WO2020017278A1 - 無線通信システム、通信方法、送信機及び受信機 - Google Patents

無線通信システム、通信方法、送信機及び受信機 Download PDF

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WO2020017278A1
WO2020017278A1 PCT/JP2019/025906 JP2019025906W WO2020017278A1 WO 2020017278 A1 WO2020017278 A1 WO 2020017278A1 JP 2019025906 W JP2019025906 W JP 2019025906W WO 2020017278 A1 WO2020017278 A1 WO 2020017278A1
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radio wave
unit
radio
transmitter
radio resource
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PCT/JP2019/025906
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秀哉 宗
陽平 片山
健人 吉澤
藤田　隆史
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日本電信電話株式会社
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    • H04W72/20—Control channels or signalling for resource management
    • H04W72/23—Control channels or signalling for resource management in the downlink direction of a wireless link, i.e. towards a terminal

Definitions

  • the present invention relates to a wireless communication system, a communication method, a transmitter and a receiver.
  • a transmitter may access a network by wireless communication using radio waves. Since the range in which radio waves reach is the communication range, it is difficult to limit the communication range of the transmitter.
  • An interceptor which is a third-party communication terminal, can receive radio waves transmitted from the transmitter within the communication range of the transmitter.
  • the transmitter may encrypt the communication content using a secret key or the like.
  • the transmitter and the receiver of the wireless communication system are a secret key or a public key (hereinafter, referred to as “encryption key”) used for encryption. ) Must be shared before the communication content is encrypted and decrypted.
  • Non-Patent Document 1 a transmitter and a receiver generate a shared encryption key based on radio wave propagation characteristics (characteristics of a wireless multipath channel). Thereby, the transmitter and the receiver can share the encryption key before the communication contents are encrypted and decrypted (see Non-Patent Document 1).
  • the radio wave propagation characteristics change due to fading and noise. For this reason, the transmitter and the receiver may not be able to correctly measure the changing radio wave propagation characteristics. If the radio wave propagation characteristics cannot be measured correctly, the wireless communication system cannot correctly generate an encryption key shared by the transmitter and the receiver, and thus cannot perform highly confidential communication. As described above, the conventional wireless communication system may not be able to execute highly confidential communication when the radio wave propagation characteristics change.
  • an object of the present invention is to provide a wireless communication system, a communication method, a transmitter, and a receiver that can execute highly confidential communication even when radio wave propagation characteristics change. I have.
  • One aspect of the present invention is a wireless communication system including a transmitter and a receiver, wherein the transmitter measures a radio wave environment between the transmitter and the receiver for each wireless resource. And, a transmission control unit that determines the radio resources and parameters used for transmission of the bit sequence based on the measurement result of the radio wave environment, and an encoding unit that performs distributed encoding of the bit sequence based on the parameter. A transmitting unit that transmits the information indicating the determined radio resource and the bit sequence that is dispersion-encoded using the determined radio resource, wherein the receiver transmits the radio wave environment to the radio wave.
  • a second measurement unit for measuring each resource a reception control unit for estimating the parameter based on the measurement result of the radio wave environment, information indicating the determined radio resource, and distributed coding
  • said bit sequence which includes a receiving unit that receives using the determined the radio resource, and a decoding unit for decoding based on the received the bit sequence to said parameter, a wireless communication system.
  • One embodiment of the present invention is the wireless communication system described above, wherein the first measuring unit calculates a radio wave usage rate that is a time ratio between a period in which a received power equal to or greater than a threshold is detected and a measurement period.
  • the transmission control unit determines a quality value of wireless communication for each wireless resource based on the radio wave usage rate, and determines the parameter based on the quality value for each wireless resource. .
  • One aspect of the present invention is a communication method executed by a wireless communication system including a transmitter and a receiver, wherein the transmitter measures a radio wave environment between the transmitter and the receiver for each wireless resource. Then, the radio resources and parameters used for transmitting the bit sequence are determined based on the measurement result of the radio wave environment, and the bit sequence is distributed-coded based on the parameters, and represents the determined radio resource. Transmitting the information and the dispersion-encoded bit sequence using the determined radio resource, the receiver measures the radio environment for each radio resource, and measures the parameter for the radio environment. Estimating based on the result, receiving the information representing the determined radio resource and the distributed encoded bit sequence using the determined radio resource Decoding based on the received the bit sequence on the parameter, a communication method.
  • One aspect of the present invention is the communication method as described above, wherein the transmitter determines a radio wave usage rate, which is a time ratio between a period in which a received power equal to or higher than a threshold is detected and a measurement period, as a measurement result of the radio environment. And determines a quality value of wireless communication for each of the wireless resources based on the radio wave usage rate, and determines the parameter based on the quality value for each of the wireless resources.
  • a radio wave usage rate which is a time ratio between a period in which a received power equal to or higher than a threshold is detected and a measurement period, as a measurement result of the radio environment.
  • One aspect of the present invention is a first measurement unit that measures a radio wave environment between the own transmitter and a receiver for each radio resource, and the radio resource and a parameter used for transmitting a bit sequence, A transmission control unit that is determined based on the measurement result, an encoding unit that performs distributed encoding of the bit sequence based on the parameter, and the information that indicates the determined radio resource and the distributed encoded bit sequence. And a transmission unit that transmits using the determined radio resource.
  • the first measurement unit determines a radio wave usage rate, which is a time ratio between a period in which reception power equal to or greater than a threshold is detected and a measurement period, to the radio environment.
  • the transmission control unit determines a quality value of wireless communication for each wireless resource based on the radio wave usage rate, and determines the parameter based on the quality value for each wireless resource.
  • One aspect of the present invention is a measurement unit that measures a radio wave environment between a transmitter and its own receiver for each radio resource, a reception control unit that estimates parameters based on the measurement result of the radio wave environment, and is determined.
  • a reception unit that receives the information indicating the radio resource and the distributed encoded bit sequence using the determined radio resource, and a decoding unit that decodes the received bit sequence based on the parameter. It is a receiver provided.
  • One embodiment of the present invention is the above-described receiver, wherein the measurement unit determines a radio wave usage rate that is a time ratio between a period in which a reception power equal to or greater than a threshold is detected and a measurement period, and the measurement result of the radio environment.
  • the reception control unit determines a quality value of wireless communication for each wireless resource based on the radio wave usage rate, and estimates the parameter based on the quality value for each wireless resource.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a configuration of a wireless communication system.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a configuration of a transmitter. It is a figure showing an example of a measurement period and a transmission period. It is a figure showing an example of a measurement result table. It is a figure showing an example of a relation between a radio wave use rate and a quality value. It is a figure showing an example of composition of a receiver.
  • 5 is a flowchart illustrating an example of an operation of a transmitter.
  • 6 is a flowchart illustrating an example of an operation of the receiver.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of the wireless communication system 1.
  • the wireless communication system 1 is a system that performs wireless communication using radio waves.
  • the wireless communication system 1 includes one or more transmitters 2 and one or more receivers 3.
  • the transmitter 2 and the receiver 3 execute communication by secret sharing processing (secret sharing method).
  • secret sharing processing secret sharing method
  • the transmitter 2 and the receiver 3 may execute multi-RAT communication (multi Radio Access Technology communication) as communication using a plurality of radio access schemes.
  • the transmitter 2 includes the antennas 20-1 to 20-N (N is an integer of 2 or more) and the antenna 21.
  • the receiver 3 includes antennas 30-1 to 30-N and an antenna 31. In the following, N is 3 as an example.
  • the transmitter 2 is a communication terminal on the transmission side.
  • the transmitter 2 performs distributed coding on the original information (input bit sequence) by secret sharing processing using an encoding matrix that performs distributed coding (concealment) of information.
  • a radio frame including information based on the original information that has been subjected to the dispersion encoding is referred to as a “distributed encoded frame”.
  • the transmitter 2 includes a distributed coded frame including information A based on original information, a distributed coded frame including information B based on original information, and a distributed coded frame including information C based on original information. Is transmitted to the receiver 3.
  • the antenna 20-1 transmits the distributed coded frame including the information A to the receiver 3 using the channel f1.
  • the antenna 20-2 transmits the distributed coded frame including the information B to the receiver 3 using the channel f2.
  • the antenna 20-3 transmits the distributed coded frame including the information C to the receiver 3 using the channel f3.
  • the antenna 21 receives a radio wave of a channel usable by the transmitter 2 and the receiver 3 in a radio wave environment between the transmitter 2 and the receiver 3.
  • the receiver 3 is a communication terminal on the receiving side.
  • the receiver 3 decodes the dispersion-encoded original information by a decoding process using a decoding matrix for decoding the dispersion-encoded original information.
  • the transmitter 2 includes a distributed coded frame including information A based on original information, a distributed coded frame including information B based on original information, and a distributed coded frame including information C based on original information. From the transmitter 2.
  • the antenna 30-1 receives the distributed coded frame including the information A from the transmitter 2 using the channel f1.
  • the antenna 30-2 receives the distributed coded frame including the information B from the transmitter 2 using the channel f2.
  • the antenna 30-3 receives the distributed coded frame including the information C from the transmitter 2 using the channel f3.
  • the antenna 31 receives a radio wave of a channel that can be used by the transmitter 2 and the receiver 3 in a radio wave environment between the transmitter 2 and the receiver 3.
  • the interceptor 4 is a third party communication terminal.
  • the interceptor 4 includes an antenna 40.
  • the antenna 40 receives a radio wave of a channel usable by the transmitter 2 and the receiver 3 in a radio wave environment between the transmitter 2 and the receiver 3.
  • the variance-encoded original information can be decoded based on two or more of the information A, B, and C.
  • the interceptor 4 cannot decode the distributed coded original information based only on the information A. Thereby, the transmitter 2 can keep the original information confidential.
  • the interceptor 4 determines that the encoding matrix used for the distributed encoding in the transmitter 2 is Otherwise, the original information cannot be decoded.
  • the transmitter 2 determines an encoding matrix based on the information of the measured radio wave environment (such as radio wave usage). Since the radio wave environment between the transmitter 2 and the receiver 3 cannot be measured by the interceptor 4, the encoding matrix used for the distributed coding in the transmitter 2 is not known to the interceptor 4. Thereby, the transmitter 2 can keep the original information confidential.
  • the interceptor 4 can measure the radio wave environment between the transmitter 2 and the receiver 3, the encoding matrix used for the distributed coding in the transmitter 2 is known to the interceptor 4. Even in this case, the interceptor 4 cannot acquire an equation for converting information representing the radio wave environment into an encoding matrix (hereinafter, referred to as “conversion equation”). If the conversion formula cannot be obtained, the interceptor 4 cannot convert the information indicating the radio wave environment into the encoding matrix, and thus the interceptor 4 cannot decode the original information. Thereby, the transmitter 2 can keep the original information confidential.
  • conversion equation for converting information representing the radio wave environment into an encoding matrix
  • the wireless communication system 1 includes a plurality of transmitters 2 and receivers 3, the number of combinations of the transmitters 2 and the receivers 3 increases, so that it is more difficult for the interceptor 4 to decode the original information. .
  • the number of channel candidates used for communication is large, the number of channel combinations increases, so that it is more difficult for the interceptor 4 to decode the original information.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the configuration of the transmitter 2.
  • the transmitter 2 includes antennas 20-1 to 20-N, an antenna 21, a first measurement unit 22, a transmission control unit 23, an encoding unit 24, and transmission units 25-1 to 25-N. .
  • the functional units of the first measurement unit 22, the transmission control unit 23, the encoding unit 24, and the transmission unit 25 are realized using hardware such as an LSI (Large Scale Integration) or an ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Is done.
  • Each functional unit may be realized by a processor such as a CPU (Central Processing Unit) executing a program stored in a storage unit of the transmitter 2.
  • CPU Central Processing Unit
  • the storage unit of the transmitter 2 is a non-volatile recording medium (non-temporary recording medium) such as a flash memory and an HDD (Hard Disk Drive).
  • the storage unit of the transmitter 2 may include, for example, a volatile recording medium such as a RAM (Random Access Memory) or a register.
  • the storage unit of the transmitter 2 stores a program and a data table.
  • the first measurement unit 22 measures the radio wave environment between the transmitter 2 and the receiver 3 based on the radio wave received by the antenna 21. That is, the first measuring unit 22 measures the radio wave environment of the channel that can be used by the transmitter 2 and the receiver 3 based on the radio wave received by the antenna 21. For example, the first measurement unit 22 measures, as the radio wave environment, a time ratio (radio wave use rate) between a period in which the reception power equal to or more than the threshold is detected in the measurement period and the measurement period. Therefore, the measurement result of the radio wave environment is a result obtained by dividing the period in which the received power equal to or higher than the threshold is detected in the measurement period by the measurement period. The first measurement unit 22 outputs the measurement result of the radio wave environment to the transmission control unit 23.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the measurement period and the transmission period.
  • the horizontal axis indicates time.
  • the measurement period T o is a measurement period of the radio wave environment.
  • the transmission period Td is a period during which the transmitter 2 transmits the distributed coded frame. The transmitter 2 and the receiver 3 alternately repeat the measurement period and the transmission period as time elapses.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the measurement result table.
  • the items in the measurement result table include a measurement channel, a measurement result (radio wave use rate) of a radio wave environment, and a quality value of wireless communication.
  • the measurement channel represents a channel in which the radio wave environment is measured. If the period during which the received power is equal to or higher than the threshold in the measurement period is long (the radio wave usage rate is high), the period during which the received power is equal to or higher than the threshold during the transmission period is also long. The period during which the received power is equal to or higher than the threshold in the transmission period is a period during which the received power cannot be used for transmitting the distributed coded frame.
  • the quality value of wireless communication is low in a measurement channel in which the period during which the reception power equal to or higher than the threshold is detected in the measurement period is long.
  • the measurement channel “1ch”, the measurement result “80%” of the radio wave environment, and the quality value “1” are associated with each other.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the relationship between the radio wave usage rate and the quality value.
  • the transmission control unit 23 acquires in advance a data table template representing the relationship between the radio wave usage rate and the quality value.
  • the transmission control unit 23 determines the quality value of wireless communication for each measurement channel based on the measurement result (radio wave usage rate) of the radio wave environment.
  • the transmission control unit 23 records the quality value of the wireless communication in the measurement result table of the transmitter 2.
  • the transmission control unit 23 selects a plurality of channels (radio resources) used for transmitting each of the distributed coded frames. For example, the transmission control unit 23 selects a plurality of channels based on a quality value of wireless communication and a predetermined condition. The transmission control unit 23 selects a plurality of transmission units 25 based on the selected channel (radio resource). The transmission control unit 23 notifies the selected transmission unit 25 of the selection result of the transmission unit 25 (information indicating the radio resource). Thereby, the selected transmitting unit 25 can acquire the information that has been subjected to the dispersion encoding from the encoding unit 24.
  • channels radio resources
  • the transmission control unit 23 generates an encoding matrix used for distributed encoding of the original information for each measurement period.
  • the method by which the transmission control unit 23 generates the encoding matrix is not limited to a specific method.
  • Each column in the encoding matrix corresponds to each channel.
  • Each column contains ones for the number of quality values.
  • Each row in the encoding matrix contains only one 1.
  • the transmission control unit 23 generates the encoding matrix A that combines the measurement channel and the quality value in the measurement result table shown in FIG. 4 as (1ch-1, 2ch-7, 3ch-9).
  • the relationship between the bit sequence of the output of each channel, the bit sequence of the input of each channel, and the encoding matrix A is expressed as Expression (1).
  • (c 1 , c 2 , c 3 ) on the left side represents a bit sequence of the output of each channel (1 ch, 2 ch, 3 ch).
  • (S 1 ,..., S 17 ) on the right side represent an input bit sequence of each channel.
  • the rightmost matrix on the right side represents the encoding matrix A.
  • the transmission control unit 23 generates the encoding matrix B that combines the measurement channel and the quality value in the measurement result table shown in FIG. 4 as (1ch-1, 3ch-9, 5ch-3).
  • the relationship between the bit sequence of the output of each channel, the bit sequence of the input of each channel, and the encoding matrix B is expressed as Expression (2).
  • (c 1 , c 3 , c 5 ) on the left side represents a bit sequence of the output of each channel (1 ch, 3 ch, 5 ch).
  • (S 1 ,..., S 13 ) on the right side represent a bit sequence of the input of each channel.
  • the rightmost matrix on the right side represents the encoding matrix B.
  • the transmission control unit 23 selects an encoding matrix used for distributed encoding of original information for each measurement period based on the measurement result of the radio wave environment. For example, when performing communication using channels 1ch, 2ch, and 3ch, the transmission control unit 23 selects the encoding matrix A. For example, when performing communication using channels 1ch, 3ch, and 5ch, the transmission control unit 23 selects the encoding matrix B. The transmission control unit 23 transmits information representing the selected encoding matrix to the encoding unit 24.
  • the encoding unit 24 acquires a bit sequence representing the original information.
  • the encoding unit 24 performs distributed sharing of the original information (input bit sequence) by secret sharing processing using the encoding matrix specified by the transmission control unit 23.
  • the encoding unit 24 calculates a result of dividing the input bit sequence into the same number of elements as the number of rows (17 rows) of the encoding matrix A (s 1 ,..., S 17 ) and the selected encoding matrix A The product is calculated as in equation (1).
  • the encoding unit 24 calculates a result (s 1 ,..., S 13 ) obtained by dividing the input bit sequence into the same number of elements as the number of rows (13 rows) of the encoding matrix B, and the selected encoding matrix B
  • the product may be calculated as in equation (2).
  • the encoding unit 24 generates a bit sequence to be output to the selected transmitting unit 25 for each transmitting unit 25.
  • the encoding unit 24 outputs the information A of the original information that has been subjected to the dispersion encoding to the transmission unit 25-1.
  • the encoding unit 24 outputs the information B of the original information that has been subjected to the dispersion encoding to the transmitting unit 25-2.
  • the encoding unit 24 outputs the information C of the original information subjected to the dispersion encoding to the transmission unit 25-N.
  • the transmission unit 25 is selected by the transmission control unit 23. Each transmission unit 25 acquires from the transmission control unit 23 information indicating a channel (wireless resource) used for wireless communication. The selected transmitting unit 25 transmits a radio frame including information indicating a channel used for radio communication to the receiver 3. The selected transmitting unit 25 performs a transmission process of the distributed coded frame.
  • the transmission unit 25-n (n is any one of 1 to N) includes an antenna 20-n, a modulation unit 250-n, and a radio transmission unit 251-n.
  • Modulating section 250-1 modulates information A of the original information that has been dispersion-coded.
  • Modulating section 250-1 up-converts the frequency of modulated information A of the original information.
  • the wireless transmission unit 251-1 allocates the information A of the original information on which the up-conversion has been performed by the modulation unit 250 to the channel (wireless resource) selected by the transmission control unit 23.
  • Radio transmitting section 251-1 transmits a distributed coded frame including information A from antenna 20-1.
  • the transmission unit 25-2 operates in the same manner as the transmission unit 25-1 with respect to the information B of the original information that has been subjected to the dispersion encoding.
  • the transmission unit 25-N operates in the same manner as the transmission unit 25-1 with respect to the information C of the original information that has been subjected to the dispersion encoding.
  • each transmitting unit 25 may transmit the distributed coded frame based on a different wireless system.
  • the transmission unit 25-1 may transmit the distributed coded frame based on the IEEE 802.11ac standard.
  • the transmission unit 25-2 may transmit the distributed coded frame based on the LTE (Long Term Evolution) standard.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the configuration of the receiver 3.
  • the receiver 3 includes antennas 30-1 to 30-N, an antenna 31, a second measurement unit 32, a reception control unit 33, reception units 34-1 to 34-N, and a decoding unit 35. Note that the number of the receiving units 34 included in the receiver 3 may be different from the number of the transmitting units 25 included in the transmitter 2.
  • the functional units of the second measurement unit 32, the reception control unit 33, the reception unit 34, and the decoding unit 35 are realized by using hardware such as an LSI and an ASIC.
  • Each functional unit may be realized by a processor such as a CPU executing a program stored in a storage unit of the receiver 3.
  • the storage unit of the receiver 3 is a non-volatile recording medium (non-temporary recording medium) such as a flash memory or an HDD.
  • the storage unit of the receiver 3 may include, for example, a volatile recording medium such as a RAM or a register.
  • the storage unit of the receiver 3 stores a program and a data table.
  • the second measuring unit 32 measures the radio wave environment between the transmitter 2 and the receiver 3 based on the radio wave received by the antenna 31. That is, the second measuring unit 32 measures the radio wave environment of the channel that can be used by the transmitter 2 and the receiver 3 based on the radio wave received by the antenna 31. For example, the second measurement unit 32 measures, as the radio wave environment, a time during which the reception power equal to or greater than the threshold is detected in the measurement period. The second measurement unit 32 outputs a measurement result of the radio wave environment (a radio wave usage rate or the like) to the reception control unit 33.
  • the second measuring unit 32 and the first measuring unit 22 of the transmitter 2 share in advance time information indicating a measurement period and a transmission period. That is, the time information used by the second measuring unit 32 and the time information used by the first measuring unit 22 are synchronized. Accordingly, during the period when the first measuring unit 22 is measuring the radio wave environment, the second measuring unit 32 can similarly measure the radio wave environment measured by the first measuring unit 22.
  • the second measuring unit 32 receives a wireless frame including information indicating a channel used for wireless communication from the transmitter 2.
  • the second measurement unit 32 outputs information indicating a channel used for wireless communication to the reception control unit 33.
  • the reception control unit 33 acquires in advance a data table template representing the relationship between the radio wave usage rate and the quality value.
  • the reception control unit 33 determines a radio communication quality value for each measurement channel based on the measurement result (radio wave usage rate) of the radio wave environment.
  • the reception control unit 33 records the quality value of the wireless communication in the measurement result table of the receiver 3.
  • the reception control unit 33 performs the distributed code generation by the encoding unit 24 based on the information indicating the radio wave environment measured by the second measurement unit 32 and the information indicating the channel (wireless resource) used by the reception unit 34.
  • the encoding matrix (encoding parameter) used for the conversion is estimated.
  • the reception control unit 33 estimates an encoding matrix used for distributed coding in the transmitter 2 for each measurement period.
  • the reception control unit 33 uses the estimation result of the encoding matrix as a decoding matrix (dencode parameter) used for the decoding process by the decoding unit 35.
  • the receiver 34-n includes an antenna 30-n, a radio receiver 340-n, and a demodulator 341-n.
  • Radio receiving section 340-1 receives a dispersion-coded frame including information A from antenna 30-1.
  • Radio receiving section 340-1 downconverts the frequency of modulated information A of the original information.
  • the demodulation unit 341-1 demodulates the information A whose frequency is down-converted.
  • the receiving unit 34-2 operates in the same manner as the receiving unit 34-1 with respect to the information B of the original information that has been subjected to the dispersion encoding.
  • the receiving unit -N operates in the same manner as the receiving unit 34-1 with respect to the information C of the original information that has been subjected to the dispersion encoding.
  • the decoding unit 35 acquires information representing the estimated decoding matrix from the reception control unit 33.
  • the decoding unit 35 acquires the demodulated information A from the demodulation unit 341-1.
  • the decoding unit 35 may acquire the demodulated information B from the demodulation unit 341-2.
  • the decoding unit 35 may acquire the demodulated information C from the demodulation unit 341-3.
  • the decoding unit 35 decodes the original information by using two or more pieces of information A, B, and C and the estimated decoding matrix. For example, the decoding unit 35 calculates the bit sequence input to the transmitter 2 by performing the inverse operation of Expression (1) using the decoding matrix that is the estimation result of the encoding matrix A. The decoding unit 35 may calculate the bit sequence input to the transmitter 2 by performing the inverse operation of Expression (2) using the decoding matrix that is the estimation result of the encoding matrix B. The decoding unit 35 outputs the bit sequence calculated in this way to a predetermined external device as an output bit sequence.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating an example of the operation of the transmitter 2.
  • the first measuring unit 22 measures a radio wave environment between the transmitter 2 and the receiver 3 (Step S101).
  • the transmission control unit 23 determines a plurality of channels (radio resources) used for transmitting each of the distributed coded frames.
  • the selected transmitting unit 25 transmits a radio frame including information indicating a channel (radio resource) to be used to the receiver 3 (Step S102).
  • the transmission control unit 23 selects an encoding matrix used for distributed coding of the original information for each measurement period based on the measurement result of the radio wave environment. That is, the transmission control unit 23 determines a parameter for each measurement period based on the measurement result of the radio wave environment (step S103).
  • the encoding unit 24 performs distributed encoding of the original information (the input bit sequence) by secret sharing processing using the encoding matrix specified by the transmission control unit 23 (step S104).
  • the transmission unit 25 acquires information indicating a channel (wireless resource) used for wireless communication from the transmission control unit 23 (Step S105).
  • the modulation unit 250 modulates the information of the original information that has been subjected to the dispersion encoding (step S106).
  • the wireless transmission unit 251 transmits a dispersion-coded frame including the modulated information from the antenna 20 (Step S107).
  • FIG. 8 is a flowchart showing an example of the operation of the receiver 3.
  • the second measuring unit 32 measures a radio wave environment between the transmitter 2 and the receiver 3 (Step S201).
  • the reception control unit 33 performs the distributed code generation by the encoding unit 24 based on the information indicating the radio wave environment measured by the second measurement unit 32 and the information indicating the channel (wireless resource) used by the reception unit 34.
  • the encoding matrix (parameter) used for the conversion is estimated (step S202).
  • the second measurement unit 32 receives a radio frame including information indicating a channel (radio resource) used for radio communication from the transmitter 2.
  • the reception control unit 33 acquires information representing a channel used for wireless communication from the second measurement unit 32 (Step S203).
  • Radio receiving section 340 receives the distributed coded frame from antenna 30. Radio receiving section 340 down-converts the frequency of the modulated information of the original information (step S204).
  • the demodulation unit 341 demodulates the information whose frequency is down-converted (step S205).
  • the decoding unit 35 decodes the original information by using two or more of the information A, B, and C and the estimated decoding matrix (Step S206).
  • the wireless communication system 1 includes the transmitter 2 and the receiver 3.
  • the transmitter includes a first measurement unit 22, a transmission control unit 23, an encoding unit 24, and a transmission unit 25.
  • the first measurement unit 22 measures a radio wave environment between the transmitter 2 and the receiver 3 for each radio resource.
  • the transmission control unit 23 determines a radio resource and a parameter used for transmitting the bit sequence based on the measurement result of the radio wave environment.
  • the encoding unit 24 performs distributed encoding of the bit sequence based on the parameters.
  • the transmitting unit 25 transmits the information indicating the determined radio resource and the bit sequence that has been subjected to the dispersion encoding using the determined radio resource.
  • the receiver 3 includes a second measurement unit 32, a reception control unit 33, a reception unit 34, and a decoding unit 35.
  • the second measuring unit 32 measures a radio wave environment for each radio resource.
  • the reception control unit 33 estimates the parameters based on the measurement result of the radio wave environment.
  • the receiving unit 34 receives the information indicating the determined radio resource and the bit sequence that has been subjected to the dispersion encoding using the determined radio resource.
  • the decoding unit 35 decodes the received bit sequence based on the parameters.
  • the wireless communication system 1 of the embodiment can execute highly confidential communication even when the radio wave propagation characteristics change.
  • the first measurement unit 22 measures the radio wave usage rate, which is the time ratio between the period in which the received power equal to or greater than the threshold is detected and the measurement period, as a measurement result of the radio wave environment.
  • the transmission control unit 23 determines a radio communication quality value for each radio resource based on the radio wave usage rate.
  • the transmission control unit 23 determines a parameter based on a quality value for each radio resource.
  • the second measuring unit 32 measures the radio wave usage rate, which is the time ratio between the period in which the received power equal to or higher than the threshold is detected and the measurement period, as the measurement result of the radio wave environment.
  • the reception control unit 33 determines a radio communication quality value for each radio resource based on the radio wave usage rate.
  • the reception control unit 33 estimates parameters based on the quality value for each radio resource.
  • the transmitter 2 generates an encoding matrix as an encryption key based on information indicating a radio wave environment between the transmitter 2 and the receiver 3.
  • the receiver 3 generates a decoding matrix, which is an estimation result of the encoding matrix, as an encryption key based on information indicating a radio wave environment between the transmitter 2 and the receiver 3.
  • the transmitter 2 and the receiver 3 disperse and communicate original information using a plurality of wireless systems. This allows the transmitter 2 and the receiver 3 to execute highly confidential communication even when the interceptor 4 receives the distributed coded frame.
  • the transmitter and the receiver in the above-described embodiment may be realized by a computer.
  • a program for realizing this function may be recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on this recording medium may be read and executed by a computer system.
  • the “computer system” includes an OS and hardware such as peripheral devices.
  • the “computer-readable recording medium” refers to a portable medium such as a flexible disk, a magneto-optical disk, a ROM, and a CD-ROM, and a storage device such as a hard disk built in a computer system.
  • a "computer-readable recording medium” refers to a communication line for transmitting a program via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line, and dynamically holds the program for a short time.
  • a program may include a program that holds a program for a certain period of time, such as a volatile memory in a computer system serving as a server or a client in that case.
  • the program may be for realizing a part of the functions described above, or may be a program that can realize the functions described above in combination with a program already recorded in a computer system. It may be realized by using a programmable logic device such as an FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • the present invention is applicable to a wireless communication system.

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Abstract

送信機は、送信機及び受信機の間の電波環境を無線リソースごとに測定する第１測定部と、無線リソースとパラメータとを電波環境の測定結果に基づいて決定する送信制御部と、パラメータに基づいてビット系列を分散符号化する符号化部と、決定された無線リソースを表す情報と分散符号化されたビット系列とを、決定された無線リソースを用いて送信する送信部とを備え、受信機は、電波環境を無線リソースごとに測定する第２測定部と、パラメータを電波環境の測定結果に基づいて推定する受信制御部と、決定された無線リソースを表す情報と分散符号化されたビット系列とを、決定された無線リソースを用いて受信する受信部と、受信されたビット系列をパラメータに基づいて復号する復号部とを備える。

Description

無線通信システム、通信方法、送信機及び受信機
　本発明は、無線通信システム、通信方法、送信機及び受信機に関する。
　ＩｏＴ（Internet of Things）関連の市場は、めざましい発展を遂げている。ＩｏＴにおいて、電波を用いた無線通信によって送信機はネットワークにアクセスする場合がある。電波が届く範囲が通信範囲となるので、送信機の通信範囲を制限することは困難である。第三者の通信端末である傍受機は、送信機の通信範囲において、その送信機から送信された電波を受信可能である。受信された電波の通信内容を傍受機に傍受されないようにするため、送信機は秘密鍵等を用いて通信内容を暗号化する場合がある。無線通信システムの送信機及び受信機は、暗号化に用いられる秘密鍵又は公開鍵（以下「暗号鍵」という。
）を、通信内容が暗号化及び復号される前に共有する必要がある。
　非特許文献１では、送信機及び受信機は、電波伝搬特性（無線のマルチパス伝搬路の特性）に基づいて、共有される暗号鍵を生成する。これによって、送信機及び受信機は、通信内容が暗号化及び復号される前に暗号鍵を共有することができる（非特許文献１参照）。
岩井、笹岡、「電波伝搬特性を活用した秘密情報の伝送・共有技術」、電子情報通信学会論文誌　B、Vol.J90-B、No.9、pp.770-783
　しかしながら、電波伝搬特性は、フェージングや雑音によって変化する。このため、送信機及び受信機は、変化する電波伝搬特性を正しく測定することができない場合がある。
電波伝搬特性を正しく測定することができない場合、無線通信システムは、送信機及び受信機に共有される暗号鍵を正しく生成することができないので、秘匿性の高い通信を実行することができない。このように、従来の無線通信システムは、電波伝搬特性が変化する場合には、秘匿性の高い通信を実行することができない場合があった。
　上記事情に鑑み、本発明は、電波伝搬特性が変化する場合でも、秘匿性の高い通信を実行することが可能である無線通信システム、通信方法、送信機及び受信機を提供することを目的としている。
　本発明の一態様は、送信機と受信機とを備える無線通信システムであって、前記送信機は、前記送信機及び前記受信機の間の電波環境を無線リソースごとに測定する第１測定部と、ビット系列の送信に使用される前記無線リソースとパラメータとを前記電波環境の測定結果に基づいて決定する送信制御部と、前記パラメータに基づいて前記ビット系列を分散符号化する符号化部と、決定された前記無線リソースを表す情報と分散符号化された前記ビット系列とを、決定された前記無線リソースを用いて送信する送信部とを備え、前記受信機は、前記電波環境を前記無線リソースごとに測定する第２測定部と、前記パラメータを前記電波環境の測定結果に基づいて推定する受信制御部と、決定された前記無線リソースを表す情報と分散符号化された前記ビット系列とを、決定された前記無線リソースを用いて受信する受信部と、受信された前記ビット系列を前記パラメータに基づいて復号する復号部とを備える、無線通信システムである。
　本発明の一態様は、上記の無線通信システムであって、前記第１測定部は、閾値以上の受信電力が検出された期間と測定期間との時間比率である電波使用率を、前記電波環境の測定結果として測定し、前記送信制御部は、前記電波使用率に基づいて無線通信の品質値を前記無線リソースごとに決定し、前記無線リソースごとの前記品質値に基づいて前記パラメータを決定する。
　本発明の一態様は、送信機と受信機とを備える無線通信システムが実行する通信方法であって、前記送信機は、前記送信機及び前記受信機の間の電波環境を無線リソースごとに測定し、ビット系列の送信に使用される前記無線リソースとパラメータとを前記電波環境の測定結果に基づいて決定し、前記パラメータに基づいて前記ビット系列を分散符号化し、決定された前記無線リソースを表す情報と分散符号化された前記ビット系列とを、決定された前記無線リソースを用いて送信し、前記受信機は、前記電波環境を前記無線リソースごとに測定し、前記パラメータを前記電波環境の測定結果に基づいて推定し、決定された前記無線リソースを表す情報と分散符号化された前記ビット系列とを、決定された前記無線リソースを用いて受信し、受信された前記ビット系列を前記パラメータに基づいて復号する、通信方法である。
　本発明の一態様は、上記の通信方法であって、前記送信機は、閾値以上の受信電力が検出された期間と測定期間との時間比率である電波使用率を、前記電波環境の測定結果として測定し、前記電波使用率に基づいて無線通信の品質値を前記無線リソースごとに決定し、前記無線リソースごとの前記品質値に基づいて前記パラメータを決定する。
　本発明の一態様は、自送信機及び受信機の間の電波環境を無線リソースごとに測定する第１測定部と、ビット系列の送信に使用される前記無線リソースとパラメータとを前記電波環境の測定結果に基づいて決定する送信制御部と、前記パラメータに基づいて前記ビット系列を分散符号化する符号化部と、決定された前記無線リソースを表す情報と分散符号化された前記ビット系列とを、決定された前記無線リソースを用いて送信する送信部とを備える送信機。
　本発明の一態様は、上記の送信機であって、前記第１測定部は、閾値以上の受信電力が検出された期間と測定期間との時間比率である電波使用率を、前記電波環境の測定結果として測定し、前記送信制御部は、前記電波使用率に基づいて無線通信の品質値を前記無線リソースごとに決定し、前記無線リソースごとの前記品質値に基づいて前記パラメータを決定する。
　本発明の一態様は、送信機及び自受信機の間の電波環境を無線リソースごとに測定する測定部と、パラメータを前記電波環境の測定結果に基づいて推定する受信制御部と、決定された前記無線リソースを表す情報と分散符号化されたビット系列とを、決定された前記無線リソースを用いて受信する受信部と、受信された前記ビット系列を前記パラメータに基づいて復号する復号部とを備える受信機である。
　本発明の一態様は、上記の受信機であって、前記測定部は、閾値以上の受信電力が検出された期間と測定期間との時間比率である電波使用率を、前記電波環境の測定結果として測定し、前記受信制御部は、前記電波使用率に基づいて無線通信の品質値を前記無線リソースごとに決定し、前記無線リソースごとの前記品質値に基づいて前記パラメータを推定する。
　本発明により、電波伝搬特性が変化する場合でも、秘匿性の高い通信を実行することが可能である。
無線通信システムの構成の例を示す図である。 送信機の構成の例を示す図である。 測定期間及び伝送期間の例を示す図である。 測定結果テーブルの例を示す図である。 電波使用率及び品質値の関係の例を示す図である。 受信機の構成の例を示す図である。 送信機の動作の例を示すフローチャートである。 受信機の動作の例を示すフローチャートである。
　本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
　（第１実施形態）
　図１は、無線通信システム１の構成の例を示す図である。無線通信システム１は、電波を用いた無線通信を実行するシステムである。無線通信システム１は、１以上の送信機２と、１以上の受信機３とを備える。送信機２及び受信機３は、秘密分散処理（秘密分散法）による通信を実行する。なお、送信機２及び受信機３は、複数の無線アクセス方式を利用する通信として、マルチＲＡＴ通信（multi Radio Access Technology communication）を実行してもよい。
　送信機２は、アンテナ２０－１～２０－Ｎ（Ｎは２以上の整数）と、アンテナ２１とを備える。受信機３は、アンテナ３０－１～３０－Ｎと、アンテナ３１とを備える。以下では、Ｎは一例として３である。
　送信機２は、送信側の通信端末である。送信機２は、情報を分散符号化（秘匿）するエンコーディング行列を用いた秘密分散処理によって、元情報（入力されたビット系列）を分散符号化する。以下、分散符号化された元情報に基づく情報を含む無線フレームを「分散符号化フレーム」という。図１では、送信機２は、元情報に基づく情報Ａを含む分散符号化フレームと、元情報に基づく情報Ｂを含む分散符号化フレームと、元情報に基づく情報Ｃを含む分散符号化フレームとを、受信機３に送信する。
　アンテナ２０－１は、情報Ａを含む分散符号化フレームを、チャネルｆ１を用いて受信機３に送信する。アンテナ２０－２は、情報Ｂを含む分散符号化フレームを、チャネルｆ２を用いて受信機３に送信する。アンテナ２０－３は、情報Ｃを含む分散符号化フレームを、チャネルｆ３を用いて受信機３に送信する。アンテナ２１は、送信機２及び受信機３が使用可能であるチャネルの電波を、送信機２及び受信機３の間の電波環境において受信する。
　受信機３は、受信側の通信端末である。受信機３は、分散符号化された元情報を復号するデコーディング行列を用いた復号処理によって、分散符号化された元情報を復号する。
図１では、送信機２は、元情報に基づく情報Ａを含む分散符号化フレームと、元情報に基づく情報Ｂを含む分散符号化フレームと、元情報に基づく情報Ｃを含む分散符号化フレームとを、送信機２から受信する。
　アンテナ３０－１は、情報Ａを含む分散符号化フレームを、チャネルｆ１を用いて送信機２から受信する。アンテナ３０－２は、情報Ｂを含む分散符号化フレームを、チャネルｆ２を用いて送信機２から受信する。アンテナ３０－３は、情報Ｃを含む分散符号化フレームを、チャネルｆ３を用いて送信機２から受信する。アンテナ３１は、送信機２及び受信機３が使用可能であるチャネルの電波を、送信機２及び受信機３の間の電波環境において受信する。
　傍受機４は、第三者の通信端末である。傍受機４は、アンテナ４０を備える。アンテナ４０は、送信機２及び受信機３が使用可能であるチャネルの電波を、送信機２及び受信機３の間の電波環境において受信する。分散符号化された元情報は、情報Ａ、Ｂ及びＣのうちの二つ以上の情報に基づいて復号することができる。情報Ａを含む分散符号化フレームをアンテナ４０が受信した場合、傍受機４は、分散符号化された元情報を、情報Ａのみに基づいて復号することができない。これによって、送信機２は、元情報を秘匿することができる。
　情報Ａを含む分散符号化フレームと情報Ｂを含む分散符号化フレームとをアンテナ４０が受信した場合でも、傍受機４は、送信機２において分散符号化に使用されたエンコーディング行列が傍受機４にとって既知でなければ、元情報を復号することができない。送信機２及び受信機３の間の電波環境が送信機２によって測定された場合、送信機２は、測定された電波環境（電波使用率等）の情報に基づいて、エンコーディング行列を決定する。
送信機２及び受信機３の間の電波環境を傍受機４は測定することができないので、送信機２において分散符号化に使用されたエンコーディング行列は、傍受機４にとって既知ではない。これによって、送信機２は、元情報を秘匿することができる。
　送信機２及び受信機３の間の電波環境を傍受機４が測定することができた場合、送信機２において分散符号化に使用されたエンコーディング行列は、傍受機４にとって既知である。この場合でも、傍受機４は、電波環境を表す情報をエンコーディング行列に変換する式（以下「変換式」という。）を取得することができない。変換式を取得することができない場合、電波環境を表す情報を傍受機４がエンコーディング行列に変換することができないので、傍受機４は元情報を復号することができない。これによって、送信機２は、元情報を秘匿することができる。
　なお、無線通信システム１が複数の送信機２及び受信機３を備える場合、送信機２及び受信機３の組み合わせの数が増えるので、傍受機４が元情報を復号することは更に困難である。また、通信に使用されるチャネルの候補の数が多い場合、チャネルの組み合わせの数が増えるので、傍受機４が元情報を復号することは更に困難である。
　図２は、送信機２の構成の例を示す図である。送信機２は、アンテナ２０－１～２０－Ｎと、アンテナ２１と、第１測定部２２と、送信制御部２３と、符号化部２４と、送信部２５－１～２５－Ｎとを備える。
　第１測定部２２と送信制御部２３と符号化部２４と送信部２５との各機能部は、例えば、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェアを用いて実現される。各機能部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサが、送信機２の記憶部に記憶されたプログラムを実行することにより実現されてもよい。
　送信機２の記憶部は、例えばフラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの不揮発性の記録媒体（非一時的な記録媒体）である。送信機２の記憶部は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）やレジスタなどの揮発性の記録媒体を有してもよい。送信機２の記憶部は、プログラム及びテータテーブルを記憶する。
　第１測定部２２は、アンテナ２１が受信した電波に基づいて、送信機２及び受信機３の間の電波環境を測定する。すなわち、第１測定部２２は、アンテナ２１が受信した電波に基づいて、送信機２及び受信機３が使用可能であるチャネルの電波環境を測定する。例えば、第１測定部２２は、測定期間において閾値以上の受信電力が検出された期間と測定期間との時間比率（電波使用率）を、電波環境として測定する。したがって、電波環境の測定結果は、測定期間において閾値以上の受信電力が検出された期間を、測定期間で除算した結果である。第１測定部２２は、電波環境の測定結果を、送信制御部２３に出力する。
　図３は、測定期間及び伝送期間の例を示す図である。図３において、横軸は時間を示す。測定期間Ｔｏは、電波環境の測定期間である。伝送期間Ｔｄは、分散符号化フレームを送信機２が伝送する期間である。送信機２及び受信機３は、測定期間と伝送期間とを、時間経過に応じて交互に繰り返す。
　図４は、測定結果テーブルの例を示す図である。測定結果テーブルの項目には、測定チャネルと、電波環境の測定結果（電波使用率）と、無線通信の品質値とがある。測定チャネルは、電波環境が測定されるチャネルを表す。測定期間において受信電力が閾値以上である期間が長い（電波使用率が高い）場合、伝送期間において受信電力が閾値以上である期間は同様に長い。伝送期間において受信電力が閾値以上である期間は、分散符号化フレームの伝送に使用することができない期間である。このため、測定期間において閾値以上の受信電力が検出されている期間が長い測定チャネルでは、無線通信の品質値は低い。図４では、一例として、測定チャネル「１ｃｈ」と、電波環境の測定結果「８０％」と、品質値「１」とが対応付けられている。
　図５は、電波使用率及び品質値の関係の例を示す図である。送信制御部２３は、電波使用率及び品質値の関係を表すデータテーブルのテンプレートを予め取得する。送信制御部２３は、電波環境の測定結果（電波使用率）に基づいて、無線通信の品質値を測定チャネルごとに定める。送信制御部２３は、送信機２の測定結果テーブルに、無線通信の品質値を記録する。
　送信制御部２３は、各分散符号化フレームの送信に使用される複数のチャネル（無線リソース）を選択する。例えば、送信制御部２３は、無線通信の品質値と所定条件とに基づいて、複数のチャネルを選択する。送信制御部２３は、選択されたチャネル（無線リソース）に基づいて、複数の送信部２５を選択する。送信制御部２３は、送信部２５の選択結果（無線リソースを表す情報）を、選択された送信部２５に通知する。これによって、選択された送信部２５は、分散符号化された情報を符号化部２４から取得することができる。
　送信制御部２３は、元情報の分散符号化に使用されるエンコーディング行列を、測定期間ごとに生成する。送信制御部２３がエンコーディング行列を生成する方法は、特定の方法に限定されない。エンコーディング行列における各列は、各チャネルに対応する。各列には、品質値の数だけ１が含まれる。エンコーディング行列における各行には、１個だけ１が含まれる。
　例えば、送信制御部２３は、図４に示された測定結果テーブルにおける測定チャネルと品質値とを（１ｃｈ－１，２ｃｈ－７，３ｃｈ－９）のように組み合わせるエンコーディング行列Ａを生成する。各チャネルの出力のビット系列と、各チャネルの入力のビット系列と、エンコーディング行列Ａとの関係は、式（１）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、左辺の（ｃ１，ｃ２，ｃ３）は、各チャネル（１ｃｈ，２ｃｈ，３ｃｈ）の出力のビット系列を表す。右辺の（ｓ１，…，ｓ１７）は、各チャネルの入力のビット系列を表す。右辺の最も右側の行列は、エンコーディング行列Ａを表す。
　例えば、送信制御部２３は、図４に示された測定結果テーブルにおける測定チャネルと品質値とを（１ｃｈ－１，３ｃｈ－９，５ｃｈ－３）のように組み合わせるエンコーディング行列Ｂを生成する。各チャネルの出力のビット系列と、各チャネルの入力のビット系列と、エンコーディング行列Ｂとの関係は、式（２）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、左辺の（ｃ１，ｃ３，ｃ５）は、各チャネル（１ｃｈ，３ｃｈ，５ｃｈ）の出力のビット系列を表す。右辺の（ｓ１，…，ｓ１３）は、各チャネルの入力のビット系列を表す。右辺の最も右側の行列は、エンコーディング行列Ｂを表す。
　送信制御部２３は、電波環境の測定結果に基づいて、元情報の分散符号化に使用されるエンコーディング行列を測定期間ごとに選択する。例えば、チャネルの１ｃｈ、２ｃｈ及び３ｃｈを使用して通信する場合、送信制御部２３は、エンコーディング行列Ａを選択する。例えば、チャネルの１ｃｈ、３ｃｈ及び５ｃｈを使用して通信する場合、送信制御部２３は、エンコーディング行列Ｂを選択する。送信制御部２３は、選択されたエンコーディング行列を表す情報を、符号化部２４に送信する。
　符号化部２４は、元情報を表すビット系列を取得する。符号化部２４は、送信制御部２３から指示されたエンコーディング行列を用いた秘密分散処理によって、元情報（入力のビット系列）を分散符号化する。
　符号化部２４は、エンコーディング行列Ａの行数（１７行）と同じ数の要素に入力のビット系列が分割された結果（ｓ１，…，ｓ１７）と、選択されたエンコーディング行列Ａとの積を、式（１）のように算出する。符号化部２４は、エンコーディング行列Ｂの行数（１３行）と同じ数の要素に入力のビット系列が分割された結果（ｓ１，…，ｓ１３）と、選択されたエンコーディング行列Ｂとの積を、式（２）のように算出してもよい。符号化部２４は、選択された送信部２５に出力されるビット系列を、送信部２５ごとに生成する。
　符号化部２４は、分散符号化された元情報の情報Ａを、送信部２５－１に出力する。符号化部２４は、分散符号化された元情報の情報Ｂを、送信部２５－２に出力する。符号化部２４は、分散符号化された元情報の情報Ｃを、送信部２５－Ｎに出力する。
　送信部２５は、送信制御部２３によって選択される。各送信部２５は、無線通信に使用されるチャネル（無線リソース）を表す情報を、送信制御部２３から取得する。選択された送信部２５は、無線通信に使用されるチャネルを表す情報を含む無線フレームを、受信機３に送信する。選択された送信部２５は、分散符号化フレームの送信処理を実行する。
　送信部２５－ｎ（ｎは、１からＮまでのいずれか）は、アンテナ２０－ｎと、変調部２５０－ｎと、無線送信部２５１－ｎとを備える。変調部２５０－１は、分散符号化された元情報の情報Ａを変調する。変調部２５０－１は、変調された元情報の情報Ａの周波数をアップコンバートする。無線送信部２５１－１は、変調部２５０によってアップコンバートが実行された元情報の情報Ａを、送信制御部２３よって選択されたチャネル（無線リソース）に割り当てる。無線送信部２５１－１は、情報Ａを含む分散符号化フレームを、アンテナ２０－１から送信する。
　送信部２５－２は、分散符号化された元情報の情報Ｂに関して、送信部２５－１と同様に動作する。送信部２５－Ｎは、分散符号化された元情報の情報Ｃに関して、送信部２５－１と同様に動作する。
　なお、各送信部２５は、互いに異なる無線方式に基づいて、分散符号化フレームを送信してもよい。例えば、送信部２５－１は、ＩＥＥＥ８０２．１１ａｃ規格に基づいて、分散符号化フレームを送信してもよい。例えば、送信部２５－２は、ＬＴＥ（Long Term Evolution）規格に基づいて、分散符号化フレームを送信してもよい。
　図６は、受信機３の構成の例を示す図である。受信機３は、アンテナ３０－１～３０－Ｎと、アンテナ３１と、第２測定部３２と、受信制御部３３と、受信部３４－１～３４－Ｎと、復号部３５とを備える。なお、受信機３が備える受信部３４の個数と、送信機２が備える送信部２５の個数とは、異なっていてもよい。
　第２測定部３２と受信制御部３３と受信部３４と復号部３５との各機能部は、例えば、ＬＳＩやＡＳＩＣ等のハードウェアを用いて実現される。各機能部は、ＣＰＵ等のプロセッサが、受信機３の記憶部に記憶されたプログラムを実行することにより実現されてもよい。
　受信機３の記憶部は、例えばフラッシュメモリ、ＨＤＤなどの不揮発性の記録媒体（非一時的な記録媒体）である。受信機３の記憶部は、例えば、ＲＡＭやレジスタなどの揮発性の記録媒体を有してもよい。受信機３の記憶部は、プログラム及びテータテーブルを記憶する。
　第２測定部３２は、アンテナ３１が受信した電波に基づいて、送信機２及び受信機３の間の電波環境を測定する。すなわち、第２測定部３２は、アンテナ３１が受信した電波に基づいて、送信機２及び受信機３が使用可能であるチャネルの電波環境を測定する。例えば、第２測定部３２は、測定期間において閾値以上の受信電力が検出された時間を、電波環境として測定する。第２測定部３２は、電波環境の測定結果（電波使用率等）を、受信制御部３３に出力する。
　第２測定部３２と送信機２の第１測定部２２とは、測定期間及び伝送期間を表す時刻情報を予め共有する。すなわち、第２測定部３２が使用する時刻情報と、第１測定部２２が使用する時刻情報とは同期している。これによって、第１測定部２２が電波環境を測定している期間において、第２測定部３２は、第１測定部２２が測定している電波環境を同様に測定することができる。
　第２測定部３２は、無線通信に使用されるチャネルを表す情報を含む無線フレームを、送信機２から受信する。第２測定部３２は、無線通信に使用されるチャネルを表す情報を、受信制御部３３に出力する。
　受信制御部３３は、電波使用率及び品質値の関係を表すデータテーブルのテンプレートを予め取得する。受信制御部３３は、電波環境の測定結果（電波使用率）に基づいて、無線通信の品質値を測定チャネルごとに定める。受信制御部３３は、受信機３の測定結果テーブルに、無線通信の品質値を記録する。
　受信制御部３３は、第２測定部３２によって測定された電波環境を表す情報と、受信部３４によって使用されているチャネル（無線リソース）を表す情報とに基づいて、符号化部２４によって分散符号化に使用されたエンコーディング行列（エンコードのパラメータ）を推定する。受信制御部３３は、送信機２において分散符号化に使用されたエンコーディング行列を、測定期間ごとに推定する。受信制御部３３は、エンコーディング行列の推定結果を、復号部３５によって復号処理に使用されるデコーディング行列（デンコードのパラメータ）とする。
　受信部３４－ｎは、アンテナ３０－ｎと、無線受信部３４０－ｎと、復調部３４１－ｎとを備える。無線受信部３４０－１は、情報Ａを含む分散符号化フレームを、アンテナ３０－１から受信する。無線受信部３４０－１は、変調された元情報の情報Ａの周波数をダウンコンバートする。復調部３４１－１は、周波数がダウンコンバートされた情報Ａを復調する。
　受信部３４－２は、分散符号化された元情報の情報Ｂに関して、受信部３４－１と同様に動作する。受信部３４－Ｎは、分散符号化された元情報の情報Ｃに関して、受信部３４－１と同様に動作する。
　復号部３５は、推定されたデコーディング行列を表す情報を、受信制御部３３から取得する。復号部３５は、復調された情報Ａを復調部３４１－１から取得する。復号部３５は、復調された情報Ｂを復調部３４１－２から取得してもよい。復号部３５は、復調された情報Ｃを復調部３４１－３から取得してもよい。
　復号部３５は、情報Ａ、Ｂ及びＣのうちの二つ以上の情報と、推定されたデコーディング行列とを用いて、元情報を復号する。例えば、復号部３５は、エンコーディング行列Ａの推定結果であるデコーディング行列を用いて式（１）の逆演算を実行することによって、送信機２に入力されたビット系列を算出する。復号部３５は、エンコーディング行列Ｂの推定結果であるデコーディング行列を用いて式（２）の逆演算を実行することによって、送信機２に入力されたビット系列を算出してもよい。復号部３５は、このようにして算出されたビット系列を、出力のビット系列として、所定の外部装置に出力する。
　次に、無線通信システム１の動作の例を説明する。
　図７は、送信機２の動作の例を示すフローチャートである。第１測定部２２は、送信機２及び受信機３の間の電波環境を測定する（ステップＳ１０１）。送信制御部２３は、各分散符号化フレームの送信に使用される複数のチャネル（無線リソース）を決定する。選択された送信部２５は、使用されるチャネル（無線リソース）を表す情報を含む無線フレームを、受信機３に送信する（ステップＳ１０２）。
　送信制御部２３は、電波環境の測定結果に基づいて、元情報の分散符号化に使用されるエンコーディング行列を測定期間ごとに選択する。すなわち、送信制御部２３は、電波環境の測定結果に基づいて、パラメータを測定期間ごとに決定する（ステップＳ１０３）。
符号化部２４は、送信制御部２３から指示されたエンコーディング行列を用いた秘密分散処理によって、元情報（入力のビット系列）を分散符号化する（ステップＳ１０４）。
　送信部２５は、無線通信に使用されるチャネル（無線リソース）を表す情報を、送信制御部２３から取得する（ステップＳ１０５）。変調部２５０は、分散符号化された元情報の情報を変調する（ステップＳ１０６）。無線送信部２５１は、変調された情報を含む分散符号化フレームを、アンテナ２０から送信する（ステップＳ１０７）。
　図８は、受信機３の動作の例を示すフローチャートである。第２測定部３２は、送信機２及び受信機３の間の電波環境を測定する（ステップＳ２０１）。受信制御部３３は、第２測定部３２によって測定された電波環境を表す情報と、受信部３４によって使用されているチャネル（無線リソース）を表す情報とに基づいて、符号化部２４によって分散符号化に使用されたエンコーディング行列（パラメータ）を推定する（ステップＳ２０２）。
　第２測定部３２は、無線通信に使用されるチャネル（無線リソース）を表す情報を含む無線フレームを、送信機２から受信する。受信制御部３３は、無線通信に使用されるチャネルを表す情報を、第２測定部３２から取得する（ステップＳ２０３）。無線受信部３４０は、分散符号化フレームをアンテナ３０から受信する。無線受信部３４０は、変調された元情報の情報の周波数をダウンコンバートする（ステップＳ２０４）。
　復調部３４１は、周波数がダウンコンバートされた情報を復調する（ステップＳ２０５）。復号部３５は、情報Ａ、Ｂ及びＣのうちの二つ以上の情報と、推定されたデコーディング行列とを用いて、元情報を復号する（ステップＳ２０６）。
　以上のように、実施形態の無線通信システム１は、送信機２と、受信機３とを備える。
送信機は、第１測定部２２と、送信制御部２３と、符号化部２４と、送信部２５とを備える。第１測定部２２は、送信機２及び受信機３の間の電波環境を、無線リソースごとに測定する。送信制御部２３は、ビット系列の送信に使用される無線リソースとパラメータとを、電波環境の測定結果に基づいて決定する。符号化部２４は、パラメータに基づいてビット系列を分散符号化する。送信部２５は、決定された無線リソースを表す情報と分散符号化されたビット系列とを、決定された無線リソースを用いて送信する。受信機３は、第２測定部３２と、受信制御部３３と、受信部３４と、復号部３５とを備える。第２測定部３２は、電波環境を無線リソースごとに測定する。受信制御部３３は、パラメータを電波環境の測定結果に基づいて推定する。受信部３４は、決定された無線リソースを表す情報と分散符号化されたビット系列とを、決定された無線リソースを用いて受信する。復号部３５は、受信されたビット系列を、パラメータに基づいて復号する。
　これによって、実施形態の無線通信システム１は、電波伝搬特性が変化する場合でも、秘匿性の高い通信を実行することが可能である。
　第１測定部２２は、閾値以上の受信電力が検出された期間と測定期間との時間比率である電波使用率を、電波環境の測定結果として測定する。送信制御部２３は、電波使用率に基づいて無線通信の品質値を無線リソースごとに決定する。送信制御部２３は、無線リソースごとの品質値に基づいてパラメータを決定する。
　第２測定部３２は、閾値以上の受信電力が検出された期間と測定期間との時間比率である電波使用率を、電波環境の測定結果として測定する。受信制御部３３は、電波使用率に基づいて無線通信の品質値を無線リソースごとに決定する。受信制御部３３は、無線リソースごとの品質値に基づいてパラメータを推定する。
　送信機２は、送信機２及び受信機３の間の電波環境を表す情報に基づいて、エンコーディング行列を暗号鍵として生成する。受信機３は、送信機２及び受信機３の間の電波環境を表す情報に基づいて、エンコーディング行列の推定結果であるデコーディング行列を、暗号鍵として生成する。これによって、送信機２及び受信機３は、電波伝搬特性が変化する場合でも、暗号鍵を事前に共有することなく、秘匿性の高い通信を実行することが可能である。
　送信機２及び受信機３は、複数の無線方式を用いて元情報を分散して通信する。これによって、送信機２及び受信機３は、傍受機４が分散符号化フレームを受信した場合でも、秘匿性の高い通信を実行することが可能である。
　以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
　上述した実施形態における送信機及び受信機をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。
　本発明は、無線通信システムに適用可能である。
　１…無線通信システム、２…送信機、３…受信機、４…傍受機、２０…アンテナ、２１…アンテナ、２２…第１測定部、２３…送信制御部、２４…符号化部、２５…送信部、３０…アンテナ、３１…アンテナ、３２…第２測定部、３３…受信制御部、３４…受信部、３５…復号部、２５０…変調部、２５１…無線送信部、３４０…無線受信部、３４１…復調部

Claims (8)

  1. 　送信機と受信機とを備える無線通信システムであって、
    　前記送信機は、
    　前記送信機及び前記受信機の間の電波環境を無線リソースごとに測定する第１測定部と、
    　ビット系列の送信に使用される前記無線リソースとパラメータとを前記電波環境の測定結果に基づいて決定する送信制御部と、
    　前記パラメータに基づいて前記ビット系列を分散符号化する符号化部と、
    　決定された前記無線リソースを表す情報と分散符号化された前記ビット系列とを、決定された前記無線リソースを用いて送信する送信部とを備え、
    　前記受信機は、
    　前記電波環境を前記無線リソースごとに測定する第２測定部と、
    　前記パラメータを前記電波環境の測定結果に基づいて推定する受信制御部と、
    　決定された前記無線リソースを表す情報と分散符号化された前記ビット系列とを、決定された前記無線リソースを用いて受信する受信部と、
    　受信された前記ビット系列を前記パラメータに基づいて復号する復号部とを備える、
    　無線通信システム。
  2. 　前記第１測定部は、閾値以上の受信電力が検出された期間と測定期間との時間比率である電波使用率を、前記電波環境の測定結果として測定し、
    　前記送信制御部は、前記電波使用率に基づいて無線通信の品質値を前記無線リソースごとに決定し、前記無線リソースごとの前記品質値に基づいて前記パラメータを決定する、
    　請求項１に記載の無線通信システム。
  3. 　送信機と受信機とを備える無線通信システムが実行する通信方法であって、
    　前記送信機は、
    　前記送信機及び前記受信機の間の電波環境を無線リソースごとに測定し、
    　ビット系列の送信に使用される前記無線リソースとパラメータとを前記電波環境の測定結果に基づいて決定し、
    　前記パラメータに基づいて前記ビット系列を分散符号化し、
    　決定された前記無線リソースを表す情報と分散符号化された前記ビット系列とを、決定された前記無線リソースを用いて送信し、
    　前記受信機は、
    　前記電波環境を前記無線リソースごとに測定し、
    　前記パラメータを前記電波環境の測定結果に基づいて推定し、
    　決定された前記無線リソースを表す情報と分散符号化された前記ビット系列とを、決定された前記無線リソースを用いて受信し、
    　受信された前記ビット系列を前記パラメータに基づいて復号する、
    　通信方法。
  4. 　前記送信機は、閾値以上の受信電力が検出された期間と測定期間との時間比率である電波使用率を、前記電波環境の測定結果として測定し、前記電波使用率に基づいて無線通信の品質値を前記無線リソースごとに決定し、前記無線リソースごとの前記品質値に基づいて前記パラメータを決定する、
    　請求項３に記載の通信方法。
  5. 　自送信機及び受信機の間の電波環境を無線リソースごとに測定する測定部と、
    　ビット系列の送信に使用される前記無線リソースとパラメータとを前記電波環境の測定結果に基づいて決定する送信制御部と、
    　前記パラメータに基づいて前記ビット系列を分散符号化する符号化部と、
    　決定された前記無線リソースを表す情報と分散符号化された前記ビット系列とを、決定された前記無線リソースを用いて送信する送信部と
    　を備える送信機。
  6. 　前記測定部は、閾値以上の受信電力が検出された期間と測定期間との時間比率である電波使用率を、前記電波環境の測定結果として測定し、
    　前記送信制御部は、前記電波使用率に基づいて無線通信の品質値を前記無線リソースごとに決定し、前記無線リソースごとの前記品質値に基づいて前記パラメータを決定する、
    　請求項５に記載の送信機。
  7. 　送信機及び自受信機の間の電波環境を無線リソースごとに測定する測定部と、
    　パラメータを前記電波環境の測定結果に基づいて推定する受信制御部と、
    　決定された前記無線リソースを表す情報と分散符号化されたビット系列とを、決定された前記無線リソースを用いて受信する受信部と、
    　受信された前記ビット系列を前記パラメータに基づいて復号する復号部と
    　を備える受信機。
  8. 　前記測定部は、閾値以上の受信電力が検出された期間と測定期間との時間比率である電波使用率を、前記電波環境の測定結果として測定し、
    　前記受信制御部は、前記電波使用率に基づいて無線通信の品質値を前記無線リソースごとに決定し、前記無線リソースごとの前記品質値に基づいて前記パラメータを推定する、
    　請求項７に記載の受信機。
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