(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の無線端末を有した無線アドホックネットワークにおいて、従来のＰＬＮＣ技術では、一つの無線端末から中継局を通して他の複数の無線端末に安全に情報を伝送する解が得られない。【解決手段】Ｎ（＞１）個の無線端末と、複数のアンテナエレメントに供給される送信信号を重み付け加算することにより任意の無線端末を選択する最小限の自由度を持つ中継アンテナを有する中継局とを含むアドホックネットワークにおける無線通信伝送方法であって、さらにＮ＋１番目の無線端末を有し、前記Ｎ＋１番目の無線端末は前記中継局に対しマルチキャスト信号又は人工雑音を送信するステップを含むことを特徴とする。ミラーリングヌルステアリング方式、ＭＩＭＯスイッチング方式、いずれのアドホックネットワークにも適用することができる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ（＞１）個の無線端末を含み、複数のアンテナエレメントに供給される送信信号を重み付け加算することにより任意の無線端末を選択する最小限の自由度を持つ中継アンテナを有する中継局を含むアドホックネットワークにおいて実行される無線通信伝送方法であって、
さらにＮ＋１番目の無線端末を有し、前記Ｎ＋１番目の無線端末においては、前記中継局に対しマルチキャスト信号又は人工雑音を送信するステップを含むことを特徴とする、無線通信伝送方法。
【請求項２】
請求項１に記載の無線通信伝送方法であって、前記中継局において、
前記各アンテナエレメントが受信した信号を重み付け加算して送信信号として前記各アンテナエレメントに供給するステップと、
前記Ｎ＋１番目の無線端末が送信する信号を受信するＮ個の無線端末に対してミラーリングヌルステアリングするように前記重み付けを設計するステップと、
前記中継アンテナを介して前記送信信号をマルチキャストするステップと、
を含む無線通信伝送方法。
【請求項３】
前記Ｎ個の無線端末において、ジャミングを送信するステップを含むことを特徴とする請求項２記載の無線通信伝送方法。
【請求項４】
Ｎ＝２であることを特徴とする請求項２記載の無線通信伝送方法。
【請求項５】
前記中継局において、前記中継アンテナの各アンテナエレメントで受信された信号を交換し前記重み付け加算を実行するステップと、
前記任意の無線端末に対してヌルステアリングするように前記重み付けを設計するステップと、
をさらに含む請求項４記載の無線通信伝送方法。
【請求項６】
請求項１に記載の無線通信伝送方法であって、しかも、前記中継アンテナはＮ個のアンテナエレメントより成るＭＩＭＯアンテナであり、前記中継局はプレコーダー行列に基づいて前記無線端末を中継するアドホックネットワークにおいて実行される無線通信伝送方法であって、
前記Ｎ個の無線端末が前記中継局に情報を送信するステップと、
前記Ｎ＋１番目の無線端末が前記中継局に人工雑音を送信するステップと、
前記中継局が前記Ｎ個の無線端末から送信された情報を送信元の各無線端末へ返送するように第１のプレコードを実行するステップと、
前記中継局が前記Ｎ個の無線端末から送信された情報を任意の無線端末に中継するように第２のプレコードを実施するステップと、
前記Ｎ個の無線端末の各々が、前記第１のプレコードを実施するステップにより返送された情報受信し、前記人工雑音を分離するステップと、
前記Ｎ個の無線端末の各々において実行され、前記第２のプレコードを実施するステップにより中継された情報を受信し、前ステップで分離された人工雑音を用いて、前記中継された情報から人工雑音成分を除去するステップを含む、無線通信伝送方法。
【請求項７】
前記Ｎ＋１番目の無線端末において実行され、スペクトラム拡散処理により、前記中継情報の中から人工雑音成分を成長的に検出するステップを含む、請求項１に記載の無線通信伝送方法。
【請求項８】
Ｎ（＞１）個の無線端末を含み、複数のアンテナエレメントに供給される送信信号を重み付け加算することにより任意の無線端末を選択する最小限の自由度を持つ中継アンテナを有する中継局を含むアドホックネットワークにおいて、Ｎ＋１番目の無線端末として用いられるときに人工雑音を送信する人工雑音送信部を含むことを特徴とする、無線端末装置。
【請求項９】
スペクトラム拡散処理により、前記中継局から受信した情報の中から人工雑音成分を成長的に検出する人工雑音成分検出部を有する、請求項９に記載の無線端末装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は無線アドホックネットワークにおいて安全な情報共有を行うことができ、マルチアンテナシステムにおける安全な情報共有と改ざん対策が可能な、無線通信伝送方法および無線端末装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
任意の無線端末装置を中継局として利用してネットワークを確立する、いわゆる無線アドホックネットワーク技術がかねてより検討されてきている。特に物理層ネットワークコーディング（ＰＬＮＣ）を用いた通信伝送方法は中継器に対する秘匿性がありしかもスループット（ＮＣ利得）を高めることができるという特徴があり、近年注目されている。
【０００３】
たとえば、ある無線端末と他の無線端末が中継局を経由して相互に情報を送信する場合、通常の転送動作では中継局は２回の送受信が必要となり、計４つのタイムスロットが必要となる。しかしＰＬＮＣを用いた場合、中継局は双方の無線端末から受信した情報を加算合成した信号をマルチキャストするため、タイムスロットを１つ減らすことができる（特許文献１、特許文献２）。各無線端末はこの加算合成した信号から自らが送信した情報を差し引くことで相手が送った情報を分離、解読することができる。すなわち自らが送信した情報を解読キーとして用いることで情報秘匿性を高めることができる（非特許文献１）。
【０００４】
またＭＩＭＯ伝送技術において、受信アンテナ数が１の場合でも送信ダイバーシチによりダイバーシチ効果が得られて受信側で送信ストリームを分離抽出できる、時空間符号（ＳＴＢＣ）技術が既に開発されている（非特許文献２）。
【０００５】
さらに、プレコーダー行列に応じてアンテナエレメント数と同数の無線端末の各々を中継するいわゆるＭＩＭＯスイッチング伝送技術が提案されている（非特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−  １２００７号公報
【特許文献２】特開２０１１−２５００１４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】山口他“低信頼中継局を利用した物理層ネットワークコーディングにおける物理層セキュリティ評価，”信学技報，ＲＣＳ２０１３−３９，Ｊｕｎｅ，２０１３．
【非特許文献２】Ｓ．Ｍ．Ａｌａｍｏｕｔｉ，”Ａ  ｓｉｍｐｌｅ  ｔｒａｎｓｍｉｔ  ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ  ｆｏｒ  ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ”，  ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｎ  Ｓｅｌｅｃｔｅｄ  Ａｒｅａｓ  ｉｎ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，  ｖｏｌ．１６，  ｎｏ．８，  ｐｐ．１４５１−１４５８，  Ｏｃｔ  １９９８．
【非特許文献３】Ｆ．Ｗａｎｇ，Ｓ．Ｌｉｅｗ，Ｄ．Ｇｕｏ，”Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ＭＩＭＯ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｚｅｒｏ  Ｆｏｒｃｉｎｇ  ａｎｄ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｃｏｄｉｎｇ”，ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｎ  Ｓｅｌｅｃｔｅｄ  Ａｒｅａｓ  ｉｎ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  ３０（８）：１４５２−１４６３，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  ２０１２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、無線アドホックネットワークにおいて、一つの無線端末が情報源で他の複数の無線端末が受信源である場合、特許文献１、２および非特許文献１、２のＰＬＮＣ技術では中継局を通して各無線端末に安全に情報を伝送する解が得られないといった課題があった。また非特許文献３のＭＩＭＯスイッチング中継においては、各無線端末の情報がすべてそのまま中継局に送られるため、情報漏洩のリスクがあった。
【０００９】
本開示の一態様の目的は、上記課題に鑑み、マルチキャストを用いた場合であっても、ＭＩＭＯスイッチングによる中継を実施する場合においても、安全に秘密情報を伝送できる無線通信伝送方法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】
【００１０】
本開示の一態様に係る無線通信伝送方法は、Ｎ（＞１）個の無線端末を含み、複数のアンテナエレメントに供給される送信信号を重み付け加算することにより任意の無線端末を選択する最小限の自由度を持つ中継アンテナを有する中継局を含むアドホックネットワークにおいて実行される無線通信伝送方法であって、さらにＮ＋１番目の無線端末を有し、前記Ｎ＋１番目の無線端末においては、前記中継局に対しマルチキャスト信号又は人工雑音を送信するステップを含む。
【００１１】
前記中継局において、前記各アンテナエレメントが受信した信号を重み付け加算して送信信号として前記各アンテナエレメントに供給するステップと、前記Ｎ＋１番目の無線端末が送信する信号を受信するＮ個の無線端末に対してミラーリングヌルステアリングするように前記重み付けを設計するステップと、前記中継アンテナを介して前記送信信号をマルチキャストするステップと、を含んでもよい。
【００１２】
前記Ｎ個の無線端末において、ジャミングを送信するステップを含んでもよい。
【００１３】
Ｎ＝２であってもよい。
【００１４】
前記中継局において、前記中継アンテナの各アンテナエレメントで受信された信号を交換し前記重み付け加算を実行するステップと、前記任意の無線端末に対してヌルステアリングするように前記重み付けを設計するステップと、をさらに含んでもよい。
【００１５】
前記中継アンテナはＮ個のアンテナエレメントより成るＭＩＭＯアンテナであり、前記中継局はプレコーダー行列に基づいて前記無線端末を中継するアドホックネットワークにおいて実行される無線通信伝送方法であって、前記Ｎ個の無線端末が前記中継局に情報を送信するステップと、前記Ｎ＋１番目の無線端末が前記中継局に人工雑音を送信するステップと、前記中継局が前記Ｎ個の無線端末から送信された情報を送信元の各無線端末へ返送するように第１のプレコードを実行するステップと、前記中継局が前記Ｎ個の無線端末から送信された情報を任意の無線端末に中継するように第２のプレコードを実施するステップと、前記Ｎ個の無線端末の各々が、前記第１のプレコードを実施するステップにより返送された情報受信し、前記人工雑音を分離するステップと、前記Ｎ個の無線端末の各々において実行され、前記第２のプレコードを実施するステップにより中継された情報を受信し、前ステップで分離された人工雑音を用いて、前記中継された情報から人工雑音成分を除去するステップを含んでもよい。
【００１６】
前記Ｎ＋１番目の無線端末において実行され、スペクトラム拡散処理により、前記中継情報の中から人工雑音成分を成長的に検出するステップを含んでもよい。
【００１７】
本開示の一態様に係る無線端末装置は、Ｎ（＞１）個の無線端末を含み、複数のアンテナエレメントに供給される送信信号を重み付け加算することにより任意の無線端末を選択する最小限の自由度を持つ中継アンテナを有する中継局を含むアドホックネットワークにおいて、さらにＮ＋１番目の無線端末として用いられるときに人工雑音を送信する人工雑音送信部を含む。
【００１８】
前記無線端末装置は、スペクトラム拡散処理により、前記中継局から受信した情報の中から人工雑音成分を成長的に検出する人工雑音成分検出部を有してもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本開示の一態様によれば、無線伝送系の伝達関数の対称性によるミラー効果を利用して、例えば２本の中継アンテナによって２個のヌルステアリングを設けることができ、無線アドホックネットワークにおいて、高いスループットと中継局に対する高い秘匿性を確保しながら、複数の無線端末間で情報の共有が可能な無線通信伝送方法を実現することができる。さらに前記中継アンテナの各アンテナエレメントで受信された信号を交換して対称性を崩す処理が加わることにより、無線アドホックネットワークに参加しているすべての無線端末が他の端末の発信する情報を分離抽出することができる。
【００２０】
また、本開示の別の態様によれば、Ｎ個の無線端末が参加するＭＩＭＯスイッチング伝送において、中継局に各無線端末からの情報を解読されることなく、プレコーダーに応じて任意の無線端末間の情報伝送を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本開示の第１の実施の形態に係る無線通信伝送方法をモデル化したシステム図
【図２】本開示の第１の実施の形態に係る無線通信伝送方法のフローチャート
【図３】本開示の第１の実施の形態に係る効果を示す概念図
【図４】本開示の第２の実施の形態に係る無線通信伝送方法をモデル化したシステム図
【図５】本開示の第２の実施の形態に係る無線通信伝送方法のフローチャート
【図６】本開示の第３の実施の形態に係る無線通信伝送方法をモデル化したシステム図
【図７】本開示の第３の実施の形態に係る無線通信伝送方法のフローチャート
【図８】本開示の実施例１のシミュレーション結果を示すグラフ
【図９】本開示の実施例２のシミュレーション結果を示すグラフ
【図１０】本開示の実施例３のシミュレーション結果を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本開示の第１の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
本実施の形態ではＮ＝２としたときの無線通信伝送方法について主に説明する。図１に、本実施の形態に係る無線通信伝送方法をモデル化したシステム図を示す。図１において、１、２、３はそれぞれ無線端末（Ａ）、無線端末（Ｂ）、無線端末（Ｃ）を表す。４は中継局を表す。本実施の形態において、中継局４はそれぞれｗ１、ｗ２で重みづけが可能な２本のアンテナエレメント４１、４２よりなる中継アンテナ（ダイバーシチアンテナ）を具備した任意の無線端末であるとする。本実施の形態において、無線端末１、２、３および中継局４はアドホックネットワークシステムを構成している。
【００２４】
一般的には、アンテナエレメント数が２の場合、形成されるヌルの個数は１個であるが、以下述べるようなミラーリングヌルステアリング技術を用いたモデルを想定した場合、最大２個の無線端末に対してヌルを形成する自由度を中継局に持たせることが可能である。なお、以下のモデルにおいては３個の無線端末のうち１個の無線端末が前記中継局に対しマルチキャスト信号を送信するものとする。
【００２５】
以下、図１に示したシステムにおいて、無線端末２（Ｂ）の情報を無線端末１（Ａ）と無線端末３（Ｃ）に周知させる場合を想定する。このとき、無線端末１と無線端末３は中継局４の秘匿性を確保するため、それぞれジャミング（人工雑音）と呼ばれる信号ｘＡ、ｘＣを中継局４に対して同時に通知する。  
【００２６】
すると、中継局４のダイバーシチアンテナそれぞれのアンテナエレメント４１、４２が受信する信号ｙＲ１、ｙＲ２は以下の式（１）、（２）のように表せる。
【数１】
2019110533.tif 000003
ここで、ｈＡ１、ｈＢ１、ｈＣ１は、それぞれ無線端末１（Ａ）、無線端末２（Ｂ）、無線端末３（Ｃ）からアンテナエレメント４１に到達するまでの伝達関数を、ｈＡ２、ｈＢ２、ｈＣ２は、それぞれ無線端末１（Ａ）、無線端末２（Ｂ）、無線端末３（Ｃ）からアンテナエレメント４２に到達するまでの伝達関数を表す。ここまでの動作を、図２のフローチャートにおけるステップ１０１〜１０４に示す。
【００２７】
アンテナエレメント４１、４２が受信した信号ｙＲ１、ｙＲ２を受信した中継局４は、これらの信号を重み付け加算したものを送信信号として各アンテナエレメントに供給し、無線端末１、３に対してマルチキャストする（ステップ１０５〜１０７）。このとき、無線端末１、３は下記の式（３）、（４）で表される信号を受信する。
【数２】
2019110533.tif 000004
【００２８】
ここで、ｗ１＝１、ｗ２＝１とした場合、中継器４が通常のＰＬＮＣを実行したことと等価になるが、この場合、無線端末１および無線端末３は無線端末２からの信号（ｘＢ）を分離することができない。なぜなら無線端末１が受信する信号ｙＡには無線端末１が自ら発したジャミングである信号ｘＡの他に無線端末３が送信した未知の信号ｘＣが含まれているからである。同様に、無線端末３が受信する信号ｙＣには無線端末１が送信した信号ｘＡが含まれているため、無線端末３も信号ｘＢを分離することができない。
【００２９】
この問題については、本実施の形態では、モデルとしている無線通信伝送システムの伝達関数の対称性を利用してｗ１およびｗ２の値を設計することにより解決している。すなわち、式（３）右辺の第３項（ｘＣの係数）と式（４）の右辺第１項（ｘＡの係数）とが、互いに等しいことに着目し、ｗ１およびｗ２の値を式（５）および（６）を満たすように設計すれば、式（３）からは信号ｘＣの項を、式（４）からは信号ｘＡの項を、それぞれ消去することができる（ステップ１０６）。
【数３】
2019110533.tif 000005
【００３０】
上記式（３）〜（５）を行列表記すると式（７）のように書ける。
【数４】
2019110533.tif 000006
ここで、
【数５】
2019110533.tif 000007
と置いた。また、ｙＢ＝ａ２２ｘＢであるとした。
【００３１】
その結果、無線端末１は信号変数ｘＡとｘＢとを含む信号ｙＡ（図２中ではｙＡ（ｘＡ、ｘＢ）と表記）を受信し、これから自ら発したジャミングである信号ｘＡを差し引くことにより無線端末２からの情報である信号ｘＢを分離することができる（ステップ１０８、１１０）。同様に無線端末３も信号ｙＣ（図２中ではｙＣ（ｘＢ、ｘＣ）と表記）から信号ｘＢを分離することができる（ステップ１０９、１１１および式（８））。
【数６】
2019110533.tif 000008
【００３２】
ｗ１およびｗ２は中継局４のダイバーシチアンテナのエレメント４１および４２に対する重み付けであり、これらを最適化して前記のようにｘＡもしくはｘＣを消去することは、言い換えれば伝達関数の対称性（ミラー効果）を利用した複数地点のヌル形成（ミラーリングヌルステアリング）を各信号に対して実施したことに他ならない。このミラーリングヌルステアリングの概念を図３に示す。ダイバーシチアンテナのエレメント４１および４２の重み付けｗ１およびｗ２を上記式（５）、（６）のように設計したことにより、信号ｘＣに対しては実線で示されたようなビームパターンが、信号ｘＡに対しては破線およびハッチングで示されたようなビームパターンが、あたかも形成されたかのように動作する。
【００３３】
一般的に、２本のアンテナエレメントよりなるダイバーシチアンテナの場合、形成できるヌルは１つに限られるが、本実施の形態の場合は伝達関数の対称性を利用することで実質的に２つのヌルを形成することが可能となる。言い換えれば、ｘＡ→中継局→ｙＣの伝達関数ａ１３とｘＣ→中継局→ｙＡの伝達関数ａ３１は常にａ１３＝ａ３１であるため、ａ１３＝ａ３１＝０となるｗ１、ｗ２の解が必ず存在する。この原理をＮ本のアンテナエレメントよりなるダイバーシチアンテナに拡張して適用して考えた場合、２（Ｎ−１）個のヌルを形成することができる。
【００３４】
以上のように、本実施の形態によれば、中継局によるマルチキャストを介して一の無線端末の情報を他の二つ無線端末に報知する無線アドホックネットワークにおいて、前記中継局がミラーリングヌルステアリングをすることにより、他方の受信側の無線端末が発するジャミングの影響を受けずに前記情報を分離することが可能となり、中継局に対する秘匿性も保持される無線通信伝送方法を実現することができる。また，第三の盗聴者に対しても，複数の信号が相互に混信しているため，復調が困難になる秘匿性を高めることができる．
【００３５】
以下、本開示の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態においては、中継局４が無線端末２の信号ｘＢを無線端末１、３に報知した後、ダイバーシチアンテナ４１、４２に供給する信号ｙＲ１と信号ｙＲ２とを交換（スワップ）することにより前記伝達関数の対称性を崩し、重み付けをｗ３およびｗ４を設計することで新たなヌルステアリングを実行する。これにより、無線端末１、２、３それぞれが他２つの無線端末の信号を解読することができる。
【００３６】
図５は本発明の第２の実施の形態の無線通信伝送方法のフローチャートである。図５において、ステップ２０１〜２０９は前記実施の形態（図２）における１０１〜１０９と同様の処理を行うものとする。したがって、ここまでの処理により、無線端末２はミラーリングヌルステアリングの効果により信号ｘＡとｘＢの成分のみを含む信号ｙＡ（図５中ではｙＡ（ｘＡ、ｘＢ）と表記）を、同様に無線端末３は信号ｘＣとｘＢの成分のみを含む信号ｙＣ（図５中ではｙＣ（ｘＣ、ｘＢ）と表記）をそれぞれ受信し、自らの信号ｘＡ、ｘＣ（ジャミング）を解読キーとして無線端末２からの信号ｘＢを解読することができる。
【００３７】
しかし、ｘＡ、ｘＣがジャミング（人工雑音）ではなく、無線端末間で共有すべき情報信号である場合、先の実施の形態の方法では、それぞれの無線端末は他方の情報を受信することができない。また、無線端末２はｘＡ、ｘＢ、ｘＣすべてを含む信号ｙＡ（ｘＡ、ｘＢ、ｘＣ）を受信するが、このままでは信号ｘＡと信号ｘＣをそれぞれ分離して情報を取り出すことはできない。
【００３８】
そこで本実施の形態では、アンテナエレメント４１に供給する信号ｙＲ１と信号ｙＲ２とをスワップする処理を追加する（図５ステップ２１１）。その結果、式（９）、（１０）に示すように伝達関数の対称性は崩れ、重みｗ３、ｗ４をどのように選んでも１つのヌルしか配置できなくなる。
【数７】
2019110533.tif 000009
【００３９】
そこで、重み付けを設計しなおしｗ３、ｗ４として、無線端末２に対してｘＣを除去するヌルステアリングを新たに実行する（ステップ２１２）。この処理についてさらに説明する。まず、無線端末２が受信する信号ｙＢ’は以下の式（１１）のように表せる。
【数８】
2019110533.tif 000010
【００４０】
このとき、下記式（１２）、（１３）の条件を満たすようにｗ３およびｗ４を設計すれば、式（１１）右辺第３項の係数がゼロになるようにビームパターンを形成することができる（図示しない）。
【数９】
2019110533.tif 000011
【００４１】
このようにして各アンテナエレメントに対して重み付けされた信号を中継局４から無線端末１、２、３にマルチキャストする（ステップ２１３）。その結果、無線端末２は信号ｘＡ、ｘＢのみを含む信号ｙＢ’を受信し（ステップ２１５）、自らの信号ｘＢを差し引くことで、無線端末１からの情報ｘＡを分離することができる（ステップ２１８）。無線端末３からの情報ｘＣについては、同様の処理を施してもよいし、ステップ２１０で受信した、ｘＡ、ｘＢ、ｘＣすべてを含む信号ｙＢ（ｘＡ、ｘＢ、ｘＣ）から、既知の信号であるｘＡ、ｘＢを差し引いて信号ｘＣを分離してもよい。
【００４２】
さらにステップ２１３のマルチキャストにより、無線端末１、３はそれぞれｘＡ、ｘＢ、ｘＣすべてを含む信号（図５中、ｙＡ’（ｘＡ、ｘＢ、ｘＣ）、ｙＣ’（ｘＡ、ｘＢ、ｘＣ）で表記）を受信する（ステップ２１４、２１６）。受信無線端末１はステップ２０８の受信時に、受信無線端末３はステップ２０９の受信時に、いずれも信号ｘＢを分離しているから、これを自らの信号を使って、それぞれ信号ｘＣ、ｘＡを分離することができる（ステップ２１７、２１９）。
【００４３】
以上の処理ステップにより、無線端末１、２、３はそれぞれの信号ｘＡ、ｘＢ、ｘＣすべてを共有することができる。この場合、中継局４に対する秘匿性は維持されていることは言うまでもない。
【００４４】
なお、ダイバーシチアンテナのアンテナエレメント４１、４２のスワップ処理前の信号についてはフレーム単位でそれぞれの無線端末内のメモリーに保持しておいてもよい。
【００４５】
以下、本開示の第３の実施の形態について説明する。図６に本実施の形態に係る無線通信伝送方法が実行されるアドホックネットワークをモデル化したシステム図を、図７に本実施の形態に係る無線通信伝送方法のフローチャートをそれぞれ示す。図７において、本実施の形態に係る無線通信伝送方法はそれぞれ情報a、ｂ、ｃを送信する無線端末１、無線端末２、無線端末３と、前記無線端末数と同数の３（＝Ｎ）本のアンテナエレメント（＃１、＃２、＃３（＝Ｎ））より成るＭＩＭＯアンテナを有す中継局５と、さらに第４（＝Ｎ＋１）番目の無線端末であって人工雑音を送信する認証局６によって構成されるアドホックネットワーク（図６）において実行される。
【００４６】
一般的に、中継局５が無線端末と同数のアンテナエレメントよりなるＭＩＭＯアンテナを有していれば、上記無線端末が送信した情報ａ、ｂ、ｃをすべて識別することができる。そこで、本実施の形態では認証局６が中継局に向けて人工雑音を送信することで上記情報を識別できなくしている。つまり、エレメント３（＝Ｎ）のＭＩＭＯアンテナが直交分離できる無線端末の数は３（＝Ｎ）に限られ、これ以外の（Ｎ＋１番目の）無線端末から送信された信号は他の３（＝Ｎ）個の無線端末から送信された情報と混信してしまう。
【００４７】
以下、本実施の形態に係る無線通信伝送方法について図７のフローチャートを参照しながら説明する。なお、本実施の形態において伝達関数はすべて規格化されているものとする。また、中継アンテナのビームフォーミングのための重み付け処理についてもここでは説明を省略する。
（ステップ３０１〜３０４）
まず、各無線端末（１、２、３）はそれぞれの情報（ａ、ｂ、ｃ）を中継局５に送信する（３０１、３０２、３０３）。このとき第４の無線端末である認証局６は人工雑音ｄを送信する（３０４）。
【００４８】
（ステップ３０５〜３０６）
次に、中継局５はＭＩＭＯアンテナを用い、人工雑音ｄがそれぞれ加算された情報ａ、ｂ、ｃを受信する（３０５）。さらに中継局５は以下に示す（第１の）プレコーダー行列式に基づくプレコード処理を実行し、人工雑音ｄがそれぞれ加算された情報ａ、ｂ、ｃ（ａ＋ｄ、ｂ＋ｄ、ｃ＋ｄ）を送信元の無線端末１、２、３に返送する（３０６）。
【数１０】
2019110533.tif 000012
【００４９】
（ステップ３０７〜３１２）
次に、各無線端末（1〜３）は中継局４から返送された情報を受信し（３０７〜３０９）、各無線端末は既知情報ａ、ｂ、ｃを差し引くことで、人工雑音ｄを抽出する（３１０〜３１２）。
【００５０】
（ステップ３１３）
次に、中継局５は、無線端末１から無線端末２に情報ａを、無線端末２から無線端末３に情報ｂを、無線端末３から無線端末１に情報ｃを、それぞれ中継すべく、（第２の）プレコーダー行列を以下のように設定する（３１３）。
【数１１】
2019110533.tif 000013
【００５１】
（ステップ３１４〜３１９）
最後に、無線端末１、２、３の各々がステップ３１３の（第２の）プレコーダー行列に基づいて送信された情報ｃ＋ｄ、ａ＋ｄ、ｂ＋ｄを受信し（３１４〜３１６）、前記ステップ３０７〜３１２により分離された人工雑音ｄを用いて、それぞれ受信情報から人工雑音ｄ成分を除去し、情報ｃ、ａ、ｂを分離する（３１７〜３１９）。
【００５２】
以上のように、本実施の形態によれば、無線端末および無線端末と同数のアンテナエレメントを持つＭＩＭＯアンテナを有する中継局より成るアドホックネットワークにさらに人工雑音を送信する認証局を加え、上記３０１〜３１９で示されるステップを実行することにより、機密性の高い安全なＭＩＭＯスイッチング伝送を実現することができる。
【００５３】
しかし、その一方で、人工雑音がいずれかの経路において改ざんされるリスクも存在する。この場合、認証局６は、中継局５からの受信情報（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）の中からスペクトラム拡散処理により人工雑音ｄを成長的に検出することにより、改ざんの有無を把握することができる。つまり「信号」ｄから見れば、他の情報ａ、ｂ、ｃは「ランダムノイズ」に見え、さらに加算処理により平準化されるため、送信された人工雑音ｄと受信情報（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）との相関演算などにより「信号」ｄが改ざんされたかどうかを確率として検知することができる。
【００５４】
なお、本実施の形態において、中継局５は交差点の信号機など公共の建造物に設置されたものであってもよいし、車載され適宜移動可能なものであってもよい。また、認証局６は例えば公的機関によって予め認証された無線端末であってもよく、固定式であっても移動式であってもよい。また、中継局５のエレメント数Ｎに対して、アドホックネットワークに参加する無線端末の数が少ない場合、中継局５により人工雑音ｄも含めて、無線端末の送信情報が解読されてしまう虞があるが、この場合は公的機関などによって認証された無線端末がダミーの情報を送信するなどして、アドホックネットワークの参加者を常にＮに保つようにしてもよい。
【００５５】
また、本実施の形態において、認証局６は基本的には他の無線端末と同様の構成でありつつも、本実施の形態において認証局６（Ｎ＋１番目の端末）として用いられる場合に人工雑音を送信するする、人工雑音送信部を有してもよい。この人工雑音送信部はＬＳＩやフィールドプログラムアレイ等のハードウェアで構成されてもよく、マイクロコードやソフトウェアで実装されたものでもよい。
【００５６】
さらに、本実施の形態における認証局６は、スペクトラム拡散処理により、前記中継局から受信した情報の中から人工雑音成分を成長的に検出する人工雑音成分検出部を有してもよい。この人工雑音成分検出部はＬＳＩやフィールドプログラムアレイ等のハードウェアで構成されてもよく、マイクロコードやソフトウェアで実装されたものでもよい。
。
【実施例】
【００５７】
以下、本開示における実施例について説明する。
（実施例１）
図８はＮ＝２の場合のミラーヌルステアリングの効果を検証したシミュレーション結果を示すグラフである。無線通信伝送路として、レイリーフェージング通信路を仮定としている。また，中継局４と無線端末１（Ａ）、無線端末２（Ｂ）、無線端末３（Ｃ）の間の距離は互いに等しいと仮定し、伝播距離に依存した減衰係数（パスロス）も互いに等しいと想定している。図８において、横軸は図２のフローチャートで示された無線通信伝送システムにおける秘密保持容量（Ｓｅｃｕｒｅ  Ｃａｐａｃｉｔｙ）を、縦軸は累積分布関数（ＣＤＦ）を示す。本実施例において、秘密保持容量ＣＳは下記式（１４）で定義されるとする。
【数１２】
2019110533.tif 000014
ここで、ＳＮＲｉｊは無線端末iから中継局４を経由し、無線端末jに達したときのｅｎｄ―ｔｏ―ｅｎｄのＳＮ比を、ＳＮＲｉＲは無線端末iから中継局４へのＳＮ比を、それぞれ表している。また、右辺右肩の＋（プラス）符号は、括弧の中の値が正の場合はその値をとり、それ以外の場合は０とする演算子であるとする。
【００５８】
図８より明らかなように、ミラーヌルステアリング無しの場合ＣＳ＞０となる累積分布関数の値が０．８以上となるのに対し、ミラーヌルステアリング有りにするとＣＳが３を越えたあたりでも累積分布関数は０．５以下にとどまっている。このことはミラーリングヌルステアリングにより効果的に人工雑音を除去されるため、中継局に対する秘匿性が維持されたまま伝送容量の拡大が達成できていることを意味している。
【００５９】
（実施例２）
本実施例は第２の実施の形態に対応する。ｘＡ、ｘＣが無線端末間で共有すべき情報信号である場合の中継局４における送信信号の交換処理を含む信号分離のシミュレーション結果を示す。図９は秘密保持容量すなわち中継局４に情報が洩れることなく安全に伝送できる伝送容量（Ｃｓ）に対する累積分布関数（ＣＤＦ）特性を示している。図７において、シンボル□と実線で示される線は図５のフローチャートで示された無線通信伝送システム（以下、提案法）を用いた場合を、シンボル◇と破線で示される線は従来のＳＴＢＣ（非特許文献２）を用いた場合を、それぞれ示す。提案法では、先述のように、無線端末１（Ａ）、無線端末２（Ｂ）、無線端末３（Ｃ）が情報を同時に伝送し、中継局４は二段階のヌルステアリング処理（ミラーリングヌルステアリングとアンテナ間で信号を交換したヌルステアリング）を実施する。
【００６０】
図９より、提案法は従来法と比べて秘密保持容量Ｃｓが高く、情報がより安全に伝送できることがわかる。具体的には、ＣＤＦ＝０．１において従来法よりも０．２ｂｉｔｓ／ｓｅｃ／Ｈｚ高い秘密保持容量を達成している。これは、本方法では無線局が情報を送信する順番に選択性があり、より安全に伝送できる伝送容量を達成する送信を選択的に選ぶことで、高品質化を確保していることを意味している。
【００６１】
（実施例３）
本実施例は第３の実施の形態に対応し、中継局が受信信号の一部を改ざんした場合の改ざん検出の精度評価の例を示すものである。ここでは送信信号として直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）を用いるものとする。ＯＦＤＭは副搬送波を同時に利用することで並列伝送が可能である。よって、中継局は副搬送波の一部あるいはすべてを異なる変調信号（例えば，位相変調（ＰＳＫ）や直交振幅変調（ＱＡＭ）など）に差し替えることで情報の一部分あるいはすべてを書き換えて、全端末に報知することができる。
【００６２】
本実施では、端末数を２（＝Ｎ）局、中継局のアンテナ数を２（＝Ｎ）、情報交換のための変調方式をＢＰＳＫとするシミュレーションを行った。なお、第３（＝Ｎ＋１）局が発する人工雑音をガウス性白色雑音とした。中継局が改ざんする情報として、任意の変調方式としてモデル化するため、複素ガウス乱数でモデル化した。また、本実施例において、誤警報確率（改ざんしていないのに改ざんしていると判断する確率）は１０％としている。
【００６３】
本実施例におけるシミュレーション結果を図１０に示す。図１０において横軸は、受信信号の内、改ざんをした情報の割合を示す。縦軸は誤検出確率であり、この値が小さいほど改ざんを見逃す確率が低く、高精度であることを示している。系列上は，スペクトラム拡散技術における相関検出をした際の系列の長さを示している。図１０より、系列長が２５６から４０９６へと拡大することで、低い偽装割合においても誤検出確率を低く抑えられることがわかる。これは、人工雑音の系列長が長くなることによって、改ざんがないときとあるときの相関値の差が大きくなり、検出感度が高くなったことを意味する。すなわち、疑似雑音を利用した一定精度の改ざん検出を可能にしたといえる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、自動車における無線通信システム、例えば自動運転、路車間通信、Ｖ２Ｘ、に利用可能である。また本発明は、センサネットワーク（ＩｏＴ，Ｍ２Ｍ）、災害時の代替通信（移動体無線通信）、セルラ通信（携帯電話）と併用されるネットワークとしても、導入が期待される。
【符号の説明】
【００６５】
１、２、３  無線端末
４、５  中継局
６  認証局（Ｎ＋１番目の端末）
４１、４２  アンテナエレメント
【図１】
2019110533.tif 000015
【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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