KR20070042160A - 무선 통신 방법, 무선 통신 시스템 및 무선 통신 장치 - Google Patents

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KR20070042160A
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토모히로 이마이
야스아키 유다
다이치 이마무라
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마쓰시다 일렉트릭 인더스트리얼 컴패니 리미티드
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Abstract

MIMO 기술을 이용한 무선 통신 시스템에서의 기지국과 이동국에 공통의 비밀키를 단시간에 생성하여, 암호화 통신을 조기에 개시할 수 있는 무선 통신 장치 등을 개시한다. 이 장치에서는, ST545에서, 채널 일치 판정부(105) 및 채널 일치 판정 처리부(205)가 각각, ST540-2에서 생성된 채널 일치 판정 신호에 나타난 판정 결과에 따라, 기지국이 생성한 채널 행렬과 이동국이 생성한 채널 행렬이 완전하게 일치하거나, 혹은 완전하게는 일치하지 않지만 비밀키의 오류 정정 등에 의해 최종적으로 일치할 수 있다고 판정했을 경우에는, ST545에 이어 ST550이 실행된다. 한편, 기지국이 생성한 채널 행렬과 이동국이 생성한 채널 행렬이 완전하게는 일치하지 않고, 또한, 비밀키의 오류 정정 등에 의해서도 최종적으로 일치할 수 없다고 판정되었을 경우에는, ST545에 이어 다시 ST510이 실행된다.

Description

무선 통신 방법, 무선 통신 시스템 및 무선 통신 장치{RADIO COMMUNICATION METHOD, RADIO COMMUNICATION SYSTEM, AND RADIO COMMUNICATION DEVICE}
본 발명은, 복수의 안테나 소자로부터 송신된 무선 신호를 복수의 안테나 소자에서 수신하여 무선 통신을 행하는 멀티 인풋·멀티 아웃풋(Multiple Input Multiple Output: MIMO) 기술을 이용한 무선 통신 시스템, 그리고 이 시스템에서 사용되는 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법에 관한 것이다.
최근의 정보화 사회의 발전에 수반하여, 이동체 무선 통신 기술이 그 편리성 때문에 급속히 보급되고 있다. 이동체 무선 통신에서는, 제삼자에 의한 무선 신호의 인터셉트가 비교적 용이하기 때문에, 이동체 무선 통신에서 개인 정보나 기업의 기밀 정보를 송수신하는 경우에는, 무선 신호의 도청 대책이 필요 불가결하다.
이동체 무선 통신에서의 도청 대책으로서는, 암호화 기술의 이용이 일반적이다. 구체적으로는, 이동체 무선 통신 시스템에서의 전파로 특성을 이용하여 송신측과 수신측의 무선 통신 장치가 각각 개별적으로 비밀키를 생성하는 암호화 기술이 알려져 있다(예를 들면 비특허 문헌 1 참조).
비특허 문헌 1에 기재된 암호화 기술은, 이동체 무선 통신 시스템에서의 전파로 특성이 불규칙하게 시간 변동하는 것, 송수신 위치의 작은 변동으로도 그 전 후에서의 전파로의 상관이 급격하게 저하하는 것 및 일반적으로 전파의 가역성이 성립하는 것을 이용하여, 송신측과 수신측의 무선 통신 장치가 각각 개별적으로 전파로 특성을 측정하고, 그 측정 결과로부터 얻어지는 정보를 비밀리에 공유하여 동일한 비밀키를 생성함으로써, 이들 무선 통신 장치 간에서 암호화 통신을 실현하는 것이다.
비특허 문헌 1에 기재된 기술에 대해, 도 1을 이용하여 설명한다. 도 1에, 이동체 무선 통신 시스템에서의 기지국과 이동국 사이에서 암호화 통신이 개시될 때까지의 신호 처리의 흐름을 나타낸다. 한편, 도 1에서는, 기지국과 이동국에 있어서 같은 신호 처리가 행해지는 스텝에 대해서는, 동일한 번호를 부여하고 있다. 또한, 도 1에서는, 기지국의 각 스텝에 가지번호 "1"을 부여하는 한편, 이동국의 각 스텝에 가지번호 "2"를 부여하고 있다. 이하, 기지국의 각 스텝과 이동국의 각 스텝에 대해 설명하는데, 기지국의 동작과 이동국의 동작을 나누어 설명할 필요가 있는 스텝 이외에는, 가지번호를 생략하고 포괄적으로 설명한다.
먼저, 스텝 ST10에서는, 기지국과 이동국이 전파로 특성으로부터 얻어지는 정보를 공유하기 위해, 시분할 복신(TDD: Time Division Duplex) 방식으로 파일럿 신호를 교대로 송수신한다.
계속해서, 스텝 ST20에서는, 기지국과 이동국이 각각, 수신한 파일럿 신호에 기초하여 채널 추정을 행한다.
계속해서, 스텝 ST30에서는, 기지국과 이동국이 각각, 스텝 ST20에서 산출한 채널의 진폭이나 위상 정보 등의 채널 추정치를 양자화하여, 0 및 1의 2치로 이루 어지는 양자화 데이터를 생성하고, 생성한 양자화 데이터를 이미 정해진 방식으로 반복하거나 교체함으로써 비밀키를 생성한다.
계속해서, 스텝 ST40-2에서는, 이동국이 자기 장치에서 생성한 비밀키의 비트 패턴을 편의상 블록 부호화된 것으로 간주하여, 이 비밀키에 검사 행렬을 곱하여 신드롬을 산출하고, 산출한 신드롬을 기지국에 송신한다.
계속해서, 스텝 ST45-1에서는, 기지국이 자기 장치에서 생성한 비밀키에 대해, 스텝 ST40-2와 마찬가지로 하여 신드롬을 생성하고, 자기 장치에서 생성한 신드롬과 이동국으로부터 송신되어 오는 신드롬을 비교하여 그 차분을 산출하고, 산출한 차분에 기초하여 자기 장치에서 생성한 비밀키를 오류 정정한다.
한편, 기지국과 이동국은 TDD 방식으로 파일럿 신호를 교대로 송수신하기 때문에, 파일럿 신호에 포함되는 잡음의 시간 변동 등에 의해, 기지국이 산출하는 채널 추정치와 이동국이 산출하는 채널 추정치 사이에는 필연적으로 차이가 생기게 된다. 그리고, 이들 채널 추정치의 차이가, 스텝 ST30에서의 양자화의 판정 경계를 넘어버리면, 기지국이 생성하는 비밀키와 이동국이 생성하는 비밀키가 일치하지 않게 되어 버리는 문제가 생긴다.
따라서, 스텝 ST45-1에서는, 기지국이 생성하는 비밀키와 이동국이 생성하는 비밀키 사이에 생긴 차이를 가능한 한 회복하기 위해, 신드롬의 차분에 기초하여 비밀키를 오류 정정한다.
계속해서, 스텝 ST50에서는, 기지국과 이동국이 각각, 자기 장치에서 생성한 비밀키에 대해 불가역적인 신호 처리, 예를 들면 해쉬화 처리를 실시함으로써, 해 쉬화 정보를 생성한다. 또한, 스텝 ST50-2에서는, 이동국이 생성한 해쉬화 정보를 기지국에 송신한다.
계속해서, 스텝 ST55-1에서는, 기지국이 자기 장치에서 생성한 해쉬화 정보와 이동국으로부터 송신되어 오는 해쉬화 정보를 비교하고, 그 비교 결과를 나타내는 확인 신호를 생성하고, 생성한 확인 신호를 이동국에 송신한다.
계속해서, 스텝 ST60에서는, 기지국과 이동국이 각각 스텝 ST55-1에서 생성된 확인 신호에 기초하여, 기지국이 생성한 비밀키와 이동국이 생성한 비밀키가 일치하는지 판정한다. 스텝 ST60에서, 이들 비밀키가 일치한다고 판정되었을 경우에는, 스텝 ST60에 이어 스텝 ST70이 실행되는 한편, 이들 비밀키가 일치하지 않는다고 판정되었을 경우에는, 스텝 ST60에 이어 다시 스텝 ST10이 실행된다.
계속해서, 스텝 ST70에서는, 기지국과 이동국이 자기 장치에서 생성한 비밀키를 이용하여 암호화 통신을 개시한다.
비특허 문헌 1: 호리이케 모토키, 사사오카 히데이치, "육상 이동 통신로의 불규칙 변동에 기초하는 비밀키 공유 방식", 신학기보(信學技報), RCS2002-173
〈발명이 해결하려고 하는 과제〉
그러나, 비특허 문헌 1에 기재된 기술에서는, 기지국에서의 신드롬의 차분에 기초하는 비밀키의 오류 정정 능력이 수 비트인데 대해 비밀키의 데이터 길이가 수백 비트이므로, 기지국에서 신드롬의 차분에 기초하는 비밀키의 오류 정정을 행하였다고 해도, 기지국이 생성하는 비밀키와 이동국이 생성하는 비밀키가 일치하지 않는 경우가 빈발할 것으로 예상된다.
그리고, 기지국이 생성하는 비밀키와 이동국이 생성하는 비밀키가 일치하지 않는 경우에는, 기지국과 이동국이 각각 파일럿 신호의 송수신부터 다시 시작하게 되기 때문에, 그때까지 행해진 신드롬의 생성, 해쉬화 정보의 생성, 채널 추정치의 양자화 처리, 비밀키의 생성 및 비밀키의 오류 정정 처리 등의 일련의 신호 처리가 소용없게 되어 시간적 및 연산적 손실이 발생하게 된다.
따라서, 비특허 문헌 1에 기재된 기술에서는, 기지국과 이동국에 있어서 공통의 비밀키가 생성될 때까지 상당한 시간을 필요로 하기 때문에, 암호화 통신을 조기에 개시하는 것은 곤란하다.
본 발명의 목적은, MIMO 기술을 이용한 무선 통신 시스템에서의 기지국과 이동국에 공통의 비밀키를 단시간에 생성하여, 암호화 통신을 조기에 개시할 수 있는 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법 등을 제공하는 것이다.
〈과제를 해결하기 위한 수단〉
본 발명에 따른 무선 통신 방법은, 복수의 제1 안테나를 갖는 제1 무선 통신 장치와 복수의 제2 안테나를 갖는 제2 무선 통신 장치에 의해 행해지는 무선 통신 방법으로서, 상기 제1 무선 통신 장치가 복수의 상기 제1 안테나와 복수의 상기 제2 안테나 사이에 형성되는 제1 MIMO 채널에 대해 제1 채널 추정치를 산출하는 제1 채널 추정 스텝과, 상기 제2 무선 통신 장치가 복수의 상기 제2 안테나와 복수의 상기 제1 안테나 사이에 형성되는 제2 MIMO 채널에 대해 제2 채널 추정치를 산출하는 제2 채널 추정 스텝과, 상기 제1 무선 통신 장치가 산출된 제1 채널 추정치로부터 제1 채널 정보를 생성하는 정보 생성 스텝과, 상기 제2 무선 통신 장치가 산출된 제2 채널 추정치와 상기 제1 채널 정보에 기초하여 상기 제2 MIMO 채널과 상기 제1 MIMO 채널이 일치하는지 판정하는 채널 일치 판정 스텝과, 상기 제1 무선 통신 장치가 상기 채널 일치 판정 스텝에서 일치한다고 판정되었을 때에 한하여, 상기 제1 채널 추정치로부터 제1 비밀키를 생성하는 제1 비밀키 생성 스텝과, 상기 제2 무선 통신 장치가 상기 채널 일치 판정 스텝에서 일치한다고 판정되었을 때에 한하여, 상기 제2 채널 추정치로부터 제2 비밀키를 생성하는 제2 비밀키 생성 스텝을 구비한다.
〈발명의 효과〉
본 발명에 의하면, MIMO 기술을 이용하는 무선 통신 시스템에 있어서, 암호화 통신을 개시하려고 하는 복수의 무선 통신 장치가 각각 MIMO 채널의 채널 추정치를 산출하고, 그 채널 추정치에 기초하여 비밀키를 생성하기 전에, 이들 무선 통신 장치에서 생성되게 되는 비밀키가 일치할 수 있는지 판정하여, 그 판정 결과가 일치할 수 있는 경우에 한하여 실제로 비밀키를 생성하기 때문에, 공통의 비밀키를 생성하기까지 필요로 하는 시간을 단축할 수 있어 암호화 통신을 조기에 개시할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 효과 외에, MIMO 기술을 이용하는 무선 통신 시스템에서 암호화 통신을 개시하려고 하는 복수의 무선 통신 장치가 공통의 비밀키를 생성하는데 있어서, 한쪽의 무선 통신 장치로부터 다른 쪽의 무선 통신 장치로 MIMO 채널의 상관 행렬이 송신되기 때문에, 제삼자에게 이 상관 행렬이 인터셉트되었다고 해도 생성되는 비밀키의 은닉성을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 효과 외에, MIMO 기술을 이용하는 무선 통신 시스템에 있어서 암호화 통신을 개시하려고 하는 복수의 무선 통신 장치가 공통의 비밀키를 생성할 때에, 그 비밀키에 소정 비트수의 오류 정정을 실시하기 때문에, 이들 무선 통신 장치가 산출한 채널 추정치끼리의 상관이 낮아도 생성된 비밀키를 일치시키는 것이 가능하게 되므로, 암호화 통신을 조기에 개시할 수 있다.
도 1은 종래의 암호화 통신이 개시될 때까지의 신호 처리의 흐름을 나타내는 흐름도.
도 2는 제1 실시의 형태에 따른 무선 통신 장치를 구비하는 기지국의 구성을 도시하는 블록도.
도 3은 제1 실시의 형태에 따른 무선 통신 장치를 구비하는 이동국의 구성을 도시하는 블록도.
도 4는 제1 실시의 형태에 따른 무선 통신 장치의 일부의 구성을 상세하게 도시하는 블록도.
도 5는 실시의 형태 1에 있어서 기지국이 생성하는 비밀키와 이동국이 생성하는 비밀키의 불일치 비트수에 대한 채널 상관치 ρ의 상관의 일례를 나타내는 도면.
도 6은 제1 실시의 형태에 따른 무선 통신 시스템의 동작을 설명하는 흐름도.
도 7은 제2 실시의 형태에 따른 무선 통신 장치를 구비하는 기지국의 구성을 도시하는 블록도.
도 8은 제2 실시의 형태에 따른 무선 통신 장치를 구비하는 이동국의 구성을 도시하는 블록도.
도 9a는 제2 실시의 형태에 있어서 기지국이 생성하는 비밀키와 이동국이 생성하는 비밀키의 불일치 비트수에 대한 채널 상관치 ρ의 상관의 일례를 나타내는 도면.
도 9b는 도 9a에 나타낸 채널 상관치와 오류 정정 능력의 관계를 나타내는 도면.
도 10은 제2 실시의 형태에 따른 무선 통신 시스템의 동작을 설명하는 흐름도.
도 11은 본 발명을 응용한 무선 통신 장치의 구성을 도시하는 블록도.
도 12는 본 발명을 응용한 무선 통신 시스템의 동작을 설명하는 도면.
도 13은 MIMO 채널의 개요를 설명하는 도면.
이하, 본 발명에 따른 실시의 형태에 대해, 도면을 적절하게 참조하면서 상세하게 설명한다. 한편, 이하의 각 실시의 형태에서는, MIMO 기술을 이용하는 TDD 방식의 이동체 무선 통신 시스템에 있어서, 기지국과 이동국이 암호화 통신을 개시하려고 하고 있는 경우를 예로 설명한다.
(제1 실시의 형태)
도 2는, 본 발명의 제1 실시의 형태에 따른 무선 통신 장치(100)를 구비하는 기지국의 구성을 도시하는 블록도이다.
무선 통신 장치(100)는, 2개의 안테나 소자(101-1, 101-2), 2개의 파일럿 수신부(102-1, 102-2), 채널 추정부(103), 채널 일치 판정부(105), 스위치(106), 상관 정보 계산부(108), 상관 정보 송신부(109), 파일럿 송신 제어부(111), 2개의 파일럿 송신부(112-1, 112-2) 및 비밀키 생성부(120)를 갖는다. 또한, 비밀키 생성부(120)는 양자화부(121), 오류 정정부(122) 및 키 일치 확인부(123)를 갖는다.
안테나 소자(101-1, 101-2)는 각각, 통신 상대인 이동국으로부터 송신되어 오는 무선 신호를 포착하여, 그 수신 신호를 파일럿 수신부(102-1, 102-2)에 입력한다.
파일럿 수신부(102-1, 102-2)는 각각, 밴드 패스 필터, 아날로그/디지털 변환기 및 저잡음 앰프 등을 구비하고, 안테나 소자(101-1, 101-2)로부터 입력되어 오는 수신 신호로부터 파일럿 신호를 추출하여, 추출한 파일럿 신호에 공지의 수신 신호 처리를 실시하고, 그 처리 후의 파일럿 신호를 채널 추정부(103)에 입력한다.
채널 추정부(103)는, 파일럿 수신부(102-1, 102-2)로부터 각각 입력되어 오는 파일럿 신호에 기초하여 MIMO 채널의 채널 추정치를 산출하고, 산출한 채널 추정치로부터 MIMO 채널의 채널 행렬을 생성하여, 생성한 채널 행렬을 채널 일치 판정부(105) 및 상관 정보 계산부(108)에 각각 입력한다.
한편, MIMO 채널의 채널 추정치란, MIMO 채널에서의 각 채널, 즉 후술하는 이동국의 안테나 소자(201-1, 201-2)와 안테나 소자(101-1, 101-2) 사이에 형성되 는 4개의 채널(도 13에서는 a11, a12, a21 및 a22) 각각의 채널 추정치를 총칭한 것이다. 또한, MIMO 채널의 채널 행렬에 대해서는 후술한다.
채널 일치 판정부(105)는, 안테나 소자(101)에 의한 수신 신호에 포함되며 도시하지 않은 제어부 등으로부터 입력되어 오는 채널 일치 판정 신호에 의해 나타나는 판정 결과에 따라, 그 판정 결과가 일치하는 경우에는, 채널 추정부(103)로부터 입력되어 오는 MIMO 채널의 채널 행렬을 비밀키 생성부(120)에 입력하도록 스위치(106)를 제어한다. 한편, 그 판정 결과가 일치하지 않는 경우에는, 파일럿 송신 제어부(111)에 파일럿 제어 신호를 입력하도록 스위치(106)를 제어한다.
스위치(106)는, 채널 일치 판정부(105)의 제어 명령에 따라 비밀키 생성부(120)에 채널 행렬을 입력하거나 파일럿 송신 제어부(111)에 파일럿 제어 신호를 입력한다.
상관 정보 계산부(108)는, 채널 추정부(103)로부터 입력되어 오는 채널 행렬로부터 MIMO 채널의 상관 행렬을 생성하고, 생성한 상관 행렬을 상관 정보 송신부(109)에 입력한다. 한편, MIMO 채널의 채널 행렬로부터 그 채널 상관 행렬을 생성하기 위한 신호 처리의 형태에 대해서는 후술한다.
상관 정보 송신부(109)는, 상관 정보 계산부(108)로부터 입력되어 오는 MIMO 채널의 상관 행렬을 안테나 소자(101-1, 101-2)를 통해 이동국에 무선 송신한다.
파일럿 송신 제어부(111)는, 스위치(106)로부터 파일럿 제어 신호가 입력되어 왔을 때에 파일럿 신호를 생성하고, 생성한 파일럿 신호를 파일럿 송신부(112- 1, 112-2)에 각각 입력한다.
파일럿 송신부(112-1, 112-2)는 각각, 밴드 패스 필터, 디지털/아날로그 변환기 및 저잡음 앰프 등을 가지고 있으며, 파일럿 송신 제어부(111)로부터 입력되어 오는 파일럿 신호에 공지의 송신 신호 처리를 실시하고, 그 처리 후의 파일럿 신호를 안테나 소자(101-1, 101-2)를 통해 이동국에 무선 송신한다.
비밀키 생성부(120)는, 스위치(106)로부터 채널 행렬이 입력되어 왔을 때에, 이 채널 행렬에 후술의 신호 처리를 실시함으로써 비밀키를 생성하고, 생성한 비밀키를 도시하지 않은 제어부 등에 입력한다. 구체적으로는, 다음과 같다.
양자화부(121)는, 스위치(106)로부터 입력되어 오는 채널 행렬을 양자화하여 양자화 데이터를 생성하고, 이 양자화 데이터를 이미 정해진 방식으로 적절하게 선택하거나 서로 연결하거나 재편성함으로써 비밀키를 생성하여, 생성한 비밀키를 오류 정정부(122)에 입력한다.
오류 정정부(122)는, 양자화부(121)로부터 입력되어 오는 비밀키의 비트 패턴을 편의상 블록 부호화된 것으로 간주하여, 이 비밀키에 이미 정해진 검사 행렬을 곱하여 신드롬을 산출한다. 또한, 오류 정정부(122)는, 안테나 소자(101)에 의한 수신 신호에 포함되며 도시하지 않은 제어부 등으로부터 입력되어 오는 이동국이 산출한 신드롬과 스스로 산출한 신드롬을 비교하여, 그들 신드롬의 차분을 산출하고, 산출한 차분에 기초하여 양자화부(121)로부터 입력되어 오는 비밀키를 오류 정정한다. 그리고, 오류 정정부(122)는 오류 정정 처리 후의 비밀키를 키 일치 확인부(123)에 입력한다.
키 일치 확인부(123)는, 오류 정정부(122)로부터 입력되어 오는 비밀키에 대해 불가역적인 신호 처리, 예를 들면 해쉬화 처리를 실시함으로써 해쉬화 정보를 생성한다. 또한, 키 일치 확인부(123)는, 안테나 소자(101)에 의한 수신 신호에 포함되며 도시하지 않은 제어부 등으로부터 입력되어 오는 이동국이 생성한 해쉬화 정보와 스스로 생성한 해쉬화 정보를 비교하고, 이들 해쉬화 정보에 상위점이 존재하는지 확인한 확인 신호를 도시하지 않은 제어부 등에 입력하여, 안테나 소자(101)를 통해 이동국에 무선 송신한다. 그리고, 키 일치 확인부(123)는, 해쉬화 정보에 상위점이 없는 것을 확인한 후에, 도시하지 않은 제어부 등에 비밀키를 입력한다.
도 3은, 본 실시의 형태에 따른 무선 통신 장치(200)를 구비하는 이동국 장치의 구성을 도시하는 블록도이다.
무선 통신 장치(200)는, 2개의 안테나 소자(201-1, 201-2), 2개의 파일럿 수신부(202-1, 202-2), 채널 추정부(203), 상관 정보 수신부(204), 채널 일치 판정 처리부(205), 스위치(206), 파일럿 송신 제어부(211), 2개의 파일럿 송신부(212-1, 212-2) 및 비밀키 생성부(220)를 갖는다. 또한, 비밀키 생성부(220)는, 양자화부(221), 오류 정정부(222) 및 키 일치 확인부(223)를 갖는다.
안테나 소자(201-1, 201-2)는 각각, 통신 상대인 기지국으로부터 송신되어 오는 무선 신호를 포착하여, 그 수신 신호를 파일럿 수신부(202-1, 202-2)에 입력한다.
파일럿 수신부(202-1, 202-2)는 각각, 밴드 패스 필터, 아날로그/디지털 변 환기 및 저잡음 앰프 등을 구비하며, 안테나 소자(201-1, 201-2)로부터 입력되어 오는 수신 신호로부터 파일럿 신호를 추출하고, 추출한 파일럿 신호에 공지의 수신 신호 처리를 실시하여, 그 처리 후의 파일럿 신호를 채널 추정부(203)에 입력한다.
채널 추정부(203)는, 파일럿 수신부(202-1, 202-2)로부터 각각 입력되어 오는 파일럿 신호에 기초하여 MIMO 채널의 채널 추정치를 산출하고, 산출한 채널 추정치로부터 MIMO 채널의 채널 행렬을 생성하여, 생성한 채널 행렬을 채널 일치 판정 처리부(205)에 입력한다.
상관 정보 수신부(204)는, 밴드 패스 필터, 디지털/아날로그 변환기 및 저잡음 앰프 등을 갖고 있으며, 안테나 소자(201-1, 201-2)에 의한 수신 신호에 포함되는 기지국에서 생성된 MIMO 채널의 상관 행렬을 추출하고, 추출한 MIMO 채널의 상관 행렬을 채널 일치 판정 처리부(205)에 입력한다.
채널 일치 판정 처리부(205)는, 채널 추정부(203)로부터 입력되어 오는 MIMO 채널의 채널 행렬과 상관 정보 수신부(204)로부터 입력되어 오는 기지국에서 생성된 MIMO 채널의 상관 행렬에 기초하여, 먼저 이 채널 행렬과 이 상관 행렬의 원행렬인 기지국에서 생성된 MIMO 채널의 채널 행렬이 완전하게 일치하는지 확인한다.
또한, 채널 일치 판정 처리부(205)는, 이 채널 행렬과 이 기지국이 생성한 채널 행렬이 완전하게는 일치하지 않는 경우에는, 후술의 신호 처리를 다시 행하여 그 불일치가 비밀키에 대한 오류 정정으로 회복 가능한지 판정한다. 그리고, 채널 일치 판정 처리부(205)는, 이 채널 행렬과 이 기지국이 생성한 채널 행렬이 완전하게 일치하는지 확인한 결과와, 그 확인 결과가 불일치인 경우에 그 불일치가 회복 가능한지를 나타내는 판정 결과를 내용으로 하는 채널 일치 판정 신호를 도시하지 않은 제어부 등에 입력하고, 이 채널 일치 판정 신호를 안테나 소자(201)를 통해 기지국에 무선 송신한다.
또한, 채널 일치 판정 처리부(205)는, 이 채널 일치 판정 신호의 내용이 채널 추정부(203)로부터 입력되어 오는 채널 행렬과 기지국이 생성한 채널 행렬이 완전하게 일치하거나 또는 불일치라도 회복 가능한 경우에는, 채널 추정부(203)로부터 입력되어 오는 채널 행렬을 비밀키 생성부(220)에 입력하도록 스위치(206)를 제어한다. 한편, 채널 일치 판정 처리부(205)는, 이 채널 일치 판정 신호의 내용이, 채널 추정부(203)로부터 입력되어 오는 채널 행렬과 기지국이 생성한 채널 행렬이 불일치하고, 또한, 그 불일치가 회복 불가능한 경우에는, 파일럿 송신 제어부(211)에 파일럿 제어 신호를 입력하도록 스위치(206)를 제어한다.
스위치(206)는, 채널 일치 판정 처리부(205)의 제어 명령에 따라 비밀키 생성부(220)에 채널 행렬을 입력하거나 파일럿 송신 제어부(211)에 파일럿 제어 신호를 입력한다.
파일럿 송신 제어부(211)는, 스위치(206)로부터 파일럿 제어 신호가 입력되어 왔을 때에 파일럿 신호를 생성하고, 생성한 파일럿 신호를 파일럿 송신부(212-1, 212-2)에 각각 입력한다.
파일럿 송신부(212-1, 212-2)는 각각, 밴드 패스 필터, 디지털/아날로그 변환기 및 저잡음 앰프 등을 갖고 있으며, 파일럿 송신 제어부(211)로부터 입력되어 오는 파일럿 신호에 공지의 송신 신호 처리를 실시하여, 그 처리 후의 파일럿 신호 를 안테나 소자(201-1, 201-2)를 통해 기지국에 무선 송신한다.
비밀키 생성부(220)는, 스위치(206)로부터 채널 행렬이 입력되어 왔을 때에 이 채널 행렬에 후술의 신호 처리를 실시함으로써 비밀키를 생성하고, 생성한 비밀키를 도시하지 않은 제어부 등에 입력한다. 구체적으로는 다음과 같다.
양자화부(221)는, 스위치(206)로부터 입력되어 오는 채널 행렬을 양자화하여 양자화 데이터를 생성하고, 이 양자화 데이터를 이미 정해진 방식으로 적절하게 선택하거나 서로 연결하거나 재편성함으로써 비밀키를 생성하여, 생성한 비밀키를 오류 정정부(222)에 입력한다.
오류 정정부(222)는, 양자화부(221)로부터 입력되어 오는 비밀키의 비트 패턴을 편의상 블록 부호화된 것으로 간주하고, 이 비밀키에 이미 정해진 검사 행렬을 곱하여 신드롬을 산출한다. 그리고, 오류 정정부(222)는, 산출한 신드롬을 도시하지 않은 제어부 등에 입력하고, 안테나 소자(201)를 통해 기지국에 무선 송신한다. 또한, 오류 정정부(222)는, 이 신드롬을 산출한 후, 비밀키의 오류 정정을 행하지 않고 비밀키를 키 일치 확인부(223)에 입력한다.
키 일치 확인부(223)는, 오류 정정부(222)로부터 입력되어 오는 비밀키에 대해 불가역적인 신호 처리, 예를 들면 해쉬화 처리를 실시함으로써 해쉬화 정보를 생성한다. 그리고, 키 일치 확인부(223)는, 생성한 해쉬화 정보를 도시하지 않은 제어부 등에 입력하고, 안테나 소자(201)를 통해 기지국에 무선 송신한다.
또한, 키 일치 확인부(223)는, 이 무선 송신한 해쉬화 정보에 대한 기지국으로부터의 회답인 확인 신호가 도시하지 않은 제어부 등으로부터 입력되어 올 때까 지, 그 해쉬화 정보의 생성에 사용된 비밀키를 보유한다. 그리고, 키 일치 확인부(223)는, 도시하지 않은 제어부 등으로부터 입력되어 오는 확인 신호가 해쉬화 정보에 상위점이 없음을 나타내는 것을 확인한 후에, 도시하지 않은 제어부 등에 비밀키를 입력한다.
도 4는, 채널 일치 판정 처리부(205)의 상세한 구성을 도시하는 블록도이다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 채널 일치 판정 처리부(205)는 레플리카 채널 행렬 계산부(315), 채널 상관 계산부(325) 및 채널 일치 확인 판정부(335)를 갖는다.
레플리카 채널 행렬 계산부(315)는, 채널 추정부(203)로부터 입력되어 오는 채널 행렬과 상관 정보 수신부(204)로부터 입력되어 오는 기지국이 생성한 상관 행렬로부터 레플리카 채널 행렬을 생성하고, 생성한 레플리카 채널 행렬을 채널 상관 계산부(325)에 입력한다.
여기에서, 레플리카 채널 행렬 계산부(315)에서 생성되는 레플리카 채널 행렬에 대해 설명한다. 기지국이 생성하는 MIMO 채널의 채널 행렬을 "ABS"라고 하고, 이동국이 생성하는 MIMO 채널의 채널 행렬을 "AMS"라고 한다. 또한 도 13에 도시하는 바와 같이, 기지국의 안테나 소자(101-1)와 이동국의 안테나 소자(201-1) 사이에 형성되는 채널을 "a11"이라고 하고, 기지국의 안테나 소자(101-1)와 이동국의 안테나 소자(201-2) 사이에 형성되는 채널을 "a12"라고 하고, 기지국의 안테나 소자(101-2)와 이동국의 안테나 소자(201-1) 사이에 형성되는 채널을 "a21"이라고 하 고, 기지국의 안테나 소자(101-2)와 이동국의 안테나 소자(201-2) 사이에 형성되는 채널을 "a22"라고 하면, ABS와 AMS는 각각, 다음과 같이 표시된다.
Figure 112007009276296-PCT00001
따라서, 상관 정보 수신부(204)로부터 레플리카 채널 행렬 계산부(315)에 입력되어 오는 기지국이 생성한 MIMO 채널의 상관 행렬 ABSAH BS는, 다음 식으로 표시된다. 덧붙여서, "AH BS"의 위첨자 "H"는 공액 전치인 것을 나타낸다.
Figure 112007009276296-PCT00002
본 실시의 형태에서는, 이 상관 행렬 ABSAH BS가 기지국으로부터 이동국으로 무선 송신되게 되지만, 이 상관 행렬 ABSAH BS가 제삼자에게 인터셉트되어도 상관 행렬의 대각 성분은 실수치가 되기 때문에, 인터셉트한 제삼자는 원래의 MIMO 채널의 채널 행렬을 특정할 수 없다. 따라서, 본 실시의 형태에서는, 상관 행렬 ABSAH BS의 무선 송신에 의해 비밀키의 은닉성이 저하될 우려가 없다.
그리고, 레플리카 채널 행렬 계산부(315)는, 이 상관 행렬 ABSAH BS에 채널 추정부(203)로부터의 채널 행렬 AMS를 곱함으로써, 다음 식에 나타내는 레플리카 채널 행렬을 생성하고, 생성한 레플리카 채널 행렬을 채널 상관 계산부(325)에 입력한다.
Figure 112007009276296-PCT00003
채널 상관 계산부(325)는, 레플리카 채널 행렬 계산부(315)로부터 입력되어 오는 레플리카 채널 행렬과 채널 추정부(203)로부터 입력되어 오는 채널 행렬의 채널 상관치 ρ를 산출하고, 산출한 채널 상관치 ρ를 채널 일치 확인 판정부(335)에 입력한다.
여기에서, 채널 추정부(203)로부터 입력되어 오는 채널 행렬과 기지국이 생성한 채널 행렬이 완전하게 일치하고 있다고 가정하면, ABS=AMS가 되기 때문에, 이 레플리카 채널 행렬은 AMS와 동일해진다. 따라서, 채널 상관 계산부(325)는, 이 레플리카 채널 행렬과 AMS를 비교함으로써, 채널 추정부(203)로부터 입력되어 오는 채널 행렬과 기지국이 생성한 채널 행렬이 완전하게 일치하는지 확인할 수 있다.
또한, 비밀키는 채널의 주파수 특성, 지연 프로파일의 진폭 정보 또는 위상 정보 등을 양자화함으로써 생성된다. 따라서, 기지국이 생성하는 채널 행렬과 이동국이 생성하는 채널 행렬이 완전하게 일치하지 않아도, 그들 채널 행렬의 요소인 각 채널이 같은 변동을 하고 있으면, 비밀키 생성 후의 오류 정정 처리 등에 의해, 기지국이 생성하는 비밀키와 이동국이 생성하는 비밀키가 최종적으로 일치할 가능성이 있다.
기지국과 이동국의 채널의 움직임이 비슷한지를 판단하려면, 다음 식에 나타내는 바와 같은 채널 상관치 ρ를 이용한다. 여기에서, E[ ]는 앙상블 평균을 나타내고, aij는 ABS의 요소를, 또한, a'ij는 AMS의 요소를 나타낸다.
Figure 112007009276296-PCT00004
채널 일치 확인 판정부(335)는, 채널 상관 계산부(325)로부터 입력되어 오는 채널 상관치 ρ에 기초하여, 이동국이 생성한 채널 행렬과 기지국이 생성한 채널 행렬이 완전하게 일치하는지, 또한 완전하게 일치하지 않더라도 오류 정정 등에 의해 최종적으로 일치할 수 있는지를 판정하고, 그 판정 결과를 채널 일치 판정 신호로서 도시하지 않은 제어부 등에 입력하여, 그 채널 일치 판정 신호를 안테나 소자(201)를 통해 기지국에 무선 송신한다.
여기에서, 채널 일치 확인 판정부(335)에 의한 채널 상관치 ρ에 기초하는 판정의 형태에 대해, 도 5를 이용하여 더 구체적으로 설명한다. 도 5에, 기지국이 생성하는 비밀키와 이동국이 생성하는 비밀키의 불일치 비트수에 대한 채널 상관치 ρ의 상관의 일례를 나타낸다. 도 5로부터 분명한 바와 같이, 채널 상관치 ρ는 1을 최대치로 하여 기지국이 생성하는 비밀키와 이동국이 생성하는 비밀키의 불일치 비트수가 증대할수록 작아진다. 즉, 이동체 무선 통신 시스템에 있어서 허용되는 오류 정정 능력, 즉 오류율이 작아질수록(도 5의 불일치 비트가 작아질수록), 보다 높은 채널 상관치 ρ가 요구되게 된다. 한편, 그 허용되는 오류 정정 능력이 커질수록(도 5의 불일치 비트가 커질수록), 채널 상관치 ρ에 대한 요구도 완화되게 된다.
따라서, 예를 들면, 이동체 무선 통신 시스템에서 허용되는 오류 정정 능력이 정해져 있는 경우에는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 그 오류 정정 능력에 대응하는 채널 상관치 ρ를 문턱값으로 하여, 채널 상관 계산부(325)에 의해 산출된 채널 상관치 ρ가 그 문턱값 이상이면, 채널 일치 확인 판정부(335)는 기지국이 생성하는 비밀키와 이동국이 생성하는 비밀키가 최종적으로 일치할 수 있다고 판정할 수 있다. 한편, 채널 상관 계산부(325)에 의해 산출된 채널 상관치 ρ가 그 문턱값 미만이면, 채널 일치 확인 판정부(335)는 기지국이 생성하는 비밀키와 이동국이 생성하는 비밀키가 최종적으로 일치할 수 없다고 판정할 수 있다. 또한, 채널 상관치 ρ=1이면, 기지국이 생성하는 비밀키와 이동국이 생성하는 비밀키의 불일치 비트수는 0이기 때문에, 기지국이 생성한 채널 행렬과 이동국이 생성한 채널 행렬은 완전히 일치하게 된다.
계속해서, 무선 통신 장치(100)를 구비하는 기지국과 무선 통신 장치(200)를 구비하는 이동국을 구비하는 무선 통신 시스템의 동작에 대해 설명한다.
도 6은, 무선 통신 장치(100)를 구비하는 기지국과 무선 통신 장치(200)를 구비하는 이동국을 구비하는 무선 통신 시스템에 있어서, 기지국과 이동국 사이에서 암호화 통신이 개시될 때까지의 스텝을 나타내는 흐름도이다. 또한, 도 6에서는, 기지국의 각 스텝에 가지번호 "1"을 부여하고, 마찬가지로 이동국의 각 스텝에 가지번호 "2"를 부여한다. 한편, 이하에서는, 기지국과 이동국의 동작이 동일한 스텝에 대해서는, 중복을 피하기 위해 가지번호를 부여하지 않고 포괄적으로 설명한다.
먼저, 스텝 ST510에서는, 기지국과 이동국이 전파로 특성으로부터 얻어지는 정보를 공유하기 위해, TDD 방식으로 파일럿 신호를 교대로 송수신한다.
계속해서, 스텝 ST520에서는, 기지국의 채널 추정부(103)와 이동국의 채널 추정부(203)가 각각, MIMO 채널의 채널 추정을 행한다.
계속해서, 스텝 ST530-1에서는, 기지국의 채널 추정부(103)가 스텝 ST520-1에서 산출된 MIMO 채널의 채널 추정치로부터 MIMO 채널의 채널 행렬을 생성하고, 또한 기지국의 상관 정보 계산부(108)가 생성된 채널 행렬로부터 MIMO 채널의 상관 행렬을 생성하여, 생성한 상관 행렬을 안테나 소자(101)를 통해 이동국에 무선 송신한다.
계속해서, 스텝 ST530-2에서는, 이동국의 채널 추정부(203)가 스텝 ST520-2에서 산출된 MIMO 채널의 채널 추정치로부터 MIMO 채널의 채널 행렬을 생성한다.
계속해서, 스텝 ST540-2에서는, 이동국의 채널 일치 판정 처리부(205)가 스 텝 ST530-1에서 기지국이 생성한 상관 행렬과 스텝 ST530-2에서 채널 추정부(203)가 생성한 채널 행렬에 기초하여, 기지국이 생성한 채널 행렬과 채널 추정부(203)가 생성한 채널 행렬이 완전하게 일치하는지를 확인하거나, 혹은 이들이 완전하게는 일치하지 않지만 비밀키의 오류 정정 등에 의해 최종적으로 일치할 수 있는지를 판정하여, 그 판정 결과를 나타내는 채널 일치 판정 신호를 안테나 소자(201)를 통해 기지국에 무선 송신한다.
계속해서, 스텝 ST545에서는, 기지국의 채널 일치 판정부(105) 및 이동국의 채널 일치 판정 처리부(205)가 각각, 스텝 ST540-2에서 생성된 채널 일치 판정 신호에 나타난 판정 결과에 따라, 기지국이 생성한 채널 행렬과 이동국이 생성한 채널 행렬이 완전하게 일치한다고 확인되거나 혹은 이들이 완전하게는 일치하지 않지만 비밀키의 오류 정정 등에 의해 최종적으로 일치할 수 있다고 판정되었을 경우에는, 스텝 ST545에 이어 스텝 ST550이 실행된다. 한편, 기지국이 생성한 채널 행렬과 이동국이 생성한 채널 행렬이 완전하게는 일치하지 않고, 또한, 비밀키의 오류 정정 등에 의해서도 최종적으로 일치할 수 없다고 판정되었을 경우에는, 스텝 ST545에 이어 다시 스텝 ST510이 실행된다.
계속해서, 스텝 ST550에서는, 기지국의 양자화부(121)와 이동국의 양자화부(221)가 각각, 스텝 ST520에서 산출한 MIMO 채널의 진폭이나 위상의 정보 등을 양자화하여 0 및 1의 2치로 이루어지는 양자화 데이터를 생성하고, 생성한 양자화 데이터를 이미 정해진 방식으로 반복하거나 교체함으로써 비밀키를 생성한다.
계속해서, 스텝 ST560-2에서는, 이동국의 오류 정정부(222)가, 양자화 부(221)가 생성한 비밀키의 비트 패턴을 편의상 블록 부호화된 것으로 간주하여, 이 비밀키에 검사 행렬을 곱하여 신드롬을 산출하고, 산출한 신드롬을 기지국에 무선 송신한다.
계속해서, 스텝 ST565-1에서는, 기지국의 오류 정정부(122)가, 양자화부(121)가 생성한 비밀키에 대해, 스텝 ST560-2와 마찬가지로 하여 신드롬을 생성하고, 자기 장치에서 생성한 신드롬과 이동국으로부터 송신되어 오는 신드롬을 비교하여 그 차분을 산출하고, 산출한 차분에 기초하여 양자화부(121)에서 생성한 비밀키를 오류 정정한다.
계속해서, 스텝 ST570에서는, 기지국의 키 일치 확인부(123)와 이동국의 키 일치 확인부(223)가 각각, 자기 장치에서 생성한 비밀키에 대해 불가역적인 신호 처리, 구체적으로는 해쉬화 처리를 실시하여 해쉬화 정보를 생성한다. 또한, 스텝 ST570-2에서는, 이동국의 키 일치 확인부(223)가 생성한 해쉬화 정보를 기지국에 송신한다.
계속해서, 스텝 ST575-1에서는, 기지국의 키 일치 확인부(123)가, 키 일치 확인부(123)가 생성한 해쉬화 정보와 이동국으로부터 송신되어 오는 해쉬화 정보를 비교하여, 그 비교 결과를 나타내는 확인 신호를 생성하고, 생성한 확인 신호를 이동국에 무선 송신한다.
계속해서, 스텝 ST580에서는, 기지국의 키 일치 확인부(123)와 이동국의 키 일치 확인부(223)가 각각, 스텝 ST575-1에서 키 일치 확인부(123)에 의해 생성된 확인 신호에 기초하여, 기지국이 생성한 비밀키와 이동국이 생성한 비밀키가 일치 하는지 판정한다.
스텝 ST580에서, 이들 비밀키가 일치한다고 판정되었을 경우에는, 스텝 ST580에 이어 스텝 ST590이 실행된다. 한편, 이들 비밀키가 일치하지 않는다고 판정되었을 경우에는, 스텝 ST580에 이어 재차 스텝 ST510이 실행된다.
한편, 스텝 ST580이 실행되기 위해서는, 전술한 바와 같이, 스텝 ST545에서 기지국이 생성한 채널 행렬과 이동국이 생성한 채널 행렬이 완전하게 일치한다고 확인되거나, 혹은 비밀키의 오류 정정 등에 의해 최종적으로 일치할 수 있다고 판정될 필요가 있기 때문에, 스텝 ST580에 있어서 비밀키가 일치하지 않는다고 판정되는 경우는 매우 드물다.
계속해서, 스텝 ST590에서는, 기지국과 이동국이 각각, 자기 장치에서 생성한 비밀키를 이용하여 암호화 통신을 개시한다.
이와 같이, 본 실시의 형태에 의하면, MIMO 기술을 이용하는 무선 통신 시스템에 있어서, 암호화 통신을 개시하려고 하는 무선 통신 장치(100)를 구비하는 기지국과 무선 통신 장치(200)를 구비하는 이동국이 각각, MIMO 채널의 채널 추정치를 산출하고, 그 채널 추정치에 기초하여 비밀키를 생성하기 전에, 이들 무선 통신 장치(100, 200)에서 생성되게 되는 비밀키가 최종적으로 일치할 수 있는지를 예측하고 판정하여, 그 판정 결과가 일치할 수 있는 경우에 한하여, 실제로 비밀키를 생성하게 되기 때문에, 공통의 비밀키를 생성하기까지 필요로 하는 시간을 단축할 수 있어 암호화 통신을 조기에 개시할 수 있다.
또한, 본 실시의 형태에 의하면, MIMO 기술을 이용하는 무선 통신 시스템에 있어서, 암호화 통신을 개시하려고 하는 무선 통신 장치(100)를 구비하는 기지국과 무선 통신 장치(200)를 구비하는 이동국이 공통의 비밀키를 생성하는데 있어서, 무선 통신 장치(100)로부터 무선 통신 장치(200)에 MIMO 채널의 상관 행렬이 송신되기 때문에, 제삼자에게 이 상관 행렬이 인터셉트되었다고 해도, 그 후 생성되는 비밀키의 은닉성을 유지할 수 있다.
한편, 본 실시의 형태에서는, MIMO 채널의 상관 행렬을 이용하여 채널의 일치 판정을 행하고 있지만, MIMO 채널의 상관 행렬을 고유치 분해한 결과 얻어지는 고유 벡터, 고유치를 이용하여도 된다.
또한, 본 실시의 형태에서는, 무선 통신 장치(100)와 무선 통신 장치(200)가 각각 2개의 안테나 소자를 구비하는 경우에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이 경우로 한정되는 것이 아니라, 예를 들면 무선 통신 장치(100)와 무선 통신 장치(200)가 각각 3개 이상의 안테나 소자를 구비하거나, 서로 2개 이상이며 상이한 수의 안테나 소자를 구비하여도 무방하다.
(제2 실시의 형태)
본 실시의 형태에서는, 기지국과 이동국이 각각, 생성한 비밀키에 오류 정정을 행하고, 또한 그 오류 정정 능력을 채널 상관치 ρ를 기준으로 하여 제어한다. 이하, 본 실시의 형태에 대해, 중복을 피하기 위해 제1 실시의 형태와 상위한 점에 대해서만 설명한다.
도 7은, 본 실시의 형태에 따른 무선 통신 장치(600)를 갖는 기지국의 구성을 도시하는 블록도이다. 무선 통신 장치(600)는, 상기 제1 실시의 형태의 무선 통 신 장치(100)에서의 채널 일치 판정부(105) 대신에 채널 일치 판정부(605)를, 또한 비밀키 생성부(120) 대신에 비밀키 생성부(620)를 갖는다. 비밀키 생성부(620)는, 비밀키 생성부(120)에서 오류 정정부(122) 대신에 오류 정정부(622)를 갖는다.
채널 일치 판정부(605)는, 안테나 소자(101)에 의한 수신 신호에 포함되며 도시하지 않은 제어부 등으로부터 입력되어 오는 채널 일치 판정 신호에 의해 나타나는 채널 상관치 ρ의 크기에 따라, 양자화부(121)가 생성하는 비밀키에서의 용장 데이터의 비트수를 결정하고, 그 결정한 용장 데이터의 비트수 정보를 오류 정정부(622)에 통지한다.
오류 정정부(622)는, 양자화부(121)로부터 입력되어 오는 비밀키에, 채널 일치 판정부(605)로부터 통지되는 비트수의 용장 데이터가 포함되어 있는 것으로 하여 오류 정정을 행하고, 오류 정정 후의 비밀키를 키 일치 확인부(123)에 입력한다.
도 8은, 본 실시의 형태에 따른 무선 통신 장치(700)를 갖는 이동국의 구성을 도시하는 블록도이다. 무선 통신 장치(700)는, 상기 제1 실시의 형태의 무선 통신 장치(200)에서의 채널 일치 판정 처리부(205) 대신에 채널 일치 판정 처리부(705)를, 또한 비밀키 생성부(220) 대신에 비밀키 생성부(720)를 갖는다. 비밀키 생성부(720)는, 비밀키 생성부(220)에서 오류 정정부(222) 대신에 오류 정정부(722)를 갖는다.
채널 일치 판정 처리부(705)는, 산출한 채널 상관치 ρ의 크기에 따라, 양자화부(221)가 생성하는 비밀키에서의 용장 데이터의 비트수를 결정하고, 그 결정한 용장 데이터의 비트수 정보를 오류 정정부(722)에 통지한다.
오류 정정부(722)는, 양자화부(221)로부터 입력되어 오는 비밀키에, 채널 일치 판정 처리부(705)로부터 통지되는 비트수의 용장 데이터가 포함되어 있는 것으로 하여 오류 정정을 행하고, 오류 정정 후의 비밀키를 키 일치 확인부(223)에 입력한다.
이와 같이, 본 실시의 형태에서는, 채널 일치 판정부(605)와 채널 일치 판정 처리부(705)가 각각, 채널 일치 판정 처리부(705)가 산출한 채널 상관치 ρ에 따라, 오류 정정부(622) 및 오류 정정부(722)에서 비밀키에 대한 오류 정정에 이용하는 용장 데이터의 비트수를 조절한다. 그리고, 이 비밀키에서의 용장 데이터의 비트수를 조절함으로써, 채널 상관치 ρ로 표시되는 전파로 환경에 최적인 오류 정정 능력을 적응적으로 선택할 수 있게 되므로, 기지국이 생성하는 비밀키와 이동국이 생성하는 비밀키가 일치하는 확률이 상승하여, 그 기지국과 이동국 사이에서 조기에 암호화 통신을 개시할 수 있게 된다.
도 9a 및 도 9b에, 채널 일치 판정 처리부(705)가 산출한 채널 상관치 ρ와, 오류 정정부(622) 및 오류 정정부(722)에서 용장 데이터로서 이용 가능한 비트수의 상관의 일례를 나타낸다. 도 9a 및 도 9b에 나타내는 예에서는, 채널 상관치 ρ가 O.9 이상(오류 정정 능력 10비트 이하)인 경우에 한하여, 기지국이 생성하는 비밀키와 이동국이 생성하는 비밀키가 최종적으로 일치할 수 있다고 판단되고 있다. 또한, 도 9a 및 도 9b에 나타내는 예에서는, 이 채널 상관치 ρ에 따라 오류 정정 능력을 변화시키고 있다. 예를 들면, 채널 상관치 ρ가 O.98 이상일 때에는 5비트의 오류 정정, O.95 내지 0.98일 때에는 7비트의 오류 정정, O.9 내지 0.95일 때에는 10비트의 오류 정정이 되고 있다.
도 10은, 본 실시의 형태에 따른 무선 통신 시스템을 구성하는 기지국과 이동국의 동작을 설명하는 흐름도이다. 한편, 도 10은, 제1 실시의 형태에 따른 무선 통신 시스템의 동작을 나타내는 도 6에서, 스텝 ST545와 스텝 ST550 사이에 스텝 ST947가 새롭게 추가되고, 이 스텝 ST947의 추가에 수반하여 스텝 ST560-2가 스텝 ST960-2로, 또한 스텝 ST565-1이 스텝 ST965-1로 대체된 것이다.
스텝 ST947에서는, 기지국의 채널 일치 판정부(605)와 이동국의 채널 일치 판정 처리부(705)가 각각, 채널 일치 판정 처리부(705)가 산출한 채널 추정치 ρ에 따라, 비밀키의 오류 정정에 이용하는 용장 데이터의 비트수를 결정한다.
또한, 스텝 ST960-2에서는, 이동국의 오류 정정부(722)가, 양자화부(221)로부터 입력되어 오는 비밀키에 채널 일치 판정 처리부(705)로부터 통지되는 비트수의 용장 데이터가 포함되어 있는 것으로 간주하여, 이 비밀키에 오류 정정을 행한다. 그리고, 스텝 ST960-2에서는, 오류 정정 후의 비밀키에 기초하여 신드롬을 생성하고, 생성한 신드롬을 기지국에 무선 송신한다.
또한, 스텝 ST965-1에서는, 기지국의 오류 정정부(622)가, 양자화부(121)로부터 입력되어 오는 비밀키에 대해, 채널 일치 판정부(605)로부터 통지되는 용장 데이터의 비트수와 이동국으로부터 송신되어 오는 신드롬을 감안하여, 오류 정정용 비트수를 결정하고, 결정한 비트수로 오류 정정을 행한다.
이와 같이, 본 실시의 형태에 의하면, MIMO 기술을 이용하는 무선 통신 시스 템에 있어서 암호화 통신을 개시하려고 하는 무선 통신 장치(600, 700)가, 공통의 비밀키를 생성할 때에 그 비밀키로 소정 비트수의 오류 정정을 실시하기 때문에, 이들 무선 통신 장치가 산출한 채널 추정치끼리의 상관이 낮아도, 생성된 비밀키를 일치시키는 것이 가능하게 되므로, 암호화 통신을 조기에 개시할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 무선 통신 장치 등에 대해, 다음과 같이 응용하거나 변형하여도 된다.
도 11은, MIMO 기술을 이용한 무선 통신 시스템에서의 기지국에 탑재된 무선 통신 장치(1000)의 구성을 도시하는 블록도이다. 한편, 이동국의 구성도 도 11과 거의 동일하지만, 이동국에서는 비밀키 선택 결합 정보를 수신하는 점에서 기지국과 상이하다. 무선 통신 장치(1000)를 갖는 기지국은, 2개의 안테나(1001-1, 1001-2)를 통해, 도 12의 상단에 나타내는 바와 같은 2개의 안테나를 구비하는 이동국과 파일럿 신호의 송수신을 행한다.
무선 통신 장치(1000)는, 채널 추정부(1003)에서 MIMO 채널에서의 모든 채널에 대해 개별적으로 채널 추정치를 산출하고, 또한 비밀키 생성부(1004)에서 산출된 모든 채널 추정치로부터 비밀키를 생성한다. 또한, 비밀키 선택·결합부(1005)에서 생성된 모든 비밀키 중에서 수신 품질이 좋은, 예를 들면 신호대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio: SNR)가 높은 채널의 것만을 선택하거나, 혹은 각 채널의 수신 품질에 따라 용장 데이터의 비트수를 조절한 오류 정정을 행한 후의 비밀키를 복수 조합하여 비밀키를 생성한다. 따라서, 무선 통신 장치(1000)에 의하면, 잡음의 영향이 적고 고품질이면서 데이터 길이가 긴 비밀키를 간편하게 생성할 수 있다.
도 12에, 2×2의 MIMO 시스템을 예로 한 비밀키의 선택·결합의 형태에 대해 나타낸다. a11∼a22의 4개의 채널로부터 각각 비밀키가 생성된다. 그러나, 채널에 따라서는 유효한 키 비트 길이가 짧거나 키 생성을 할 수 없는 경우도 있다. 지금, 비밀키의 소요 비트 길이(1)을 만족하는 키로서 채널 a12로부터 생성된 키가 존재하므로, 이를 선택하여 비밀키로서 이용한다. 또한, 비밀키(2)의 소요 비트 길이를 만족하는 키는 존재하지 않으므로, 채널 a11, a12 및 a21로 생성된 키를 결합하여 비밀키로서 이용한다.
이와 같이, 비밀키의 선택에 있어서는, 각 채널로부터 생성된 비밀키 중에서 요구 키 비트 길이를 만족하는 것이 선택된다. 또한, 요구 키 비트 길이를 만족하는 비밀키가 각 채널로부터 생성된 키 중에 존재하지 않는 경우에는, 이들 비밀키를 결합해 비트 길이가 긴 키를 생성하여 요구를 만족하도록 한다.
종래 기술에서는 전파로로부터 비밀키를 1개만 생성할 수 있어, 예를 들면 기지국과 이동국에서 키가 일치하고 있었다고 해도, 이것이 요구 비트 길이를 만족하지 않으면 키를 재생성할 수밖에 없었지만, 이와 같은 기술을 이용하면, 키의 선택이나 조합에 의해 요구 비트 길이를 만족하는 키를 생성할 수 있는 확률이 향상된다. 따라서, 조기에 암호화 통신을 실현할 수 있다.
상기 각 실시의 형태에서는, 본 발명을 하드웨어로 구성하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 본 발명은 소프트웨어로 실현하는 것도 가능하다.
또한, 상기 각 실시 형태의 설명에 이용한 각 기능 블록은, 전형적으로는 집적 회로인 LSI로서 실현된다. 이들은 개별적으로 원칩화되어도 되고, 일부 또는 전부를 포함하도록 원칩화되어도 된다. 여기에서는, LSI로 하였지만, 집적도의 차이에 의해 IC, 시스템 LSI, 슈퍼 LSI, 울트라 LSI라고 호칭되는 경우도 있다.
또한, 집적 회로화의 수법은 LSI로 한정하는 것은 아니고, 전용 회로 또는 범용 프로세서로 실현되어도 무방하다. LSI 제조 후에, 프로그램하는 것이 가능한 FPGA(Field Programmable Gate Array)나, LSI 내부의 회로 셀의 접속이나 설정을 재구성 가능한 프로세서(Reconfigurable Processor)를 이용하여도 된다.
또한, 반도체 기술의 진보 또는 파생하는 다른 기술에 의해 LSI를 대체하는 집적 회로화의 기술이 등장하면, 그 기술을 이용하여 기능 블록의 집적화를 행하여도 되는 것은 물론이다. 바이오 기술의 적응 등이 가능성으로서 있을 수 있다.
본 발명의 제1 형태는, 복수의 제1 안테나를 갖는 제1 무선 통신 장치와 복수의 제2 안테나를 갖는 제2 무선 통신 장치에 의해 행해지는 무선 통신 방법으로서, 상기 제1 무선 통신 장치가 복수의 상기 제1 안테나와 복수의 상기 제2 안테나 사이에 형성되는 제1 MIMO 채널에 대해 제1 채널 추정치를 산출하는 제1 채널 추정 스텝과, 상기 제2 무선 통신 장치가 복수의 상기 제2 안테나와 복수의 상기 제1 안테나 사이에 형성되는 제2 MIMO 채널에 대해 제2 채널 추정치를 산출하는 제2 채널 추정 스텝과, 상기 제1 무선 통신 장치가 산출된 제1 채널 추정치로부터 제1 채널 정보를 생성하는 정보 생성 스텝과, 상기 제2 무선 통신 장치가 산출된 제2 채널 추정치와 상기 제1 채널 정보에 기초하여 상기 제2 MIMO 채널과 상기 제1 MIMO 채 널이 일치하는지 판정하는 채널 일치 판정 스텝과, 상기 제1 무선 통신 장치가 상기 채널 일치 판정 스텝에서 일치한다고 판정되었을 때에 한하여, 상기 제1 채널 추정치로부터 제1 비밀키를 생성하는 제1 비밀키 생성 스텝과, 상기 제2 무선 통신 장치가 상기 채널 일치 판정 스텝에서 일치한다고 판정되었을 때에 한하여, 상기 제2 채널 추정치로부터 제2 비밀키를 생성하는 제2 비밀키 생성 스텝을 구비하는 무선 통신 방법이다.
본 발명의 제2 형태는, 상기 발명에 있어서, 상기 표시 정보 생성 스텝에서의 상기 제1 채널 정보가 상기 제1 MIMO 채널의 상관 행렬인 무선 통신 방법이다.
본 발명의 제3 형태는, 상기 발명에 있어서, 상기 제1 비밀키 생성 스텝에서는, 상기 제1 무선 통신 장치가 상기 채널 일치 판정 스텝에서 일치한다고 판정되었을 때에 한하여, 상기 제1 채널 추정치로부터 제1 비밀키를 생성함과 함께, 생성하는 제1 비밀키에서의 오류 정정용 비트수를 결정하고, 상기 제2 비밀키 생성 스텝에서는, 상기 제2 무선 통신 장치가 상기 채널 일치 판정 스텝에서 일치한다고 판정되었을 때에 한하여, 상기 제2 채널 추정치로부터 제2 비밀키를 생성함과 함께, 생성하는 제2 비밀키에서의 오류 정정용 비트수를 결정하는 무선 통신 방법이다.
본 발명의 제4 형태는, 복수의 제1 안테나를 갖는 제1 무선 통신 장치와 복수의 제2 안테나를 갖는 제2 무선 통신 장치를 구비하는 무선 통신 시스템으로서, 상기 제1 무선 통신 장치는, 복수의 상기 제1 안테나와 복수의 상기 제2 안테나 사이에 형성되는 제1 MIMO 채널에 대해 제1 채널 추정치를 산출하는 제1 채널 추정 수단과, 산출된 제1 채널 추정치로부터 제1 MIMO 채널의 상관 행렬을 생성하는 상관 행렬 생성 수단과, 상기 제2 무선 통신 장치에 의해 복수의 상기 제2 안테나와 복수의 상기 제1 안테나 사이에 형성되는 제2 MIMO 채널과 상기 제1 MIMO 채널이 일치한다고 판정되었을 경우에 한하여, 상기 제1 채널 추정치로부터 제1 비밀키를 생성하는 제1 비밀키 생성 수단을 갖고, 상기 제2 무선 통신 장치는, 상기 제2 MIMO 채널의 제2 채널 추정치를 산출하는 제2 채널 추정 수단과, 산출된 제2 채널 추정치와 상기 제1 MIMO 채널의 상관 행렬에 기초하여 상기 제2 MIMO 채널과 상기 제1 MIMO 채널이 일치하는지 판정하는 일치 판정 처리 수단과, 상기 일치 판정 처리 수단에 의해 일치한다고 판정되었을 경우에 한하여, 상기 제2 채널 추정치로부터 제2 비밀키를 생성하는 제2 비밀키 생성 수단을 갖는 무선 통신 시스템이다.
본 발명의 제5 형태는, 제1 MIMO 채널의 무선 신호를 수신함과 함께, 제2 MIMO 채널에서 무선 신호를 송신하는 복수의 제1 안테나와, 상기 제1 MIMO 채널의 수신 신호로부터 제1 채널 추정치를 산출하는 제1 채널 추정 수단과, 산출된 제1 채널 추정치로부터 상기 제1 MIMO 채널의 상관 행렬을 생성하는 상관 행렬 생성 수단과, 상기 제1 MIMO 채널의 상관 행렬에 기초하여 상기 제1 MIMO 채널과 상기 제2 MIMO 채널이 일치한다고 판정되었을 경우에 한하여, 상기 제1 채널 추정치로부터 제1 비밀키를 생성하는 제1 비밀키 생성 수단을 구비하는 무선 통신 장치이다.
본 발명의 제6 형태는, 상기 발명에 있어서, 상기 제1 비밀키 생성 수단은, 상기 제1 MIMO 채널과 상기 제2 MIMO 채널이 일치한다고 판정되었을 경우에 한하여, 상기 제1 채널 추정치로부터 제1 비밀키를 생성함과 동시에, 생성하는 제1 비 밀키에서의 오류 정정용 비트수를 결정하고, 상기 제1 비밀키 생성 수단에 의해 결정된 오류 정정용 비트수를 용장 데이터의 양으로 간주하여 상기 제1 비밀키를 오류 정정하는 오류 정정 수단을 더 구비하는 무선 통신 장치이다.
본 발명의 제7 형태는, 제2 MIMO 채널의 무선 신호를 수신함과 함께, 제1 MIMO 채널로 무선 신호를 송신하는 복수의 제2 안테나와, 상기 제2 MIMO 채널의 수신 신호로부터 제2 채널 추정치를 산출하는 제2 채널 추정 수단과, 상기 제2 MIMO 채널로 수신한 상기 제1 MIMO 채널의 상관 행렬에 기초하여 상기 제2 MIMO 채널과 상기 제1 MIMO 채널이 일치하는지 판정하는 일치 판정 처리 수단과, 상기 제2 MIMO 채널과 상기 제1 MIMO 채널이 일치한다고 판정되었을 경우에 한하여, 상기 제2 채널 추정치로부터 제2 비밀키를 생성하는 제2 비밀키 생성 수단을 구비하는 무선 통신 장치이다.
본 발명의 제8 형태는, 상기 발명에 있어서, 상기 제2 비밀키 생성 수단은, 상기 제2 MIMO 채널과 상기 제1 MIMO 채널이 일치한다고 판정되었을 경우에 한하여, 상기 제2 채널 추정치로부터 제2 비밀키를 생성함과 동시에, 생성하는 제2 비밀키에서의 오류 정정용 비트수를 결정하고, 상기 제2 비밀키 생성 수단에 의해 결정된 오류 정정용 비트수를 용장 데이터의 양으로 간주하여 상기 제2 비밀키를 오류 정정하는 오류 정정 수단을 더 구비하는 무선 통신 장치이다.
본 명세서는, 2004년 8월 4일에 출원된 일본 특허출원 2004-228661에 기초한다. 그 내용은 모두 여기에 포함시켜 둔다.
본 발명에 따른 무선 통신 장치는, 암호화 통신을 행하는데 있어서 상대국과 공통의 비밀키를 생성하기까지 필요로 하는 시간을 단축할 수 있는 효과가 있어, MIMO 기술을 이용한 무선 통신 시스템 등에 유용하다.

Claims (8)

  1. 복수의 제1 안테나를 갖는 제1 무선 통신 장치와 복수의 제2 안테나를 갖는 제2 무선 통신 장치에 의해 행해지는 무선 통신 방법으로서,
    상기 제1 무선 통신 장치가 복수의 상기 제1 안테나와 복수의 상기 제2 안테나 사이에 형성되는 제1 MIMO 채널에 대해 제1 채널 추정치를 산출하는 제1 채널 추정 스텝과,
    상기 제2 무선 통신 장치가 복수의 상기 제2 안테나와 복수의 상기 제1 안테나 사이에 형성되는 제2 MIMO 채널에 대해 제2 채널 추정치를 산출하는 제2 채널 추정 스텝과,
    상기 제1 무선 통신 장치가 산출된 제1 채널 추정치로부터 제1 채널 정보를 생성하는 정보 생성 스텝과,
    상기 제2 무선 통신 장치가 산출된 제2 채널 추정치와 상기 제1 채널 정보에 기초하여 상기 제2 MIMO 채널과 상기 제1 MIMO 채널이 일치하는지 판정하는 채널 일치 판정 스텝과,
    상기 제1 무선 통신 장치가 상기 채널 일치 판정 스텝에서 일치한다고 판정되었을 때에 한하여, 상기 제1 채널 추정치로부터 제1 비밀키를 생성하는 제1 비밀키 생성 스텝과,
    상기 제2 무선 통신 장치가 상기 채널 일치 판정 스텝에서 일치한다고 판정되었을 때에 한하여, 상기 제2 채널 추정치로부터 제2 비밀키를 생성하는 제2 비밀 키 생성 스텝을 구비하는 무선 통신 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정보 생성 스텝에서의 상기 제1 채널 정보가 상기 제1 MIMO 채널의 상관 행렬인 무선 통신 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 비밀키 생성 스텝에서는, 상기 제1 무선 통신 장치가, 상기 채널 일치 판정 스텝에서 일치한다고 판정되었을 때에 한하여, 상기 제1 채널 추정치로부터 제1 비밀키를 생성함과 동시에, 생성하는 제1 비밀키에서의 오류 정정용 비트수를 결정하고,
    상기 제2 비밀키 생성 스텝에서는, 상기 제2 무선 통신 장치가, 상기 채널 일치 판정 스텝에서 일치한다고 판정되었을 때에 한하여, 상기 제2 채널 추정치로부터 제2 비밀키를 생성함과 동시에, 생성하는 제2 비밀키에서의 오류 정정용 비트수를 결정하는 무선 통신 방법.
  4. 복수의 제1 안테나를 갖는 제1 무선 통신 장치와 복수의 제2 안테나를 갖는 제2 무선 통신 장치를 구비하는 무선 통신 시스템으로서,
    상기 제1 무선 통신 장치는,
    복수의 상기 제1 안테나와 복수의 상기 제2 안테나 사이에 형성되는 제1 MIMO 채널에 대해 제1 채널 추정치를 산출하는 제1 채널 추정 수단과,
    산출된 제1 채널 추정치로부터 제1 MIMO 채널의 상관 행렬을 생성하는 상관 행렬 생성 수단과,
    상기 제2 무선 통신 장치에 의해 복수의 상기 제2 안테나와 복수의 상기 제1 안테나 사이에 형성되는 제2 MIMO 채널과 상기 제1 MIMO 채널이 일치한다고 판정되었을 경우에 한하여, 상기 제1 채널 추정치로부터 제1 비밀키를 생성하는 제1 비밀키 생성 수단을 갖고,
    상기 제2 무선 통신 장치는,
    상기 제2 MIMO 채널의 제2 채널 추정치를 산출하는 제2 채널 추정 수단과,
    산출된 제2 채널 추정치와 상기 제1 MIMO 채널의 상관 행렬에 기초하여 상기 제2 MIMO 채널과 상기 제1 MIMO 채널이 일치하는지 판정하는 일치 판정 처리 수단과,
    상기 일치 판정 처리 수단에 의해 일치한다고 판정되었을 경우에 한하여, 상기 제2 채널 추정치로부터 제2 비밀키를 생성하는 제2 비밀키 생성 수단을 갖는 무선 통신 시스템.
  5. 제1 MIMO 채널의 무선 신호를 수신함과 함께, 제2 MIMO 채널로 무선 신호를 송신하는 복수의 제1 안테나와,
    상기 제1 MIMO 채널의 수신 신호로부터 제1 채널 추정치를 산출하는 제1 채널 추정 수단과,
    산출된 제1 채널 추정치로부터 상기 제1 MIMO 채널의 상관 행렬을 생성하는 상관 행렬 생성 수단과,
    상기 제1 MIMO 채널의 상관 행렬에 기초하여 상기 제1 MIMO 채널과 상기 제2 MIMO 채널이 일치한다고 판정되었을 경우에 한하여, 상기 제1 채널 추정치로부터 제1 비밀키를 생성하는 제1 비밀키 생성 수단을 구비하는 무선 통신 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 비밀키 생성 수단은, 상기 제1 MIMO 채널과 상기 제2 MIMO 채널이 일치한다고 판정되었을 경우에 한하여, 상기 제1 채널 추정치로부터 제1 비밀키를 생성함과 함께, 생성하는 제1 비밀키에서의 오류 정정용 비트수를 결정하고,
    상기 제1 비밀키 생성 수단에 의해 결정된 오류 정정용 비트수를 용장 데이터의 양으로 간주하여 상기 제1 비밀키를 오류 정정하는 오류 정정 수단을 더 구비하는 무선 통신 장치.
  7. 제2 MIMO 채널의 무선 신호를 수신함과 함께, 제1 MIMO 채널로 무선 신호를 송신하는 복수의 제2 안테나와,
    상기 제2 MIMO 채널의 수신 신호로부터 제2 채널 추정치를 산출하는 제2 채널 추정 수단과,
    상기 제2 MIMO 채널로 수신한 상기 제1 MIMO 채널의 상관 행렬에 기초하여 상기 제2 MIMO 채널과 상기 제1 MIMO 채널이 일치하는지 판정하는 일치 판정 처리 수단과,
    상기 제2 MIMO 채널과 상기 제1 MIMO 채널이 일치한다고 판정되었을 경우에 한하여, 상기 제2 채널 추정치로부터 제2 비밀키를 생성하는 제2 비밀키 생성 수단을 구비하는 무선 통신 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 비밀키 생성 수단은, 상기 제2 MIMO 채널과 상기 제1 MIMO 채널이 일치한다고 판정되었을 경우에 한하여, 상기 제2 채널 추정치로부터 제2 비밀키를 생성함과 함께, 생성하는 제2 비밀키에서의 오류 정정용 비트수를 결정하고,
    상기 제2 비밀키 생성 수단에 의해 결정된 오류 정정용 비트수를 용장 데이터의 양으로 간주하여 상기 제2 비밀키를 오류 정정하는 오류 정정 수단을 더 구비하는 무선 통신 장치.
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