(57)【要約】      （修正有）【課題】盗聴耐性の評価基準として基地局としての第１の無線装置と正規局としての第２の無線装置のRSSIと基地局と盗聴局との間のRSSI相関係数を小さくし、盗聴耐性を高める。【解決手段】第１の無線装置と第２の無線装置との間の電波のやりとりにおいて、直接波を除去する。即ち、第１の無線装置と第２の無線装置との間を伝わる間接波によりRSSIを演算し、このRSSIに基づき秘密鍵を生成する。【選択図】図１
2011182053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の無線装置と第２の無線装置との間のRSSIを求めるステップと、求めた前記RSSIに基づき秘密鍵を生成するステップとを含む秘密鍵の生成方法であって、
前記RSSIを求めるステップでは、前記第１の無線装置と前記第２の無線装置との間を伝わる間接波により前記RSSIを演算する、ことを特徴とする秘密鍵の生成方法。
【請求項２】
前記RSSIを求める前に、前記第１の無線装置と前記第２の無線装置との間を伝わる電波から前記第１の無線装置と前記第２の無線装置との間の直接波を除去するステップが更に含まれる、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記直接波を除去するステップは、前記第１の無線装置と前記第２の無線装置との間に前記直接波を遮蔽する遮蔽部材を配置して行なう、ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記直接波を除去するステップは、前記第１及び第２の無線装置のアンテナの偏波方向及び／又は方位角を調整して行なう、ことを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の無線装置のアンテナが水平偏波の可変指向性アンテナのとき、前記第２の無線装置のアンテナは垂直偏波のアンテナ若しくは水平偏波のアンテナであってその方位角を調整したものであり、
前記第１の無線装置のアンテナが垂直偏波の可変指向性アンテナのとき、前記第２の無線装置のアンテナは水平偏波アンテナであり、
前記第１の無線装置のアンテナが水平偏波の全方位アンテナのとき、前記第２の無線装置のアンテナは垂直偏波の可変指向性アンテナ若しくは水平偏波の可変指向性アンテナであってその方位角を調整したものであり、
前記第１の無線装置のアンテナが垂直偏波の全方位アンテナのとき、前記第２の無線装置のアンテナは水平偏波の可変指向性アンテナである、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
第１の無線装置、第２の無線装置、前記第１の無線装置及び第２の無線装置の間で送信される電波に基づきRSSIを演算するRSSI演算部と、演算されたRSSIに基づき前記第１の無線装置及び前記第２の無線装置に共通の秘密鍵を生成する秘密鍵生成部とを備える秘密鍵共有システムであって、
前記第１の無線装置と前記第２の無線装置との間の直接波を除去する手段が備えられる、ことを特徴とする秘密鍵共有システム。
【請求項７】
第１の無線装置、第２の無線装置、前記第１の無線装置及び第２の無線装置の間で送信される電波に基づきRSSIを演算するRSSI演算部と、演算されたRSSIに基づき前記第１の無線装置及び前記第２の無線装置に共通の秘密鍵を生成する秘密鍵生成部とを備える秘密鍵共有システムであって、
前記第１の無線装置のアンテナが水平偏波の可変指向性アンテナのとき、前記第２の無線装置のアンテナは垂直偏波のアンテナ若しくは水平偏波のアンテナであってその方位角を調整したものであり、
前記第１の無線装置のアンテナが垂直偏波の可変指向性アンテナのとき、前記第２の無線装置のアンテナは水平偏波アンテナであり、
前記第１の無線装置のアンテナが水平偏波の全方位アンテナのとき、前記第２の無線装置のアンテナは垂直偏波の可変指向性アンテナ若しくは水平偏波の可変指向性アンテナであってその方位角を調整したものであり、
前記第１の無線装置のアンテナが垂直偏波の全方位アンテナのとき、前記第２の無線装置のアンテナは水平偏波の可変指向性アンテナである、ことを特徴とする秘密鍵共有システム。
【請求項８】
前記第１の無線装置及び第２の無線装置の間を伝わる電波に基づきRSSIを演算するRSSI演算部と、演算されたRSSIに基づき前記第１の無線装置及び前記第２の無線装置に共通の秘密鍵を生成する秘密鍵生成部とを備える秘密鍵共有システムであって、
基地局UT1のアンテナが水平偏波の可変指向性アンテナのとき、正規局UT2のアンテナは垂直偏波のアンテナであり、
基地局UT1のアンテナが垂直偏波の可変指向性アンテナのとき、正規局UT2のアンテナは水平偏波アンテナであり、
基地局UT1のアンテナが水平偏波の全方位アンテナのとき、正規局UT2のアンテナは垂直偏波の可変指向性アンテナであり、
基地局UT1のアンテナが垂直偏波の全方位アンテナのとき、正規局UT2のアンテナは水平偏波の可変指向性アンテナである、ことを特徴とする秘密鍵共有システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は秘密鍵共有通信システムにおける秘密鍵の生成方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、無線ＬＡＮや携帯電話による無線通信が広く普及している。無線通信では電波の送受信によって通信を行なうが、電波は第三者によって容易に盗聴される恐れがあり、セキュリティ面に問題がある。そこで一般的には、無線装置間で互いに共有した秘密鍵を用いて暗号・復号化を行なう秘密鍵暗号方式が採用されている。現在の秘密鍵の共有は公開鍵暗号方式を用いて行われているが、将来的に計算機の性能向上によって公開鍵暗号が解読されてしまうと考えられており、秘密鍵の安全な共有方法が望まれている。
そこで、安全な秘密鍵共有方法として電波伝搬の相反性、電波伝搬の場所依存性に基づき、可変指向性アンテナの一部であるエスパアンテナによる電波ゆらぎを利用した無線秘密鍵共有システムが提案されている（特許文献1,非特許文献1,非特許文献2）。
【０００３】
このシステムは、2つの無線装置間で電子パルスの送受信を繰り返し、RSSI（Received Signal Strength Indicator:受信信号強度、以下同じ）を各無線装置で測定する、これを鍵長回数繰り返してRSSI履歴を各無線装置で作成し、その作成したRSSI履歴に基づいて秘密鍵を生成する。
即ち、伝送路を伝搬する電波は可逆性を示すために、一方の無線装置から他方の無線装置へ電子パルスを送信したときのRSSI値は、他方の無線装置から一方の無線装置へ電子パルスを伝送したときのRSSI値と比例関係にあるため、RSSI履歴の時間的揺らぎは同じになる。従って、一方の無線装置で測定したRSSI履歴に基づいて生成された秘密鍵は、他方の無線装置で測定したRSSI履歴に基づいて生成された秘密鍵と同じになる。
このように伝送路特性を用いて秘密鍵を生成する方法は２つの無線装置間で、情報を送信せずに電波を相互に送受信するだけで同じ秘密鍵を共有することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２００６−３２４８７０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】大平  孝,   笹岡秀一,   “盗聴防止アンテナ  -セキュリティ対策への物理層的アプローチ-”,  信学誌,vol88,No.3,pp.190-194Mar.2005
【非特許文献２】岩井誠人,   笹岡秀一,   “電波伝搬特性を活用した秘密情報の伝送・共有技術”,  信学論(B), vol.J-90B,No.9,pp770-783,2007
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
可変指向性アンテナを用いた秘密鍵共有方式において、要求される耐性として盗聴耐性がある。盗聴耐性は、鍵を共有したい無線装置の鍵と盗聴局の鍵の一致率に関する評価指標であり、盗聴されにくい安全な鍵の生成共有のためには鍵の盗聴耐性を高めることが必要となる。
盗聴耐性を評価する指標として、基地局（第１の無線装置）と正規局（第２の無線装置）との間のRSSI（以下「正規局（UTs）RSSI」ということがある）と基地局と盗聴局（第３の無線装置）との間のRSSI(以下「盗聴局（TPｓ）RSSI」ということがある)の相関係数に着目した。
両者の相関係数が高くなると、盗聴される可能性が高くなると考えられる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本発明者らは、正規局（UTs）RSSIと盗聴局（TPｓ）RSSIとの相関係数を小さくする方策について鋭意検討を重ねてきた。
その結果、基地局と正規局との間で直接波の送受信ができない状況下で両局間のRSSIに基づいて秘密鍵を生成し、この秘密鍵を両局で共有することにより、正規局（UTs）RSSIと盗聴局（TPｓ）RSSIとの相関係数を小さくできることを見出した。
即ち、この発明の第１の局面は次のように規定される。
第１の無線装置と第２の無線装置との間のRSSIを求めるステップと、求めた前記RSSIに基づき秘密鍵を生成するステップとを含む秘密鍵の生成方法であって、
前記RSSIを求めるステップにおいて、前記第１の無線装置と前記第２の無線装置との間を伝わる間接波に基づき前記RSSIを演算する、ことを特徴とする秘密鍵の生成方法。
このとき、盗聴局と基地局との間では直接波を送受信できる状態であっても、送受信できない状態であってもよい。
【０００８】
以下、直接波を除去することによる盗聴耐性向上について詳述する。
直接波を除去することにより盗聴耐性が向上する理由として次のことが考えられる。
直接波が除去されるので、無線装置間においては専ら間接波により通信がなされる。ここに、間接波とは、無線装置間の最短距離を伝搬した直接波以外の電波であり、一つの無線装置から送信された電波であって他の無線装置に到達するまでに、壁や障害物等の反射体に反射、屈折若しくは回折しているものをいう。このような間接波により通信を行なうとき、各無線装置のRSSIはその位置により大きく変化する。換言すれば、各無線装置のRSSIは場所依存性が大きい。その理由は次の通りである。即ち、間接波たる電波が反射体で反射するとき、その反射係数は電波の入射角によって変化するところ、図１に示すように、正規局と盗聴局とでは同一の基地局から送信された間接波であっても、反射体での入射角度、即ち反射係数が異なるものとなる。また、基地局−正規局間の間接波経路と基地局−盗聴局間の間接波経路とでは距離が異なるので、両者間で位相差が生じる。
【０００９】
秘密鍵は、RSSIの中央値を閾値とした２値化処理等を行ない生成される。そのため、図２の例に示すように、正規局（UTs）RSSIと盗聴局（TPｓ）RSSIとが異なっていても、両者間に強い相関関係があると生成される秘密鍵が一致してしまう可能性がある。そこで、盗聴耐性の評価指標として正規局（UTs）RSSIと盗聴局（TPｓ）RSSIと相関係数を用いることとした。
ここに、RSSI及び相関係数｜ρ｜は次のように定義される。
【数１】
2011182053.tif 000003
相関係数｜ρ｜は０〜１までの値をとり、０に近いほど盗聴耐性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は秘密鍵共有システムにおける直接波と間接波との違いを説明するための概念図である。
【図２】図２はRSSIの履歴とそこから生成される鍵を示す概念図である。
【図３】図３はシミュレーションで用いた部屋のモデルを示す概念図である。
【図４】図４は無線装置の構造を示すブロック図である。
【図５】図５は基地局UT1から送信されて正規局UT2で受信された直接波の受信信号の強さ及び反射回数毎の反射波の受信信号の強さの累積確率を示すグラフである。
【図６】図６は直接波の有無による基地局−正規局間のRSSIと基地局−盗聴局間のRSSIと相関係数の違いを示す。
【図７】図７は基地局のアンテナと正規局のアンテナの偏波方向の組合せを示す概念図である。
【図８】図８はシミュレーション結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、直接波を除いて得られる秘密鍵の盗聴耐性を検証したシミュレーション結果について説明する。
シミュレーションの諸元を表１及び図３に示す。
【表１】
2011182053.tif 000004
シミュレーション環境として、図３に示すように、四方をコンクリートで囲まれた１０ｍ×８ｍの２次元空間を採用する。また、雑音はないものとする。基地局UT1は部屋の隅に固定され、正規局UT2はその位置をランダムに移動させる。なお、基地局UT1と正規局UT2とは１ｍ以上離れているものとする。盗聴局TPは基地局UT１と正規局UT2とを結ぶ仮想直線の中央位置に配置される。そして、正規局UT2を１００００回移動させることで統計的に盗聴耐性を評価する。
【００１２】
図４にはこのシミュレーション装置で想定する無線装置の構成を示す。図４に示すように、無線装置１はアンテナ３、送受信制御部５及び信号処理部７を備える。アンテナ３には可変指向性アンテナを用いることができる。送受信制御部５はアンテナ３により電波の送受信を制御する。信号処理部７はRSSI演算部８と秘密鍵生成部９とを備える。RSSI演算部８は所定のプログラムに従い、受信した電波信号に基づき、RSSI履歴を作成する。秘密鍵生成部９は、RSSI演算部８で生成したRSSIに基づき、２値化処理により秘密鍵を生成する。
基地局、正規局及び盗聴局はともに図４の構成をとることができる。
【００１３】
基地局UT1から送信されて正規局UT2で受信された直接波の受信信号の強さ及び反射回数毎の反射波の受信信号の強さを図５に示す。表２には、直接波の強さと反射波毎の平均値の強さとの比を示す。
【表２】
2011182053.tif 000005
【００１４】
図５と表２の結果より、一次反射の場合でも直接波と比較するとその受信信号の強さが約５６％に減衰することがわかる。さらに、二次反射、三次反射と反射回数が増えるごとに受信信号が大きく減衰していることがわかる。
直接波の有無による基地局−正規局間のRSSIと基地局−盗聴局間のRSSIと相関係数の違いを図６及び表３に示す。
【表３】
2011182053.tif 000006
また、鍵生成方法をRSSI履歴の中央値で２値化したとき得られる正規局UT2の秘密鍵と盗聴局TPの秘密鍵のビット誤り率を表４に示す。
【表４】
2011182053.tif 000007
なお、ビット誤り率は０から１までの値をとり、０．５に近いほど盗聴耐性が高い。
表３及び表４より、直接波を除去することにより、基地局−正規局間の通信特性と基地局−盗聴局間の通信特性とを比較すると、RSSIの相関係数で０．２５の改善がみられ、ビット誤り率で０．１３の改善がみられた。
以上より、直接波を除去することにより盗聴耐性が向上することがわかる。
【００１５】
上記のシミュレーションにおいては、基地局UT1と正規局UT2との間及び基地局UT1と盗聴局TPとの間で伝達される全電波中から、シミュレータの演算プログラムにより、直接波が除去されている。
実機において直接波を除去するには次の方策がある。
（１）  基地局UT1と正規局UT2との間に遮蔽体を配置し、この遮蔽体により両者の間の直接波を遮蔽する。
この遮蔽体は基地局UT1側及び正規局UT2側を繋ぐ仮想直線上に少なくとも１つ配置されればよい。
（２）  基地局UT1及び正規局UT2の信号処理回路にフィルタを設けてこのフィルタにより直接波を除去することができる。例えば、直接波は間接波より先に受信されるので、受信開始後所定数のパルス（若しくは所定時間）の受信信号をカットすることにより、直接波の除去が可能となる。
（３）  基地局UT1と正規局UT2の各アンテナの指向性、偏波方向及びその設置角度を調整することにより、両者の間に直接波が入り込まないようにする。
【００１６】
基地局UT１と正規局UT２のアンテナの指向性及び偏波と直接波除去の可能性との関係を表５に示す。
図７は表５においてナンバリングされた組合せのアンテナの配置態様を示す。
【表５】
2011182053.tif 000008
表５より、基地局UT1と正規局UT2の各アンテナは次の関係を満足することが好ましい。
基地局UT1のアンテナが水平偏波の可変指向性アンテナのとき、正規局UT2のアンテナは垂直偏波のアンテナ若しくは水平偏波のアンテナであってその方位角を調整したものであり、
基地局UT1のアンテナが垂直偏波の可変指向性アンテナのとき、正規局UT2のアンテナは水平偏波アンテナであり、
基地局UT1のアンテナが水平偏波の全方位アンテナのとき、正規局UT2のアンテナは垂直偏波の可変指向性アンテナ若しくは水平偏波の可変指向性アンテナであってその方位角を調整したものであり、
基地局UT1のアンテナが垂直偏波の全方位アンテナのとき、正規局UT2のアンテナは水平偏波の可変指向性アンテナとする。
【００１７】
角度調整を不要とする見地から、更に好ましくは、基地局UT1のアンテナが水平偏波の可変指向性アンテナのとき、正規局UT2のアンテナは垂直偏波のアンテナ（指向性を問わず）であり、
基地局UT1のアンテナが垂直偏波の可変指向性アンテナのとき、正規局UT2のアンテナは水平偏波アンテナ（指向性を問わず）であり、
基地局UT1のアンテナが水平偏波の全方位アンテナのとき、正規局UT2のアンテナは垂直偏波の可変指向性アンテナであり、
基地局UT1のアンテナが垂直偏波の全方位アンテナのとき、正規局UT2のアンテナは水平偏波の可変指向性アンテナである。
表５のアンテナの組合せにおいて、基地局UT1のアンテナと正規局UT2のアンテナとを差し替えても同じ作用となる。
【００１８】
表５においてナンバリングのあるアンテナの組合せによれば、直接波の送受信が行なわれない。かかるアンテナの組合せは一般的な通信システムにおいては採用されることはない。通常の伝搬環境では直接波の強度が最も強く、かつ安定しているからである。
この発明では、一般的な通信システムでは採用されることのないアンテナの組合せをあえて採用することにより、盗聴耐性を向上させる。
室内で使用される無線ＬＡＮシステムにおいては、基地局の無線装置と子機、即ち正規局の無線装置の間に、多くの場合、何らかの障害物が存在している。したがって、両者の間において直接波の送受信は行なわれないか、若しくは行なわれても間接波の影響を大きく受けている。よって、表５で提案するアンテナの組合せを採用しても、実機の使用において何ら不具合を生じさせることはない。
【００１９】
上記において、アンテナから放出される電波の偏波方向を「垂直」及び「水平」と記述している。これは一般的な無線装置では地面（若しくは重力）を基準にてアンテナを立設することに鑑み、地面に平行な方向を水平座標とし、重力方向を垂直座標として、各アンテナの偏波方向を規定したものである。無線装置の配置の態様によっては、アンテナが床や重力に対して傾斜することがある。その場合には、アンテナの立設方向に応じて水平座標−垂直座標をシフトさせ、表５のように各アンテナの指向性を規定するものとする。いずれの場合も、第1の無線装置のアンテナが垂直偏波方向であり第２の無線装置のアンテナが水平方向であるときは、当該垂直偏波方向と当該水平偏波方向とは直交している。
【００２０】
上記において、第1の無線装置と第２の無線装置との間で通信される直接波はその全部が除去されることが好ましいが、直接波の一部を除去したものでもよい。間接波の影響が大きくなり、その結果正規局（UTs）RSSIと盗聴局（TPｓ）RSSIとの相関係数が低下するからである（図８参照）。
残存する直接波の強度は受信波全体の強度の５６％以下とすることが好ましく、更に好ましくは３．２％以下であり、更に更に好ましくは０．５％以下である。
【００２１】
このように、この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【符号の説明】
【００２２】
UT1  基地局（第１の無線装置）
UT2  正規局（第２の無線装置）
TP  盗聴局
１  無線装置
３  アンテナ
５  送受信制御部
７  信号処理部
８  RSSI演算部
９  秘密鍵生成部
【図１】
2011182053.tif 000009
【図２】
2011182053.tif 000010
【図３】
2011182053.tif 000011
【図４】
2011182053.tif 000012
【図５】
2011182053.tif 000013
【図６】
2011182053.tif 000014
【図７】
2011182053.tif 000015
【図８】
2011182053.tif 000016