(57)【要約】【課題】無線通信システムにおいて無線チャネル状態から物理階層の暗号キーストリームを生成して平文データを暗復号化し、暗号化されたデータを送受信する、無線通信システムにおける保安データ伝送装置および方法を提示する。【解決手段】前記装置は、平文データを暗号化されたデータ信号に変換させるための暗号キーストリームを生成するキー生成部と、受信されたパイロット信号から無線チャネル状態情報を取得してキー生成部に送り、暗号キーストリームに基づいて平文データを暗号化し、無線チャネルを介して相手端末に送信する送受信部とを含む。キー生成部は、無線チャネル状態情報に基づいて暗号キーストリームを生成して送受信部に送る。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平文データを暗号化されたデータ信号に変換させるための暗号キーストリームを生成するキー生成部と、
受信されたパイロット信号から無線チャネル状態情報を取得して前記キー生成部に送り、前記暗号キーストリームに基づいて前記平文データを暗号化し、無線チャネルを介して相手端末に送信する送受信部とを含み、
前記キー生成部は、前記無線チャネル状態情報に基づいて前記暗号キーストリームを生成して前記送受信部に送ることを特徴とする、無線通信システムにおける保安データ伝送装置。
【請求項２】
前記無線チャネル状態情報は、前記受信されたパイロット信号の位相情報を含むことを特徴とする、請求項１に記載の無線通信システムにおける保安データ伝送装置。
【請求項３】
前記キー生成部は、前記位相情報を１つのシンボルに対する暗号キーストリームとして前記送受信部に送ることを特徴とする、請求項２に記載の無線通信システムにおける保安データ伝送装置。
【請求項４】
前記送受信部は、前記１つのシンボルに対する暗号キーストリームを用いて前記平文データを物理階層で暗号化することを特徴とする、請求項３に記載の無線通信システムにおける保安データ伝送装置。
【請求項５】
前記送受信部は、送信部および受信部を含み、
前記送信部は、前記キー生成部からの暗号キーストリームを用いて前記平文データを物理階層で暗号化する伝送信号暗号化部を含み、
前記受信部は、受信された前記パイロット信号から前記無線チャネル状態情報を抽出して前記キー生成部に伝送するチャネル推定部と、無線チャネルを介して復号化されたデータ受信信号を補償する受信信号制御部とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の無線通信システムにおける保安データ伝送装置。
【請求項６】
前記送信部は、生成するパイロット信号を計算する伝送パイロット制御部と、前記伝送パイロット制御部で計算されたパイロット信号を発生させるパイロット信号発生部とを追加的に含むことを特徴とする、請求項５に記載の無線通信システムにおける保安データ伝送装置。
【請求項７】
送受信部が、相手端末からのパイロット信号を受信するステップと、
前記送受信部が、前記パイロット信号から無線チャネル状態情報を推定するステップと、
キー生成部が、前記無線チャネル状態情報に基づいて暗号キーストリームを生成するステップと、
前記送受信部が、平文データを、前記暗号キーストリームを用いて物理階層で暗号化を行うステップと、
前記送受信部が、前記暗号化を行うステップによって暗号化されたデータ信号を無線チャネルを介して前記相手端末に伝送するステップとを含むことを特徴とする、無線通信システムにおける保安データ伝送方法。
【請求項８】
前記無線チャネル状態情報は、前記受信されたパイロット信号の位相情報を含むことを特徴とする、請求項７に記載の無線通信システムにおける保安データ伝送方法。
【請求項９】
前記暗号キーストリームを生成するステップは、前記位相情報を１つのシンボルに対する暗号キーストリームとすることを特徴とする、請求項８に記載の無線通信システムにおける保安データ伝送方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、保安データ伝送装置および方法に関するものであって、より詳細には、無線通信システムにおいて無線チャネルを用いて保安データを送受信する装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
多くの暗号化技術が無線通信システムに適用されて使用されている。しかし、これらの技術は、適法なユーザが、傍受者のキー取得によっても数学的に不可能になるのではなく、計算的困難に頼っている問題がある。傍受者が利用可能な計算能力が増加するほど、このような方法の効果は減少する。したがって、計算的困難に対する仮定に基づくよりは、絶対的な秘密を提供する暗号化技術を構築することが有利である。
【０００３】
関連する先行技術として、傍受者がどれだけ大きな確信があってもキーを導出したり推測することが数学的に不可能となるように、無線通信ネットワーク内の複数の端末の間の完璧なランダム秘密キーを生成するための内容が、大韓民国登録特許第１２４７１７３号（無線通信ネットワークにおける完璧な秘密キーの生成）に開示された。
【０００４】
大韓民国登録特許第１２４７１７３号は、無線チャネルの相反性（ｒｅｃｉｐｒｏｃｉｔｙ）に基づいて秘密キーを生成するものであって、無線通信ネットワークにおいて２つまたはそれ以上の端末の間の完璧なランダム秘密キーを生成することができる。
【０００５】
しかし、前記大韓民国登録特許第１２４７１７３号は、キーの生成が目的であるに過ぎず、生成したキーを暗号化通信などに用いることについては全く考慮していない。
【０００６】
他の関連する先行技術として、無線通信システムにおいて通信の所望しないインターセプターによる復号化に対して無線インターフェースをより安全にするために、物理階層でシンボルを暗号化し、無線リンクを介して送信されるデータの暗号化を向上させる内容が、大韓民国登録特許第０９０４８１７号（無線通信システムにおけるＯＴＡ通信の暗号化のための方法および装置）に開示された。
【０００７】
大韓民国登録特許第０９０４８１７号は、コードワードの暗号ストリームを用いて、物理階層で振幅および位相情報を用いてシンボルを暗号化することができる。
【０００８】
しかし、前記大韓民国登録特許第０９０４８１７号は、同一のキーからコードワードを用いて物理階層の暗号・復号化を行うだけであり、本発明で追求するキー共有なしに無線チャネルから取得した暗号キーストリームを用いて暗号化通信を行う方式とは相違する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】大韓民国登録特許第１２４７１７３号公報
【特許文献２】大韓民国登録特許第０９０４８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、前記の従来の問題を解決するためになされたものであって、無線通信システムにおいて無線チャネル状態から物理階層の暗号キーストリームを生成して平文データを暗復号化し、暗号化されたデータを送受信する、無線通信システムにおける保安データ伝送装置および方法を提供することを目的とする。
【００１１】
すなわち、傍受者の計算能力が発展するにつれ、計算に基づく暗号化方式が限界を持つようになった。したがって、本発明は、これを解決するために、従来の計算に基づく無線通信の暗号化方式を、絶対的な秘密を提供する無線チャネルを介した暗号化方式に切り替える。このようにすれば、傍受者は瞬間ごとに変化するユーザの通信チャネルに関する情報を習得することができないため、平文データを抽出することができない。
【００１２】
従来のデータ暗号化方式は、数学的暗号アルゴリズムによる演算によって行われる。しかし、本発明は、データ送信者は、無線チャネル状態情報から暗号キーストリームを直接抽出し、平文データを物理階層で暗号化する。したがって、別の数学的暗号アルゴリズムを必要としない。これにより、メモリを節約することができ、装備の紛失による暗号アルゴリズム漏れなどの問題が発生しない。
【００１３】
従来の暗号方式は、暗号化されたデータを受信したユーザは、暗号化過程と同一の数学的暗号アルゴリズムに基づいた演算によって暗号化されたデータを復号化する。しかし、本発明では、受信者に自然に復号化された平文データが受信され、別の復号化計算および装置を必要としないようにする。このようにすれば、保安能力は向上させながら暗号データ受信機の構造を単純化させ、費用を節減することができる。
【００１４】
無線チャネルの変化が少なくなると、無線チャネル状態情報から抽出した暗号キーストリームのランダム性が低下する。本発明は、これを解決するために、受信者は、伝送するパイロット信号を人為的に変調して無線チャネルが変化するのと同様の効果をもたらすようにする。このようにすれば、パイロット受信者またはデータを暗号化して伝送する送信者は、無線チャネルが変異するのと類似するチャネル応答情報を得て、これからランダムな暗号キーストリームを抽出する。パイロット送信者または暗号化されたデータを受信する受信者は、人為的に変調された無線チャネル状態情報を用いて、受信された暗号化データを復号化する。
【００１５】
一方、本発明は、無線通信を行う端末の間の無線チャネルから端末が直接暗号キーストリームを抽出するため、中央での暗号キー分配を必要としない。したがって、暗号キー分配システムに構成されないアドホック（Ａｄ−ｈｏｃ）またはピアツーピア（Ｐｅｅｒ−ｔｏ−Ｐｅｅｒ）通信で手軽に暗号化通信を用いることができる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記の目的を達成するために、本発明の好ましい実施態様にかかる無線通信システムにおける保安データ伝送装置は、平文データを暗号化されたデータ信号に変換させるための暗号キーストリームを生成するキー生成部と、受信されたパイロット信号から無線チャネル状態情報を取得して前記キー生成部に送り、前記暗号キーストリームに基づいて前記平文データを暗号化し、無線チャネルを介して相手端末に送信する送受信部とを含み、前記キー生成部は、前記無線チャネル状態情報に基づいて前記暗号キーストリームを生成して前記送受信部に送る。
【００１７】
好ましくは、前記無線チャネル状態情報は、前記受信されたパイロット信号の位相情報を含むことができる。
【００１８】
好ましくは、前記キー生成部は、前記位相情報を１つのシンボルに対する暗号キーストリームとして前記送受信部に送ることができる。
【００１９】
好ましくは、前記送受信部は、前記１つのシンボルに対する暗号キーストリームを用いて前記平文データを物理階層で暗号化することができる。
【００２０】
好ましくは、前記送受信部は、送信部および受信部を含み、前記送信部は、前記キー生成部からの暗号キーストリームを用いて前記平文データを物理階層で暗号化する伝送信号暗号化部を含み、前記受信部は、受信された前記パイロット信号から前記無線チャネル状態情報を抽出して前記キー生成部に伝送するチャネル推定部と、無線チャネルを介して復号化されたデータ受信信号を補償する受信信号制御部とを含むことができる。
【００２１】
好ましくは、前記送信部は、生成するパイロット信号を計算する伝送パイロット制御部と、前記伝送パイロット制御部で計算されたパイロット信号を発生させるパイロット信号発生部とを追加的に含むことができる。
【００２２】
好ましくは、前記パイロット信号を変調させるランダム情報を発生するランダム情報発生部を追加的に含み、前記伝送パイロット制御部は、予め格納された代表パイロット信号および前記ランダム情報発生部からのランダム情報に基づいて、前記生成するパイロット信号を計算することができる。
【００２３】
好ましくは、前記受信信号制御部は、前記ランダム情報発生部からのランダム情報に基づいて、前記復号化されたデータ受信信号を補償することができる。
【００２４】
本発明の好ましい実施態様にかかる無線通信システムにおける保安データ伝送方法は、送受信部が、相手端末からのパイロット信号を受信するステップと、前記送受信部が、前記パイロット信号から無線チャネル状態情報を推定するステップと、キー生成部が、前記無線チャネル状態情報に基づいて暗号キーストリームを生成するステップと、前記送受信部が、平文データを、前記暗号キーストリームを用いて物理階層で暗号化を行うステップと、前記送受信部が、前記暗号化を行うステップによって暗号化されたデータ信号を無線チャネルを介して前記相手端末に伝送するステップとを含む。
【発明の効果】
【００２５】
このような構成の本発明によれば、無線通信システムにおいて無線チャネル状態情報を用いて物理階層の暗号キーストリームを生成し、これを用いて平文データを暗号化して伝送することができる。また、送信者によって物理階層で暗号化されて伝送されたデータが、無線チャネル応答によって自然に復号化され、受信者に平文データとして受信されるようにすることができる。この場合、傍受者は、２人のユーザと独立した無線チャネル応答を経験するため、平文データとは相関関係のない暗号化されたデータを受信することとなり、平文データを類推することができない。
【００２６】
一方、本発明では、別の数学的暗号アルゴリズムを用いなくてもよく、受信者には自然に復号化されて受信されるため、計算資源使用の減少、別の暗号チップの不要化、電力消耗の減少、メモリ節約、費用節減などの利点がある。
【００２７】
また、本発明は、無線チャネルの変化が少ない場合にも、ランダムな情報を追加し、人為的な無線チャネルの変化効果を誘導して暗号化通信のランダム性を維持する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態が適用される無線ネットワーク環境を示す図である。
【図２】本発明の実施形態が適用された端末の概略的な構成を示す図である。
【図３】図２に示された送信部の構造を示す図である。
【図４】図２に示された受信部の構造を示す図である。
【図５】本発明の実施形態にかかる無線通信システムにおける保安データ伝送方法を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
無線通信システムでは、絶対的な秘密を提供する相互関連のランダムソースを無線チャネル状態情報から取得することができる。特に、無線通信システムが時分割複信（Ｔｉｍｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｄｕｐｌｅｘ、ＴＤＤ）方式であれば、通信リンクを形成した２人のユーザは、特定時間内で無線チャネル状態情報を取得することができる。この場合、２人のユーザと無線リンクを形成しない傍受者は、２人のユーザの無線チャネルと相関関係がほとんどない無線チャネル状態を観察するはずである。このような相違は、完璧な暗号キーストリームの生成およびデータの暗号化伝送のために利用可能である。本発明において、暗号化通信を行う２人のユーザのうち、送信者は、受信者から観察された無線チャネル状態情報を用いて物理階層の暗号キーストリームを生成し、この暗号キーストリームを用いて平文データを暗号化して伝送することができる。また、送信者によって物理階層で暗号化されて伝送されるデータが、無線チャネル応答によって自然に復号化され、受信者には平文データとして受信されるようにすることができる。傍受者は暗号化通信を行う２人のユーザと独立した無線チャネル応答を経験するため、平文データとは相関関係のない暗号化されたデータを受信することとなる。したがって、傍受者は平文データを取得することができない。
【００３０】
本発明における保安データ伝送方式は、大きく、暗号キーストリームの生成と、物理階層の暗号化伝送および受信とに分けられる。本発明では、無線通信を行うユーザの通信リンクで無線チャネルを用いて秘密キーを生成する従来の方式と類似して、自然に発生するチャネルインパルス応答から暗号キーストリームを直接生成する方策を採用した。従来の方式は、２人のユーザとも無線チャネル状態情報を抽出して同一の秘密キーを生成し、これを暗号化アルゴリズムの秘密キーとして用いる。以後、秘密キーと暗号化アルゴリズムを用いて暗号ブロックまたは暗号ストリームを生成して暗号・復号化を行う。しかし、本発明では、送信者でのみ無線チャネル状態情報から暗号キーストリームを直接生成し、受信者は同一の暗号キーストリームを生成する必要がない。一方、一般的に上位階層で暗号化が行われるのとは異なり、本発明では、物理階層で暗号キーストリームによって対応する伝送暗号シンボルまたは信号を決定する方法を採用した。従来の物理階層の暗号化方式を行う場合、送信者は、数学的暗号アルゴリズムと秘密キーによって平文データを暗号化し、受信者は、同一の暗号アルゴリズムと秘密キーを用いて、受信されるシンボルまたは信号を復号化して平文データを抽出するように動作する。この時、送・受信者の物理階層の暗号・復号化過程で数学的暗号アルゴリズムが必要である。本発明では、物理階層の暗号化方式を用いるが、無線チャネル情報を用いて暗号キーストリームを直接生成するため、数学的暗号アルゴリズムを必要としない。
【００３１】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態にかかる無線通信システムにおける保安データ伝送装置および方法について説明する。本発明の詳細な説明に先立ち、以下に説明される本明細書および請求の範囲に使用された用語や単語は、通常的または辞書的な意味に限定して解釈されてはならない。したがって、本明細書に記載された実施形態および図面に示された構成は、本発明の最も好ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的思想をすべて代弁するものではないので、本出願時点においてこれらを代替可能な多様な均等物および変形例があり得ることを理解しなければならない。
【００３２】
図１は、本発明の実施形態が適用される無線ネットワーク環境を示す図である。送信者（Ａｌｉｃｅ）は、受信者（Ｂｏｂ）に暗号化されたデータ（すなわち、保安データ）を伝送する。この時、傍受者（Ｅｖｅ）は、送信者（Ａｌｉｃｅ）が伝送する暗号化されたデータ（すなわち、保安データ）を傍受し、伝送される平文データを抽出しようとする。
【００３３】
送信者（Ａｌｉｃｅ）が受信者（Ｂｏｂ）にデータを伝送する前に、受信者（Ｂｏｂ）は、送信者（Ａｌｉｃｅ）に約束されたパイロット信号（ｐｉｌｏｔ  ｓｉｇｎａｌ）を伝送する。送信者（Ａｌｉｃｅ）は、受信されるパイロット信号を介して２人の間の無線チャネル状態（ｈ）の情報（例えば、受信信号の位相変移、受信信号の強度、特定受信強度しきい値交差率、偏光形態など）を取得することができる。それにより、送信者（Ａｌｉｃｅ）は、取得した無線チャネル状態（ｈ）の情報を用いて、伝送する平文データを物理階層で暗号化する。そして、送信者（Ａｌｉｃｅ）によって暗号化されたデータは、同一の無線チャネルを用いて受信者（Ｂｏｂ）に伝送される。
【００３４】
暗号化されたデータが送信者（Ａｌｉｃｅ）と受信者（Ｂｏｂ）との間の無線チャネルを介して伝送されながら、自然に復号化され、受信者（Ｂｏｂ）に平文データとして受信される。
【００３５】
一方、傍受者（Ｅｖｅ）は、送信者（Ａｌｉｃｅ）が受信者（Ｂｏｂ）に伝送するデータを傍受しようとするはずである。しかし、送信者（Ａｌｉｃｅ）と傍受者（Ｅｖｅ）との無線チャネル状態（ｇ）は、送信者（Ａｌｉｃｅ）と受信者（Ｂｏｂ）との無線チャネル状態（ｈ）とは相関関係がないため、傍受者（Ｅｖｅ）は平文データとは相関関係のない暗号化されたデータを受信することとなるため、傍受者（Ｅｖｅ）は平文データを取得することができなくなる。
【００３６】
上述した図１の説明に記載された送信者、受信者、傍受者は、説明の便宜のためのもので、より好ましくは、送信者端末、受信者端末、傍受者端末として理解するのが妥当である。
【００３７】
図２は、本発明の実施形態が適用された端末の概略的な構成を示す図である。図２に示された端末は、送信者（Ａｌｉｃｅ）の端末であってもよく、受信者（Ｂｏｂ）の端末であってもよい。すなわち、送信者と受信者は互いに入れ替え可能であるので、図２に示された構成は、送信者の端末および受信者の端末にいずれも同一に適用されたものと理解することが好ましい。
【００３８】
端末は、送信部１０と、送受信制御部１２と、送受信スイッチ１４と、キー生成部１６と、ランダム情報発生部１８と、受信部２０と、アンテナ２２とを含む。ここで、送信部１０、送受信制御部１２、送受信スイッチ１４、および受信部２０を、送受信部３０と通称することができる。
【００３９】
キー生成部１６は、平文データを暗号化されたデータ信号に変換させるための暗号キーストリームを生成する。すなわち、キー生成部１６は、パイロット信号からの無線チャネル状態情報に基づいて暗号キーストリームを生成して送受信部３０に送る。
【００４０】
送受信部３０は、受信されたパイロット信号から無線チャネル状態情報を取得してキー生成部１６に送る。そして、送受信部３０は、キー生成部１６からの暗号キーストリームに基づいて平文データを暗号化されたデータ信号として作り、無線チャネルを介して相手端末に送信する。
【００４１】
図２において、送信部１０は、パイロット信号またはデータ信号を相手端末に伝送する。受信部２０は、相手端末から伝送されるパイロット信号またはデータ信号を受信する。
【００４２】
送信部１０は、特定状況において、ランダム情報発生部１８で発生したランダム情報を受信し、パイロット信号を発生させるのに用いる。例えば、無線チャネルの位相情報θｈの変化が少ない場合に、受信者（Ｂｏｂ）がパイロット信号を伝送する時、シンボル単位のランダムな位相値を適用することができる。すなわち、受信者は、パイロットシンボルごとにランダムな位相情報θｒを生成し、パイロットシンボルの位相をθｒだけ変移させて伝送することができる。ここで、シンボル単位のランダムな位相値（位相情報）が前記ランダム情報になるとよい。それにより、ランダム情報は、暗号キーストリームをランダムにするための情報としても用いられる。ランダム情報の応用は、位相情報だけでなく、送信信号の強度、偏光などにも適用可能である。
【００４３】
送信部１０は、キー生成部１６で生成した暗号キーストリーム（または暗号キーストリーム情報といえる）を受信し、伝送信号（平文データ）を物理階層で暗号化するのに用いる。ここで、キー生成部１６は、暗号キーストリームを送信部１０に提供する時、付随的に暗号キーストリーム生成情報を併せて提供することができる。暗号キーストリーム生成情報は、無線チャネル状態情報をどのように利用して暗号キーストリームを生成したかを知らせる情報であって、付随的な情報であるので、なくても構わない。
【００４４】
受信部２０は、受信されたパイロット信号から無線チャネル状態情報を推定してキー生成部１６に送る。また、受信部２０は、パイロット信号にランダム情報を用いた場合、ランダム情報発生部１８からのランダム情報を受信し、復号化されたデータ受信信号を復元するのに用いる。
【００４５】
図２において、説明されていない符号１２は、送受信スイッチ１４を介して送信部１０または受信部２０の動作が行われるように制御する送受信制御部である。すなわち、送受信制御部１２は、送信部１０の動作が行われるべき時には、送受信スイッチ１４を送信部１０と接続させることにより、送信部１０からのパイロット信号または暗号化されたデータ信号をアンテナ２２を介して送信する。送受信制御部１２は、受信部２０の動作が行われるべき時には、送受信スイッチ１４を受信部２０と接続させることにより、アンテナ２２を介した、相手端末からのパイロット信号または暗号化されたデータ信号を受信させる。
【００４６】
図３は、図２に示された送信部の構造を示す図である。
【００４７】
送信者の端末または受信者の端末に備えられた送信部１０は、伝送制御部４２と、伝送スイッチ４４と、代表パイロット格納部４６と、伝送パイロット制御部４８と、パイロット信号発生部５０と、エラー訂正符号化部５４と、伝送信号暗号化部５６と、データ信号発生部５８とを含む。
【００４８】
伝送制御部４２は、伝送スイッチ４４を用いて、パイロット信号または暗号化されたデータ信号のうち、特定時間に伝送される信号を選択する。
【００４９】
代表パイロット格納部４６は、ユーザに共通に知られている代表パイロット信号を格納している。
【００５０】
伝送パイロット制御部４８は、生成するパイロット信号を計算する。すなわち、伝送パイロット制御部４８は、代表パイロット格納部４６に格納された代表パイロット信号およびランダム情報発生部１８からのランダム情報を用いて、生成するパイロット信号を計算することができる。
【００５１】
パイロット信号発生部５０は、伝送パイロット制御部４８で計算されたパイロット信号に相応するパイロット信号を発生させる。パイロット信号発生部５０で発生したパイロット信号は、伝送スイッチ４４および送受信スイッチ１４を介して無線チャネルに伝送される。
【００５２】
エラー訂正符号化部５４は、平文データ５２に対してエラー訂正符号化（ｅｒｒｏｒ  ｃｏｒｒｅｃｔｉｎｇ  ｃｏｄｅ）過程を行う。
【００５３】
伝送信号暗号化部５６は、エラー訂正符号化部５４を経た平文データ５２を受信し、キー生成部１６から暗号キーストリームを受信する。かくして、伝送信号暗号化部５６は、暗号キーストリームを用いて伝送信号（すなわち、平文データ）を物理階層で暗号化する。
【００５４】
データ信号発生部５８は、伝送信号暗号化部５６で暗号化されたデータシンボルをデータ信号化し、伝送スイッチ４４および送受信スイッチ１４を介して無線チャネルに伝送する。
【００５５】
上述した図３の送信部１０によれば、伝送制御部４２は、伝送スイッチ４４を用いて、パイロット信号またはデータ信号のうち、特定時間に伝送される信号を選択する。
【００５６】
パイロット信号を伝送する時には、代表パイロット信号およびランダム情報発生部１８で生成されたランダム情報が伝送パイロット制御部４８に伝送され、伝送パイロット制御部４８は、生成するパイロット信号を計算してパイロット信号発生部５０に知らせる。以後、送受信スイッチ１４とアンテナを経て無線チャネルに伝送される。
【００５７】
データ信号を暗号化して伝送する時には、平文データ５２は、エラー訂正符号化部５４でエラー訂正符号化過程を経た後、伝送信号暗号化部５６に入力される。伝送信号暗号化部５６は、キー生成部１６から受信される暗号キーストリームを用いて伝送信号を物理階層で暗号化する。暗号化されたデータシンボルは、データ信号発生部５８に伝送される。以後、送受信スイッチ１４とアンテナを経て無線チャネルに伝送される。
【００５８】
図４は、図２に示された受信部の構造を示す図である。
【００５９】
送信者の端末または受信者の端末に備えられた受信部２０は、受信制御部６２と、受信スイッチ６４と、パイロット信号受信部６６と、チャネル推定部６８と、データ信号受信部７０と、受信信号制御部７２と、エラー訂正復号化部７４とを含む。
【００６０】
受信制御部６２は、受信スイッチ６４を用いて、パイロット信号または暗号化されたデータ信号のうち、特定時間に受信される信号を選択する。
【００６１】
パイロット信号受信部６６は、受信スイッチ６４を介してパイロット信号を受信する。
【００６２】
チャネル推定部６８は、パイロット信号受信部６６に受信されたパイロット信号から無線チャネル状態情報を抽出してキー生成部１６に伝送する。
【００６３】
データ信号受信部７０は、受信スイッチ６４を介してデータ信号を受信する。この時、受信されたデータ信号は、無線チャネル応答によって自然に復号化された信号（シンボル単位）である。
【００６４】
受信信号制御部７２は、無線チャネルを介して自然に復号化されたデータ受信信号（シンボル単位）をエラー訂正復号化部７４に送る。仮に、受信信号制御部７２は、ランダム情報発生部１８からのランダム情報を受信した場合には、復号化されたデータ受信信号を、ランダム情報に基づいて補償した後にエラー訂正復号化部７４に送る。
【００６５】
エラー訂正復号化部７４は、受信信号制御部７２からの信号（すなわち、シンボル単位のデータ信号）をエラー訂正復号化して元の平文データ７６に変換する。
【００６６】
上述した図４の受信部２０によれば、受信制御部６２は、受信スイッチ６４を用いて、パイロット信号またはデータ信号のうち、特定時間に受信される信号を選択する。
【００６７】
パイロット信号が受信される場合、受信されるパイロット信号は、パイロット信号受信部６６を経てチャネル推定部６８に伝送される。チャネル推定部６８は、受信されるパイロット信号から２人のユーザの無線チャネル状態情報を抽出し、これをキー生成部１６に伝送する。
【００６８】
データ信号を受信する場合、受信されたデータは、データ信号受信部７０を経て受信信号制御部７２に伝送される。受信信号制御部７２は、自然に復号化されたデータ受信信号をエラー訂正復号化部７４に直接送るか、補償処理を行った後にエラー訂正復号化部７４に送る。補償処理を行う場合は、無線チャネル状態情報（例えば、位相情報θｈ）の変化が少ない場合である。無線チャネルの位相情報θｈの変化が少ない場合に、受信者（Ｂｏｂ）は、パイロットシンボルごとにランダムな位相情報θｒを生成し、パイロットシンボルの位相をθｒだけ変移させて伝送する。ここで、ランダムな位相情報θｒは、ランダム情報発生部１８で発生させる。すると、送信者（Ａｌｉｃｅ）は、θｈ＋θｒが当該パイロットシンボルに対する無線チャネル応答の位相情報と考えて、この情報を用いて物理階層の暗号化を行う。したがって、受信者（Ｂｏｂ）が無線チャネルを介して自然に復号化されたデータ信号を受信すると、自身の生成したランダム位相値θｒを知るため（すなわち、ランダム情報発生部１８からのランダム情報が受信信号制御部７２に伝送されるため）、送信者（Ａｌｉｃｅ）から受信したシンボルにランダム位相値θｒを加えて平文シンボルθを取得する。
【００６９】
このように無線チャネルの変化が少なくてランダム情報発生部１８を用いた場合には、受信信号制御部７２は、ランダム情報発生部１８で生成されたランダム情報を用いて、復号化されたデータ受信信号を補償する。そして、補償された信号は、エラー訂正復号化部７４でのエラー訂正復号化を経た後、元の平文データ７６に変換される。
【００７０】
図５は、本発明の実施形態にかかる無線通信システムにおける保安データ伝送方法を説明するためのフローチャートであり、送信者（Ａｌｉｃｅ）が暗号化されたデータを受信者（Ｂｏｂ）に伝送する手順を示す。
【００７１】
まず、暗号化伝送を開始すると、受信者（Ｂｏｂ）は、送信者（Ａｌｉｃｅ）にパイロット信号を伝送する（Ｓ１０）。
【００７２】
それにより、送信者（Ａｌｉｃｅ）は、受信者（Ｂｏｂ）からのパイロット信号を受信する（Ｓ１２）。
【００７３】
送信者（Ａｌｉｃｅ）は、受信したパイロット信号から２人のユーザの間の無線チャネル状態情報を推定し（Ｓ１４）、この情報を用いて暗号キーストリームを抽出する（Ｓ１６）。
【００７４】
このような暗号キーストリームの抽出後には、送信者（Ａｌｉｃｅ）は、伝送する平文データのエラー訂正符号化（ＥＣＣ）を行う（Ｓ１８）。
【００７５】
その後、送信者（Ａｌｉｃｅ）は、符号化された平文データを、ステップＳ１６で抽出した暗号キーストリームを用いて物理階層で暗号化を行う（Ｓ２０）。
【００７６】
このように物理階層で暗号化された信号は、無線チャネルを介して受信者（Ｂｏｂ）に伝送される（Ｓ２２）。この場合、送信者（Ａｌｉｃｅ）が物理階層で暗号化して伝送した信号は、無線チャネルを経由しながら自然に復号化される。
【００７７】
受信者（Ｂｏｂ）は、送信者（Ａｌｉｃｅ）が伝送した信号を受信するが（Ｓ２４）、平文化された信号を受信する。これにより、受信者（Ｂｏｂ）はデータを抽出する（Ｓ２６）。
【００７８】
受信者（Ｂｏｂ）は、抽出されたデータをエラー訂正復号化して平文データに復元する（Ｓ２８）。
【００７９】
仮に、平文データの受信に成功しない場合（Ｓ３０で「いいえ」）には、受信者（Ｂｏｂ）は、再伝送メッセージを送信者（Ａｌｉｃｅ）に伝送（Ｓ３２）し、同一の平文データに対して再伝送過程を行う（Ｓ３２）。
【００８０】
以下、上述したＳ１０〜Ｓ２８の過程を再び説明する。
【００８１】
無線ネットワーク環境において、送信者（Ａｌｉｃｅ）は、受信者（Ｂｏｂ）に機密データを暗号化して伝送するが、これに先立ち、機密データを受信する受信者（Ｂｏｂ）は、送信者（Ａｌｉｃｅ）にパイロット信号を伝送する。ここで、パイロット信号は、伝送パイロット制御部４８およびパイロット信号発生部５０によって生成されて伝送されるとよい。
【００８２】
送信者（Ａｌｉｃｅ）は、受信されたパイロット信号から無線チャネル状態（ｈ）の情報（すなわち、無線チャネル状態情報）を推定し、これを用いて暗号キーストリームを抽出する。チャネル推定部６８が無線チャネル状態（ｈ）の情報を推定し、暗号キーストリームの抽出はキー生成部１６で行われる。暗号キーストリームの抽出に使用可能な無線チャネル状態情報は、受信されたパイロット信号の位相情報（位相変移）、受信信号（すなわち、パイロット信号）の強度、特定受信強度しきい値交差率などを含むことができる。
【００８３】
例えば、位相情報を用いて暗号キーストリームを抽出する過程は次の通りである。送信者（Ａｌｉｃｅ）が受信者（Ｂｏｂ）から受信した無線チャネル状態（ｈ）の位相情報がθｈであれば、この値が１つのシンボルに対する暗号キーストリームとなる。無線チャネル状態情報から生成された１つのシンボルに対する暗号キーストリームは、物理階層のシンボル単位の暗号化を行うのに用いられる。
【００８４】
ここで、物理階層でシンボル単位で暗号化を行う過程についてより詳細に説明すれば次の通りである。平文データ５２は、エラー訂正符号化部５４でフレーム単位でエラー訂正符号化を経た後、２進ビット形態で伝送信号暗号化部５６に伝送される。以後、２進ビットは、伝送信号暗号化部５６でのシンボルの変調によって伝送するアナログシンボルに変換される。この時、伝送信号暗号化部５６は、前記抽出した１つのシンボルに対する暗号キーストリームを用いて物理階層で暗号化を行う。一例として、無線チャネルの位相情報から取得された暗号キーストリームθｈを用いて物理階層で１つのシンボルに対して暗号化を行う過程は次の通りである。物理階層での暗号化を行う前に変調を行う場合、一般的に一定数のビットは１つのシンボルに対応する。この時、対応するシンボルの位相がθとする。位相情報を用いて物理階層の暗号化を行う場合、送信者（Ａｌｉｃｅ）は、暗号キーストリームθｈを、受信者（Ｂｏｂ）にθ−θｈの位相を有する暗号化されたシンボルを伝送する。無線チャネルの相反性の特徴により、伝送された無線信号が無線チャネルを経由した後、受信者（Ｂｏｂ）にθの位相を有する平文のシンボルとして受信される。すなわち、送信者（Ａｌｉｃｅ）は、暗号化されたシンボルを伝送するが、送信者（Ａｌｉｃｅ）と受信者（Ｂｏｂ）との間の無線チャネル応答によって自然に復号化され、受信者（Ｂｏｂ）は平文化されたシンボルを直接受信する。したがって、受信者（Ｂｏｂ）は複雑な復号化過程を必要としない。実際の環境では、無線チャネルの変異、熱雑音などの要素により、受信される信号から若干のエラーが発生することがある。この場合、エラー訂正復号化により、誤って復元されたデータビットを復旧することができる。
【００８５】
ここで、無線チャネルは独立して形成されるため、送信者（Ａｌｉｃｅ）と受信者（Ｂｏｂ）との無線チャネル状態（ｈ）と、送信者（Ａｌｉｃｅ）と傍受者（Ｅｖｅ）との無線チャネル状態（ｇ）とは相違する。送信者（Ａｌｉｃｅ）と傍受者（Ｅｖｅ）とがθｇの無線チャネル状態の位相情報を有すると仮定する。送信者（Ａｌｉｃｅ）が位相情報を用いて物理階層の暗号化を行う場合、送信者（Ａｌｉｃｅ）は、受信者（Ｂｏｂ）にθ−θｈの位相を有する暗号化されたシンボルを伝送する。この時、傍受者（Ｅｖｅ）は、無線チャネルを経由した、θ−θｈ＋θｇの位相を有する暗号化されたシンボルを受信することとなる。位相情報は、一般的に均一に分布する。したがって、傍受者（Ｅｖｅ）は、元のシンボルを類推しにくく、送信者（Ａｌｉｃｅ）が受信者（Ｂｏｂ）に伝送する平文データを復元することができない。
【００８６】
前記記載された無線チャネルの相反性（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｒｅｃｉｐｒｏｃｉｔｙ）とは、無線伝送時、アップリンク（ｕｐ  ｌｉｎｋ）とダウンリンク（ｄｏｗｎ  ｌｉｎｋ）が同一の無線チャネルを共有する場合、共有する無線チャネルの特性が互いに同一であることを意味する。無線通信システムにおいて、ＦＤＤ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｄｕｐｌｅｘ）方式は、アップリンクとダウンリンクが使用する無線チャネルがそれぞれ異なる。したがって、各リンクの情報を取得するためには、パイロット信号以外に各チャネル情報に対する追加的な伝送が必要である。しかし、ＴＤＤ（Ｔｉｍｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｄｕｐｌｅｘ）は、送受信者が同一の無線チャネルに対して時間を分けて共有し、共有する無線チャネルの相反性を活用することができるため、パイロット信号以外に追加的なチャネル情報を伝送する必要がない。本発明では、このような無線チャネルの相反性の特徴を利用して、パイロット信号以外に追加的な情報を伝送することなく、送受信者が共有する無線チャネル状態情報を取得できるようにする。また、本発明では、取得された無線チャネル状態情報を用いて暗号キーストリームを生成してデータを暗号化できるようにする。追加的な情報の伝送を必要としないため、無線チャネル状態情報に対する保安性が維持される。つまり、送受信者以外はデータ伝送チャネルに関する情報を取得することができない。
【００８７】
そして、位相情報を用いた暗号化方法を、ＱＰＳＫ変調を例に挙げてより詳細に説明すれば次の通りである。ＱＰＳＫは、２ビットが１つのシンボルにマッピングされる。仮に、暗号化が行われていなければ、グレイコーディング方式において、一般的に、“００”はπ／４、“０１”は３π／４、“１１”は−π／４、“１０”は−３π／４の位相を有するシンボルに対応する。仮に、送信者（Ａｌｉｃｅ）と受信者（Ｂｏｂ）との間で暗号化が行われると、暗号化されたシンボルは、位相が−θｈだけ変移する。したがって、送信者（Ａｌｉｃｅ）が伝送するシンボルにおいて、“００”はπ／４−θｈ、“０１”は３π／４−θｈ、“１１”は−π／４−θｈ、“１０”は−３π／４−θｈの位相を有するシンボルに対応する。受信者（Ｂｏｂ）は、送信者（Ａｌｉｃｅ）が暗号化されたシンボルを伝送すると、“００”はπ／４、“０１”は３π／４、“１１”は−π／４、“１０”は−３π／４の位相を有する平文シンボルとして受信する。この時、傍受者（Ｅｖｅ）が暗号化されたシンボルを受信すると、π／４−θｈ＋θｇ、３π／４−θｈ＋θｇ、−π／４−θｈ＋θｇ、−３π／４−θｈ＋θｇの位相を有するシンボルとして受信するため、元の信号を復元することができない。θｈとθｇは関連性がなく、一般的に瞬間ごとに変化するため、ランダムな値を有して特定の規則を見つけることができない。
【００８８】
また、送信者（Ａｌｉｃｅ）と受信者（Ｂｏｂ）、送信者（Ａｌｉｃｅ）と傍受者（Ｅｖｅ）との無線チャネルの変化が少ない場合、傍受者（Ｅｖｅ）は、送信者（Ａｌｉｃｅ）から伝送される連続したシンボルの位相差を比較し、伝送されるデータを類推することができる。これを防止するために、本発明は、無線チャネルの位相情報θｈの変化が少ない場合に、受信者（Ｂｏｂ）がパイロット信号を伝送する時、シンボル単位のランダムな位相値を適用する方法を用いることができる。このようなシンボル単位のランダムな位相値は、ランダム情報発生部１８で発生させることができる。受信者（Ｂｏｂ）は、パイロットシンボルごとにランダムな位相情報θｒを生成し、パイロットシンボルの位相をθｒだけ変移させて伝送する。このように、パイロットシンボルは、互いに異なるランダムな位相情報を適用することができる。すると、送信者（Ａｌｉｃｅ）と受信者（Ｂｏｂ）との無線チャネル応答の位相情報がθｈであれば、受信者（Ｂｏｂ）がθｈのランダム位相を適用したパイロットシンボルを伝送する場合、送信者（Ａｌｉｃｅ）は、θｈ＋θｒが当該パイロットシンボルに対する無線チャネル応答の位相情報と考える。したがって、この情報を用いて物理階層の暗号化を行う。送信者（Ａｌｉｃｅ）が無線チャネルから取得したθ−θｈ−θｒの暗号キーストリームを用いて１つのシンボルに対して暗号化を行って伝送すると、暗号化されたシンボルは、θｈの位相情報を有する無線チャネルを経た後、受信者（Ｂｏｂ）にθ−θｒの位相情報を有するシンボルとして受信される。以後、受信者（Ｂｏｂ）は、自身の生成したランダム位相値θｒを知るため、送信者（Ａｌｉｃｅ）から受信したシンボルにランダム位相値θｒを加えて平文シンボルθを取得する。一方、傍受者（Ｅｖｅ）は、θ−θｈ−θｒ＋θｇの位相値を受信するため、暗号化されたシンボルを復号化することができない。受信者（Ｂｏｂ）がパイロット信号を伝送する場合、ランダム情報を適用すると、無線チャネルの変化が少ない場合にも、ランダム性を維持し、暗号化された通信を行うことができる。この時、送信者（Ａｌｉｃｅ）は、受信者（Ｂｏｂ）が適用するランダムな情報を知る必要がない。
【００８９】
上述のように、本発明が適用された無線通信システムでは、無線チャネル状態情報を用いて平文データを暗号化して伝送し、受信者は自然に復号化された平文データを受信する。
【００９０】
以上、図面および明細書で最適な実施形態が開示された。ここで、特定の用語が使用されたが、これは単に本発明を説明するための目的で使用されたもので、意味の限定や特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を制限するために使用されたものではない。そのため、本技術分野における通常の知識を有する者であれば、これから多様な変形および均等な他の実施形態が可能であることを理解することができる。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、添付した特許請求の範囲の技術的思想によって定められなかければならない。
【符号の説明】
【００９１】
１０：送信部
１２：送受信制御部
１４：送受信スイッチ
１６：キー生成部
１８：ランダム情報発生部
２０：受信部
２２：アンテナ
３０：送受信部
４２：伝送制御部
４４：伝送スイッチ
４６：代表パイロット格納部
４８：伝送パイロット制御部
５０：パイロット信号発生部
５２、７６：平文データ
５４：エラー訂正符号化部
５６：伝送信号暗号化部
５８：データ信号発生部
６２：受信制御部
６４：受信スイッチ
６６：パイロット信号受信部
６８：チャネル推定部
７０：データ信号受信部
７２：受信信号制御部
７４：エラー訂正復号化部
【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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