(57)【要約】【課題】Ｙ−００プロトコルを用いた秘密通信において、乱数発生器の分割による乱数発生速度の低減と、安全性の確保を両立させるデータ通信装置を提供する。【解決手段】データ通信装置は、所定の鍵情報を用いて、略乱数的に値が変化する多値の乱数をそれぞれ発生する複数の乱数発生部１１１ａ〜１１１ｆと、予め用意した多値レベルの中から、複数の乱数発生部から出力される乱数の値の組合せである多値数列と情報データとに応じたレベルを選択し、当該選択したレベルを用いて所定の雑音レベルを有する雑音を含む多値変調信号を生成する多値信号変調部１１２とを備える。また、伝送される変調信号に重畳された雑音レベルの範囲内に複数の多値信号レベルが含まれ、これらの複数の多値信号レベルには、各々の乱数が取り得る全ての値が対応するように、信号点配置を設定する。【選択図】図１
2008300970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の鍵情報を用いて情報データを多値化し、受信装置との間で秘密通信を行うデータ送信装置であって、
前記所定の鍵情報を用いて、略乱数的に値が変化する多値の乱数をそれぞれ発生する複数の乱数発生部と、
予め用意した多値レベルの中から、前記複数の乱数発生部から出力される乱数の値の組合せである多値数列と情報データとに応じたレベルを選択し、当該選択したレベルを用いて所定の雑音レベルを有する雑音を含む多値変調信号を生成する多値信号変調部とを備え、
所定の振幅または強度の範囲内に前記多値変調信号の複数のレベルが含まれ、当該複数のレベルに対応する前記多値数列は、当該構成要素として前記複数の乱数発生部のそれぞれが生成しうる全ての乱数の値を含むことを特徴とする、データ送信装置。
【請求項２】
前記複数の乱数発生部から出力される乱数の多値数は全て等しく、
前記所定の振幅または強度の範囲内に、前記多値数に等しい数の近接する多値変調信号レベルを含むことを特徴とする、請求項１に記載のデータ送信装置。
【請求項３】
前記所定の雑音レベルは、少なくとも前記所定の振幅または強度の範囲内に含まれる前記多値変調信号の最大レベル差の２倍より大きいことを特徴とする、請求項１に記載のデータ送信装置。
【請求項４】
前記複数の乱数発生部から出力される乱数の多値数は２値であり、
前記所定の振幅または強度の範囲内に、隣接する２つの変調信号レベルを含み、当該２つの変調信号レベルに対応する２つの多値数列は、前記複数の乱数発生部から出力される乱数の互いに異なる値によって構成されることを特徴とする、請求項２に記載のデータ送信装置。
【請求項５】
前記多値信号変調部は、
前記多値数列に基づき、所定の規則に従って多値符号列を生成する多値符号設定部と、
前記多値符号列と、前記情報データとに基づき、多値信号を生成する多値処理部と、
前記多値信号を多値変調信号に変換する変調部とを備えることを特徴とする、請求項２に記載のデータ送信装置。
【請求項６】
前記多値信号変調部は、ランダム雑音を発生し、前記多値信号または前記多値変調信号に加算する雑音加算部をさらに備えることを特徴とする、請求項５に記載のデータ送信装置。
【請求項７】
前記複数の乱数発生部から出力される第１から第Ｎの乱数の多値数は２m値であり、
前記多値符号列はパラレル信号であり、
前記多値符号設定部は、
第２から第Ｎの乱数のそれぞれに対し、第１の乱数との間で所定の演算を行う複数の演算部を備え、
第１の乱数を多値符号列の下位ｍビットとして出力し、
前記複数の演算部が行う所定の演算結果を前記多値符号列の上位ビットとして出力することを特徴とする、請求項５に記載のデータ送信装置。
【請求項８】
前記複数の演算部が行う所定の演算は、２つの乱数を加算または減算した結果を２mで割った余りを求める演算であることを特徴とする、請求項７に記載のデータ送信装置。
【請求項９】
前記複数の演算部が行う所定の演算は、一方の乱数の各ビットと、他方の乱数の各ビットとの排他的論理和演算であることを特徴とする、請求項７に記載のデータ送信装置。
【請求項１０】
前記複数の乱数発生部から出力される乱数の多値数は２値であり、
前記複数の演算部が行う所定の演算は、２つの乱数の排他的論理和演算であることを特徴とする、請求項７に記載のデータ送信装置。
【請求項１１】
前記多値符号設定部は、前記複数の乱数と前記多値符号列との関係を記録した変換テーブルにより構成されることを特徴とする、請求項５に記載のデータ送信装置。
【請求項１２】
所定の鍵情報を用いて、受信した変調信号から情報データを再生し、送信装置との間で秘密通信を行うデータ受信装置であって、
前記所定の鍵情報を用いて、略乱数的に値が変化する多値の乱数をそれぞれ発生する複数の乱数発生部と、
前記複数の乱数発生部から出力される乱数の値の組合せである多値数列と、前記受信した変調信号とに基づき、前記情報データを復調し再生する信号復調再生部とを備え、
所定の振幅または強度の範囲内に前記変調信号の複数のレベルが含まれ、当該複数のレベルに対応する前記多値数列は、当該構成要素として前記複数の乱数発生部のそれぞれが生成しうる全ての乱数の値を含むことを特徴とする、データ受信装置。
【請求項１３】
前記信号復調再生部は、
前記変調信号を復調して多値信号を出力する復調部と、
前記多値数列に基づき、所定の規則に従って多値符号列を生成する多値符号設定部と、
前記多値符号列を識別レベルとして、前記多値信号を２値識別し、前記情報データを再生する識別再生部とを備えることを特徴とする、請求項１２に記載のデータ受信装置。
【請求項１４】
前記複数の乱数発生部から出力される第１から第Ｎの乱数の多値数は２m値であり、
前記多値符号列はパラレル信号であり、
前記多値符号設定部は、
第２から第Ｎの乱数のそれぞれに対し、第１の乱数との間で所定の演算を行う複数の演算部を備え、
第１の乱数を多値符号列の下位ｍビットとして出力し、
前記複数の演算部が行う所定の演算結果を多値符号列の上位ビットとして出力することを特徴とする、請求項１３に記載のデータ受信装置。
【請求項１５】
前記複数の演算部が行う所定の演算は、２つの乱数を加算または減算した結果を２mで割った余りを求める演算であることを特徴とする、請求項１４に記載のデータ受信装置。
【請求項１６】
前記複数の演算部が行う所定の演算は、一方の乱数の各ビットと、他方の乱数の各ビットとの排他的論理和演算であることを特徴とする、請求項１４に記載のデータ受信装置。
【請求項１７】
前記複数の乱数発生部から出力される乱数の多値数は２値であり、
前記複数の演算部が行う所定の演算は、２つの乱数の排他的論理和演算であることを特徴とする、請求項１４に記載のデータ受信装置。
【請求項１８】
前記多値符号設定部は、前記複数の乱数と前記多値符号列との関係を記録した変換テーブルにより構成されることを特徴とする、請求項１３に記載のデータ受信装置。
【請求項１９】
所定の鍵情報を用いて、送信装置と受信装置との間で秘密通信を行うデータ通信方法であって、
前記送信装置において、
前記所定の鍵情報を用いて、略乱数的に値が変化する多値の複数の乱数を発生するステップと、
予め用意した多値レベルの中から、前記複数の乱数発生部から出力される乱数値の組合せである多値数列と情報データとに応じたレベルを選択し、当該選択したレベルを用いて所定の雑音レベルを有する雑音を含む多値変調信号を生成し、送信するステップと、
前記受信装置において、
前記所定の鍵情報を用いて、略乱数的に値が変化する多値の複数の乱数を発生するステップと、
前記複数の乱数の値の組合せである多値数列と、前記受信した変調信号とに基づき、前記情報データを復調し再生するステップとを備え、
所定の振幅または強度の範囲内に前記多値変調信号の複数のレベルが含まれ、当該複数のレベルに対応する前記多値数列は、当該構成要素として前記複数の乱数発生部のそれぞれが生成しうる全ての乱数の値を含むことを特徴とする、データ通信方法。
【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・傍受を防ぐ暗号通信を行う装置に関し、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データ送信装置及びデータ受信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特定者同士でのみ通信を行うためには、送信側と受信側との間で伝送すべき情報データである平文を数学的に演算（符号化）及び逆演算（復号化）するための元情報（以下、鍵情報という）を共有することによって暗号通信を実現する構成が一般的に採用されている。
【０００３】
これに対して、近年、伝送路における物理現象を積極的に利用した暗号方式がいくつか提案されている。その方式の１つとして、伝送路で発生する量子雑音を利用して暗号通信を行うＹ−００プロトコルと呼ばれる方式がある。
【０００４】
図１７は、特許文献１に示された、Ｙ−００プロトコルを用いた従来の送受信装置の一例について説明するための図である。以下では、特許文献１に示されている従来の送受信装置の構成及び動作について説明する。図１７に示す通り、従来の送受信装置は、送信部９０１と、受信部９０２と、伝送路９１０とで構成される。送信部９０１は、第１の多値符号発生部９１１と、多値処理部９１２と、変調部９１３とで構成される。受信部９０２は、復調部９１５と、第２の多値符号発生部９１４と、識別部９１６とで構成される。なお、盗聴受信部９０３は、傍受者が用いる装置であり、従来の送受信装置を構成するものではない。
【０００５】
まず、送信部９０１と受信部９０２とは、予め同じ内容の鍵情報である第１の鍵情報９１と第２の鍵情報９６とをそれぞれ保持しておく。以下では、まず、送信部９０１の動作について説明する。第１の多値符号発生部９１１は、第１の鍵情報９１に基づいて、“０”から“Ｍ−１”（Ｍは、２以上の整数）までのＭ個の値を有する多値の疑似乱数系列である多値符号列９２を、擬似乱数発生器を用いて生成する。多値処理部９１２は、受信部９０２へ送信する情報データ９０及び多値符号列９２に基づいて、以下に説明する信号フォーマットを用いて強度変調信号である多値信号９３を生成する。
【０００６】
図１８は、多値処理部９１２が用いる信号フォーマットを示す図である。図１８に示す通り、多値符号列９２がＭ個の場合には、信号強度を２Ｍ個の信号強度レベル（以下、単に、レベルという）に分ける。そして、これらのレベルをＭ個のペア（以下、基底という）にして、各基底の一方のレベルに情報データ９０の値“０”を割り当て、他方のレベルに情報データ９０の値“１”を割り当てる。ここで、一般に、情報データ９０の値が“０”のレベルと、情報データ９０の値が“１”のレベルとを、２Ｍ個のレベル全体で均等に分布するように割り当てる。図１８では、偶数番目の基底の低い方のレベルには“０”を割り当てて高い方のレベルには“１”を割り当てる一方で、奇数番目の基底の低い方のレベルには“１”を割り当てて高い方のレベルには“０”を割り当てることによって、２Ｍ個のレベルに、情報データ９０の値“０”と“１”とを交互に割り当てている。
【０００７】
多値処理部９１２は、入力した多値符号列９２の各値に対応した基底を選択した後に、情報データ９０の値に対応する、基底の一方のレベルを選択し、その選択したレベルを有する多値信号９３を出力する。変調部９１３は、多値処理部９１２が出力した多値信号９３を光強度変調信号である変調信号９４に変換し、伝送路９１０を介して受信部９０２へ伝送する。なお、特許文献１では、第１の多値符号発生部９１１は「送信用疑似乱数発生部」、多値処理部９１２は「変調方式指定部」及び「レーザ変調駆動部」、変調部９１３は「レーザダイオード」、復調部９１５は「フォトディテクタ」、第２の多値符号発生部９１４は「受信用疑似乱数発生部」、識別部９１６は「判定回路」と記載されている。
【０００８】
次に、受信部９０２の動作について説明する。復調部９１５は、伝送路９１０を介して伝送された変調信号９４を光信号から電気信号に変換（以下、光電変換という）し、多値信号９５として出力する。第２の多値符号発生部９１４は、第２の鍵情報９６に基づいて、多値符号列９２と同じ多値の疑似乱数系列である多値符号列９７を生成する。識別部９１６は、第２の多値符号発生部９１４から入力した多値符号列９７の各値によって、多値信号９５に用いられている各基底を判断する。そして、識別部９１６は、判断した基底及び復調部９１５から入力した多値信号９５を用いて、２値識別を行い、情報データ９０と等しい情報データ９８を得る。
【０００９】
図１９は、従来の送信装置の動作について具体的に説明するための図である。図２０は、従来の受信装置の動作ついて具体的に説明するための図である。以下では、図１９及び図２０を参照して、多値符号列９２が６４値（Ｍ＝６４）の場合の従来の送受信装置の動作について具体的に説明する。図１９（ａ）及び（ｂ）に示す通り、情報データ９０の値が“０、１、１、１”、多値符号列９２の値が“０、６３、０、１”に変化する場合を一例として説明する。この場合には、送信部９０１の多値信号９３のレベルは、図１９（ｃ）に示すように“０、６３、６４、１”と変化をする。
【００１０】
具体的には、図１９（ｃ）に示すｔ１の期間では、多値符号列９２の値“０”に対応した第０の基底（レベル０とレベル６４とのペア）が選択される。その後に、情報データ９０の値“０”に対応する、第０の基底のレベル０が選択され、この選択されたレベル０がｔ１における多値信号９３のレベルとなる。同様に、ｔ２の期間では、多値符号列９２の値“６３”に対応した第６３の基底（レベル６３とレベル１２７とのペア）が選択される。その後に、情報データ９０の値“１”に対応する、第６３の基底のレベル６３が選択され、この選択されたレベル６３がｔ２における多値信号９３のレベルとなる。ｔ３及びｔ４の期間においても同様に多値信号９３のレベルが設定される。この様に、多値符号列９２の値が偶数であるｔ１及びｔ３の期間では、基底の低い方のレベルが情報データの“０”に対応して高い方のレベルが情報データの“１”に対応し、多値符号列９２の値が奇数であるｔ２及びｔ４の期間では、基底の低い方のレベルが情報データの“１”に対応して高い方のレベルが情報データの“０”に対応している。
【００１１】
次に、受信部９０２の識別部９１６に入力する多値信号９５は、図２０（ｅ）に示すように変化をし、復調部９１５で光電変換する際に発生するショット雑音等の雑音を含んだ信号である。識別部９１６は、多値符号列９２と等しい多値符号列９７（図１９（ｄ）を参照）の各値に対応する各基底を選択し、図２０（ｅ）に示すように、当該各基底の中間のレベルをそれぞれ識別レベルとして設定する。そして、識別部９１６は、多値信号９５が識別レベルよりも高いか低いかを判断する。
【００１２】
具体的には、図２０（ｅ）に示すｔ１の期間では、識別部９１６は、多値符号列９７の値“０”に対応した第０の基底（レベル０とレベル６４とのペア）を選択し、第０の基底の中間のレベル３２を識別レベルとして設定する。そして、識別部９１６は、ｔ１において、多値信号９５が概ね識別レベルより低いレベルに分布しているので、多値信号９５は当該識別レベルよりも低いと判断する。同様に、ｔ２の期間では、識別部９１６は、多値符号列９７の値“６３”に対応した第６３の基底（レベル６３とレベル１２７とのペア）を選択し、第６３の基底の中間のレベル９５を識別レベルとして設定する。そして、識別部９１６は、ｔ２において、多値信号９５が概ね識別レベルより低いレベルに分布しているので、多値信号９５は当該識別レベルよりも低いと判断する。ｔ３及びｔ４の期間においても同様に識別が行われ、識別部９１６の２値識別結果は、“低低高低”となる。
【００１３】
次に、多値符号列９７の値が偶数の場合（ｔ１及びｔ３の期間の場合）には、識別部９１６は、選択した基底の低い方のレベルを“０”と判断し、高い方のレベルを“１”と判断して、判断した値を情報データ９８として出力する。一方で、多値符号列９７の値が奇数の場合（ｔ２及びｔ４の期間の場合）には、識別部９１６は、選択した基底の低い方のレベルを“１”と判断し、高い方のレベルを“０”と判断して、判断した値を情報データ９８として出力する。すなわち、多値符号列９７の値は、“０、６３、０、１”であり“偶奇偶奇”（但し、偶は偶数を示し、奇は奇数を示す）であるので、識別部９１６は、情報データ９０と等しい情報データ９８である“０１１１”を出力する（図２０（ｆ）を参照）。この様にして、識別部９１６は、多値符号列９７の値が偶数か奇数かに応じて、基底の高い方及び低い方のレベルに割り当てる情報データの値を異ならせている多値信号９５から、情報データ９８を得ることができる。
【００１４】
なお、従来の送受信装置の説明では、上記した多値符号列９７の各値が奇数か偶数かに応じて情報データ９８の各値を得る具体的な処理方法については明示していないが、一般に、下記の処理方法が用いられる。まず、第２の多値符号発生部９１４が、多値符号列９７“０、６３、０、１”を構成する各値の最下位ビットに相当する２値信号である反転信号“０、１、０、１”を生成する。そして、識別部９１６が、上記した２値識別の結果“低低高低”を現す信号“０、０、１、０”と、反転信号“０、１、０、１”との排他的論理和演算を行い、その演算結果から情報データ９８“０、１、１、１”を得る処理方法である。
【００１５】
ここで、以上で説明した通り、多値符号列９７の値が偶数か奇数かに応じて、基底の高い方及び低い方のレベルに割り当てる情報データの値が異なる信号フォーマット（図１８を参照）を使用する場合には、識別部９１６は、上記のように、情報データ９８を生成するために反転信号を用いる。しかし、例えば、基底の高い方のレベルに情報データ“１”が常に割当てられ、低い方のレベルに情報データ“０”が常に割当てられる信号フォーマットを使用する場合には、識別部９１６は、情報データ９８を生成するために反転信号を用いる必要はない。
【００１６】
また、既に述べた通り、多値信号９５には、復調部９１５での光電変換によって発生するショット雑音などの雑音が含まれているが、レベルの間隔（以下、ステップ幅という）等を適切に設定することで、上記した２値識別における誤りの発生は無視できる程度に抑えることができる。
【００１７】
次に、想定される盗聴（傍受を含む）について説明する。図１７に示す通り、盗聴者は、盗聴受信部９０３を用いて、送信者と受信者とが共有する鍵情報を持たない状態で、変調信号９４から情報データ９０又は第１の鍵情報９１の解読を試みる。盗聴受信部９０３は、復調部９２１と多値識別部９２２と解読処理部９２３とで構成され、伝送路９１０に接続されている。
【００１８】
ここで、盗聴者が正規受信者（受信部９０２）と同様の２値識別を行う場合には、盗聴者は鍵情報を持たないために、鍵情報が取り得る全ての値に対して識別を試みる必要がある。しかし、この方法は、識別試行回数が鍵情報の長さの増加に伴い指数関数的に増大するために、鍵情報の長さが十分長い場合には現実的ではない。
【００１９】
そこで、より効率的な方法として、盗聴者は、復調部９２１を用いて光電変換して得られる多値信号８１を多値識別部９２２で多値識別し、得られた受信系列８２を解読処理部９２３によって解読処理を行うことで、情報データ９０若しくは第１の鍵情報９１の解読を試みることが考えられる。このような解読方法を用いた場合、仮に、盗聴受信部９０１が多値信号９３を受信系列８２として誤り無く受信（識別）することができれば、受信系列８２を用いた１回の試行で第１の鍵情報９１の解読を行うことが可能となる。
【００２０】
ここで、復調部９２１での光電変換によって発生するショット雑音が変調信号９４に重畳されるので、当該ショット雑音は、多値信号８１に含まれる。このショット雑音は、量子力学の原理により必ず発生することが知られている。このことから、多値信号９３のステップ幅をショット雑音の分布幅よりも十分小さくしておけば、雑音を含む多値信号８１は、正しいレベル（多値信号９３のレベル）ではない様々なレベルに渡り分布することとなる。例えば、図２０（ｇ）に示す通り、ｔ３において、多値信号８１は、レベル６３〜６５に渡って分布している。従って、盗聴者は、正しいレベルが、識別によって得られた受信系列８２のレベルではない可能性（識別誤りの可能性）を考慮した解読処理を行う必要がある。このため、識別誤りが無い場合（第１の多値符号発生部９１１に用いられているものと同じ乱数発生器を使用したストリーム暗号）と比較して解読処理に要する試行回数、すなわち計算量が増大し、結果として盗聴に対する安全性が向上する。
【００２１】
以上のように、Ｙ−００プロトコルにおいては、正規受信者と盗聴者とが識別すべき信号点間距離に差を与えることにより、正規受信者の受信性能の確保と、盗聴に対する安全性の確保を両立させている。そして、この信号点間距離の差は、多値符号列９２の多値数によって決定されている。すなわち、多値符号列９２の多値数を大きくするほど、正規受信者と盗聴者との信号点間距離の差が大きくなり、より安全となる。
【特許文献１】特開２００５−５７３１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
ところで、第１の多値符号発生部９１１及び第２の多値符号発生部９１４は、図２１に示すように、乱数発生器９１１１とＳ／Ｐ変換部９１１２とで構成することができる。すなわち、乱数発生器９１１１の２値出力をＳ／Ｐ変換部９１１２がシリアル・パラレル変換する構成である。しかし、このような構成では、多値符号列９２の多値数が大きくなると、乱数発生器９１１１の動作速度をより大きくする必要がある。例えば、図１９の例では多値符号列９２の多値数は６４値であるが、これをパラレル信号のビット数に換算すると６ビットとなる。この場合、乱数発生器９１１１の動作速度は、情報データ９０の伝送レートの６倍の速度が必要になる。多値符号列９２の多値数が増大すると、乱数発生器９１１１の動作速度と伝送レートとの差はさらに増大する。
【００２３】
これに対し、図２２に示すように、多値符号発生部９１１ｘとして、複数の乱数発生器９１１３ａ〜９１１３ｆを並列に配置し、その出力である乱数９７ａ〜９７ｆを多値符号列９２の上位から下位の各ビットに対応させる構成も考えられる。この構成では、各乱数発生器の動作速度はデータレートと同じ速度で済む。
【００２４】
一方、この場合の多値信号レベルと乱数９７ａ〜９７ｆとの対応関係は図２３のようになる。ここで、雑音レベルがステップ幅の２倍程度であり、盗聴者が多値信号レベル“１”を受信した場合を考える。この場合、送信された正しい多値信号レベルの値は、“０”から“２”の３通りのレベルである可能性がある（以下では、正しい送信多値信号レベルの可能性がある範囲を「多値識別誤りの範囲」と称する）。ここで、多値符号列９２の下位ビットに相当する乱数９７ａ及び９７ｂの値は、多値識別誤りの範囲において、“０”と“１”の双方の値をとる可能性がある。すなわち、盗聴者は乱数ａ及びｂの値を誤って得る可能性がある。これに対し、多値符号列９２の上位ビットに相当する乱数９７ｃ〜９７ｆの値は、多値識別誤りの範囲において常に“０”となり、盗聴者が値を一意に知ることができる。すなわち、盗聴者は乱数９７ｃ〜９７ｆの値を特定することができる。
【００２５】
多値符号列の上位ビットの値を特定できれば、識別部９１６において用いられる識別レベルをほぼ正確に知ることが可能となる。すなわち、盗聴者は正規受信者と同じ受信方法を用いることが可能となり、安全性を確保できなくなる。したがって、図２２に示す構成の多値符号発生部９１１ｘを使用することはできない。
【００２６】
このように、Ｙ−００プロトコルを用いた従来の通信装置においては、乱数発生器の動作速度の低減と、安全性の確保を両立することができないという問題があった。
【００２７】
本発明は上記の課題を解決するためのものであり、乱数発生器の動作速度を低減しつつ、安全性も確保できるデータ送信装置及びデータ受信装置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】
【００２８】
本発明は、所定の鍵情報を用いて情報データを多値化し、受信装置との間で秘密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、所定の鍵情報を用いて、略乱数的に値が変化する多値の乱数をそれぞれ発生する複数の乱数発生部と、予め用意した多値レベルの中から、複数の乱数発生部から出力される乱数の値の組合せである多値数列と情報データとに応じたレベルを選択し、当該選択したレベルを用いて所定の雑音レベルを有する雑音を含む多値変調信号を生成する多値信号変調部とを備える。そして、所定の振幅または強度の範囲内に、多値変調信号の複数のレベルが含まれ、これらの複数のレベルに対応する多値数列は、構成要素として複数の乱数発生部のそれぞれが生成しうる全ての乱数の値を含むように設定される。
【００２９】
好ましくは、複数の乱数発生部から出力される乱数の多値数は全て等しく、前述した所定の範囲内に、乱数の多値数に等しい数の近接する変調信号レベルを含むように設定する。
【００３０】
また、好ましくは、前述した所定の雑音レベルは、少なくとも前述した所定の振幅または強度の範囲内に含まれる多値変調信号の最大レベル差の２倍より大きくなるように設定する。
【００３１】
また、複数の乱数発生部から出力される乱数の多値数は２値であり、所定の範囲内に、隣接する２つの変調信号レベルを含み、これら２つの変調信号レベルに対応する２つの多値数列は、複数の乱数発生部から出力される乱数の互いに異なる値によって構成されるように設定してもよい。
【００３２】
また、好ましくは、多値信号変調部は、多値数列に基づき、所定の規則に従って多値符号列を生成する多値符号設定部と、多値符号列と情報データとに基づき、多値信号を生成する多値処理部と、多値信号を多値変調信号に変換する変調部とを備える。
【００３３】
また、多値信号変調部は、ランダム雑音を発生し、多値信号または多値変調信号に加算する雑音加算部をさらに備えてもよい。
【００３４】
また、好ましくは、複数の乱数発生部から出力される第１から第Ｎの乱数の多値数は２m値であり、多値符号列はパラレル信号であり、多値符号設定部は、第２から第Ｎの乱数のそれぞれに対し、第１の乱数との間で所定の演算を行う複数の演算部を備える。この場合、多値符号設定部は、第１の乱数と同じ値を多値符号列の下位ｍビットとして出力し、複数の演算部が行う所定の演算の結果を多値符号列の上位ビットとして出力する。
【００３５】
ここで、複数の演算部が行う所定の演算は、例えば、２つの乱数を加算または減算した結果を２mで割った余りを求める演算を用いることができる。
【００３６】
あるいは、複数の演算部が行う所定の演算は、一方の乱数の各ビットと、他方の乱数の各ビットとの排他的論理和演算であってもよい。
【００３７】
あるいは、複数の乱数発生部から出力される乱数の多値数は２値であり、複数の演算部が行う所定の演算は、２つの乱数の排他的論理和演算であってもよい。
【００３８】
また、多値符号設定部は、複数の乱数と多値符号列との関係を記録した変換テーブルにより構成してもよい。
【００３９】
また、本発明は、所定の鍵情報を用いて、受信した変調信号から情報データを再生し、送信装置との間で秘密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、所定の鍵情報を用いて、略乱数的に値が変化する多値の乱数をそれぞれ発生する複数の乱数発生部と、複数の乱数発生部から出力される乱数の値の組合せである多値数列と、受信した変調信号とに基づき、情報データを復調し再生する信号復調再生部とを備える。そして、所定の振幅または強度の範囲内に変調信号の複数のレベルが含まれ、当該複数のレベルに対応する多値数列は、当該構成要素として複数の乱数発生部のそれぞれが生成しうる全ての乱数の値を含むように設定される。
【００４０】
また、好ましくは、信号復調再生部は、変調信号を復調して多値信号を出力する復調部と、複数の乱数に基づき、所定の規則に従って多値符号列を生成する多値符号設定部と、多値符号列を識別レベルとして、多値信号を２値識別し、情報データを再生する識別再生部とを備える。
【００４１】
また、好ましくは、複数の乱数発生部から出力される第１から第Ｎの乱数の多値数は２m値であり、多値符号列はパラレル信号であり、多値符号設定部は、第２から第Ｎの乱数のそれぞれに対し、第１の乱数との間で所定の演算を行う複数の演算部を備えてもよい。そして、第１の乱数を多値符号列の下位ｍビットとして出力し、複数の演算部が行う所定の演算結果を多値符号列の上位ビットとして出力する。
【００４２】
ここで、複数の演算部が行う所定の演算は、例えば２つの乱数を加算または減算した結果を２mで割った余りを求める演算を用いることができる。
【００４３】
あるいは、複数の演算部が行う所定の演算は、一方の乱数の各ビットと、他方の乱数の各ビットとの排他的論理和演算であってもよい。
【００４４】
あるいは、複数の乱数発生部から出力される乱数の多値数は２値であり、複数の演算部が行う所定の演算は、２つの乱数の排他的論理和演算であってもよい。
【００４５】
また、多値符号設定部は、複数の乱数と多値符号列との関係を記録した変換テーブルにより構成してもよい。
【００４６】
また、本発明は、所定の鍵情報を用いて、送信装置と受信装置との間で秘密通信を行うデータ通信方法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、本発明のデータ通信方法は、送信装置において、所定の鍵情報を用いて、略乱数的に値が変化する多値の複数の乱数を発生するステップと、予め用意した多値レベルの中から、複数の乱数発生部から出力される乱数値の組合せである多値数列と情報データとに応じたレベルを選択し、当該選択したレベルを用いて所定の雑音レベルを有する雑音を含む多値変調信号を生成し、送信するステップと、受信装置において、所定の鍵情報を用いて、略乱数的に値が変化する多値の複数の乱数を発生するステップと、、複数の乱数の値の組合せである多値数列と、受信した変調信号とに基づき、情報データを復調し再生するステップとを備える。そして、所定の振幅または強度の範囲内に多値変調信号の複数のレベルが含まれる、複数のレベルに対応する多値数列は、当該構成要素として複数の乱数発生部のそれぞれが生成しうる全ての乱数の値を含むように設定される。
【発明の効果】
【００４７】
本発明のデータ送信装置及びデータ受信装置によれば、複数の乱数を用いて多値信号を生成した場合においても、盗聴者が多値識別結果に基づきそれぞれの乱数の値を特定することが不可能となる。したがって、比較的低速の複数の乱数発生部を用いながら、安全性を確保することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下本発明の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（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１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１は、データ送信装置（以下、送信部と記す）１０１と、データ受信装置（以下、受信部と記す）２０１とが、伝送路１１０を介して接続された構成である。送信部１０１は、第１の乱数発生部１１１ａ〜１１１ｆと、第１の多値符号設定部１１３と、多値処理部１１４と、変調部１１５とから構成される。受信部２０１は、第２の乱数発生部２１１ａ〜２１１ｆと、第２の多値符号設定部２１３と、復調部２１４と、識別再生部２１５とから構成される。伝送路１１０には、光ファイバケーブル等の光導波路や、ＬＡＮケーブルや同軸ケーブル等の金属路線等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ことが可能な自由空間であってもよい。また、盗聴受信部３０１は、傍受者が用いる装置であり、データ通信装置１を構成するものではない。
【００４９】
まず、送信部１０１と受信部２０１とは、予め同じ内容の鍵情報である第１の鍵情報１１ａ〜１１ｆと第２の鍵情報２１ａ〜２１ｆとをそれぞれ保持しておく。以下では、まず、送信部１０１の動作について説明する。第１の乱数発生部１１１ａ〜１１１ｆは、それぞれ第１の鍵情報１１ａ〜１１ｆを初期値とし、２値の擬似乱数である乱数１２ａ〜１２ｆを出力する。第１の多値符号設定部１１３は、入力される乱数１２ａ〜１２ｆの値に基づき、所定の規則に従って多値符号列１３を生成し出力する。多値処理部１１４は、入力された多値符号列１３の値に対応した基底を選択した後に、入力された情報データ１０の値に対応する、基底の一方のレベルを選択し、その選択したレベルを有する多値信号１４を出力する。変調部１１５は、入力した多値信号１４を所定の変調形式で変調して、変調信号３０として伝送路１１０に送出する。
【００５０】
次に、受信部２０１の動作について説明する。復調部２１４は、伝送路１１０を介して伝送された変調信号３０を復調して多値信号２４として出力する。第２の乱数発生部２１１ａ〜２１１ｆは、それぞれ第１の鍵情報２１ａ〜２１ｆを初期値とし、２値の擬似乱数である乱数２２ａ〜２２ｆを出力する。第２の多値符号設定部２１３は、入力される乱数２２ａ〜２２ｆの値に基づき、第１の多値符号設定部１１３と共通の規則に従って多値符号列２３を生成し出力する。識別再生部２１５は、第２の多値符号発生部２１２から入力した多値符号列１７の各値に対応する基底を判断する。そして、識別部２１６は、判断した基底（レベルのペア）及び復調部２１４から入力した多値信号２４を用いて２値識別を行い、当該２値識別で得られた信号から情報データ２５を再生する。
【００５１】
なお、送信部１０１において、第１の多値符号設定部１１３、多値処理部１１４、及び変調部１１５をまとめて、情報データ１０から得られる多値信号を変調する多値信号変調部１１２としてもよい。また、受信部２０１において、第２の多値符号設定部２１３、復調部２１４、及び識別再生部２１５をまとめて、多値信号から情報データ１８を得る信号復調再生部２１２としてもよい。
【００５２】
続いて、本実施形態における多値信号レベルと乱数１２ａ〜１２ｆとの関係について、図２に示す概念図を用いて説明する。図２は、多値信号レベルの内、３つのレベルを抜き出して示したものである。この中で、中間の信号レベルを“ｉ”とする。ここで、信号レベル“ｉ”を中心として、“ｉ−１”から“ｉ＋１”の３つのレベルにわたって雑音レベルが分布している場合を考える。この時、もし盗聴者が多値識別部３１２で多値識別して得られた信号レベルが“ｉ”であるとすると、正しい送信信号レベルは“ｉ−１”から“ｉ＋１”の３つのレベルの可能性がある。すなわち、盗聴者の多値識別誤りの範囲は図中鎖線で囲んだ範囲となる。ここで、信号レベル“ｉ−１”から“ｉ＋１”に対応する乱数１２ａの値が、“０”と“１”の両方を含む場合、盗聴者は送信者が用いた乱数１２ａの値を特定することはできない。同様に、乱数１２ｂ〜１２ｆについても、信号レベル“ｉ−１”から“ｉ＋１”に対応する値が“０”と“１”の両方を含む場合、盗聴者は送信者が用いた値を特定できない。このように、多値識別誤りの範囲において、それぞれの乱数の値が“０”と“１”の両方を含む信号点配置を用いた場合、盗聴者は送信者が用いたそれぞれの乱数の値を特定することができないため、安全性を確保できる。本実施形態においては、盗聴者がどの信号レベルを受信した場合においても、上記のような条件を満たす信号点配置を使用する。
【００５３】
これを実現するための具体例を以下に説明する。図３は、第１の多値符号設定部１１３及び多値処理部１１４の構成例を示す図である。図３において、第１の多値符号設定部１１３は、排他的論理和演算部１１３１ｂ〜１１３１ｆを備える。排他的論理和演算部１１３１ｂは、乱数１２ｂと乱数１２ａとを排他的論理和演算し、その演算結果を出力する。排他的論理和演算部１１３１ｃは、乱数１２ｃと乱数１２ａとを排他的論理和演算し、その演算結果を出力する。同様に、排他的論理和演算部１１３１ｄ〜１１３１ｆは、それぞれ乱数１２ｄ〜１２ｆと乱数１２ａとを排他的論理和演算し、その演算結果を出力する。そして、乱数１２ａは、そのまま多値符号列１３の最下位ビットとして第１の多値符号設定部１１３から出力され、排他的論理和演算部１１３１ｂ〜１１３１ｆの出力が多値符号列１３の残りのビットとして出力される。
【００５４】
多値処理部１１４は、排他的論理和演算部１１４１と、Ｄ／Ａ変換部１１４２とを備える。排他的論理和演算部１１４１には、情報データ１０と、多値符号列１３のうち１つのビットが入力され、それらの入力を排他的論理和演算した結果を出力する。多値符号列１３のうち、どのビットを排他的論理和演算部１１４１に入力するかは任意であるが、乱数１２ａと共通のビット（最下位ビット）以外で、かつできるだけ下位のビットであることが望ましい。乱数１２ａと共通のビット以外を用いる理由は次の通りである。盗聴者は、Ｄ／Ａ変換部１１４２の入力の最上位ビットの値を、変調信号３０から容易に識別することができる。さらに盗聴者が既知平文攻撃（情報データの値を固定して、鍵情報の特定を試みる攻撃）を行った場合、最上位ビットは、情報データ以外の排他的論理和演算部１１４１の入力と同じか、これを反転した値となる。よって、乱数１２ａと共通のビットを排他的論理和演算部１１４１に入力すると、盗聴者によって乱数１２ａの値を一意に特定される恐れがあるため、これ以外のビットを排他的論理和演算部１１４１に入力する。
【００５５】
一方、できるだけ下位のビットを用いる理由は次の通りである。多値符号列１３の下位のビットは、盗聴者が値の特定を試みても、雑音の影響によって誤りを含む可能性が高いが、上位のビットは誤る可能性が極めて小さくなる。また、排他的論理和演算部１１４１に入力する多値符号列１３のビットを盗聴者に特定されると、情報データ１０の値を直接知られてしまう。そのために、誤りを含む可能性の高い下位のビットを用いることが望ましい。図３の例では、排他的論理和演算部１１４１に下位から２ビット目を入力している。
【００５６】
Ｄ／Ａ変換部１１４２の最上位入力ビットには、排他的論理和演算部１１４１からの出力信号が入力され、残りの入力ビットには多値符号列１３が入力される。そして、Ｄ／Ａ変換部１１４２は、入力ビットをＤ／Ａ変換した結果を多値信号１４として出力する。
【００５７】
図４は、第２の多値符号設定部２１３及び識別再生部２１５の構成例を示す図である。図４において、第２の多値符号設定部２１３は、排他的論理和演算部２１３１ｂ〜２１３１ｆを備える。第２の多値符号設定部２１３の機能は、第１の多値符号設定部１１３と同様であるので、説明を省略する。識別再生部２１５は、Ｄ／Ａ変換部２１５１と、識別部２１５２と、排他的論理和演算部２１５３とを備える。Ｄ／Ａ変換部２１５１は、入力された多値符号列２３をＤ／Ａ変換し、識別レベル２６として出力する。識別部２１５２は、入力される多値信号２４を、識別レベル２６に従い２値識別し、識別結果２７を出力する。排他的論理和演算部２１５３には、識別結果２７と、多値符号列２３のうち１つのビットが入力され、これらを排他的論理和演算した結果を情報データ２５として出力する。排他的論理和演算部２１５３に入力される多値符号列２３のビットは、排他的論理和演算部１１４１への入力と共通となるように選択する。
【００５８】
次に、図３及び図４の多値符号設定部の入出力を図５の表に示す。この表では、乱数１２ａ〜１２ｆを、ａ〜ｆと表記している。乱数１２ｆ、１２ｅ、１２ｄ、１２ｃ、１２ｂ、１２ａの値が“０、０、０、０、０、０”である場合、乱数１２ａと乱数１２ｆ、１２ｅ、１２ｄ、１２ｃ、１２ｂとの排他的論理和演算の結果は、“０、０、０、０、０”となる。これに最下位ビットとして乱数１２ａを加えたものが多値符号列１３となり、その値は１０進数表記で“０”となる。同様に、乱数１２ｆ、１２ｅ、１２ｄ、１２ｃ、１２ｂ、１２ａの値が“０、０、０、０、０、１”である場合、排他的論理和演算の結果は、“１、１、１、１、１”となり、多値符号列１３の値は１０進数表記で“６３”となる。その他の値についても、乱数１２ａ〜１２ｆと多値符号列１３との関係は同様である。
【００５９】
続いて、図３及び図４の構成を用いた場合の信号点配置について、図６を用いて説明する。この図では、多値信号レベルと、各レベルに対応する乱数１２ａ〜１２ｆ、多値符号列１３、情報データ１０の値の関係を示してある。ここで、多値信号レベルを隣接する２つずつにグループ分けし（図中破線で表示、以下では隣接レベルグループと表記）、隣接レベルグループ内の２つのレベルに対応する乱数１２ａ〜１２ｆの値は、互いに異なる値となるように割り当てる。ここで、３つのレベルにわたって雑音レベルが分布している場合、すなわち多値識別誤りの範囲（図中鎖線で表示）が３つのレベルに及ぶ場合を考える。この場合、多値識別誤りの範囲内には、必ず１つの隣接レベルグループが含まれる。よって、多値識別誤りの範囲に含まれる信号レベルに対応した乱数１２ａの値は、必ず“０”と“１”の両方を含む。同様に、多値識別誤りの範囲に含まれる信号レベルに対応した乱数１２ｂ〜１２ｆの値は、必ず“０”と“１”の両方を含む。よって、図２の概念図に示した信号点配置が実現できることとなり、盗聴者は乱数１２ａ〜１２ｆの値を特定できず、安全性を確保できる。
【００６０】
また、本構成例の安全性については以下のように説明することもできる。すなわち、盗聴者は雑音の影響により隣接する多値信号レベルを正しく識別できないため、多値信号レベル（Ｄ／Ａ変換部１１４２の入力）の最下位ビットに相当する乱数１２ａの値を特定することができない。一方、盗聴者は比較的離れた多値信号レベルは区別することができるため、Ｄ／Ａ変換部１１４２の入力の上位ビットは正しく知ることができる。しかし、盗聴者が乱数１２ｂ〜１２ｆの値を知るためには、Ｄ／Ａ変換部１１４２の入力の上位ビットの値に加え、乱数１２ａの値も必要である。よって、乱数１２ａの値が分からないために、乱数１２ｂ〜１２ｆの値も特定できない。したがって、盗聴者はいずれの乱数の値も特定することができないため、安全性を確保できる。
【００６１】
なお、以上では雑音レベルが３つのレベルにわたって分布している場合について述べたが、正規受信者が受信可能な範囲であれば、雑音レベルは４つ以上のレベルにわたって分布していても構わない。また、以上では乱数の数が６個、すなわち多値符号列１３の多値数が６４値の場合について説明したが、これはあくまでも一例であり、前述した雑音レベルの条件さえ満足していれば、乱数の数（あるいは多値数）は任意の数に設定できることは言うまでもない。
【００６２】
また、図３、図４に示した構成例及び図６に示した信号点配置はあくまでも一例である。図２の概念図で説明した条件、すなわち多値識別誤りの範囲に含まれるレベルに対応した乱数の値が、“０”と“１”の両方を含むという条件を満たしていれば、上記と異なる構成や信号点配置を用いてもよい。例えば、乱数と多値符号列、あるいは乱数及び情報データと多値信号レベルの関係を、変換テーブルによって与える構成であってもよい。あるいは、図１に示した各構成要素は、ハードウェアに限らず、ソフトウェア処理によってその機能を実現しても構わない。また、図２の概念図で説明した条件を満たしていれば、信号レベルの間隔が不等間隔であったり、一部の信号レベル同士が重複していても構わない。
【００６３】
以上のように本実施形態によれば、複数の乱数を用いて多値信号を生成した場合においても、盗聴者が多値識別結果に基づきそれぞれの乱数の値を特定することが不可能となる。したがって、比較的低速の複数の乱数発生部を用いながら、安全性を確保することが可能となる。
【００６４】
（第２の実施形態）
本実施形態は、第１の実施形態を、複数の乱数の多値数が多値である場合に一般化したものである。図７は、本発明の第２の実施形態に係るデータ通信装置２の構成を示すブロック図である。図７において、データ通信装置２は、送信部１０２と、受信部２０２とが、伝送路１１０を介して接続された構成である。送信部１０２は、第１の乱数発生部１２１ａ〜１２１ｃと、第１の多値符号設定部１２３と、多値処理部１２４と、変調部１２５とから構成される。受信部２０２は、第２の乱数発生部２２１ａ〜２２１ｃと、第２の多値符号設定部２２３と、復調部２２４と、識別再生部２２５とから構成される。
【００６５】
まず、送信部１０２と受信部２０２とは、予め同じ内容の鍵情報である第１の鍵情報１１ａ〜１１ｃと第２の鍵情報２１ａ〜２１ｃとをそれぞれ保持しておく。以下では、まず、送信部１０２の動作について説明する。第１の乱数発生部１２１ａ〜１２１ｃは、それぞれ第１の鍵情報１１ａ〜１１ｃを初期値とし、多値の擬似乱数である乱数１２ａ〜１２ｃを出力する。第１の多値符号設定部１２３は、入力される乱数１２ａ〜１２ｃの値に基づき、所定の規則に従って多値符号列１３を生成し出力する。多値処理部１２４、及び変調部１２５の機能は、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００６６】
次に、受信部２０２の動作について説明する。第２の乱数発生部２２１ａ〜２２１ｃは、それぞれ第１の鍵情報２１ａ〜２１ｃを初期値とし、多値の擬似乱数である乱数２２ａ〜２２ｃを出力する。第２の多値符号設定部２２３は、入力される乱数２２ａ〜２２ｃの値に基づき、第１の多値符号設定部１２３と共通の規則に従って多値符号列２３を生成し出力する。復調部２２４、及び識別再生部２２５の機能は、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００６７】
続いて、本実施形態における多値信号レベルと乱数１２ａ〜１２ｃとの関係について、図８に示す概念図を用いて説明する。図８は、乱数１２ａ〜１２ｃの多値数が４値の場合の例であり、多値信号レベルの内、７つのレベルを抜き出して示したものである。この中で、中間の信号レベルを“ｉ”とする。ここで、信号レベル“ｉ”を中心として、“ｉ−３”から“ｉ＋３”の７つのレベルにわたって雑音レベルが分布している場合を考える。この時、もし盗聴者が多値識別部３１２で多値識別して得られた信号レベルが“ｉ”であるとすると、正しい送信信号レベルは“ｉ−３”から“ｉ＋３”の３つのレベルの可能性がある。すなわち、盗聴者の多値識別誤りの範囲は図中鎖線で囲んだ範囲となる。ここで、信号レベル“ｉ−３”から“ｉ＋３”に対応する乱数１２ａの値が、“０”から“３”までの全ての値を含む場合、盗聴者は送信者が用いた乱数１２ａの値を絞り込むことはできない。同様に、乱数１２ｂ、１２ｃについても、信号レベル“ｉ−３”から“ｉ＋３”に対応する値が“０”から“３”までの全ての値を含む場合、盗聴者は送信者が用いた値を絞り込むことができない。このように、多値識別誤りの範囲において、それぞれの乱数の値が取り得る全ての値を含む信号点配置を用いた場合、盗聴者は送信者が用いたそれぞれの乱数の値を絞り込むことができないため、安全性を確保できる。本実施形態においては、盗聴者がどの信号レベルを受信した場合においても、上記のような条件を満たす信号点配置を使用する。
【００６８】
これを実現するための具体例を以下に説明する。図９は、第１の多値符号設定部１２３及び多値処理部１２４の構成例を示す図である。この図では、入力される乱数１２ａ〜１２ｃの多値数が４値の例を示してあり、これらを２ビットのパラレル信号として表記してある。第１の多値符号設定部１２３は、ｍｏｄｕｌｏ演算部１２３１ｂ、１２３１ｃを備える。ｍｏｄｕｌｏ演算部１２３１ｂは、乱数１２ｂと乱数１２ａとを加算、もしくは減算した値を、多値数（図９では４）で割った余りを出力する。ｍｏｄｕｌｏ演算部１２３１ｃは、乱数１２ｃと乱数１２ａとを加算、もしくは減算した値を、乱数の多値数（図９では４）で割った余りを出力する。そして、乱数１２ａはそのまま多値符号列１３の下位２ビットとして第１の多値符号設定部１２３から出力され、ｍｏｄｕｌｏ演算部１２３１ｂ、１２３１ｃの出力が多値符号列１３の残りのビットとして出力される。
【００６９】
多値処理部１２４は、排他的論理和演算部１２４１と、Ｄ／Ａ変換部１２４２とを備える。排他的論理和演算部１２４１には、情報データ１０と、多値符号列１３のうち１つのビットが入力され、入力を排他的論理和演算した結果を出力する。多値符号列１３のうち、どのビットを排他的論理和演算部１１４１に入力するかは任意であるが、できるだけ下位のビットであることが望ましい。その理由は、第１の実施形態で説明したものと同様である。Ｄ／Ａ変換部１２４２の最上位入力ビットには排他的論理和演算部１２４１からの出力信号が入力され、残りの入力ビットには多値符号列１３が入力される。そして、Ｄ／Ａ変換部１２４２は、入力ビットをＤ／Ａ変換した結果を多値信号１４として出力する。
【００７０】
図１０は、第２の多値符号設定部２２３及び識別再生部２２５の構成例を示す図である。図１０において、第２の多値符号設定部２２３は、ｍｏｄｕｌｏ演算部２２３１ｂ及び２２３１ｃを備える。第２の多値符号設定部２２３の機能は、第１の多値符号設定部１２３と同様であるので、説明を省略する。識別再生部２２５は、Ｄ／Ａ変換部２２５１と、識別部２２５２と、排他的論理和演算部２２５３とを備える。これらの機能は、第１の実施形態で説明したものと同様であるので、説明を省略する。
【００７１】
次に、図９及び図１０の多値符号設定部の入出力（ｍｏｄｕｌｏ演算部１２３１ｂ、１２３１ｃ、２２３１ｂ、２２３１ｃで加算を行う場合）を図１１の表に示す。この表では、乱数１２ａ〜１２ｃを、ａ〜ｃと表記している。乱数１２ｃ、１２ｂ、１２ａの値が“０、０、０”である場合、乱数１２ａと乱数１２ｃ、１２ｂとを加算し、４で割った結果（すなわち、ｍｏｄｕｌｏ演算部１２３１ｃ及び１２３１ｂの出力）は“０、０”となる。これに下位２ビットとして乱数１２ａを加えたものが多値符号列１３となり、その値は１０進数表記で“０”となる。同様に、乱数１２ｃ、１２ｂ、１２ａの値が“０、０、１”である場合、乱数１２ａと乱数１２ｃ、１２ｂとを加算し、４で割った結果は“１、１”となり、多値符号列１３の値は１０進数表記で“２１”となる。その他の値についても、乱数１２ａ〜１２ｃと多値符号列１３との関係は同様である。
【００７２】
続いて、図９及び図１０の構成を用いた場合の信号点配置について、図１２を用いて説明する。図１２では、多値信号レベルと、各レベルに対応する乱数１２ａ〜１２ｃ、多値符号列１３、情報データ１０の値の関係を示してある。ここで、多値信号レベルを近接する４つ（乱数１２ａ〜１２ｃの多値数と同じ数）ずつにグループ分けし（図中破線で表示、以下では近接レベルグループと表記）、近接レベルグループ内の４つのレベルに対応する乱数１２ａの値は、“０”から“３”までの全ての値が含まれるように割り当てる。同様に、乱数１２ｂ、１２ｃについても、４つのレベルに対応する値は、“０”から“３”までの全ての値が含まれるように割り当てる。ここで、７つのレベルにわたって雑音レベルが分布している場合、すなわち多値識別誤りの範囲（図中鎖線で表示）が７つのレベルに及ぶ場合を考える。この場合、多値識別誤りの範囲内には、必ず１つの近接レベルグループが含まれる。よって、多値識別誤りの範囲に含まれる信号レベルに対応した乱数１２ａの値は、“０”から“３”までの全ての値を含む。同様に、多値識別誤りの範囲に含まれる信号レベルに対応した乱数１２ｂ、１２ｃの値は、必ず“０”から“３”までの全ての値を含む。よって、図８の概念図に示した信号点配置が実現できることとなり、盗聴者は乱数１２ａ〜１２ｃの値を絞り込むことができず、安全性を確保できる。
【００７３】
ところで、図８で説明した条件を満足する信号点配置は、以上に説明したものと別の構成を用いても実現できる。図１３は、第１の多値符号設定部１２３の別の構成例を示す図である。この構成例では、第１の多値符号設定部１２３は、排他的論理和演算部１２３２ｂ、１２３２ｃ、１２３３ｂ、１２３３ｃを備える。排他的論理和演算部１２３２ｂは、乱数１２ｂと乱数１２ａとの下位ビット同士を排他的論理和演算し、その演算結果を出力する。排他的論理和演算部１２３３ｂは、乱数１２ｂと乱数１２ａとの上位ビット同士を排他的論理和演算し、その演算結果を出力する。排他的論理和演算部１２３２ｃは、乱数１２ｃと乱数１２ａとの下位ビット同士を排他的論理和演算し、その演算結果を出力する。排他的論理和演算部１２３３ｃは、乱数１２ｃと乱数１２ａとの上位ビット同士を排他的論理和演算し、その演算結果を出力する。そして、乱数１２ａはそのまま多値符号列１３の下位２ビットとして第１の多値符号設定部１２３から出力され、排他的論理和演算部１２３２ｂ、１２３２ｃ、１２３３ｂ、１２３３ｃの出力が多値符号列１３の残りのビットとして出力される。
【００７４】
この構成例では、第２の多値符号設定部２２３も図１３と同じ構成となる。一方、他のブロックの構成及び機能は、図７、図９、図１０を用いて説明したのと同様である。
【００７５】
図１３の多値符号設定部の入出力を図１４の表に示す。図１４の表では、乱数１２ａ〜１２ｃを、ａ〜ｃと表記している。乱数１２ｃ、１２ｂ、１２ａの値が“００、００、００”（２進表記）である場合、乱数１２ａと乱数１２ｃ、１２ｂとの排他的論理和演算の結果は“００、００”となる。これに下位２ビットとして乱数１２ａを加えたものが多値符号列１３となり、その値は１０進数表記で“０”となる。同様に、乱数１２ｃ、１２ｂ、１２ａの値が“００、００、０１”である場合、乱数１２ａと乱数１２ｃ、１２ｂとの排他的論理和演算の結果は“０１、０１”となり、多値符号列１３の値は１０進数表記で“２１”となる。その他の値についても、乱数１２ａ〜１２ｃと多値符号列１３との関係は同様である。
【００７６】
図１３の構成を用いた場合の信号点配置は、図１５に示したものとなる。この信号点配置も図１２と同様、近接レベルグループ内の４つのレベルに対応する乱数１２ａ、１２ｂ、１２ｃの値は、“０”から“３”までの全ての値が含まれるように割り当てたものとなる。よって、多値識別誤りの範囲に含まれる信号レベルに対応した乱数１２ａ、１２ｂ、１２ｃの値は、必ず“０”から“３”までの全ての値を含むため、図８の概念図に示した信号点配置が実現できる。
【００７７】
また、以上に述べた２つの構成例の安全性については以下のように説明することもできる。すなわち、盗聴者は雑音の影響により３つ隣までの多値信号レベルを正しく識別できないため、多値信号レベル（Ｄ／Ａ変換部１２４２の入力）の下位２ビットに相当する乱数１２ａの値を特定することができない。一方、盗聴者は比較的離れた多値信号レベルは区別することができるため、Ｄ／Ａ変換部１２４２の入力の上位ビットは正しく知ることができる。しかし、Ｄ／Ａ変換部１２４２の入力の上位ビットは、乱数１２ａと乱数１２ｂ、１２ｃとの演算によって決定されている。よって、盗聴者が乱数１２ｂ、１２ｃの値を知るためには、Ｄ／Ａ変換部１２４２の入力の上位ビットの値に加え、乱数１２ａの値も必要である。ここで、乱数１２ａの値が分からないために、乱数１２ｂ、１２ｃの値も特定できない。したがって、盗聴者はいずれの乱数の値も特定することができないため、安全性を確保できる。
【００７８】
なお、以上では雑音レベルが７つのレベルにわたって分布している場合について述べたが、正規受信者が受信可能な範囲であれば、雑音レベルはそれ以上のレベルにわたって分布していても構わない。これを実現するために、変調信号に重畳される雑音はショット雑音に限定されず、送信部１０２内部で別途加算する構成であってもよい。例えば、図１６に示すデータ通信装置２ｘのように、ランダム雑音を発生し、多値信号１４（または変調信号３０）に加算する雑音加算部１２６を備えることによって、所望の雑音レベルを実現する構成であってもよい。
【００７９】
また、以上では乱数の数が３個、乱数の多値数が４値、多値符号列１３の多値数が６４値の場合について説明したが、これはあくまでも一例であり、乱数の数や多値数は任意の数に設定できることは言うまでもない。この場合、図１２に示した近接レベルグループに含まれる多値信号レベルの数は、乱数の多値数に等しい。また、雑音レベルは、少なくとも近接レベルグループ内において最も離れたレベル間の距離（最大信号点間距離）の２倍以上に設定する。
【００８０】
以上に述べた構成例では、多値符号列１３の値を決定するための方法として、加算（もしくは減算）後に多値数で割った余りを求める演算を用いる構成と、排他的論理和演算を用いる構成及び信号点配置について示した。しかし、これらはあくまでも一例であり、結果として図８の概念図で説明した条件、すなわち多値識別誤りの範囲に含まれるレベルに対応した各乱数の値が、それぞれ取り得る全ての値を含むという条件を満たしていれば、上記と異なる構成、演算処理や信号点配置を用いてもよい。例えば、乱数と多値符号列、あるいは乱数及び情報データと多値信号レベルの関係を、変換テーブルによって与える構成であってもよい。あるいは、図７に示した各構成要素は、ハードウェアに限らず、ソフトウェア処理によってその機能を実現しても構わない。また、図８の概念図で説明した条件を満たしていれば、信号レベルの間隔が不等間隔であったり、一部の信号レベル同士が重複していても構わない。
【００８１】
以上のように本実施形態は、任意の多値数を有する複数の乱数を用いて多値信号を生成した場合においても、盗聴者が多値識別結果に基づきそれぞれの乱数の値を特定することが不可能となる。したがって、第１の実施形態と同様に、比較的低速の複数の乱数発生部を用いながら、安全性を確保することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、第三者による傍受を防ぐ暗号通信を行う装置等に利用可能であり、特に、伝送路上の変調信号からの解読を防止したい場合等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置１の構成を示すブロック図
【図２】本発明の第１の実施形態における信号点配置の概念図
【図３】本発明の第１の実施形態における第１の多値符号設定部１１３及び多値処理部１１４の構成例を示すブロック図
【図４】本発明の第１の実施形態における第２の多値符号設定部２１３及び識別再生部２１５の構成例を示すブロック図
【図５】図３及び図４に示した多値符号設定部の入出力の関係を示す表
【図６】本発明の第１の実施形態における信号点配置の具体例を示す図
【図７】本発明の第２の実施形態に係るデータ通信装置２の構成を示すブロック図
【図８】本発明の第２の実施形態における信号点配置の概念図
【図９】本発明の第２の実施形態における第１の多値符号設定部１２３及び多値処理部１２４の構成例を示すブロック図
【図１０】本発明の第２の実施形態における第２の多値符号設定部２２３及び識別再生部２２５の構成例を示すブロック図
【図１１】図９及び図１０に示した多値符号設定部の入出力の関係を示す表
【図１２】本発明の第２の実施形態における信号点配置の具体例を示す図
【図１３】本発明の第２の実施形態における第１の多値符号設定部１２３の別の構成例を示すブロック図
【図１４】図１３に示した多値符号設定部の入出力の関係を示す表
【図１５】本発明の第２の実施形態における信号点配置の具体例を示す図
【図１６】本発明の第２の実施形態に係るデータ通信装置２ｘの構成を示すブロック図
【図１７】特許文献１に示された、Ｙ−００プロトコルを用いた従来の送受信装置の一例について説明するための図
【図１８】従来の送受信装置の信号フォーマットの一例を示す図
【図１９】従来の送信装置の動作について具体的に説明するための図
【図２０】従来の受信装置の動作について具体的に説明するための図
【図２１】従来の送受信装置における、第１の多値符号発生部９１１及び多値処理部９１２の構成例を示す図
【図２２】従来の送受信装置における、第１の多値符号発生部９１１ｘ及び多値処理部９１２の構成例を示す図
【図２３】図２２の構成を用いた場合の信号点配置の一例を示す図
【符号の説明】
【００８４】
１、２、２ｘ  データ通信装置
１０、２５  情報データ
１１ａ〜１１ｆ  第１の鍵情報
１２ａ〜１２ｆ、２２ａ〜２２ｆ  乱数
１３、２３  多値符号列
１４、２４  多値信号
２１ａ〜２１ｆ  第２の鍵情報
３０  変調信号
４１  多値信号
４２  受信系列
８１  多値信号
８２  受信系列
９０、９８  情報データ
９１  第１の鍵情報
９２、９７  多値符号列
９３、９５  多値信号
９４  変調信号
９６  第２の鍵情報
９７ａ〜９７ｆ  乱数
１０１  送信部
１１１ａ〜１１１ｆ、１２１ａ〜１２１ｃ  第１の乱数発生部
１１２、１２２  多値信号変調部
１１３、１２３  第１の多値符号設定部
１１３１ｂ〜１１３１ｆ、２１３１ｂ〜２１３１ｆ、１２３２ｂ、１２３２ｃ、１２３３ｂ、１２３３ｃ  排他的論理和演算部
１２３１ｂ、１２３１ｃ、２２３１ｂ、２２３１ｃ  ｍｏｄｕｌｏ演算部
１１４、１２４  多値処理部
１１４１、１２４１、２１５３、２２５３  排他的論理和演算部
１１４２、１２４２、２１５１、２２５１  Ｄ／Ａ変換部
１１５、１２５  変調部
１２６  雑音加算部
２０１  受信部
２１１ａ〜２１１ｆ、２２１ａ〜２２１ｃ  第２の乱数発生部
２１２、２２２  信号復調再生部
２１３、２２３  第２の多値符号設定部
２１４、２２４  復調部
２１５、２２５  識別再生部
２１５２、２２５２  識別部
３０１  盗聴受信部
３１１  復調部
３１２  多値識別部
３１３  解読処理部
９０１  送信部
９０２  受信部
９０３  盗聴受信部
９１１、９１１ｘ  第１の多値符号発生部
９１１１  乱数発生器
９１１２  Ｓ／Ｐ変換部
９１１３ａ〜９１１３ｆ  乱数発生器
９１２  多値処理部
９１２１  排他的論理和演算部
９１３  変調部
９１４  第２の多値符号発生部
９１５  復調部
９１６  識別部
９２１  復調部
９２２  多値識別部
９２３  解読処理部
【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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【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】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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