, 안테나 제어부(1051)는 전환부(1052, 1053)에 있어서의 안테나 소자(301)의 조의 전환이 완료한 것을 나타내는 확인 신호를, 안테나 소자(301)를 통해 무선 통신 장치(900)로 무선 송신한다.
전환부(1052, 1053)는 각각, 안테나 제어부(1051)로부터 안테나 제어 신호가 입력되었을 때에, 현재 사용하고 있는 안테나 소자의 조를 다른 쪽의 조로 전환한다.
도 13에, 본 실시예에 따른 무선 통신 시스템에 있어서, 기지국과 이동국이 암호화 통신에서 사용하는 안테나 소자의 조를 전환하는 태양을 시계열로 나타낸다.
도 13에 나타내는 바와 같이, 안테나 소자의 조를 재차 선택할 필요가 발생했을 때에는, 우선 기지국에서, 안테나 전환 요구가 암호화 통신에 인터럽트하여 발생한다. 그리고, 기지국은, 이 안테나 전환 요구 신호를 이동국으로 송신한다. 이동국은, 안테나 전환 요구 신호를 수신하면, 현재 사용하고 있는 안테나 소자의 조를 다른 조로 전환하고, 그 전환이 완료된 것을 통지하는 확인 신호를 기지국에 무선 송신한다.
이와 같이, 본 실시예에 의하면, 비밀키를 갱신할 때에 파일럿 신호를 수신하는 안테나 소자가 전환되기 때문에, 그 갱신의 전후로 산출되는 채널 추정값이 일변함으로써, 제삼자가 암호화 통신에서 사용 중의 비밀키를 우발적으로 생성할 수 있었다고 해도, 비밀키의 갱신에 의해 암호화 통신의 비닉성을 회복할 수 있다.
또한, 본 실시예에 의하면, 비밀키를 갱신할 때에 파일럿 신호를 수신하는 안테나 소자를 기계적으로 전환하는 것만으로도 좋기 때문에, 기지국 및 이동국에서의 신호 처리의 부하를 경감할 수 있다.
또한, 본 실시예에 의하면, 기지국이나 이동국이 각각 3개 이상의 안테나 소자를 갖고 있더라도, 채널 추정의 대상으로 되는 안테나 소자의 수는 일정하기 때문에, 채널 추정에 있어서의 연산량이나 파일럿 신호의 오버헤드를 삭감할 수 있다.
또, 본 실시예에서는, 기지국의 전환부(952, 953) 및 이동국의 전환부(1052, 1053)에 있어서, 안테나 소자의 조가 미리 정해져 있는 경우에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이 경우에 한정되는 것이 아니라, 예컨대, 전환부(952, 953, 1052, 1053)가 각각, 안테나 제어부(951, 1051)의 지시에 따라 혹은 랜덤으로, 안테나 소자를 선택하도록 하여도 좋다. 또한, 예컨대, 전환부(952, 953, 1052, 1053)가 각각, 선택하는 안테나 소자의 수를 적절히 조절하도록 하여도 좋다. 이와 같이 하면, 채널 추정값의 분산을 증대시킬 수 있어, 비밀키의 다양성을 향상시킬 수 있 다.
상기 각 실시예에서는, 본 발명을 하드웨어로 구성하는 경우를 예로 들어 설명했지만, 본 발명은 소프트웨어로 실현하는 것도 가능하다.
또한, 상기 각 실시예의 설명에 이용한 각 기능 블럭은, 전형적으로는 집적 회로인 LSI로서 실현된다. 이들은 개별적으로 1칩화되어도 좋고, 일부 또는 모두를 포함하도록 1칩화되어도 좋다. 여기서는, LSI라고 했지만, 집적도의 차이에 따라, IC, 시스템 LSI, 슈퍼 LSI, 울트라 LSI라고 호칭되는 경우도 있다.
또한, 집적 회로화의 수법은 LSI에 한정되는 것이 아니라, 전용 회로 또는 범용 프로세서로 실현하여도 좋다. LSI 제조 후에, 프로그래밍하는 것이 가능한 FPGA(Field Programmable Gate Array)나, LSI 내부의 회로 셀의 접속이나 설정을 재구성할 수 있는 리컨피규러블 프로세서(reconfigurable processor)를 이용하여도 좋다.
더욱이, 반도체 기술의 진보 또는 파생하는 다른 기술에 의해 LSI에 대신하는 집적 회로화의 기술이 등장하면, 당연, 그 기술을 이용하여 기능 블럭의 집적화를 행하여도 좋다. 바이오 기술의 적응 등이 가능성으로서 있을 수 있다.
본 발명의 제 1 태양은, MIMO 채널의 무선 신호를 수신하는 복수의 안테나와, 상기 안테나에 의한 수신 신호의 채널 추정값을 산출하는 채널 추정 수단과, 산출된 채널 추정값에 근거하여 MIMO 채널에서의 채널간의 채널 상관값을 산출하는 채널간 상관 계산 수단과, 산출된 채널 상관값에 근거하여 MIMO 채널 중 어느 하나의 채널을 선택하는 채널 선택 수단과, 선택된 채널의 채널 추정값으로부터 비밀키 를 생성하는 키 생성 수단을 구비하는 무선 통신 장치이다.
이 구성에 의하면, MIMO 채널 중 어느 하나의 채널이 선택되고, 선택된 채널의 채널 추정값으로부터 암호화 통신에 사용되는 비밀키가 생성되기 때문에, 제삼자에게 무선 신호가 수신되어도 어느 하나의 채널의 채널 추정값을 선택할지는 제삼자에게 불명확한 것이므로, 제삼자에 의한 암호화 통신의 도청을 방지할 수 있다.
본 발명의 제 2 태양은, 상기 발명에 있어서, 상기 채널 선택 수단에 의해 선택된 채널간의 채널 상관값을 감시하고, 감시 중인 채널 상관값이 소정의 임계값 이상으로 되었을 때에, 상기 채널 선택 수단에 대하여, 상기 채널간 상관 계산 수단에 의해 산출된 채널 상관값에 근거하여 MIMO 채널 중 어느 하나의 채널을 다시 선택시키는 채널간 상관 감시 수단을 더 구비하는 무선 통신 장치이다.
이 구성에 의하면, 상기 발명에 의한 효과에 더하여, 선택된 채널간의 채널 상관값이 감시되고, 감시 중인 채널 상관값이 소정의 임계값 이상으로 되었을 때에, MIMO 채널 중 어느 하나의 채널이 다시 선택되어 비밀키가 갱신되기 때문에, 제삼자에 의한 도청을 보다 확실히 방지할 수 있다.
본 발명의 제 3 태양은, 상기 발명에 있어서, 상기 채널 선택 수단에 대하여, 상기 채널간 상관 계산 수단에 의해 산출된 채널 상관값에 근거하여 MIMO 채널 중 어느 하나의 채널을 주기적으로 다시 선택시키는 타이머 수단을 더 구비하는 무선 통신 장치다.
이 구성에 의하면, 상기 발명에 의한 효과에 더하여, MIMO 채널 중 어느 하 나의 채널의 채널 추정값이 주기적으로 선택되어 비밀키가 갱신되기 때문에, 비밀키의 사용 중에 제삼자에 의해 우발적으로 동일한 비밀키가 생성되더라도, 암호화 통신의 비닉성을 회복할 수 있다.
본 발명의 제 4 태양은, 상기 발명에 있어서, 상기 채널 선택 수단은, 상기 채널간 상관 계산 수단에 의해 산출된 채널 상관값이 최저로 되는 MIMO 채널 중 어느 하나의 채널을 선택하는 무선 통신 장치이다.
이 구성에 의하면, 상기 발명에 의한 효과에 더하여, 채널 상관값이 최저로 되는 MIMO 채널 중 어느 하나의 채널의 채널 추정값이 선택되기 때문에, 무선 신호를 수신한 제삼자가 암호화 통신에서 사용되는 비밀키를 독자적으로 생성할 확률을 한층 더 저하시킬 수 있다.
본 발명의 제 5 태양은, 상기 발명에 있어서, 상기 채널 선택 수단은, 전회 선택한 MIMO 채널 중 어느 하나의 채널과 다른 채널을 선택하는 무선 통신 장치이다.
이 구성에 의하면, 상기 발명에 의한 효과에 더하여, 전회 선택된 MIMO 채널 중 어느 하나의 채널과 다른 채널이 선택되기 때문에, 제삼자가 암호화 통신에서 사용되는 비밀키를 우발적으로 생성했다고 해도 비밀키의 갱신에 의해 암호화 통신의 비닉성을 회복할 수 있다.
본 발명의 제 6 태양은 상기 발명에 따른 무선 통신 장치를 복수 구비하는 무선 통신 시스템이다.
이 구성에 의하면, MIMO 채널 중 어느 하나의 채널이 선택되고, 선택된 채널 의 채널 추정값으로부터 암호화 통신에 사용되는 비밀키가 생성되기 때문에, 제삼자에게 무선 신호가 수신되어도 어느 하나의 채널의 채널 추정값을 선택할지는 제삼자에게 불명확한 것이므로, 제삼자에 의한 암호화 통신의 도청을 방지할 수 있다.
본 발명의 제 7 태양은, 복수의 안테나로 MIMO 채널의 무선 신호를 수신하는 수신 단계와, 상기 안테나에 의한 수신 신호의 채널 추정값을 산출하는 채널 추정 단계와, 산출된 채널 추정값에 근거하여 MIMO 채널에서의 채널간 채널 상관값을 산출하는 채널간 상관 계산 단계와, 산출된 채널 상관값에 근거하여 MIMO 채널 중 어느 하나의 채널을 선택하는 채널 선택 단계와, 선택된 채널의 채널 추정값으로부터 비밀키를 생성하는 키 생성 단계를 구비하는 무선 통신 방법이다.
이 방법에 의하면, MIMO 채널 중 어느 하나의 채널이 선택되고, 선택된 채널의 채널 추정값으로부터 암호화 통신에 사용되는 비밀키가 생성되기 때문에, 제삼자에게 무선 신호가 수신되어도 어느 하나의 채널의 채널 추정값을 선택할지는 제삼자에게 불명확한 것이므로, 제삼자에 의한 암호화 통신의 도청을 방지할 수 있다.
본 명세서는 2004년 8월 4일 출원된 일본 특허 출원 제2004-228659호에 근거하는 것이다. 그 내용은 모두 여기에 포함시켜 놓는다.
본 발명에 따른 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법은, 제삼자에게 무선 신호 가 수신되더라도 암호화 통신의 도청을 방지할 수 있다고 하는 효과를 갖고, MIMO기술을 이용한 무선 통신 시스템 등으로서 유용하다.

Claims (7)

  1. MIMO 채널의 무선 신호를 수신하는 복수의 안테나와,
    상기 안테나에 의한 수신 신호의 채널 추정값을 산출하는 채널 추정 수단과,
    산출된 채널 추정값에 근거하여 MIMO 채널에서의 채널간의 채널 상관값을 산출하는 채널간 상관 계산 수단과,
    산출된 채널 상관값에 근거하여 MIMO 채널에 있어서의 어느 하나의 채널을 선택하는 채널 선택 수단과,
    선택된 채널의 채널 추정값으로부터 비밀키를 생성하는 키 생성 수단
    을 구비하는 무선 통신 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널 선택 수단에 의해 선택된 채널간의 채널 상관값을 감시하고, 감시 중인 채널 상관값이 소정의 임계값 이상으로 되었을 때에, 상기 채널 선택 수단에 대하여, 상기 채널간 상관 계산 수단에 의해 산출된 채널 상관값에 근거하여 MIMO 채널에 있어서의 어느 하나의 채널을 다시 선택시키는 채널간 상관 감시 수단을 더 구비하는 무선 통신 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 채널 선택 수단에 대하여, 상기 채널간 상관 계산 수단에 의해 산출된 채널 상관값에 근거하여 MIMO 채널에 있어서의 어느 하나의 채널을 주기적으로 다시 선택시키는 타이머 수단을 더 구비하는 무선 통신 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널 선택 수단은, 상기 채널간 상관 계산 수단에 의해 산출된 채널 상관값이 최저로 되는, MIMO 채널에 있어서의 어느 하나의 채널을 선택하는 무선 통신 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널 선택 수단은, 전회 선택한 MIMO 채널에 있어서의 어느 하나의 채널과 다른 채널을 선택하는 무선 통신 장치.
  6. 청구항 1에 기재된 무선 통신 장치를 복수 구비하는 무선 통신 시스템.
  7. 복수의 안테나로 MIMO 채널의 무선 신호를 수신하는 수신 단계와,
    상기 안테나에 의한 수신 신호의 채널 추정값을 산출하는 채널 추정 단계와,
    산출된 채널 추정값에 근거하여 MIMO 채널에 있어서의 채널간 채널 상관값을 산출하는 채널간 상관 계산 단계와,
    산출된 채널 상관값에 근거하여 MIMO 채널에 있어서의 어느 하나의 채널을 선택하는 채널 선택 단계와,
    선택된 채널의 채널 추정값으로부터 비밀키를 생성하는 키 생성 단계
    를 구비하는 무선 통신 방법.
KR1020077002622A 2004-08-04 2005-07-08 무선 통신 장치, 무선 통신 시스템 및 무선 통신 방법 KR20070032040A (ko)

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