(57)【要約】【課題】鍵配送と暗号化通信とを同時に実現可能な送受信装置を提供する。【解決手段】送信装置は、情報データと鍵情報とに基づいて生成した多値信号に対して、乱数信号に基づく微小な振幅変調を重畳し送信する。受信装置は、データの識別とは別に、乱数による変調振幅より十分大きな間隔を設けた２つの閾値を用いて乱数信号に対して“１”、“０”、“識別不能”の３種類の識別を行い、識別に成功したビットの情報を送信装置に返送し、その返信したビットを新たな鍵として共有する。これにより、同一の送受信装置で暗号文伝送と鍵配送とを同時に実現できる。【選択図】図１
2007020159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報データを秘密通信するデータ送信装置であって、
所定の鍵情報を用いて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、
所定の処理に従って、前記多値符号列と前記情報データとを合成し、前記多値符号列と前記情報データのレベルの組み合わせに対応したレベルを有する多値信号を生成する多値処理部と、
前記多値信号に基づいて、所定の変調形式の変調信号を発生する変調部と、
乱数信号を生成する乱数発生部と、
受信側から伝送された選択変調信号に基づき、前記乱数信号から一部のビットを選択し、当該選択したビットを選択ビットとして蓄積し、所定の条件を満足した場合には前記選択ビットを新たな鍵情報として出力する鍵共有部とを備え、
前記変調信号には、所定の期間において前記乱数信号に基づく振幅変調が加えられていることを特徴とする、データ送信装置。
【請求項２】
前記鍵共有部は、
所定の変調形式の選択変調信号を復調し、選択信号として出力する選択信号復調部と、
前記乱数信号から、前記選択信号に基づいて一部のビットを選択し、当該選択したビットを選択ビットとして出力する鍵蓄積制御部と、
前記鍵情報を出力し、かつ前記選択ビットを蓄積し、所定の条件を満足した場合には前記選択ビットを新たな鍵情報として出力する鍵蓄積部とを備えることを特徴とする、請求項１に記載のデータ送信装置。
【請求項３】
前記乱数信号に基づいて、前記情報データの振幅を決定する振幅制御信号を出力する振幅制御信号発生部と、
前記多値処理部の前段に挿入され、前記振幅制御信号に基づいて前記情報データに振幅変調を施して出力する振幅変調部とをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のデータ送信装置。
【請求項４】
前記乱数信号に基づいて、前記多値信号の情報振幅を決定する振幅制御信号を出力する振幅制御信号発生部と、
前記多値処理部と変調部との間に挿入され、前記振幅制御信号に基づいて前記多値信号に振幅変調を施して出力する振幅変調部とをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のデータ送信装置。
【請求項５】
前記乱数信号に基づいて、前記変調信号の情報振幅を決定する振幅制御信号を出力する振幅制御信号発生部と、
前記変調部の後段に挿入され、前記振幅制御信号に基づいて前記変調信号に振幅変調を施して出力する振幅変調部とをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のデータ送信装置。
【請求項６】
前記乱数信号に基づく振幅変調の大きさは、前記多値信号の情報振幅より十分小さ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７】
前記所定の期間は、前記情報データを伝送する期間と同一の期間であることを特徴とする、請求項１に記載のデータ送信装置。
【請求項８】
所定の形式の制御信号を前記多値符号発生部に出力する制御信号発生部をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のデータ送信装置。
【請求項９】
情報データを秘密通信するデータ受信装置であって、
送信側から所定の変調形式の変調信号を受信し、当該受信した変調信号を復調して、多値信号を出力する復調部と、
所定の鍵情報を用いて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、
前記多値符号列に基づいて、前記多値信号を識別し、前記情報データを出力する多値識別部と、
所定の期間において、前記多値信号から送信側で生成された乱数信号の識別を試み、識別に成功した場合はその結果を選択ビットとして蓄積し、所定の条件を満足した場合には前記選択ビットを新たに鍵情報として出力し、かつ識別に成功したビットの位置を示す選択変調信号を送信側に出力する鍵共有部を備えることを特徴とする、データ受信装置。
【請求項１０】
前記鍵共有部は、
所定の期間において前記多値信号から前記乱数信号の識別を試み、識別に成功した場合はその結果を選択ビットとして出力し、かつ識別に成功したビットの位置を示す選択信号を出力する鍵識別部と、
前記鍵情報を出力し、かつ前記選択ビットを蓄積し、所定の条件を満足した場合には前記選択ビットを新たに鍵情報として出力する鍵蓄積部と、
前記選択信号を所定の変調形式で変調し、選択変調信号として出力する選択信号変調部とを備えることを特徴とする、請求項９に記載のデータ受信装置。
【請求項１１】
前記乱数信号に基づく振幅変調の大きさは、前記多値信号の情報振幅より十分小さいことを特徴とする、請求項９に記載のデータ受信装置。
【請求項１２】
前記所定の期間は、前記情報データを伝送する期間と同一の期間であることを特徴とする、請求項９に記載のデータ受信装置。
【請求項１３】
前記多値信号から所定の形式の制御信号を再生する制御信号再生部をさらに備えることを特徴とする、請求項９に記載のデータ受信装置。
【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・傍受を防ぐ秘密通信を行う装置に関する。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装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特定者同志でのみ通信を行うためには、送信／受信間で符号化／復号化のための元情報（鍵情報）を共有し、当該元情報に基づいて、伝送すべき情報データ（平文）を数学的に演算／逆演算することにより秘密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。その中の１つとして、光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。Ｙ−００プロトコルを用いた送受信装置の一例として、特許文献１に開示されているものがある。
【０００４】
図１３は、Ｙ−００プロトコルを用いた従来の送受信装置の構成例を示すブロック図である。図１３において、送信部９０００１は、第１の多値符号発生部９１１と、多値処理部９１２と、変調部９１３とから構成される。受信部９０００２は、復調部９１５と、第２の多値符号発生部９１４と、識別部９１６とから構成される。まず、送信部９０００１と受信部９０００２とは、予め同じ内容の第１の鍵情報９１と第２の鍵情報９６とを共有しておく。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”までのＭ個の値を有する多値の疑似乱数系列を、多値符号列９２として生成する。
【０００５】
多値処理部９１２は、情報データ９０と多値符号列９２との値に基づいて、図１４に示す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。すなわち、多値処理部９１２は、多値符号列９２の信号強度を２Ｍ個のレベルに分け、これらのレベルを２つずつＭ個の組み合わせ（変調方式）とし、各組み合わせの一方のレベルに情報データ９０の“０”を、他方のレベルに“１”を割り当てる。多値処理部９１２は、２Ｍ個のレベル全体では、情報データ９０の“０”と“１”に相当するレベルが均等に分布するように割り当てる。
【０００６】
図１４の例では、“０”と“１”とが交互に割り当てられるようにしている。多値処理部９１２は、入力される多値符号列９２の値に基づきレベルの組み合わせを１つ選択し、情報データ９０の値に基づき、組み合わせのうちの一方のレベルを選択し、そのレベルを有する多値信号９３を出力する。なお、特許文献１には、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。
【０００７】
Ｍ＝４の場合の信号変化の例を図１５（ａ）〜（ｇ）に示す。例えば、情報データ９０の値が“０１１１”（図１５（ａ）参照）、多値符号列９２の値が“０３２１”（図１５（ｂ）参照）のように変化する場合、多値信号９３は図１５（ｃ）に示すような変化をする。変調部９１３は、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、光伝送路９１０を介して送信する。
【０００８】
復調部９１５は、光伝送路９１０を介して伝送されてきた変調信号９４を光電変換し、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に基づき、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、多値信号９５において、多値符号列９７の値から図１４に示す信号レベルの組み合わせ（変調方式）のうちどちらが用いられているかを判断し、組み合わせに含まれる２つの信号レベルを２値識別する。具体的には、識別部９１６は、図１５（ｅ）に示すように、多値符号列９７の値に基づき識別レベルを設定し、多値信号９５が識別レベルよりも大きい（上）か、あるいは小さい（下）かを判断する。この例では、識別部９１６は、“下、下、上、下”と識別している。
【０００９】
次に、識別部９１６は、多値符号列９７が偶数の場合は下側が“０”、上側が“１”、奇数の場合は下側が“１”、上側が“０”と判定し、情報データ９８として出力する。この例では、多値符号列９７は“偶数、奇数、偶数、奇数”となっているため、情報データ９８は“０１１１”となる。なお、多値信号９５には雑音が含まれているが、送信部９０００１は、信号強度を適切に選ぶことで、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。
【００１０】
次に、想定される盗聴について説明する。盗聴者は、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または第１の鍵情報９１の解読を試みる。鍵情報を持たないため、盗聴者は、正規受信者が受信部９０００２を用いて行うのと同じ２値識別による受信方法を用いることはできない。そこで、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に対して解読処理部９２３で解読処理を行うことで、情報データ９０もしくは第１の鍵情報９１の解読を試みると考えられる。
【００１１】
この場合、復調部９２１においてフォトディテクタで光電変換する際に、ショット雑音が発生し、多値信号８１に重畳される。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。ここで、信号レベルの間隔（以下、ステップ幅と称する）をショット雑音のレベルより十分小さくしておけば、識別誤りによって受信した多値信号８１が正しい信号レベル以外の様々な多値レベルをとる可能性が無視できなくなる。よって盗聴者は、正しい信号レベルが、識別によって得られた信号レベル以外の値である可能性を考慮して解読処理を行う必要があるため、識別誤りが無い場合と比較して解読処理に要する計算量が増大し、結果として盗聴に対する安全性が向上する。
【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】
【００１２】
図１３に示す従来の送受信装置は、第１の鍵情報９１と第２の鍵情報９６とを予め共有しておくことを前提としているが、実際の通信においては、鍵情報の同期外れが生じた時などに、改めて鍵情報の配送が必要となる場合がある。しかしながら、図１３に示す従来の送受信装置は、鍵配送の機能を有していないという課題があった。
【００１３】
それ故に、本発明は、上記の課題を解決するものであり、鍵配送と暗号化通信とを同時に実現可能な送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】
【００１４】
本発明は、情報データを秘密通信するデータ送信装置に向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明のデータ送信装置は、所定の鍵情報を用いて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、所定の処理に従って、多値符号列と情報データとを合成し、両信号レベルの組み合わせに対応したレベルを有する多値信号を生成する多値処理部と、多値信号に基づいて、所定の変調形式の変調信号を発生する変調部と、乱数信号を生成する乱数発生部と、受信側から伝送された選択変調信号に基づき、乱数信号から一部のビットを選択し、当該選択したビットを選択ビットとして蓄積し、所定の条件を満足した場合には選択ビットを新たな鍵情報として出力する鍵共有部とを備える。また、変調信号には、所定の期間において乱数信号に基づく振幅変調が加えられている。
【００１５】
好ましくは、鍵共有部は、所定の変調形式の選択変調信号を復調し、選択信号として出力する選択信号復調部と、乱数信号から、選択信号に基づいて一部のビットを選択し、当該選択したビットを選択ビットとして出力する鍵蓄積制御部と、鍵情報を出力し、かつ選択ビットを蓄積し、所定の条件を満足した場合には選択ビットを新たな鍵情報として出力する鍵蓄積部とを備える。
【００１６】
好ましくは、データ送信装置は、乱数信号に基づいて、情報データの振幅を決定する振幅制御信号を出力する振幅制御信号発生部と、多値処理部の前段に挿入され、振幅制御信号に基づいて情報データに振幅変調を施して出力する振幅変調部とをさらに備える。
【００１７】
また、データ送信装置は、乱数信号に基づいて、多値信号の情報振幅を決定する振幅制御信号を出力する振幅制御信号発生部と、多値処理部と変調部との間に挿入され、振幅制御信号に基づいて多値信号に振幅変調を施して出力する振幅変調部とをさらに備えてもよい。
【００１８】
また、データ送信装置は、乱数信号に基づいて、変調信号の情報振幅を決定する振幅制御信号を出力する振幅制御信号発生部と、変調部の後段に挿入され、振幅制御信号に基づいて変調信号に振幅変調を施して出力する振幅変調部とをさらに備えてもよい。
【００１９】
ただし、乱数信号に基づく振幅変調の大きさは、多値信号の情報振幅より十分小さいものとする。また、所定の期間は、情報データを伝送する期間と同一の期間であるものとする。
【００２０】
好ましくは、データ送信装置は、所定の形式の制御信号を多値符号発生部に出力する制御信号発生部をさらに備える。
【００２１】
また、本発明は、情報データを秘密通信するデータ受信装置にも向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明のデータ受信装置は、送信側から所定の変調形式の変調信号を受信し、当該受信した変調信号を復調して、多値信号を出力する復調部と、所定の鍵情報を用いて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、多値符号列に基づいて、多値信号を識別し、情報データを出力する多値識別部と、所定の期間において、多値信号から送信側で生成された乱数信号の識別を試み、識別に成功した場合はその結果を選択ビットとして蓄積し、所定の条件を満足した場合には選択ビットを新たに鍵情報として出力し、かつ識別に成功したビットの位置を示す選択変調信号を送信側に出力する鍵共有部を備える。
【００２２】
好ましくは、鍵共有部は、所定の期間において多値信号から乱数信号の識別を試み、識別に成功した場合はその結果を選択ビットとして出力し、かつ識別に成功したビットの位置を示す選択信号を出力する鍵識別部と、鍵情報を出力し、かつ選択ビットを蓄積し、所定の条件を満足した場合には選択ビットを新たに鍵情報として出力する鍵蓄積部と、選択信号を所定の変調形式で変調し、選択変調信号として出力する選択信号変調部とを備える。
【００２３】
ただし、乱数信号に基づく振幅変調の大きさは、多値信号の情報振幅より十分小さいものとする。また、所定の期間は、情報データを伝送する期間と同一の期間であるものとする。
【００２４】
好ましくは、データ受信装置は、多値信号から所定の形式の制御信号を再生する制御信号再生部をさらに備える。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のデータ通信装置は、鍵情報に基づいて情報データを多値信号に符号化・変調して送信し、受信した多値信号を同一の鍵情報に基づいて復調・復号化し、多値信号の信号対雑音電力比を適正化することに加え、多値信号に対して乱数信号に基づく振幅変調を重畳する。これによって、本発明のデータ通信装置は、暗号文の伝送と暗号鍵の配送とを、同じ送受信部を用いて同時に実現し、別途暗号鍵配送システムを用意する必要のない簡素な構成の秘密通信システムを提供することができる。
【００２６】
また、制御信号に対して乱数信号に基づく振幅変調を重畳し、伝送することにより、暗号文と暗号鍵とに加え、タイミング信号等の様々な制御信号を同一の送受信部で伝送することが可能になる。そのため、別途暗号鍵配送システムを用意する必要がなく、秘密通信システムの構成を簡略化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（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の構成例を示すブロック図である。図１において、データ通信装置は、送信部２３１０５と、受信部２３２０５と、伝送路１１０と、選択信号伝送路１５２とを備える。送信部２３１０５は、多値符号化部１１１と、変調部１１２と、第１の鍵共有部１５０と、乱数発生部１５１とを備える。受信部２３２０５は、復調部２１１と、多値復号化部２１２と、第２の鍵共有部２５０とを備える。多値符号化部１１１は、第１の多値符号発生部１１１ａと多値処理部１１１ｂとを備える。多値復号化部２１２は、第２の多値符号発生部２１２ａと多値識別部２１２ｂとを備える。第１の鍵共有部１５０は、鍵蓄積制御部１５０１と、選択信号復調部１５０２と、第１の鍵蓄積部１５０３とを備える。第２の鍵共有部２５０は、鍵識別部２５０１と、選択信号変調部２５０２と、第２の鍵蓄積部２５０３とを備える。
【００２８】
本実施形態は、暗号文伝送と、多値符号の発生に利用する鍵情報の配送とを同一の送受信部で行うものである。鍵情報の配送には、Ｙｕｅｎ−Ｋｉｍ鍵配送プロトコルと呼ばれる方法を用いる。まず、Ｙｕｅｎ−Ｋｉｍ鍵配送プロトコルについて、図２を参照しながら説明する。図２は、Ｙｕｅｎ−Ｋｉｍ鍵配送プロトコルにおける信号レベルを説明する図である。
【００２９】
鍵情報の配送において、データ通信装置は、正規受信者のみが正しい鍵情報を受け取ることができ、盗聴者は正しい鍵情報を受け取ることができない条件を作り出すことが必要である。ここで、送信者から正規受信者に伝送される信号のＳＮ比が小さく、かつ信号に重畳される雑音は光デバイスで生じる量子雑音であるか、または受信装置内部で発生する雑音である場合を考える。このような場合、正規受信者の受信信号に重畳される雑音と、盗聴者の受信信号に重畳される雑音とに相関がないため、結果として正規受信者と盗聴者との受信レベルには相関が無くなる。Ｙｕｅｎ−Ｋｉｍ鍵配送プロトコルはこの仕組みを利用したものである。
【００３０】
まず、送信者は乱数に基づいて信号を変調する。この時、送信者は、図２に示すように、“１”と“０”とに対応した信号レベルの差を雑音レベルより十分に小さく設定する。正規受信者がこの信号を受信する際には、雑音が重畳されているために信号レベルは“１”の場合は実線、“０”の場合は点線で示すような確率分布を示す。ここで、正規受信者は、“１”の平均レベルより十分大きく、これより上のレベルでは値が“０”である確率がほとんどないようなレベルを閾値１に設定する。
【００３１】
また、正規受信者は、“０”の平均レベルより十分小さく、これより下のレベルでは値が“１”である確率がほとんどないようなレベルを閾値０に設定する。正規受信者は、受信信号が閾値１より大きい場合は“１”、閾値０より小さい場合は“０”と識別し、閾値１と閾値０との間のレベルにある場合は値が不明であると判断してそのビットを破棄する。正規受信者は、識別に成功したビットについて、その位置を送信者に返送し、これを鍵として共有する。なお、正規受信者は、ごくまれに誤って受信信号を識別する可能性があるが、これに対しては誤り訂正符号等を用いて対処することができる。
【００３２】
一方、盗聴者の受信レベルも正規受信者と同様の確率分布を示すため、盗聴者も同様の識別を試みることが可能であるが、正規受信者と盗聴者との信号レベルとに相関性がないため識別に成功するビットの位置が異なる。このため、盗聴者は鍵を共有できない。また、仮に盗聴者が“１”と“０”との平均レベルの中間レベルを閾値として識別したとしても、信号レベルの確率分布が中間レベルを超えて分布しているため、高い確率でビット誤りが発生し、盗聴者が得られる鍵のビット列は誤ったものとなる。これにより、安全に鍵配送を実現できる。
【００３３】
次に、本実施形態の各部の動作について、図１を参照しながら説明する。図１において、第１の多値符号発生部１１１ａは、予め定められた所定の第１の鍵情報１１に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列１２を発生する。多値処理部１１１ｂには、多値符号列１２と情報データ１０とが入力される。多値処理部１１１ｂは、所定の手順に従って、多値符号列１２と情報データ１０とを合成し、両信号レベルの組み合わせに一意に対応したレベルを有する多値信号１３を生成し出力する。変調部１１２は、多値信号１３を元データとして、所定の変調形式の変調信号１４に変換して、伝送路１１０に送出する。
【００３４】
復調部２１１は、伝送路１１０を介して伝送されてきた変調信号１４を復調し、多値信号１５を再生する。第２の多値符号発生部２１２ａは、第１の鍵情報１１と同一の第２の鍵情報１６を予め共有し、第２の鍵情報１６に基づいて、多値符号列１２に相当する多値符号列１７を発生する。多値識別部２１２ｂは、多値符号列１７を閾値として、多値信号１５の識別（２値判定）を行い、情報データ１８を再生する。ここで、変調部１１２と復調部２１１とが、伝送路１１０を介して送受信する所定の変調形式の変調信号１４は、電磁波（電磁界）または光波を多値信号１３で変調して得られるものである。
【００３５】
なお、多値処理部１１１ｂにおける多値信号１３の生成については、上述のように、多値符号列１２と情報データ１０との加算処理による方法以外に、情報データ１０に従って、多値符号列１２のレベルを振幅変調／制御する方法や、あるいは、両信号レベルの組み合わせに対応した多値信号レベルを予め記憶させたメモリから、両信号レベルに応じて逐次読み出す方法等、いかなる方法であっても構わない。
【００３６】
乱数発生部１５１は、乱数信号８４を発生し、第１の多値符号発生部１１１ａと鍵蓄積制御部１５０１とに出力する。第１の多値符号発生部１１１ａは、第１の鍵情報１１に加え、乱数信号８４の値に基づいて多値符号列１２を生成し、多値処理部１１１ｂに出力する。
【００３７】
第１の鍵共有部１５０と第２の鍵共有部２５０とは、伝送された乱数信号８４のうち、識別に成功したビットを送受信間で共有し、新たな鍵情報として保持する。その詳細について以下に説明する。鍵識別部２５０１は、多値信号１５から乱数信号８４を識別し、識別に成功した場合はその結果を選択ビット８８として第２の鍵蓄積部２５０３に出力し、かつ識別に成功したビットの位置を選択信号８９として選択信号変調部２５０２に出力する。第２の鍵蓄積部２５０３は、第２の鍵情報１６の値を保持し、第２の鍵情報１６の値を第２の多値符号発生部２１２ａに出力する機能と、選択ビット８８を蓄積する機能とを有する。そして、第２の鍵蓄積部２５０３は、所定の条件を満足した場合に、第２の鍵情報１６の値を蓄積した選択ビット８８の値に入れ替える。
【００３８】
所定の条件とは、蓄積された選択ビット８８のビット数が第２の鍵情報１６のビット数に達した場合であってもよいし、前回の鍵情報の入れ替えから所定の時間が経過した場合であってもよい。選択信号変調部２５０２は、選択信号８９を所定の変調形式を有する選択変調信号８７に変調し、選択信号伝送路１５２を介して伝送する。選択信号伝送路１５２には、任意の伝送路を用いることができ、例えば伝送路１１０と逆方向の伝送路に多重してもよく、また専用の伝送路を用意してもよい。
【００３９】
選択信号復調部１５０２は、選択信号伝送路１５２を介して伝送された選択変調信号８７を復調し、選択信号８５として鍵蓄積制御部１５０１に出力する。鍵蓄積制御部１５０１は、乱数信号８４の値を選択信号８５が返送されるまで保持しておき、選択信号８５の情報から受信側で識別に成功したことが分かった場合は乱数信号８４のビットの値を選択ビット８６として第１の鍵蓄積部１５０３に出力する。
【００４０】
一方、鍵蓄積制御部１５０１は、受信側で識別に失敗したことが分かった場合は乱数信号８４のビットを破棄する。第１の鍵蓄積部１５０３は、第１の鍵情報１１の値を保持し、第１の多値符号発生部１１１ａに出力する機能と、選択ビット８６を蓄積する機能とを有する。そして、第１の鍵蓄積部１５０３は、第２の鍵蓄積部２５０３と同じ所定の条件を満足した場合に、第１の鍵情報１１の値を蓄積した選択ビット８６の値に入れ替える。
【００４１】
続いて、図３及び図４を参照しながら、本実施形態で用いられる信号について説明する。図３は、第１の実施形態に係るデータ通信装置で用いられる信号波形を説明する模式図である。図３（ａ）に示すように、乱数信号８４の値が“１００１００”である場合を考える。図３（ｂ）に示すように、多値符号化部１１１は、多値信号１３のレベルが情報データ１０及び第１の鍵情報１１に基づいて８種類のレベルを取る場合、それぞれについて乱数信号８４の値“１”と“０”とに対応したレベル（それぞれ“＋”、“−”で表記）を設定し、合計１６種類のレベルを設定する。
【００４２】
ここで、乱数信号の値“１”と“０”とに対応したレベル（例えば、Ｌ１＋とＬ１−）の差は、量子雑音または復調部２１１で発生する雑音のレベルより小さく、かつ情報振幅（例えば、Ｌ１＋とＬ５＋）の差より十分に小さく設定しておく。これにより、多値信号１３は、前述したＹｕｅｎ−Ｋｉｍ鍵配送プロトコルの信号レベルの条件を満たし、かつ多値信号１３のレベルの差は、多値識別部２１２ｂにおける識別の際に誤差として無視できるようにする。
【００４３】
受信側では、図３（ｃ）に示すように、復調された多値信号１５には雑音が重畳された状態となる。鍵識別部２５０１における識別では、第２の鍵情報１６に基づいて生成された多値符号列１７のレベルと、多値符号列１７を元に生成された鍵識別レベルとを用いて乱数信号８４を識別する。この識別方法について、期間ｔ１（多値符号列のレベルＣ１）を例に説明する。ここでは、鍵識別レベルを“ＣＫ１ａ＋”，“ＣＫ１ａ−”，“ＣＫ１ｂ＋”，“ＣＫ１ｂ−”の４種類に設定する。“ＣＫ１ａ＋”，“ＣＫ１ｂ＋”は図２における閾値１に、“ＣＫ１ａ−”，“ＣＫ１ｂ−”は図２における閾値０に相当する。また、“ＣＫ１ａ＋”，“ＣＫ１ａ−”は情報データ１８の値が“０”の場合に対応し、“ＣＫ１ｂ＋”，“ＣＫ１ｂ−”は情報データ１８の値が“１”の場合に対応する。
【００４４】
図４は、各識別レベルにおいて受信した信号レベルの相対値と識別結果との対応関係を示す図である。図４において、“上”が受信した信号レベルが識別レベルより大きいことを、“下”が受信した信号レベルが識別レベルより小さいことを示している。鍵識別部２５０１は、受信した信号レベルが多値符号列レベルＣ１より小さい場合は情報データ１８の値が“０”に対応するため、“ＣＫ１ａ＋”と“ＣＫ１ａ−”とを用いて乱数信号を識別する。このとき鍵識別部２５０１は、信号レベルが“ＣＫ１ａ＋”より大きい場合は乱数信号を“１”、“ＣＫ１ｂ−”より小さい場合は乱数信号を“０”と識別し、“ＣＫ１ａ＋”と“ＣＫ１ａ−”との間の場合は乱数信号を不明と判断する。
【００４５】
一方、鍵識別部２５０１は、受信した信号レベルが多値符号列レベルＣ１より小さい場合は情報データ１８の値が“１”に対応するため、“ＣＫ１ｂ＋”と“ＣＫ１ｂ−”とを用いて乱数信号を識別する。このとき鍵識別部２５０１は、信号レベルが“ＣＫ１ｂ＋”より大きい場合は乱数信号を“１”、“ＣＫ１ｂ−”より小さい場合は乱数信号を“０”と識別し、“ＣＫ１ｂ＋”と“ＣＫ１ｂ−”との間の場合は乱数信号を不明と判断する。鍵識別部２５０１は、同様にして、それぞれの期間において多値符号列１７のレベルに基づいて鍵識別レベルを設定し、乱数信号の識別を行う。
【００４６】
以上で説明した方法は、既に使用している鍵情報から新しい鍵情報に更新する場合における乱数信号の伝送方法である。最初の鍵配送の場合は、データの伝送は行わず、所定の２つの隣接する多値信号レベル（例えば、Ｌ１＋とＬ１−）のみを用い、乱数信号を伝送する。これにより、最初に使用する鍵情報の配送、及び何らかの理由（鍵情報の同期外れ、あるいは安全性の向上等）により鍵情報の更新を行いたい場合の双方に、本実施形態の方法を適用できる。
【００４７】
上述したような処理は、送信部２３１０５が別の構成であっても実現できる。そのいくつかの例について説明する。図５は、第１の実施形態に係るデータ通信装置の第２の構成例を示すブロック図である。図５において、送信部２３１０５ａは、振幅制御信号発生部１５３と振幅変調部１５４とを新たに備える点が図１の構成と異なる。この構成例では、乱数信号８４は、第１の多値符号発生部１１１ａの代わりに振幅制御信号発生部１５３に入力される。振幅制御信号発生部１５３は、乱数信号８０に基づいて、情報データ１０の振幅を決定する振幅制御信号３５を出力する。振幅変調部１５４は、多値処理部１１１ｂの前段に挿入され、振幅制御信号３５に基づいて情報データ１０に雑音レベルより小さな振幅変調を施して出力する。これにより、多値処理部１１１ｂは、図３（ｂ）で説明したものと同様の多値信号１３を生成することができる。
【００４８】
図６は、本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置の第３の構成例を示すブロック図である。本構成例は、振幅変調部１５４が多値処理部１１１ｂと変調部１１２との間に挿入されている点が図５の構成例と異なる。この場合、振幅変調部１５４は、多値信号１３に対して雑音レベルより小さな振幅変調を施して出力する。
【００４９】
図７は、本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置の第４の構成例を示すブロック図である。本構成例は、振幅変調部１５４が変調部１１２の後段に挿入されている点のみが図５の構成例と異なる。この場合、振幅変調部１５４は、変調信号１４に対して雑音レベルより小さな振幅変調を施して出力する。
【００５０】
以上のように本実施形態によれば、暗号文の伝送と暗号鍵の配送を、同じ送受信部を用いて同時に実現できるため、別途暗号鍵配送システムを用意する必要がなく、秘密通信システムの構成を簡略化することができる。
【００５１】
（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態に係るデータ通信装置の構成例を示すブロック図である。図８に示すデータ通信装置の構成は、基本的に図１（第１の実施形態）と同様であるが、第２の多値符号発生部２１２ａから出力される多値符号列１７が鍵識別部２５０１に入力されず、タイミング信号６１が鍵識別部２５０１と多値識別部２１２ｂとに入力される点が異なる。本実施形態は、データ伝送を行う期間を、暗号伝送するデータ期間と鍵配送を行う鍵配送期間とに時分割するものである。本実施形態における信号形態について、図９を参照しながら説明する。
【００５２】
図９は、第２の実施形態に係るデータ通信装置で用いられる信号波形を説明する模式図である。図９（ａ）に示すように、鍵配送期間（ｔ１）の多値信号１３において鍵配送専用のレベルを設定し、乱数信号の値“１”に対応するレベルをＫ２、乱数信号の値“０”に対応するレベルをＫ１とする。ここで、Ｋ２とＫ１との差は、量子雑音または復調部２１１で生じる雑音のレベルより十分小さくなるように設定する。データ期間で設定される値については、第１の実施形態と同じであるので説明を省略する。
【００５３】
受信側では、図９（ｂ）に示すように、多値信号１５には雑音が重畳される。鍵識別部２５０１は、鍵配送期間であることを示すタイミング信号６１が入力されている期間においては鍵識別を行う。乱数信号の値“１”に対応する鍵識別レベルＣＫ２（図２の閾値１に相当）は“１”の平均レベルＫ２より十分大きく、乱数信号の値“０”に対応する鍵識別レベルＣＫ１（図２の閾値０に相当）は“０”の平均レベルＫ１より十分小さく設定する。鍵識別部２５０１は、多値信号１５の信号レベルがＣＫ２より大きい場合は乱数信号を“１”、ＣＫ１より小さい場合は乱数信号を“０”と識別し、ＣＫ２とＣＫ１との間の場合は乱数信号を不明と判断する。
【００５４】
多値識別部２１２ｂは、タイミング信号６１よりデータ期間を判断し、その期間において情報データの識別を行う。これ以外の各部の動作については、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００５５】
なお、図９では、鍵配送期間の多値信号レベルをデータ期間と異なる値に設定する場合について説明したが、鍵配送期間の多値信号レベルをデータ期間と同じ値に設定しても構わない。また、鍵配送期間とデータ期間との比率は通信システムの要求条件に応じて任意に設定することができる。例えば、鍵の交換頻度を多くして安全性を高めることを重視する場合には鍵配送期間を多くとればよく、情報データのスループットを大きくすることを重視する場合にはデータ期間を多くとればよい。
【００５６】
以上のように、本発明の第２の実施形態によれば、鍵識別部２５０１における識別レベルを複雑に制御することなしに、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５７】
（第３の実施形態）
図１０は、本発明の第３の実施形態に係るデータ通信装置の構成例を示すブロック図である。図１０のデータ通信装置は、図８に示した構成に加え、送信部２３１０７の内部にタイミング信号発生部１３２を、受信部２３２０７の内部にタイミング信号再生部２３０を新たに備える。タイミング信号発生部１３２は、タイミング信号６２を発生させる。タイミング信号６２は、フレームクロックまたはデータ用クロックを分周した信号である。タイミング信号再生部２３０は、多値信号１５からタイミング信号６３を再生する。
【００５８】
本実施形態は、暗号文と暗号鍵とに加え、タイミング信号も同時に伝送する構成である。本実施形態における信号形態について、図１１を参照しながら説明する。図１１は、本発明の第３の実施形態で用いられる信号波形を説明する模式図である。図１１（ａ）〜（ｃ）は、タイミング信号と鍵配送とを同じタイミングで行う場合の例である。図１１（ａ）を参照して、多値符号化部１１１は、タイミング信号伝送と鍵配送とを行う期間において、多値信号１３のレベルを専用のレベルに設定する。乱数信号の変調と識別とについては、図９を用いて説明したものと同じであるので説明を省略する。図１１（ｂ）を参照して、タイミング信号再生部２３０は、データ期間の多値信号レベルと、タイミング信号伝送と鍵配送とを行う期間の多値信号１５との間に、タイミング信号識別レベルＣＣを設定し、多値信号１５に対して識別を行う。これにより、タイミング信号再生部２３０は、図１１（ｃ）に示すようなタイミング信号６３を得ることができる。このタイミング信号６３を多値符号化部２１２や鍵識別部２５０１で用いるクロック信号の基準として用いる。
【００５９】
なお、図１１ではタイミング信号を伝送する期間のみ鍵配送を行う例を示したが、第１の実施形態で説明した方法を用いれば、データ期間においても鍵配送を行うことができる。
【００６０】
また、上述したデータ通信装置は、タイミング信号を伝送する例を示したが、同様の方法を用いることでタイミング信号に限らず様々な種類の制御信号を伝送することが可能である。図１２は、第３の実施形態に係るデータ通信装置の第２の構成例を示すブロック図である。図１２において、送信部２３１０７ａは、タイミング信号発生部１３２の代わりに、制御信号５５を発生する制御信号発生部１５５を備え、受信部２３２０７ａは、タイミング信号再生部２３０の代わりに、多値信号１５から制御信号５６を再生する制御信号再生部２５５を備える構成となる。
【００６１】
以上のように本実施形態によれば、暗号文と暗号鍵に加え、タイミング信号等の様々な制御信号を同一の送受信部で伝送することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明に係るデータ通信装置は、盗聴・傍受等を受けない安全な秘密通信装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置の構成例を示すブロック図
【図２】Ｙｕｅｎ−Ｋｉｍ鍵配送プロトコルにおける信号レベルを説明する図
【図３】本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置で用いられる信号波形を説明する模式図
【図４】各識別レベルにおいて受信した信号レベルの相対値と識別結果との対応関係を示す図
【図５】第１の実施形態に係るデータ通信装置の第２の構成例を示すブロック図
【図６】第１の実施形態に係るデータ通信装置の第３の構成例を示すブロック図
【図７】第１の実施形態に係るデータ通信装置の第４の構成例を示すブロック図
【図８】本発明の第２の実施形態に係るデータ通信装置の構成例を示すブロック図
【図９】本発明の第２の実施形態で用いられる信号波形を説明する模式図
【図１０】本発明の第３の実施形態に係るデータ通信装置の構成例を示すブロック図
【図１１】本発明の第３の実施形態に係るデータ通信装置で用いられる信号波形を説明する模式図
【図１２】第３の実施形態に係るデータ通信装置の第２の構成例を示すブロック図
【図１３】従来のデータ通信装置の構成を示すブロック図
【図１４】従来のデータ通信装置における信号点配置の説明図
【図１５】従来のデータ通信装置で用いられる信号波形を説明する模式図
【符号の説明】
【００６４】
１０、１８  情報データ
１１、１６  鍵情報
１２、１７  多値符号列
１３、１５  多値信号
１４  変調信号
８４  乱数信号
８５、８９  選択信号
８６、８８  選択ビット
８７  選択変調信号
１１０  伝送路
１１１  多値符号化部
１１１ａ  第１の多値符号発生部
１１１ｂ  多値処理部
１１２  変調部
１５０  第１の鍵共有部
１５１  乱数発生部
１５２  選択信号伝送路
１５３  振幅制御信号発生部
１５４  振幅変調部
１５５  制御信号発生部
１５０１  鍵蓄積制御部
１５０２  選択信号復調部
１５０３  第１の鍵蓄積部
２１１  復調部
２１２  多値復号化部
２１２ａ  第２の多値符号発生部
２１２ｂ  多値識別部
２３０  タイミング信号再生部
２５０  第２の鍵共有部
２５５  制御信号発生部
２５０１  鍵識別部
２５０２  選択信号変調部
２５０３  第２の鍵蓄積部
２３１０５〜２３１０７  送信部
２３２０５〜２３２０７  受信部
【図１】
2007020159.tif 000003
【図２】
2007020159.tif 000004
【図３】
2007020159.tif 000005
【図４】
2007020159.tif 000006
【図５】
2007020159.tif 000007
【図６】
2007020159.tif 000008
【図７】
2007020159.tif 000009
【図８】
2007020159.tif 000010
【図９】
2007020159.tif 000011
【図１０】
2007020159.tif 000012
【図１１】
2007020159.tif 000013
【図１２】
2007020159.tif 000014
【図１３】
2007020159.tif 000015
【図１４】
2007020159.tif 000016
【図１５】
2007020159.tif 000017