(57)【要約】【課題】  盗聴者が暗号文の解析に要する時間を著しく増大させ、天文学的な計算量に基づく秘匿性の高いデータ通信装置を提供する。【解決手段】  予め定められた所定の第１の初期値（鍵情報）によって得られる多値符号列と情報データを用いて、当該レベルが略乱数的に変化する多値信号を発生する。多値信号の発生には、複数の鍵情報を用い、当該複数の鍵情報を所定のタイミングで切り替えて多値信号を発生する。多値信号は、所定の変調形式の変調信号に変換され、送信される。前記変調信号を復調して多値信号を出力し、予め定められた所定の第２の初期値（鍵情報）と多値信号を入力し、情報データを再生する。このため、変調信号が傍受され、多値信号に再生できたとしても、多値信号から情報データの復号を困難にすることが可能となる。【選択図】  図１
2006295338.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
暗号通信を行うデータ送信装置であって、
予め定められた所定の鍵情報と情報データとを入力し、信号レベルが略乱数的に変化する多値信号を発生する多値符号化部と、
前記多値信号に基づいて、所定の変調形式の変調信号を発生する変調部とを備えることを特徴とする、データ送信装置。
【請求項２】
前記多値符号化部は、
前記鍵情報から、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、
所定の処理に従って、前記多値符号列と前記情報データとを合成し、両信号レベルの組み合わせに一意に対応したレベルを有する多値信号を生成する多値処理部とを備えることを特徴とする、請求項１に記載のデータ送信装置。
【請求項３】
前記多値符号化部は、前記多値符号列を、前記多値符号列のレベルの間隔を決定するバイアスレベル数と異なるバイアスレベル数の変換多値符号列に、変換鍵情報を用いて変換する多値符号列変換部をさらに備える、請求項２に記載のデータ送信装置。
【請求項４】
前記多値符号発生部は、所定の期間ごとに、バイアスレベル数が変化する前記多値符号列を出力し、
前記多値符号列変換部は、前記多値符号列のバイアスレベル数の変化に応じて、前記変換多値符号列のバイアスレベル数を変化させることを特徴とする、請求項３に記載のデータ送信装置。
【請求項５】
前記多値符号列変換部は、所定の鍵情報使用期間ごとに、複数の前記変換鍵情報のうちいずれか１つの前記変換鍵情報を用いて、前記多値符号列から前記変換多値符号列に変換することを特徴とする、請求項３に記載のデータ送信装置。
【請求項６】
前記多値符号列変換部は、前記多値符号列のレベルを前記変換多値符号列のレベルに割り当てるための少なくとも１つ以上のオフセット値を前記変換鍵情報から計算し、所定の割り当て期間ごとに当該少なくとも１つ以上のオフセット値のうちいずれか１つの当該オフセット値を用いて、前記多値符号列のレベルを前記変換多値符号列のレベルに割り当てることを特徴とする、請求項３から５のいずれかに記載のデータ送信装置。
【請求項７】
前記変換鍵情報は、第１の素数と、当該第１の素数とそれぞれ異なる第２の素数と第３の素数との積である乗算値とを含み、
前記多値符号化部は、前記多値符号列のバイアスレベル数を第１の素数でべき乗したべき乗値を計算し、当該べき乗値を前記乗算値で割った余りを、前記変換多値符号列のバイアスレベル数とするべき乗剰余演算部をさらに備えることを特徴とする、請求項３から５のいずれかに記載のデータ送信装置。
【請求項８】
暗号通信を行うデータ受信装置であって、
所定の変調形式の変調信号を復調し、多値信号を出力する復調部と、
予め定められた所定の鍵情報と前記多値信号とを入力し、情報データを出力する多値復号化部とを備えることを特徴とする、データ受信装置。
【請求項９】
前記多値復号化部は、
前記鍵情報から、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、
前記多値符号列に基づいて前記多値信号を識別し、前記情報データを出力する多値識別部とを備えることを特徴とする、請求項８に記載のデータ受信装置。
【請求項１０】
前記多値復号化部は、前記多値符号列を、前記多値符号列のレベルの間隔を決定するバイアスレベル数と異なるバイアスレベル数の変換多値符号列に、変換鍵情報を用いて変換する多値符号列変換部をさらに備える、請求項９に記載のデータ受信装置。
【請求項１１】
前記多値符号発生部は、所定の期間ごとに、バイアスレベル数が変化する前記多値符号列を出力し、
前記多値符号列変換部は、前記多値符号列のバイアスレベル数の変化に応じて、前記変換多値符号列のバイアスレベル数を変化させることを特徴とする、請求項１０に記載のデータ受信装置。
【請求項１２】
前記多値符号列変換部は、所定の鍵情報使用期間ごとに、複数の前記変換鍵情報のうちいずれか１つの前記変換鍵情報を用いて、前記多値符号列から前記変換多値符号列に変換することを特徴とする、請求項１０に記載のデータ受信装置。
【請求項１３】
前記多値符号列変換部は、前記多値符号列のレベルを前記変換多値符号列のレベルに割り当てるための少なくとも１つ以上のオフセット値を前記変換鍵情報から計算し、所定の割り当て期間ごとに当該少なくとも１つ以上のオフセット値のうちいずれか１つの当該オフセット値を用いて、前記多値符号列のレベルを前記変換多値符号列のレベルに割り当てることを特徴とする、請求項１０から１２のいずれかに記載のデータ受信装置。
【請求項１４】
前記変換鍵情報は、第１の素数と、当該第１の素数とそれぞれ異なる第２の素数と第３の素数との積である乗算値とを含み、
前記多値符号化部は、前記多値符号列のバイアスレベル数を第１の素数でべき乗したべき乗値を計算し、当該べき乗値を前記乗算値で割った余りを、前記変換多値符号列のバイアスレベル数とするべき乗剰余演算部をさらに備えることを特徴とする、請求項１０から１２のいずれかに記載のデータ受信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第三者による不法な盗聴・傍受を防ぐ秘密通信を行う装置に関する。より特定的には、正規の送受信者間で、特定の符号化／復号化（変調／復調）方式を選択・設定してデータ通信を行う装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特定者同志でのみ通信を行うためには、送信／受信間で符号化／復号化のための元情報（鍵情報）を共有し、当該情報に基づいて、伝送すべき情報データ（平文）を数学的に演算／逆演算することにより秘密通信を実現する構成が採用されている。図１３は、当該構成に基づく、従来のデータ送信装置の構成を示すブロック図である。図１３において、従来のデータ通信装置は、送信部９０００１と、伝送路９１３と、受信部９０００２とで構成される。送信部９０００１は、符号化部９１１と、変調部９１２とからなる。受信部９０００２は、復調部９１４と、復号化部９１５とからなる。ここで、符号化部９１１に情報データ９０と第１の鍵情報９１とを入力し、復号化部９１５に第２の鍵情報９６を入力すると、復号化部９１５から情報データ９８が出力される。さらに、第三者による盗聴行為を説明するため、図１３は、盗聴者復調部９１６と、盗聴者復号化部９１７とからなる盗聴者受信部９０００３を含むものとする。盗聴者復号化部９１７には、第３の鍵情報９９が入力される。以下に、図１３を参照しながら、従来のデータ通信装置の動作を説明する。
【０００３】
送信部９０００１において、符号化部９１１は、情報データ９０を、第１の鍵情報９１に基づいて符号化（暗号化）する。変調部９１２は、符号化部９１１で暗号化された情報データを所定の変調形式の変調信号９４に変換して伝送路９１３に送出する。受信部９０００２において、復調部９１４は、伝送路９１３を介して伝送されてきた変調信号９４を所定の復調方式で復調する。復号化部９１５は、符号化部９１１との間で共有した第１の鍵情報９１と同一の第２の鍵情報９６に基づいて復号化（暗号解読）して、元の情報データ９８を出力する。
送信部９０００１と受信部９０００２との間で伝送される変調信号（情報データ）を盗聴するに当たり、盗聴者受信部９０００３において、盗聴者復調部９１６が、伝送路９１３を伝搬する変調信号の一部を分岐、入力し、所定の復調方式で復調し、盗聴者復号化部９１７が第３の鍵情報９９に基づいて復号化を試みる。ここで、盗聴者復号化部９１７は、符号化部９１１との間で鍵情報を共有していないものとする。即ち、盗聴者復号化部９１７は、第１の鍵情報９１と異なる第３の鍵情報９９に基づき復号化を行うため、元の情報データを正しく再生することができない。
【０００４】
このような数学的な演算に基づく数理暗号（または、計算暗号、ソフトウェア暗号とも呼ばれる）技術は、例えば特開平９−２０５４２０号公報にも記されているように、アクセスシステム等に適用できる。即ち、１つの光送信器から送出された光信号を光カプラで分岐し、複数の光加入者宅の光受信器にそれぞれ配信するＰＯＮ（Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）構成では、各光受信器に、所望の光信号以外の他加入者に向けた信号が入力される。そこで、互いに異なる鍵情報を用いて、加入者毎の情報データを暗号化することによって、互いの情報の漏洩・盗聴を防ぎ、安全なデータ通信を実現することができる。
【特許文献１】特開平９−２０５４２０号公報
【非特許文献１】石橋啓一郎他訳、「暗号とネットワークセキュリティ：理論と実際」、ピアソン・エデュケーション、２００１年
【非特許文献２】安達真弓他訳、「暗号技術大全」、ソフトバンクパブリッシング、２００３年
【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、数理暗号技術に基づく従来のデータ通信装置では、盗聴者は、たとえ鍵情報を共有しなくとも、暗号文（変調信号、または暗号化された情報データ）に対して、考え得る全ての組み合わせの鍵情報を用いた演算（総当たり攻撃）や、特殊な解析アルゴリズムの適用を試みれば、原理的に暗号解読が可能である。特に、近年の計算機の処理速度向上は目覚ましく、将来的に量子コンピュータ等の新しい原理による計算機が実現されれば、有限の時間内で、暗号文を盗聴できるという課題を有していた。
【０００６】
それ故に、本発明の目的は、盗聴者が暗号文の解析に要する時間を著しく増大させ、天文学的な計算量に基づく秘匿性の高いデータ通信装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、暗号化通信を行うデータ送信装置に向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明のデータ送信装置は、多値符号化部と変調部とを備える。多値符号化部は、予め定められた所定の鍵情報と情報データとを入力し、信号レベルが略乱数的に変化する多値信号を発生する。変調部は、多値信号に基づいて、所定の変調形式の変調信号を発生する。
【０００８】
好ましくは、多値符号化部は、多値符号発生部と多値処理部とを備える。多値符号発生部は、所定の鍵情報から、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する。多値処理部は、所定の処理に従って多値符号列と情報データとを合成し、多値符号列と情報データとのレベルの組み合わせに一意に対応した信号レベルを有する多値信号を生成する。
【０００９】
好ましくは、多値符号化部は、多値符号列を、多値符号列のレベルの間隔を決定するバイアスレベル数と異なるバイアスレベル数の変換多値符号列に、変換鍵情報を用いて変換する多値符号列変換部をさらに備えるとよい。
【００１０】
また、多値符号発生部は、所定の期間ごとに、バイアスレベル数が変化する多値符号列を出力し、多値符号列変換部は、多値符号列のバイアスレベル数の変化に応じて、変換多値符号列のバイアスレベル数を変化させるとよい。
【００１１】
また、多値符号列変換部は、所定の鍵情報使用期間ごとに、複数の変換鍵情報のうちいずれか１つの変換鍵情報を用いて、多値符号列から変換多値符号列に変換するとよい。
【００１２】
好ましくは、多値符号列変換部は、多値符号列のレベルを変換多値符号列のレベルに割り当てるための少なくとも１つ以上のオフセット値を変換鍵情報から計算し、所定の割り当て期間ごとに当該少なくとも１つ以上のオフセット値のうちいずれか１つの当該オフセット値を用いて、多値符号列のレベルを変換多値符号列のレベルに割り当てるとよい。
【００１３】
好ましくは、変換鍵情報は、第１の素数と、当該第１の素数とそれぞれ異なる第２の素数と第３の素数との積である乗算値とを含み、多値符号化部は、多値符号列のバイアスレベル数を第１の素数でべき乗したべき乗値を計算し、当該べき乗値を乗算値で割った余りを、変換多値符号列のバイアスレベル数とするべき乗演算部をさらに備えるとよい。
【００１４】
また、本発明は、暗号通信を行うデータ受信装置にも向けられている。そして上記目的を達成させるために、本発明のデータ受信装置は、復調部と多値復号化部とを備える。復調部は、所定の変調形式の変調信号を復調し多値信号を出力する。多値復号化部は、予め定められた所定の鍵情報と多値信号とを入力し、情報データを出力する。
【００１５】
好ましくは、多値復号化部は、多値符号列発生部と多値識別部とを備える。多値符号列発生部は、鍵情報から、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する。多値識別部は、多値符号列に基づいて多値信号を識別し、情報データを出力する。
【００１６】
好ましくは、多値符号化部は、多値符号列を、多値符号列のレベルの間隔を決定するバイアスレベル数と異なるバイアスレベル数の変換多値符号列に、変換鍵情報を用いて変換する多値符号列変換部をさらに備えるとよい。
【００１７】
また、多値符号発生部は、所定の期間ごとに、バイアスレベル数が変化する多値符号列を出力し、多値符号列変換部は、多値符号列のバイアスレベル数の変化に応じて、変換多値符号列のバイアスレベル数を変化させるとよい。
【００１８】
また、多値符号列変換部は、所定の鍵情報使用期間ごとに、複数の変換鍵情報のうちいずれか１つの変換鍵情報を用いて、多値符号列から変換多値符号列に変換するとよい。
【００１９】
好ましくは、多値符号列変換部は、多値符号列のレベルを変換多値符号列のレベルに割り当てるための少なくとも１つ以上のオフセット値を変換鍵情報から計算し、所定の割り当て期間ごとに当該少なくとも１つ以上のオフセット値のうちいずれか１つの当該オフセット値を用いて、多値符号列のレベルを変換多値符号列のレベルに割り当てるとよい。
【００２０】
好ましくは、変換鍵情報は、第１の素数と、当該第１の素数とそれぞれ異なる第２の素数と第３の素数との積である乗算値とを含み、多値符号化部は、多値符号列のバイアスレベル数を第１の素数でべき乗したべき乗値を計算し、当該べき乗値を乗算値で割った余りを、変換多値符号列のバイアスレベル数とするべき乗演算部をさらに備えるとよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のデータ通信装置は、鍵情報に基づいて情報データを多値信号に符号化・変調して送信し、受信した多値信号を同一の鍵情報に基づいて復調・符号化し、多値信号の信号対雑音電力比を適正化することにより、暗号文の解析に要する時間を著しく増大させ、天文学的計算量に基づく秘匿性の高いデータ通信装置を提供することができる。
【００２２】
また、本発明のデータ送信装置及びデータ受信装置は、他の鍵情報を用いて、多値符号列を、多値符号列のバイアスレベル数と異なるバイアスレベル数の変換多値符号列に変換し、変換多値符号列と情報データとを用いて多値信号を生成することによって、多値信号の多値数に鍵情報を包含させる。これにより、第三者による多値信号の解読および復号化を困難とすることができる。
【００２３】
また、本発明のデータ送信装置及びデータ受信装置は、変換多値符号列のバイアスレベル数をＲＳＡ公開鍵方式の手順を用いて決定することによって、変換多値符号列のバイアスレベル数から多値符号列のバイアスレベル数の導出を極めて困難にする。従って、第三者は、多値信号の解読及び復号化の際に多値信号の多値数の判定をすることが非常に困難となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック図である。図１において、データ通信装置は、多値符号化部１１１と、変調部１１２と、伝送路１１０と、復調部２１１と、多値復号化部２１２とで構成される。多値符号化部１１１は、第１の多値符号発生部１１１ａと、多値処理部１１１ｂとからなる。多値復号化部２１２は、第２の多値符号発生部２１２ａと、多値識別部２１２ｂとからなる。また、多値符号化部１１１と変調部１１２とで送信部１０１０１を構成し、復調部２１１と多値復号化部２１２とで受信部１０２０１を構成する。伝送路１１０には、ＬＡＮケーブルや同軸ケーブル等の金属路線や、光ファイバケーブル等の光導波路を用いることができる。また、伝送路１１０は、ＬＡＮケーブル等の有線ケーブルに限られず、無線信号を伝搬する自由な空間であってもよい。
なお、図２および図３に、変調部１１２から出力される変調信号波形を説明するための模式図を示す。以下に、第１の実施形態について、図２および図３を用いながら、その動作を説明する。
【００２５】
第１の多値符号発生部１１１ａは、予め定められた所定の第１の鍵情報１１に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列１２（図２（ｂ））を発生する。多値処理部１１１ｂは、多値符号列１２と情報データ１０（図２（ａ））とを入力し、所定の手順に従って両信号を合成し、当該信号レベルの組み合わせに一意に対応したレベルを有する多値信号１３（図２（ｃ））を生成し、出力する。例えば、図２では、多値符号列１２がタイムスロットｔ１／ｔ２／ｔ３／ｔ４に対して当該レベルがｃ１／ｃ５／ｃ３／ｃ４と変化し、これをバイアスレベルとして、情報データ１０を加算することで、Ｌ１／Ｌ８／Ｌ６／Ｌ４と変化する多値信号１３を生成する。ここで、図３に示すように、情報データ１０の振幅を“情報振幅”、多値信号１３の全振幅を“多値信号振幅”、各バイアスレベル（多値符号列１２のレベル）ｃ１／ｃ２／ｃ３／ｃ４／ｃ５に対応して、多値信号１３が取り得るレベルの組（Ｌ１、Ｌ４）／（Ｌ２、Ｌ５）／（Ｌ３、Ｌ６）／（Ｌ４、Ｌ７）／（Ｌ５、Ｌ８）を、第１〜第５の“基底”、多値信号１３の最小信号点間距離を“ステップ幅”とそれぞれ呼称する。変調部１１２は、多値信号１３を元データとして、所定の変調形式の変調信号１４に変換して、伝送路１１０に送出する。
【００２６】
復調部２１１は、伝送路１１０を介して伝送されてきた変調信号１４を復調し、前記多値信号１５を再生する。第２の多値符号発生部２１２ａは、前記第１の鍵情報１１と同一の第２の鍵情報１６を予め共有し、当該第２の鍵情報１６に基づいて、前記多値符号列１２に相当する多値符号列１７を発生する。多値識別部２１２ｂは、多値符号列１７を閾値として、多値信号１５の識別（２値判定）を行い、情報データ１８を再生する。ここで、変調部１１２と復調部２１１とが、伝送路１１０を介して送受信する所定の変調形式の変調信号１４は、電磁波（電磁界）または光波を多値信号１３で変調して得られるものである。
【００２７】
なお、多値処理部１１１ｂにおける多値信号１３の生成については、上述のように、多値符号列１２と情報データ１０の加算処理による方法以外に、情報データ１０に従って、多値符号列１２のレベルを振幅変調／制御する方法や、あるいは、両信号レベルの組み合わせに対応した多値信号レベルを予め記憶させたメモリから、両信号レベルに応じて逐次読み出す方法等、いかなる手順であっても構わない。
【００２８】
図２および図３では、多値信号の値数を“８”として表記したが、これに限定されるものではなく、それより大きくても小さくても良い。また、情報振幅を多値信号のステップ幅の３倍、もしくは整数倍として表記したが、これに限らず、いかなる奇数倍や偶数倍であっても良いし、あるいは整数倍でなくても構わない。さらに、これに関連して、図２および図３では、多値符号列の各レベル（各バイアスレベル）が、多値信号の各レベル間の略中心になるよう配置したが、これに限定されるものではなく、多値符号列の各レベルは、多値信号の各レベル間の略中心でなくても良いし、あるいは多値信号の各レベルに一致しても構わない。また、多値符号列と情報データとの変化レートが互いに等しく同期関係にあることを前提としたが、この限りではなく、一方の変化レートが他方より高速（または低速）であっても良いし、非同期であっても構わない。
【００２９】
次に、第三者による、変調信号の盗聴動作について説明する。当該第三者は、正規の受信者が備える受信部１０２０１に準じた構成、もしくはさらに高性能な受信部（盗聴者受信部）を用いて、変調信号を受信、解読することが想定され、当該復調部（盗聴者復調部）は、変調信号を復調することにより、多値信号を再生する。しかし、当該多値復号化部（盗聴者多値復号化部）は、送信部１０１０１の多値符号化部１１１との間で第１の鍵情報１１を共有しないため、受信部１０２０１のように、当該鍵情報から発生した多値符号列を基準とした２値判定を行うことができない。このような場合に考え得る盗聴動作としては、多値信号の全レベルに対する識別を同時に行う方法（一般に「総当たり攻撃」と呼ばれる）がある。即ち、多値信号が取り得る全ての信号点間に対する閾値を用意して同時判定を行い、当該判定結果を解析することにより、正しい鍵情報または情報データを抽出する。例えば、図２に示した、多値符号列のレベルｃ０／ｃ１／ｃ２／ｃ３／ｃ４／ｃ５／ｃ６を閾値として用いて、多値信号に対する多値判定を行うことにより、当該レベルを同定する。
【００３０】
しかしながら、実際の伝送系では、種々の要因により雑音が発生し、これが変調信号に重畳されることによって、多値信号のレベルは、図４に示すように時間的・瞬時的に変動する。このような場合、正規受信者（受信部１０２０１）による２値判定動作における被判定信号のＳＮ比（信号対雑音強度比）が、多値信号中の情報振幅と雑音量の比で決まるのに対して、盗聴者受信部による多値判定動作においては、多値信号のステップ幅と雑音量との比によってＳＮ比が決まる。このため、被判定信号が有する雑音レベルが同一条件下においては、当該ＳＮ比は相対的に小さくなり、伝送特性（誤り率）が劣化することになる。即ち、第三者が、全閾値による総当たり攻撃に対して識別誤りを誘発させて、盗聴を困難にすることができる。特に、多値信号のステップ幅を、当該雑音振幅（雑音強度分布の拡がり）に対して同オーダ、もしくは、より小さく設定すれば、第三者による多値判定を事実上不可能にして、理想的な盗聴防止を実現できる。
【００３１】
なお、上述のように被判定信号（多値信号、または変調信号）に重畳される雑音としては、変調信号に無線信号等の電磁波を用いた場合は、空間場や電子部品等が有する熱雑音（ガウス性雑音）を、光波を用いた場合は、熱雑音に加えて、光子が発生する際の光子数ゆらぎ（量子雑音）を、それぞれ利用できる。特に、量子雑音を伴った信号には、その記録や複製等の信号処理が適用できないことから、当該雑音量を基準に多値信号のステップ幅を設定することによって、第三者による盗聴を不可能として、データ通信の絶対的な安全性を確保することができる。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態によれば、伝送すべき情報データを多値信号として符号化し、当該信号点間距離を、当該雑音量に対して適切に設定することにより、第三者による盗聴時の受信信号品質に対して決定的な劣化を与えて、その解読・復号化を困難にする、安全なデータ通信装置を提供することができる。
【００３３】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック図である。本図において、データ通信装置は、多値符号化部１１１と、変調部１１２と、伝送路１１０と、復調部２１１と、多値復号化部２１２と、第１のデータ反転部１１３と、第２のデータ反転部２１３とから構成され、図１の構成に対して、第１のデータ反転部１１３と、第２のデータ反転部２１３を新たに備える点が異なっている。また、多値符号化部１１１と、変調部１１２と、第１のデータ反転部１１３とで、送信部１０１０２を構成し、復調部２１１と、多値復号化部２１２と、第２のデータ反転部２１３とで、受信部１０２０２を構成する。以下に、本実施形態の動作を説明する。
【００３４】
本実施例の構成は、前述の第１の実施形態（図１）に準ずるため、同一の動作を行うブロックに関しては、同一の番号を付して、その説明を省略し、相違点のみを説明する。その構成において、第１のデータ反転部１１３は、情報データの有する“０”と“１”の情報と、ＬｏｗレベルとＨｉｇｈレベルとの対応関係を固定せず、所定の手順で当該対応関係を略ランダムに変更する。例えば、多値符号化部１１１と同様、所定の初期値に基づいて発生させた乱数系列（疑似乱数列）との排他的論理和（Ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ  ＯＲ）演算を行い、その演算結果を多値符号化部１１１に出力する。第２のデータ反転部２１３は、多値復号化部２１２から出力されたデータについて、前記第１のデータ反転部１１３と逆の手順で、当該“０／１”と“Ｌｏｗ／Ｈｉｇｈ”の対応関係を変更する。例えば、第１のデータ反転部１１３が備える初期値と同一の初期値を共有し、これに基づいて発生させた乱数のビット反転系列との排他的論理和演算を行い、その結果を情報データとして再生する。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態によれば、伝送すべき情報データの反転を略ランダムに行うことにより、暗号としての多値信号の複雑性を大きくして、第三者による解読・復号化をさらに困難とし、より安全なデータ通信装置を提供することができる。
【００３６】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック図である。本図において、データ通信装置は、多値符号化部１１１と、変調部１１２と、伝送路１１０と、復調部２１１と、多値復号化部２１２と、雑音制御部１１４とから構成され、図１の構成に対して、雑音制御部１１４を新たに備える点が異なっている。さらに、雑音制御部１１４は、雑音発生部１１４ａと、合成部１１４ｂとからなる。また、多値符号化部１１１と、変調部１１２と、雑音制御部１１４とで、送信部１０１０３を構成し、復調部２１１と、多値復号化部２１２とで、受信部１０２０１を構成する。以下に、本実施形態の動作を説明する。
【００３７】
本実施例の構成は、前述の第１の実施例（図１）に準ずるため、同一の動作を行うブロックに関しては、同一の番号を付して、その説明を省略し、相違点のみを説明する。その構成において、雑音発生部１１４ａは、所定の雑音を発生し、合成部１１４ｂが、多値信号と合成して、変調部１１２に出力する。即ち、図４で説明した多値信号のレベル変動を故意に生じさせて、多値信号のＳＮ比を任意の値に制御し、これにより、多値識別部２１２ｂに入力する被判定信号のＳＮ比を制御する。なお、前述したように、雑音発生部１１４ａで発生する雑音としては、熱雑音や量子雑音等が利用される。また、雑音が合成（重畳）された多値信号を雑音重畳多値信号と呼ぶことにする。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態によれば、伝送すべき情報データを多値信号として符号化し、そのＳＮ比を任意に制御することにより、第三者による盗聴時の受信信号品質に対して決定的な劣化を故意に与え、その解読・復号化をさらに困難にする、より安全なデータ通信装置を提供することができる。
【００３９】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係るデータ通信装置の動作を説明する。本実施例の構成は、前述の第１の実施例（図１）、または第３の実施例（図６）に準ずる。その構成において、多値符号化部１１１は、図７に示すように、多値信号の各ステップ幅（Ｓ１〜Ｓ７）を、各レベルの変動量、即ち各レベルに重畳されている雑音強度分布に従い設定し、出力する。具体的には、多値識別部２１２ｂに入力する被判定信号の隣り合う２つの信号点間で決まるＳＮ比が略一致するように、当該信号点間距離を配分する。なお、各レベルに重畳される雑音量が等しい場合には、各ステップ幅を均等に設定する。
【００４０】
一般に、変調部１１２から出力される変調信号として、半導体レーザ（ＬＤ）を光源とする光強度変調信号を想定した場合、ＬＤに入力する多値信号のレベルに依存して当該変動幅（雑音量）は変化する。これは、半導体レーザが自然放出光を「種光」とした誘導放出の原理に基づいて発光することに起因しており、その雑音量は、誘導放出光量に対する自然放出光量の相対比で定義されている。励起率（ＬＤに注入するバイアス電流に対応）が高い程、誘導放出光量の割合が大きくなるため、その雑音量は小さく、逆に、励起率が低い程、自然放出光量の割合が大きく、雑音量は大きくなる。そこで、図７に示すように、多値信号のレベルが小さい領域ではステップ幅を大きく、レベルが大きい領域では小さく、非線形に設定することにより、被判定信号の隣り合う信号点間のＳＮ比を一致させる。
【００４１】
また、変調信号として光変調信号を利用した場合でも、上記の自然放出光による雑音や光受信器に用いる熱雑音が充分小さい条件下では、受信信号のＳＮ比は、主にショット雑音で決定される。当該条件下では、多値信号のレベルが大きい程、当該雑音量が大きくなるため、図７の場合とは逆に、多値信号のレベルが小さい領域ではステップ幅を小さく、レベルが大きい領域では大きく設定することにより、被判定信号の隣り合う信号点間のＳＮ比を一致させる。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態によれば、伝送すべき情報データを多値信号として符号化し、当該信号点を多値信号振幅内において略均一に配置し、あるいは、当該瞬時レベルに依らず隣り合う信号点間のＳＮ比を略均一に設定することにより、第三者による盗聴時の受信信号品質を常に劣化させ、その解読・復号化をさらに困難にする、より安全なデータ通信装置を提供することができる。
【００４３】
（第５の実施形態）
図８は、本発明の第５の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック図である。図８に示すデータ通信装置は、送信部２０１０５と受信部２０２０５とを備える。送信部２０１０５は、多値符号化部１１１と、変調部１１２とを含む。受信部２０２０５は、復調部２１１と、多値復号化部２１２とを含む。多値符号化部１１１は、第１の多値符号発生部１１１ａと、第１の多値符号列変換部１３７と、多値処理部１１１ｂとを有する。多値復号化部２１２は、第２の多値符号発生部２１２ａと、第２の多値符号列変換部２３８と、多値識別部２１２ｂとを有する。図８に示すデータ通信装置において、多値符号化部１１１が第１の多値符号列変換部１３７を新たに有する点と、多値復号化部２１２が第２の多値符号列変換部２３８を新たに有する点とが、図１に示す第１のデータ通信装置と異なる。なお、図８に示すデータ通信装置において、図１に示すデータ通信装置と同一の動作を行うブロックについては、同じ参照符号を付し、その説明を省略する。
【００４４】
送信部２０１０５において、第１の多値符号列変換部１３７は、第３の鍵情報６８を用いて、バイアスレベル数がＭ（Ｍは２以上の整数）の多値符号列１２を、バイアスレベル数がＮ（Ｎは２以上の整数かつＮ≠Ｍ）の変換多値符号列６９に変換する。バイアスレベル数とは、多値符号列のレベルの間隔を決定するパラメータである。多値符号列のレベル間隔は、バイアスレベル数と多値符号列の最大振幅とから求めることができる。なお、第１の多値符号列変換部１３７は、第３の鍵情報６８を用いて、変換多値符号列６９の最大振幅を決定してよい。第１の多値符号列変換部１３７は、変換多値符号列６９の最大振幅を、多値符号列１２の最大振幅とをほぼ同等にして出力してもよいし、異なる振幅として出力してもよい。なお、以下の説明では、変換多値符号列６９の最大振幅と多値符号列１２の最大振幅とは、ほぼ同等であるものとして説明する。
【００４５】
多値処理部１１１ｂは、変換多値符号列６９と情報データ１０とを用いて多値信号１３を生成する。変調部１１２は、多値信号１３を変調信号１４に変調する。変調部１１２は、伝送路１１０を介して変調信号１４を受信部２０２０５に送信する。
【００４６】
受信部２０２０５において、第２の多値符号列変換部２３８は、第４の鍵情報７０を用いて、バイアスレベル数がＭの多値符号列１７を、バイアスレベル数がＮの変換多値符号列７１に変換する。第４の鍵情報７０は、第３の鍵情報６８と同一の鍵情報である。復調部２１１は、受信した変調信号１４を復調して、多値信号１５を多値識別部２１２ｂに出力する。多値識別部２１２ｂは、変換多値符号列７１を用いて、多値信号１５を情報データ１８に再生する。
【００４７】
受信部２０２０５は、送信部２０１０５が用いる第３の鍵情報６８と同一の第４の鍵情報７０を共有することによって、変換多値符号列６９と同一の変換多値符号列７１を生成することができる。第３の鍵情報６８及び第４の鍵情報７０は、バイアスレベル数Ｍの多値符号列１２からバイアスレベル数Ｎの変換多値符号列６９に変換するための変換鍵情報である。従って、受信部２０２０５は、多値信号１５から情報データ１８に再生することができる。一方、盗聴者である第三者は、送信部２０１０５と第３の鍵情報６８を共有していないため、多値信号１５から情報データ１８に再生できない。
【００４８】
送信部２０２０５における第１の多値符号列変換部１３７における多値符号列１２の変換処理について詳しく説明する。第１の多値符号列変換部１３７は、第３の鍵情報６８に基づいて、バイアスレベル数Ｎを決定する。第１の多値符号列変換部１３７は、多値符号列１２と変換多値符号列６９とのバイアスレベル数の差分値（Ｎ−Ｍ）から、オフセット値の最大値を算出する。オフセット値は、多値符号列１２のバイアスレベルを、変換多値符号列６９のバイアスレベルに割り当てるためのパラメータである。オフセット値は、所定の期間ごとに値が変化する。第１の多値符号列変換部１３７は、多値符号列１２に、オフセット値を与えることによって、バイアスレベル数Ｎの変換多値符号列６９を生成する。受信部２０２０５における第２の多値符号列変換部２３８は、第１の多値符号列変換部１３７と同様に動作して、変換多値符号列６９を生成するため、その説明を省略する。
【００４９】
図９は、第１の多値符号列変換部１３７による多値符号列のバイアスレベル数の変換を具体的に説明する図である。図９（ａ）は、Ｍ＝１２８の多値符号列１２の一例を示す図である。図９（ｂ）は、Ｎ＝５１２の変換多値符号列６９の一例を示す図である。図９（ａ）及び図９（ｂ）における時間の単位は、タイムスロットである。図９に示す例の場合、オフセット信号のレベルの最大値は、Ｎ−Ｍ＝３８４である。第１の多値符号列変換部１３７は、オフセット信号のレベルの最大値３８４に基づいて、所定の期間ごとに値が変化するオフセット値を生成する。図９（ｂ）に示す例では、オフセット値は、期間Ａにおいて３８４であり、期間Ｂにおいて２５６であり、期間Ｃにおいて１２８であり、期間Ｄにおいて０である。第１の多値符号列変換部１３７は、期間ごとに異なるオフセット値を用いることによって、変換多値符号列６９のバイアスレベルに割り当てる多値符号列１２のバイアスレベルを変化させる。第１の多値符号列変換部１３７は、図９（ａ）に示す例では、第１の多値符号列変換部１３７は、Ｍ＝１２８の多値符号列１２にオフセット値を与えて、Ｎ＝５１２の変換多値符号列６９を生成する。なお、図９（ｂ）では、オフセット値が単調に減少する例を示しているが、各期間におけるオフセット値は、ランダムであってよい。図９に示す例では、多値符号列１２の最大振幅と変換多値符号列６９の最大振幅とは、ほぼ同等である。このため、変換多値符号列６９のレベルの間隔は、多値符号列１２のレベルの間隔の４分の１となる。
【００５０】
多値処理部１１１ｂは、変換多値符号列６９と情報データ１０とを用いて多値信号１５を生成するため、多値信号１５は、多値信号の取り得るレベル数（以下、多値数という）に第３の鍵情報６８が包含されていることになる。このため、第三者は、多値信号１５を盗聴しても、多値信号１５の多値数の判定をすることができないため、解読することができない。
【００５１】
図１０は、第１の多値符号列発生部１１１ａが、多値符号列１２のバイアスレベル数を変化させて出力する場合の、第１の多値符号列変換部１３７の処理を具体的に説明する図である。図１０（ａ）は、Ｍ＝１２８の多値符号列１２の一例を示す図である。図１０（ｂ）は、Ｍ＝１２の多値符号列１２の一例を示す図である。図１０（ｃ）は、Ｎ＝５１２変換多値符号列６９の一例を示す図である。図１０（ｄ）は、Ｎ＝２４の変換多値符号列６９の一例を示す図である。
【００５２】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第１の多値符号列発生部１１１ａが時間２０において、バイアスレベル数を１２８から１２に切り替えた多値符号列１２を出力する様子を示している。図１０（ｃ）及び図１０（ｄ）は、第１の多値符号列変換部１３７が時間２０において、多値符号列１２のバイアスレベル数Ｍの切り替えに応じて、変換多値符号列６９のバイアスレベル数を５１２から２４に変化させて出力する様子を示している。このように、第１の多値符号列変換部１３７は、多値符号列１２のバイアスレベル数の変化に応じて、変換多値符号列６９のバイアスレベル数を変化させる。
【００５３】
以上のように、第５の実施形態によれば、多値符号列の生成に用いる鍵情報と異なる鍵情報を用いて、多値符号列を、多値符号列のバイアスレベル数と異なるバイアスレベル数の変換多値符号列に変換し、変換多値符号列と情報データとを用いて多値信号を生成することによって、多値信号の多値数に鍵情報を包含させる。これにより、第三者による多値信号の解読および復号化を困難とすることができる。
【００５４】
なお、第５の実施形態において、第１の多値符号列変換部１３７は、１つの鍵情報（第３の鍵情報６８）を用いて、多値符号列１２のバイアスレベル数と、変換多値符号列６９のバイアスレベル数とを一対一で対応させて変換するものとして説明した。しかし、第１の多値符号列変換部１３７は、２つの鍵情報を用いて、バイアスレベル数Ｎ１（Ｎ１は２以上の整数）の変換多値符号列と、バイアスレベルＮ２（Ｎ１は２以上の整数かつＮ１≠Ｎ２）とを交互に出力してもよい。例えば、第１の多値符号列変換部１３７は、Ｍ＝６４の多値符号列１２が入力された場合、Ｎ＝１２８またはＮ＝２５６の変換多値符号列６９とを、所定の期間ごとに交互に出力してもよい。また、用いる鍵情報の数は、３つ以上であってもよい。これにより、第三者にとっては、多値信号の多値識別の際に、多値数の選択がより困難となるため、多値信号の解読・復号化をさらに困難とすることができる。
【００５５】
（第６の実施形態）
図１１は、本発明の第６の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック図である。図１１に示すデータ通信装置は、送信部２０１０６と受信部２０２０６とを備える。送信部２０１０６は、多値符号化部１１１と、変調部１１２と、第１のべき乗剰余演算部１３８とを含む。受信部２０２０６は、復調部２１１と、多値復号化部２１２と、第２のべき乗剰余演算部２３９とを含む。多値符号化部１１１は、第１の多値符号発生部１１１ａと、第１の多値符号列変換部１３７と、多値処理部１１１ｂとを有する。多値復号化部２１２は、第２の多値符号発生部２１２ａと、第２の多値符号列変換部２３８と、多値識別部２１２ｂとを有する。図１１に示すデータ通信装置は、多値符号化部１１１が第１のべき乗剰余演算部１３８を新たに有する点と、多値復号化部２１２が第２のべき乗剰余演算部２３９を新たに有する点とが、図８に示すデータ通信装置と異なる。図１１に示すデータ通信装置において、図８に示すデータ通信装置と同一の動作を行うブロックについては、同じ参照符号を付し、その説明を省略する。
【００５６】
第６の実施形態に係るデータ通信装置において、第１のべき乗剰余演算部１３８は、第３の鍵情報６８と多値符号列１２とに基づいてバイアスレベル数Ｎを決定する。第１のべき乗剰余演算部１３８は、決定したバイアスレベル数Ｎと第３の鍵情報６８とを、第１の多値符号列変換部１３７に出力する。第２のべき乗剰余演算部２３９は、第１のべき乗剰余演算部１３８と同様に、第４の鍵情報７０と多値符号列１７とに基づいて、バイアスレベル数Ｎを決定する。第２のべき乗剰余演算部２３９は、決定したバイアスレベル数Ｎと第４の鍵情報７０とを第２の多値符号列変換部２３８に出力する。第１のべき乗剰余演算部１３８と第２のべき乗剰余演算部２３９とは、同一の動作を行う。このため、以下の説明では、第１のべき乗剰余演算部１３８の動作について説明し、第２のべき乗剰余演算部２３９の説明は省略する。
【００５７】
第１のべき乗剰余演算部１３８は、（式１）に基づいて変換多値符号列６９のバイアスレベル数Ｎを決定する。
2006295338.tif 000003
（式１）において、ｅは第１の素数を表す。ｎは、第１の素数ｅと異なる２つの素数の積（以下、第１の積という）である。第１の素数ｅ及び第１の積は第３の鍵情報６８に格納されている。（式１）の演算について、図１１を用いて具体的に説明する。多値符号列１２のバイアスレベル数Ｍ（Ｍ＝１２８）を、第１の素数ｅ（ｅ＝７）でべき乗する。べき乗した結果を第１の積ｎ（ｎ＝５２７）で割った余りが、バイアスレベル数Ｎとなる。この結果、Ｎ＝５１２となる。第１の積（ｎ＝５２７）は、二つの素数“１７”と“３１”との積である。第１の多値符号列変換部１３７は、第１のべき乗剰余演算部１３８から出力されるバイアスレベル数Ｎと第３の鍵情報６８とに基づいて、多値符号列１２から変換多値符号列６９に変換する。
【００５８】
図１２は、第１のべき乗剰余演算部１３８が行う演算結果に基づくバイアスレベル数Ｍとバイアスレベル数Ｎとの関係を示す図である。図１２は、ｅ＝７、ｎ＝５２７の場合を示す。図１２に示すように、バイアスレベル数Ｎは、バイアスレベル数Ｍに大きく依存する。また、バイアスレベル数Ｎの値は、第１の素数ｅの値及び第１の積ｎの値にも大きく依存する。このため、バイアスレベル数Ｍや第３の鍵情報６８に含まれる素数を切り替えることによって、バイアスレベル数Ｎが複雑に変化する。第三者は、バイアスレベル数Ｎの変換多値符号列によって生成した多値信号に対して多値識別を試みることになるため、多値信号の多値数の選択がいっそう困難となる。（式１）で示した演算は、ＲＳＡ公開鍵暗号と呼ばれる暗号化方式の手順を利用したものであり、公開情報（（式１）では、バイアスレベル数Ｎ）から秘密情報（（式１）では、バイアスレベル数Ｍ）を導出することが極めて困難であることが数学的に導出されている。
【００５９】
以上のように、第６の実施形態によれば、変換多値符号列のバイアスレベル数をＲＳＡ公開鍵方式の手順を用いて決定することによって、変換多値符号列のバイアスレベル数から多値符号列のバイアスレベル数の導出を極めて困難にする。従って、第三者は、多値信号の解読及び復号化の際に多値信号の多値数の判定をすることが非常に困難となる。従って、第５の実施形態に係るデータ通信装置と比較して、より安全なデータ通信装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明に係るデータ通信装置は、盗聴・傍受等を受けない安全な秘密通信装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号波形を説明する模式図
【図３】本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号波形の呼称を説明する模式図
【図４】本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号品質を説明する模式図
【図５】本発明の第２の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック図
【図６】本発明の第３の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック図
【図７】本発明の第４の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号パラメータを説明する模式図
【図８】本発明の第５の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック図
【図９】多値符号列のバイアスレベル数の変換を具体的に説明する図である。
【図１０】第１の多値符号列変換部１３７の処理を具体的に説明する図
【図１１】本発明の第６の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック図
【図１２】バイアスレベル数Ｍとバイアスレベル数Ｎとの関係を示す図
【図１３】従来のデータ通信装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００６２】
１０、１８  情報データ
１１、１６、６８、７０  鍵情報
１２、１７  多値符号列
１３、１５  多値信号
１４、９４  変調信号
６９、７１  変換多値符号列
１１０  伝送路
１１１  多値符号化部
１１１ａ  第１の多値符号発生部
１１１ｂ  多値処理部
１１２  変調部
１１３  第１のデータ反転部
１１４  雑音制御部
１３７、２３８  多値符号列変換部
１３８、２３９  べき乗剰余演算部
１３６  鍵情報選択部
２１１  復調部
２１２  多値復号化部
２１２ａ  第２の多値符号発生部
２１２ｂ  多値識別部
２１３  第２のデータ反転部
１０１０１、１０１０２、１０１０３、２０１０５、２０１０６、９０００１  データ送信装置
１０２０１、１０２０２、１０２０５、２０２０５、２０２０６、９０００２、９０００３  データ受信装置
【図１】
2006295338.tif 000004
【図２】
2006295338.tif 000005
【図３】
2006295338.tif 000006
【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】
2006295338.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
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