WO2006011345A1

WO2006011345A1 - 無線通信装置及び無線通信方法

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Publication number: WO2006011345A1
Application number: PCT/JP2005/012564
Authority: WO
Inventors: Yasuaki Yuda; Tomohiro Imai; Kenichi Miyoshi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2006-02-02
Also published as: EP1758292A4; JPWO2006011345A1; CN1993923A; RU2007107380A; EP1758292A1; US20080304658A1; KR20070046824A; BRPI0513929A

Abstract

　秘密鍵方式が適用される無線通信システムにおいて、受信側無線通信装置と伝搬路環境の近似する第三者に無線信号を傍受されても、この第三者が生成する秘密鍵と異なる秘密鍵を生成することのできる無線通信装置を開示する。この装置では、秘密鍵生成部（２０７）における固有値選択部（３１７）は、固有値検出部（２０６）から入力されてくるＭＩＭＯチャネルの固有値における最大固有値を選択し、選択した最大固有値を量子化部（３２７）に入力する。量子化部（３２７）は、固有値選択部（３１７）から入力されてくる最大固有値の大きさ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鍵生成部（３３７）に入力する。鍵生成部（３３７）は、量子化部（３２７）から入力されてくる量子化データから所定の方式で秘密鍵を生成し、生成した秘密鍵を図示しない制御部等に入力する。

Description

無線通信装置及び無線通信方法

技術分野

[0001] 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。背景技術

[0002] 携帯電話システムや無線 LANをはじめとする移動体無線通信システムの普及に伴 V、、このシステム上で個人情報や企業の機密情報等の秘密情報を送受信する機会が増力!]している。移動体無線通信システムでは、第三者が無線信号を容易に傍受できるため、無線信号が傍受されてもその内容を盗聴されないように、暗号ィ匕技術が用いられる場合がある。

[0003] 暗号化技術の一方式に、鍵を送信側と受信側との双方で秘密裏に共有する秘密鍵方式がある。移動体無線通信システムでは、無線信号が第三者に傍受されるおそれがあるため、一方の無線通信装置が鍵を生成してその鍵を他方に無線送信することができない。そこで、双方で共通な鍵を個別に生成することが必要となる。

[0004] このような秘密鍵方式の暗号ィ匕技術を適用した移動体無線通信システムが知られている (例えば特許文献 1参照)。特許文献 1に記載された技術では、時分割複信 (T DD :Time Division Duplex)方式を前提として、通信を行う双方において、伝搬路の遅延プロファイルを推定し、推定された遅延プロファイルの複素振幅情報、電力情報又は位相情報の!/、ずれかを用いて秘密鍵を生成する。

特許文献 1：特開 2003 - 273856号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] し力しながら、特許文献 1に記載された技術では、通信を行う双方で同じ秘密鍵が生成される確率は、受信側無線通信装置における遅延プロファイルの精度に依存するため、受信側無線通信装置における信号対雑音比（SNR: Signa卜 to-Noise Ratio) 力、さくなると低下してしまう問題がある。

[0006] そこで、この問題を解決するために、無線信号の送信電力を高くすることが考えられるが、そのようにすると、受信側無線通信装置と伝搬路環境の近似する第三者の受信電力までもが高くなる。このため、この第三者が受信側無線通信装置の生成した秘密鍵と同一の秘密鍵を独自に生成してしまう危険性も高くなる。

[0007] 本発明の目的は、秘密鍵方式が適用される無線通信システムにお、て、受信側無線通信装置と伝搬路環境の近似する第三者に無線信号を傍受されても、この第三者が生成する秘密鍵と異なる秘密鍵を生成することのできる無線通信装置及び無線通信方法を提供することである。

課題を解決するための手段

[0008] 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ァンテナと、前記アンテナによる受信信号のチャネル推定値をチャネル毎に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から MIMOチャネルのチャネル行列を生成するチャネル行列生成手段と、生成されたチャネル行列力線形演算もしくは非線形演算により生成される情報を用いて秘密鍵を生成する秘密鍵生成手段と、を具備する構成を採る。

発明の効果

[0009] 本発明によれば、無線通信装置が、 MIMOチャネルのチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報、例えば MIMOチャネルの固有値を用ヽて秘密鍵を生成するため、無線信号を第三者に傍受されてもこの第三者の生成する秘密鍵と異なる秘密鍵を生成することができる。

図面の簡単な説明

[0010] [図 1A]送受信アンテナが 1本の場合の通信態様を示す図

[図 1B]送受信アンテナが複数の場合の通信態様を示す図

[図 2]本発明の実施の形態 1に係る無線通信装置の構成を示すブロック図

[図 3]図 2に示した秘密鍵生成部の構成を示すブロック図

[図 4]図 1に示した無線通信装置の動作を説明するフロー図

[図 5]実施の形態 1におけるチャネル毎の固有値を説明する図 [図 6]無線通信装置におけるアンテナ素子の総数と最大固有値の利得との相関を示す図

[図 7]図 3に示した固有値選択部の動作を説明する図

[図 8]図 3に示した固有値選択部の動作の変形例を説明する図

[図 9]本発明の実施の形態 2における秘密鍵生成部の構成を示すブロック図

[図 10]図 9に示した秘密鍵生成部の動作を説明する図

[図 11]本発明の実施の形態 3における無線通信装置の構成を示すブロック図

[図 12]図 11に示した無線通信装置の動作を説明する図

発明を実施するための最良の形態

[0011] 本発明は、秘密鍵方式が適用される無線通信システムにおいて MIMO技術を利用するものであって、基地局装置（BS)や通信端末装置（MS)が MIMOチャネルのチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報を用いて、秘密鍵を個別に生成するものである。

[0012] ここで、 MIMO技術の概要について、図 1A及び図 1Bを用いて説明する。図 1Aには、 BSと MSとが共にアンテナ素子を 1つずつ備え、この BSと MSとの間で無線通信が行われている通信態様を示す。また、図 1Aでは、 MSと物理的に近い所に第三者が位置しており、 MSと第三者との伝搬路環境が近似しているものとする。

[0013] そのため、図 1Aに示す通信態様では、 BSから MSに送信された無線信号が第三者に傍受されることがある。このとき、 MSと第三者とが共に受信信号から秘密鍵を同一方式で生成する場合には、 MSの受信信号と第三者の受信信号との相関が高いことから、 MSと第三者とがそれぞれ独自に秘密鍵を生成するとしても、生成された秘密鍵が同一となるおそれがある。

[0014] これに対し、図 1Bに示すような MIMO技術を利用した無線通信システムでは、 BS の備える複数のアンテナ素子と MSの備える複数のアンテナ素子との間にそれぞれチャネルが形成される。即ち、 MIMOチャネルが形成されることになる。このため、第三者が MSの近傍に位置するとしても、第三者が BSから MSに送信された全ての無線信号を傍受することは困難である上に、たとえ第三者が全ての無線信号を傍受できたとしても、第三者の傍受した全ての受信信号と MSの受信信号との相関は図 1A の通信態様の場合よりも確実に低下する。

[0015] 従って、秘密鍵方式の適用される無線通信システムにおいて MIMO技術を利用すれば、第三者による無線信号の傍受を回避し易くなる上に、たとえ第三者によって全ての無線信号を傍受されたとしても、第三者が MSと同一の秘密鍵を生成してしまう危険性を低下させることができる。

[0016] 以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

[0017] (実施の形態 1)

図 2は、本発明の実施の形態 1に係る無線通信装置 200の構成を示すブロック図である。なお、本実施の形態では、無線通信装置 200は、無線通信システムを構成する BS及び携帯電話等の MSに共に搭載されるものとする。

[0018] 無線通信装置 200は、複数のアンテナ素子 201— 1〜201— n、複数の受信無線処理部 202— 1〜202— n、複数のパイロット抽出部 203— 1〜203— n、複数のチヤネル推定部 204— 1〜204— n、チャネル行列生成部 205、固有値検出部 206、秘密鍵生成部 207、パイロット発生部 211及び複数の送信無線処理部 212— 1〜212

—nを具備する。

[0019] アンテナ素子 201— 1〜201— nはそれぞれ、相手側装置における複数のアンテナ素子力送信された無線信号を捕捉して、その受信信号を受信無線処理部 202 — l〜202—nに入力する。

[0020] 受信無線処理部 202— 1〜202— nはそれぞれ、バンドパスフィルタ、アナログ Zデイジタル変翻及び低雑音アンプ等を具備して、アンテナ素子 201— 1〜201 -nから入力されてくる受信信号に公知の受信信号処理を施し、処理後の受信信号をパイロット抽出部 203— l〜203—nに入力する。

[0021] パイロット抽出部 203— 1〜203— nはそれぞれ、受信無線処理部 202— 1〜202 —nから入力されてくる受信信号からパイロット信号を抽出して、抽出したパイロット信号をチャネル推定部 204— 1〜 204— nに入力する。

[0022] チャネル推定部 204—l〜204—nはそれぞれ、パイロット抽出部 203— 1〜203 —nから入力されてくるノィロット信号を用いて、相手局装置における複数のアンテナ素子とアンテナ素子 201— 1〜201—nとの間に形成されるチャネル毎にチャネル推定を行ヽ、算出されたチャネル毎のチャネル推定値をチャネル行列生成部 205に入力する。

[0023] チャネル行列生成部 205は、チャネル推定部 204— 1〜204— nからそれぞれ入力されてくるチャネル毎のチャネル推定値から MIMOチャネルのチャネル行列を生成し、生成したチャネル行列を固有値検出部 206に入力する。なお、 MIMOチヤネルのチャネル行列及びその生成過程の詳細については後述する。

[0024] 固有値検出部 206は、チャネル行列生成部 205から入力されてくるチャネル行列力 MIMOチャネルの固有値を検出し、検出した MIMOチャネルの固有値を秘密鍵生成部 207に入力する。なお、 MIMOチャネルの固有値の検出過程の詳細についても後述する。

[0025] 秘密鍵生成部 207は、固有値検出部 206から入力されてくる MIMOチャネルの固有値における最大固有値を選択し、選択した最大固有値を用いて秘密鍵を生成し、生成した秘密鍵を図示しない制御部等に入力する。

[0026] ノィロット発生部 211は、既定のタイミングでパイロット信号を生成し、生成したパイロット信号を送信無線処理部 212— 1〜212— nにそれぞれ入力する。

[0027] 送信無線処理部 212— 1〜212— nはそれぞれ、バンドパスフィルタ、ディジタル Z アナログ変換器及び低雑音アンプ等を具備し、パイロット発生部 211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した後に、アンテナ素子 201— 1〜20

1—nを介してパイロット信号を無線送信する。

[0028] 図 3は、秘密鍵生成部 207のより詳細な構成を示すブロック図である。秘密鍵生成部 207は、固有値選択部 317、量子化部 327及び鍵生成部 337を具備する。

[0029] 固有値選択部 317は、固有値検出部 206から入力されてくる MIMOチャネルの固有値における最大固有値を選択し、選択した最大固有値を量子化部 327に入力する。

[0030] 量子化部 327は、固有値選択部 317から入力されてくる最大固有値の大きさを既定の量子化ビット数で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鍵生成部 337に入力する。

[0031] 鍵生成部 337は、量子化部 327から入力されてくる量子化データを所定回数繰り返してデータ長を伸長する等の所定の方式で秘密鍵を生成し、生成した秘密鍵を図示しない制御部等に入力する。

[0032] 次いで、無線通信装置 200における各構成部の動作について、図 4〜図 7を参照しつつ説明する。

[0033] 図 4は、無線通信装置 200を具備する BSと無線通信装置 200を具備する MSとにぉ、てそれぞれ同一の秘密鍵が生成され、これらの間で通信が開始されるまでのステツプを示すフロー図である。また、図 4では、 BSによる各ステップに枝番号「1」を付し、同様に MSによる各ステップに枝番号「2」を付す。なお、以下では、 BSと MSとの動作が同一であるステップについては、重複説明を避けるため、枝番号を付さずに説明する。

[0034] ステップ ST410では、 BSと MSとが互いにアンテナ素子 201— l〜201—nそれぞれカゝら順にパイロット信号を無線送信し、送信されたパイロット信号を受信側装置が全てのアンテナ素子 201— 1〜201— nで順次受信する。

[0035] ステップ ST420では、 BSと MSとにおいてそれぞれ、チャネル推定部 204が BSのアンテナ素子 201— 1〜201— nと MSのアンテナ素子 201 - 1〜201— nとの間に形成されたチャネル毎にチャネル推定を行う。

[0036] ステップ ST430では、 BSと MSとにおいてそれぞれ、チャネル推定部 204がステツプ ST420で算出されたチャネル推定値から MIMOチャネルのチャネル行列を生成する。下記「式 1」に、チャネル行列 Hを例示する。このチャネル行列 Hにおける各要素 h (i, j)は、送信側装置における j番目のアンテナ素子 201— jから送信されて受信側装置の i番目のアンテナ素子 201—iに受信されたパイロット信号のチャネル推定値を示す。なお、 Mは送信側アンテナ素子の総数を示し、 Nは受信側アンテナ素子の総数を示す。よって、本実施の形態では、 M及び Nは共に「n」となる。

[数 1]

H '(式 1 )

[0037] ステップ ST440では、 BSと MSとにおいてそれぞれ、式 1で示されるチャネル行列 Hを用いて MIMOチャネルの固有値を検出する。この固有値の検出方法としては、例えばチャネル行列 Hカゝら相関行列を計算して、その相関行列を固有値'固有べタトル分解することで固有値を算出する方法が挙げられる。また、チャネル行列を特異値分解することで得られる特異値を二乗して固有値を算出する方法等が挙げられる。本実施の形態では、前者の方法を採用する。相関行列 Rは、チャネル行列 Hを用いて下記「式 2」で表される。なお、式 2における上付き添え字「^H」は共役転置であることを示す。

[数 2]

R = HH^H …(式 2 )

[0038] そして、相関行列 Rは、固有値，固有ベクトル分解されると、下記「式 3」で表される。

なお、式 3における「Λ」は「MIMOチャネルの固有値」を示し、「V」は MIMOチヤネルの固有ベクトルを示す。

[数 3]

R = VAV^H…(式 3 )

[0039] 図 5に、 MIMOチャネルの固有値と各チャネルとの関係の意義を示す。 MIMO技術では、 BSと MSとの間に存在する平均電力が同じ複数のチャネルは、複数の固有空間に変換できる。そして、その固有空間の電力を表すものが MIMOチャネルの固有値である。より具体的には、 MIMOチャネルの固有値とは、図 5下段に示すように、 BSのアンテナ素子 201— 1〜201— nと MSのアンテナ素子 201— 1〜201— nとの間にそれぞれ一対一のチャネルが形成されるとみなすために必要な条件であると言える。ここで、式 3における MIMOチャネルの固有値 Λにおける固有空間毎の固有値 λを大き!/、方力も順に並べると、下記「式 4」で示すようになる。

画

λ,≥ ≥ ·· · ≥A_L≥0…（式 4 )

[0040] 式 4において、 (l < =i< =L)は MIMOチャネルの固有値 Λにおける i番目の大きさの固有空間の固有値を示し、 Lはチャネル行列のランク（階数）、即ち BSのァンテナ素子の総数と MSのアンテナ素子の総数との少な、方の総数を示す。なお、本実施の形態では、式 4における Lは nとなる。また、この固有空間毎の固有値えの大きさは固有空間の電力を表すため、受信側装置における固有空間の固有値えの総和は、受信総電力に相当することになる。従って、総電力を P 、 L=Nとすると、

total

下記「式 5」に示す関係が成り立つ。

[数 5] 。, =2 , …(式⁵ )

[0041] また、受信側装置におけるアンテナ素子毎の平均受信電力を P とすると、総電力

ave

P と P との間には、下記「式 6」に示す関係が成り立つ。

total ave

[数 6] 尸 = W ' …(式⁶ )

[0042] 式 4に示すように、固有空間の固有値えの大きさは分散するため、 λ >P となる

1 ave 固有値が必ず存在する。そして、受信側アンテナ素子 201— 1〜201— n毎の平均受信電力に対する最大固有値の大きさの利得は、図 6に示すように、受信側アンテナ素子 201— 1〜201— nの総数が増えるほど増大する。従って、本実施の形態では、図 7に示すように、固有値選択部 317がチャネル行列 H力も生成される MIMOチャネルの固有値 Λにおける最大固有値えを選択することにより、受信側アンテナ素子 201— 1〜201— n毎の平均 SNRよりも高い SNRを確実に実現することができる。

[0043] ステップ ST450では、 BSと MSと〖こお!/、てそれぞれ、ステップ ST440で選択された最大固有値を用いて秘密鍵が生成される。ステップ ST450では、量子化部 327が固有値選択部 317から入力されてくる最大固有値の大きさを既定の量子化ビット数で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鍵生成部 337に入力する。そして、鍵生成部 337は、この量子化データを既定の方式で繰り返したり、入れ替えたりして秘密鍵を生成する。

[0044] ステップ ST460では、 BSと MSとがそれぞれ、個別に生成した秘密鍵が同一であるカゝ否かを相互に確認する。本実施の形態では、 BSと MSとがそれぞれ個別に生成した秘密鍵に復元不可能な不可逆変換を施し、 BSが MSに対してこの不可逆変換を施した信号を無線送信する。そして、 MSが、受信したこの信号と自装置で不可逆変換を施した信号とを対比して、それらの不可逆変換を施された信号が一致するか確認し、その確認結果を示す確認信号を BSに無線送信する。ちなみに、このような不可逆変換を施された信号としてハッシュ関数が例示される。

[0045] ステップ ST470— 1では、 BSは、 MSから送信されてくる確認信号が不可逆変換を施された信号同士が一致することを示す場合には、引き続きステップ ST480— 1を実行する。一方で、 BSは、 MSから送信されてくる確認信号が不可逆変換を施された信号同士が一致しな、ことを示す場合には、自装置で生成した秘密鍵を破棄して、再度ステップ ST410— 1から実行し直す。

[0046] 同様に、ステップ ST470— 2では、 MSは、不可逆変換された信号同士が一致する場合には、引き続きステップ ST480— 2を実行し、一方で不可逆変換された信号同士がー致しない場合には、自装置の生成した秘密鍵を破棄して、再度ステップ ST4 10— 2を実行し直す。

[0047] ステップ ST480では、 BSと MSと力 Sそれぞれ、個別に生成した秘密鍵を用いて無線通信を開始する。

[0048] このように、本実施の形態に係る無線通信装置 200によれば、秘密鍵生成部 207 が MIMOチャネルの固有値における最大固有値を選択し、この最大固有値を用いて秘密鍵を生成するため、アンテナ素子 201— 1〜201— n毎の平均 SNRよりも高 Vヽ SNRを実現できることから、自装置と相手側装置との生成する秘密鍵が一致する確率を向上させることができる。

[0049] なお、本実施の形態に係る無線通信装置 200について、次のように応用したり、変形したりしてちよい。

[0050] 本実施の形態に係る無線通信装置 200では、固有値選択部 317が固有値検出部 206から入力されてくる MIMOチャネルの固有値における最大固有値を選択する場合について説明した力本発明はこの場合に限定されるものではなぐ例えば固有値選択部 317が固有値検出部 206から入力されてくる MIMOチャネルの固有値の総和に対する比が所定値以上である固有値、即ち固有空間の固有値を選択し、図 8 に示す例では MIMOチャネルの固有値における大きい方から順に 3つの固有値を選択し、選択した固有値を量子化部 327に入力するようにしてもよい。このようにすれば、量子化部 327が量子化ビット数を増やすことなく量子化データのデータ量を増やすことができるため、 BSと MSとが個別に生成する秘密鍵の一致する確率を低下させることなぐ秘密鍵の安全性を向上させることができる。

[0051] また、本実施の形態では、ステップ ST410において BS及び MSがアンテナ素子 20 1 1〜201—nそれぞれから順にパイロット信号を無線送信する場合にっヽて説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではなぐ例えばステップ ST410において BS及び MSがアンテナ素子 201— 1〜201— nそれぞれに固有の拡散符号を割り当てて、それらの拡散符号によって符号分割されたパイロット信号をアンテナ素子 20 l— l〜201—nそれぞれから同時に無線送信するようにしてもよい。このようにすれば、受信側装置において、一つの受信信号がチャネル別に符号分割多重されていることになるため、パイロット信号の送受信に要する時間を短縮して秘密鍵を用いた通信を早期に開始することができる。

[0052] (実施の形態 2)

本発明の実施の形態 2では、無線通信装置 200が生成した秘密鍵に誤り訂正復号処理を行い、さらにその誤り訂正能力を最大固有値の大きさを基準にして制御する。そのため、本実施の形態に係る無線通信装置 200は、実施の形態 1に係る無線通信装置 200における秘密鍵生成部 207の代わりに図 9に示す秘密鍵生成部 907を具備する。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。

[0053] 図 9は、本実施の形態における秘密鍵生成部 907の構成を示すブロック図である。

秘密鍵生成部 907は、固有値選択部 317、量子化部 327、鍵生成部 337、不一致訂正制御部 917及び不一致訂正部 927を具備する。

[0054] 不一致訂正制御部 917は、固有値選択部 317から入力されてくる最大固有値の大きさに基づ!/、て、量子化部 327に対して量子化ビット数を増減するように指示すると伴に、不一致訂正部 927に対しても誤り訂正処理に利用する冗長データのデータ量を増減するように指示する。

[0055] 不一致訂正部 927は、鍵生成部 337から入力されてくる秘密鍵について、誤り訂正符号化処理された信号とみなして、そのデータの一部、即ち不一致訂正制御部 917 から指示されたデータ量を冗長データとして扱うことにより、誤り訂正復号処理を行う

。そして、不一致訂正部 927は、誤り訂正復号処理後の秘密鍵を図示しない制御部等に入力する。なお、不一致訂正部 927は、不一致訂正制御部 917から冗長データとして利用するデータの位置を指示された場合には、その指示に従って秘密鍵に誤り訂正処理を施す。

[0056] 次いで、秘密鍵生成部 907の動作について、不一致訂正制御部 917の動作を中心に図 10を用いて詳細に説明する。

[0057] 不一致訂正制御部 917は、固有値選択部 317から入力されてくる最大固有値の大きさに応じて、最大固有値が大きい場合（図 10左枠内）には、量子化部 327に対して量子化ビット数を減らして、生成する量子化データのデータ量を抑制するように指示する。また、不一致訂正部 927に対して鍵生成部 337から入力されてくる秘密鍵に含まれる抑制された冗長データのデータ量を通知する。

[0058] ここで、不一致訂正制御部 917における最大固有値の大小の判定方法としては、例えば MIMOチャネルの固有値における固有空間毎の固有値の総和に対する最大固有値の大きさの割合で判定する方法が挙げられる。また、アンテナ素子 201— 1 〜201— nの平均受信電力に対する最大固有値の大きさで判定する方法等が挙げられる。

[0059] 固有値選択部 317から入力されてくる最大固有値が大きいと不一致訂正制御部 91 7が判定した場合は、その最大固有値について雑音の影響が小さい、即ち SNRが大きいことを意味するので、量子化部 327における量子化ビット数を増やす必要はない

[0060] 一方で、不一致訂正制御部 917は、固有値選択部 317から入力されてくる最大固有値が小さい場合（図 10右枠内）には、量子化部 327に対して量子化ビット数を増やして、生成する量子化データのデータ量を増大するように指示する。また、不一致訂正部 927に対して鍵生成部 337から入力されてくる秘密鍵に含まれる増大された冗長データのデータ量を通知する。

[0061] 固有値選択部 317に入力されてくる最大固有値が小さいと不一致訂正制御部 917 が判定した場合には、その最大固有値については雑音の影響が大きい、即ち SNR が小さいことを意味するので、この雑音に由来する秘密鍵に潜在する誤差を訂正する必要が生じる。そこで、この場合には、不一致訂正制御部 917は、量子化部 327における量子化ビット数を増大させて秘密鍵に含まれる冗長データのデータ量を増やすことにより、不一致訂正部 927による秘密鍵の誤り訂正能力を向上させる。

[0062] このように、本実施の形態に係る無線通信装置 200によれば、秘密鍵生成部 907 において秘密鍵を誤り訂正符号化処理された信号とみなして誤り訂正復号処理するため、自装置と相手側装置とで個別に生成された秘密鍵同士が一致する確率をさらに向上させることができる。

[0063] また、本実施の形態では、不一致訂正制御部 917が量子化部 327における量子化ビット数と不一致訂正部 927での冗長データのデータ量と共に制御するため、誤り訂正復号処理後の秘密鍵のデータ長（ビット数)を一定に保つことができ、図示しな!、制御部等における信号処理の負荷の増大を抑制することができる。

[0064] (実施の形態 3)

一般に、秘密鍵は、そのデータ長が長いほど安全性が向上する。そこで、本発明に係る実施の形態 3では、無線通信装置 1100が MIMOチャネルの固有値の周波数応答を検出して、その固有値の周波数応答を組み合わせて秘密鍵を生成することにより、秘密鍵のデータ長を長くしてその安全性を高める態様について説明する。

[0065] 本実施の形態に係る無線通信装置 1100は、実施の形態 1に係る無線通信装置 2 00における各構成部と同様の機能を発揮する構成部を多く具備する。そこで、本実施の形態では、重複を避けるため、実施の形態 1と実質的に相違する点についてのみ説明する。

[0066] 図 11は、本実施の形態に係る無線通信装置 1100の構成を示すブロック図である。無線通信装置 1100は、実施の形態 1に係る無線通信装置 200において、チヤネル推定部 204— 1〜 204— nの代わりにチャネル周波数応答推定部 1104— 1〜 11 04— nを、またチャネル行列生成部 205の代わりにチャネル行列周波数応答生成部 1105を、また固有値検出部 206の代わりに固有値周波数応答検出部 1106を、また秘密鍵生成部 207の代わりに秘密鍵生成部 1107を具備するものである。また、本実施の形態では、無線信号としてマルチキャリア信号、例えば OFDM (Orthogonal Fre quency Division Multiplexing)信号力 S使用される。

[0067] チャネル周波数応答推定部 1104— 1〜： L 104— nはそれぞれ、パイロット抽出部 2 03— l〜203—nから入力されてくるパイロット信号のインパルス応答からチャネル毎の周波数応答を推定する。具体的には、チャネル周波数応答推定部 1104— 1〜11 04—nは、パイロット信号である OFDM信号のチャネル推定値の周波数応答、即ち OFDM信号のチャネル毎で、かつ、サブキャリア毎のチャネル推定値を算出する。チャネル周波数応答推定部 1104— 1〜1104— nは、算出したチャネル推定値の周波数応答をチャネル行列周波数応答生成部 1105に入力する。

[0068] チャネル行列周波数応答生成部 1105は、チャネル周波数応答推定部 1104— 1 〜： L 104—nから入力されてくるチャネル推定値の周波数応答力もチャネル行列の周波数応答、即ち OFDM信号のチャネル毎で、かつ、サブキャリア毎のチャネル推定値を要素とする MIMOチャネルのチャネル行列を生成する。そして、チャネル行列周波数応答生成部 1105は、生成したチャネル行列の周波数応答を固有値周波数応答検出部 1106に入力する。

[0069] 固有値周波数応答検出部 1106は、チャネル行列周波数応答生成部 1105から入力されてくるチャネル行列の周波数応答を用いて MIMOチャネルの固有値の周波数応答、即ち OFDM信号のチャネル毎で、かつ、サブキャリア毎の固有値の集合を検出する。そして、固有値周波数応答検出部 1106は、検出した MIMOチャネルの固有値の周波数応答を秘密鍵生成部 1107に入力する。

[0070] 秘密鍵生成部 1107は、固有値周波数応答検出部 1106から入力されてくる MIM Oチャネルの固有値の周波数応答を用いて秘密鍵を生成する。この秘密鍵生成部 1 107における秘密鍵の生成の具体的態様について、次に説明する。

[0071] 図 12に、秘密鍵生成部 1107の動作をより具体的に示す。図 12の上段には、固有値周波数応答検出部 1106から入力されてくる MIMOチャネルの固有値の周波数応答における特定固有空間の固有値の周波数応答が記載されている。なお、 MIM Oチャネルの固有値の周波数応答から図 12の上段に示す特定固有空間の固有値の周波数応答を選択する態様としては、例えば固有空間毎の固有値の周波数応答の平均値が最大の固有空間を選択する態様が挙げられる。 [0072] また、秘密鍵生成部 1107は、選択した特定固有空間の固有値の周波数応答について、各周波数、即ちサブキャリア毎の固有値の大きさを既定の量子化ビット数で量子化して量子化データを生成する。ここで、秘密鍵生成部 1107は、量子化ビット数を決定する際に、特定固有空間のサブキャリア毎の固有値の SNRを参照して量子化の幅を雑音の大きさよりも十分大きくとることにより、雑音の影響の小さい量子化データを生成することができる。

[0073] そして、秘密鍵生成部 1107は、生成した量子化データを適宜選択して組み合わせることにより、データ長が長く安全性の高い秘密鍵を生成することができる。また、秘密鍵生成部 1107は、この量子化データを適宜選択して組み合わせる際に、 SNR が高い固有値力生成された量子化データのみを選択することにより、自装置と相手側装置とで個別に生成された秘密鍵が一致する確立を向上させることができる。

[0074] このように、本実施の形態に係る無線通信装置 1100によれば、 MIMOチャネルの固有値における特定固有空間の固有値の周波数応答力量子化データが生成されるため、雑音の影響が少ない良質な量子化データを多量に得ることができる。さらに、この良質な多量の量子化データを用いて秘密鍵が生成されるため、秘密鍵のデータ長を長くすることができ、その安全性を高めることができる。

[0075] なお、本実施の形態では、秘密鍵のデータ長を長くするために、周波数応答を用 V、て多量の量子化データを得て、るが、時間応答を用いて多量の量子化データを得ることも可能である。つまり、長い時間にわたり MIMOチャネルの固有値を得ることで、多量の量子化データを得ることができ、本実施の形態と同様に、秘密鍵のデータ長を長くすることができ、その安全性を高めることができる。

[0076] なお、前記各実施の形態では、 MIMOチャネルのチャネル行列力線形演算もしくは非線形演算により生成される情報として MIMOチャネルの固有値を用いる場合について説明した力本発明はこの場合に限定されるものではなぐ例えばチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報としてチャネル間の相関関係を示す相関係数、チャネル行列同士の相関関係を示す相関行列又は固有値分解で得られる固有ベクトルを用いてもょヽ。

[0077] 前記各実施の形態では、本発明をノヽードウエ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。

[0078] また、前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チップィ匕されてもよい。ここでは、 LSIとした力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。

[0079] また、集積回路化の手法は LSIに限るものではなぐ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 Progra mmable 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ユラブル'プロセッサーを利用してもよい。

[0080] 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ィ匕を行ってもよい。バイオ技術の適応等が可能性としてありえる。

[0081] 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チャネル毎に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力 MIMOチャネルのチャネル行列を生成するチャネル行列生成手段と、生成されたチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報を用いて秘密鍵を生成する秘密鍵生成手段と、を具備する無線通信装置である。

[0082] 本発明の第 2の態様は、前記発明にお、て、生成されたチャネル行列力も MIMO チャネルの固有値を検出する固有値検出手段をさらに具備し、前記秘密鍵生成手段は、検出された MIMOチャネルの固有値を用いて秘密鍵を生成する、無線通信装置である。

[0083] 本発明の第 3の態様は、前記発明において、前記秘密鍵生成手段は、検出された MIMOチャネルの固有値における最大固有値を用いて秘密鍵を生成する、無線通信装置である。

[0084] 本発明の第 4の態様は、前記発明において、前記秘密鍵生成手段は、検出された MIMOチャネルの固有値の総和に対する比が所定値以上である固有値を用ヽて秘密鍵を生成する、無線通信装置である。 [0085] 本発明の第 5の態様は、前記発明において、前記秘密鍵生成手段は、検出された MIMOチャネルの固有値の大きさを量子化して量子化データを生成する量子化手段と、生成された量子化データ力鍵データを生成する鍵生成手段と、生成された鍵データの一部を冗長データとして用いて前記鍵データを誤り訂正処理する訂正手段と、を具備する無線通信装置である。

[0086] 本発明の第 6の態様は、前記発明において、前記秘密鍵生成手段は、検出された MIMOチャネルの固有値の大きさを測定し、測定された固有値の大きさに応じて、前記量子化手段の量子化ビット数を減少させる場合には、前記訂正手段に冗長データとして用いるデータ量を減少させ、一方で前記量子化手段の量子化ビット数を増カロさせる場合には、前記訂正手段に冗長データとして用いるデータ量を増加させる、制御手段をさらに具備する無線通信装置である。

[0087] 本発明の第 7の態様は、前記発明において、前記アンテナによる受信信号がマルチキャリア信号であって、前記チャネル推定手段は、受信されたマルチキャリア信号のチャネル推定値の周波数応答を算出し、前記チャネル行列生成手段は、算出されたチャネル推定値の周波数応答カゝらチャネル行列の周波数応答を生成し、前記固有値検出手段は、生成されたチャネル行列の周波数応答カゝら MIMOチャネルの固有値の周波数応答を検出し、前記秘密鍵生成手段は、前記固有値検出手段によつて検出された MIMOチャネルの固有値の周波数応答を用、て秘密鍵を生成する、無線通信装置である。

[0088] 本発明の第 8の態様は、 MIMOチャネルの無線信号を複数のアンテナで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チャネル毎に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から MIMOチャネルのチャネル行列を生成するチャネル行列生成ステップと、生成されたチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報を用いて秘密鍵を生成する秘密鍵生成ステップと、を具備する無線通信方法である。

[0089] 本明細書は、 2004年 7月 29日出願の特願 2004— 222389に基づくものである。

この内容は全てここに含めておく。

産業上の利用可能性本発明に係る無線通信装置は、 MIMO技術の特性を活用することによって無線信号を第三者に傍受されてもこの第三者の生成する秘密鍵と異なる秘密鍵を生成することができると!/、う効果を有し、 MIMO技術を利用した無線通信システムで使用される無線通信方法等として有用である。

Claims

請求の範囲

[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チャネル毎に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から MIMOチャネルのチャネル行列を生成するチヤネル行列生成手段と、

生成されたチャネル行列力線形演算もしくは非線形演算により生成される情報を用いて秘密鍵を生成する秘密鍵生成手段と、を具備する無線通信装置。

[2] 生成されたチャネル行列力 MIMOチャネルの固有値を検出する固有値検出手段をさらに具備し、

前記秘密鍵生成手段は、検出された MIMOチャネルの固有値を用いて秘密鍵を生成する、請求項 1記載の無線通信装置。

[3] 前記秘密鍵生成手段は、検出された MIMOチャネルの固有値における最大固有値を用いて秘密鍵を生成する、請求項 2記載の無線通信装置。

[4] 前記秘密鍵生成手段は、検出された MIMOチャネルの固有値の総和に対する比が所定値以上である固有値を用いて秘密鍵を生成する、請求項 2記載の無線通信装置。

[5] 前記秘密鍵生成手段は、

検出された MIMOチャネルの固有値の大きさを量子化して量子化データを生成する量子化手段と、

生成された量子化データ力鍵データを生成する鍵生成手段と、

生成された鍵データの一部を冗長データとして用いて前記鍵データを誤り訂正処理する訂正手段と、を具備する請求項 2記載の無線通信装置。

[6] 前記秘密鍵生成手段は、

検出された MIMOチャネルの固有値の大きさを測定し、測定された固有値の大きさに応じて、前記量子化手段の量子化ビット数を減少させる場合には、前記訂正手段に冗長データとして用いるデータ量を減少させ、一方で前記量子化手段の量子化ビット数を増加させる場合には、前記訂正手段に冗長データとして用いるデータ量を増加させる、制御手段をさらに具備する、請求項 5記載の無線通信装置。

[7] 前記アンテナによる受信信号がマルチキャリア信号であって、

前記チャネル推定手段は、受信されたマルチキャリア信号のチャネル推定値の周波数応答を算出し、

前記チャネル行列生成手段は、算出されたチャネル推定値の周波数応答カゝらチヤネル行列の周波数応答を生成し、

前記固有値検出手段は、生成されたチャネル行列の周波数応答カゝら MIMOチヤネルの固有値の周波数応答を検出し、

前記秘密鍵生成手段は、前記固有値検出手段によって検出された MIMOチヤネルの固有値の周波数応答を用いて秘密鍵を生成する、請求項 2記載の無線通信装置。

[8] MIMOチャネルの無線信号を複数のアンテナで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チャネル毎に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から MIMOチャネルのチャネル行列を生成するチヤネル行列生成ステップと、

生成されたチャネル行列力線形演算もしくは非線形演算により生成される情報を用いて秘密鍵を生成する秘密鍵生成ステップと、を具備する無線通信方法。