WO2006013699A1

WO2006013699A1 - 無線通信装置、無線通信システム及び無線通信方法

Info

Publication number: WO2006013699A1
Application number: PCT/JP2005/012679
Authority: WO
Inventors: Tomohiro Imai; Yasuaki Yuda
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2005-07-08
Publication date: 2006-02-09
Also published as: US20080069251A1; EP1775875A1; CN1993924A; RU2007104173A; BRPI0513074A; JPWO2006013699A1

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

明細書

無線通信装置、無線通信システム及び無線通信方法

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、並びにこのシステムにお!/、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] 近年の情報化社会の発展に伴!、、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!、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。

[0003] 移動体無線通信における盗聴対策としては、暗号ィ匕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ィ匕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、送受信位置の僅力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。

[0004] 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値力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ィ匕通信を開始する。非特許文献 1 :堀池元榭、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

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 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力も独自に秘密鍵を生成して基地局と移動局との間の暗号ィ匕通信を盗聴できるようになる問題がある。

[0006] 図 2に、図 1における基地局と移動局との間の暗号ィ匕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カゝ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、秘密裏に傍受したノィロット信号力も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ィ匕通信を盗聴することができる。

[0007] 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。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、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、て MIMOチャネルにおける!/、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力秘密鍵を生成する鍵生成手段と、を具備する構成を採る。

発明の効果

[0009] 本発明によれば、 MIMOチャネルにおける!/、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ィ匕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、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、第三者による暗号ィ匕通信の盗聴を防止することができる。

図面の簡単な説明

[0010] [図 1]従来の無線通信システムにおける暗号ィ匕通信用の秘密鍵の生成態様を示す図

[図 2]従来の無線通信システムにおいて暗号ィ匕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

[図 3]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 [図 4]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

[図 5]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 [図 6]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

[図 7]実施の形態 1に係る無線通信システムにお、て秘密鍵が更新される様子を示す図

[図 8]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

[図 9]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

[図 10]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 [図 11]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 [図 12]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 [図 13]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

発明を実施するための最良の形態

[0011] 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ィ匕通信を行う場合を例に説明する。

[0012] (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 、ノィロット送信制御部 121及び 2つのパイロット送信部 122— 1、 122— 2を有する。

[0013] 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。

[0014] ノィロット受信部 102— 1、 102— 2はそれぞれ、バンドパスフィルタ、アナログ Zデイ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。

[0015] 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ノィ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及びチヤネル選択部 105にそれぞれ入力する。

[0016] 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つのチヤ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。 [0017] 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つのチヤネル相関値の中カゝ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。

[0018] 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、制御部等に入力する。

[0019] 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力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)チャネル推定値カゝら算出して監視する。監視中のチヤ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、ノィロット送信制御部 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。

[0020] ノィロット送信制御部 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口ット送信部 122— 1、 122— 2にそれぞれ入力する。

[0021] ノィロット送信部 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。

[0022] 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。チヤネル間相関監視部 110は、監視チャネル抽出部 111、監視チャネル間相関計算部 1 12及び監視チャネル間相関閾値判定部 113を有する。

[0023] 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、制御部等力も入力され、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ぉ、て受信信号力も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。

[0024] 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。

[0025] 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つたときには、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口ット制御信号をパイロット送信制御部 121に入力する。

[0026] 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プロック図である。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 3 04、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。

[0027] 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。

[0028] ノィロット受信部 302— 1、 302— 2はそれぞれ、バンドパスフィルタ、アナログ Zデイ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〖こ人力される。

[0029] 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ノィ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及びチヤネル選択部 305にそれぞれ入力する。

[0030] 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つのチヤネル推定値に基づ、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。

[0031] 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つのチヤネル相関値の中カゝ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。

[0032] 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!、制御部等に入力される。

[0033] ノィロット送信制御部 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。

[0034] ノィロット送信部 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。

[0035] 次、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っ、て、図 6及び図 7を用いて説明する。

[0036] 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ィ匕通信を行っており、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 30 1 1との間に形成されるチャネルを C と表記する。また、基地局の有するアンテナ

11

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 C 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

21

テナ素子 301— 2との間に形成されるチャネルを C と表記する。また、基地局の有

12

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 C と表記する。 [0037] ここで、移動局は、基地局力も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 C のチャネル推定

11

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 C 、 C 及び C 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

21 12 22

、図 6では、基地局と移動局とにおけるチャネル C のチャネル推定値を共に h と、

11 11 チャネル C のチャネル推定値を h と、チャネル C のチャネル推定値を h と、チヤ

21 21 12 12 ネル C のチャネル推定値を h と、表記する。

22 22

[0038] 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 h 、 h 、 h 及び h の中の 2つを総当りで組み合わせて、

11 21 12 22

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。

[0039] 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、て、 4つのチャネル推定値カゝら 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 X 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 h、 h (h≠h )の組み合わせに係るチャネル相関値 p は、下 xy リ xy リ， xy 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 1 01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。

[数 1]

[数 2] 式 2

[0040] 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つのチヤネル相関値の中カゝ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 30 6に入力する。図 6では、チャネル推定値 h とチャネル推定値 h との組み合わせに

21 22

係るチャネル相関値 /0 が最小となっていることから、チャネル選択部 105又はチ

21, 22

ャネル選択部 305は、チャネル推定値 h とチャネル推定値 h とを秘密鍵生成部 10

21 22

6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 p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、 30 1を選択することとは互いに同義である。

[0041] 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 h と

21 チャネル推定値 h 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

22

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。

[0042] 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チヤ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 C のチャネル推定値を a とチャネル C のチャネル推

21 21 22

定値 a と表記しているところ、チャネル推定値 h と a とが一致し、かつ、同時にチヤ

22 21 21

ネル推定値 h と a 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

22 22

ャネル相関値 p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 h と h 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

21 22

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、暗号ィ匕通信を盗聴することは不可能であると言える。

[0043] 図 7に、基地局と移動局とにおいて、暗号ィ匕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つのチヤ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口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 p 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。

[0044] 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カゝら秘密鍵生成部 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、第三者による暗号ィ匕通信の盗聴を防止することができる。

[0045] 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。

[0046] 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さる。

[0047] 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ぐ例えば移動局が図 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。

[0048] 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 pの最低となる 2つのチャネル推定値 hと h とを選択 x 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ぐ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 Ra tio： SNR)の高、チャネル力順に選択するようにしてもよ！、。

[0049] 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選択部 105又はチャネル選択部 30

5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。

[0050] (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。

[0051] 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プロック図である。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。

[0052] 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口ット制御信号を、既定の周期でパイロット送信制御部 121に入力する。

[0053] 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 h と h とが選択され、チャネル推定値 h と h と

22 21 22 21 力も秘密鍵が生成される。続いて、 A t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 h と h とが選択されて秘密鍵が更新される。その

21 11

後、既定の周期 A t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。

[0054] 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 A t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、暗号ィ匕通信の秘匿性を回復することができる。

[0055] 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とから並行してノィロット送信制御部 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力本発明はこの場合に限定されるものではなぐ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!/、。

[0056] (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ィ匕通信を行う。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。

[0057] 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の第一糸且と、アンテナ素子 301— 2、 301— 3の第二糸且と、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。

[0058] 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。 [0059] 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、ノィロット送信制御部 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。

[0060] アンテナ制御部 951は、図示しない制御部等力も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。

[0061] 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。

[0062] 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。

[0063] 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、ノィロット送信制御部 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。

[0064] 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、ノィ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。

[0065] 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 [0066] 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ィ匕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。

[0067] 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ィ匕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。

[0068] 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ィ匕通信の秘匿性を回復することができる。

[0069] 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ァ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。

[0070] 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。

[0071] 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ぐ例えば切替部 952、 953、 1052、 1 053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、 105 3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。

[0072] 上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。

[0073] 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。

[0074] 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。

[0075] 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。

[0076] 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ヤ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 V、て MIMOチャネルにおける!/、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カゝ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。

[0077] 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ィ匕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、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、第三者による暗号ィ匕通信の盗聴を防止することができる。

[0078] 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。

[0079] 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ヤ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。

[0080] 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。

[0081] 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、暗号ィ匕通信の秘匿性を回復することができる。

[0082] 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、前記チヤ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チヤ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。

[0083] 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 M IMOチャネルにおける!/、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。

[0084] 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。

[0085] 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チヤネルにおける、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。 [0086] 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。

[0087] 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ィ匕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、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、第三者による暗号ィ匕通信の盗聴を防止することができる。

[0088] 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、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カゝ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。

[0089] 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ィ匕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、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、第三者による暗号ィ匕通信の盗聴を防止することができる。

[0090] 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。

産業上の利用可能性

[0091] 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ィ匕通信の盗聴を防止できると、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ヤ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ヤ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力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!、て MIMOチャネルにおける!/、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ヤ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ヤ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ヤ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ヤ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カゝ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。