(57)【要約】【課題】高度な暗号処理を行うソフトウエア等による対策なしに送受信データの傍受の難易度を上げ、より秘匿性の向上をはかる。【解決手段】無線通信システム１０は、無線送信端末１１と無線受信端末１２からなり、無線送信端末１１と無線受信端末１２が、無線データの送受信とともに、送受信タイミングキーを共有している暗号パルスデータの送受信を行い、無線送信端末１２が、クロック周期よりも短いタイミングで暗号パルスデータを送信する。【選択図】図１
2017076880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線通信システムであって、
クロックに同期して無線データを送信する無線送信端末と、
前記無線送信端末から送信された前記無線データを受信する無線受信端末と、を備え、
前記無線送信端末と前記無線受信端末が、
前記無線データの送受信とともに、送受信タイミングキーを共有している暗号パルスデータの送受信を行い、
前記無線送信端末が、
クロック周期よりも短いタイミングで前記暗号パルスデータを送信することを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
前記暗号パルスデータの前記送受信タイミングキーが、前記無線送信端末と前記無線受信端末に共有されるように予め設定されており、前記無線データの初回の送受信から前記暗号パルスデータが重畳されることを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項３】
前記暗号パルスデータの前記送受信タイミングキーが、前記無線送信端末と前記無線受信端末の通信接続の確立の手続き終了後に共有されるように設定されており、前記通信接続が確立して以降の前記無線データの送受信から前記暗号パルスデータが重畳されることを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項４】
前記無線送信端末は、
前記送受信タイミングキーが示す特定のタイミングで前記クロックと非同期の前記暗号パルスデータを前記無線データに重畳して送信する制御部、
を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の無線通信システム。
【請求項５】
前記無線受信端末は、
受信した前記暗号パルスデータのクロック周期区間での電圧レベルと、前記クロック周期区間より短い、前記送受信タイミングキーが示す特定タイミングの微少区間での電圧レベルとを観察し、前記無線データの論理復調を行う制御部、
を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の無線通信システム。
【請求項６】
クロックに同期して無線データを送信する無線送信端末と、前記無線送信端末から送信された前記無線データを受信する無線受信端末とを備えた無線通信システムにおける暗号化キーの作成方法であって、
前記無線送信端末と前記無線受信端末が、
通信前に入力される共通鍵情報を取り込み、取り込んだ共通鍵情報とそれぞれの端末における時計情報とを演算して送受信タイミングキーを生成するステップと、
前記無線送信端末が、
前記送受信タイミングキーが示す特定のタイミングで前記クロックと非同期の暗号パルスデータを生成し前記無線データに重畳して送信するステップと、
前記無線受信端末が、
受信した前記暗号パルスデータのクロック周期区間での電圧レベルと、前記クロック周期区間より短い、前記送受信タイミングキーが示す特定タイミングの微少区間での電圧レベルとを観察し、前記無線データの論理復調を行うステップと、
を有することを特徴とする無線通信システムにおける暗号化キーの作成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信システム及び無線通信システムにおける暗号の作成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
データ通信方法の一つに、クロックに同期してデータを送信する方法（クロック同期方式）が知られている。このクロック同期方式に基づくデータ通信によれば、例えば、図５に示すように、クロックの立下りエッジ（矢印）に同期してそのエッジ発生時のデータの“Ｈｉｇｈ”／“Ｌｏｗ”の電圧レベルを検出している。
【０００３】
なお、無線通信の場合は、送信機がプリアンブルと称されるヘッダ部分の同期信号によりクロック送信を行い、受信機がこれを受信してそのクロック周期に同期することで、以降、送信される無線データを復調することができる。具体的には、クロックの立下がりエッジ時点で、データ電圧が“Ｈｉｇｈ”レベルの場合、“１”、“Ｌｏｗ”レベルの場合“０”であるものとして論理復調する。
【０００４】
しかしながら、この方法によれば、無線データは常にクロックエッジに同期してデータが検出され、したがって、第３者がクロックの同期タイミングさえ把握できれば通常のハードウエアで傍受することが可能である。このため、無線データの秘匿性を高めるために高度な暗号処理を行うソフトウエア等による対策が必要になる。
【０００５】
このため、例えば、特許文献１に、ディジタルフィルタ回路が提案されている。特許文献１に記載されたディジタルフィルタ回路によれば、クロックエッジに依存することなく、送信データレートよりもはるかに高い周期でデータの電圧レベルを観察し、観察した電圧レベルの大小により論理復調することができる。
【０００６】
具体的に、送信機が、特定のタイミングでクロックと非同期のパルスノイズ的なデータを重畳して送信し、受信機が、その特定のタイミングの微小区間でのレベル観察でパルスデータの存在を確認することでデータを抽出することができる。例えば、図６に示すように、クロック周期区間Ａの微少区間では、“Ｈｉｇｈ”レベルのデータが多いため“１”に、クロック周期区間Ｂの微少区間では、“Ｌｏｗ”レベルのデータが多いため“０”にそれぞれ論理復調される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平４−２２２１１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、高度な暗号処理を行うソフトウエア等による対策なしに送受信データの傍受の難易度を上げ、より秘匿性の向上をはかった、無線通信システム及び無線通信システムにおける暗号の作成方法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】
【０００９】
上記した課題を解決するため、本発明は、以下のような解決手段を提供する。
【００１０】
（１）本発明の第１の態様は、無線通信システムであって、クロックに同期して無線データを送信する無線送信端末と、前記無線送信端末から送信された前記無線データを受信する無線受信端末と、を備え、前記無線送信端末と前記無線受信端末が、前記無線データの送受信とともに、送受信タイミングキーを共有している暗号パルスデータの送受信を行い、前記無線送信端末が、クロック周期よりも短いタイミングで前記暗号パルスデータを送信することを特徴とする。
【００１１】
（２）又、本発明において、前記暗号パルスデータの前記送受信タイミングキーが、前記無線送信端末と前記無線受信端末に共有されるように予め設定されており、前記無線データの初回の送受信から前記暗号パルスデータが重畳されることを特徴とする。
【００１２】
（３）又、本発明において、前記暗号パルスデータの前記送受信タイミングキーが、前記無線送信端末と前記無線受信端末の通信接続の確立の手続き終了後に共有されるように設定されており、前記通接続が確立して以降の前記無線データの送受信から前記暗号パルスデータが重畳されることを特徴とする。
【００１３】
（４）又、本発明において、前記無線送信端末は、前記送受信タイミングキーが示す特定のタイミングで前記クロックと非同期の前記暗号パルスデータを前記無線データに重畳して送信する制御部、を有することを特徴とする。
【００１４】
（５）又、本発明において、前記無線受信端末は、受信した前記暗号パルスデータのクロック周期区間での電圧レベルと、前記クロック周期区間より短い、前記送受信タイミングキーが示す特定タイミングの微少区間での電圧レベルとを観察し、前記無線データの論理復調を行う制御部、を有することを特徴とする。
【００１５】
（５）本発明の第２の態様は、クロックに同期して無線データを送信する無線送信端末と、前記無線送信端末から送信された前記無線データを受信する無線受信端末とを備えた無線通信システムにおける暗号化キーの作成方法であって、前記無線送信端末と前記無線受信端末が、通信前に入力される共通鍵情報を取り込み、取り込んだ共通鍵情報とそれぞれの端末における時計情報とを演算して送受信タイミングキーを生成するステップと、前記無線送信端末が、前記送受信タイミングキーが示す特定のタイミングで前記クロックと非同期の暗号パルスデータを生成し前記無線データに重畳して送信するステップと、前記無線受信端末が、受信した前記暗号パルスデータのクロック周期区間での電圧レベルと、前記クロック周期区間より短い、前記送受信タイミングキーが示す特定タイミングの微少区間での電圧レベルとを観察し、前記無線データの論理復調を行うステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、高度な暗号処理を行うソフトウエア等による対策なしに送受信データの傍受の難易度を上げ、より秘匿性の向上をはかった、無線通信システム及び無線通信システムにおける暗号処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態に係る無線通信システムの構成図である。
【図２】図１の無線通信システムの暗号処理の一例を示すシーケンス図である。
【図３】図１の無線通信システムの暗号処理の他の例を示すーケンス図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る無線通信システムの動作タイミング図である。
【図５】従来の無線通信システムのデータ復調の一例を示すタイミング図である。
【図６】従来の無線通信システムのデータ復調の他の例を示すタイミング図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態（以下、実施形態）について詳細に説明する。以降の図においては、実施形態の説明の全体を通して同じ要素には同じ番号又は符号を付している。
【００１９】
（実施形態の構成）
図１に示すように、本実施形態に係る無線通信システム１０は、クロックに同期して無線データを送信する無線送信端末１１と、無線送信端末１１から送信された無線データを受信する無線受信端末１２と、を備える。
【００２０】
無線送信端末１１は、無線受信端末１２と共有する送受信タイミングキーで示される特定のタイミングでクロックと非同期のパルスノイズ的なデータ（以下、暗号パルスデータていう）を無線データに重畳して送信する。そして、無線受信端末１２は、送受信タイミングキーで示される特定タイミングにおける微小区間での電圧レベルの観察により暗号パルスデータの存在を確認する。但し、この場合、無線送信端末１１と無線受信端末１２とが送受信タイミングキーを共有していることが前提である。
【００２１】
無線送信端末１１と無線受信端末１２が共有する「送受信タイミングキー」とは、例えば、ＷＰＡ（Ｗｉ−Ｆｉ Protected Access）における事前共有鍵（ＰＳＫ：Pｒｅ-Sａｒｅｄ Key）等に相当する共通鍵情報であり、互いに同じランダム種キー（共通鍵情報）と現在時刻（タイムスタンプ）とを演算（例えば、乗算）することにより生成されるランダムなタイミングデータのことをいう。
【００２２】
送受信タイミングキーは、無線送信端末１１と無線受信端末１２が、共に通信前に入力される共通鍵情報を取り込み、取り込んだ共通鍵情報と時計情報とを乗算することにより生成される乱数である。例えば、タイムスタンプ（１２：２５）×“共通鍵情報”＝１５、タイムスタンプ（１２：２６）×“共通鍵情報”＝３８になるように、乱数生成器等により特定タイミングが指定される。
【００２３】
無線送信端末１１は、制御部１１０（ＣＰＵ）と、発振器１１１（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Crystal Oscillator）と、位相同期回路（以下、ＰＬＬ（Phased Lock Loop）回路１１２という）と、電圧制御発振器（以下、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）回路１１３という）と、送信アンプ１１４と、送信アンテナ１１５とを含む。
【００２４】
無線送信端末１１は、まず、制御部１１０が、無線受信端末１２との間で共有する送受信タイミングキーを用い、ランダムに生成される暗号パルスデータを生成してＧＰＩＯ（汎用入出力）ポートから出力し、発信器１１１の電圧制御端子（Ｖ＿ＣＯＮＴ）へ供給する。
【００２５】
発信器１１１は、水晶振動子と温度補償回路とを一個のパッケージに組み込んだ電圧制御端子（Ｖ＿ＣＯＮＴ）付きの発振器であり、水晶の圧電効果を利用して高精度の基準周波数を生成してＰＬＬ回路１１２の基準電圧端子（ＲＥＦ）に出力する。
【００２６】
ＰＬＬ回路１１２は、発信器１１１から出力される入力信号（暗号パルスデータ）と、電圧に応じて周波数が変化するＶＣＯ回路１１３出力（ＯＵＴ）のフィードバック信号との位相差をＶＣＯ回路１１３の電圧制御端子（Ｖ＿ＣＯＮＴ）に入力することで、入力信号と出力信号との位相を同期させる。
【００２７】
送信アンプ１１４は、ＰＬＬ回路１１２から出力される基準周波数の整数倍の周波数を用いて入力信号を変調し、増幅して送信アンテナ１１５経由で無線受信端末１２へ送信する。
【００２８】
無線受信端末１２は、制御部１２０（ＣＰＵ）と、受信アンテナ１２１と、受信アンプ１２２と、発信器１２３（ＴＣＸＯ）と、ＰＬＬ回路１２４と、ＶＣＯ回路１２５と、ミキサ回路１２６と、フィルタ回路１２７と、周波数電圧変換器（以下、ｆ−Ｖ変換器１２８）とを含む。
【００２９】
無線受信端末１２は、受信アンプ１２２が、受信アンテナ１２１経由で変調された入力信号を受信し、増幅してミキサ回路１２６の一方の入力端子（ＩＮ２）へ供給する。ミキサ回路１２６の他方の入力端子（ＩＮ１）には、ＰＬＬ回路１２４により、ＶＣＯ回路１２５の出力信号を分周して入力信号の周波数を定数倍に高めたローカル発信周波数信号が供給されている。
【００３０】
ここで、ミキサ回路１２６によりダウンコンバートされ復調された入力信号は、フィルタ回路１２７により波形成形され、ｆ−Ｖ変換器１２８により周波数の変化を振幅の変化に変換して制御部１２０のＧＰＩＯポートに出力する。最後に、制御部１２０は、ＧＰＩＯポートから取り込まれる復調された暗号パルスデータのクロック周期区間と、共通の送受信タイミングキーで示されると規定タイミングの当該クロック周期区間よりも短い微少区間での電圧レベルを監視して無線データに重畳された暗号パルスデータの論理復調を行う。
【００３１】
（実施形態の動作）
以下、本実施形態に係る無線通信システム１０の動作について図２以降を参照しながら詳細に説明する。
【００３２】
まず、送受信タイミングキーの共有方法から説明する。送受信タイミングキーを共有するために以下の２通りの方法が想定される。一つは、無線送信端末１１と無線受信端末１２の工場出荷時、両端末に設定するパターンと、無線送信端末１１と無線受信端末１２との間の通信接続確立時に設定するパターンである。前者を用いた暗号化処理方法を図２に、後者を用いた暗号化処理方法を図３にシーケンス図で示す。
【００３３】
図２によれば、無線送信端末１１は、制御部１１０が、電源投入を検知すると（ステップＳ２０１“ＹＥＳ”）、工場出荷時に予め設定されてある送受信タイミングキーを読み出す（ステップＳ２０２）。すなわち、送受信タイミングキーは、制御部１１０が内蔵するマスクＲＯＭ等のメモリに製造者によって予め書き込まれている。
【００３４】
制御部１１０は、更に、この送受信タイミングキーにより生成される特定のタイミングでクロックと非同期の暗号パルスデータを生成し（ステップＳ２０３）、ＧＰＩＯポートを介して発信器１１１，ＰＬＬ回路１１２，ＶＣＯ回路１１３，送信アンプ１１４，送信アンテナ１１５で構成される送信系回路に出力する（ステップＳ２０４）。そして、送信系回路は、暗号パルスデータをクロックに重畳して無線受信端末１２に無線送信する（ステップＳ２０５）。
【００３５】
一方、無線受信端末１２は、無線送信端末１１により送信された暗号パルスデータを、受信アンテナ１２１、受信アンプ１２２、発信器１２３，ＰＬＬ回路１２４，ＶＣＯ回路１２５，ミキサ回路１２６，フィルタ回路１２７，ｆ−Ｖ変換器１２８で構成される受信系回路で受信し（ステップＳ２１３）、無線データを復調する（ステップＳ２１４）。そして、制御部１２０が復調した無線データをＧＰＩＯポート経由で取り込む。
【００３６】
このとき、無線受信端末１２では、既に制御部１２０が、無線送信端末１１と同様、電源投入を検知したきに（ステップＳ２１１“ＹＥＳ”）、制御部１２０が工場出荷時に予め設定されている送受信タイミングキーを内蔵のメモリから読み出してあるものとする（ステップＳ２１２）。
【００３７】
続いて、制御部１２０は、クロック周期区間と、共有の送受信タイミングキーで示される、当該クロック周期区間より短い微少区間での電圧レベルを観察することにより無線データに重畳された暗号化パルスデータの論理復調を行う（ステップＳ２１４）。このとき、制御部１２０は、パルス有りで自分宛の欲しいデータであれば（ステップＳ２１５“ＹＥＳ”）、その内容を取り込み（ステップＳ２１６）、不要データであれば（ステップＳ２１５“ＮＯ”）、破棄する処理を実行する（ステップＳ２１７）。
【００３８】
すなわち、図２の暗号処理方法によれば、暗号パルスデータの送受信タイミングキーが、無線送信端末１１と無線受信端末１２に共有されるように予め設定されており、無線データの初回の送受信から無線データに暗号パルスデータが重畳され送信される。つまり、工場出荷時に、無線送信端末１１の制御部１１０，無線受信端末１２の制御部１２０の内蔵メモリ（マスクＲＯＭ等）のそれぞれに送受信タイミングキーを設定するプログラムを予め書き込んでおき、初回送信時から暗号パルスデータを生成して無線データに重畳している。
【００３９】
次に、図３を用いて暗号処理方法の他の例について説明する。まず、無線送信端末１１（制御部１１０）は、無線受信端末１２に、接続リクエストのためのメッセージを発行し（ステップＳ３０１）、接続許可のメッセージを受信する「ハンドシェイク」と称される手続きにより両端末１１，１２の通信接続を確立する（ステップＳ３０２）。ここで通信接続が確立すると、無線送信端末１１（制御部１１０）は、無線受信端末１２（制御部１２０）に対し、共有する送受信タイミングキーを送信する（ステップＳ３０３）。なお、送受信タイミングキーは、上記したように、事前に入力される共通鍵情報に時計等によりカウントされるランダム値を乗算した値であり、ここでは特定のタイミングを示す。
【００４０】
続いて、無線送信端末１１（制御部１１０）は、無線受信端末１２から送受信タイミングキーの受信確認を得ると（ステップＳ３０４：キー応答）、その送受信タイミングキーにより生成される特定のタイミングで送信系回路によりクロックと非同期の暗号パルスデータを生成し、無線データに重畳して送信する（ステップＳ３０５：パルス有データ）。
【００４１】
一方、無線受信端末１２（制御部１２０）は、無線送信端末１１から送信される無線データに重畳された暗号パルスデータを受信すると、正常受信したことを示す応答を返し（ステップＳ３０６：パルス有応答）、受信した暗号パルスデータのクロック周期区間と、送受信タイミングキーで示される特定のタイミングにおける、クロック周期区間より短い微少区間での電圧レベルを観察することにより暗号化パルスデータの論理復調を行なう。
【００４２】
すなわち、図３に示す暗号処理方法によれば、暗号パルスデータの送受信タイミングキーが、無線送信端末１１と無線受信端末１２との接続確立の手続き終了後に共有されるように設定されており、したがって、接続が確立して以降の無線データの送受信から暗号パルスデータが重畳される。
【００４３】
図４に、プリアンブル部とデータ本体部“１，１，０，１，０”とからなる、無線送信端末１１により生成される送信データと、無線受信端末１２の電圧レベルの観察タイミング（レベル観察）とが示されている。
【００４４】
図４によれば、無線受信端末１２は、制御部１２０が、データ本体部のクロック周期区間Ｔ５〜Ｔ９において、クロック同期のデータレートよりもはるかに高いデータレートの微小区間で電圧レベルを観察し、各クロック周期区間Ｔ５〜Ｔ９で“ｈｉｇｈ”レベルが多い区間は“１”、“Ｌｏｗ”レベルが多い区間は“０”とデータを特定する。
【００４５】
このため、送受信タイミングキーが示す特定微小区間ａで“０”を検出し、そのクロック周期区間Ｔ６の“１”と特定微小区間ａの“０”により、クロック周期区間Ｔ６のデータは、“１０”、特定微小区間ｂで“１”を検出し、そのクロック周期区間Ｔ７の“０”と特定微小区間ｂの“１”により、このクロック周期区間Ｔ７のデータは、“０１”と判断することができる。
【００４６】
なお、本実施形態に係る無線通信システム１０において、無線送信端末１１は、無線受信端末１２と共有する送受信タイミングキーで示される特定のタイミングでクロックと非同期のパルスノイズ的なデータを無線データに重畳して送信するが、無線通信であるため、同じタイミングで実際のノイズが重畳することも考えられる。しかしながら、この場合、無線受信端末１２が、送信先アドレス等を確認することにより、自分宛の無線データで無いこと等を判断できるため、特に利用が制限されることはない。
【００４７】
（実施形態の効果）
以上説明のように本実施形態に係る無線通信システム１０によれば、無線送信端末１１と無線受信端末１２が、無線データの送受信とともに、送受信タイミングキーを共有している暗号パルスデータの送受信を行い、無線送信端末１１が、クロック周期よりも短いタイミングで暗号パルスデータを送信することにより、送受信タイミングキーを認識するオリジナルのハードウエアでなければ変調された無線データの復調ができないため、高度な暗号処理を行うソフトウエア等による対策なしに送受信データの傍受の難易度が上がり、秘匿性も向上する。
【００４８】
また、本実施形態に係る無線通信システム１０によれば、暗号パルスデータの送受信タイミングキーが、予め設定されているか、接続確立の手続き終了後に設定されることで、無線送信端末１１と無線受信端末１２の送受信タイミングキーの共有が可能となり、無線送信端末１１が、送受信タイミングキーで示される特定のタイミングでクロックと非同期の暗号パルスデータを無線データに重畳して送信し、無線受信端末１２が、その特定タイミングにおける微小区間での電圧レベルの観察により暗号パルスデータの存在を確認する仕組みを構築することができ、その結果、送受信データの傍受の難易度が上がり、秘匿性も向上する。
【００４９】
また、本発明の暗号の作成方法によれば、無線送信端末１１が無線受信端末１２と共有する送受信タイミングキーとして、例えば、ＷＰＡにおける事前共有鍵に相当する情報を用い、互いに同じ事前共通鍵情報と時計等によりカウントされるランダム値とを演算する等によって生成されるランダムなタイミングデータを用いて暗号パルスデータを重畳して送信することで、数秒毎に通信暗号キーを交換するような高頻度通信や、例えば、ＡＥＳ（Advanced Encryption Standard）のように、暗号鍵と元データとの掛け合わせにより元データより確実に大きなデータ量になる方法に比べて、データ量を増やすことなく、課金情報等、高度な秘匿性を求められる通信を実現することができる。
【００５０】
なお、本実施形態に係る無線通信システム１０は、例えば、ＡＴＭ（Automatic Teller Machine）と銀行の勘定系サーバ等の間で、有線ＬＡＮ（Local Area Network）から無線ＬＡＮに切り替わる際に、より秘匿性の高いデータ送信に適用して顕著な効果が得られる。
【００５１】
以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲に限定されないことは言うまでもない。上記実施形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。またその様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００５２】
１０  無線通信システム、１１  無線送信端末、１１０  制御部（ＣＰＵ）、１１１  発振器（ＴＣＸＯ）、１１２  ＰＬＬ回路、１１３  ＶＣＯ回路、１１４  送信アンプ、１１５  送信アンテナ、１２  無線受信端末、１２０  制御部（ＣＰＵ）、１２１  受信アンテナ、１２２  受信アンプ、１２３  発信器、１２４  ＰＬＬ回路、１２５  ＶＣＯ回路、１２６  ミキサ回路、１２７  フィルタ回路、１２８  周波数電圧変換器（ｆ−Ｖ変換器）
【図１】
2017076880.tif 000003
【図２】
2017076880.tif 000004
【図３】
2017076880.tif 000005
【図４】
2017076880.tif 000006
【図５】
2017076880.tif 000007
【図６】
2017076880.tif 000008