(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
搬送波の偏波を回転させる回転偏波の異なる所定の偏波角度で同一の情報を伝送する送信機と、受信情報を前記所定の偏波角度で復元し、前記所定の偏波角度の復元結果を相互に比較する受信機を有することを特徴とする高セキュア無線通信システム。
【請求項２】
請求項1に記載の高セキュア無線システムであって、前記送信機は、前記回転偏波の回転周波数が前記情報の周波数より大きく、前記回転偏波の前記回転周波数を分割し、分割した前記回転周波数の各々に異なる符号を割り当て、前記符号を前記情報に重畳させて送信信号として伝送し、前記受信機は、受信信号に含まれる前記符号の復元結果を相互に比較することを特徴とする高セキュア無線通信システム。
【請求項３】
請求項２に記載の高セキュア無線システムであって、前記送信機は、ダミー情報を特定の送信偏波角度に対して発生させ、前記受信機は、前記受信信号に含まれる前記符号を前記所定の偏波角度の各々で復号し、外部侵入者が影響を与える前記符号を特定し、特定した前記符号を送信する偏波角度において前記ダミー情報を前記情報に加えて伝送することを特徴とする高セキュア無線通信システム。
【請求項４】
請求項２に記載の高セキュア無線システムであって、前記送信機は、ダミー情報を特定の送信偏波角度に対して発生させ、前記受信機は、前記受信信号に含まれる前記符号を前記所定の偏波角度の各々で復号し、外部侵入者が影響を与える前記符号を特定し、特定した前記符号を送信する偏波角度において前記ダミー情報を前記情報に置き換えて伝送することを特徴とする高セキュア無線通信システム。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれか１項に記載の高セキュア無線システムであって、前記符号が循環特性を持つことを特徴とする高セキュア無線通信システム。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の高セキュア無線通信システムであって、前記送信機および前記受信機を有する無線機が共通して保有する定型情報を用いて送信受信を行い、前記定型情報の送信受信に基づいて前記情報の伝送のタイミングを識別することを特徴とする高セキュア無線通信システム。
【請求項７】
請求項６の高セキュア無線通信システムであって、前記無線機は前記定型情報の受信の確認に応答して、前記定型情報を送信し、前記情報を伝送する前に前記定型情報を送信することを特徴とする高セキュア無線通信システム。
【請求項８】
搬送波の偏波を回転させる回転偏波の異なる所定の偏波角度で同一の情報を伝送し、前記送信機と受信機との間の伝搬情報を取得し、前記伝搬情報を鍵として前記情報を暗号化する送信機と、前記暗号化された前記情報を受信する前記受信機を有することを特徴とする高セキュア無線通信システム。
【請求項９】
請求項８に記載の高セキュア無線通信システムであって前記伝搬情報が受信電界強度の時間軸プロファイルであることを特徴とする高セキュア無線通信システム。
【請求項１０】
請求項９の高セキュア無線システムで前記伝搬情報が受信電力の包絡線検波結果を、特定の閾値でデジタル化した符号列であることを特徴とする高セキュア無線通信システム。
【請求項１１】
請求項１０の高セキュア無線システムであって、デジタル化した前記符号列の周波数が前記偏波の回転周波数の100分の１以上4分の１以下であることを特徴とする高セキュア無線通信システム。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の高セキュア無線システムであって、前記回転偏波が、異なる2つの周波数の搬送波の加算波により生成されることを特徴とする高セキュア無線通信システム。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の高セキュア無線通信システムであって、前記情報が重畳された信号が搬送波周波数へと、デルタシグマ回路によりデジタル的にアップコンバートされることを特徴とする高セキュア無線通信システム。
【請求項１４】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の高セキュア無線システムであって、搬送波周波数を有する受信波が前記回転偏波の周波数帯域まで、デルタシグマ回路によりデジタル的にダウンコンバートされることを特徴とする高セキュア無線通信システム。
【請求項１５】
請求項１乃至１４の高セキュア無線システムであって、偏波の直交する2つのアンテナを用いて前記回転偏波を生成することを特徴とする高セキュア無線通信システム。
【請求項１６】
請求項１５の高セキュア無線システムであって、前記偏波の直交する2つの前記アンテナは空間的に直交する2つの直線偏波アンテナであることを特徴とする高セキュア無線通信システム。
【請求項１７】
請求項１乃至１６の高セキュア無線システムであって、前記回転偏波の周波数が前記情報の上限周波数より10倍以上高く、且つ搬送波の周波数より10倍以上低いことを特徴とする高セキュア無線通信システム。
【請求項１８】
搬送波の偏波を回転させる回転偏波の異なる所定の偏波角度で同一の情報を伝送する送信機と、受信情報を前記所定の偏波角度で復元し、前記所定の偏波角度の復元結果を相互に比較する受信機を含む無線機を、昇降機と前記昇降機が設置される建物に設けることを特徴とする昇降機制御システム。
【請求項１９】
搬送波の偏波を回転させる回転偏波の異なる所定の偏波角度で同一の情報を伝送する送信機と、受信情報を前記所定の偏波角度で復元し、前記所定の偏波角度の復元結果を相互に比較する受信機を含む無線機を、変電機及び前記変電機の近傍の基地局に設けることを特徴とする変電設備監視システム
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高セキュアな無線通信を実現する無線機の提供にかかわり、特に無線機の置かれる環境が電波を反射・散乱する障害物を具備し該障害物により発生する多重波を用いて、伝送する情報の秘匿および該情報に対する外部干渉を検出・除去可能な無線通信システムを実現する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
持続的成長可能な産業を実現する為に、エネルギ消費の高効率化と産業廃棄物削減を両立させる新しい、エネルギの発生・分配システムの実現が社会的に要請されている。そのようなエネルギ発生・分配を目的とした、新たなエネルギ・通信融合ネットワークの構築が世界各地で進んでいる。このエネルギ・通信融合ネットワークは、エネルギの発生・分配そして消費に預かる各種機器を同ネットワークで繋ぎ、該各機器の稼働状況および周囲環境に関する情報をすべてあるいは特定の機器で共用し、同情報を用いて該ネットワークで繋がれた機器の稼働状態を制御して、該ネットワークで結合したすべての機器が達成する性能をシステム全体として最適化することを目標とする。同ネットワークの実現においては、結合すべき機器の総数が非常に大きいため、該ネットワークの導入コストおよび保守コスト低減の為、無線ネットワークの使用が期待されている。【０００３】
無線ネットワークはその導入・保守コストの低下が期待できる一方で、無線通信の通信媒体となる電磁波の物理的性質により、該ネットワーク上に流れるデータの傍受および改変が容易で、同データを用いた各種機器の制御・監視情報のセキュリティ保持が困難であるという問題がある。特に、エネルギ・通信融合ネットワークで結合される各種機器が、電力、水道、ガス等の一般市民の生活に直結した資源を生成・分配する場合、悪意の同データの傍受および改変により、市民生活は大きな打撃を受ける事は必至で、各種機器の制御・監視情報のセキュリティ保持が困難であるという問題は、エネルギ・情報融合ネットワークを無線技術で実現するために必ず解決しなければならない。【０００４】
無線による通信は、通信の送受信点間に存在する各機器が電磁波散乱体として作用するので、該各機器による反射により複数の多重反射伝搬路を介して、送信点から受信点に至る複数の異なるパスを通じて行われる。多重反射による該複数のパスは送信点と受信点で固有のもので、送受信点以外の他の空間点では、送信点から受信点へと至る複数のパスとは異なるパスを経由して送信点からの信号が該他の空間点に到達し、該他の空間点から発生する信号も、送信点から受信点へと至る複数のパスとは異なるパスを経由して受信点に到達する。したがって、送信点から受信点へと至る複数のパスを選択あるいは組み合わせることによって、送受信点間で他の空間点では獲得できない情報を伝送する可能性が生じる。このような原理を用いた技術として、特許文献１がある。受信信号の周波数スペクトラムを鍵として用いて、伝達すべき情報を暗号化して送信点より送信し、受信点では受信信号を該周波数スペクトラムを用いて暗号を解読しようとするものである。また、特許文献2では、移動通信における遅延スプレッドといわれる時間的に変動する受信電力の挙動を鍵として用いて、伝達すべき情報を暗号化して送信点より送信し、受信点では受信信号を該遅延スプレッドを用いて暗号を解読する。さらに、特許文献3では、送信機はインパルス列を伝送し、受信点における固有のインパルスレスポンスを鍵として用いて、伝達すべき情報を暗号化して送信点より送信し、受信点では受信信号を該インパルスレスポンスを用いて暗号を解読する。電磁波の可逆性と、通信における送受信の対称性により、同一の時間軸上の信号波形を送信点から受信点に伝送する場合と、受信点から送信点に伝送する場合では、これら受信信号の信号波形は同一となる。また、該信号波形は送受信点間に形成される固有の多重反射波による複数の伝送路を通じて伝送される電磁波の干渉により生じるため、送受信点以外の他の空間点で該信号波形を獲得することは極めて困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2008−199263号公報
【特許文献２】特開2013−066078号公報
【特許文献３】特開2005−130127号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記技術では、移動体通信における受信信号部での時間軸上の不規則な信号波形の変化を伝送すべき信号を秘匿する為の暗号鍵としており、固定通信への適用を考えると、該信号波形の変化が乏しく、信号を秘匿すべき鍵を複雑化することが困難で該秘匿の程度を高くすることが出来ない。各技術について詳細に説明すると、特許文献１では複雑な周波数スペクトラムを固定通信で得るためには広い周波数帯域に亘り多くの周波数を用いる必要があるため、周波数利用効率が低下する問題がある。特許文献２ではＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indicator）の時間的変化が固定通信では現れず、信号変化を強制的に引起す為、複数のアンテナを用いて送信信号の放射パタンを変化させる必要がある。該放射パタンをより大きく変化させるためにはアンテナの数をより多くする必要がある為、装置寸法の増大および装置コストの上昇を引き起こす問題がある。特許文献３では送信波としてパルス波を用いるため、該パルス波を生成する為に多くの周波数成分が必要となり、特許文献１と同じく周波数利用効率が低下する問題がある。更に、いずれの技術によっても、伝送すべき情報を暗号により秘匿することが出来るので、同信号の盗聴に対しては防止効果があるものの、外部侵入者による信号の妨害および、”なりすまし”による同信号の改変に対しては考慮されていない。【０００７】
本発明の目的は、送信機と受信機の間に電磁波の散乱体が複数存在し、送信機から発射された電磁波が該散乱体により多重反射を受け、それらがお互いに干渉して受信機に到達する電波環境において、送受信間で伝送される信号の改変の検出を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
開示する高セキュア無線通信システムは、搬送波の偏波を回転させる回転偏波の異なる所定の偏波角度で同一の情報を伝送する送信機と、受信情報を前記所定の偏波角度で復元し、前記所定の偏波角度の復元結果を相互に比較する受信機を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、送信機と受信機の間に電磁波の散乱体が複数存在し、送信機から発射された電磁波が該散乱体により多重反射を受けそれらがお互いに干渉して受信機に到達する電波環境において、送受信間で伝送される信号の改変の検出を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】高セキュア無線通信システムを実現する送受信機の構成図の例である。
【図２】高セキュア無線通信システムの動作原理を説明する図である。
【図３】高セキュア無線通信システムを実現する他の送受信機の構成図の例である。
【図４】高セキュア無線通信システムを実現するさらに他の送受信機の構成図の例である。
【図５】高セキュア無線通信システムを実現するさらに他の送受信機の構成図の例である。
【図６】高セキュア無線通信システムを実現する送信機の回転偏波を生成する原理を示す図の例である。
【図７】高セキュア無線通信システムを実現するさらに他の送受信機の構成図の例である。
【図８】高セキュア無線通信システムを実現する送受信機の動作アルゴリズムの例である。
【図９】高セキュア無線通信システムを実現するさらに他の送受信機の構成図の例である。
【図１０】高セキュア無線通信システムを実現するさらに他の送信機の構成図の例である。
【図１１】高セキュア無線通信システムを適用した昇降機システムの構成図の例である。
【図１２】高セキュア無線通信システムを適用した変電設備監視システムの構成図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本実施形態の一例は、二つの送信アンテナを用いて偏波の方向が第一の周波数で回転する送信波を実現し、情報信号を該第一の周波数より高い周波数のサンプリングタイミングごとに組み替え組み換え後の信号に重み付けをして搬送波に重畳することにより該送信波を生成し、受信機は該サンプリングタイミングを用いて該重みを用いて該情報信号を再構成する。
【００１２】
本実施形態の他の一例は、送信機が用いる重みが、元の情報信号を第一の周波数で回転する送信波の第一の周期内の異なるサンプリングポイント数と、同ポイントに割り当てられた複数の値を同ポイントと同数の該周期繰り返しにおいて組み換え、各周期の複数の値が互いに識別可能である。
【００１３】
本実施形態のさらに他の一例は、第一の送受信点から任意の重みで重み付けされた情報信号を第二の送受信点に伝送し、第二の送受信点では同信号を復調し該重みを再現し、該再現された重みで重み付けした新たな情報信号を第一の送受信点に伝送し、第一の送受信点では受信信号を復調し当初重み付けに使用した重みで第二の送受信点から送信された該新たな情報信号を再現する。引き続き、第一の送受信点から同一の重みで重み付けされた情報信号を第二の送受信点に伝送し、第二の送受信点では同信号を復調し先に情報信号を重み付けした重みを用いて情報信号を再現し、受信信号を復調して得られる重みを用いて新たな情報信号を第一の送受信点に伝送する。
【００１４】
本実施形態のさらに他の一例は、第一の送受信点および第二送受信点において、先の情報信号伝送の重み付けに用いた重みと、受信信号を復調して得られる重みが、該第一の周期内の異なるサンプリングポイント数で不一致の場合、外部侵入者の出現を認識し、該不一致を生じたサンプリングポイントに対応する情報信号を棄却し、新たに情報信号を伝送する場合、該不一致を生じたサンプリングポイントに対応した送信する情報信号の内容を機器の監視・制御とは無関係なダミー信号とする。
【００１５】
本実施形態の原理を図２を用いて詳しく説明する。送信機375が具備する送信アンテナ370と受信機385が具備する受信アンテナ380の間には電磁波散乱体である什器371が存在し、該送信アンテナ380から該受信アンテナ380に電磁波が直接到達する経路無く、該送信機375と該受信機385の周囲に分布する複数の電磁波反射物372による反射を繰り返し、送信アンテナ370から放射された電磁波は受信アンテナ380に到達する。送信機375より偏波方向を回転させる送信アンテナ370を用いて第一の偏波方向で送信された送信波391は行路差L1aの反射波393aと行路差L1bの反射波393bの合成である受信波392として第三の偏波方向で受信機385に到達する。さらに送信機375より偏波方向を回転させることにより別のタイミングで第二の偏波方向で送信された送信波395は行路差L2aの反射波397aと行路差L2bの反射波397bの合成である受信波396として第四の偏波方向で受信機385に到達する。図２の例では、393aと393bが送信電磁波の偏波の傾きにP4およびP8で固定偏波の受信アンテナ380で相殺する状況となっている。397aと397bは送信電磁波の偏波の傾きにより受信アンテナ380での受信電力が変化するがいずれの偏波でも該受信電力がゼロにはならないようになっている。このように受信点で電力が相殺するパスペアの組み合わせはパス長と偏波の回転周波数の関係できまるので、同パスペアの組み合わせの変更は、回転偏波を発生させるための複数の搬送波の周波数差を変化させることで実現可能である。
【００１６】
以下、通信手順について説明する。あらかじめ送信機と受信機に固定情報を与えておき、同固定情報を用いて送信機と受信機の機能を交換して該固定情報をお互いに送受信すれば、図２の同一の受信波形を送信機と受信機は得る事ができる。次に、同受信波形を鍵として情報信号を送信機から偏波を回転させ、異なる偏波に対して異なる重み付けを行い、受信機に送る。受信機は受信波形を記憶し、異なる偏波に対するサンプリングポイントについて重みを復元し、該重みにより受信信号から鍵を用いて変換された情報信号を抽出し、あらかじめ保有している受信波形を鍵として復調後の受信信号から情報信号を再生する。偏波の回転周期に対して情報信号の周期は十分に長くするので重みを再生する為に必要なサンプリングポイントを得る間、受信信号波形を鍵として変換された情報信号の変化は無視できる。偏波の回転周期に対して情報信号の周期は、情報信号を独立して検出するデジタル信号処理に用いるデバイスの現状から、4倍以上から100倍以下（周波数ならば、100分の１以上4分の１以下）が必要である。望ましくは10倍（1桁）程度の差である。したがって、回転偏波の周波数は、情報信号の上限周波数の10倍以上高く、且つ搬送波の周波数より10倍以上低い（10分の１以下）に設定する。
【００１７】
次に、受信機が送信機の機能を用いて、該情報信号を新たに受信した受信波形を鍵として変換後、復元した重みを用いて各偏波に対応する重み付けを行った後、回転偏波を用いて送信機へと送り返し、受信波形を更新する。説明を明瞭にするため図２では送信機および受信機は其々送信および受信の機能を持つ構成要素しか図示していないが、実際の動作では送信機375および受信機380は其々送信および受信の機能を具備し、従って、送信アンテナ370および受信アンテナ380は其々固定偏波および回転偏波に対応可能である。本通信手順を用いることにより送受信間で伝送する情報信号は、送信点および受信点でのみ獲得可能な固有な受信波形を鍵として変換されて自由空間中に放射されるので、該固有な受信波形を獲得不能な他の空間点に存在する外部者に対して、該情報信号を秘匿する効果が得られる。各偏波方向Piに対して異なる重みで同一の情報信号を送ったとする。もし393a,bのパスにおいて外部侵入者があり同パス上の信号に改ざんを行ったとすると偏波P4およびP8に対応するサンプリングポイントでは受信信号に対する該改ざんの効果は得られない。送信機375と受信機385の機能を入れ替えて交互に通信を行い一回の反復で同一の情報を伝送すれば、P4及びP8の偏波に対応するサンプリングポイントにおいて外部侵入者の改ざんが行われていることが特定でき、外部侵入者の検出が可能となる。また、外部侵入者の検出後は偏波P4およびP8のサンプリングポイントで受信されるデータを棄却することで改ざんの修復をすることが可能となり、更に、該サンプリングポイントで送出されるデータをダミーデータと置換えることにより、外部侵入に対して意図的に無効な情報を提供することも可能となる。
【００１８】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本実施例の無線システムを実現する送信機および受信機の構成図の例である。送信機は情報信号生成回路1が生成する周波数帯域(fI)の信号を帯域制限フィルタ2によって信号に含まれる周波数の上限を制限して、変調回路3によって回転偏波周波数キャリア(fr)4が重畳され、さらに高周波ミキサ5により送信搬送波周波数キャリア(fc)6が重畳されスプリアス除去フィルタ7により不要な高調波成分が除去され、余弦重み付け回路12で振幅を制御して送信垂直アンテナ11より、および正弦重み付け回路14で振幅を制御して送信水平アンテナ13より同時に空間に放射され、偏波を回転させながら進む回転偏波電磁波10を形成する。余弦重み付け回路12および正弦重み付け回路14は送信回転周波数キャリア(fr)4と同一の周波数で互いに90度の位相差を持って垂直アンテナ11と水平アンテナ13の振幅に重み付けを行うので回転偏波電磁波の偏波の回転周波数は回転周波数キャリア(fr)4と同一になる。【００２０】
受信器は弦重み付け回路32で振幅を制御される受信垂直アンテナ31、および正弦重み付け回路34で振幅を制御される受信水平アンテナ33を具備し、両アンテナから入力された信号は加算され、高周波ミキサ27により受信搬送波周波数キャリア(fc)28と重畳され、低域通過フィルタ26により、回転偏波の周波数と情報信号の周波数成分をカスケード状に結合した遅延器22を介して、順次回転偏波の周期の整数分の一の位相差を持って、該整数の数だけの複数の信号が受信回転偏波周波数キャリア(fr)21と復調器23によって其々掛け合わされ、該整数の数だけの複数のレジスタ24に格納される。【００２１】
送信機の垂直アンテナ11と水平アンテナ13は、空間的に直交する2つの直線偏波アンテナで構成される。同様に、受信機の垂直アンテナ31と水平アンテナ33も、空間的に直交する2つの直線偏波アンテナで構成される。【００２２】
情報信号発生回路1が生成する情報信号の周波数は回転偏波の周波数と比べて十分小さいので、回転偏波の周期内では情報信号は一定と考えられる。したがって、各レジスタ24に格納されたデータは回転偏波電磁波10が送信機から受信機に至る過程で外部より意図的な変更を受けない限り同一である。ベースバンド回路25は複数のレジスタ24の内容を相互に比較して、同一の内容かどうかを検査する。いずれかのレジスタの内容が他と異なる場合、外部よりの意図的な変更があったと判断できる。また、他と異なる内容を含むレジスタの内容を棄却することにより、送信部から送られた情報信号を、外部からの意図的な変更行為の影響から遠ざけることができる。【００２３】
本実施例によれば、外部からの意図的な変更行為の有無を検出できるのみならず、同変更行為に対する送信すべき情報信号の改ざんを抑制することができるので、情報信号の高セキュアな伝送を実現する効果がある。
【実施例２】
【００２４】
図3は、本実施例の無線システムを実現する送信機および受信機の他の構成図の例である。図1の実施例と異なる点は、受信機が新たにダミー信号発生回路15を具備することで、回転偏波の周期(Tr)を整数分の一した値(Tr/N)の期間だけ送信機が送るべき情報信号とは無関係なダミー信号をダミー信号発生回路15は発生する。本実施例では適応移相器（TXi）16と加算器17が新たに設置されダミー信号発生回路15で発生した信号を、ベースバンド回路25が検出した外部からの意図的な変更行為の生じた期間に相当する偏波角度で同ダミー信号が送信されるように適応移相回路（TXi）16を調節する。送信の際に送信アンテナ11、13から発射される電磁波の偏波の角度と同時刻に受信機で検出される外部からの意図的な変更行為のあったことに関係する受信電磁波の偏波の角度は必ずしも一致するとは限らないが、回転偏波の周期(Tr)を分割して情報を送信する際に、該分割した周期毎に異なる符号を新たに重畳することで、送信機から放射された時点での偏波の角度を特定することは可能である。【００２５】
本実施例によれば、外部からの意図的な変更行為の受信信号に対する影響を削減するのみならず、その変更行為の当事者に情報を持たないデータの送信あるいはその当事者に対して変更行為を妨げる可能性のあるデータを送ることが出来るので、外部からの意図的な変更行為をさせない抑止力を発生させる効果がある。
【実施例３】
【００２６】
図4は、本実施例の無線システムを実現する送信機および受信機のさらに他の構成図の例である。図1の実施例の送信機と異なる点は、回転偏波周波数キャリア(fr)4の代わりに、回転周波数の周期で同周期を整数分割した際に各分割期間に異なるブロック符号を生成するブロック符号生成回路19を具備し、変調回路3の代わりに乗算器18によって、ブロック符号生成回路19が生成するブロック符号を情報信号に重畳することである。また図1の実施例の受信機と異なる点は、回転偏波の周波数と情報信号の周波数成分をカスケード状に結合した遅延器22を介して、順次回転偏波の周期の整数分の一の位相差を持って、該整数の数だけの複数の信号が、そのまま複数のレジスタ24に記憶され、各レジスタ24の内容がブロック符号生成回路19で生成する複数の異なるブロック符号と乗算器37により掛け合わされて、複数の第二のレジスタ38にその内容が格納されることである。【００２７】
本実施例によれば、第二のレジスタ38の内容を調べることで、受信した電磁波の各偏波角に対する信号が、送信機で発射された際の電磁波の偏波の角度と該ブロック符号を用いて対応付けできるので、実施例2の効果である、外部からの意図的な変更行為の当事者に情報を持たないデータの送信あるいはその当事者に対して変更行為を妨げる可能性のあるデータを送ることが実現可能となる。
【実施例４】
【００２８】
図5は、本実施例の無線システムを実現する送信機および受信機のさらに他の構成図の例である。図1の実施例の送信機と異なる点は、余弦重み付け回路12および32と正弦重み付け回路14および34が削除され、代わりに90度移相器20および40が送信水平アンテナ13および受信垂直アンテナ39に結合し、送信搬送波キャリア6および受信搬送波キャリア28の代わりに送信第一搬送波キャリア(fc+fr)41と送信第二搬送波キャリア(fc-fr)42の加算器43による合成信号および受信第一搬送波キャリア(fc+Fr)51と受信第二搬送波キャリア(fc-fr)52の加算器53による合成信号が用いられることである。第一搬送波キャリアと第二搬送波キャリアは周波数が異なり、加算されることで両者の周波数の差の周波数でビート波が生成される。このビート波を空間的時間的に90度違わせて空間合成することで回転偏波の電磁波を生成できる。図6は本実施例の送信機の各点の時間波形を示している。送信第一搬送波キャリアの波形Aと送信第二搬送波キャリアの波形Bの波形は加算器43により合成されて、波形Cとなる。波形Cの波を空間的に90度ずらして、且つ空間的に直交する方向で合成すると波形Dのような回転偏波が形成される。【００２９】
本実施例によれば、相互制御が必要となる余弦重み付け回路と正弦重み付け回路を削除できるので、本発明からなる送信機および受信機の小型化および製造コスト低減に効果がある。
【実施例５】
【００３０】
図7は、本実施例の無線システムを実現する送信機および受信機のさらに他の構成図の例である。図1の実施例の送信機と異なる点は、送信機に新たに検波回路44が余弦重み付け回路32と正弦重み付け回路34の共通入力点に挿入され、該検波回路44の出力が比較レベル発生器46の比較電圧と比較器45により比較され、その出力が時間軸信号間引き回路48により間引きされ、帯域制限フィルタ2より帯域制限された信号に新たに導入される乗算器56に重畳されることである。比較器45および時間軸信号間引き回路48にはクロック発生回路47よりクロックが供給され、其々、比較および間引きのタイミングを同クロックより確定する。更に、送信機には定型情報発生回路54が新たに設置されその出力は、情報信号発生回路1の出力と共にスイッチ55により選択される。検波回路44により受信信号の時間軸上の変化が検出され、比較器45により1/0の信号にクロック発生回路47のサンプリング周波数で変換される。変換後の1/0信号は時間軸信号間引き回路48により回転偏波の周期と同程度および数倍、数十倍の時間軸上の分解能を要するビット列となり、該ビット列を情報信号に重畳することにより該情報信号を秘匿することができる。該情報の再生には、情報信号を秘匿した1/0のビット列を送信点と受信点で共有する必要があるが、同一の送信機と受信機をこれら二点で用いることにより、通信に用いる電磁波の包絡線情報は送受信の相対性により同一となるから、自動的にこれら二点の送信機および受信機で得られる1/0のビット列は同一となり送信された情報信号の復元が可能となる。送信点と受信点以外の地点では、一般的に同一の受信包絡線は得られないから、他の点では情報信号は復元できず、通信の秘匿化の効果が得られる。【００３１】
本実施例では、定型信号発生回路54を用いて、あらかじめ送信点と受信点で同一の定型情報を機要有することが出来、同定型情報を用いて、伝送すべき情報の内容とは関係ない情報、例えば通信開始、通信終了などの通信プロトコルに関する情報を送受信間で交換することが出来るので、本実施例による情報信号の暗号化通信の手順を簡素化することが出来、送信機および受信機の消費電力低減およびソフトウェアコストの削減が可能となる。
【実施例６】
【００３２】
図8は、実施例5における無線システムの送信機の及び受信機の通信プロトコロルの例である。送信機と受信機を一体として無線機とする。無線機は情報信号の送信要求を確認する（S800、S801）。送信要求があった場合、定型情報を先ず送信する（S802）。一方無線機は受信すべき信号の有無を常に確認しており（S803）、受信信号が得られた場合（S804〜S806）、その内容を復調して（S807）定型信号かそれ以外かの判断をし（S808）、定型信号が確認されたら必ず定型信号を送信する（S809）。定型信号を送信してすぐに定型信号の受信が得られた場合、送信点と受信点で通信が行われる状況の確認が出来たこととなるので、送信機は情報信号を得られた受信信号の包絡線情報により生成した鍵で秘匿化（S810）して送信する（S811）。以上説明したプロトコルにより、受信機は受信信号の包絡線情報から鍵を生成して、受信信号に含まれる秘匿化された情報信号を復元する。【００３３】
本実施例によれば、定型信号により送信点と受信点の間で、情報信号を送る為の必須手づきである、情報信号の送信タイミングの確定と、情報信号を秘匿する為の暗号鍵の取得を同時に実現できるので、情報信号の高セキュア伝送が実際に可能となる。
【実施例７】
【００３４】
図9は、本実施例の無線システムを実現する送信機および受信機のさらに他の構成図の例である。図1の実施例の受信機と異なる点は、受信回転偏波キャリア発生回路21の代わりに受信回転偏波キャリア用デジタル信号発生回路71を具備し、高周波ミキサ27と受信搬送波周波数キャリア28と低域通過フィルタ26の代わりに受信ΔΣＤＡＣ73と受信搬送波周波数キャリア用デジタル信号発生回路74と受信デジタルフィルタ72と受信サンプルホールド回路75を具備することである。受信回転偏波キャリア用デジタル信号発生回路71は受信回転偏波キャリアをデジタル回路で生成可能であり、余弦重み付け回路32と正弦重み付け回路34を介して加算された受信高周波信号はサンプルホールド回路75により連続デジタル波形に変換され、受信搬送波周波数キャリア用デジタル信号発生回路74をクロックとして受信ΔΣＤＡＣ73によりデジタル的に周波数ダウンコンバートされ、付随して発生する不要なエイリアス信号を受信デジタルフィルタ72で除去して回転偏波の周波数帯に信号を変換することが出来る。【００３５】
本実施例によれば、無線システムに適用する受信機をデジタル回路で実現できるので、受信機の温度変化、経年変化に対する自動調整機能を導入可能であり、同受信機の信頼性向上が可能となる。
【実施例８】
【００３６】
図１０は、本実施例の無線システムを実現する送信機および受信機のさらに他の構成図の例である。送信機はデジタル情報信号生成回路61が生成する周波数帯域fIのデジタル信号をパラシリ（パラレル/シリアル）変換回路62によって、1/0のビット列に変換し、回転周波数の周期で同周期を整数分割した際に各分割期間に異なるブロック符号を生成するブロック符号生成回路64を具備し、乗算器63によって、該ブロック符号生成回路64が生成するブロック符号を、1/0のビット列に変換後のデジタル情報信号に重畳し、アップサンプラ65によって周波数を上昇させ、送信搬送波周波数キャリア用デジタル信号発生回路68をクロックとして第一送信ΔΣＤＡＣ70で搬送波周波数領域に周波数変換し送信垂直アンテナ11より空間に放射すると同時に、回転偏波周波数90度移相器67を介し同クロックを用いる第二送信ΔΣＤＡＣ69で搬送波周波数領域に周波数変換し送信水平アンテナ13より空間に放射する。受信機は受信垂直アンテナ31の受信電力をサンプルホールド回路95により連続デジタル波形に変換され、受信搬送波周波数キャリア用デジタル信号発生回路74をクロックとして受信ΔΣＤＡＣ93によりデジタル的に周波数ダウンコンバートされ、回転偏波周波数90度移相器91を介し付随して発生する不要なエイリアス信号を受信デジタルフィルタ92で除去して回転偏波の周波数帯に信号を変換し、回転偏波の周波数と情報信号の周波数成分をカスケード状に結合した遅延器22を介して、順次回転偏波の周期の整数分の一の位相差を持って、該整数の数だけの複数の信号が、そのまま複数のレジスタ24に記憶され、各レジスタ24の内容がブロック符号生成回路19で生成する複数の異なるブロック符号と乗算器37により掛け合わされて、複数の第二のレジスタ38にその内容が格納されベースバンド回路25のデジタル信号処理に利用され、一方、受信水平アンテナ33の受信電力をサンプルホールド回路85により連続デジタル波形に変換され、受信搬送波周波数キャリア用デジタル信号発生回路74をクロックとして受信ΔΣＤＡＣ83によりデジタル的に周波数ダウンコンバートされ、付随して発生する不要なエイリアス信号を受信デジタルフィルタ82で除去して回転偏波の周波数帯に信号を変換し、回転偏波の周波数と情報信号の周波数成分をカスケード状に結合した遅延器87を介して、受信垂直アンテナが受信した信号と同様の処理が施され、第二のベースバンド回路88のデジタル信号処理に利用される。【００３７】
本実施例によれば、図4の実施例の効果をデジタル回路で実現できるので、図4の実施例の効果と共に、受信機の温度変化、経年変化に対する自動調整機能を導入可能であり、同受信機の信頼性向上を可能とする効果がある。
【実施例９】
【００３８】
図１１は、本実施例の偏波角分割ダイバシチ無線機を適用した昇降機システムの構成図の例である。本実施例の昇降機システム100は、昇降機が設置される建物101の内部を昇降カゴ111が昇降する。建物101の内部の床部および天井部には偏波角分割ダイバシチ機能を有する基地局無線機102と基地局2直交偏波一体アンテナ103が結合し設置される。昇降機11の外部天井と外部床面には其々端末局2直交偏波一体アンテナ10が設置され、高周波ケーブル114を用いて端末無線機112に結合している。基地局無線機103と端末局無線機113は、建物101の内部を無線伝送媒体とするので、該建物101の内壁および該昇降機の外壁により電磁波は多重反射を受け、多重波干渉環境が形成される。【００３９】
本実施例では偏波角度分割ダイバシチにより、多重波干渉環境下でも高品質の無線伝送が実現可能となるので、同無線機を用いた無線通信を用いて、昇降機111の制御・監視を建物101より有線通信を用いずに遠隔で実施できるので、ケーブル等の該有線通信のための設備を削除可能で、同一の輸送能力をより小さい建物体積で実現でき、あるいは同一の建物体積で昇降機寸法を増大させることによる輸送能力向上を実現できる。
【実施例１０】
【００４０】
図１２は、本実施例の偏波角分割ダイバシチ無線機を適用した変電設備監視システムの構成図の例である。本実施例の変電設備監視システム200は、複数の変電機201と同変電機201には偏波角分割ダイバシチを行う端末局無線機203と端末局2直交偏波一体アンテナ202が結合し設置され、該複数の変電機201の近傍に、該変電機201の数よりも少ない数の複数の基地局装置211が設営され、該基地局装置211は偏波角分割ダイバシチを行う基地局無線機213と基地局2直交偏波一体アンテナ212が結合し設置される。変電機の寸法は数mのオーダーであり無線機が使用する電磁波の周波数である数百MHzから数GHzに対応する波長に比べ圧倒的に大きいため、該複数の変電機201により電磁波は多重反射を受け、多重波干渉環境が形成される。【００４１】
本実施例では偏波角度分割ダイバシチにより、多重波干渉環境下でも高品質の無線伝送が実現可能となるので、同無線機を用いた無線接続手段を用いて、変電機201の制御・監視を複数の無線基地局211により有線接続手段を用いずに遠隔で実施できるので、ケーブル等の該有線接続手段を用いる場合に問題となる高圧誘導電力の問題を解決でき、同ケーブルの敷設コストを削除できるので、変電機201の制御・監視システムの安全性向上およびコスト削減に効果がある。【００４２】
以上説明した実施形態によれば、送信機と受信機の間に電磁波の散乱体が複数存在し、送信機から発射された電磁波が該散乱体により多重反射を受けそれらがお互いに干渉して受信機に到達する電波環境において、電磁波の偏波を回転させて、受信点で時間軸上の受信電力を変化させ、同変化を表す固有な受信波形を鍵として伝達すべき情報信号を変換して送信点から受信点に伝送することにより、同固有な受信波形を獲得できない送受信点以外の空間点に存在する外部者に対して該情報信号の秘匿を実現できる。また、回転する送信電磁波の偏波により、送信機から受信機に至る複数の伝搬経路の特定の部分を受信点において特定の偏波に対するサンプリングポイントで無効にし、一対の送受信機の間で偏波の回転周期内で同一の重み付けを行った信号を相互に送受信することで、同サンプリングポイントの中で、送信信号と受信信号が不一致となる部分の有無を調べることで、外部侵入者の存在を検出でき、同不一致部分がある場合は、同不一致部分に相当するサンプリングポイント上の受信データを棄却することで、該外部侵入者による情報改ざんの影響を排除することができる。【００４３】
以上を纏めると、本実施形態によれば、送信機と受信機の間に電磁波の散乱体が複数存在し、送信機から発射された電磁波が該散乱体により多重反射を受け、それらがお互いに干渉して受信機に到達する電波環境において、送受信間で伝送される信号の盗聴防止と送受信点以外の他の点に存在する外部侵入者による伝送信号の改変の検出および同改変された信号の除去が可能になる。
【符号の説明】
【００４４】
１…情報信号生成回路、２…帯域制限フィルタ、３…変調回路、４…送信搬送波周波数キャリア発生回路、５…ミキサ、６…送信回転偏波周波数キャリア発生回路、７…スプリアス除去フィルタ、１０…回転偏波電磁波、１１…送信垂直アンテナ、１２…余弦重み付け回路、１３…送信水平アンテナ、１４…正弦重み付け回路、１５…ダミー信号発生回路、１６…適応移相器、１７…乗算器、１８…乗算器、１９…ブロック符号生成回路、２０…90度移相器、２１…受信搬送波周波数キャリア発生回路、２２…移相器、２３…復調回路、２４…レジスタ、２５…デジタル回路、２６…低域通過フィルタ、２７…高周波ミキサ、２８…受信回転偏波周波数キャリア発生回路、３１…受信垂直アンテナ、３２…余弦重み付け回路、３３…受信水平アンテナ、３４…正弦重み付け回路、３６…ブロック符号、３７…乗算器、３８…第二のレジスタ、４０…90度移相器、４１…送信第一搬送波発生回路、４２…送信第二搬送波発生回路、４３…加算器、４４…検波回路、４５…比較器、４６…基準レベル回路、４７…クロック生成回路、４８…時間軸信号間引き回路、５１…受信第一搬送波発生回路、５２…受信第二搬送波発生回路、５３…加算器５４…定型情報発生回路、５５…スイッチ、５６…乗算器、５７…受信デジタルクロック回路、５８…デルタシグマアナログデジタル変換回路、６１…デジタル情報信号回路、６２…パラシリ変換回路、６３…乗算器、６４…ブロック符号発生回路、６５…アップサンプラ、６６…デジタルフィルタ、６７…回転偏波周波数90度移相器、６８…送信回転偏波キャリア用デジタル信号発生回路、６９…送信ΔΣＤＡＣ、７０…送信ΔΣＤＡＣ、７１…受信回転偏波キャリア用デジタル信号発生回路、７２…デジタルフィルタ、７３…受信ΔΣＤＡＣ、７４…受信搬送波周波数キャリア用デジタル信号発生回路、７５…サンプルホールド回路、８２…デジタルフィルタ、８３…受信ΔΣＤＡＣ、８５…サンプルホールド回路、８７…移相器、８８…第二のデジタル回路、９１…回転偏波周波数90度移相器、９２…デジタルフィルタ、９３…受信ΔΣＤＡＣ、９５…サンプルホールド回路、１００…昇降機システム、１０１…建物、１０２…基地局無線機、１０３…基地局2直交偏波一体アンテナ、１１１…昇降カゴ、１１２…端末局無線機、１１３…端末局2直交偏波一体アンテナ、２００…変電設備監視システム、２０１…変電機、２０２…端末局2直交偏波一体アンテナ、２０３…端末局無線機、２１１…無線基地局、２１２…基地局2直交偏波一体アンテナ、２１３…基地局無線機、３７０…送信アンテナ、３７１…什器、３７２…電磁波反射物、３７５…送信機、３８０…受信アンテナ、３８５…受信機、３９１…送信波、３９３…変電機、３９２…受信波、３９５…送信波、３９６…受信波、３９７…反射波。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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