(57)【要約】  【課題】無線局間の電波伝搬路特性に基づいて秘密鍵を生成する場合、電波伝搬路特性によって変化した受信強度を閾値で二値化することなく共通の秘密鍵を生成する。  【解決手段】基地局ＣＳと移動局ＰＳの間の電波伝搬路特性に基づいて秘密鍵を生成する場合、基地局ＣＳを２つのアンテナＡ、Ｂを有するように構成し、このアンテナＡとアンテナＢの切り換えによって受信した信号強度を、それぞれの基地局ＣＳ及び移動局ＰＳでサンプリング時間毎に大小比較し、この大小比較された情報に基づいて秘密鍵を生成する。また、信号強度の大小に基づいて二値系列を生成する場合、大小比較が困難な位置については（０、１）を入れ替えながら複数の二値系列候補を生成し、これら全ての二値系列候補の中から誤りビット数の最小な鍵候補を抽出する。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の無線局間の電波伝搬路特性に基づいて秘密鍵を生成する秘密鍵の生成方法において、前記複数の無線局のうち、少なくとも一つの無線局を複数のアンテナを有するように構成し、当該複数のアンテナの切り換えによって受信した信号強度をサンプリング時間毎に大小比較するステップと、この大小比較された情報に基づいて秘密鍵を生成するステップとを備えたことを特徴とする秘密鍵の生成方法。
【請求項２】
複数の無線局間の電波伝搬路特性に基づいて秘密鍵を生成する秘密鍵の生成方法において、前記複数の無線局のうち、少なくとも一つの無線局を複数のアンテナを有するように構成し、当該複数のアンテナの切り換えによって受信した信号強度を、サンプリング時間毎に大小比較するステップと、大小比較が困難な特定位置については二値情報を入れ替えながら二値系列候補を生成するステップと、この生成された全ての二値系列候補から誤りビット数が最小となる二値系列を抽出して秘密鍵を生成するステップとを設けるようにしたことを特徴とする秘密鍵の生成方法。
【請求項３】
前記大小比較が困難な特定位置が、各信号強度の差が所定値よりも小さい位置である請求項２に記載の秘密鍵の生成方法。
【請求項４】
前記複数のアンテナの切り換えをランダムに行うようにした請求項１に記載の秘密鍵の生成方法。
【請求項５】
他の無線局との間の電波伝搬路特性に基づいて生成された秘密鍵を用いて無線通信を行う無線通信装置において、信号の送受信を行う複数のアンテナと、当該複数のアンテナを切り換えるアンテナ切換部と、当該アンテナ切換部によるアンテナの切り換えによって受信した信号強度をサンプリング時間毎に大小比較することによって二値系列を生成する二値系列生成部と、この二値系列生成部によって生成された二値系列に基づく秘密鍵によって信号を暗号化し、若しくは、復号化して送受信する送受信処理部とを設けたことを特徴とする無線通信装置。
【請求項６】
複数のアンテナを有する他の無線局に対して、当該他の無線局との間の電波伝搬路特性に基づいて生成された秘密鍵を用いて無線通信を行う無線通信装置であって、前記他の無線局のアンテナの切り換えによって送信されてきた信号を受信する受信処理部と、当該受信処理された信号の信号強度をサンプリング時間毎に大小比較することによって二値系列を生成する二値系列生成部と、この二値系列生成部によって生成された二値系列に基づく秘密鍵によって信号を暗号化し、若しくは、復号化して送受信する送受信処理部とを設けたことを特徴とする無線通信装置。
【請求項７】
前記二値系列生成部が、大小比較が困難な特定位置については二値情報を入れ替えながら二値系列候補を生成し、この生成された全ての二値系列候補から誤りビット数が最小となる二値系列を抽出するものである請求項５又は６に記載の無線通信装置。
【請求項８】
前記大小比較が困難な特定位置が、各信号強度の差が所定値よりも小さい位置である請求項７に記載の無線通信装置。
【請求項９】
前記複数のアンテナの切り換えがランダムに行われるものである請求項５又は６に記載の無線通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の無線局間の電波伝搬路特性に基づいて秘密鍵を生成する秘密鍵生成方法などに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、いつでもどこでブロードバンドによるアクセスを可能にする手段として、無線通信方式が普及してきている。しかし、無線通信は電波を利用しているため、秘密裏に情報の盗聴が行いえるといったセキュリティの脆弱性が指摘されている。この一般的な盗聴対策として、暗号化技術がよく用いられている。既存の暗号化技術のうち、公開暗号方式は一般に安全性が高いことは保障されているが、消費電力と処理演算量が大きいため、それらに制約のある移動通信には不向きである。一方、秘密鍵暗号方式は、演算処理は比較的簡単であるが、鍵配送の鍵管理が必要となり、鍵を盗まれる危険性がある。
【０００３】
これらの問題を解決するために、電波伝搬路の伝送路特性が不規則に時間変動することや、送受信場所が異なると相関が急速に減少するといったこと、及び、一般に電波伝搬の可逆性が成り立つことなどを利用して、正規の送受信者間の伝搬路情報を基に秘密鍵を生成する方式が研究されている（特許文献１、非特許文献１〜９）。
【０００４】
例えば、特許文献１には、無線局間の電波伝搬路特性に基づいて秘密鍵を生成する方法が記載されている。この秘密鍵生成方法は、まず、それぞれの無線局から他の無線局に対して信号を送信し、それぞれの無線局間の電波伝搬路特性によって変化した信号を各無線局で受信する。そして、遅延プロファイルの時系列を測定し、この遅延プロファイルに基づいて所定の閾値を用いて二値系列を生成して、それぞれの無線局で独自に秘密鍵を生成できるようにしたものである。
【特許文献１】特開２００４−１８７１９７号公報
【非特許文献１】J.E.Hershey, A.A.Hassen, and R. Yarlagadda, "Unconventional Cryptographic Keying Variable Management," IEEE Trans. Commun., vol.43, no.1, pp.3-6, Jan. 1995.
【非特許文献２】H.Koorapaty, A.A.Hassen, and S.Chennakeshu, "Secure Information Transmission for mobile Radio," IEEE Commun. Letters, vol.4, pp.52-55, Feb. 2000.
【非特許文献３】本多  真，原田博司，藤瀬雅行，"伝搬路特性を生成源とする暗号鍵生成手法"，第二種研究会資料，SR02-04，April，2002．
【非特許文献４】堀池元樹，笹岡秀一，"陸上移動通信路の不規則変動に基づく秘密鍵共有方式"，信学技報，RC2002-173，October，2002．
【非特許文献５】北浦明人，笹岡秀一，"陸上移動通信路におけるOFDMの伝送路特性に基づく秘密鍵共有方式"，信学技報，RC2003-121，August，2003．
【非特許文献６】青野智之, 俵覚, 大平孝, 小宮山牧兒, 北浦明人, 森浩樹, 笹岡秀一, "リアクタンスドメインRSSIプロファイルを用いた秘密鍵生成共有方式の提案"，信学技報，RC2003-242，January，2004．
【非特許文献７】森浩樹, 笹岡秀一, 大平孝, "エスパアンテナによる受信信号強度変化を用いた秘密鍵共有方式における鍵一致率特性の評価"，信学技報，RC2003-356，May，2004．
【非特許文献８】北浦明人，小山直之，笹岡秀一，渡辺好章，"OFDMの伝送路特性に基づく秘密鍵共有方式におけるFH干渉波対策"，信学技報，RC2004-43，April，2004．
【非特許文献９】北浦明人，笹岡秀一，"陸上移動通信路におけるOFDMの伝送路特性に基づく秘密鍵共有方式"，電子情報通信学会誌 A，Vol.J87-A，No.10，pp.1320-1328，October，2004．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、無線局はそれぞれの送受信機に独自の特性を有しているため、電波伝搬路上の可逆性は成り立っていても、送受信機の特性によって可逆性が成り立たない。例えば、送受信機のアンプの非線形性やＡＧＣ（Automatic Gain Control）のレベルによって、図１１に示すように、送受信機Ａと送受信機Ｂのそれぞれで受信した信号の強度が変わってしまい、また、いずれかの送受信機に混入する雑音によっても信号の強度が変わってしまう。このため、従来では、受信した信号の信号強度の平均値を演算し、これを閾値として二値系列の鍵を生成するようにしているが、送受信機の特性や雑音の影響を少なくするためには、ある程度長い時間の信号を受信して閾値を設定をしなければならない。また、このように長い時間の信号を受信するようにすると、双方で信号を受信する際に、時間変動を受けやすくなるといった問題も生ずる。
【０００６】
そこで、本発明は、上記課題に着目してなされたもので、送受信機の特性などに影響さることなく、しかも、短時間の受信によってもそれぞれ共通の秘密鍵を生成できるような秘密鍵の生成方法などを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明はかかる課題を解決すべく、複数の無線局間の電波伝搬路特性に基づいて秘密鍵を生成する秘密鍵の生成する場合、複数の無線局のうち少なくとも一つの無線局を複数のアンテナを有するように構成し、当該複数のアンテナの切り換えによって受信した信号強度をサンプリング時間毎に大小比較する。そして、この大小比較された情報に基づいて二値化された秘密鍵を生成するようにしたものである。
【０００８】
このようにすれば、従来のように、送受信機の特性や雑音の影響を少なくするために長い時間測定用信号を受信しなければならないといったことがなくなり、送受信機の特性に影響を受けることなく、また、短時間の受信によってもそれぞれ共通の秘密鍵を生成することができる。
【０００９】
また、このように信号強度の大小に基づいて二値系列を生成する場合、好ましくは、大小比較が困難な特定位置については、二値情報である（０、１）の情報を入れ替えながら複数の二値系列候補を生成する。そして、この生成された複数の二値系列候補の中から誤りビット数が最小となる二値系列を抽出して秘密鍵を生成する。
【００１０】
そして、このような大小比較が困難な特定位置として、各信号強度の差が所定値よりも小さくなる位置、例えば、複数のアンテナの受信信号強度のクロス点や、その付近と重なった位置を用いる。
【００１１】
このようにすれば、単一の二値系列を生成してから誤り訂正を行う場合に比べて、格段に誤り訂正能力をあげることができ、しかも、簡易に訂正を行うことができるようになる。
【００１２】
また、アンテナを切り換える場合、複数のアンテナをランダムに切り換えるようにする。
【００１３】
このようにすれば、二値化する際に（０、１）の固定の値が連続して発生することを防止することができ、また、盗聴者による推測を防止することができるようになる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、複数の無線局間の電波伝搬路特性に基づいて秘密鍵を生成する秘密鍵の生成する場合、複数の無線局のうち、少なくとも一つの無線局を複数のアンテナを有するように構成し、この複数のアンテナの切り換えによって受信した信号強度をサンプリング時間毎に大小比較し、この大小比較された情報に基づいて秘密鍵を生成するようにしたので、従来のように、送受信機の特性や雑音の影響を少なくするために長い時間測定用信号を受信しなければならないといったことがなくなり、送受信機の特性に影響を受けることなく、また、短時間の受信によってもそれぞれ共通の秘密鍵を生成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施の形態について図面を用いて説明する。図２は、本実施の形態における無線通信システムの概要を示したものであり、基地局ＣＳと移動局ＰＳとの間で無線通信する場合の図を示したものである。
【００１６】
この無線通信システムは、図２に示すように、基地局ＣＳは送受信機に対して２本のアンテナＡ、Ｂを用いて信号の送受信を行い、一方、移動局ＰＳは一本のアンテナＣを用いて信号の送受信を行う。この２本のアンテナＡ、Ｂは、半波長以上離して設けられる。そして、この基地局ＣＳと移動局ＰＳとの間で無線通信を行う場合、まず、いずれか一の無線局（例えば、基地局ＣＳ）から信号を相手局（移動局ＰＳ）に対して送信する。基地局ＣＳから信号を送信する場合は、基地局ＣＳの２本のアンテナＡ、Ｂを微小間隔毎に交互に、若しくは、ランダムに切り換え、移動局ＰＳに対して信号を送信する。そして、移動局ＰＳ側では、基地局ＣＳ側から送信されてきた信号であって電波伝搬路特性によって変化した信号を受信する。一方、この移動局ＰＳ側からも基地局ＣＳ側へ同じ信号を送信する。基地局ＣＳ側では、同様に２本のアンテナを同じ微小間隔毎に交互に、若しくは、ランダムに切り換え、移動局ＰＳから送信されてきた信号を受信する。そして、これらのアンテナＡ、Ｂの切り換えによって受信した信号の信号強度をサンプリング時間毎に大小比較し、その大小に基づく（０、１）の情報によって秘密鍵を生成するようにしたものである。
【００１７】
なお、ここで「無線局」とは、電磁波により無線通信を行う装置、端末、デバイスなどを意味するものであり、例えば、携帯電話、ＰＨＳ（登録商標）、ＰＤＡなどの移動可能な移動局ＰＳの他、地面に設置された基地局（ＣＳ）も含むものである。また、「電波伝搬路特性」とは、どのように電波が無線局間を伝搬するかを示す特性であり、例えば、それぞれの無線局間における固有の特性である「伝送経路」、「減衰量」、「伝搬時間差」などのような自然的な電波伝搬路特性のほか、人為的に操作された現象に基づく特性をも含むものである。また「伝送路特性」とは、電波伝搬路特性に基づいて信号がどのように変化するかなどを示す特性であり、例えば、電波伝搬路特性に依存する信号の振幅・位相とその変動、伝送路のインパルス応答特性や周波数特性とその変動などを含むものである。また、本実施の形態において「送信者」とは、安全に伝送した情報の送信者を意味し、「受信者」とは、情報を受けるべき正規の受信者を意味する。また「盗聴者」とは、盗聴の意思の有無に関わらず盗聴の可能性のある正規でない受信者を意味する。これらの送受信者、盗聴者の概念は、人物だけに限らず、送信、受信、盗聴の各機能を持った自動、又は、手動の装置を含むものである。
【００１８】
まず、このような電波伝搬路特性によって秘密鍵を生成するための基本原理について説明する。
【００１９】
陸上移動通信においては、マルチパスフェージングの時間変動により、受信点での受信信号強度の時間相関及び空間相関がほぼ無相関となり、他の場所での受信信号強度は全く違ったものになる。一方、電波伝搬では特定の送受信点間で可逆性が成り立つと考えられる。これにより、正規の送受信者間で受信信号強度の情報（広くは、伝送路特性）を共有することが容易であり、また、盗聴者に盗聴される心配もない。
【００２０】
正規の送受信者間で伝送路特性を秘密鍵として共有するには、受信信号強度などの伝送路情報について時間的にサンプリングを行い、サンプリング点全体について後述する方法で二値化（０、１）処理を行う。そして、この二値化処理された二値系列の誤り訂正を行い、共通した秘密鍵としての二値系列を生成する。
【００２１】
次に、本システムを構成する無線局の機能構成について説明する。
【００２２】
本実施の形態における無線局は、相手の無線局に信号を送信する送信手段と、その送信手段によって送信され無線局間の電波伝搬路特性、すなわち、無線局間に存在する電波の反射物、散乱物、遮蔽物、吸収物などあらゆる地物の配置特性及びその電波的な特性などによって変化した信号を受信する受信手段と、その受信信号に基づいて秘密鍵を生成する鍵生成手段と、その生成された秘密鍵が一致するか否かを確認する鍵確認手段と、その秘密鍵の一致が確認できなかった場合に誤り訂正を行って一致化を図る鍵一致化手段と、その一致した秘密鍵を用いて信号を暗号化・復号化して通信を行う通信手段とを備えるようにしたものである。これらの各手段は、次に述べる無線局の各部を協働させて実現される。
【００２３】
図３に基地局ＣＳの構成を示し、図４に移動局ＰＳの構成を示す。なお、この実施の形態において、基地局ＣＳは、アンテナの本数やアンテナ切換部１２の有無を除いて基本的に移動局ＰＳと同じ構成を有しているため、基地局ＣＳを代表して説明する。
【００２４】
信号発生部１０は、あらかじめ定められた互いに共通の信号を発生させ、送信処理部１１、アンテナＡ、Ｂ、Ｃを介して相手方に送信できるようにする。ここで、相手方に送信される信号としては、特殊な信号（測定用信号）の他に、通信用の信号を用いることができる。
【００２５】
送信処理部１１は、送信すべき信号に対して、変調や周波数変換、多元接続、送信信号増幅などの送信系の処理を行う。そして、アンテナ切換部１２によって微小間隔で切り換えられたアンテナＡとアンテナＢを介して移動局ＰＳに信号を送信する。
【００２６】
アンテナ切換部１２は、微小間隔でアンテナＡとアンテナＢを切り換える。この切り換え方法としては、微小間隔毎にアンテナＡとアンテナＢを交互に切り換えるようにしても良く、また、ランダムにアンテナＡとアンテナＢを切り換えるようにしても良い。但し、この切り換えタイミングは、送受信される他の無線局に予め知らせておく必要がある。
【００２７】
一方、受信処理部１３は、相手方から送信されてきた信号を受信するもので、受信した信号に対して、受信増幅や多元接続、周波数変換、復調などの受信系の処理を行う。受信に際しては、同様に、アンテナ切換部１２によって微小間隔で切り換えられたアンテナＡとアンテナＢを用いて、移動局ＰＳから送信されてきた信号を受信する。
【００２８】
二値系列生成部１４は、その伝送路特性に基づく信号の信号強度によって二値系列（０、１）を生成する。この二値系列生成部１４は、まず、アンテナＡ、アンテナＢを切り換えて受信した信号に基づき、サンプリング時間毎にそれぞれのアンテナＡ、アンテナＢによる受信信号の信号強度の大小を比較する。この大小比較する例を図６に示す。図６において、縦軸は受信信号強度を示し、横軸はサンプリング時間のフレーム番号を示す。アンテナＡ−アンテナＣ間の電波伝搬路は、アンテナＢ−アンテナＣ間の電波伝搬路と異なるため、アンテナＡを用いた受信信号とアンテナＢを用いた送受信信号とは異なる。図６ではアンテナＡを用いて送受信した信号を黒い丸印、アンテナＢを用いて送受信した信号を白い丸印としている。通常、送受信機の特性が異なっていても、それぞれで受信した信号は近似した関係を有しているため、このアンテナＡとアンテナＢの信号強度の関係は変わることはない。そこで、このアンテナＡとアンテナＢの信号強度をそれぞれサンプリング時間毎に比較し、例えば、アンテナＡで受信した信号の信号強度が大きい場合は「１」、アンテナＢで受信した信号の信号強度が大きい場合は「０」と設定する。但し、受信強度が所定の閾値よりも小さくて大小の比較が困難なサンプリング時間については、（０、１）の相違を生じやすいので、「０」と「１」を入れ替えながら複数の二値系列候補を生成して鍵候補とする。
【００２９】
鍵一致確認部１５は、図５に示すように鍵確認用データ発生部１５ａと、鍵確認用データ比較部１５ｂと、結果処理部１５ｃとを備えてなるもので、二値系列生成部１４で生成された複数の二値系列候補について、まず、鍵確認用データ発生部１５ａでそれぞれのシンドロームを求め、鍵確認用データ比較部１５ｂで、これらと移動局ＰＳ側から送られてきたシンドロームとを比較する。そして、差分（不一致のビットパターン）を求め、結果処理部１４ｃにて、その差分がゼロであるか否かを判断する。
【００３０】
鍵一致化部１６は、鍵一致確認部１５で演算されたシンドロームの差分がゼロでない場合、誤り訂正復号の手法でこのシンドロームから不一致数最小を満たすビットパターンを推定する。そして、不一致のビットパターンを自局で生成した二値系列から引くことで、相手局の二値系列を得る。この一致化処理された二値系列が秘密鍵となる。
【００３１】
鍵記憶部１７は、鍵一致確認部１５によって一致の確認された秘密鍵、若しくは、鍵一致化部１６によって一致化処理された秘密鍵を記憶するものであり、少なくとも１回の通信の間その情報を記憶しておく。
【００３２】
一方、暗号化部１８は、鍵記憶部１７に記憶されている秘密鍵を用いて送信データを暗号化し、送信処理部１１およびアンテナＡ、Ｂ、Ｃを介して相手方に送信できるようにする。
【００３３】
また、復号化部１９は、逆にアンテナＡ、Ｂ、Ｃ、及び、受信処理部１３を介して受信した暗号化データを秘密鍵で復号化する。
【００３４】
次に、基地局ＣＳ及び移動局ＰＳで秘密鍵を生成する場合における処理のフローチャートの概要を図１に示す。なお、この秘密鍵の生成に際しては、予め、基地局ＣＳと移動局ＰＳでアンテナＡとアンテナＢの切り換えタイミングが知らされているものとする。
【００３５】
まず、基地局ＣＳから移動局ＰＳに向けてアンテナＡ、Ｂから測定用に規定した一定の振幅の信号を送信する（ステップＳ１）。この信号の送信に際しては、アンテナＡとアンテナＢを微小間隔毎、若しくは、ランダムに切り換えて信号を送信する。
【００３６】
この送信された信号は、途中の電波伝搬路特性によって変化を受けて、移動局ＰＳで受信される（ステップＴ２）。移動局ＰＳ側では、基地局ＣＳの２つのアンテナＡ、Ｂから送信されてきた信号の信号強度を測定し（ステップＴ３）、サンプリング時間毎に大小比較して二値化処理する（ステップＴ４）。この二値化処理では、受信強度が所定の閾値よりも小さくて大小の比較が困難なサンプリング時間や、アンテナの切り換えタイミングとほぼ一致するようなサンプリング時間を除いて、例えば、アンテナＡから送信された信号の信号強度が大きい場合「１」に、アンテナＢから送信された信号の信号強度が大きい場合「０」と設定する。また、受信強度が所定の閾値よりも小さく、大小の比較が困難なサンプリング時間については、「０」と「１」を入れ替えて、鍵の有力な候補としての複数の二値系列候補を生成する。
【００３７】
一方、今度は、逆に移動局ＰＳ側から同じ測定用に規定した信号を送信し（ステップＴ１）、途中の電波伝搬路特性によって変化を受けた信号を基地局ＣＳ側の２つのアンテナＡ、Ｂで受信する（ステップＳ２）。そして、各々のアンテナＡ、Ｂで受信した信号の信号強度を測定し（ステップＳ３）、同様に、受信強度が所定の閾値よりも小さくて大小の比較が困難なサンプリング時間を除いて二値化する（ステップＳ４）。このとき、例えば、アンテナＡで受信した信号の信号強度が大きい場合「１」に、アンテナＢで受信した信号の信号強度が大きい場合「０」とする。また、受信強度が所定の閾値よりも小さくて大小の比較が困難なサンプリング時間については、「０」と「１」を入れ替えて、鍵の有力な候補としての複数の二値系列候補を生成する。
【００３８】
そして、基地局ＣＳ側では、これらの測定用信号を送信した時間差に対する補正処理を行う（ステップＳ５）。
【００３９】
そして、移動局ＰＳ側では、この生成された複数の二値系列候補（鍵候補）のビットパターンｘ2について検査行列Ｈを掛けてシンドロームｓ2＝ｘ2ＨＴを演算し（ステップＴ５）、そのシンドロームｓ2の情報を基地局ＣＳ側に送信する。一方、基地局ＣＳ側でも同様に自局で生成されたビットパターンｘ1について検査行列を掛けてシンドロームｓ1＝ｘ1ＨＴを演算し（ステップＳ６）、移動局ＰＳ側から送信されてきたシンドロームｓ2との差分ｓ＝ｓ１−ｓ２、及び、ビットパターンの差分ｅ＝ｅ１−ｅ２を求めて鍵一致の確認を行う（ステップＳ７）。そして、このシンドロームの差分ｓが最も小さい組み合わせについて、その差分がｓ＝０である場合は、それぞれ一致した鍵と推定する。そして、その推定の確認を行うべく、基地局ＣＳ側から移動局ＣＳ側へその二値系列をハッシュ化した情報ｆ（ｆ＝Ｆ（ｘ））を送信する。移動局ＰＳ側では、そのハッシュ化した情報ｆを受信するとともに、自局で最有力候補と推定された二値系列についてハッシュ化し、その一致が確認された場合は、その確認信号を移動局ＰＳ側へ送信する（ステップＴ６）。
【００４０】
一方、シンドロームの差分がｓ≠０の場合、すなわち、鍵が不一致である場合、誤り訂正復号の手法でｓから不一致数最小を満たすeを推定し、基地局ＣＳで推定した最有力の二値系列（最有力の鍵候補）から引くことで、秘密鍵を得る（ステップＳ８）。
【００４１】
そして、同様に、基地局ＣＳ側から移動局ＰＳ側へその二値系列をハッシュ化した情報を送信する。移動局ＰＳ側では、そのハッシュ化した情報を受信するとともに、自局で最有力候補と推定された二値系列についてハッシュ化し、その一致が確認された場合（ステップＴ６）、確認信号を基地局ＣＳ側へ送信する。
【００４２】
そして、このように秘密鍵の一致の確認が行われた後、その秘密鍵を用いて送信データを暗号化するとともに、受信したデータを復号して受信データとして出力する（ステップＳ９、Ｔ７）。
【００４３】
このように上記実施の形態によれば、基地局ＣＳと移動局ＰＳの間の電波伝搬路特性に基づいて秘密鍵を生成する場合、基地局ＣＳを２本のアンテナＡ、Ｂを有するように構成し、このアンテナＡとアンテナＢの切り換えによって受信した信号強度を、それぞれの基地局ＣＳ及び移動局ＰＳでサンプリング時間毎に大小比較し、この大小比較の情報に基づいて秘密鍵を生成するようにしたので、従来のように、送受信機の特性や雑音の影響を少なくするために長い時間測定用信号を受信しなければならないといったことがなくなり、送受信機の特性などに影響を受けることなく、短時間の受信によっても共通の秘密鍵を生成することができる。
【００４４】
また、このように信号強度の大小に基づいて二値系列を生成する場合、大小比較が困難な位置として、アンテナＡとアンテナＢによって受信した信号の信号強度の差が所定値よりも小さい位置については、無理に大小比較を行って（０、１）を設定するのではなく、グレーゾーンとして「０」と「１」の情報を順次入れ替えながら複数の二値系列候補を生成し、この生成された全ての二値系列候補から誤りビット数が最小となる二値系列を抽出して秘密鍵を生成するようにしたので、単一の二値系列を無理に生成して誤り訂正を行う場合に比べて、格段に誤り訂正能力をあげることができ、しかも、簡易に訂正を行うことができるようになる。
【００４５】
また、アンテナを切り換える場合、二本のアンテナＡ、Ｂをランダムに切り換えるようにしたので、二値化する際に（０、１）の固定の値が連続して発生することがなくなり、（０、１）の分散化を図ることができるばかりでなく、また、盗聴者による鍵の推測を防止することができるようになる。
【００４６】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。
【００４７】
例えば、上記実施の形態では、基地局ＣＳ側に２本のアンテナＡ、Ｂを設けるようにしているが、これに限るものではなく、移動局ＰＳ側にも複数のアンテナを設けるようにしても良い。また、アンテナの本数については２本に限定されるものではなく、３本以上であっても良い。
【００４８】
また、秘密鍵の生成フローの説明においては、基地局ＣＳ側から測定用信号を送信するように説明しているが、これに限定されるものではなく、まず、移動局ＰＳ側から測定用信号を送信するようにしても良い。また、秘密鍵の生成フローの説明において、移動局ＰＳ側からシンドロームを送信し、基地局ＣＳ側で鍵の一致化処理を行うようにしているが、これとは逆に、基地局ＣＳ側からシンドロームを送信し、移動局ＰＳ側で鍵の一致化処理を行うようにしても良い。
【実施例１】
【００４９】
上記実施の形態によるシミュレーションの結果を以下に示す。実用化を念頭に置き伝搬路特性を測定する方法として、ＡＲＩＢのＰＨＳ規格であるＲＣＲ ＳＴＤ−２８に準拠したＴＤＭＡ／ＴＤＤにより受信信号強度を測定する方法を用いる。
【００５０】
システムモデルは図１と同様である。システムは商用回線で利用されているモデルをベースに基地局と移動局で構成し、さらに、両者の信号を受信できる移動局（盗聴者）も存在する環境を想定した。また、基地局には２つのアンテナＡ及びＢ、移動局はオムニアンテナが1つ搭載されている。どの送受信機についても、ＰＨＳ規格に準拠したものとする。
【００５１】
また、システムの使用環境はＡＲＩＢのＰＨＳ標準規格に準拠し１．９ＧＨｚ帯を使用するものとし、屋外でのマイクロセル環境を想定する。
【００５２】
伝搬路特性は表1に示すように、屋外でのレイリーフェージングを想定し、また、最大ドップラー周波数の標準値を１０Ｈｚとした。なお、盗聴者が測定する伝搬路特性は、正規受信者の信号と電力は同一で、レイリーフェージング変動は独立なものとした。
【００５３】
【表１】
2006222817.tif 000003
【００５４】
次に、表２に鍵生成諸元を示す。
【００５５】
【表２】
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【００５６】
まず、ＡＲＩＢ標準規格（ＲＣＲ  ＳＴＤ−２８）であるＰＨＳの規格に基づき、図７に示すブロックダイヤグラムとパケット構成を設定する。１ＴＤＭＡ／ＴＤＤフレーム長は５ｍｓであり、通常その中に1スロット６２５μｓが８スロット入っており、商用では最大４ユーザまでが使用できる。ここでは、そのうち４スロット（１、２、５、６番目のスロット）を使用する。１、２番目のスロットを用いて、基地局側から移動局側へＡとＢの２つのアンテナからそれぞれ送信を行う。また、逆に移動局側から基地局側へは５、６番目のスロット用いて送信を行い、基地局側のＡとＢの２つのアンテナで受信する。そこで、１番目と２番目の各スロットにより測定した受信信号強度を比較し、１番目の強度が２番目の強度以上であれば「１」とし、未満であれば「０」とする二値化処理を施す。また、正規の基地局−移動局間における受信信号強度の推定精度を高める（推定精度の分散を小さくする）ために、双方で受信した制御用フレームの情報ビット全３４ビットについて時間平均を行う。その後、基地局側で前述した方法で送受信時間差（２．５ｍｓ）の補償として線形補間を行い、移動局側の測定データを推定する。
【００５７】
さらに、鍵の不一致を減らす為に、誤り頻出ビットを１０ビットとして前述したシンドローム差分により、鍵第一候補を求める。ここでの誤り頻出ビットの決定は、アンテナの信号強度が入れ替わる際に誤りが多く発生するため、信号強度が密接しているビットから順に１０ビット選ぶものとする。その後、最終的な秘密鍵の共有を図るため、生成鍵１２８ビットのうち１ビットは既知データを用い、その他の１２７ビットについて符号長１２７、情報長１１３、最小符号間距離５のＢＣＨ符号化が行われたものとして、２ビット以内の不一致訂正を行う。この場合、共有できる鍵の長さは１２８ビットであるため、１２８ビットの鍵を用いた暗号化が可能である。しかし、シンドローム情報が盗聴される危険性があるため、実質的な鍵の長さは１１３ビットである。実質的な鍵の長さも１２８ビットにしたい場合は、伝送路特性の測定回数を増やし標本点を多くすることで実現できる。
【００５８】
次に、鍵の生成がどのようにして行われるかの一例を以下に示す。ここでは、伝送路のＳＮ比が１５ｄＢの環境で、鍵生成が行われたものとする。また、最大ドップラー周波数は１０Ｈｚに設定した。図６にこれらの環境下でのアンテナ切換えによる１スロット情報ビット３４ビットを加算した受信信号波形を示す。図６（ａ）は正規基地局側における波形であり、図６（ｂ）は正規移動局側における波形である。これらの波形において、アンテナＡ及びＢでは全くランダムな動きをしているのが分かり、盗聴者がこの波形を推測することは困難である。また、これらの波形より秘密鍵の（０、１）パターンを生成するには、ここではアンテナＡの信号強度からアンテナＢの信号強度を差し引き、正または０であれば「１」を、負であれば「０」を二値化の値とし求めることとした。図６（ａ）及び（ｂ）の波形は非常によく似ているが、アンテナＡの信号強度とアンテナＢの信号強度とが非常に似通っている場合には、二値化の際に雑音等により誤って判定を行い鍵の不一致を生じさせる。そこで、本実施例ではアンテナＡ及びＢの受信信号強度が密接しているビットから順に１０ビットを誤り頻出ビットとして選ぶものとする。
【００５９】
次に、図６の波形について二値化を行い得られた（０、１）パターンを図８に示す。塗り潰しを行った部分が検出した誤り頻出ビットである。これらのビットについては、例え誤っていたとしても前述した方法により誤りを回避することができる。また、太い枠で囲った塗り潰し領域のビットは、誤り頻出ビットとして検出できなかった誤りのビットである。このビットについては、本実施例では２ビット以内であれば、前述した方法により誤り訂正を行うことができ、正規局間で秘密鍵を共有することができる。
【００６０】
次に、鍵を生成する上での雑音の影響を調べた。図９に使用環境の最大ドップラー周波数を１０Ｈｚとし、正規局間において各ＳＮ比につき１２８ビットの鍵を１０００回生成しシミュレーションを行ったときのＳＮ比対鍵一致率特性を示す。
【００６１】
図９において、何の共有鍵の不一致対策も施していない場合には、全てのＳＮ比においてほぼ全て秘密鍵が共有できていない。しかし、線形補間による測定時間差補償、誤り頻出ビットの除去及び誤り訂正を施すことにより、ＳＮ比１５ｄＢの環境でほぼ０％となり実用的な環境でも鍵が生成できることが確認できた。また、ここでは時間差補償と誤り頻出ビットの除去により、大きく共有鍵の不一致が改善されていることが分かる。
【００６２】
図１０に、図９と同じ環境下において各ＳＮ比につき１２８ビットの鍵を１０００回生成しシミュレーションを行ったときのＳＮ比対鍵１２８ビット中の平均誤りビット数特性を示す。ＳＮ比１５ｄＢの環境で何も対策を施さない場合には平均誤りビット数が９ビット前後であったものが、時間差補償と誤り頻出ビットの除去によりほぼ０ビットとなりこの図からも不一致対策の有効性が確認できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態における鍵生成のフローチャートの概要を示す図
【図２】同形態における無線通信システムの概要を示す図
【図３】同形態における基地局のシステム構成図
【図４】同形態における移動局のシステム構成図
【図５】同形態における基地局と移動局の鍵一致確認部の具体的構成を示す図
【図６】同実施の形態の一実施例における受信信号強度の大小比較を示す図
【図７】同形態におけるブロックダイヤグラムとパケット構成を示す図
【図８】図６に基づいて生成した二値系列を示す図
【図９】同実施例におけるＳＮ比対鍵一致率特性を示す図
【図１０】同実施例におけるＳＮ比対鍵１２８ビット中の平均誤りビット数特性を示す図
【図１１】従来例の閾値処理を示す図
【符号の説明】
【００６４】
信号発生部・・・１０
アンテナ切換部・・・１２
アンテナ・・・Ａ、Ｂ、Ｃ
送信処理部・・・１１
受信処理部・・・１３
二値系列生成部・・・１４
鍵一致確認部・・・１５
鍵一致化部・・・１６
鍵記憶部・・・１７
暗号化部・・・１８
復号部・・・１９
【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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