(57)【要約】【課題】  伝搬路の多様性を確保してビット数の大きい秘密鍵を生成することができる秘密鍵共有システムおよび秘密鍵共有方法を提供する。【解決手段】  秘密鍵共有システム１は、複数の無線基地局２〜５と、サーバ６と、無線装置７とを備えている。無線装置７が各無線基地局２〜５に向けて第１の無線信号Ｓ１を送信すると、各無線基地局２〜５は、受信した第１の無線信号Ｓ１の情報をサーバ６にそれぞれ送信する。サーバ６は、複数の無線基地局２〜５からの第１の無線信号Ｓ１の情報に基づき、第１の秘密鍵Ｋ1を生成する。一方、複数の無線基地局２〜５は、それぞれの無線基地局２〜５の情報を含む第２の無線信号Ｓ２を無線装置７に向けて送信する。無線装置７は、複数の無線基地局２〜５から受信した第２の無線信号Ｓ２の情報に基づき、第１の秘密鍵Ｋ1と同じ第２の秘密鍵Ｋ2を生成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線信号に基づき秘密鍵を生成する秘密鍵共有システムにおいて、
時刻同期して互いに異なる位置に設置された複数の無線基地局と、
前記各無線基地局で受信した信号の情報を収集するサーバと、
前記各無線基地局と電波を相互に送受信する無線装置とを備え、
前記無線装置は、前記各無線基地局に向けて第１の無線信号を送信し、
前記各無線基地局は、前記無線装置から受信した前記第１の無線信号の情報を前記サーバにそれぞれ送信し、
前記サーバは、前記複数の無線基地局からの前記第１の無線信号の情報に基づき第１の秘密鍵を生成し、
前記複数の無線基地局は、前記第１の無線信号とは異なる信号であって、それぞれの前記無線基地局の情報を含む第２の無線信号を前記無線装置に向けて送信し、
前記無線装置は、前記複数の無線基地局から到来した前記第２の無線信号の情報に基づき、前記第１の秘密鍵と同じ第２の秘密鍵を生成する秘密鍵共有システム。
【請求項２】
前記複数の無線基地局は、前記第２の無線信号を略同一時刻に送信する請求項１に記載の秘密鍵共有システム。
【請求項３】
前記複数の無線基地局は、前記第２の無線信号を所定の時間差をもって送信する請求項１に記載の秘密鍵共有システム。
【請求項４】
前記複数の無線基地局からの前記第１の無線信号の情報は、前記複数の無線基地局が前記第１の無線信号を受信したときの受信時刻差、前記複数の無線基地局が前記第１の無線信号を受信したときの受信時刻順、受信した前記無線基地局、前記各無線基地局における受信信号の強度のうち少なくとも１つ以上の情報を含み、
前記複数の無線基地局から到来した前記第２の無線信号の情報は、前記複数の無線基地局から到来した前記第２の無線信号を前記無線装置が受信したときの受信時刻差、前記複数の無線基地局から到来した前記第２の無線信号を前記無線装置が受信したときの受信時刻順、送信した前記無線基地局、前記各無線基地局から到来した前記第２の無線信号の受信信号の強度のうち少なくとも１つ以上の情報を含む請求項１ないし３のいずれかに記載の秘密鍵共有システム。
【請求項５】
時刻同期して互いに異なる位置に設置された複数の無線基地局と、
前記各無線基地局で受信した信号の情報を収集するサーバと、
前記各無線基地局と電波を相互に送受信する無線装置と、を備えた秘密鍵共有システムに適用され、無線信号に基づき秘密鍵を生成する秘密鍵生成方法であって、
前記無線装置は、前記各無線基地局に向けて第１の無線信号を送信し、
前記各無線基地局は、前記無線装置から受信した前記第１の無線信号の情報を前記サーバにそれぞれ送信し、
前記サーバは、前記複数の無線基地局からの前記第１の無線信号の情報に基づき第１の秘密鍵を生成し、
前記複数の無線基地局は、前記第１の無線信号とは異なる信号であって、それぞれの前記無線基地局の情報を含む第２の無線信号を前記無線装置に向けて送信し、
前記無線装置は、前記複数の無線基地局から到来した前記第２の無線信号の情報に基づき、前記第１の秘密鍵と同じ第２の秘密鍵を生成する秘密鍵生成方法。
【請求項６】
前記複数の無線基地局は、前記第２の無線信号を略同一時刻に送信する請求項５に記載の秘密鍵生成方法。
【請求項７】
前記複数の無線基地局は、前記第２の無線信号を所定の時間差をもって送信する請求項５に記載の秘密鍵生成方法。
【請求項８】
前記複数の無線基地局からの前記第１の無線信号の情報は、前記複数の無線基地局が前記第１の無線信号を受信したときの受信時刻差、前記複数の無線基地局が前記第１の無線信号を受信したときの受信時刻順、受信した前記無線基地局、前記各無線基地局における受信信号の強度のうち少なくとも１つ以上の情報を含み、
前記複数の無線基地局から到来した前記第２の無線信号の情報は、前記複数の無線基地局から到来した前記第２の無線信号を前記無線装置が受信したときの受信時刻差、前記複数の無線基地局から到来した前記第２の無線信号を前記無線装置が受信したときの受信時刻順、送信した前記無線基地局、前記各無線基地局から到来した前記第２の無線信号の受信信号の強度のうち少なくとも１つ以上の情報を含む請求項５ないし７のいずれかに記載の秘密鍵生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線信号に基づき秘密鍵を生成する秘密鍵共有システムおよび秘密鍵生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、正規局としての無線基地局と無線装置との間で共通の秘密鍵を生成する無線通信システムが知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。この無線通信システムでは、無線基地局と無線装置とのどちらか一方に可変指向性アンテナ（ＥＳＰＡＲアンテナ）を備え、その指向性を変化させながら、時分割で上りと下りとの間で送受信を行う。この場合、上りと下りにおける受信側のＲＳＳＩ（受信信号強度：Received Signal Strength Indication）の値は無線基地局と無線装置とでほぼ共通となるので、無線基地局と無線装置との間で共有されたＲＳＳＩに基づき秘密鍵を生成する構成としている。このとき、別の位置で第３者の盗聴局が送受信を傍受しても、盗聴局と無線装置とでは位置が違うために電波環境が異なる。このため、盗聴局のＲＳＳＩの値は無線基地局と無線装置とのＲＳＳＩの値は異なり、秘密鍵を生成することができない。
【０００３】
また、無線基地局と無線装置との間の無線通信において、無線通信の伝搬路特性を利用して秘密鍵を生成する無線通信システムが知られている（例えば、非特許文献２，３参照）。これらの無線通信システムは、電波伝搬路の場所依存性と電波伝搬の可逆性に基づいて、秘密鍵を生成する構成としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４２５３６５７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】青野ほか, “エスパアンテナを用いたIEEE802.15.4無線秘密鍵共有システム”, 電子情報通信学会論文誌B, Vol.J88-B, No.9, pp.1801-1812, 2005.
【非特許文献２】北浦ほか, “陸上移動通信におけるアンテナ切換による受信信号強度変化を利用した秘密鍵共有方式”, 電子情報通信学会論文誌B, Vol.J90-B, No.3, pp.315-317, 2007.
【非特許文献３】岩井ほか, “電波伝搬特性を活用した秘密情報の伝送・共有技術”, 電子情報通信学会論文誌B, Vol.J90-B, No.9, pp.770-783, 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１、非特許文献１に記載された無線システムでは、時系列で可変指向性アンテナの指向性を切替えて、無線信号の伝搬路の多様性を得る構成としている。しかしながら、この構成では、時系列で可変指向性アンテナの指向性を切替えて、時間をかけることで多様性と長いビット長を得ているため、電波の利用効率が悪いのに加え、無線装置が複雑化してしまう傾向がある。また、鍵のやり取りに時間がかかることから、鍵のやり取りの間にフェージング環境が変わると、上りと下りで相関が劣化し、鍵の生成が不可能になるという問題もある。
【０００７】
非特許文献２，３に記載された無線通信システムでは、アンテナ切替やＵＷＢ（超広帯域：Ultra Wide Band）のインパルス応答の時間差を用いて、無線通信の伝搬路特性を利用した秘密鍵を生成している。しかしながら、この構成では、周囲の伝搬環境によっては、単一の無線基地局と無線装置との間の伝搬環境の多様性が不足する可能性があり、解読されにくく、かつ、十分なビット数を有する秘密鍵が生成しづらく、盗聴局に対するロバスト性が低いという問題がある。
【０００８】
本発明は前述の問題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、伝搬路の多様性を確保してビット数の大きい秘密鍵を生成することができる秘密鍵共有システムおよび秘密鍵共有方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、無線信号に基づき秘密鍵を生成する秘密鍵共有システムにおいて、時刻同期して互いに異なる位置に設置された複数の無線基地局と、前記各無線基地局で受信した信号の情報を収集するサーバと、前記各無線基地局と電波を相互に送受信する無線装置とを備え、前記無線装置は、前記各無線基地局に向けて第１の無線信号を送信し、前記各無線基地局は、前記無線装置から受信した前記第１の無線信号の情報を前記サーバにそれぞれ送信し、前記サーバは、前記複数の無線基地局からの前記第１の無線信号の情報に基づき第１の秘密鍵を生成し、前記複数の無線基地局は、前記第１の無線信号とは異なる信号であって、それぞれの前記無線基地局の情報を含む第２の無線信号を前記無線装置に向けて送信し、前記無線装置は、前記複数の無線基地局から到来した前記第２の無線信号の情報に基づき、前記第１の秘密鍵と同じ第２の秘密鍵を生成する構成としている。
【００１０】
請求項２の秘密鍵共有システムは、前記複数の無線基地局は、前記第２の無線信号を略同一時刻に送信する構成としている。
【００１１】
請求項３の秘密鍵共有システムは、前記複数の無線基地局は、前記第２の無線信号を所定の時間差をもって送信する構成としている。
【００１２】
請求項４の秘密鍵共有システムは、前記複数の無線基地局からの前記第１の無線信号の情報は、前記複数の無線基地局が前記第１の無線信号を受信したときの受信時刻差、前記複数の無線基地局が前記第１の無線信号を受信したときの受信時刻順、受信した前記無線基地局、前記各無線基地局における受信信号の強度のうち少なくとも１つ以上の情報を含み、前記複数の無線基地局から到来した前記第２の無線信号の情報は、前記複数の無線基地局から到来した前記第２の無線信号を前記無線装置が受信したときの受信時刻差、前記複数の無線基地局から到来した前記第２の無線信号を前記無線装置が受信したときの受信時刻順、送信した前記無線基地局、前記各無線基地局から到来した前記第２の無線信号の受信信号の強度のうち少なくとも１つ以上の情報を含む構成としている。
【００１３】
請求項５の発明は、時刻同期して互いに異なる位置に設置された複数の無線基地局と、前記各無線基地局で受信した信号の情報を収集するサーバと、前記各無線基地局と電波を相互に送受信する無線装置と、を備えた秘密鍵共有システムに適用され、無線信号に基づき秘密鍵を生成する秘密鍵生成方法であって、前記無線装置は、前記各無線基地局に向けて第１の無線信号を送信し、前記各無線基地局は、前記無線装置から受信した前記第１の無線信号の情報を前記サーバにそれぞれ送信し、前記サーバは、前記複数の無線基地局からの前記第１の無線信号の情報に基づき第１の秘密鍵を生成し、前記複数の無線基地局は、前記第１の無線信号とは異なる信号であって、それぞれの前記無線基地局の情報を含む第２の無線信号を前記無線装置に向けて送信し、前記無線装置は、前記複数の無線基地局から到来した前記第２の無線信号の情報に基づき、前記第１の秘密鍵と同じ第２の秘密鍵を生成する構成としている。
【００１４】
請求項６の秘密鍵生成方法は、前記複数の無線基地局は、前記第２の無線信号を略同一時刻に送信する構成としている。
【００１５】
請求項７の秘密鍵生成方法は、前記複数の無線基地局は、前記第２の無線信号を所定の時間差をもって送信する構成としている。
【００１６】
請求項８の秘密鍵生成方法は、前記複数の無線基地局からの前記第１の無線信号の情報は、前記複数の無線基地局が前記第１の無線信号を受信したときの受信時刻差、前記複数の無線基地局が前記第１の無線信号を受信したときの受信時刻順、受信した前記無線基地局、前記各無線基地局における受信信号の強度のうち少なくとも１つ以上の情報を含み、前記複数の無線基地局から到来した前記第２の無線信号の情報は、前記複数の無線基地局から到来した前記第２の無線信号を前記無線装置が受信したときの受信時刻差、前記複数の無線基地局から到来した前記第２の無線信号を前記無線装置が受信したときの受信時刻順、送信した前記無線基地局、前記各無線基地局から到来した前記第２の無線信号の受信信号の強度のうち少なくとも１つ以上の情報を含む構成としている。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１，５の発明によれば、サーバは、無線装置からの第１の無線信号を複数の無線基地局が受信したときに、複数の無線基地局が受信した第１の無線信号の情報に基づき、第１の秘密鍵を生成している。また、無線装置は、複数の無線基地局からの第２の無線信号を受信したときに、複数の無線基地局から到来した第２の無線信号の情報に基づき、第１の秘密鍵と同じ第２の秘密鍵を生成している。これにより、複数の無線基地局と無線装置との間で無線通信を行う構成としているので、無線通信の伝搬路の多様性を確保することができる。この結果、単一の無線基地局と無線装置との間で無線通信を行う場合と比べて、ビット数の大きい秘密鍵を生成でき、無線装置と複数の無線基地局との間でビット数の大きい秘密鍵を共有することができる。
【００１８】
また、無線装置から複数の無線基地局への下りの第１の無線信号と、複数の無線基地局から無線装置への上りの第２の無線信号とに基づいて秘密鍵を生成しているので、電波伝搬路の場所依存性と電波伝搬の可逆性とに基づいて、第１の無線信号と第２の無線信号との相関性を高めることができる。これにより、無線装置と複数の無線基地局との間で、ビット数が大きくロバスト性の高い秘密鍵を共有することができるので、仮に別の位置で盗聴局が無線信号を傍受した場合でも、盗聴局が秘密鍵を生成することを防ぐことができる。
【００１９】
請求項２，６の発明によれば、複数の無線基地局は、第２の無線信号を略同一時刻に送信する構成としている。これにより、例えば、アンテナ自体の切替えやアンテナの指向性の切替えによって伝搬路の多様性を確保する場合に比べて、無線通信の時間を短縮することができる。この結果、フェージング環境の変化に強くでき、ひいては電波資源を占有する時間を低減できるので、電波利用効率を高めることができる。
【００２０】
請求項３，７の発明によれば、複数の無線基地局は、第２の無線信号を所定の時間差をもって送信する構成としている。これにより、仮に各無線基地局と無線装置との位置関係により、異なる無線基地局から送信された第２の無線信号が無線装置の位置で互いに干渉する場合でも、第２の無線信号を所定の時間差をもって送信することにより、第２の無線信号が無線装置において干渉することを低減できる。
【００２１】
請求項４，８の発明によれば、第１，第２の無線信号の情報は、受信時刻差、受信時刻順、無線基地局、受信信号強度の情報のうち少なくとも１つ以上の情報をそれぞれ含む構成としている。これにより、各情報に基づいて秘密鍵を生成することができるので、ビット数が大きい秘密鍵を無線装置と複数の無線基地局との間で共有することができる。この結果、盗聴に対するロバスト性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１の実施の形態による秘密鍵共有システムの構成を示す概略図である。
【図２】第１の実施の形態による秘密鍵共有システムの処理を示す流れ図である。
【図３】無線装置から第１の無線信号を複数の無線基地局に向けて送信したときの、第１の無線信号と受信信号との時間変化を示す特性線図である。
【図４】複数の無線基地局から第２の無線信号を無線装置に向けて送信したときの、第２の無線信号と受信信号との時間変化を示す特性線図である。
【図５】第２の実施の形態による秘密鍵共有システムの処理を示す流れ図である。
【図６】第２の実施の形態による複数の無線基地局から第２の無線信号を無線装置に向けて送信したときの、第２の無線信号と受信信号との時間変化を示す特性線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態による秘密鍵共有システムについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２４】
図１は、第１の実施の形態による秘密鍵共有システム１を示している。この秘密鍵共有システム１は、複数（例えば４局）の無線基地局２〜５と、サーバ６と、無線装置７とを備えている。ここで、ＩＥＥＥ８０２．１５．４−２０１１には、ＩＲ−ＵＷＢ（Impulse Radio Ultra Wide Band）による測距を想定した物理層が規定されている。この規格では、ＴＤＯＡ（Time Difference Of Arrival）によるＲＴＬＳ（Real Time Location System）について言及されている。秘密鍵共有システム１は、このような仕組みを利用して、無線信号Ｓ１，Ｓ２に基づき秘密鍵Ｋ1，Ｋ2を生成する。
【００２５】
第１ないし第４の無線基地局２〜５は、時刻同期すると共に、互いに異なる位置に設置され、有線方式により後述のサーバ６と接続されている。これらの第１ないし第４の無線基地局２〜５は、本体部２Ａ〜５Ａとアンテナ２Ｂ〜５Ｂとを備え、後述の無線装置７から第１の無線信号Ｓ１を受信し、また、無線装置７に向けて第２の無線信号Ｓ２を送信する。
【００２６】
本体部２Ａ〜５Ａは、無線装置７から送信された第１の無線信号Ｓ１を検波し、第１の無線信号Ｓ１の情報をサーバ６に向けて送信する。また、本体部２Ａ〜５Ａは、無線装置７に向けて送信する第２の無線信号Ｓ２を生成する。具体的には、本体部２Ａ〜５Ａは、図２中のステップ２，３，５の処理を実行する。
【００２７】
アンテナ２Ｂ〜５Ｂは、本体部２Ａ〜５Ａにそれぞれ接続され、例えばダイポールアンテナ、パッチアンテナ、スロットアンテナ等のような各種のアンテナによって構成されている。このアンテナ２Ｂ〜５Ｂは、第１の無線信号Ｓ１を受信し、また、第２の無線信号Ｓ２を送信する。
【００２８】
サーバ６は、無線装置７からの第１の無線信号Ｓ１を第１ないし第４の無線基地局２〜５が受信したときに、第１ないし第４の無線基地局２〜５が受信した第１の無線信号Ｓ１の情報に基づき第１の秘密鍵Ｋ1を生成する第１の秘密鍵生成部と、第１の秘密鍵Ｋ1等を格納するＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる記憶部（いずれも図示せず）とを備えている。このサーバ６は、第１ないし第４の無線基地局２〜５で受信した第１の無線信号Ｓ１の情報を収集し、第１の秘密鍵Ｋ1を生成する。具体的には、サーバ６は、図２中のステップ４の処理を実行し、第１の秘密鍵Ｋ1を生成する。
【００２９】
また、サーバ６は、第１の秘密鍵Ｋ1と同じ第２の秘密鍵Ｋ2を無線装置７に生成させるために、第１ないし第４の無線基地局２〜５を制御する。具体的には、サーバ６は、第１ないし第４の無線基地局２〜５から第２の無線信号Ｓ２を送信するために、例えばトリガ信号等のような制御信号を第１ないし第４の無線基地局２〜５に出力する。
【００３０】
無線装置７は、移動局として構成され、本体部７Ａとアンテナ７Ｂとを備え、第１ないし第４の無線基地局２〜５との間で電波を相互に送受信する。本体部７Ａは、第２の無線信号Ｓ２の情報に基づいて第２の秘密鍵Ｋ2を生成する秘密鍵生成部と、第２の秘密鍵Ｋ2等を格納するＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる記憶部（いずれも図示せず）とを備えている。
【００３１】
この本体部７Ａは、第１ないし第４の無線基地局２〜５から送信された第２の無線信号Ｓ２を検波し、これら第２の無線信号Ｓ２の情報に基づいて第２の秘密鍵Ｋ2を生成する。また、本体部７Ａは、第１ないし第４の無線基地局２〜５に向けて送信する第１の無線信号Ｓ１を生成する。具体的には、本体部７Ａは、図２中のステップ１，６，７の処理を実行する。
【００３２】
アンテナ７Ｂは、本体部７Ａに接続され、例えばパッチアンテナ、スロットアンテナ等のような各種のアンテナによって構成されている。このアンテナ７Ｂは、第１の無線信号Ｓ１を送信し、また、第２の無線信号Ｓ２を受信する。
【００３３】
次に、図２ないし図４を用いて、秘密鍵共有システム１による第１，第２の秘密鍵Ｋ1，Ｋ2を生成する動作について説明する。
【００３４】
まず、ステップ１では、無線装置７は第１ないし第４の無線基地局２〜５に向けて、上りリンクとして第１の無線信号Ｓ１を送信する。この場合、図３に示すように、第１の無線信号Ｓ１はＵＷＢを用いたパルス信号として出力される。
【００３５】
ステップ２では、第１ないし第４の無線基地局２〜５は、無線装置７から送信された第１の無線信号Ｓ１を受信する。図３に示すように、第１の無線信号Ｓ１は、各無線基地局２〜５において、マルチパス環境下での遅延プロファイルによりパルス列受信信号として受信される。即ち、第１ないし第４の無線基地局２〜５は、第１の無線信号Ｓ１を、例えば、７個、３個、５個、５個のパルス列としてそれぞれ受信する。この場合、第１ないし第４の無線基地局２〜５が第１の無線信号Ｓ１を受信したときの受信時刻順は、第１の無線信号Ｓ１を時系列のパルス列としてサーバ６が受信したときに、各パルスに対応した無線基地局２〜５の順番を示している。このため、図３に示す例では、受信時刻順は、先頭から、第１（の無線基地局２）、第２、第１、第２、第４、第３・・・という順で続いている。
【００３６】
続くステップ３では、第１ないし第４の無線基地局２〜５は、サーバ６に向けて第１の無線信号Ｓ１の情報を送信する。この第１の無線信号Ｓ１の情報は、例えば、第１ないし第４の無線基地局２〜５が第１の無線信号Ｓ１を受信したときのそれぞれの受信時刻差Ｄｒｄと、第１ないし第４の無線基地局２〜５が第１の無線信号Ｓ１を受信したときの受信時刻順と、第１の無線信号Ｓ１を受信した第１ないし第４の無線基地局２〜５と、第１ないし第４の無線基地局２〜５における受信信号強度ＲＳＳＩとを含んでいる。この場合、第１ないし第４の無線基地局２〜５は時刻同期しているため、サーバ６は、第１ないし第４の無線基地局２〜５で受信した２０個のパルス信号を重ね合わせて時系列で取得する。
【００３７】
ステップ４では、サーバ６は、ステップ３で第１ないし第４の無線基地局２〜５から送られた第１の無線信号Ｓ１の情報に基づいて、第１の秘密鍵Ｋ1を生成する。ここで、サーバ６は、例えば、サーバ６で受信したパルス信号の受信信号強度ＲＳＳＩを量子化し、２値化処理を行って量子化データを作成する。そして、サーバ６は、この量子化データに、各受信時刻差Ｄｒｄの情報と、受信時刻順の情報と、受信した第１ないし第４の無線基地局２〜５の情報とを加え、さらに必要に応じて誤り訂正を行うことにより、第１の秘密鍵Ｋ1を生成する。このため、図３に示すように、第１の秘密鍵Ｋ1は、第１ないし第４の無線基地局２〜５で受信した第１の無線信号Ｓ１を重ね合わせた時系列のパルス列受信信号に対応したものになる。
【００３８】
ステップ５では、第１ないし第４の無線基地局２〜５は、無線装置７に向けて下りリンクとして、第１の無線信号Ｓ１とは異なる第２の無線信号Ｓ２を略同一時刻に送信する。この場合、図４に示すように、第２の無線信号Ｓ２はＵＷＢを用いたパルス信号として、時刻同期した第１ないし第４の無線基地局２〜５から、略同じタイミングにそれぞれ出力される。また、これらの第２の無線信号Ｓ２は、送信する第１ないし第４の無線基地局２〜５の情報を含み、互いに同じ送信信号強度のパルス信号となる。なお、後述するように、無線装置７が第１の秘密鍵Ｋ1と同じ第２の秘密鍵Ｋ2を生成可能であれば、第１ないし第４の無線基地局２〜５は、第２の無線信号Ｓ２を必ずしも同一時刻に送信する必要はなく、許容可能な範囲内で時間差をもって送信してもよい。
【００３９】
ステップ６では、無線装置７は、第１ないし第４の無線基地局２〜５から送信された第２の無線信号Ｓ２を受信する。図４に示すように、受信した第２の無線信号Ｓ２のパルス列受信信号は、電波伝搬の可逆性により、サーバ６で受信した第１の無線信号Ｓ１のパルス列受信信号とほぼ同様の波形となる。
【００４０】
即ち、無線装置７が受信した第２の無線信号Ｓ２の情報は、第１ないし第４の無線基地局２〜５から到来した第２の無線信号Ｓ２を無線装置７が受信したときのそれぞれの受信時刻差Ｄｒｕと、第１ないし第４の無線基地局２〜５から到来した第２の無線信号Ｓ２を無線装置７が受信したときの受信時刻順と、第２の無線信号Ｓ２を送信した第１ないし第４の無線基地局２〜５と、無線装置７における第２の無線信号Ｓ２の受信信号強度ＲＳＳＩとを含んでいる。この場合、第２の無線信号Ｓ２を無線装置７が受信したときの受信時刻順は、第２の無線信号Ｓ２を時系列のパルス列として無線装置７が受信したときに、各パルスに対応した無線基地局２〜５の順番を示している。このため、図４に示す例では、受信時刻順は、先頭から、第１（の無線基地局２）、第２、第１、第２、第４、第３・・・という順で続いている。そして、これらの各情報は、サーバ６が受信した第１の無線信号Ｓ１のパルス列受信信号における受信時刻差Ｄｒｄと、第１ないし第４の無線基地局２〜５が第１の無線信号Ｓ１を受信したときの受信時刻順と、第１の無線信号Ｓ１を受信した第１ないし第４の無線基地局２〜５と、第１ないし第４の無線基地局２〜５における第１の無線信号Ｓ１の受信信号強度ＲＳＳＩとに、それぞれ強い相関性を有している。
【００４１】
続くステップ７では、無線装置７は、第２の無線信号Ｓ２の情報に基づき第２の秘密鍵Ｋ2を生成する。この場合、無線装置７は、サーバ６で第１の秘密鍵Ｋ1を生成したのと同様の処理を行い、第２の秘密鍵Ｋ2を生成する。このため、図４に示すように、第２の秘密鍵Ｋ2は、無線装置７で受信した第２の無線信号Ｓ２のパルス列受信信号に対応したものになる。
【００４２】
無線装置７から各無線基地局２〜５への上りリンクのパルス送信時刻と、各無線基地局２〜５から無線装置７への下りリンクのパルス受信時刻との間の時間が、フェージング環境が変化するよりも十分に短かければ、無線装置７で受信した第２の無線信号Ｓ２のパルス列受信信号とサーバ６で受信した第１の無線信号Ｓ１のパルス列受信信号とは、強い相関性を有する。このため、無線装置７は、第１の秘密鍵Ｋ1と同じ第２の秘密鍵Ｋ2を生成することができる。なお、第１の無線信号Ｓ１の送信と第２の無線信号Ｓ２の送信との間のマルチパス環境の変化、フェージングの変化、時刻同期誤差等の変化、または各無線基地局２〜５の間に信号出力の差等が生じる場合は、例えば、特開２００３−１０１５７０号公報等に記載された鍵不一致訂正処理、ハッシュ関数を用いた鍵共通確認処理等を行うのが好ましい。
【００４３】
ここで、第３者の盗聴局Ｅが無線装置７と異なる位置に存在している場合は、盗聴局Ｅが傍受する第２の無線信号Ｓ２のパルス列受信信号は、例えば図４に示すように、無線装置７が受信した第２の無線信号Ｓ２のパルス列受信信号とは異なるものになる。即ち、盗聴局Ｅと無線装置７とは位置が異なるので、第１ないし第４の無線基地局２〜５から送信された第２の無線信号Ｓ２は、異なる伝搬路を通って無線装置７と盗聴局Ｅとに到来する。これにより、盗聴局Ｅで傍受された第２の無線信号Ｓ２のパルス列受信信号とサーバ６で受信された第１の無線信号Ｓ１のパルス列受信信号とは、相関性が低く、受信信号強度ＲＳＳＩ等の情報が異なっている。この結果、盗聴局Ｅが、傍受した第２の無線信号Ｓ２のパルス列受信信号の情報に基づいて秘密鍵を生成しても、第１の秘密鍵Ｋ1と同じ秘密鍵を生成することはできない。
【００４４】
かくして、第１の実施の形態によれば、サーバ６は、無線装置７からの第１の無線信号Ｓ１を第１ないし第４の無線基地局２〜５が受信したときに、無線基地局２〜５が受信した第１の無線信号Ｓ１の情報に基づき、第１の秘密鍵Ｋ1を生成する。また、無線装置７は、第１ないし第４の無線基地局２〜５から到来した第２の無線信号Ｓ２の情報に基づき、第１の秘密鍵Ｋ1と同じ第２の秘密鍵Ｋ2を生成する。これにより、第１ないし第４の無線基地局２〜５と無線装置７との間で無線通信を行う構成としているので、無線通信の伝搬路の多様性を確保することができる。この結果、単一の無線基地局と無線装置との間で無線通信を行う場合と比べて、ビット数の大きい秘密鍵Ｋ1，Ｋ2を生成でき、無線装置７と第１ないし第４の無線基地局２〜５との間でビット数の大きい秘密鍵Ｋ1，Ｋ2を共有することができる。
【００４５】
また、無線装置７から第１ないし第４の無線基地局２〜５への下りの第１の無線信号Ｓ１と、第１ないし第４の無線基地局２〜５から無線装置７への上りの第２の無線信号Ｓ２とに基づいて第１，第２の秘密鍵Ｋ1，Ｋ2を生成しているので、電波伝搬路の場所依存性と電波伝搬の可逆性とに基づいて、第１の無線信号Ｓ１と第２の無線信号Ｓ２との相関性を高めることができる。これにより、無線装置７と第１ないし第４の無線基地局２〜５との間で、ビット数が大きくロバスト性の高い秘密鍵Ｋ1，Ｋ2を共有することができるので、仮に別の位置で盗聴局Ｅが無線信号を傍受した場合でも、盗聴局Ｅが秘密鍵Ｋ1，Ｋ2を生成することを防ぐことができる。
【００４６】
また、第１ないし第４の無線基地局２〜５は、第２の無線信号Ｓ２を略同一時刻に送信する構成としている。これにより、例えばアンテナ自体の切替えやアンテナの指向性の切替えによって伝搬路の多様性を確保する場合に比べて、無線通信の時間を短縮することができる。この結果、フェージング環境の変化に強くでき、ひいては電波資源を占有する時間を低減できるので、電波利用効率を高めることができる。
【００４７】
また、第１，第２の無線信号Ｓ１，Ｓ２の情報は、受信時刻差、受信時刻順、無線基地局、受信信号強度の情報のうち少なくとも１つ以上の情報をそれぞれ含む構成としている。これにより、各情報に基づいて秘密鍵Ｋ1，Ｋ2を生成することができるので、ビット数が大きい秘密鍵Ｋ1，Ｋ2を無線装置７と第１ないし第４の無線基地局２〜５との間で共有することができる。この結果、盗聴に対するロバスト性を高めることができる。
【００４８】
また、秘密鍵共有システム１は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４−２０１１に規定されているＲＴＬＳシステムのインフラストラクチャを用いる構成としている。これにより、第１，第２の秘密鍵Ｋ1，Ｋ2を生成するために、新たな物理層を規定したり、規格を変えたりする必要がない。従って、対応可能な通信設備があれば、追加投資は少なくてよく、設備コストを低減することができる。さらに、ＩＲ−ＵＷＢは、本質的にマルチパスに強く、無線装置７と盗聴局Ｅとの位置の差異によって受信信号の差異が明確になるため、盗聴に対するロバスト性を高めることができる。
【００４９】
次に、図１、図５、図６を用いて、本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態では、複数の無線基地局は第２の無線信号を所定の時間差をもって送信する構成とした。なお、第２の実施の形態において、第１の実施の形態と同一の構成要素は同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５０】
第２の実施の形態による秘密鍵共有システム１１は、第１の実施の形態による秘密鍵共有システム１とほぼ同様に構成され、複数（例えば４局）の無線基地局１２〜１５と、サーバ１６と、無線装置１７とを備えている。
【００５１】
第１ないし第４の無線基地局１２〜１５は、第１の実施の形態による第１ないし第４の無線基地局２〜５とほぼ同様に構成され、本体部１２Ａ〜１５Ａとアンテナ１２Ｂ〜１５Ｂとを備える。第１ないし第４の無線基地局１２〜１５は、無線装置１７から第１の無線信号Ｓ１を受信し、また、無線装置１７に向けて第２の無線信号Ｓ２を送信する。この本体部１２Ａ〜１５Ａは、図５中のステップ１２，１３，１５の処理を実行する。
【００５２】
サーバ１６は、第１の実施の形態によるサーバ６とほぼ同様に構成され、第１ないし第４の無線基地局１２〜１５で受信した第１の無線信号Ｓ１の情報を収集し、第１の秘密鍵Ｋ1を生成する。具体的には、サーバ１６は、図５中のステップ１４の処理を実行し、第１の秘密鍵Ｋ1を生成する。
【００５３】
無線装置１７は、第１の実施の形態による無線装置７とほぼ同様に構成され、本体部１７Ａとアンテナ１７Ｂとを備え、第１ないし第４の無線基地局１２〜１５との間で電波を相互に送受信する。この本体部１７Ａは、図５中のステップ１１，１６，１７の処理を実行し、第２の秘密鍵Ｋ2を生成する。
【００５４】
次に、図５、図６を用いて、秘密鍵共有システム１１による第１，第２の秘密鍵Ｋ1，Ｋ2を生成する動作について説明する。なお、ステップ１１，１２，１３，１６，１７の処理については、上述した第１の実施の形態によるステップ１，２，３，６，７とそれぞれ同様であるので、簡略に説明する。
【００５５】
まず、ステップ１１では、無線装置１７は第１ないし第４の無線基地局１２〜１５に向けて、上りリンクとして第１の無線信号Ｓ１を送信する。
【００５６】
ステップ１２では、第１ないし第４の無線基地局１２〜１５は、無線装置１７から送信された第１の無線信号Ｓ１を受信する。
【００５７】
続くステップ１３では、第１ないし第４の無線基地局１２〜１５は、サーバ１６に向けて第１の無線信号Ｓ１の情報を送信する。
【００５８】
ステップ１４では、サーバ１６は、ステップ１３で第１ないし第４の無線基地局１２〜１５から送られた第１の無線信号Ｓ１の情報に送信時間差Ｄｔ２，Ｄｔ３を加味して第１の秘密鍵Ｋ1を生成する。ここで、サーバ１６は、第１ないし第４の無線基地局１２〜１５が第１の無線信号Ｓ１を受信したときのそれぞれの受信時刻差Ｄｒｄに、送信時間差Ｄｔ２，Ｄｔ３を加え、修正した受信時刻差Ｄｒｄ′を生成する。また、サーバ１６は、第１ないし第４の無線基地局１２〜１５が第１の無線信号Ｓ１を受信したときの受信時刻順に、送信時間差Ｄｔ２，Ｄｔ３を加え、修正した受信時刻順を生成する。即ち、図６に示すように、送信時間差Ｄｔ２，Ｄｔ３を加味した受信時刻順は、先頭から、第１（の無線基地局２）、第２、第１、第４、第２、第１、第３・・・という順で続いている。
【００５９】
そして、サーバ１６は、第１の実施の形態と同様に、サーバ１６で受信したパルス信号の受信信号強度ＲＳＳＩを量子化し、２値化処理を行って量子化データを作成する。続いて、サーバ１６は、この量子化データに、送信時間差Ｄｔ２，Ｄｔ３を加味した各受信時刻差Ｄｒｄ′の情報と、送信時間差Ｄｔ２，Ｄｔ３を加味した受信時刻順の情報と、受信した第１ないし第４の無線基地局１２〜１５の情報とを加え、さらに必要に応じて誤り訂正を行うことにより、第１の秘密鍵Ｋ1を生成する。
【００６０】
ここで、送信時間差Ｄｔ２，Ｄｔ３は、第２，第３の無線基地局１３，１４が第２の無線信号Ｓ２を送信する送信時刻と、第１，第４の無線基地局１２，１５が第２の無線信号Ｓ２を送信する送信時刻との間の遅延時間を示している。このため、サーバ６は、第２の無線基地局１３が受信した第１の無線信号Ｓ１の情報を送信時間差Ｄｔ２に応じて遅延させ、第３の無線基地局１４が受信した第１の無線信号Ｓ１の情報を送信時間差Ｄｔ３に応じて遅延させる。その上で、サーバ６は、第１ないし第４の無線基地局２〜５で受信した第１の無線信号Ｓ１を重ね合わせた時系列のパルス列受信信号を生成する。第１の秘密鍵Ｋ1は、このようにして第１ないし第４の無線基地局２〜５で受信した第１の無線信号Ｓ１を重ね合わせた時系列のパルス列受信信号に対応したものになる。
【００６１】
ステップ１５では、第１ないし第４の無線基地局１２〜１５は、無線装置１７に向けて下りリンクとして、第１の無線信号Ｓ１とは異なる第２の無線信号Ｓ２を所定の送信時間差Ｄｔ２，Ｄｔ３をもって送信する。即ち、図６に示すように、第２，第３の無線基地局１３，１４は、第１，第４の無線基地局１２，１５から送信される第２の無線信号Ｓ２に比べて、送信時間差Ｄｔ２，Ｄｔ３だけ遅延して第２の無線信号Ｓ２をそれぞれ送信する。また、これらの第２の無線信号Ｓ２は、送信する第１ないし第４の無線基地局１２〜１５の情報を含み、互いに同じ送信信号強度のパルス信号となる。
【００６２】
ステップ１６では、無線装置１７は、第１ないし第４の無線基地局１２〜１５から送信された第２の無線信号Ｓ２を受信する。図６に示すように、受信した第２の無線信号Ｓ２のパルス列受信信号は、サーバ６で受信した第１の無線信号Ｓ１のパルス列受信信号と比べて、第２，第３の無線基地局１３，１４から送信された第２の無線信号Ｓ２のパルス列受信信号が送信時間差Ｄｔ２，Ｄｔ３だけ遅延した波形となる。
【００６３】
即ち、無線装置１７が受信した第２の無線信号Ｓ２の情報は、第１ないし第４の無線基地局１２〜１５から到来した第２の無線信号Ｓ２を無線装置１７が受信したときのそれぞれの受信時刻差Ｄｒｕと、第１ないし第４の無線基地局１２〜１５から到来した第２の無線信号Ｓ２を無線装置１７が受信したときの受信時刻順と、第２の無線信号Ｓ２を送信した第１ないし第４の無線基地局１２〜１５と、無線装置１７における第２の無線信号Ｓ２の受信信号強度ＲＳＳＩとを含んでいる。そして、これらの各情報は、サーバ１６が受信した第１の無線信号Ｓ１のパルス列受信信号における受信時刻差Ｄｒｄに送信時間差Ｄｔ２，Ｄｔ３を加味した受信時刻差Ｄｒｄ′と、送信時間差Ｄｔ２，Ｄｔ３を加味した受信時刻順の情報と、第１の無線信号Ｓ１を受信した第１ないし第４の無線基地局１２〜１５と、第１ないし第４の無線基地局２〜５における第１の無線信号Ｓ１の受信信号強度ＲＳＳＩとに、それぞれ強い相関性を有している。
【００６４】
続くステップ１７では、無線装置１７は、第２の無線信号Ｓ２の情報に基づき第２の秘密鍵Ｋ2を生成する。このため、図６に示すように、第２の秘密鍵Ｋ2は、無線装置７で受信した第２の無線信号Ｓ２のパルス列受信信号に対応したものになる。
【００６５】
無線装置１７から各無線基地局２〜５への上りリンクのパルス送信時刻と、各無線基地局２〜５から無線装置１７への下りリンクのパルス受信時刻との間の時間が、フェージング環境が変化するよりも十分に短かければ、無線装置１７で受信した第２の無線信号Ｓ２のパルス列受信信号と、サーバ１６で受信した第１の無線信号Ｓ１に送信時間差Ｄｔ２，Ｄｔ３を加味したパルス列受信信号とは強い相関性を有する。このため、無線装置１７は、第１の秘密鍵Ｋ1と同じ第２の秘密鍵Ｋ2を生成することができる。秘密鍵Ｋ1，Ｋ2の確認や不一致の訂正処理等については、第１の実施の形態と同様に、例えばシンドロームのやりとり、ハッシュ関数等を用いた方法を適用することができる。
【００６６】
かくして、第２の実施の形態でも、第１の実施の形態とほぼ同様な作用効果を得ることができる。秘密鍵共有システム１１の第１ないし第４の無線基地局１２〜１５は、第２の無線信号Ｓ２を所定の送信時間差Ｄｔ２，Ｄｔ３をもって送信する構成としている。例えば第１ないし第４の無線基地局１２〜１５が同時に第２の無線信号Ｓ２を送信した場合に、第１ないし第４の無線基地局１２〜１５と無線装置１７との位置関係によっては、異なる無線基地局１２〜１５から送信した第２の無線信号Ｓ２が、無線装置１７の位置で互いに干渉することがある。このような場合でも、第２の実施の形態では、第２の無線信号Ｓ２を所定の送信時間差Ｄｔ２，Ｄｔ３をもって送信することにより、異なる無線基地局１２〜１５からの第２の無線信号Ｓ２が、無線装置１７において干渉することを低減できる。
【００６７】
また、盗聴局Ｅの位置がサーバ１６側で既知の場合は、盗聴局Ｅの位置で第２の無線信号Ｓ２を干渉させて、盗聴局Ｅが秘密鍵Ｋ2を推測することを防ぐことができる。
【００６８】
また、第１ないし第４の無線基地局１２〜１５は、第２の無線信号Ｓ２を所定の送信時間差Ｄｔ２，Ｄｔ３をもって送信するので、第１，第２の秘密鍵Ｋ1，Ｋ2について、第１ないし第４の無線基地局１２〜１５と無線装置１７との単純な位置関係の相関性を低くできる。これにより、仮に盗聴局Ｅが何らかの手段により無線装置１７の位置情報を得たとしても、その位置情報に基づいて秘密鍵Ｋ1，Ｋ2を推測することを困難にでき、秘密鍵Ｋ1，Ｋ2のロバスト性を高くすることができる。
【００６９】
なお、第２の実施の形態では、第１，第４の無線基地局１２，１５に比べて、第２，第３の無線基地局１３，１４は、第２の無線信号Ｓ２を送信時間差Ｄｔ２，Ｄｔ３だけ遅延させて送信するものとした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば第２，第３の無線基地局１３，１４に比べて、第１，第４の無線基地局１２，１５が第２の無線信号Ｓ２を所定の時間差だけ遅延させて送信してもよい。さらに、４局の無線基地局のうち３局の無線基地局が第２の無線信号を遅延させて送信してもよい。即ち、複数の無線基地局のうち少なくとも１局の無線基地局が第２の無線信号を遅延させて送信すればよい。
【００７０】
また、前記第１の実施の形態では、秘密鍵共有システム１は４局の無線基地局２〜５を備える構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、無線基地局の局数を３局としてもよいし、５局以上としてもよい。このことは、第２の実施の形態についても同様である。
【００７１】
また、前記第１の実施の形態では、サーバ６と無線装置７とは、マルチパス環境下での遅延プロファイルを考慮し、受信した第１，第２の無線信号Ｓ１，Ｓ２のパルス列受信信号に基づいて第１，第２の秘密鍵Ｋ1，Ｋ2をそれぞれ生成する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、既存のＴＤＯＡのシステムとの親和性を高くするために、サーバと無線装置とは、受信した第１，第２の無線信号の筆頭パルス受信信号に基づいて第１，第２の秘密鍵をそれぞれ生成する構成としてもよい。また、受信した第１，第２の無線信号Ｓ１，Ｓ２のパルス列受信信号を全て用いる必要はなく、予め決められた所定時間内に取得したものだけを用いてもよい。これらのことは、第２の実施の形態についても同様である。
【００７２】
また、前記第１の実施の形態では、無線装置７から第１ないし第４の無線基地局２〜５に上りリンクとして第１の無線信号Ｓ１を送信した後に、第１ないし第４の無線基地局２〜５から無線装置７に下りリンクとして第２の無線信号Ｓ２を送信する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、上りリンクと下りリンクとを逆にして、第２の無線信号を送信した後に第１の無線信号を送信する構成としてもよい。このことは、第２の実施の形態についても同様である。
【００７３】
また、前記第１の実施の形態では、サーバ６は、第１ないし第４の無線基地局２〜５が第１の無線信号Ｓ１を受信したときのそれぞれの受信時刻差Ｄｒｄと、第１ないし第４の無線基地局２〜５が第１の無線信号Ｓ１を受信したときの受信時刻順と、第１の無線信号Ｓ１を受信した第１ないし第４の無線基地局２〜５と、第１ないし第４の無線基地局２〜５における受信信号強度ＲＳＳＩとの情報を用いて第１の秘密鍵Ｋ1を生成する構成とした。また、無線装置７は、第１ないし第４の無線基地局２〜５から到来した第２の無線信号Ｓ２を無線装置７が受信したときのそれぞれの受信時刻差Ｄｒｕと、第１ないし第４の無線基地局２〜５から到来した第２の無線信号Ｓ２を無線装置７が受信したときの受信時刻順と、第２の無線信号Ｓ２を送信した第１ないし第４の無線基地局２〜５と、無線装置７における第２の無線信号Ｓ２の受信信号強度ＲＳＳＩとの情報を用いて第２の秘密鍵Ｋ2を生成する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、サーバと無線装置とは、受信時刻差の情報と受信時刻順の情報と無線基地局の情報と受信信号強度ＲＳＳＩの情報とのうち、１個、２個または３個の情報を用いて第１，第２の秘密鍵を生成する構成としてもよいし、これらの情報に他の情報を追加して秘密鍵を生成する構成としてもよい。このことは、第２の実施の形態についても同様である。
【００７４】
また、前記第１の実施の形態では、第１ないし第４の無線基地局２〜５は、サーバ６が第１の秘密鍵Ｋ1を生成した後に、無線装置７に向けて第２の無線信号Ｓ２を送信する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、第１ないし第４の無線基地局が無線装置に向けて第２の無線信号を送信した後に、サーバが第１の秘密鍵を生成する構成としてもよい。このことは、第２の実施の形態についても同様である。
【００７５】
また、前記第１の実施の形態では、サーバ６と無線装置７とは、受信したパルス信号の受信信号強度ＲＳＳＩを量子化して量子化データを作成し、この量子化データに各受信時刻差Ｄｒｄ，Ｄｒｕの情報と、受信時刻順の情報と、送受信した第１ないし第４の無線基地局２〜５の情報とを加え、さらに必要に応じて誤り訂正を行うことにより第１，第２の秘密鍵Ｋ1，Ｋ2を生成する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、サーバと無線装置とは、他の手順により第１，第２の秘密鍵を生成する構成としてもよい。このことは、第２の実施の形態についても同様である。
【００７６】
また、前記第１の実施の形態では、秘密鍵共有システム１は、第１，第２の無線信号Ｓ１，Ｓ２にＩＲ−ＵＷＢを用いる構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えばスペクトラム拡散に用いるＰＮ符号を第１，第２の無線信号Ｓ１，Ｓ２に用いてもよく、他の信号でもよい。また、ＩＥＥＥ８０２．１５．４−２０１１に規定された通信システムに限らず、複数の時刻同期した無線基地局を用いるシステムであればよい。これらのことは、第２の実施の形態についても同様である。
【符号の説明】
【００７７】
１，１１  秘密鍵共有システム
２〜５，１２〜１５  無線基地局
６，１６  サーバ
７，１７  無線装置
【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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