(57)【要約】  本発明は、通信のセキュリティを強化する方法および装置に関する。装置は、セキュリティ処理ユニット、データ処理ユニット、クロスレイヤ電子透かしユニット、およびオプションでスマートアンテナプロセッサを備える。セキュリティ処理ユニットは、電子透かしに使用されるトークン／キーを生成し、ノードセキュリティポリシーを他のコンポーネントに送信する。データ処理ユニットは、ユーザデータを生成する。クロスレイヤ電子透かしユニットは、レイヤ２／３、レイヤ１、およびレイヤ０のうちの少なくとも１つを含む。各レイヤは、異なる方式または度合いの電子透かしを実行する。クロスレイヤ電子透かしユニットは、セキュリティポリシーに従って選択的に少なくとも１つのレイヤにおいてトークン／キーをユーザデータ送信に埋め込む。
2008527920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通信装置によって送信される通信のセキュリティを強化する方法であって、
前記通信装置にクロスレイヤ電子透かしユニットを提供するステップであって、前記クロスレイヤ電子透かしユニットはレイヤ２／３、レイヤ１、およびレイヤ０のうちの少なくとも１つを備えるステップと、
電子透かしのためのトークン／キーを生成するステップと、
セキュリティポリシーに従って選択的に１つまたは複数の前記レイヤにおいて前記トークン／キーをユーザデータ送信に埋め込みながら、前記ユーザデータを送信するステップと、
前記ユーザデータ送信に埋め込まれた前記トークン／キーで前記ユーザデータを確認するステップとを備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記トークン／キーは、無線インターフェイス（ＲＩ）依存またはＲＩ非依存のいずれかであり、それによりＲＩ依存、ＲＩ非依存、または両方のトークン／キーが選択的に埋め込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】
前記トークン／キーを埋め込むステップはＤｉｒｔｙ  Ｐａｇｅ  Ｃｏｄｉｎｇ（ＤＰＣ）を使用して達成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ＤＰＣはさらに、前記ユーザデータをブロードキャストおよびマルチキャストするために使用されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記トークン／キーを埋め込むステップは前記通信装置の署名を使用して実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記署名は前記通信装置のハードウェア非直線性であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記トークン／キーを前記ユーザデータ送信に埋め込むためにスマートアンテナプロセッサにおいて受信されたパラメータを処理するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記トークン／キーは前記スマートアンテナに関連する情報を表すことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記情報は、アンテナパターン、アンテナ重量、アンテナ要素間の遅延、アンテナ間隔、アンテナハードウェア情報、アンテナ状態、アンテナ構成、アンテナ切り替えレート、アンテナステアリング整合性、アンテナ相互相関性、および空間分布の特徴のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
ユーザはビーム間で割り振られることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記トークン／キーは接続ごとに生成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記トークン／キーはデータパケットごとに生成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記トークン／キーは前記ユーザデータの最下位ビットに配置されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記トークン／キーは前記ユーザデータの制御フィールドに配置されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
レイヤ２／３よりも上位のレイヤにおいて電子透かしを実行するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記トークン／キーは発信者に固有の署名、無線モデムに固有の署名、および低データ速度ストリームのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記電子透かしは、許容される範囲内の搬送波周波数を変調することと、保護時間間隔を変更することであって、前記個々の間隔の長さは前記電子透かしのビットシーケンスに対応することと、スペクトルに低レベルのトーンを導入することであって、各トーンは電子透かしメッセージに関連付けられることと、許容スペクトルマスク内のスペクトルを変更することであって、フィルタ係数のセットは電子透かしメッセージに関連付けられることと、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）システムの擬似ランダムに選択された副搬送波を使用することであって、前記選択は使用される電子透かしに従って行われることと、のうちの少なくとも１つを使用して実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記電子透かしは、電子透かしエンコードのＤｉｒｔｙ  Ｐａｐｅｒ  Ｃｏｄｉｎｇ（ＤＰＣ）技法と、チャネルコードの一部の冗長ビットが前記トークン／キーに関連するビットと置き換えられるようにトークン／キーを物理チャネルに埋め込むことと、前記ユーザデータストリームのチャネルコーディングに先立ち前記トークン／キーで順方向誤り訂正（ＦＥＣ）シフトレジスタを初期化することにより前記トークン／キーを転送することと、物理層送信形式構成を変更することであって、前記構成のセットは電子透かしに対応することと、一定包絡線変調方式の振幅を変調することであって、前記振幅の大きさは前記電子透かしのビットの表示であることと、のうちの少なくとも１つを使用して実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記通信は直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）システムにおいて送信されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記電子透かしはパイロット副搬送波を操作することにより実行されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記電子透かしはあらかじめ定められたパターンで送信された搬送波周波数を変更することにより実行されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記通信は符号分割多重アクセスシステムにおいて送信されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記電子透かしはあらかじめ定められたパターンで拡散コードチップを盗用することにより実行されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記電子透かしは、前記搬送波周波数に低周波数ずれを配置することにより電子透かし情報の搬送波周波数および周波数偏移キーイング（ＦＳＫ）変調に関して前記ジッタの上部に拡張コードジッタを適用することにより実行されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
通信のセキュリティを強化する装置であって、
電子透かしに使用されるトークン／キーを生成し、ノードセキュリティポリシーを送信するように構成されたセキュリティ処理ユニットと、
ユーザデータを生成するように構成されたデータ処理ユニットと、
レイヤ２／３、レイヤ１、およびレイヤ０のうちの少なくとも１つを備えるクロスレイヤ電子透かしユニットであって、前記クロスレイヤ電子透かしユニットはセキュリティポリシーに従って少なくとも１つのレイヤにおいて前記トークン／キーを前記ユーザデータ送信に選択的に埋め込むユニットとを備えることを特徴とする装置。
【請求項２６】
前記トークン／キーは、無線インターフェイス（ＲＩ）依存またはＲＩ非依存のいずれかであり、前記クロスレイヤ電子透かしユニットはＲＩ依存のトークン／キー、ＲＩ非依存のトークン／キー、またはその両方選択的に埋め込むことを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記トークン／キーを埋め込むステップはＤｉｒｔｙ  Ｐａｇｅ  Ｃｏｄｉｎｇ（ＤＰＣ）を使用して達成されることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項２８】
前記ＤＰＣはさらに、前記ユーザデータをブロードキャストおよびマルチキャストするために使用されることを特徴とする請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記トークン／キーを埋め込むステップは前記通信装置の署名を使用して実行されることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項３０】
前記署名は前記通信装置のハードウェア非直線性であることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記トークン／キーを前記ユーザデータ送信に埋め込むためのスマートアンテナプロセッサをさらに備えることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項３２】
前記トークン／キーは前記スマートアンテナに関連する情報を表すことを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記情報は、アンテナパターン、アンテナ重量、アンテナ要素間の遅延、アンテナ間隔、アンテナハードウェア情報、アンテナ状態、アンテナ構成、アンテナ切り替えレート、アンテナステアリング整合性、アンテナ相互相関性、および空間分布の特徴のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
ユーザはビーム間で割り振られることを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３５】
前記トークン／キーは接続ごとに生成されることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項３６】
前記トークン／キーはデータパケットごとに生成されることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項３７】
前記トークン／キーは前記ユーザデータの最下位ビットに配置されることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項３８】
前記トークン／キーはユーザデータの制御フィールドに配置されることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項３９】
前記クロスレイヤ電子透かしユニットは、上位層の電子透かしを実行するための、レイヤ２／３よりも上位のレイヤをさらに備えることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項４０】
前記トークン／キーは、発信者に固有の署名、無線モデムに固有の署名、および低データ速度ストリームのうちのいずれかであることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項４１】
前記電子透かしは、許容される範囲内の搬送波周波数を変調することと、保護時間間隔を変更することであって、前記個々の間隔の長さは前記電子透かしのビットシーケンスに対応することと、スペクトルに低レベルのトーンを導入することであって、各トーンは電子透かしメッセージに関連付けられることと、許容スペクトルマスク内のスペクトルを変更することであって、フィルタ係数のセットは電子透かしメッセージに関連付けられることと、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）システムの擬似ランダムに選択された副搬送波を使用することであって、前記選択は使用される電子透かしに従って行われることと、のうちの少なくとも１つを使用して実行されることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項４２】
前記電子透かしは、電子透かしエンコードのＤｉｒｔｙ  Ｐａｐｅｒ  Ｃｏｄｉｎｇ（ＤＰＣ）技法と、チャネルコードの一部の冗長ビットが前記トークン／キーに関連するビットと置き換えられるようにトークン／キーを物理チャネルに埋め込むことと、前記ユーザデータストリームのチャネルコーディングに先立ち前記トークン／キーで順方向誤り訂正（ＦＥＣ）シフトレジスタを初期化することにより前記トークン／キーを転送することと、物理層送信形式構成を変更することであって、前記構成のセットは電子透かしに対応することと、一定包絡線変調方式の振幅を変調することであって、前記振幅の大きさは前記電子透かしのビットの表示であることと、のうちの少なくとも１つを使用して実行されることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項４３】
前記通信は直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）システムにおいて送信されることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項４４】
前記電子透かしはパイロット副搬送波を操作することにより実行されることを特徴とする請求項４３に記載の装置。
【請求項４５】
前記電子透かしはあらかじめ定められたパターンで送信された搬送波周波数を変更することにより実行されることを特徴とする請求項４３に記載の装置。
【請求項４６】
前記通信は符号分割多重アクセスシステムにおいて送信されることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項４７】
前記電子透かしはあらかじめ定められたパターンで拡散コードチップを盗用することにより実行されることを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
前記電子透かしは、前記搬送波周波数に低周波数ずれを配置することにより電子透かし情報の搬送波周波数および周波数偏移キーイング（ＦＳＫ）変調に関して前記ジッタの上部に拡張コードジッタを適用することにより実行されることを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
無線通信システムは、まさにその本質上、多くのセキュリティおよびプライバシー関連の攻撃の影響を受けやすい。こうした無線システムの普及が継続的に増大することは、このような脆弱性をさらに増大させている。たとえば、個々のユーザが中継ネットワークノードを使用せずに直接相互に通信するアドホックタイプのネットワークであっても、セキュリティ、プライバシー、アイデンティティなどの攻撃を受けやすい。
【０００２】
無線ネットワーク特有の脆弱性を低減するため、Ｗｉｒｅｄ  Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  Ｐｒｉｖａｃｙ（ＷＥＰ）、Ｗｉ−Ｆｉ  Ｐｒｏｔｅｃｔｅｄ  Ａｃｃｅｓｓ（ＷＰＡ）、拡張認証プロトコル（Ｅｘｔｅｎｓｉｂｌｅ  Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ  Ｐｒｏｔｏｃｏｌ；ＥＡＰ）、ＩＥＥＥ８０２．１１ｉ、およびＧｌｏｂａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（ＧＳＭ）ベースの暗号化が、無線通信システムにおいて実装されてきた。これらの技法は何らかの保護をもたらすが、無線通信システムは依然として攻撃の危険にさらされている。説明するために、無線ユーザが、その無線通信を保護する手段としてＷＥＰセキュリティを実装すると仮定する。さらに、ユーザが、正しいＷＥＰセキュリティキーを所有する不明のネットワークノードから通信を受け取る場合を仮定する。通信に正しいＷＥＰキーが含まれていることにより、通信が信頼される送信機からのものであることをユーザはアラートされるはずである。しかし、ユーザが送信ノードになじみがないため、またＷＥＰキーはハッキングされ、他の無線通信としてコピーされたものである可能性があるため、ユーザは通信を「信頼」することに不本意である場合もある。さらに、不正ユーザまたはハッカーが正しいＷＥＰセキュリティキーを保有していない場合であっても、通常これらのキーの認証は通信攻撃の上位層において発生するので、ハッカーは通信スタックにアクセスして、たとえば認証の前にサービス妨害攻撃を行うこともできる。
【０００３】
メディアコンテンツを検証してセキュリティ保護する現在の技法は、電子透かしとして知られている。「コンテンツ電子透かし」としても知られている電子透かしは、隠された検証および／またはセキュリティデータをさまざまな種類のメディアコンテンツに追加するための技法である。デジタル電子透かしは、この概念をデジタルメディアに拡張するものである。しかし、コンテンツ電子透かし技法は、比較的静的、つまり不変タイプのコンテンツを保護するために設計されている。したがって、動的無線環境において送信される無線通信のような、動的コンテンツをセキュリティ保護するには、従来のコンテンツ電子透かしは適切な保護手段とはなりえない。
【０００４】
したがって、動的無線環境において無線通信をセキュリティ保護するために適した機能強化電子透かし方式を提供する方法および装置を備えることが望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、無線通信のセキュリティを強化する方法および装置に関する。装置は、セキュリティ処理ユニット、データ処理ユニット、クロスレイヤ電子透かしユニット、およびオプションでスマートアンテナプロセッサを備える。セキュリティ処理ユニットは、電子透かしに使用されるトークン／キーを生成し、ノードセキュリティポリシーを他のコンポーネントに送信する。データ処理ユニットは、ユーザデータを生成する。クロスレイヤ電子透かしユニットは、好ましくは、レイヤ２／３（つまり、上位層電子透かしレイヤ）、レイヤ１（つまり物理（ＰＨＹ）電子透かしレイヤ、およびレイヤ０（つまり無線周波数（ＲＦ）レイヤ）のうちの少なくとも１つを含む。各レイヤは、異なる方式または度合いの電子透かしを実行する。クロスレイヤ電子透かしユニットは、セキュリティポリシーに従って選択的に少なくとも１つのレイヤにおいて、トークン／キーをユーザデータ送信に選択的に埋め込む。
【０００６】
本発明のさらに詳細な理解は、例示により示され、添付の図面と併せて理解される、以下の好ましい実施形態の説明から得ることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、電子透かしをコンテンツ（たとえばユーザデータ）、送信、および／または通信装置に埋め込むことにより安全で堅牢な方法で、トークン／キー（つまり電子透かし）を伝達することができる電子透かし方式を提供することに関する。Ｄｉｒｔｙ  Ｐａｐｅｒ  Ｃｏｄｉｎｇ（ＤＰＣ）として知られる技法はまた、電子透かし方式の理論的な能力を達成するために提供される。
【０００８】
通信装置は、無線送信／受信ユニット（ＷＴＲＵ）、基地局、または有線通信装置を含むが、これらに限定されることはない。「ＷＴＲＵ」という用語は、ユーザ機器（ＵＥ）、移動局、固定または移動加入者ユニット、ページャー、または無線環境において動作することのできる他の任意の種類の装置を含むが、これらに限定されることはない。「基地局」という用語は、ノードＢ、サイトコントローラ、アクセスポイント、または無線環境における他の任意の種類のインターフェイス接続装置を含むが、これらに限定されることはない。
【０００９】
本発明の特徴は、集積回路（ＩＣ）に組み入れられるか、または多数の相互接続コンポーネントからなる回路に構成されうる。
【００１０】
ＤＰＣは、無線多入力多出力（ＭＩＭＯ）ブロードキャストチャネルで知られている最善の技法である。ＤＰＣは、その優れたパフォーマンスに加えて、送信機の技法であるという付加的利点をもたらす。つまり、この技法を実施する際の複雑さの多くは、受信機ではなく送信機に移されるということである。その結果、個々の受信機は、意図されている通信の詳細を認識している必要があるだけであり、そのためさらにシステム情報分散の問題を軽減する。さらに、各受信機は、他の受信機に向けられた送信の詳細にかかわりなく最適に動作することができるので、ＤＰＣタイプのシステムは、意図されていない受信機から送信を隠蔽する手段を提供し、それによりデータ隠蔽および電子透かし、さらに他のセキュリティアプリケーションのサポートに適したものになる。
【００１１】
最新のＤＰＣの分析は、この技法の理論的な理解に重大な進展をもたらしているが、ＤＰＣによって実用的な通信システムを構築する方法に関してはほとんど理解されていない。以下でさらに説明されるように、本発明は、ＤＰＣを実施するための通信システムアーキテクチャを構成する方法および装置について説明する。
【００１２】
本発明において、電子透かしは、無線通信を保護し、機能強化するために使用される。「トランスポート電子透かし」という用語は、電子透かしがトランスポート処理と見なされる場合に使用され、「セキュリティ強化電子透かし」および「クロスレイヤ電子透かし」という用語と同義的に使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明の実施形態による電子透かしで通信がセキュリティ保護される通信システム１００を示すブロック図である。データまたは情報は、情報／データ発信元１０２によって生成され、最初に「コンテンツ電子透かし」によってセキュリティ保護される。コンテンツ電子透かしが行われたデータ／情報は、通信装置１０４において「セキュリティ強化電子透かし」によってさらにセキュリティ保護される。電子透かしのセキュリティ／堅牢性レベルを高めるため、「セキュリティ強化電子透かし」が通信装置のさまざまなプロトコルレイヤにおいて行われる。電子透かしが埋め込まれたユーザデータは、通信チャネル１０６を介して送信される。電子透かしは通信装置１０８によって回復され、元の情報／データは受信機１１０によって回復される。
【００１４】
コンテンツ電子透かしは、情報埋め込みまたは隠蔽の技法であり、主として埋め込み情報（つまり電子透かしメッセージ）を通じてマルチメディアコンテンツ自体（画像、グラフィック、音声、ビデオ、およびテキストを含む）を保護および／または制御するために使用される。図１に示されるように、電子透かしメッセージ（またはトークン／キー）は、保護されるべきコンテンツ内（たとえばマルチメディアコンテンツなど）に直接埋め込まれ、電子透かしメッセージがその元の形式で保持されるようになっている。その用途は、著作権保護、コピー制御、改ざん検出、およびデータ確認を含み、データが変更されているかどうかを判別し、ドキュメントを誰がいつ作成したか判別するデータ完全性／確認に使用されうるようになっている。コンテンツ電子透かしが一般にアプリケーションレベルで実施されることに留意されたい。
【００１５】
一方、セキュリティ強化電子透かしは、通信（特に無線通信）を保護し強化するための代替手法であり、ここで電子透かしはトランスポートレベルで考察される。この場合、電子透かしメッセージ（またはトークン／キー）は、ユーザデータおよび／または無線エアーインターフェイスに（通信装置または無線モデムなど）埋め込まれる。電子透かしが埋め込まれる場所に応じて、その埋め込みにさまざまな技法が使用可能である。技法は、レイヤ２／３（つまり、上位層電子透かしレイヤ）、レイヤ１（つまり物理（ＰＨＹ）電子透かしレイヤ）、およびレイヤ０（つまり無線周波数（ＲＦ）レイヤ）に分類されうる。
【００１６】
従来技術の電子透かしは、アプリケーションおよびコンテンツ（つまりアプリケーションレベル）の電子透かしに関連する。本発明は、コンテンツ電子透かしの概念を踏まえ、それをトランスポートレベルまで拡大して、コンテンツ電子透かしによって対処されていない問題（たとえばリンク確認）を解決する。コンテンツ電子透かしおよびトランスポート電子透かしは、別個のステップにおいて実行される。コンテンツ電子透かしはアプリケーションレイヤにおいて、トランスポート電子透かしはトランスポートレベル（レイヤ２／３、ＰＨＹレイヤ、およびＲＦレイヤを含む）において行われる。
【００１７】
トランスポート電子透かしにおいて、電子透かし自体は、たとえば、発信者に固有の署名（バイオメトリック署名など）および／または無線モデムに固有の署名（携帯電話のＥＳＮおよびハードウェア非直線性など）である可能性がある。そのような署名は、ユーザデータおよび／または装置を確認するために使用されうる。さらに、電子透かしはまた、サイド情報を意味する、任意の他の低データ速度のストリームであってもよい。
【００１８】
図２は、本発明によるトランスポート電子透かしのための送信機２００を示すブロック図である。送信機２００は、コンテンツ電子透かしユニット２０２、上位層処理（ＨＬＰ）ユニット２０４、トランスポート電子透かしユニット２０６、および適用クロスレイヤ電子透かし分配器２１４を備える。トランスポート電子透かしユニット２０６は、レイヤ２／３電子透かしユニット２０８、ＰＨＹ電子透かしユニット２１０、およびＲＦ電子透かしユニット２１２のうちの少なくとも１つを含む、１つまたは複数のサブレイヤ電子透かしユニットを備える。送信機２００は、受信機への無線通信のためのユーザデータｃを受信する。ユーザデータは、コンテンツ電子透かしユニット２０２によってコンテンツ電子透かしが入れられることで、最初に保護されることが好ましい。ユーザデータストリームは次に、さらに上位層の処理を行うために、ＨＬＰユニット２０４によって処理される。上位層処理されたデータは次に、トランスポート電子透かしユニット２０６によって処理される。適応クロスレイヤ電子透かし分配器２１４は、電子透かしメッセージを入力として取り、無線チャネル品質表示、セキュリティ／保護レベル、および電子透かしメッセージ容量を含むいくつかのシステムパラメータに応じて最適な方法で、トランスポート電子透かしユニット２０６のサブレイヤ電子透かしシステムに電子透かしメッセージを割り当てて分配する。
【００１９】
個々のサブレイヤ電子透かしメッセージは、すべてのサブレイヤ電子透かしユニットに対して同一であっても、サブレイヤ電子透かしユニットすべてに固有であっても、またはその組合せであってもよい。各サブレイヤ電子透かしユニットは、独立して、あるいは共同で動作する。電子透かしメッセージは、レイヤ２／３、ＰＨＹレイヤ、またはＲＦレイヤのいずれか１つまたは複数に埋め込まれる。たとえば、ＰＨＹ電子透かし技法がＲＦ電子透かし技法を妨げないように、またはその逆のことが生じないように、ＰＨＹ電子透かしおよびＲＦ電子透かしは相補的に協調して共同で行われうる。加えて、所定の時間、各サブレイヤ電子透かしユニットはアクティブまたは非アクティブのいずれであってもよい。システムは、適応性があり柔軟である。好ましくは上位層の電子透かしコントローラが、電子透かしメッセージが埋め込まれるべき場所および方法に関する情報をトランスポート電子透かしユニット２０６に供給することが好ましい。
【００２０】
ＲＦ電子透かしにおいて、トークン／キーは、ＲＦ搬送波位相／周波数、送信される信号波形、（またはフィルタ整形係数）、ＭＩＭＯ係数、（またはスマートアンテナ構成）などに埋め込まれうる。通常、ＲＦ電子透かしは、無線エアーインターフェイス固有である。ＲＦ電子透かしの例には以下のものがあるが、これらに限定されることはない。
【００２１】
１．）  許容される範囲内の搬送波周波数を変調（または調整）すること、調整の量は電子透かしのビットの表示である
２．）  保護時間間隔を変更する、ここで個々の間隔の長さは電子透かしのビットシーケンスに対応する
３．）  スペクトルに低レベルのトーンを導入する、ここで各トーンは電子透かしメッセージに関連付けられている
４．）  許容スペクトルマスク内のスペクトルを変更する（たとえば、パルス整形フィルタ係数を変更することにより）、ここでフィルタ係数のセットは電子透かしメッセージに関連付けられる
５．）  直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）システムの擬似ランダムに選択された副搬送波を使用、ここで選択は使用される電子透かしに従って行われる
ＰＨＹ電子透かしにおいて、トークン／キーは、ビット（またはシンボル）レベルでユーザデータ内に直接埋め込まれうる。ＰＨＹ電子透かしの例には以下のものがあるが、これらに限定されることはない。
【００２２】
１．）  電子透かしエンコードにＤＰＣ技法を使用、これについては以下で詳細に説明される。
【００２３】
２．）  チャネルコードの一部の冗長ビット（ＦＥＣ）がトークン／キーに関連するビットと置き換えられるように、トークン／キーを物理チャネルに埋め込む
３．）  ユーザデータストリームのチャネルコーディングに先立ち、トークン／キーでＦＥＣシフトレジスタを初期化することにより、トークン／キーを転送する
４．）  物理層送信形式構成を変更する（たとえば、変調タイプおよび／または符号化速度を変更することにより）、ここで構成のセットは電子透かしに対応する
５．）  一定包絡線変調方式の振幅を変調する（二次変調）、ここで振幅の大きさは電子透かしのビットの表示である
ＰＨＹ電子透かしは、無線エアーインターフェイスと無関係であるか、または無線エアーインターフェイスに固有であってもよい。たとえば、上記で示されているＰＨＹ電子透かし技法の４例のうちの最初の例は無線インターフェイスに依存しないが、最後の例は無線インターフェイス固有であると見なされる。
【００２４】
レイヤ２／３電子透かしにおいて、トークン／キーは、好ましくは、圧縮されていないユーザデータの最下位ビット（ＬＳＢ）または圧縮ユーザデータの制御フィールド（たとえばヘッダ）に配置されうる。さらに、レイヤ２／３の役割の１つは、送信されるユーザデータおよびトークン／キーの速度を決定することである。
【００２５】
通信スタックの下位層（たとえば、ＲＦおよびＰＨＹレイヤ）において電子透かしを使用することは、利点をもたらす。無線通信の認証は下位層において行うことができ、好ましくない通信は下位層において識別されうる。その結果、これらの通信は、廃棄されうるか、または上位層による処理をブロックされて、不必要な上位層の処理を解消して、リソースが消費されることを防ぐことができる。さらに、これらの望ましくない通信は上位層に渡されることがないので、サービス妨害（ＤｏＳ）攻撃またはウィルス攻撃など、無線システムへの特定の攻撃が防御されうる、つまり無線通信にセキュリティを追加することになる。
【００２６】
下位層認証は、特定の無線リンクを認証する傾向がある。したがって、適正なリンクを使用していない無許可の個人が識別されうるが、これは上位層において行うことがより困難であり、行うことが不可能な場合もある。たとえば、無許可のユーザは、セキュリティ保護された（電子透かしレベル）無線ネットワークへの傍受、介入者攻撃、セッションハイジャック、リプレイ攻撃などの攻撃を通じて、ネットワークへの侵入を試みることができる。無許可のユーザが必要な無線電子透かし（トークン／キー）を認識していないか、またはそのような電子透かしを生成するハードウェア／ソフトウェアを有していない場合、無許可のユーザは、たとえネットワークアクセスに正規のＩＤを使用していても、セキュリティ保護された無線ネットワークへのアクセスを許可されない。
【００２７】
さらにＰＨＹレイヤ電子透かし機能は、既存の無線モデムに追加され、エアーインターフェイス仕様を変更することなくシステムに導入されうる。電子透かし機能は、既存のエアーインターフェイスと共存することができ、随意的にオンまたはオフにしてセキュアリンクを選択的に導入することができ、既存システムに遡及的に導入されて下位互換性を保持することができる。
【００２８】
個々のレイヤすべてにあらゆる電子透かし技法を使用する必要はなく、好ましい実施形態において、必要に応じて、１つまたは複数のレイヤに任意の数の電子透かし技法が使用されうることに留意されたい。クロスレイヤ電子透かし方式は、所定の／必須のセキュリティのレベルおよび計算の複雑性に応じて最適化されうる。
【００２９】
図３は、本発明によるクロスレイヤ電子透かしを使用して無線通信をセキュリティ保護する装置３００を示すブロック図である。図３に示される電子透かしアーキテクチャは、トランスポートレベルにおいて電子透かし技法を使用することにより無線環境における送信者と意図される受信者との間でトークン／キーが安全かつ確実に交換されるように構成される。装置３００は、セキュリティ処理ユニット３１０、データ処理ユニット３２０、クロスレイヤ電子透かしユニット３３０、およびオプションでスマートアンテナ（不図示）と共にスマートアンテナプロセッサ３４０を備える。
【００３０】
セキュリティ処理ユニット３１０は、ノードセキュリティポリシー３２２をクロスレイヤ電子透かしユニット３３０およびスマートアンテナプロセッサ３４０に送信することにより、電子透かし埋め込み手順全体を制御する。セキュリティポリシーは通常、セキュリティ要件のレベルを示す。セキュリティ処理ユニット３１０は、ユーザデータおよび／またはセキュリティポリシーに応じて、電子透かしの方式および度合いを決定する。セキュリティ処理ユニット３１０は、電子透かしのためのトークン／キーを生成するトークン／キー生成ユニット３１１を含む。トークン／キーは、ユーザごと、データストリームごと、接続ごと、またはパケットごとに生成されるか、あるいはその他のベースで生成されうる。したがって、異なるトークン／キーが、各ユーザ、各接続、および各パケットに埋め込まれうる。
【００３１】
データ処理ユニット３２０は、ユーザデータストリームを生成する。データストリームは、音声、ビデオ、テキスト、データ、またはそれらの組合せであってもよい。生成されたユーザデータストリームは、クロスレイヤ電子透かしユニット３３０に入る。さらに、無線チャネル状態情報は、スマートアンテナプロセッサ３４０に供給されうる。一例として、無線チャネル状態情報は、スマートアンテナプロセッサ３４０による適応速度割り当ておよび／または適応アンテナ処理に使用されうる。
【００３２】
クロスレイヤ電子透かしユニット３３０は、セキュリティ処理ユニット３１０からトークン／キーを、データ処理ユニット３２０からユーザデータストリームを受信する。クロスレイヤ電子透かしユニット３３０は、セキュリティ処理ユニット３１０によって指定されているノードセキュリティポリシー３２２に従って、トークン／キーをユーザデータストリームに埋め込む。ユーザデータに埋め込まれたトークン／キーは、アンテナ（図示されず）によって送信される。本発明がスマートアンテナ（図示されず）により実施される場合、スマートアンテナプロセッサ３４０は、ビームステアリング、プリエンファシス、固有ビーム形成などの適切なパラメータを決定する。
【００３３】
クロスレイヤ電子透かしユニット３３０は、好ましくは、本発明による３つのレイヤ、レイヤ０、（ＲＦ電子透かしレイヤ）３３６、レイヤ１、（ＰＨＹ電子透かしレイヤ）３３４、およびレイヤ２／３、（上位層電子透かしレイヤ）３３２を含む。オプションで、クロスレイヤ電子透かしユニット３３０は、アプリケーション層（たとえばコンテンツ）電子透かしなど、異なる電子透かし方式を行うための追加のレイヤを含むことができる。
【００３４】
レイヤ２／３  ３３２において、トークン／キーは、（圧縮されていない）ユーザデータの最下位ビット（ＬＳＢ）または（圧縮）ユーザデータの制御フィールド（たとえばヘッダ）に配置されうる。さらに、レイヤ２／３  ３３２、（たとえばＭＡＣレイヤ）は、送信されるユーザデータおよびトークン／キーの速度を決定することができる。
【００３５】
レイヤ０  ３３６およびレイヤ１  ３３４において、トークン／キーは、ユーザデータまたは物理および／またはＲＦ波形に直接埋め込まれうる。電子透かしはさらに、無線インターフェイスに依存しない電子透かし、およびＲＩ固有の電子透かしという、２つの段階に分類されうる。ＲＦ（レイヤ０）電子透かしが通常ＲＩ固有であるのに対し、ＰＨＹ（レイヤ１）電子透かしはＲＩに依存しない（ビットレベル）技法およびＲＩ固有（シンボル／波形レベル）の技法を含むことに留意されたい。
【００３６】
ＲＩに依存しない電子透かしまたはＲＩ固有の電子透かし、あるいはその両方の使用は、好ましくは、セキュリティ処理ユニット３１０から信号で通知されるノードセキュリティポリシーに従って決定される。ＲＩに依存しない電子透かしにおいて、電子透かしエンコードおよび埋め込みの機能は、電子透かしが実施されている特定のＲＩによって影響を受けることはなく、これらの機能は一般にビットレベルの置換に基づいて実施される。一方、ＲＩ固有の電子透かしは、ＲＩに使用される信号配列（または波形）およびＦＥＣ（またはＣＲＣ）構造など、所定のＲＩの特性を活用する。そのような分類により、ＲＦ電子透かしは、ＲＩ固有の電子透かしと見なされうる。電子透かしアーキテクチャは、コンテンツのタイプおよびアプリケーションには依存しないが、無線チャネルに依存していることに留意されたい。
【００３７】
オプションで、スマートアンテナが使用される場合、トークン／キー埋め込みデータはさらに、スマートアンテナプロセッサ３４０によって処理されうる。スマートアンテナプロセッサ３４０は、スマートアンテナの特性を活用することによりトークン／キー情報を搬送するようにスマートアンテナを制御する。
【００３８】
図４は、本発明によるＰＨＹおよびＲＦ電子透かし方式を実施する装置４００を示すブロック図である。装置４００は、好ましくは、ＰＨＹ電子透かしにおいてＤＰＣを使用する。
【００３９】
前述のように、レイヤ０電子透かし技法は通常、ＲＩ固有である。したがって、装置４００は、レイヤ０においてＲＩ固有の電子透かしを行うためのＲＩ固有電子透かしユニット４２０を含む。さらに前述のように、レイヤ１電子透かし技法は、ＲＩ固有またはＲＩに非依存のいずれであってもよい。したがって、ＲＩ固有電子透かしユニット４２０は、レイヤ１においてＲＩ固有の電子透かしを行うように構成される。加えて、装置４００は、レイヤ１においてＲＩ非依存の電子透かしを行うためのＲＩ非依存電子透かしユニット４１０を含む。ＲＩに依存しない電子透かしまたはＲＩ固有の電子透かし、あるいはその両方は、セキュリティ処理ユニットから送信されるノードセキュリティポリシーに応じて実行される。
【００４０】
低レベルのメディアアクセス制御（ＭＡＣ）エンティティ４３０は、好ましくはユーザごとまたはデータストリームごとにトークン／キーをセキュリティ処理ユニット４０２から、ユーザデータストリームをデータ処理ユニット４０４からそれぞれ受信し、トークンおよびユーザデータストリームの速度割り当てを実行する。低レベルのＭＡＣエンティティ４３０は、ＵＭＴＳ  Ｈｉｇｈ  Ｓｐｅｅｄ  Ｄｏｗｎｌｉｎｋ  Ｐａｃｋｅｔ  Ａｃｃｅｓｓ（ＨＳＤＰＡ）におけるように、高速チャネル適応のためにＰＨＹレイヤにあることが好ましい。ＭＡＣエンティティ４３０は、セキュリティポリシー、チャネル状態情報、および帯域幅可能性とユーザデータ要件などの他の要因に従って、トークン／キーおよびユーザデータの個々の速度を割り当てる。
【００４１】
ＲＩ非依存の電子透かしユニット４１０は、ＤＰＣユニット４１２および電子透かし埋め込み器４１４を備える。本発明は、好ましくは、ＲＩ非依存の電子透かしにＤＰＣを使用する。ＤＰＣユニット４１２は、速度整合トークン／キー、ユーザデータストリーム、スマートアンテナのタイプ（可能な場合）、および事前符号化係数を受信し、ユーザデータストリームに応じて各ユーザのトークン／キー（またはデータストリーム）をエンコードする。
【００４２】
好ましい実施形態において、ＤＰＣ技法は、前述のように、ビットレベルで各トークン／キーの電子透かしエンコードに適用される。ＤＰＣベースの電子透かしエンコードは、ＲＩに依存しないが、ユーザデータ（つまり、情報に基づくエンコード）に依存する。エンコードされたトークン／キーは、電子透かし埋め込み器４１４に出力される。電子透かし埋め込み器４１４はまた、ユーザデータストリームを受信し、個々のエンコードされたトークン／キーをそれぞれのユーザデータストリームに埋め込む。
【００４３】
図５は、本発明によるＲＩ非依存の電子透かしユニット４１０を示す詳細なブロック図である。電子透かし埋め込みプロセス中に、電子透かし埋め込み器４１４は、埋め込み（つまり情報に基づく埋め込み）に備えてユーザデータを検査し、堅牢性および知覚的忠実度を含む一部の競合する要件間で妥協に達しようと試みる。単純な埋め込み技法は、図５に示されるように、ユーザデータへの追加が後に続く、スケーラ４１８による符号化トークン／キーのスケーリングであってもよい。電子透かし埋め込み器４１４の設計上の問題は、最適化の問題と考えられうる。電子透かしが埋め込まれたユーザデータは、送信のためにアンテナに送信される。
【００４４】
再び図４を参照すると、ＲＩ固有の電子透かしは、ノードセキュリティポリシーに従って固有電子透かしユニット４２０によって実施されうることに留意されたい。さらに、ＲＩ固有の電子透かしは、単独で、あるいはＲＩ非依存の電子透かしと組み合わせて実施されうる。ＲＩ固有の電子透かしユニット４２０は、セキュリティ処理ユニット４０２からトークン／キーを受信し、新しいユーザデータストリームまたはＲＩ非依存の電子透かし埋め込みユーザデータストリームでＲＩ固有の電子透かしを実行する。
【００４５】
説明として以下に示されるのは、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）ＲＩおよび符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）に適用されうるような、ＲＩ固有の電子透かし技法の説明である。
【００４６】
ＯＦＤＭタイプのシステムに実施されうるＲＩ固有の電子透かし技法は、以下のようなものである。これらの技法が他のタイプのＲＩにおいて実施されうること、また他の技法も使用されうるので、これらの技法は純粋に一例として示されていることに留意されたい。
【００４７】
パイロット副搬送波の使用  −  ＯＦＤＭ  ＰＬＣＰプロトコルデータユニット（ＰＰＤＵ）は送信される前に複数の副搬送波にわたって分割される。ＩＥＥＥ８０２．１１標準では、たとえば、ＯＦＤＭ物理層は５２の別個の副搬送波にわたってＰＰＤＵを分割し、そのうちの４つがパイロット副搬送波に専用であることを規定している。通常、すべての副搬送波は、たとえば、＋１または−１などの類似したデータでエンコードされ、復調装置のグラウンド基準としての役割を果たす。このあらかじめ定められたエンコードは、ＯＦＤＭシンボルからＯＦＤＭシンボルへと移行される。本発明による電子透かしでは、指定されているパイロット副搬送波は、期待される情報とは正反対の情報で操作される。たとえば、＋１でエンコードされるべきパイロット副搬送波は、代わりに−１を含むように操作されうる。
【００４８】
周波数ホッピング  −  この方式はＯＦＤＭ搬送波周波数を使用して電子透かし情報を送信する。現在のＷＬＡＮ実装において、受信機は、すべてのＯＦＤＭデータパケット送信に対して送信機のＲＦ搬送波周波数オフセットを取得する必要がある。本発明により、この送信された搬送波周波数は、あらかじめ定められたパターンでキャプチャレンジ内で数百または数千ヘルツを加算または減算することにより変更される。時間の経過に伴って中心周波数が変動するパターンは、隠されたビット情報、つまり電子透かしを供給する役割を果たす。たとえば、搬送波周波数が予想よりも高いことを受信機復調装置において判別することは＋１を表しうるが、予想よりも低い搬送波周波数を受信することは０を表すために使用されうる。
【００４９】
ＣＤＭＡタイプのシステムに実施されうるＲＩ固有の電子透かし技法は、以下のようなものである。これらの技法が他のタイプのＲＩにおいて実施されうること、また他の技法も使用されうるので、これらの技法は純粋に一例として示されていることに留意されたい。
【００５０】
電子透かしの拡散コードチップを盗用  −  ＣＤＭＡシステムにおいて、拡散コードはモバイル装置または基地局を相互に分離するために使用される。この場合、拡散コード内の特定のチップが選択され、電子透かし情報がこれらのチップに埋め込まれる（つまり、０の場合はそのまま、１の場合は反転）。この場合、選ばれたチップ位置は、送信機および受信機の両方に知られている。
【００５１】
拡散コードジッタによる周波数偏移キーイング（ＦＳＫ）変調ベースの電子透かし  −  電子透かしの場合、搬送波周波数に低周波数ずれを配置することにより（つまり、小さい周波数段階で、上方向または下方向のいずれかに、徐々に周波数を増分することにより）、電子透かし情報の搬送波周波数およびＦＳＫ変調に関して、このジッタの上部に低拡張コードジッタが適用される。電子透かし情報は、あらかじめ定められた周波数オフセットにマップされる。拡散コードジッタが発生すると、受信機のローカルデスクランブラは、（電子透かし情報を表す）同一の拡散コードジッタを生成するために同期を取る必要がある。
【００５２】
ＲＩ非依存の電子透かしは一般に、トランスポートチャネルまたはビットレベルで実施されるが、ＲＩ固有の電子透かしは、好ましくは、ビット、シンボル、パルス整形レベル、またはその任意の組合せで実行される。たとえば、スペクトル拡散タイプ（ＣＤＭＡを含む）固有の電子透かしシステムにおいて、トークン／キー情報は、拡散コード（チャネル化コードおよびスクランブルコードを含む）として表されうる。
【００５３】
ＲＩ固有の電子透かしユニット（またはＲＩ非依存の電子透かしユニット）により供給されるトークン埋め込みユーザデータストリームはさらに、電子透かしのセキュリティ／堅牢性のレベルを付加するために、スマートアンテナプロセッサによって処理されうる。スマートアンテナ（またはＭＩＭＯアンテナ）は、ビーム形成器、前置符号器、（または前置等化器）、あるいはダイバーシティアンテナとして実施されうる。たとえば、トークン／キーは、アンテナパターン（ビーム）、アンテナ重量、アンテナ要素間の遅延、アンテナ間隔、アンテナハードウェア情報、アンテナ状態（指向性または全方向性）、アンテナ構成、アンテナ切り替えレート、アンテナステアリング整合性、アンテナ相互相関性、および空間分布の特徴を含むアンテナに関連する情報を使用して表されうる。さらに、傍受の攻撃に対する物理層の抵抗力の潜在的な形態をもたらすため、事前符号化（または固有ビーム形成）の手法は、特にＭＩＭＯチャネルにおいて使用されうる。手法は、前置符号器、（または固有ビーム形成）と併せて分散空間時相（ＭＩＭＯ）チャネルを活用する。ＭＩＭＯシステムにおいて、さまざまなアンテナ要素によって生成されるＭＩＭＯチャネルは、空間拡散機能と見なされうる。電子透かしの場合、送信されたＭＩＭＯ波形は、電子透かしのビットを示すように変更されうる。たとえば、ＭＩＭＯ通信においてＳＶＤ（特異値分解）から生じた行列は、行列に使用される固有の回転シーケンスが電子透かしを搬送するために使用されるように、ビットを搬送するために使用されうる。スマートアンテナがビームステアリングまたは（固有）ビーム形成方式で実施される場合、ＭＡＣは（固有）ビーム間でもユーザを割り振ることができる。
【００５４】
通信装置が複数の他の通信装置と通信する場合、（たとえばブロードキャストチャネル）、個々の受信機装置のトークン埋め込みユーザデータストリームは、ＤＰＣがＭＩＭＯブロードキャストチャネルの総速度能力を達成できるように、マルチキャスト／ブロードキャストにＤＰＣを利用するため、マルチキャスト用ＤＰＣユニット（図５を参照）４１６によってさらに処理されうる。トークンエンコードのためのＤＰＣおよびブロードキャストのためのＤＰＣは、連帯して実行されうる。２地点間の通信の場合、ブロードキャストのためのＤＰＣ機能は使用不可にされる。
【００５５】
本発明がダウンリンク（ブロードキャスト）およびアップリンク（多重アクセス）の両方に適用されうることに留意されたい。ダウンリンクにおいて、ブロードキャスト送信は、総伝送速度に関して最大化されうる。さらに、ブロードキャストのためのＤＰＣ機能はさらに、実施されるスマートアンテナ技法を考慮して最適化されうる。クロスレイヤ電子透かし（ＲＩ非依存／固有電子透かしを含む）は、電子透かしのパフォーマンスを最大化することができる。効率的なブロードキャストおよび効率的なデータの電子透かしのための技法としてのＤＰＣの適用可能性は、単一の実施の範囲内でこれらの両方の必要性に連帯して、または単独で対処するために使用されうるツールとなる。
【００５６】
本発明の特徴および要素は特定の組合せで好ましい実施形態において説明されるが、各々の特徴または要素は、好ましい実施形態の他の特徴および要素を使用せずに単独で使用されうるか、または本発明のその他の特徴および要素とのさまざまな組合せ、あるいはそれらを使用せずに使用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明による電子透かしで通信がセキュリティ保護される通信システムを示すブロック図である。
【図２】本発明によるトランスポート電子透かしのための送信機を示すブロック図である。
【図３】本発明によるクロスレイヤ電子透かしを使用して無線通信をセキュリティ保護する装置を示すブロック図である。
【図４】本発明によるＰＨＹおよびＲＦ電子透かし方式を実施する装置を示すブロック図である。
【図５】本発明による無線インターフェイス（ＲＩ）非依存の電子透かしユニットを示すブロック図である。
【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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【国際調査報告】
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