(57)【要約】      （修正有）【課題】無線ネットワークにおいて送信機と受信機との間でデータをセキュアかつ確実に通信する方法を提供する。【解決手段】送信機１０１は、該送信機において一つの受信機１０２と該送信機との間の第１のチャネル応答を推定し、第１のチャネル応答に基づいて第１の鍵を生成する。データは、レート適応符号を用いて送信機で符号化され、符号化データが生成される。符号化データは、ブロードキャスト前に、第１の鍵を用いてスクランブルされる。その後、受信機１０２は、第２のチャネル応答を推定して、ブロードキャストされたデータをデスクランブルするのに用いられる第２の鍵を生成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線ネットワークにおける送信機と受信機との間のデータ通信方法であって、
前記送信機において、該送信機と前記受信機との間の第１のチャネル応答を推定すること、
前記第１のチャネル応答に基づいて第１の鍵を生成すること、
前記送信機において、レート適応符号を用い前記データを符号化して、符号化データを生成すること、
前記符号化データを前記第１の鍵を用いてスクランブルして、スクランブルされたデータを生成すること、及び
前記スクランブルされたデータをブロードキャストすること、
を含む、方法。
【請求項２】
前記受信機において、前記送信機と該受信機との間の第２のチャネル応答を推定すること、
前記第２のチャネル応答に基づいて第２の鍵を生成すること、
前記受信機によって受信された前記スクランブルされたデータを前記第２の鍵を用いてデスクランブルして、デスクランブルされたデータを生成すること、及び
前記デスクランブルされたデータを復号すること、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の鍵及び前記第２の鍵は、高い相関を有しているが同一ではない、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記スクランブルすることは、２進データの排他的ＯＲおよび複素数値の位相回転等の一方向関数である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記符号化することは、エンコーダーを用いて実行され、該エンコーダーは、内エンコーダー及び外エンコーダーを備え、前記スクランブルすることは、該外エンコーダーの出力に対して実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記符号化することは、エンコーダーを用いて実行され、該エンコーダーは、内エンコーダー及び外エンコーダーを備え、前記スクランブルすることは、該外エンコーダーの入力を生成するために、該内エンコーダーの出力に対して実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記受信機は、信頼性情報が利用可能であるとき、ソフトデスクランブル法を用いる、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記信頼性情報は、前記第１の鍵及び前記第２の鍵のためのものである、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記信頼性情報は、前記デスクランブルされたデータのためのものである、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記受信機で受信された前記スクランブルされたデータの復号が成功するまで、前記送信機は、前記スクランブルされたデータのブロードキャストを続ける、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記レート適応符号は、レートレス符号、レート互換低密度パリティ検査符号、又は畳み込み符号である、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
無線通信ネットワークであって、
レート適応符号によって符号化され、次いで、送信機において該送信機と受信機との間で推定された第１のチャネル応答に基づく第１の鍵によってスクランブルされたデータを、ブロードキャストする送信機を備え、
前記受信機は、該受信機において前記送信機と該受信機との間で推定された第２のチャネル応答に基づく第２の鍵を用いて、受信したデータをデスクランブルする、
無線通信ネットワーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、無線通信に関し、より詳細には、無線ネットワークにおけるセキュア通信に関する。
【背景技術】
【０００２】
有線通信ネットワークでは、信号エネルギーは、大部分が、導線又は光ファイバ等の物理媒体内に閉じ込められている。したがって、信号は、媒体に物理的に付着することによってしかアクセスすることができない。
【０００３】
無線ネットワークでは、送信機の範囲内のいずれの受信機も、信号を傍受することができる。したがって、従来、セキュア通信は、通常、送信機及び受信機において、暗号化技術並びに非対称な公開鍵及び私有鍵を用いている。公開鍵基盤（ＰＫＩ）は、公開鍵を生成、配布、及び維持する。公開鍵基盤では、トラステッド認証局（ＣＡ）が、全ての公開鍵をそれぞれのユーザー識別情報とバインドし、公開鍵証明書をそれぞれのユーザーに発行する。セキュア通信を確立するために、送信機は、まず受信機の公開鍵証明書を検証する。公開鍵が検証された後、メッセージが受信機の公開鍵を用いて暗号化され、そのメッセージは、対応する私有鍵を用いてのみ解読することができる。公開鍵の生成には、かなり大きな計算オーバーヘッドを要する。
【０００４】
アドホックネットワーク等の多くの無線ネットワークにとって、ＰＫＩへのアクセスは困難又は利用不能である。無線ノードは、公開鍵を生成する計算能力も有しない。そのような場合、そのような無線ネットワークでのセキュリティ通信が課題となる。このことを考慮すると、無線通信ネットワークでセキュリティを実現することは非常に重要である。
【０００５】
近年、物理レイヤのセキュリティが、無線ネットワークについて研究されている。情報理論に基づくと、チャネル容量よりも高いビットレートで送信されるメッセージは、正しく復号することができない。したがって、送信機と対象受信機との間のチャネルが、送信機と盗聴者との間のチャネルよりも大きな容量を有するのであれば、対象ユーザーにメッセージをセキュアに送信することが可能である。しかしながら、実際には、そのような条件が満たされることを保証することは困難である。
【０００６】
別の手法は、無線ノードにおいて秘密セッション鍵を生成するものである。無線チャネルの相互作用によって、２つのノードが、チャネルのパラメーターを量子化することにより同一となる秘密鍵の対を生成することが可能である。一致する鍵の対が各ノードによって生成された後、それらの鍵を用いて、それらのノード間のメッセージを暗号化することができる。盗聴者は、２つのノードとは異なる無線チャネルを有するので、同じ鍵を作成することができず、セキュア通信が保証される。この手法の場合、独立に生成された鍵が完全に一致することが必須である。しかしながら、雑音、干渉、及びハードウェア障害に起因して、無線ノードの対によって生成された鍵が正確に同じであることは常に保証されるとは限らない。
【０００７】
低密度パリティ検査（ＬＤＰＣ）符号を前方エラー訂正（ＦＥＣ）符号に用いることができ、このＬＤＰＣ符号は、チャネル雑音及び鍵の不一致を低減するのに広く用いられている。チャネル統計が与えられると、チャネル容量の非常に近くで動作する良好なＬＤＰＣ符号を設計することができる。しかしながら、現実には、チャネルパラメーターは、常に正確に取得できるとは限らない。その上、チャネルは時間変動する可能性がある。したがって、符号レートは動的に求められるべきである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、送信機と受信機との間、包括的には本発明の実施態様による送受信機又はノード間でデータをセキュアかつ確実に通信する方法を記述する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
送信機は、レート適応符号を用いてデータを符号化し、符号化データのビットストリームを生成する。レート適応符号は、レートレス符号、レート互換ＬＤＰＣ、又は畳み込み符号等、冗長性を増分的に追加する能力を有する任意の符号とすることができる。レートレス符号は、符号が無限個の符号化ビットからなる列を潜在的に生成することができるので、一定の符号レートを示さない一方、レート互換ＬＤＰＣ符号は、パリティ検査ビットを「パンクチャ」することによって符号レートを調整する。双方の符号は、慎重に設計された構造を有する。この設計では、符号化データが増分的に送信されて、さまざまなレベルのエラー訂正能力が達成される。
【００１０】
送信機は、符号化データを鍵Ｋａを用いて暗号化し、符号化データの小さなセグメントを送信する。送信機が受信機から否定応答（ＮＡＣＫ）を受信した場合又はタイムアウトした場合、符号化ビットストリームの追加セグメントが送信される。送信機は、肯定応答（ＡＣＫ）が受信されるまで、セグメントをさらに追加して送信し続ける。
【００１１】
受信機は、まず、受信ビットストリームを鍵Ｋｂを用いて解読する。この鍵Ｋｂは、鍵Ｋａと高い相関を有するが、常に正確に同じであるとは限らない。受信機は、すべての受信データを用いてメッセージの復号を試みる。受信機は、復号に成功した場合、符号化データの送信機にＡＣＫを送信する。受信機は、復号に成功しなかった場合、ＮＡＣＫを送信するか又は何もしないことによってさらに追加のセグメントを送信するように送信機にシグナリングする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、固定レート送信と比較して、無線通信ネットワークのセキュリティレベルを改善することができる。本発明は、特に、時間変動チャネルにおいて特に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態を用いる無線ネットワークの概略図である。
【図２】図１の無線ネットワークにおける２つのノード間をチャネルの概略図である。
【図３】本発明の実施形態による送信機及び受信機のブロック図である。
【図４】本発明の実施形態による送信機及び受信機の別の実施形態の概略図である。
【図５】本発明の実施形態による送信プロトコルの概略図である。
【図６】従来技術の固定送信レートを用いたレート及びチャネル容量のタイミング図である。
【図７】本発明の実施形態によるレート適応符号を用いたレート及びチャネル容量のタイミング図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
鍵生成
図１は、送信ノードＡ１０１、並びに該送信ノードの受信範囲１１０内にある受信ノードＢ、Ｃ１０２及び受信ノードＤ１０３を含む実施形態による無線通信ネットワーク１００を示している。受信範囲内にあるいずれのノードも、チャネル１２０を介したブロードキャスト信号を傍受することができる。例えば、ノードＤ１０３は盗聴者となることができる。
【００１５】
オープン媒体のため、潜在的にいずれの受信機も無線ブロードキャストを傍受することができるので、無線送信は盗聴に対して非常に脆弱である。したがって、セキュリティは、無線通信において極めて重要な問題である。
【００１６】
図２は、送信機１０１と、１つの正当な受信機（ノードＢ）１０２及び１つの盗聴者ノード（ノードＤ）１０３との間のチャネル２００を示している。正当なノード及び盗聴者の双方の受信信号は、それぞれのチャネル応答Ｈ２１１を乗算し、多少の雑音Ｗ２１２が加えられた送信信号としてモデル化することができる。
【００１７】
２つの無線ノード（Ａ及びＢ）は、そのノードと他方のノードとの間のチャネルを推定することによって独立して鍵の対を生成することができる。雑音及び他のハードウェア障害がない場合、Ｈａｂ及びＨｂａとしてそれぞれ表記されるノードＡのチャネル推定値及びノードＢのチャネル推定値は、理論的には同一である。すなわち、Ｈａｂ＝Ｈｂａ＝Ｈである。しかしながら、環境雑音及びハードウェア障害のために、各ノードによって推定された実際のチャネルは、多くの場合、正確には同一でないが、高い相関を有している。推定されたチャネルは、
【００１８】
【数１】
2012129985.tif 000003
【００１９】
及び
【００２０】
【数２】
2012129985.tif 000004
【００２１】
と表すことができる。ここで、Ｚａ及びＺｂは、それぞれノードＡ及びノードＢによって観測された雑音である。
【００２２】
ノードＡは、チャネル推定値
【００２３】
【数３】
2012129985.tif 000005
【００２４】
に基づいて鍵Ｋａを生成することができ、ノードＢは、チャネル推定値
【００２５】
【数４】
2012129985.tif 000006
【００２６】
に基づいて鍵Ｋｂを生成する。
【００２７】
【数５】
2012129985.tif 000007
【００２８】
であるとすると、Ｋａ及びＫｂは、常に同一であるとは限らないが、高い相関を有する。
【００２９】
盗聴者ノードＤ１０３も、チャネル
【００３０】
【数６】
2012129985.tif 000008
【００３１】
又は
【００３２】
【数７】
2012129985.tif 000009
【００３３】
を推定することができ、いずれかのチャネル推定値又は双方のチャネル推定値を組み合わせたものに基づいて鍵Ｋｄを生成することができる。しかしながら、盗聴者のチャネルとＨとの間の相関は低く、したがって、鍵Ｋｄを用いた不一致レートは、鍵Ｋａ及びＫｂを用いて得られるレートよりもはるかに高い。ここで、不一致レートの所定のしきい値は、第２（又は第１）の鍵の全ビット数に対する不一致ビット数の比として定義される。
【００３４】
暗号化技術を用いた従来のセキュア通信は、鍵Ｋａ及びＫｂが完全に一致していることを要する。すなわち、受信機は、鍵の対Ｋａ及びＫｂ間に不一致ビットがある場合、データを正しく復号することができない。
【００３５】
これとは対照的に、本発明の実施形態は、完全には一致していないが相関している鍵の対を用いてデータをセキュアに送信する方法を記述する。
【００３６】
図３は、本発明の一実施形態を示している。送信機１０１は、レート適応エンコーダー３８１を用いてｋビットのデータベクトルＸ＝［ｘ１，ｘ２，...，ｘｋ］３０１を符号化し、シンボルの符号化されたビットストリームＹ３７１を生成する。レート適応エンコーダー３８１は、ルビー変換（Luby transform：ＬＴ）符号、ラプター符号、レート互換ＬＤＰＣ符号等を用いることができる。Ｙの長さは、潜在的に非常に長くなる可能性がある。ストリームＹ３７１の長さが長いほど、送信レートは低くなり、符号のエラー訂正能力は高くなる。
【００３７】
送信機は、受信機１０２からのフィードバック３３０に従って送信符号のエラー訂正能力を徐々に調整する。フィードバックが復号の際の失敗（ＮＡＣＫ）を示す場合、送信機は、Ｙ３７１の追加シンボルを送信することによってエラー訂正能力を向上させ、受信機のビットストリームの復号を助ける。
【００３８】
また、送信機１０１は、鍵Ｋａを用いて符号化データＹ３７１をスクランブル（ＳＣＢＬ）して（３８２）、スクランブルされたデータＺ３７２にする。送信機１０１は、Ｚ（１：ｎ）と表記されるＺの最初のｎビットをブロードキャストする。ビットＺ（１：ｎ）は、対象受信機ノードＢ１０２でＶｂ（１：ｎ）として受信される。
【００３９】
受信機は、鍵の最初のｎビットＫｂ（１：ｎ）を用いてビットＶｂ（１：ｎ）をデスクランブルする（３９２）。鍵の長さがｎ未満である場合、反復鍵（repeated key）が用いられる。
【００４０】
デスクランブルされたデータはＳｂ（１：ｎ）である。受信機内の復号器３９１は、Ｓｂ（１：ｎ）を用いてデータ（メッセージ）Ｘの復号を試みる。受信機は、復号結果に従って送信機にフィードバック３３０を送信する。データの復号に成功した場合、受信機はＡＣＫを送信機に送信する。復号に失敗した場合、受信機は、ＮＡＣＫを明示的に送信することもできるし、何も送信しないことによって暗黙的にＮＡＣＫを送信（すなわち、復号に失敗したことを通知）することもできる。
【００４１】
送信機１０１は、Ｚのｔ番目のセグメント、すなわちＺ（（ｔ−１）ｎ＋１：ｔｎ）をブロードキャストした後、ＡＣＫメッセージを受信した場合、Ｚの追加のシンボルの送信を停止し、次の入力データ（メッセージ）の準備をする。
【００４２】
送信機１０１が、Ｚのｔ番目のセグメント、すなわちＺ（（ｔ−１）ｎ＋１：ｔｎ）をブロードキャストした後、ＮＡＣＫを受信した場合、又は、暗黙的なＮＡＣＫを送信した場合にはタイムアウトした場合、Ｚの追加のｎビット、すなわち、Ｚ（ｔｎ＋１：ｔｎ＋ｎ）を送信することによって（送信を）継続する。
【００４３】
スクランブル３８２は、シンボル単位の操作を実行する。各出力シンボルｚ（ｍ）は、入力シンボルｙ（ｍ）及び鍵シンボルｋａ（ｍ）を用いて生成される。一例として、ｙ（ｍ）及びｋａ（ｍ）が２進数である場合、スクランブルは、符号化データ及び第１の鍵に対して排他的ＯＲ（ＸＯＲ）を適用すること、すなわちｚ（ｍ）＝ｙ（ｍ）ＸＯＲｋａ（ｍ）によって行うことができる。シンボルの位相を回転させる等の他の方法も用いることができる。鍵の長さｑがｍ未満である場合、反復鍵が用いられ、すなわち、ｚ（ｍ）＝ｙ（ｍ）ＸＯＲｋａ（ｍ  ｍｏｄ  ｑ）となる。
【００４４】
受信機１０２は、個別のデスクランブルブロック３９２及びデコーダーブロック３９１を含むことができる。デスクランブルブロック３９２は、受信シンボルｖｂ（ｍ）及び鍵ｋｂ（ｍ）を取り込み、デスクランブルされたシンボルｓｂ（ｍ）を生成する。ｖｂ（ｍ）及びｋｂ（ｍ）が共に２進数である場合、ＸＯＲ演算をデスクランブラーで用いることができる。
【００４５】
ｖｂ（ｍ）若しくはｋｂ（ｍ）又はその両方の信頼性情報が知られている場合、高度なソフトデスクランブリング（soft descrambling)スキームを用いることができる。観測値ｒが与えられたとして、ビットｓの信頼性をＬ＝ｌｏｇ（Ｐｒ（ｓ＝０｜ｒ）／Ｐｒ（ｓ＝１｜ｒ））によって示すことにする。この場合、受信データの信頼性はＬｃ（ｍ）＝ｌｏｇ（Ｐｒ（ｚ（ｍ）＝０｜ｖｂ（ｍ））／Ｐｒ（ｚ（ｍ）＝１｜ｖｂ（ｍ）））である。鍵Ｌｋ（ｍ）の個々のビットの信頼性は、鍵生成プロセスから得ることができる。鍵が知られていない場合、Ｋｂは、エラーがないものとして扱うことができ、すなわち、Ｌｋ（ｍ）の値を無限大とみなすことができる。鍵Ｌｋ（ｍ）が知られているとき、デスクランブル後のｍ番目のシンボルの軟出力情報Ｌｄ（ｍ）は、
【００４６】
【数８】
2012129985.tif 000010
【００４７】
に従って求めることができる。
【００４８】
そうではなく、鍵Ｌｋ（ｍ）が知られていない場合、
【００４９】
【数９】
2012129985.tif 000011
【００５０】
である。
【００５１】
軟入力を受け取ることができるデコーダーを用いることができ、Ｌｄは、復号プロセスを初期化するのに用いることができる。
【００５２】
盗聴者ノード１０３が、図３に示すような正当な受信機と同じ構造を有する場合、盗聴者は、鍵列Ｋｄを用いて入力データＶｄをデスクランブルする。ＫｄとＫａとの間の相関が低いものとすると、盗聴者は、データを正しく復号することができない。すなわちＸｄＨ≠Ｘである。したがって、本発明の方法によって、対象の受信機にのみデータをセキュアに送信することが可能になる。
【００５３】
図４は、連結されたレート適応符号、例えばラプター符号が用いられる本発明の別の実施形態を示している。連結されたレート適応符号の送信機１０１は、内符号（inner code）エンコーダー４０１及び外符号（outer code）エンコーダー４０２を含み、図３のように外エンコーダーの出力ではなく、２つのエンコーダーの間でスクランブルする（４０３）。代替的に、スクランブル４０３’は、代わりに、外デコーダーの出力に対して実行される。
【００５４】
送信機１０１は、最初に、内符号を用いて入力データＸ３０１を符号化する（４０１）。次に、内エンコーダーの出力Ｙｉｎ４１１は、Ｋａを用いてスクランブルされ（４０３）、スクランブル列Ｚｉｎ４１２が生成される。外エンコーダー４０２は、入力としてＺｉｎを取り込み、Ｚｏｕｔを出力する。Ｚｏｕｔはブロードキャストされる。
【００５５】
受信機１０２は、サイド情報Ｋｂを用いて、受信された符号化信号Ｖｂを復号する。受信機は、復号に成功しない場合、暗黙的又は明示的なＮＡＣＫを送信機１０１に送信する。一方、受信機は、復号に成功した場合、ＡＣＫを送信機１０１に送信する。ブロードキャスト中、送信機１０１内の外符号エンコーダー４０２は、ＡＣＫが受信機１０２から受信されるまで、追加のビットを連続的に生成する。
【００５６】
図５は、プロトコルの概要を示している。ノードＡ１０１は、新たな入力データを受信すると、そのデータを符号化してスクランブルし、スクランブルされた符号化データの一部５０４を送信する（５０１）。スクランブルされたデータを復号することができない場合、ＮＡＣＫ５０５がノードＢ１０２によって送信され（５０２）、スクランブルされたデータの別の部分が送信される。すなわち、送信機は、データの復号が成功するまでレート適応エンコーダーによって生成されたスクランブルされたデータのブロードキャストを続ける。
【００５７】
メッセージが正しく復号された場合、ノードＢ１０２は、ＡＣＫ５０６を送信し（５０２）、ブロードキャストは終了する（５０７）。
【００５８】
発明の効果
本発明は、固定レート送信と比較して、無線通信ネットワークのセキュリティレベルを改善することができる。本発明は、特に、時間変動チャネルにおいて特に有効である。
【００５９】
図６は、固定レート（破線）が用いられている従来技術の送信を示している。データ６９９は、送信の時点におけるチャネル容量にかかわらず、所定のレートＲａｂ６０１で送信される。そのような方法は、２つの欠点を有する。すなわち、
１）対象ユーザーのチャネル容量（実線）Ｃａｂ６０２が所定のレートＲａｂ６０１よりも低いとき、送信は成功せず、
２）盗聴者のチャネル容量（破線）Ｃａｄ６０３がＲａｂ６０１よりも高いとき、盗聴者ノード１０３は、データを復号することができ、これによって、送信が非セキュアなものになる。
【００６０】
図７は、本発明の実施形態を用いた送信を示している。鍵を用いて送信データをスクランブルすることによって、実効正当チャネル容量Ｃａｂ６０２及び盗聴者チャネル容量Ｃａｄ６０３との間の分離間隔７００が増加する。データ６９９のセグメントごとに、送信機は、レートＲｉｎｉｔ７０１で送信を開始し、このレートは、最も高い可能な送信レートであり、例えばＲｉｎｉｔは、１等の高さに設定することができる。各追加の送信では、実効レート７１０はそれよりも低い。
【００６１】
レートがチャネル容量Ｃａｂ６０２（実線）よりも低く、受信機がデータを正しく復号できる場合、送信は停止する。これによって、瞬時チャネル容量にレートを適応させることが可能になり、対象受信機のみが、メッセージの受信に成功することができ、データが盗聴者によって復号される確率が最小になる。
【００６２】
好ましい実施形態を例として本発明を説明してきたが、本発明の趣旨及び範囲内において他のさまざまな適応及び変更を行うことができることが理解されるべきである。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の趣旨及び範囲内に入るすべての変形及び変更を包含することである。
【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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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
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