WO2008013160A1 - Digital mobile communication method - Google Patents

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Kyosuke Kanno
Isao Abe
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NTT Docomo Inc
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AQUACAST Corp
NTT Docomo Inc
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    • H04L2209/80—Wireless

Definitions

  • the present invention relates to a method for increasing encryption strength in a digital communication system in which an error control code is attached to information data to be transmitted and transmitted to a communication partner by wireless means.
  • the scramble pattern is generated from the secret key by an operation by a code generator. Further, according to the above-mentioned document, when the length of the scrambling pattern is shorter than the length of the plaintext data stream 1, the scrambling pattern is repeatedly applied.
  • block coders can be used, and the length of the scramble pattern is 64bit (DES, triple DES, etc.) and 128bit (AES, Camelia, etc.) compared to the plaintext data stream 1 length. Short ones are used.
  • a scramble pattern of a certain length is repeatedly used, so the following vulnerabilities are unavoidably included. If, for some reason, some bits of the scramble pattern are decoded, the bit of the plaintext stream 1 corresponding to the portion where the scramble pattern is repeatedly used is decoded. If a part of the cipher is broken in this way, the broken part of the data is repeatedly used to decrypt the other part of the cipher, so the strength of the XOR operation method encryption is a scramble pattern of a certain length. If is used repeatedly, it is not expensive.
  • bit length of the scramble pattern is the same as or longer than the bit length of the plaintext stream 1, the vulnerability remains in that the encoder is used only once.
  • the encryption strength can be increased even with XOR operation method encryption.
  • the bit length of the scramble pattern is set to be equal to or larger than the bit length of the plaintext stream 1, it requires a large amount of calculation from the processor (MPU) for calculation to generate the scramble pattern. It becomes.
  • MPU processor
  • FIG. 2 shows complete encryption for increasing the encryption strength.
  • the plaintext data stream 11 is divided into blocks, each encrypted by an encryptor, and the encryption results are sequentially connected to generate a signature data stream 12.
  • the decryption hint for the remaining sign is valid only for the data in the same block. It is invalid for block data. This is because the data of other blocks and the data of partially decrypted blocks are encrypted independently by an encryptor.
  • the complete encryption in FIG. 2 is an encryption method having a stronger encryption strength than the encryption in FIG.
  • the digital mobile communication system it is necessary to reduce the battery consumption and the load on the processor from the viewpoint of weight and portability, so use a small processor with as little power as possible.
  • the method of encrypting plaintext data streams one by one by using an encoder generates a huge amount of computation.
  • the digital mobile communication system has a difficulty in complete encryption.
  • Wireless communication in the digital mobile communication system is performed in a wireless space where the radio wave propagation environment is unstable, and bit errors are likely to occur due to fluctuations in the radio wave propagation environment.
  • Error control technology error detection, error correction
  • For information bits to be transmitted data composed of these information bits is referred to as information data in this application
  • redundant bits are generated according to a certain rule, and the code composed of the redundant bits is erroneous.
  • a method of adding information bits as control codes is known as a general error control technique.
  • Typical error control codes used in digital mobile communication systems include CRC codes, extended Hamming codes, BCH codes, Reed-Solomon codes, convolutional codes, etc.
  • An example of a communication method combining XOR operation method encryption and error control technology is IEEE 802.
  • the error control code for DATA is written as CHECK DATA is plain text such as voice data, control data, etc.
  • CHECK is generated by applying certain rules to DATA.
  • the above rule is a polynomial, etc., and if the direct of DATA is X, the CRC code described above is generated by the polynomial 1 + X "1 + X" 2 + X, and the error control code is, for example, This is the lbit parity code shown in Fig. 8.
  • Encryption is performed on the transmission side, and the encrypted data is decrypted on the reception side.
  • a certain rule is applied to DATA, CHECK is generated, and (DATA + CHECK) is encrypted in a lump to encrypt data (DATA + CHECK) ' Is generated and transmitted to the wireless space.
  • the receiving side receives encrypted data (DATA + CHECK) 'and generates decrypted data (DATA + CHECK) by decrypting (DATA + CHECK)'.
  • the receiving side further generates a CHECK "by applying a certain rule to DATA, and compares this CHECK” generated by applying a certain rule to DATA with the decrypted CHE CK. Take control.
  • the error control code CHECK is generated by applying a certain rule to the plaintext information data DATA, and the information data CHECK is added to DATA, and (DATA + CHECK) is encrypted collectively.
  • the time sequence of error control code generation and encryption starts with error control code generation, followed by encryption.
  • the data transmitted to the wireless space is certainly a ciphertext.
  • the ciphertext contains certain rules used to generate the error control code.
  • a certain rule is a causal relationship between two pieces of data: the part of the information data in the ciphertext and the error control code based on this information data. This cause-and-effect relationship provides a criterion for determining whether or not the code has been successfully decrypted when attempting to decrypt the code.
  • FIG. 4 shows a specific example of the combination of XOR operation method encryption and error control technology using the conventional method.
  • the information to be transmitted is 8-bit information (information 2) and 12-bit information (information 1).
  • 8-bit error control information (error control information 2) is added to information 2 by generation rule 2, that is, the generator polynomial (1 + X "1 + X" 2 + X "8), and 12-bit information 1
  • the error control information generation IJ1 is applied, that is, as shown in Fig. 5, an lbit parity code is applied to each information bit, resulting in a total of 12 bits of error control information (error control information 1). Is added.
  • the scramble pattern repeatedly uses 16 bits, the corresponding bits (eg El (l), E2 (l), and E3 (l)) of each of the three parts are encoded with the same scramble pattern. . Since the information to be XORed is 40 bits, the third repetition of the 16-bit scramble pattern (E3 (1) to E3 (8) Only the first 8 bits (K (1) to K (8)) of
  • bits E1 (1) to E1 (8) and E2 (1) to E2 (8) are supported, and both are encoded by the first 8 bits of the scramble pattern. It is explained below that 8 bits of information 2, error control information 2 and scramble pattern can be deciphered simply by obtaining ciphertext.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the principle of decrypting the generated encrypted data when the encrypted data is generated by the XOR operation method encryption (FIG. 1) of the plaintext data and the scramble pattern.
  • the plaintext data in Fig. 7 corresponds to each divided data in the plaintext data stream of Fig.1.
  • the bit length of the scramble pattern is the same as the bit length of plaintext data and ciphertext data.
  • Equations (2) and (3) in Fig. 7 are equations showing operations that obtain plaintext data from ciphertext data using this property of the XOR operation.
  • the number of possible values is 2 n, where n is the number of bits in the scramble pattern. If the correct scramble pattern is deciphered, the ciphertext data can be deciphered with the scramble pattern according to equation (3) in Fig. 7.
  • the first 8 bits are the data part, D2, and the subsequent 8 bits are the error control part, C2 (corresponding to CHECK in Fig. 3).
  • the 8-bit error control information generator polynomial (1+ ⁇ "1+ ⁇ " 2+ ⁇ "8) is used to calculate 8-bit error control information for 02, and the result is C2".
  • the 8-bit scramble pattern obtained by XOR operation with the information 2 and the error control information 2 can be decrypted.
  • FIG. 8 is a correspondence table between data (DATA) and error control code (CHECK) in lbit parity coding.
  • DATA data
  • CHECK error control code
  • FIG. 8 there are two possible values of 0 or 1 as DATA.
  • decoding of information 2 and error control information 2 yields an 8-bit scrambling pattern, and further, 24-bit decoded data is obtained from repetition (periodicity) characteristics. .
  • 24-bit decoded data is obtained from repetition (periodicity) characteristics.
  • a portion of undecoded data can be decoded from 24-bit data decoded using information 2 and error control information 2.
  • FIG. 5 is a diagram specifically showing the contents of the generated clam IJ1 shown in FIG.
  • information 1 consists of 12 bits D1 (1) to D1 (12).
  • FIG. 5 shows error control information 1 generated from this information 1 more specifically.
  • FIGS. 9 and 11 correspond to the data bit positions of the bits to be encrypted after interleaving shown in FIG.
  • the asterisk indicates the position of the encryption target bit corresponding to the scramble pattern determined from the decoding of the information 2 and the error control information 2 described above.
  • the part of the encryption target bits E3 (1) to E3 (8) corresponding to the third repeat position of the decrypted 8-bit scramble pattern is the newly identified bit. Specifically, it corresponds to each bit of C1 (5) to C1 (12), which is a part of error control information 1 of information 1.
  • FIG. 10 shows a correspondence relationship between information 1 and error control information 1 in which some bits are found from decoding of information 2 and error control information 2.
  • the 8 bits on the left side of the figure indicate information bits encoded by lbit parity coding, and the 8 bits on the right side indicate error control bits.
  • the bits (C1 (5) to C1 (12)) displayed in bold underline indicate the bits found based on the bits decoded in information 2 and error control information 2.
  • (D1 (5) to D1 (12)) is determined from the bits determined based on the bits read in information 2 and error control information 2 in accordance with the correspondence table of data bits and error control bits in FIG. (Deciphered).
  • a total of 8 bits (D1 (5) to D1 (12)) are newly found from the known information in the correspondence table between the data bits and the error control bits.
  • FIG. 11 shows that information 1 and error control information 1 are further determined from the correspondence between the repetition period of the 16-bit scramble pattern and the bit position.
  • the asterisk indicates the position of the encryption target bit corresponding to the scramble pattern determined from the decoding of the information 2 and error control information 2 described above.
  • an asterisk indicates 8 bits (D1 (5) to D1 (12)) that are found from the correspondence shown in FIG.
  • 8 bits (D1 (5) to D1 (12)) newly found from the correspondence shown in Fig. 10
  • another 8 bits are found from the correspondence with the repetition position of the 16-bit scramble pattern. To do.
  • the scramble pattern is the same as the scramble pattern used for the encoding target bits E1 (9) to E1 (16) from the repetition period (periodicity) of the 16-bit scramble pattern.
  • new encryption target bits E1 (9) to E1 (16) are found. Specifically, it is 8 bits (Dl (1) to D1 (4) and CI (1) to C1 (4)).
  • the error control code is encrypted together with the information, so that it is applied to the generation of the error control code.
  • Certain rules give deciphering hints and make deciphering easier
  • an object of the present invention is to provide a digital mobile communication system with improved encryption strength by improving XOR operation system encryption and error control technology.
  • the present invention generates encrypted information data by encrypting plaintext information data, which is data representing information to be transmitted to a communication partner.
  • plaintext information data which is data representing information to be transmitted to a communication partner.
  • an error control code is generated by applying a certain rule to encrypted information data, and the error control code is attached to the encrypted information data and transmitted.
  • data representing information desired to be transmitted to a communication partner includes first and second information data in plain text, and the first and second information
  • the first error control code is generated by applying the first rule to the first information data
  • the second error control code is generated by applying the second rule to the encrypted second information data generated by encrypting the second information data
  • the first error control is applied to the first information data.
  • Digital mobile communication that generates the first data by encrypting the data with the sign and transmits the second data with the second error control code to the encrypted second information data together with the first data Provide a method.
  • the encryption is exclusive OR operation encryption that generates an encrypted data stream by performing an exclusive OR operation between a plaintext data stream and an encrypted stream.
  • bit length of the ⁇ number stream is equal to or longer than the bit length of the plaintext data stream.
  • the encryption generates partitioned plaintext data by dividing a plaintext data stream into a predetermined bit length, generates partitioned encrypted data by encrypting the partitioned plaintext data with an encryptor, and It is preferable to use full encryption, which generates an encrypted stream by sequentially connecting the divided encrypted data.
  • the error control code is preferably at least one of an error correction code and an error detection code.
  • the error control code is a shift between a CRC code, a BCH code, a Reed-Solomon code, and a convolutional code.
  • FIG. 1 is a diagram showing an XOR operation method encryption method.
  • FIG. 2 is a diagram showing a complete encryption method.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between encryption and error control in the prior art.
  • FIG. 4 is a diagram showing the entire process of an encryption example using a conventional technique.
  • FIG. 5 is a diagram showing generation rule 1 of an encryption example using a conventional technique.
  • FIG. 6 is a diagram showing interleaving and data division in an encryption example using the prior art.
  • FIG. 7 is a diagram showing the decoding principle of the XOR operation method.
  • FIG. 8 is a diagram showing the principle of decoding (lbit parity coding) using error control information.
  • FIG. 9 is a diagram showing bit positions corresponding to scramble patterns determined from decoding of information 2 and error control information 2;
  • FIG. 10 is a diagram showing a correspondence relationship between information 1 and error control information 1 in which some bits are found from decoding of information 2 and error control information 2.
  • FIG. 11 is a diagram showing that information 1 and error control information 1 are further clarified from the correspondence with the bit position of the repetition period of the 16-bit scramble pattern.
  • FIG. 12 is a diagram showing the relationship between encryption and error correction in the embodiment of the present invention. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 12 is a diagram showing the relationship between encryption and error control according to an embodiment of the present invention.
  • information data is represented as DATA
  • an error control code for DATA is represented as CHECK.
  • DATA is plaintext such as voice data and control data.
  • CHECK is generated by applying certain rules to DAT A.
  • the certain rule is a polynomial or the like. Examples of polynomial expressions include the CRC code and the lbit parity code described in FIG.
  • the CRC code is generated by the polynomial 1 + X "1 + X" 2 + X "8, and the lbit parity code is generated by the correspondence table shown in FIG.
  • Encryption for encrypted communication is performed on the transmission side, and the encrypted data is decrypted on the reception side.
  • DATA is encrypted
  • data (DATA '+ CHECK) is generated by adding CHECK to encrypted data DATA'
  • the data (DATA '+ CHECK) is transferred to the wireless space.
  • the method for encrypting DATA is the XOR operation method encryption in Figure 1.
  • data (DATA '+ CHECK) is received, and decrypted data DATA is generated by decrypting decrypted data DATA'.
  • CHECK is generated by applying certain rules to DATA, and error control of DATA is performed by comparing this CHECK" with the received CHECK.
  • plaintext information data DATA is encrypted to generate encrypted data DATA ′, and a certain rule is applied to DATA ′ to generate an error control code CHECK. Then, send (DATA '+ CHECK) with CHECK added to the encrypted data DATA' to the wireless space.
  • the data to be encrypted is only the information data DATA, and (2) the error control code is generated and encrypted.
  • the encryption is first, and then the error control code is generated. In the present embodiment, only the information data is encrypted among the data transmitted to the radio space, and the error control code remains in plain text.
  • the data to be encrypted is the information data DATA and the error control code CHECK
  • the error control code CHECK is generated, and then DATA + CHECK is encoded. Therefore, the present embodiment is different from the prior art in that the data range to be encrypted and the time sequence of generation and encryption of error control codes are different.
  • the encrypted data DATA ′ transmitted to the radio space includes information on the error control code CHECK! /, !, so that the error control code CHECK is generated.
  • Certain rules used do not lurk in DATA '. This fixed rule is a causal relationship between the two data, the encrypted data DATA 'and the error control code CHECK based on this encrypted data DATA'. Since this certain rule is not hidden in the encrypted data DATA ′, even if someone tries to decipher the encrypted data DATA ′ in the communication according to this embodiment, the certain rule is not encrypted. When trying to decode the digitized data DATA ', it does not give a hint that can be used as a basis for judging whether or not it has been correctly decoded.
  • the information data DATA is encrypted and transmitted in a manner that is difficult to decrypt, and thus the communication performance is excellent.
  • the encryption target data will include a hint for decryption, and the encryption strength will be lowered.
  • the encryption target is limited to information data only, so that the most confidential data is kept secret, the data is kept secret, the need for confidentiality is low, and the data is sent in plain text. It is a thing.
  • a 12-bit parity code is generated for information 1 by applying lbit parity encoding, which is generation rule 1, and this parity code is added to information 1
  • the first data is generated by encrypting the data.
  • the information 2 is encrypted to generate the information 2 encrypted data, and the information 2 encrypted data has the generation rule 2.
  • An 8-bit CRC code is generated by applying CRC encoding
  • second data is generated by adding this CRC code to information 2 encrypted data, and the second data is combined with the first data described above. You may make it transmit to.
  • the data is encrypted after the CRC code according to the generation rule 2 is added to the above-described conventional example, that is, the information 2 as well. Compared with the method, the encryption strength can be improved.
  • encryption is exclusive OR operation method encryption that generates an encrypted data stream by exclusive OR operation of a plaintext data stream and a scramble pattern, and is a scramble pattern.
  • the bit length of the scramble pattern is made equal to or longer than the bit length of the plaintext data stream as shown in FIG.
  • the encryption strength can also be increased.
  • the plaintext data stream is generated by dividing the plaintext data stream into a predetermined bit length, and the piecewise plaintext data is generated by encrypting the piecewise plaintext data with an encryptor.
  • the encryption strength can be further improved by performing encryption by the complete encryption shown in FIG. 2 in which the encrypted data stream is generated by sequentially connecting the divided encrypted data.
  • the present invention can be implemented even when the error control code is one of an error correction code and an error detection code.
  • the present invention can be implemented even if the error control code is any one of a CRC code, a BCH code, a Reed-Solomon code, and a convolutional code.
  • the present invention is not limited to application to a specific communication system, and can be widely applied to digital mobile communication systems in general.

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  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Error Detection And Correction (AREA)
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Description

明 細 書
デジタル移動体通信方式
技術分野
[0001] 本発明は、伝送したい情報データに誤り制御符号を付し、無線手段により通信の相 手に伝送するデジタル通信方式において、暗号化強度を高める方法に関するもので ある。
背景技術
[0002] 伝送したい情報を暗号化する従来手法の 1つとして、排他的論理和（XOR)を用い た方法がある。例えば、ブルース'シュナイァー著、山形浩生監訳、「暗号技術大全」 、ソフトバンクパブリツシング、 2003年、 ρ· 15— 16には、この方法が開示されている。 この手法では、何らかの方法で生成したキーワード（スクランブルパタン）を用い、図 1 に示すように、平文データストリーム 1とスクランブルパタンの XOR演算を行うことによ り、暗号化データストリーム 2を生成する。図において、丸で囲んだ十字は XOR演算 力 Sされることを示す。
[0003] 図 1においては、スクランブルパタンは秘密鍵から喑号器による演算によって生成さ れている。また、上記の文献によれば、平文データストリーム 1の長さより、スクランプ ノレパタンの長さが短い場合は、スクランブルパタンは繰り返し適用される。暗号器とし ては、ブロック喑号器が利用でき、スクランブルパタンの長さは、 64bit (DES、トリプル DES等）や 128bit (AES、 Camelia等）など、平文データストリーム 1の長さに比べ、比較 的短いものが使用される。
[0004] 図 1の XOR演算方式暗号化では、一定の長さのスクランブルパタンが繰り返し使用 されるため、次のような脆弱性を不可避的に内包する。いま、何らかの理由でスクラン ブルパタンの一部のビットが解読されたとすると、スクランブルパタンが繰り返し使用さ れる部分の対応する平文ストリーム 1のビットが解読されてしまうことになる。このように 暗号の一部が破られると、破られた部分のデータが他の部分の暗号の解読に繰り返 し使用されるので、 XOR演算方式暗号化の強度は、一定長さのスクランブルパタンが 繰り返し使用されるならば、高いとはいえない。 [0005] スクランブルパタンのビット長が平文ストリーム 1のビット長と同じかそれより長ければ 、暗号器を一度だけしか使わない点では脆弱性は残る力 XOR演算方式暗号化でも 暗号強度は高くできる。しかし、スクランブルパタンのビット長を平文ストリーム 1のビッ ト長と同じかそれより大きい長さにするならば、スクランブルパタン生成のための演算 のためにプロセッサー (MPU)に多大な計算を要求することとなる。デジタル移動通信 方式では、端末の軽量化、携帯性重視の観点から、バッテリの消耗とプロセッサーに かける負荷を軽減させる必要があるので、出来るだけ小電力小型プロセッサーを思 量する設計が要求され、膨大な計算量を発生させる長レ、スクランブルパタンの使用 は望ましくない。
[0006] 暗号強度を高める完全暗号化を図 2に示す。平文データストリーム 11は、ブロック に分割され、それぞれ暗号器により暗号化され、それらの暗号化結果が順次連接さ れて喑号データストリーム 12が生成される。図 2の方式においては、たとえどこか一 部分において少数のビットだけ暗号が解読されたとしても、その解読による残部の喑 号に対する解読のヒントは、同じブロックのデータにのみ有効であり、他のブロックの データに関しては無効である。他のブロックのデータと、一部が解読されたブロックの データとは、独立に暗号器により暗号化されているからである。このように、図 2の完 全暗号化は、図 1の暗号化に比べて暗号強度の強い暗号化方式である。し力、しなが ら、デジタル移動体通信方式においては、軽量性 ·携帯性重視の観点から、バッテリ の消耗とプロセッサーにかける負荷を低減させる必要があるので、出来るだけ小電力 小型プロセッサーを使用する設計が要求されるが、平文データストリームを 1つ 1っ喑 号器により暗号化する方式は、膨大な計算量を発生させる。このように、デジタル移 動体通信方式では完全暗号化にも難点がある。
[0007] デジタル移動体通信方式における無線通信は電波伝搬環境の不安定な無線空間 において行われ、電波伝搬環境の変動によってビット誤りが生じ易い。誤り制御技術 (誤り検出、誤り訂正）は、ビット誤りの発生確率を低減させ、伝送品質の高い通信を 実現するための技術として、デジタル移動体通信方式に多用される。伝送したい情 報ビット (この情報ビットで構成されるデータを本願では情報データと称する）に対し、 一定の規則に従って冗長なビットを生成し、その冗長なビットで構成される符号を誤り 制御符号として情報ビットに付加する方法は一般的な誤り制御技術として知られてい る。デジタル移動体通信方式で使用される代表的な誤り制御符号として、 CRC符号、 拡大ハミング符号、 BCH符号、 Reed-Solomon符号、畳み込み符号などがあげられる
〇
[0008] XOR演算方式暗号化と誤り制御技術を組み合わせた通信方式の例が、 IEEE 802.
11規格の WEP(the Wired Equivalent Privacy algorithm)として開示されている（IEEE 8 02.11, inrormation 1 ecnnology - elecommunications and information exchange be tween systems - Local and metropolitan area network - Specific requirements, Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specific ations", 1999 Edition (R 2003)， IEEE Standards Association, 1999， p.61-65を参照） 。この規格では、平文データは、 32bitCRCによる誤り制御情報を付加された後、鍵ス トリームと呼ばれるスクランブルパタンとの XOR演算によって喑号化される。このような 従来技術を模式的に表したものを図 3に示す。図 3では、情報データを DATAと表記 し、 DATAに対する誤り制御用符号を CHECKと表記している。 DATAは、音声データ 、制御データなどの平文である。 CHECKは、 DATAに一定の規則を適用することによ り生成する。一定の規則は、多項式等であり、 DATAのィ直を Xとすると、前述の CRC符 号は、例えば多項式 1+X"1+X"2+X で生成され、誤り制御符号は、例えば、図 8に示 す lbitパリティ符号である。
[0009] 暗号化は送信側で行われ、暗号化されたデータは受信側で復号化される。図 3の 暗号化方式では、送信側において、 DATAに一定の規則を適用し、 CHECKを生成し 、（DATA+CHECK)を一括して暗号化することにより、暗号化データ (DATA+CHECK)' を生成し、無線空間へ送信する。受信側において、暗号化データ (DATA+CHECK)' を受信し、 (DATA+CHECK)'の復号化により、復号化データ (DATA+CHECK)を生成 する。受信側では、さらに DATAに一定の規則を適用して CHECK"を生成するととも に、 DATAに一定の規則を適用することにより生成したこの CHECK"と復号した CHE CKとの比較により、 DATAの誤り制御を行う。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題 [0010] このように、従来法による XOR演算方式暗号化と、誤り制御技術の組み合わせにお いては、平文の情報データ DATAに一定の規則を適用して誤り制御符号 CHECKを 生成し、情報データ DATAに CHECKを付加し、（DATA+CHECK)を一括して暗号化し ている。誤り制御用符号の生成と暗号化の時間順序は、誤り制御用符号の生成が先 であり、次に暗号化を行う。この従来の通信方式においては、無線空間に送信された データは確かに暗号文ではある力 その暗号文には、誤り制御用符号の生成に用い られた一定の規則が潜んでいる。一定の規則は、暗号文における情報データの部分 とこの情報データに基づく誤り制御用符号という、 2つのデータ間の因果関係である。 この因果関係は、暗号の解読を試みる際に、正しく解読できた力、どうかの判断の基準 を与える。
[0011] 次に、具体的な例をもとに、どのように暗号が解読されるかを詳しく説明する。図 4 は、従来法による XOR演算方式暗号化と誤り制御技術の組み合わせの例を具体的 に示したものである。伝送される情報は、 8bitの情報（情報 2)と 12bitの情報（情報 1) である。これは、制御情報とユーザ情報を併せて伝送することを想定した例である。 情報 2には、生成規則 2つまり生成多項式（1+X"1+X"2+X"8)により 8bitの誤り制御情 報 (誤り制御情報 2)が付加される。また、 12bitの情報 1には、誤り制御情報の生成規 貝 IJ1が適用される。つまり、図 5に示すように、各情報ビット毎に lbitパリティ符号を適 用し、合計 12bitの誤り制御情報 (誤り制御情報 1)が付加される。
[0012] これら合計 40bitの情報 (情報 1 +誤り制御情報 1 +情報 2 +誤り制御情報 2)力 Sイン タリーブされた後、 XOR演算によって喑号化される。図において、丸で囲んだ十字は XOR演算がされることを示す。インタリーブは誤り訂正符号の効果を向上させるため の手法で、デジタル移動体通信方式で頻繁に用いられる。インタリーブの具体例を 図 6に示す。インタリーブされた 40bitの暗号化対象ビットは、図 6の表に従って、 3つ の部分（El[16bit]、 E2[16bit]、 E3[8bit])に分割され、それぞれ、 16bitのスクランブル パタン K(1)〜K(16)と XOR演算が行われる。スクランブルパタンは 16bitを繰り返し用い るため、 3つの部分それぞれの対応するビット（例えば、 El(l)と E2(l)と E3(l))は同じス クランブルパタンで喑号化されることになる。また、 XOR演算される情報は 40bitなので 、 16bitスクランブルパタンの三回目の繰り返し (E3(1)〜E3(8》では、スクランブルパタ ンの最初の 8bit (K(1)〜K(8))だけが使用される。
[0013] ここで、図 6において、情報 2 (D2(1)〜D2(8))及び誤り制御情報 2 (C2 (1)〜C2 (8)) に注目すると、これらは、それぞれ暗号化対象ビットの E1(1)〜E1(8)と E2(1)〜E2(8)に 対応しており、両方ともスクランブルパタンの最初の 8bitによって喑号化されることが 分かる。このこと力、ら、暗号文を入手するだけで、情報 2、誤り制御情報 2及びスクラン ブルパタンのうち 8bit分が解読できることを以下で説明する。
[0014] 図 7は、平文データとスクランブルパタンとの XOR演算方式暗号化（図 1)により暗号 データを生成したときに、生成された暗号データを解読する原理を説明する図である 。図 7における平文データは、図 1の平文データストリームにおける分割された各デー タに相当する。また、図 7における暗号文データは、図 1の暗号化データストリームに おける、それぞれの暗号化データに相当する。図 7の式（1)は、図 1の XOR演算方式 暗号化が、（平文データ) XOR (スクランブルパタン） = (暗号文データ）なる演算式に より行われることを示している。図 1の例では、スクランブルパタンのビット長は、平文 データ及び暗号文データのビット長と同じである。 XOR演算においては、 2回の XOR 演算により元のデータに戻るという性質がある。この性質により、データ A及び Bに関し 、 A XOR B XOR B = A、及び A XOR A XOR B = Bなる式が成立する。図 7の式（2) 及び式（3)は、 XOR演算のこの性質を利用し、暗号文データから平文データを得る 演算を示す式である。
[0015] 平文データとスクランブルパタンとの XOR演算（図 7の式（1) )により得た暗号文デ ータが送信され、その暗号文データの傍受者が暗号文データの解読を試みたとき、 傍受者がその平文データにおけるデータの整合性を確認できるロジックをあらかじめ 知り得たときは、総当たり攻撃と通称される全数探索法 (brute-force)による暗号文デ ータの解読は容易になる。何故ならば、平文データにおけるデータの整合性を確認 できるロジックが既知であれば、 XOR演算方式で暗号化された暗号文データの全数 探索法解読において、スクランブルパタン (正しいスクランブルパタンの候補）を可能 値内で順次に変更し、図 7の式（3)による解読を試みたとき、図 7の式（3)の右辺に 得られたデータ（平文候補）にお!/、てその既知ロジックによる整合性がとれるか否か を識別し、もし図 7の式（3)の右辺に得られたデータ（平文候補）においてその既知口 ジックによる整合性がとれれば、そのときのスクランブルパタン候補は正しいスクラン ブルパタンであることが分力、るからである。その可能値の数は、スクランブルパタンの ビット数を nとすれば、 2nである。正しいスクランブルパタンが解読されれば、以降は 図 7の式（3)によりそのスクランブルパタンで暗号文データを解読できる。
[0016] 情報 2及び誤り制御情報 2の部分に対し全数探索法を実施する解読プログラムでは 次のようにデータ処理を行う。
(1) 8ビットスクランブルパタンとして二進数 00000000から二進数 11111111までの循環
(ループ)を設置する。
(2)各循環 (ループ）の処理過程にお!/、て、暗号化データにつ!/、て 8ビットスクランプ ノレパタン循環 (ループ)値との XOR演算を行った後、総ビット長が 16ビットのデータ（8 ビット + 8ビット）を得る。
(3) 16ビットのデータの内訳として、先頭から 8ビットはデータ部分であり、 D2とし、続く 8ビットは誤り制御部分であり、 C2 (図 3の CHECKに相当）とする。
(4) 8ビットの誤り制御情報生成多項式（1+乂"1+乂"2+乂"8)を使って02に関する8ビット の誤り制御情報を計算し、結果を C2"とする。
(5) C2 = C2"の場合は、正しい 8ビットスクランブルパタン（送信側で D2及び C2の喑 号化に使ったスクランブルパタン)を得たことになるので、循環から退出する。 C2 ≠ C2"の場合は、循環 (ループ）を継続する。
(6)実際には、複数のスクランブルパタンで C2=C2"となる場合があり得るため、解読 された情報の内容を適宜検証することで解読の正当性をチェックしながら以降の処 理を進め、必要に応じて、複数のスクランブルパタン候補の中から最も確からしいも のを選択する処理を行う。
[0017] 上記（1)〜（6)の手順を含む解読プログラムによって、情報 2及び誤り制御情報 2と XOR演算された 8ビットスクランブルパタンを解読することが出来る。この 8ビットスクラ ンブルパタンは 16ビットスクランブルパタンの先頭部分（第 1ビットから第 8ビットまで） に位置する。 XOR演算方式暗号化において 16ビットスクランブルパタンが繰り返し使 用されているので、スクランブルパタンには周期性がある。図 4の 40ビット暗号化デー タストリームの生成例では、 16ビットスクランブルパタンが最初から 3回の XOR演算で 使用されている（3回目の XOR演算では 8ビットだけが使用される）。そこで、 16ビットス クランブルパタンの先頭部分の 8ビットが解読されれば、その暗号化データストリーム における計 3力所の 8ビットが解読され、計 3 * 8 = 24ビットが解読されることになる。
[0018] 次に再び、図 4の情報 1に注目する。 12bitの情報 1 (Dl (1)〜D1 (12》は図 5に示す ように、各ビットに対する lbitパリティ符号化により、合計 12bitの誤り制御情報 (誤り制 御情報 1) (C1 (1)〜C1 (12》が付加される。これら 24bit(12bit+12bit)をインタリーブした 後の暗号化対象ビットの配置は、図 6の通りである。
[0019] 図 8は、 lbitパリティ符号化における、データ (DATA)と誤り制御符号 (CHECK)との 対応表である。この符号では、図 8に示すように、 DATAとして取り得る可能値の数は 0または 1の 2つである。この lbitパリティ符号化においては、（DATA+CHECK)を構成 する全 2ビットのうち 1ビットが判明すれば、未知の 1ビットは図 8の解読原理に従って 解読される。いま、未解読ビットを Xで表すこととする。 DATA + CHECK = OXであるこ とが判明すれば (Xは未知のビット）、図 8の対応表から、 0Xは唯一の値として 01が特 定される。同様に、 DATA + CHECK = XIであることが判明すれば、図 8の対応表か ら、 XIは唯一の値として 01が特定される。
[0020] 図 6を参照して説明したとおり、情報 2と誤り制御情報 2の解読で 8ビットのスクランプ ノレパタンが得られ、更に繰り返し (周期性）特性から 24ビットの解読済みデータが得ら れる。広範囲のインタリーブ (Interleave)特性と誤り制御符号の特性を利用して、情報 2と誤り制御情報 2で解読された 24ビットデータから一部分の未解読データを解読でき る。このようにして新たに解読されたデータビットが情報 2と誤り制御情報 2で解読され た 24ビットに加わると、解読済みデータビットが増え、未解読データビットが減り、解読 されたビットが残りの未解読データの解読に次々と利用されるので、この処理を繰り 返せば、全部のデータを解読することが出来る。
[0021] 図 5は、図 4に示した生成規貝 IJ1の内容を具体的に示す図である。図 4において、情 報 1は D1(1)〜D1(12)の 12ビットでなる。図 5はこの情報 1から生成される誤り制御情報 1を一層具体的に示す。
[0022] ここまで、図 4乃至図 8を参照し、従来技術による XOR演算方式暗号化と誤り制御 技術の組み合わせの例が容易に解読可能であることを説明した。続いて、図 9乃至 図 12を参照し、従来技術による XOR演算方式暗号化と誤り制御技術の組み合わせ の例が容易に解読されることを一層具体的に説明する。
[0023] 図 9及び図 11に示す表は、図 6に示したインタリーブ後の暗号化対象ビットのデー タビット位置に対応して!/、る。
[0024] 図 9において星印は、前述の情報 2及び誤り制御情報 2の解読から判明するスクラン ブルパタンに対応する暗号化対象ビットの位置を示している。同図から、情報 2及び 誤り制御情報 2の解読から判明する 8ビットのスクランブルパタンの繰り返しの位置か ら、暗号化対象ビット E1(1)〜E1(8)、 E2(1)〜E2(8)、 E3(1)〜E3(8)の位置が判明するこ とが分かる。解読された 8ビットのスクランブルパタンの 3回目の繰り返し位置に対応す る暗号化対象ビット E3(1)〜E3(8)の部分が新たに判明するビットとなる。具体的には、 情報 1の誤り制御情報 1の一部である C1(5)〜C1(12)の各ビットに相当する。
[0025] 図 10は、情報 2及び誤り制御情報 2の解読から一部のビットが判明する誤り制御情 報 1と、情報 1との対応関係を示している。本図の左側の 8ビットは lbitパリティ符号化 で符号化される情報ビットを示し、右側の 8ビットは誤り制御ビットを示す。これらのビッ トのうちで、下線太字で表示されるビット（C1(5)〜C1(12))は、情報 2及び誤り制御情 報 2で解読されたビットに基づき判明したビットを示す。 （D1(5)〜D1(12))は、図 8のデ ータビットと誤り制御ビットの対応表に照らし合わせ、情報 2及び誤り制御情報 2で解 読されたビットに基づき判明したビットから判明する (解読される）。力、くして、データビ ットと誤り制御ビットとの対応表による既知の情報から、（D1(5)〜D1(12))なる計 8ビット が新たに判明する。
[0026] 図 11は、 16ビットのスクランブルパタンの繰り返し周期とビット位置との対応関係か ら情報 1及誤り制御情報 1がさらに判明することを示している。図 11において星印は、 前述の情報 2及び誤り制御情報 2の解読から判明するスクランブルパタンに対応する 暗号化対象ビットの位置を示している。また、図 11において、アスタリスクは、図 10に 示した対応関係から判明する 8ビット (D1(5)〜D1(12))を示す。図 10に示した対応関 係から新たに判明する 8ビット (D1(5)〜D1(12))に加えて、 16ビットのスクランブルバタ ンの繰り返し位置との対応関係から、さらに 8ビットが判明する。すなわち、新たに判 明した 8ビット (D1(5)〜D1(12))である暗号化対象ビット E2(9)〜E2(16)に使用されるス クランブルパタンは、 16ビットのスクランブルパタンの繰り返し周期（周期性)から、喑 号化対象ビット E1(9)〜E1(16)に使用されるスクランブルパタンと同じものであることが 分かる。このスクランブルパタンの周期性と暗号化対象ビットのビット位置との関係を 利用して、新たに暗号化対象ビット E1(9)〜E1(16)が判明する。具体的には、（Dl (1) 〜D1 (4)及び CI (1)〜C1 (4))の 8ビットである。
[0027] 以上詳しく説明したように、従来法による XOR演算方式暗号化と誤り制御技術の組 み合わせでは、誤り制御符号を情報と共に暗号化しているので、誤り制御符号の生 成に適用される一定の規則が暗号解読のヒントを与え、暗号の解読を容易にしてい
[0028] そこで、本発明の目的は、 XOR演算方式暗号化と誤り制御技術を改良することによ り、暗号強度を高めたデジタル移動体通信方式の提供にある。
課題を解決するための手段
[0029] 本発明は、前述の課題を解決するために、通信の相手に伝送したい情報を表すデ ータである平文の情報データの暗号化を行うことにより暗号化情報データを生成し、 該暗号化情報データに一定の規則を適用することにより誤り制御符号を生成し、該 暗号化情報データに該誤り制御符号を付して送信することを特徴とするデジタル移 動体通信方式を提供する。
[0030] また、本発明は、前述の課題を解決するために、通信の相手に伝送したい情報を 表すデータが平文の第 1及び第 2の情報データを含み、該第 1及び第 2の情報デー タに関する第 1及び第 2の誤り制御符号を送信するデジタル移動体通信方式におい て、前記第 1の誤り制御符号は、第 1の情報データに第 1の規則を適用することにより 生成し、前記第 2の誤り制御符号は、第 2の情報データの暗号化により生成した暗号 化第 2情報データに第 2の規則を適用することにより生成し、第 1の情報データに第 1 の誤り制御符号を付したデータの暗号化により第 1のデータを生成し、暗号化第 2情 報データに第 2の誤り制御符号を付した第 2のデータを第 1のデータとともに送信する デジタル移動体通信方式を提供する。
[0031] 前記暗号化は、平文データストリームと暗号ストリームとの排他的論理和演算により 暗号データストリームを生成する排他的論理和演算方式暗号化であると好ましい。 [0032] 前記喑号ストリームのビット長は、前記平文データストリームのビット長と同じか又は それより長いことが好ましい。
[0033] 前記暗号化は、平文データストリームを所定のビット長に分割することにより区分平 文データを生成し、該区分平文データを暗号器により暗号化することにより区分暗号 データを生成し、該区分暗号データを順次に連接することにより暗号ストリームを生 成する完全暗号化であると好ましレ、。
[0034] 前記誤り制御符号は、誤り訂正符号又は誤り検出符号のうちの少なくとも一方であ ると好ましい。
[0035] 前記誤り制御符号は、 CRC符号、 BCH符号、 Reed— Solomon符号又は畳み込 み符号のうちレ、ずれかであると好ましレ、。
発明の効果
[0036] 本発明によれば、上述の構成により、秘話性能に優れたデジタル移動体通信方式 を提供できる。
図面の簡単な説明
[0037] [図 l]XOR演算方式暗号化の方法を示す図である。
[図 2]完全暗号化の方法を示す図である。
[図 3]従来技術における暗号化と誤り制御の関係を示す図である。
[図 4]従来技術を用いた暗号化例のプロセス全体を示す図である。
[図 5]従来技術を用いた暗号化例の生成規則 1を示す図である。
[図 6]従来技術を用いた暗号化例のインタリーブとデータの分割を示す図である。
[図 7]XOR演算方式の解読原理を示す図である。
[図 8]誤り制御情報を用いた解読の原理 (lbitパリティ符号化）を示す図である。
[図 9]情報 2及び誤り制御情報 2の解読から判明するスクランブルパタンに対応するビ ット位置を示す図である。
[図 10]情報 2及び誤り制御情報 2の解読から一部のビットが判明する誤り制御情報 1 と、情報 1との対応関係を示す図である。
[図 11]16ビットのスクランブルパタンの繰り返し周期のビット位置との対応関係から情 報 1及誤り制御情報 1がさらに判明することを示す図である。 [図 12]本発明の実施の形態における暗号化と誤り訂正の関係を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
[0038] 次に図面を参照し、本発明の実施の形態を説明する。図 12は、本発明の一実施の 形態の暗号化と誤り制御の関係を示す図である。本図に示すように、本実施の形態 では、情報データを DATAと表記し、 DATAに対する誤り制御用符号を CHECKと表 記している。 DATAは、音声データ、制御データなどの平文である。 CHECKは、 DAT Aに一定の規則を適用することにより生成する。一定の規則は、多項式等である。多 項式の例としては、 CRC符号や、図 5で説明した lbitパリティ符号などが挙げられる。
CRC符号は例えば多項式 1+X"1+X"2+X"8で生成され、 lbitパリティ符号は図 8に示す 対応表によって生成される。
[0039] 暗号化通信のための暗号化は送信側で行われ、暗号化されたデータは受信側で 復号化される。図 12の暗号化方式では、送信側において、 DATAを暗号化し、喑号 化データ DATA'に CHECKを付加したデータ（DATA' + CHECK)を生成し、データ（ DATA' + CHECK)を無線空間へ送信する。 DATAを暗号化する方式は、図 1の XOR 演算方式暗号化である。受信側において、データ（DATA' + CHECK)を受信し、喑 号化データ DATA'の復号化により復号化データ DATAを生成する。受信側では、更 に DATAに一定の規則を適用して CHECK"を生成するとともに、この CHECK"と受信 した CHECKとの比較により、 DATAの誤り制御を行う。
[0040] このように、本実施の形態では、まず平文の情報データ DATAを暗号化し、暗号化 データ DATA'を生成し、 DATA'に一定の規則を適用して誤り制御用符号 CHECKを 生成し、暗号化データ DATA'に CHECKを付加した（DATA' + CHECK)を無線空間 に送信してレ、る。この暗号化データの生成と誤り制御用符号の生成とを行うデータ処 理においては、（1)暗号化対象のデータが情報データ DATAだけであり、（2)誤り制 御用符号の生成と暗号化の時間順序は、暗号化が先であり、次に誤り制御用符号の 生成を行う。本実施の形態においては、無線空間に送信されるデータのうちで暗号 化されているのは情報データだけであり、誤り制御用符号は平文のままである。他方 、図 3を参照して説明した、従来技術では、（A)暗号化対象のデータが情報データ D ATA及び誤り制御用符号 CHECKであり、 (B)誤り制御用符号 CHECKの生成と喑号 化の時間順序は、まず誤り制御用符号 CHECKを生成し、次に DATA+CHECKの喑 号化を行う。したがって、本実施の形態は、暗号化対象のデータ範囲並びに誤り制 御用符号の生成と暗号化との時間順序にぉレ、て、従来技術と相違して!/、る。
[0041] 本実施形態において、無線空間に送信される暗号化データ DATA'には、誤り制御 用符号 CHECKの情報が含まれて!/、な!/、ので、誤り制御用符号 CHECKの生成に用 いられた一定の規則は DATA'には潜んでいない。この一定の規則は、暗号化デー タ DATA'とこの暗号化データ DATA'に基づく誤り制御用符号 CHECKという、 2つの データ間の因果関係である。この一定の規則が暗号化データ DATA'には潜んでい ないので、何者かが本実施の形態による通信における、暗号化データ DATA'の解 読を試みたとしても、この一定の規則は、暗号化データ DATA'の解読を試みた際に 、正しく解読できた力、どうかの判断の基準となるヒントを与えない。そこで、本実施の 形態は、解読されがたい方式で情報データ DATAを暗号化して送信するので、通信 の秘話性能に優れている。
[0042] 暗号化対象とするデータ範囲を誤り制御用符号にまで拡げると、暗号化対象デー タに暗号解読のヒントが含まれることになり、暗号強度がかえって低下するので、本発 明の実施の形態では、暗号化対象を情報データだけに限定することにより、もっとも 秘密を保持したレ、データは秘匿し、秘密保持の必要性の低レ、データは平文のまま送 信するという手段を採用したものである。
[0043] なお、以上には実施の形態を挙げ、本発明を説明したが、本発明はこの実施の形 態に限られるものではない。
[0044] 例えば図 4に示した従来例において、情報 1には、生成規則 1である lbitパリティ符 号化を適用して 12ビットのパリティ符号を生成し、情報 1にこのパリティ符号を付加した データを暗号化することにより第 1のデータを生成し、他方、情報 2には、先に暗号化 を行って情報 2暗号化データを生成し、この情報 2暗号化データに生成規則 2である CRC符号化を適用して 8ビットの CRC符号を生成し、情報 2暗号化データにこの CRC 符号を付加した第 2のデータを生成し、この第 2のデータを上述の第 1のデータととも に送信するようにしてもよい。このようにした場合であっても、前述の従来例、すなわ ち情報 2についても生成規則 2による CRC符号を付加した後にデータを暗号化する 方式に比べれば、暗号強度を向上できる。
[0045] また、上述の実施の形態では、暗号化は、平文データストリームとスクランブルバタ ンとの排他的論理和演算により暗号データストリームを生成する排他的論理和演算 方式暗号化であり、スクランブルパタンのビット長は、図 1のように平文データストリー ムのビット長より短いとした力 本発明では、スクランブルパタンのビット長を平文デー タストリームのビット長と同じか又はそれより長くすることにより、暗号強度を上げること も出来る。
[0046] また、本発明では、平文データストリームを所定のビット長に分割することにより区分 平文データを生成し、該区分平文データを暗号器により暗号化することにより区分喑 号データを生成し、該区分暗号データを順次に連接することにより暗号化データスト リームを生成するという図 2の完全暗号化により暗号化を行えば、暗号強度を一層向 上できる。
[0047] また、本発明は、誤り制御符号が誤り訂正符号又は誤り検出符号のうちの一方であ つても実施できる。
[0048] また、誤り制御符号が CRC符号、 BCH符号、 Reed— Solomon符号又は畳み込み 符号のうちのいずれかであっても、本発明は実施できる。
[0049] また、本発明は、特定の通信方式への適用に限られず、デジタル移動体通信方式 一般に広く適用可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 通信の相手に伝送した!/、情報を表すデータである平文の情報データの暗号化を 行うことにより暗号化情報データを生成し、該暗号化情報データに一定の規則を適 用することにより誤り制御符号を生成し、該暗号化情報データに該誤り制御符号を付 して送信することを特徴とするデジタル移動体通信方式。
[2] 通信の相手に伝送したい情報を表すデータが平文の第 1及び第 2の情報データを 含み、該第 1及び第 2の情報データに関する第 1及び第 2の誤り制御符号を送信する デジタル移動体通信方式にお!/、て、
前記第 1の誤り制御符号は、第 1の情報データに第 1の規則を適用することにより生 成し、
前記第 2の誤り制御符号は、第 2の情報データの暗号化により生成した暗号化第 2 情報データに第 2の規則を適用することにより生成し、
第 1の情報データに第 1の誤り制御符号を付したデータの暗号化により第 1のデー タを生成し、暗号化第 2情報データに第 2の誤り制御符号を付した第 2のデータを第 1 のデータとともに送信するデジタル移動体通信方式。
[3] 前記暗号化は、平文データストリームと暗号ストリームとの排他的論理和演算により 暗号データストリームを生成する排他的論理和演算方式暗号化であることを特徴とす る請求項 1又は 2に記載のデジタル移動体通信方式。
[4] 前記暗号ストリームのビット長は、前記平文データストリームのビット長と同じか又は それより長いことを特徴とする請求項 3に記載のデジタル移動体通信方式。
[5] 前記暗号化は、平文データストリームを所定のビット長に分割することにより区分平 文データを生成し、該区分平文データを暗号器により暗号化することにより区分暗号 データを生成し、該区分暗号データを順次に連接することにより暗号ストリームを生 成する完全暗号化であることを特徴とする請求項 1又は 2に記載のデジタル移動体 isi¾万式。
[6] 前記誤り制御符号は、誤り訂正符号又は誤り検出符号のうちの少なくとも一方であ ることを特徴とする請求項 1乃至 5のいずれか 1項に記載のデジタル移動体通信方式 [7] 前記誤り制御符号は、 CRC符号、 BCH符号、 Reed— Solomon符号又は畳み込 み符号のうちいずれかであることを特徴とする請求項 1乃至 6のいずれか 1項に記載 のデジタル移動体通信方式。
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