(57)【要約】【課題】盗聴者の受信時における多値誤りによる鍵情報の特定防止効果を増強しつつ、正規受信者の受信時における多値データの誤りによる通信品質劣化を低減する、高速伝送を行うデータ送信装置及びデータ受信装置を提供する。【解決手段】多値基底の生成には、隣接信号レベル間のハミング距離が大きい多値符号化則を利用する一方で、多値データの生成には隣接信号レベル間のハミング距離が小さい多値符号化則を利用する。【選択図】図１
2009017231.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の鍵情報に基づいて、データ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、
前記鍵情報に基づいて、２値乱数を生成する２値乱数生成部と、
前記２値乱数のビットパターンと、前記データ受信装置へ送信する２値データのビットパターンとの組合せに対応したレベルの多値信号を生成する多値信号生成部と、
前記多値信号を所定の変調方式で変調して、変調信号を生成する変調部とを備えることを特徴とする、データ送信装置。
【請求項２】
前記２値データを多値化し、当該２値データのビットパターンに対応した多値データを生成する２値データ多値化部と、
前記２値乱数のビットパターンに対応した多値の数値である多値基底を生成する２値乱数多値化部とを更に備え、
前記多値信号生成部は、前記多値データと前記多値基底との組合せに対応したレベルの多値信号を生成す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】
互いに隣接する前記多値データの値にそれぞれ対応する２値データのビットパターンの間のハミング距離は、互いに隣接しない前記多値データの値にそれぞれ対応する２値データのビットパターンの間のハミング距離以下であ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４】
互いに隣接する前記多値基底の値にそれぞれ対応する２値乱数のビットパターンの間のハミング距離は、互いに隣接しない前記多値基底の値にそれぞれ対応する２値乱数のビットパターンの間のハミング距離以上であ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】
前記多値データの多値数は、２のべき乗で表される数であ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】
前記多値基底の多値数は、２のべき乗で表される数であ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７】
前記多値データの多値数は、前記多値基底の多値数以下とな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８】
前記多値データの多値数は、前記多値基底の多値数の約数とな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】
前記多値信号の多値数は、前記多値データの多値数と前記多値基底の多値数との積とな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１０】
前記多値信号のレベルと、前記多値基底の値と前記多値データの値との組み合わせとは、一意の対応関係にあることを特徴とする、請求項９に記載のデータ送信装置。
【請求項１１】
互いに隣接する前記多値信号にそれぞれ対応する前記多値データの値は、互いに異な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１２】
前記多値データの多値数は、前記データ受信装置が前記変調信号を復調する際に生じる雑音が存在する前記多値信号のレベルの数量以下となることを特徴とする、請求項９に記載のデータ送信装置。
【請求項１３】
所定の鍵情報に基づいて、データ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、
前記データ送信装置から受信した変調信号を所定の復調形式で復調し、当該復調の際に生じる雑音を含む多値信号を出力する復調部と、
前記鍵情報に基づいて、２値乱数を生成する２値乱数生成部と、
前記２値乱数のビットパターンに対応する複数のレベルのうち、前記雑音を含む多値信号のレベルの範囲に含まれるレベルに対応する２値データのビットパターンを復号する多値データ復号部とを備えることを特徴とする、データ受信装置。
【請求項１４】
前記２値乱数のビットパターンに対応した多値の数値である多値基底を生成する２値乱数多値化部と、
前記２値データに対応する多値データから２値データを復号する２値データ復号部とを更に備え、
前記多値データ復号部は、前記多値基底が対応する複数のレベルのうち、前記雑音を含む多値信号のレベルの範囲に含まれるレベルに対応する前記多値データを復号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】
互いに隣接する前記多値データの値にそれぞれ対応する２値データのビットパターンの間のハミング距離は、互いに隣接しない前記多値データの値にそれぞれ対応する２値データのビットパターンの間のハミング距離以下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】
互いに隣接する前記多値基底の値にそれぞれ対応する２値乱数のビットパターンの間のハミング距離は、互いに隣接しない前記多値基底の値にそれぞれ対応する２値乱数のビットパターンの間のハミング距離以上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。
【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、特定者間で秘密通信を行うために、送信／受信間で符号化／復号化のための鍵情報を共有し、当該鍵情報に基づいて、伝送すべき情報データ（平文）を数学的に演算／逆演算する方式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秘密通信方式がいくつか提案されている。その内の１つとして、光伝送路で発生する量子雑音を利用して秘密通信を行うＹ−００プロトコルと呼ばれる方式がある。特許文献１には、Ｙ−００プロトコルを用いた従来のデータ通信装置が開示されている。
【０００４】
図９は、Ｙ−００プロトコルを用いた従来のデータ通信装置９の構成例を示すブロック図である。図９に示す通り、従来のデータ通信装置９は、送信部９０１と、受信部９０２とが、光伝送路９１０を介して接続された構成である。送信部９０１は、多値基底生成部９１１と、多値信号生成部９１２と、変調部９１３とを備える。受信部９０２は、復調部９１５と、多値基底生成部９１４と、２値データ復号部９１６とを備える。なお、送信部９０１と受信部９０２とは、互いに同じ内容である鍵情報９１、９６をそれぞれ予め共有しているものとする。なお、盗聴受信部９０３は、データ通信装置９の構成には含まれない。また、特許文献１には、多値基底生成部９１１が「送信用擬似乱数発生部」として、多値信号生成部９１２が「変調方式指定部」及び「レーザ変調駆動部」として、変調部９１３が「レーザダイオード」として、復調部９１５が「フォトディテクタ」として、多値基底生成部９１４が「受信用擬似乱数発生部」として、２値データ復号部９１６が「判定回路」として記載されている。
【０００５】
送信部９０１において、多値基底生成部９１１は、鍵情報９１に基づいて、多値基底９２を生成する。ここで、多値基底９２は、“０”から“ＭB−１”までのＭB 個の値を有する多値の擬似乱数系列であり、複数の多値信号レベルのペア（以下、基底という）にそれぞれ対応する。多値信号生成部９１２は、２値データ９０と多値基底９２との組み合わせに対応したレベルを有する信号を多値信号９３として生成する。
【０００６】
図１０は、Ｙ−００プロトコルを用いた従来のデータ通信装置９における多値信号９３を生成する信号フォーマットを示す図である。以下では、図１０を用いて、より具体的に説明する。多値信号生成部９１２は、図１０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、多値信号生成部９１２は、多値基底生成部９１１で生成された多値基底９２に基づいて、複数の基底のうちの一つを選択する。ここで、各基底の一方のレベルには２値データ９０の“０”が割り当てられ、他方のレベルには２値データ９０の“１”が割り当てられている。また、２値データ９０の“０”と“１”とに相当するレベルは、“０”及び“１”の値がレベル全体に対して均等に分布するように割り当てられる。図１０では、一例として、“０”と“１”とが交互に各レベルに割り当てられている。次に、多値信号生成部９１２は、選択した基底のうち、２値データ９０の値（“０”又は“１”）が割り当てられたレベルを有する多値信号９３を生成する。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。
【０００７】
図１１は、従来のデータ通信装置９で用いられる信号形態を説明するための模式図である。多値基底９２の数量ＭB＝４の場合の各信号の変化の例を図１１（ａ）〜（ｇ）に示す。例えば、２値データ９０の値が“０１１１”（図１１（ａ）参照）のように変化し、多値基底９２の値が“０３２１”（図１１（ｂ）参照）のように変化する場合、多値信号９３は、図１０に示す信号フォーマットに従って、図１１（ｃ）に示すように変化する。
【０００８】
また、図９に示す通り、受信部９０２において、復調部９１５は、光伝送路９１０を介して伝送される変調信号９４を光信号から電気信号へ変換（以下、光電変換という）して、多値信号９５として出力する。多値基底生成部９１４は、鍵情報９６に基づいて、多値基底９２と同じ多値の擬似乱数系列である多値基底９７を生成する。２値データ復号部９１６は、多値基底９７の値に対応する基底（信号レベルのペア）に含まれる２つの信号レベルについて２値識別して、２値データ９８を特定する。
【０００９】
より具体的には、２値データ復号部９１６は、図１０（ｅ）に示すように、多値基底９７の値（図１０（ｄ））に基づいて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、２値データ復号部９１６は、“下、下、上、下”と識別する。次に、２値データ復号部９１６は、多値基底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、２値データ９８として出力する。この例では、多値基底９７は、“偶数、奇数、偶数、奇数”であるため、２値データ９８は“０１１１”となる（図１０（ｆ））。なお、多値信号９５には、雑音が含まれているが、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を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。図９に示す通り、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２値データ９０または鍵情報９１の解読を試みる。盗聴者は、正規受信者（受信部９０２）と同様の２値識別を行う場合、鍵情報を持っていないため、鍵情報が取り得る全ての値に対して識別を試みる（鍵の総当り攻撃をする）必要がある。このような方法は、試行回数が鍵情報の長さに対して指数関数的に増大するため、鍵情報の長さが十分長い場合には現実的ではない。そこで、より効率的な方法として、盗聴者は、図９に示す通り、盗聴受信部９０３を用いて、変調信号９４から２値データ９０又は鍵情報９１の解読を試みることが考えられる。盗聴受信部９０３において、復調部９２１は、光伝送路９１０から分岐して得られる変調信号９４を復調（光電変換）し、多値信号８１を再生する。多値識別部９２２は、多値信号８１を多値識別し（図１０（ｇ））、得られた情報を受信系列８２として出力する。解読処理部９２３は、受信系列８２に対して解読処理を行い、２値データ９０又は鍵情報９１の特定を試みる。このような解読方法を用いた場合、盗聴受信部９０３は、仮に受信系列８２を誤り無く多値識別することができたならば、得られた受信系列８２から１回の試行で鍵情報９１の解読を行うことが可能となる。
【００１１】
しかし、多値信号８１には、復調部９２１で変調信号９４を光電変換する際に発生したショット雑音が重畳されている。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、多値信号の信号レベルの間隔をショット雑音のレベルよりも十分に小さくしておけば、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取る可能性（確率）が無視できなくなる（図１０（ｇ））。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を要する試行回数、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。
【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】
将来的に伝送速度を高速化する場合、伝送する情報データは、上述した２値データから多値データとなることが想定される。これは、情報データの多値化によって伝送効率が向上するからである。
【００１３】
ここで、情報データが多値化された場合、多値信号の信号点間距離は縮小することとなる。この場合、復調部で発生するショット雑音によって、正規受信者が受信する情報データに復号誤りが生じる可能性は増加する。すなわち、情報データの多値化は、通信品質が劣化する方向に作用する。そこで、この問題を解消するために、多値信号の信号点間距離を拡大すると、盗聴者の解読に対する安全性が低下するという問題が生じる。そして、この様に情報データの多値化によって伝送効率を向上させる場合において、通信品質の確保と盗聴安全性の確保という相反する課題の達成を両立する手段については、十分な検討がなされていなかった。
【００１４】
それ故に、本発明の目的は、上記課題を解決するものであり、盗聴者の受信時における多値誤りによる鍵情報の特定防止効果を増強しつつ、正規受信者の受信時における多値データの誤りによる通信品質劣化を低減することによって、通信品質と盗聴安全性とを十分に確保した、高速伝送を行うデータ送信装置及びデータ受信装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、所定の鍵情報に基づいて、データ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、鍵情報に基づいて、２値乱数を生成する２値乱数生成部と、２値乱数のビットパターンと、データ受信装置へ送信する２値データのビットパターンとの組合せに対応したレベルの多値信号を生成する多値信号生成部と、多値信号を所定の変調方式で変調して、変調信号を生成する変調部とを備える。
【００１６】
また、２値データを多値化し、当該２値データのビットパターンに対応した多値データを生成する２値データ多値化部と、２値乱数のビットパターンに対応した多値の数値である多値基底を生成する２値乱数多値化部とを更に備え、多値信号生成部は、多値データと多値基底との組合せに対応したレベルの多値信号を生成してもよい。
【００１７】
また、好ましくは、互いに隣接する多値データの値にそれぞれ対応する２値データのビットパターンの間のハミング距離は、互いに隣接しない多値データの値にそれぞれ対応する２値データのビットパターンの間のハミング距離以下である。
【００１８】
また、好ましくは、互いに隣接する多値基底の値にそれぞれ対応する２値乱数のビットパターンの間のハミング距離は、互いに隣接しない多値基底の値にそれぞれ対応する２値乱数のビットパターンの間のハミング距離以上である。
【００１９】
また、好ましくは、多値データの多値数は、２のべき乗で表される数である。
【００２０】
また、好ましくは、多値基底の多値数は、２のべき乗で表される数である。
【００２１】
また、好ましくは、多値データの多値数は、多値基底の多値数以下となる。
【００２２】
また、好ましくは、多値データの多値数は、多値基底の多値数の約数となる。
【００２３】
また、好ましくは、多値信号の多値数は、多値データの多値数と多値基底の多値数との積となる。
【００２４】
また、好ましくは、多値信号のレベルと、多値基底の値と多値データの値との組み合わせとは、一意の対応関係にある。
【００２５】
また、好ましくは、互いに隣接する多値信号にそれぞれ対応する多値データの値は、互いに異なる。
【００２６】
また、好ましくは、多値データの多値数は、データ受信装置が変調信号を復調する際に生じる雑音が存在する多値信号のレベルの数量以下となる。
【００２７】
また、本発明は所定の鍵情報に基づいて、データ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、データ送信装置から受信した変調信号を所定の復調形式で復調し、当該復調の際に生じる雑音を含む多値信号を出力する復調部と、鍵情報に基づいて、２値乱数を生成する２値乱数生成部と、２値乱数のビットパターンに対応する複数のレベルのうち、雑音を含む多値信号のレベルの範囲に含まれるレベルに対応する２値データのビットパターンを復号する多値データ復号部とを備える。
【００２８】
また、２値乱数のビットパターンに対応した多値の数値である多値基底を生成する２値乱数多値化部と、２値データに対応する多値データから２値データを復号する２値データ復号部とを更に備え、多値データ復号部は、多値基底が対応する複数のレベルのうち、雑音を含む多値信号のレベルの範囲に含まれるレベルに対応する多値データを復号してもよい。
【００２９】
また、好ましくは、互いに隣接する多値データの値にそれぞれ対応する２値データのビットパターンの間のハミング距離は、互いに隣接しない多値データの値にそれぞれ対応する２値データのビットパターンの間のハミング距離以下である。
【００３０】
また、好ましくは、互いに隣接する多値基底の値にそれぞれ対応する２値乱数のビットパターンの間のハミング距離は、互いに隣接しない多値基底の値にそれぞれ対応する２値乱数のビットパターンの間のハミング距離以上である。
【発明の効果】
【００３１】
以上のように、本発明において、多値基底の生成には、隣接信号レベル間のハミング距離が大きい多値符号化則を利用する一方で、多値データの生成には隣接信号レベル間のハミング距離が小さい多値符号化則を利用する。このことによって、受信時の多値データ誤りによって、盗聴者が鍵情報を特定することを防止する効果を増強しつつ、正規受信者の通信品質劣化を低減することができる。この結果として、本発明によれば、通信品質と盗聴安全性とを十分に確保した、高速伝送を行うデータ送信装置及びデータ受信装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
（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の構成の一例を示すブロック図である。図１に示す通り、データ通信装置１は、データ送信装置１０１とデータ受信装置２０１とが光伝送路３０によって接続された構成である。データ送信装置１０１は、多値基底生成部１１６と、２値データ多値化部１１３と、多値信号生成部１１４と、変調部１１５とを備える。データ受信装置２０１は、多値基底生成部２１６と、復調部２１５と、多値データ復号部２１４と、２値データ復号部２１３とを備える。多値基底生成部１１６は、２値乱数生成部１１１と、２値乱数多値化部１１２とを含む。多値基底生成部２１６は、２値乱数生成部２１１と、２値乱数多値化部２１２とを含む。なお、データ通信装置１が光伝送路３０を用いないで自由空間を介した通信を行う場合には、データ通信装置１は、光伝送路３０を備えない。
【００３３】
以下に、データ送信装置１０１の動作について説明する。多値基底生成部１１６は、鍵情報１１を用いて、値が略乱数的に変化する多値基底１３を生成する。より具体的には、多値基底生成部１１６において、２値乱数生成部１１１は、鍵情報１１に従って値が略乱数的に変化する２値乱数１２を生成し、２値乱数多値化部１１２は、当該２値乱数１２に対して所定の符号化則に従った多値化を行って多値基底１３を生成する。以下では、２値乱数多値化部１１２が用いる符号化則を多値基底生成符号化則という。２値データ多値化部１１３は、データ受信装置２０１へ送信する情報データである２値データ１０に対して、所定の符号化則に従った多値化を行って多値データ１４を生成する。以下では、２値データ多値化部１１３が用いる符号化則を多値データ生成符号化則という。多値信号生成部１１４は、多値基底１３と多値データ１４とを用いて、所定の信号フォーマットに従って多値信号１５を生成する。以下では、多値信号生成部１１４が用いる信号フォーマットを、多値信号生成フォーマットという。なお、多値信号生成フォーマットとは、多値基底１３の値と多値データ１４の値とを多値信号１５のレベルに対応付ける信号フォーマットであり、具体的な内容については後に説明する。変調部１１５は、多値信号１５を光強度変調して変調信号１６を生成し、光伝送路３０に出力する。
【００３４】
次に、データ受信装置２０１の動作について説明する。復調部２１５は、光伝送路３０から入力された変調信号１６を復調して、多値信号１５の再生信号である多値信号２５を生成する。ここで、多値信号２５には、変調信号１６を復調する際に生じたショット雑音が重畳されている。多値基底生成部２１６は、鍵情報１１と等しい鍵情報２１を用いて、値が略乱数的に変化する多値基底１３と等しい多値基底２３を生成する。より具体的には、多値基底生成部２１６において、２値乱数生成部２１１は、鍵情報１１と等しい鍵情報２１に従って、２値乱数１２と等しい２値乱数２２を生成し、また、２値乱数多値化部２１２は、当該２値乱数２２に対して、多値基底生成符号化則に従った多値化を行って多値基底１３と等しい多値基底２３を生成する。多値データ復号部２１４は、多値基底２３と多値信号２５とを用いて、多値信号生成フォーマットを用いて多値データ２４を復号する。２値データ復号部は、多値データ生成符号化則を用いて、多値データ２４から、２値データ１０と等しい２値データ２０を復号する。
【００３５】
次に、多値信号生成フォーマットについて説明する。図２は、多値信号生成部１１４及び多値データ復号部２１４が用いる多値信号生成フォーマットの一例である。図２に示す通り、多値信号１５の各レベルには、多値基底１３の値と多値データ１４の値とが割り当てられる。ここで、図２の多値信号生成フォーマットでは、一例として、多値基底１３の多値数は８とし、多値データ１４の多値数は４としている。この場合、多値信号１５のレベルの数量は、３２（＝８×４）となる。多値基底１３の値「０，１，２，・・・７」は、多値信号１５のレベル「０，１，２，・・・３１」に、周期的に割り当てられる。多値データ１４は、或る多値基底１３の値が割当てられた複数の多値信号１５のレベル（４つのレベル）に互いに異なる多値データ１４の値が割当てられるように、多値信号１５の各レベルに割当てられる。具体的には、図２の太線で囲んだ部分に示すように、例えば、多値基底１３の値「５」が割当てられた複数の多値信号１５のレベル「５，１３，２１，２９」には、それぞれ、互いに異なる多値データ１４の値「１，２，３，０」が割当てられる。
【００３６】
ここで、図２の多値信号生成フォーマットでは、多値基底生成符号化則として、２値乱数１２を３ビット毎に２進数から１０進数に変換する符号化則を用い、また、多値データ生成符号化則として、２値データ１０を２ビット毎に２進数から１０進数に変換する符号化則を用いている。なお、２値乱数１２をｍB ビット毎に１０進数に変換し、２値データ１０をｍD ビット毎に１０進数に変換する場合には、多値基底１３の多値数は２のｍB 乗となり、多値データ１４の多値数は２のｍD 乗となる。
【００３７】
また、図２の多値信号生成フォーマットは、式１で表すことができる。
【数１】
2009017231.tif 000003
ここで、ｍｏｄ（Ａ，Ｂ）は、整数Ａを整数Ｂで割った場合の余りを示す。また、多値基底１３の多値数をＭB とし、多値基底１３の値をｉB とし、多値データ１４の多値数をＭD とし、多値データ１４の値をｉD とし、多値信号１５のレベルをＬとする。なお、多値信号１５の多値数は、ＭB とＭD の積となる。但し、式１のｉD−ｉB＋ＭDの値が負の場合には、図２の多値信号生成フォーマットは、式２で表すことができる。
【数２】
2009017231.tif 000004
この様に、各値を対応付ける数式を多値信号生成フォーマットの代わりに用いることもできる。
【００３８】
図３は、図２の多値信号生成フォーマットを用いて、多値信号１５を生成する方法について説明するための図である。以下では、２値データ１０のビットパターンが「１１」であり、２値乱数１２のビットパターンが「１０１」である場合を例に挙げて説明する。２値データ多値化部１１３は、多値データ生成符号化則に従って、２値データ１０のビットパターン「１１」から多値データ１４の値「３」を生成する。ここで、多値データ１４の値「３」が対応する多値信号１５のレベルは、図３の太枠で示す「３，７，１０，１４，１７，２１，２４，２８」である。一方、２値乱数多値化部１１２は、多値基底生成符号則に従って、２値乱数１２の値「１０１」から多値基底１３の値「５」を生成する。多値信号生成部１１４は、多値データ１４の値「３」及び多値基底１３の値「５」の両方が対応する多値信号１５のレベル「２１」を選択し（図３の矢印で示した太枠部分を参照）、当該レベルの多値信号１５を生成する。
【００３９】
図４は、正規受信者が、図２の多値信号生成フォーマットを用いて、多値データ１４と等しい多値データ２４を復号する方法について説明するための図である。以下では、レベルが「２１」の多値信号１５が変調された変調信号１６が、データ受信装置２０１へ送信される場合を例に挙げて説明する（図１参照）。変調信号１６は、復調されて多値信号２５となる。ここで、既に説明したように、データ受信装置２０１の多値信号２５は、変調信号１６を復調した際に生じる雑音を含んでいる。この雑音は、多値信号１５のレベル「２１」を中心とした所定範囲のレベルに分布（確率密度分布）する。そして、正規の多値信号１５のレベル「２１」は、この分布範囲内のいずれかのレベルに誤って判定される可能性がある。この様に変調信号１６を復調した際に生じる雑音の分布範囲を、多値誤り範囲Ｊと定義する。図４には、一例として、多値信号２５がレベル２０からレベル２２までの範囲に分布する場合（多値誤り範囲Ｊ＝３の場合）を示している。
【００４０】
多値データ復号部２１４は、多値基底２３と多値信号２５（Ｊ＝３）とを用いて、以下に説明する方法で、多値データ１４と等しい多値データ２４を復号（判定）する（図１参照）。まず、多値データ復号部２１４は、入力された多値基底２３の値「５」に対応する４つの多値信号１５のレベル「５，１３，２１，２９」を特定する（図４の太枠を参照）。次に、多値データ復号部２１４は、多値信号２５の多値誤り範囲Ｊ＝３を考慮して、特定した４つの多値信号１５のレベル「５，１３，２１，２９」のうち、「２１」を送信された多値信号１５のレベルであると判定する。次に、多値データ復号部２１４は、判定した多値信号１５のレベル「２１」に対応する多値データ１４の値「３」（図４参照）を、送信された多値データ１４の値と等しい多値データ２４の値として決定する（図１参照）。次に、２値データ復号部２１３は、多値データ生成符号化則を用いて、多値データ２４「３」をビットパターンが「１１」である２値データ２０に変換する（図１及び図４参照）。
【００４１】
この様にして、データ受信装置２０１は、データ送信装置１０１が用いる多値信号生成フォーマットと同じ信号フォーマットを用いて、鍵情報１１と等しい鍵情報２１から生成された、多値基底１３と等しい多値基底２３によって、２値データ１０と等しい２値データ２０を受信することができる（図１参照）。
【００４２】
次に、盗聴者が変調信号１６から２値データ１０の受信（復号）を試みる場合について、図４を用いて説明する。盗聴者は、正規の受信者と同様に、変調信号１６から多値信号２５を復調する。ここで、既に説明した通り、多値信号２５は、復調時に生じる雑音を含んでいる（多値誤り範囲Ｊ＝３）。また、盗聴者は、鍵情報を持たないので多値基底２３を特定できない。このことによって、多値信号２５から多値データ１４と等しい多値データ２４を復号することは、盗聴者にとって、極めて困難となる。
【００４３】
以上に説明した通り、本発明のデータ通信装置１によれば、図２に代表される多値信号生成フォーマットを用いて、伝送する情報データを２値データから多値データとすることによって、高速伝送が可能な秘密通信を実現できる。
【００４４】
なお、多値信号生成フォーマットにおいて、多値基底１３の各値に対応する複数の多値信号１５のレベルは、等間隔に配置されていることが好ましい。例えば、図２の多値信号生成フォーマットでは、多値基底１３の値「５」に対応する４つの多値信号１５のレベル「５，１３，２１，２９」は、等間隔に配置されている。同様に、他の多値基底１３の値に対応する４つの多値信号１５のレベルも、それぞれ、等間隔に配置されている。このことによって、正規受信者の誤受信を低減することができる。
【００４５】
また、図２に示す多値信号生成フォーマットのように、多値基底１３の任意の値に対応する多値データ１４の値は、互いに異なることが好ましい。このことによって、多値信号１５の多値誤り範囲Ｊには、より多くの種類の多値基底１３の値及び多値データ１４の値が含まれる。この結果として、盗聴に対する安全性は向上する。
【００４６】
また、データ送信装置１０１は、２値乱数多値化部１１２及び２値データ多値化部１１３を備えず、２値乱数１２及び２値データ１０から２値ビットパターンの論理処理によって直接的に多値信号１５を生成してもよい。この場合には、データ受信装置２０１も、２値乱数多値化部２１２及び２値データ復号部２１３を備えず、２値乱数２２及び多値信号２５から多値信号１５を生成する。図５には、この様な構成としたデータ送信装置１０１を、データ送信装置１０１ａとして示す。なお、図５において、データ送信装置１０１ははデータ送信装置１０１ａとし、データ受信装置２０１ははデータ送信装置２０１ａとし、多値信号生成部１１４は多値信号生成部１１４ａとし、多値データ復号部２１４は多値データ復号部２１４ａとしている。
【００４７】
また、以上では、データ通信装置１が光通信を行い、光電変換の際に生じるショット雑音を秘密通信に利用した。しかし、データ通信装置１が行う通信は、光通信には限られず、データ受信装置２０１で変調信号１６を復調する際に必ず雑音が生じる通信であればよい。従って、例えば、振幅変調信号、周波数変調信号、位相変調信号等を用いた通信であってもよい。この場合には、光伝送路３０の代わりに自由空間等が伝送路となる。
【００４８】
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、第１の実施形態で用いた多値信号生成フォーマット（図２参照）を変形させた多値信号生成フォーマットを用いて、正規受信者の復号性能を向上させるデータ通信装置２（図示せず）について説明する。なお、第２の実施形態に係るデータ通信装置２の構成は、第１の実施形態に係るデータ受信装置１と同じ構成であるので、その説明は省略する。
【００４９】
ここで、第１の実施形態で図４を用いて説明した、正規受信者が多値データ１４を復号する場合について考える。図４に示す通り、例えば、多値基底２３の値「５」を用いて４つの多値信号１５のレベル「５，１３，２１，２９」が特定され、多値信号２５の多値誤り範囲Ｊの拡大等によって、正規の多値信号１５のレベル「２１」に隣接するレベル「２９」が誤って多値信号１５のレベルとして判定されたとする。この場合、復号される２値データ２０の値「００」は、正規の２値データ１０の値「１１」に対して、２ビットの誤りを含んでいる。この様に、特定された多値信号１５のレベルのうち、正規のレベルに対応する２値データと、当該正規のレベルに隣接するレベルに対応する２値データとのハミング距離は、正規受信者の復号性能に影響する。ここで、ハミング距離とは、等しい文字数を持つ二つの文字列の間で、対応する位置にある異なった文字の個数である。
【００５０】
データ通信装置２は、上記した多値誤り範囲Ｊの拡大等によって生じる多値信号２５のレベルの誤判定による２値データ２０のビット誤りの数量を低減できる多値信号生成フォーマットを用いる。図６は、第２の実施形態に係るデータ通信装置２が用いる多値信号生成フォーマットの一例を示す図である。図６の多値信号生成フォーマットは、多値データ生成符号化則として、多値データ１４の任意の隣接する値にそれぞれ対応する２値データ１０の値の間でハミング距離が最小となる符号化則（例えば、Ｇｒａｙ符号化則）を用いる点で、図２の多値信号生成フォーマットと異なる。すなわち、第２の実施形態に係るデータ通信装置２は、互いに隣接する多値データ１４の値にそれぞれ対応する２値データ１０のビットパターンの間のハミング距離が、互いに隣接しない多値データ１４の値にそれぞれ対応する２値データ１０のビットパターンの間のハミング距離以下となる多値信号生成フォーマットを用いる。
【００５１】
具体的には、図６に示す通り、多値データ１４の値「０」に対応する２値データ１０の値「００」と、多値データ１４の値「３」に対応する２値データ１０の値「１０」とのハミング距離は、１となる。多値データ１４の値「３」に対応する２値データ１０の値「１０」と、多値データ１４の値「２」に対応する２値データ１０の値「１１」とのハミング距離は、１となる。多値データ１４の値「２」に対応する２値データ１０の値「１１」と、多値データ１４の値「１」に対応する２値データ１０の値「０１」とのハミング距離は、１となる。多値データ１４の値「１」に対応する２値データ１０の値「０１」と、多値データ１４の値「０」に対応する２値データ１０の値「００」とのハミング距離は、１となる。
【００５２】
ここで、一例として、図６の多値信号生成フォーマットを用いて、正規受信者が２値データ１０の値「１０」を復号する場合について考える（矢印で示す太枠を参照）。図６に示す通り、多値基底２３の値「５」を用いて４つの多値信号１５のレベル「５，１３，２１，２９」が特定される。ここで、この特定された多値信号１５のレベル「５，１３，２１，２９」はそれぞれ、多値データ１４の値「１，２，３，０」に対応する。そして、多値信号２５の多値誤り範囲Ｊの拡大等によって、正規の多値信号１５のレベル「２１」に隣接するレベル「２９」が多値信号１５のレベルとして誤って判定されたとする。この場合、復号される２値データ２０の値「００」は、正規の２値データ１０の値「１０」に対して、１ビットの誤りしか生じない。
【００５３】
以上に説明した通り、第２の実施形態に係るデータ通信装置２は、多値データ生成符号化則として、多値データ１４の任意の隣接する値にそれぞれ対応する２値データ１０の値の間でハミング距離が最小となる符号化則を多値信号生成フォーマットに用いる。このことによって、データ通信装置２は、第１の実施形態に係るデータ通信装置１と同様の効果を得つつ、更に、正規受信者の復号性能を向上させることができる。
【００５４】
（第３の実施形態）
第３の実施形態では、第２の実施形態で用いた多値信号生成フォーマット（図６参照）を変形させた多値信号生成フォーマットを用いて、盗聴に対する安全性能を向上させるデータ通信装置３（図示せず）について説明する。なお、第３の実施形態に係るデータ通信装置３の構成は、第１の実施形態に係るデータ受信装置１と同じ構成であるので、その説明は省略する。
【００５５】
ここで、第２の実施形態に係るデータ通信装置２の秘密通信を、多値信号２５の多値誤り範囲Ｊ＝３の条件において盗聴者が傍受する場合について考える。図７は、図６の多値信号生成フォーマットを用いるデータ通信装置２の盗聴に対する安全性について説明するための図である。なお、図７に示す多値信号生成フォーマットは、図６に示す多値信号生成フォーマットと同じである。図７に示す通り、正規の多値信号１５のレベルが「２１」である場合、盗聴者は、「２０，２１，２２」のいずれかを多値信号２５のレベルとして復調する。ここで、正規の多値信号１５のレベル「２１」は、２値乱数１２のビットパターン「１０１」に対応しており、誤りの多値信号１５のレベル「２０，２２」は、それぞれ、２値乱数１２のビットパターン「１００，１１０」に対応している。盗聴者が多値信号１５のレベル「２０」を多値信号２５として誤って復調した場合、盗聴者が特定する誤りの２値乱数１２のビットパターン「１００」は、正規の２値乱数１２のビットパターン「１０１」に対して１ビットの誤りを含む。また、盗聴者が多値信号１５のレベル「２２」を多値信号２５とし誤って復調した場合、盗聴者が特定する誤りの２値乱数１２のビットパターン「１１０」は、正規の２値乱数１２のビットパターン「１０１」に対して２ビットの誤りを含む。
【００５６】
つまり、図６の多値信号生成フォーマットを用いるデータ通信装置２において、盗聴者は、３ビットの２値乱数１２に対して、０〜２個のビット誤りを有する２値乱数１２を特定することとなる。盗聴に対する安全性を高めるには、盗聴者が特定する２値乱数１２が有するビット誤りの数量を増やすことが好ましい。
【００５７】
データ通信装置３は、上記した盗聴者が特定する２値乱数１２が有するビット誤りの数量を増やすことができる多値信号生成フォーマットを用いる。図８は、第３の実施形態に係るデータ通信装置３が用いる多値信号生成フォーマットの一例を示す図である。図８の多値信号生成フォーマットは、多値基底生成符号化則として、多値基底１３の任意の隣接する値にそれぞれ対応する２値乱数１２のビットパターンの間でハミング距離が大きい符号化則（例えば、ＭＨ符号化則）を用いる点で、図６の多値信号生成フォーマットと異なる。すなわち、互いに隣接する前記多値基底の値にそれぞれ対応する２値乱数のビットパターンの間のハミング距離が、互いに隣接しない前記多値基底の値にそれぞれ対応する２値乱数のビットパターンの間のハミング距離以上となる多値信号生成フォーマットを用いる。
【００５８】
図８の多値信号生成フォーマットでは、一例として、多値基底１３の値「０，１，２，３，４，５，６，７」に対して、それぞれ、２値乱数１２のビットパターン「０００，１１１，０１０，１０１，１１０，００１，１００，０１１」を割当てている。このことによって、図８の多値信号生成フォーマットにおいて、隣接する２値乱数１２のビットパターン間のハミング距離は、２〜３となる。この結果として、図８の多値信号生成フォーマットを用いるデータ通信装置３において、盗聴者は、３ビットの２値乱数１２に対して、２〜３個のビット誤りを有する２値乱数１２を特定することとなる。
【００５９】
以上に説明した通り、第３の実施形態に係るデータ通信装置３は、多値基底生成符号化則として、多値基底１３の任意の隣接する値にそれぞれ対応する２値乱数１２の値の間でハミング距離が大きい符号化則を多値信号生成フォーマットに用いる。このことによって、データ通信装置３は、第２の実施形態に係るデータ通信装置２と同様の効果を得つつ、更に、盗聴に対する安全性を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
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】
【００６１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置１の構成の一例を示すブロック図
【図２】多値信号生成部１１４及び多値データ復号部２１４が用いる多値信号生成フォーマットの一例
【図３】図２の多値信号生成フォーマットを用いて、多値信号１５を生成する方法について説明するための図
【図４】正規受信者が、図２の多値信号生成フォーマットを用いて、多値データ１４と等しい多値データ２４を復号する方法について説明するための図
【図５】本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置１の別の構成例を示すブロック図
【図６】第２の実施形態に係るデータ通信装置２が用いる多値信号生成フォーマットの一例を示す図
【図７】図６の多値信号生成フォーマットを用いるデータ通信装置２の盗聴に対する安全性について説明するための図
【図８】第３の実施形態に係るデータ通信装置３が用いる多値信号生成フォーマットの一例を示す図
【図９】Ｙ−００プロトコルを用いた従来のデータ通信装置９の構成例を示すブロック図
【図１０】Ｙ−００プロトコルを用いた従来のデータ通信装置９における多値信号９３を生成する信号フォーマットを示す図
【図１１】従来のデータ通信装置９で用いられる信号形態を説明するための模式図
【符号の説明】
【００６２】
１、１ａ、９    データ通信装置
４、２４    多値データ
１０、２０、９０、９８    ２値データ
１１、２１、９１、９６    鍵情報
１２、２２    ２値乱数
１３、２３、９２、９７    多値基底
１５、２５、８１、９３、９５    多値信号
１６、９４    変調信号
３０、９１０    光伝送路
８２    受信系列
１０１、１０１ａ、９０１    データ送信装置（送信部）
１１１、２１１    ２値乱数生成部
１１２、２１２    ２値乱数多値化部
１１３    ２値データ多値化部
１１４、１１４ａ、９１２    多値信号生成部
１１５、９１３    変調部
１１６、２１６、９１１、９１４    多値基底生成部
２０１、２０１ａ、９０２    データ受信装置（受信部）
２１３、９１６    ２値データ復号部
２１４、２１４ａ、    多値データ復号部
２１５、９１５、９２１    復調部
９０３    盗聴受信部
９２２    多値識別部
９２３    解読処理部
【図１】
2009017231.tif 000005
【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】
2009017231.tif 000011
【図８】
2009017231.tif 000012
【図９】
2009017231.tif 000013
【図１０】
2009017231.tif 000014
【図１１】
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