(57)【要約】秘密鍵方式が適用される無線通信システムにおいて、受信側無線通信装置と伝搬路環境の近似する第三者に無線信号を傍受されても、この第三者が生成する秘密鍵と異なる秘密鍵を生成することのできる無線通信装置を開示する。この装置では、秘密鍵生成部（２０７）における固有値選択部（３１７）は、固有値検出部（２０６）から入力されてくるＭＩＭＯチャネルの固有値における最大固有値を選択し、選択した最大固有値を量子化部（３２７）に入力する。量子化部（３２７）は、固有値選択部（３１７）から入力されてくる最大固有値の大きさを量子化して量子化データを生成し、生成した量子化データを鍵生成部（３３７）に入力する。鍵生成部（３３７）は、量子化部（３２７）から入力されてくる量子化データから所定の方式で秘密鍵を生成し、生成した秘密鍵を図示しない制御部等に入力する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＩＭＯチャネルの無線信号を受信する複数のアンテナと、
前記アンテナによる受信信号のチャネル推定値をチャネル毎に算出するチャネル推定手段と、
算出されたチャネル推定値からＭＩＭＯチャネルのチャネル行列を生成するチャネル行列生成手段と、
生成されたチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報を用いて秘密鍵を生成する秘密鍵生成手段と、を具備する無線通信装置。
【請求項２】
生成されたチャネル行列からＭＩＭＯチャネルの固有値を検出する固有値検出手段をさらに具備し、
前記秘密鍵生成手段は、検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値を用いて秘密鍵を生成する、請求項１記載の無線通信装置。
【請求項３】
前記秘密鍵生成手段は、検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値における最大固有値を用いて秘密鍵を生成する、請求項２記載の無線通信装置。
【請求項４】
前記秘密鍵生成手段は、検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値の総和に対する比が所定値以上である固有値を用いて秘密鍵を生成する、請求項２記載の無線通信装置。
【請求項５】
前記秘密鍵生成手段は、
検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値の大きさを量子化して量子化データを生成する量子化手段と、
生成された量子化データから鍵データを生成する鍵生成手段と、
生成された鍵データの一部を冗長データとして用いて前記鍵データを誤り訂正処理する訂正手段と、を具備する請求項２記載の無線通信装置。
【請求項６】
前記秘密鍵生成手段は、
検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値の大きさを測定し、測定された固有値の大きさに応じて、前記量子化手段の量子化ビット数を減少させる場合には、前記訂正手段に冗長データとして用いるデータ量を減少させ、一方で前記量子化手段の量子化ビット数を増加させる場合には、前記訂正手段に冗長データとして用いるデータ量を増加させる、制御手段をさらに具備する、請求項５記載の無線通信装置。
【請求項７】
前記アンテナによる受信信号がマルチキャリア信号であって、
前記チャネル推定手段は、受信されたマルチキャリア信号のチャネル推定値の周波数応答を算出し、
前記チャネル行列生成手段は、算出されたチャネル推定値の周波数応答からチャネル行列の周波数応答を生成し、
前記固有値検出手段は、生成されたチャネル行列の周波数応答からＭＩＭＯチャネルの固有値の周波数応答を検出し、
前記秘密鍵生成手段は、前記固有値検出手段によって検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値の周波数応答を用いて秘密鍵を生成する、請求項２記載の無線通信装置。
【請求項８】
ＭＩＭＯチャネルの無線信号を複数のアンテナで受信する受信ステップと、
前記アンテナによる受信信号のチャネル推定値をチャネル毎に算出するチャネル推定ステップと、
算出されたチャネル推定値からＭＩＭＯチャネルのチャネル行列を生成するチャネル行列生成ステップと、
生成されたチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報を用いて秘密鍵を生成する秘密鍵生成ステップと、を具備する無線通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、複数のアンテナ素子から送信された無線信号を複数のアンテナ素子で受信して無線通信を行うＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｏｕｔｐｕｔ）技術を利用した無線通信システムにおいて使用される無線通信装置及び無線通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  携帯電話システムや無線ＬＡＮをはじめとする移動体無線通信システムの普及に伴い、このシステム上で個人情報や企業の機密情報等の秘密情報を送受信する機会が増加している。移動体無線通信システムでは、第三者が無線信号を容易に傍受できるため、無線信号が傍受されてもその内容を盗聴されないように、暗号化技術が用いられる場合がある。【０００３】  暗号化技術の一方式に、鍵を送信側と受信側との双方で秘密裏に共有する秘密鍵方式がある。移動体無線通信システムでは、無線信号が第三者に傍受されるおそれがあるため、一方の無線通信装置が鍵を生成してその鍵を他方に無線送信することができない。そこで、双方で共通な鍵を個別に生成することが必要となる。【０００４】  このような秘密鍵方式の暗号化技術を適用した移動体無線通信システムが知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載された技術では、時分割複信（ＴＤＤ：Ｔｉｍｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｄｕｐｌｅｘ）方式を前提として、通信を行う双方において、伝搬路の遅延プロファイルを推定し、推定された遅延プロファイルの複素振幅情報、電力情報又は位相情報のいずれかを用いて秘密鍵を生成する。
【特許文献１】特開２００３−２７３８５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  しかしながら、特許文献１に記載された技術では、通信を行う双方で同じ秘密鍵が生成される確率は、受信側無線通信装置における遅延プロファイルの精度に依存するため、受信側無線通信装置における信号対雑音比（ＳＮＲ：Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ  Ｒａｔｉｏ）が小さくなると低下してしまう問題がある。【０００６】  そこで、この問題を解決するために、無線信号の送信電力を高くすることが考えられるが、そのようにすると、受信側無線通信装置と伝搬路環境の近似する第三者の受信電力までもが高くなる。このため、この第三者が受信側無線通信装置の生成した秘密鍵と同一の秘密鍵を独自に生成してしまう危険性も高くなる。【０００７】  本発明の目的は、秘密鍵方式が適用される無線通信システムにおいて、受信側無線通信装置と伝搬路環境の近似する第三者に無線信号を傍受されても、この第三者が生成する秘密鍵と異なる秘密鍵を生成することのできる無線通信装置及び無線通信方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  本発明に係る無線通信装置は、ＭＩＭＯチャネルの無線信号を受信する複数のアンテナと、前記アンテナによる受信信号のチャネル推定値をチャネル毎に算出するチャネル推定手段と、算出されたチャネル推定値からＭＩＭＯチャネルのチャネル行列を生成するチャネル行列生成手段と、生成されたチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報を用いて秘密鍵を生成する秘密鍵生成手段と、を具備する構成を採る。
【発明の効果】
【０００９】  本発明によれば、無線通信装置が、ＭＩＭＯチャネルのチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報、例えばＭＩＭＯチャネルの固有値を用いて秘密鍵を生成するため、無線信号を第三者に傍受されてもこの第三者の生成する秘密鍵と異なる秘密鍵を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】送受信アンテナが１本の場合の通信態様を示す図
【図１Ｂ】送受信アンテナが複数の場合の通信態様を示す図
【図２】本発明の実施の形態１に係る無線通信装置の構成を示すブロック図
【図３】図２に示した秘密鍵生成部の構成を示すブロック図
【図４】図１に示した無線通信装置の動作を説明するフロー図
【図５】実施の形態１におけるチャネル毎の固有値を説明する図
【図６】無線通信装置におけるアンテナ素子の総数と最大固有値の利得との相関を示す図
【図７】図３に示した固有値選択部の動作を説明する図
【図８】図３に示した固有値選択部の動作の変形例を説明する図
【図９】本発明の実施の形態２における秘密鍵生成部の構成を示すブロック図
【図１０】図９に示した秘密鍵生成部の動作を説明する図
【図１１】本発明の実施の形態３における無線通信装置の構成を示すブロック図
【図１２】図１１に示した無線通信装置の動作を説明する図
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】  本発明は、秘密鍵方式が適用される無線通信システムにおいてＭＩＭＯ技術を利用するものであって、基地局装置（ＢＳ）や通信端末装置（ＭＳ）がＭＩＭＯチャネルのチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報を用いて、秘密鍵を個別に生成するものである。【００１２】  ここで、ＭＩＭＯ技術の概要について、図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明する。図１Ａには、ＢＳとＭＳとが共にアンテナ素子を１つずつ備え、このＢＳとＭＳとの間で無線通信が行われている通信態様を示す。また、図１Ａでは、ＭＳと物理的に近い所に第三者が位置しており、ＭＳと第三者との伝搬路環境が近似しているものとする。【００１３】  そのため、図１Ａに示す通信態様では、ＢＳからＭＳに送信された無線信号が第三者に傍受されることがある。このとき、ＭＳと第三者とが共に受信信号から秘密鍵を同一方式で生成する場合には、ＭＳの受信信号と第三者の受信信号との相関が高いことから、ＭＳと第三者とがそれぞれ独自に秘密鍵を生成するとしても、生成された秘密鍵が同一となるおそれがある。【００１４】  これに対し、図１Ｂに示すようなＭＩＭＯ技術を利用した無線通信システムでは、ＢＳの備える複数のアンテナ素子とＭＳの備える複数のアンテナ素子との間にそれぞれチャネルが形成される。即ち、ＭＩＭＯチャネルが形成されることになる。このため、第三者がＭＳの近傍に位置するとしても、第三者がＢＳからＭＳに送信された全ての無線信号を傍受することは困難である上に、たとえ第三者が全ての無線信号を傍受できたとしても、第三者の傍受した全ての受信信号とＭＳの受信信号との相関は図１Ａの通信態様の場合よりも確実に低下する。【００１５】  従って、秘密鍵方式の適用される無線通信システムにおいてＭＩＭＯ技術を利用すれば、第三者による無線信号の傍受を回避し易くなる上に、たとえ第三者によって全ての無線信号を傍受されたとしても、第三者がＭＳと同一の秘密鍵を生成してしまう危険性を低下させることができる。【００１６】  以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。【００１７】  （実施の形態１）
図２は、本発明の実施の形態１に係る無線通信装置２００の構成を示すブロック図である。なお、本実施の形態では、無線通信装置２００は、無線通信システムを構成するＢＳ及び携帯電話等のＭＳに共に搭載されるものとする。【００１８】  無線通信装置２００は、複数のアンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎ、複数の受信無線処理部２０２−１〜２０２−ｎ、複数のパイロット抽出部２０３−１〜２０３−ｎ、複数のチャネル推定部２０４−１〜２０４−ｎ、チャネル行列生成部２０５、固有値検出部２０６、秘密鍵生成部２０７、パイロット発生部２１１及び複数の送信無線処理部２１２−１〜２１２−ｎを具備する。【００１９】  アンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎはそれぞれ、相手側装置における複数のアンテナ素子から送信された無線信号を捕捉して、その受信信号を受信無線処理部２０２−１〜２０２−ｎに入力する。【００２０】  受信無線処理部２０２−１〜２０２−ｎはそれぞれ、バンドパスフィルタ、アナログ／ディジタル変換器及び低雑音アンプ等を具備して、アンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎから入力されてくる受信信号に公知の受信信号処理を施し、処理後の受信信号をパイロット抽出部２０３−１〜２０３−ｎに入力する。【００２１】  パイロット抽出部２０３−１〜２０３−ｎはそれぞれ、受信無線処理部２０２−１〜２０２−ｎから入力されてくる受信信号からパイロット信号を抽出して、抽出したパイロット信号をチャネル推定部２０４−１〜２０４−ｎに入力する。【００２２】  チャネル推定部２０４−１〜２０４−ｎはそれぞれ、パイロット抽出部２０３−１〜２０３−ｎから入力されてくるパイロット信号を用いて、相手局装置における複数のアンテナ素子とアンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎとの間に形成されるチャネル毎にチャネル推定を行い、算出されたチャネル毎のチャネル推定値をチャネル行列生成部２０５に入力する。【００２３】  チャネル行列生成部２０５は、チャネル推定部２０４−１〜２０４−ｎからそれぞれ入力されてくるチャネル毎のチャネル推定値からＭＩＭＯチャネルのチャネル行列を生成し、生成したチャネル行列を固有値検出部２０６に入力する。なお、ＭＩＭＯチャネルのチャネル行列及びその生成過程の詳細については後述する。【００２４】  固有値検出部２０６は、チャネル行列生成部２０５から入力されてくるチャネル行列からＭＩＭＯチャネルの固有値を検出し、検出したＭＩＭＯチャネルの固有値を秘密鍵生成部２０７に入力する。なお、ＭＩＭＯチャネルの固有値の検出過程の詳細についても後述する。【００２５】  秘密鍵生成部２０７は、固有値検出部２０６から入力されてくるＭＩＭＯチャネルの固有値における最大固有値を選択し、選択した最大固有値を用いて秘密鍵を生成し、生成した秘密鍵を図示しない制御部等に入力する。【００２６】  パイロット発生部２１１は、既定のタイミングでパイロット信号を生成し、生成したパイロット信号を送信無線処理部２１２−１〜２１２−ｎにそれぞれ入力する。【００２７】  送信無線処理部２１２−１〜２１２−ｎはそれぞれ、バンドパスフィルタ、ディジタル／アナログ変換器及び低雑音アンプ等を具備し、パイロット発生部２１１から入力されてくるパイロッ���信号に所定の送信信号処理を施した後に、アンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎを介してパイロット信号を無線送信する。【００２８】  図３は、秘密鍵生成部２０７のより詳細な構成を示すブロック図である。秘密鍵生成部２０７は、固有値選択部３１７、量子化部３２７及び鍵生成部３３７を具備する。【００２９】  固有値選択部３１７は、固有値検出部２０６から入力されてくるＭＩＭＯチャネルの固有値における最大固有値を選択し、選択した最大固有値を量子化部３２７に入力する。【００３０】  量子化部３２７は、固有値選択部３１７から入力されてくる最大固有値の大きさを既定の量子化ビット数で量子化して量子化データを生成し、生成した量子化データを鍵生成部３３７に入力する。【００３１】  鍵生成部３３７は、量子化部３２７から入力されてくる量子化データを所定回数繰り返してデータ長を伸長する等の所定の方式で秘密鍵を生成し、生成した秘密鍵を図示しない制御部等に入力する。【００３２】  次いで、無線通信装置２００における各構成部の動作について、図４〜図７を参照しつつ説明する。【００３３】  図４は、無線通信装置２００を具備するＢＳと無線通信装置２００を具備するＭＳとにおいてそれぞれ同一の秘密鍵が生成され、これらの間で通信が開始されるまでのステップを示すフロー図である。また、図４では、ＢＳによる各ステップに枝番号「１」を付し、同様にＭＳによる各ステップに枝番号「２」を付す。なお、以下では、ＢＳとＭＳとの動作が同一であるステップについては、重複説明を避けるため、枝番号を付さずに説明する。【００３４】  ステップＳＴ４１０では、ＢＳとＭＳとが互いにアンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎそれぞれから順にパイロット信号を無線送信し、送信されたパイロット信号を受信側装置が全てのアンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎで順次受信する。【００３５】  ステップＳＴ４２０では、ＢＳとＭＳとにおいてそれぞれ、チャネル推定部２０４がＢＳのアンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎとＭＳのアンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎとの間に形成されたチャネル毎にチャネル推定を行う。【００３６】  ステップＳＴ４３０では、ＢＳとＭＳとにおいてそれぞれ、チャネル推定部２０４がステップＳＴ４２０で算出されたチャネル推定値からＭＩＭＯチャネルのチャネル行列を生成する。下記「式１」に、チャネル行列Ｈを例示する。このチャネル行列Ｈにおける各要素ｈ（ｉ，ｊ）は、送信側装置におけるｊ番目のアンテナ素子２０１−ｊから送信されて受信側装置のｉ番目のアンテナ素子２０１−ｉに受信されたパイロット信号のチャネル推定値を示す。なお、Ｍは送信側アンテナ素子の総数を示し、Ｎは受信側アンテナ素子の総数を示す。よって、本実施の形態では、Ｍ及びＮは共に「ｎ」となる。
【数１】
2006011345.tif 000002
【００３７】  ステップＳＴ４４０では、ＢＳとＭＳとにおいてそれぞれ、式１で示されるチャネル行列Ｈを用いてＭＩＭＯチャネルの固有値を検出する。この固有値の検出方法としては、例えばチャネル行列Ｈから相関行列を計算して、その相関行列を固有値・固有ベクトル分解することで固有値を算出する方法が挙げられる。また、チャネル行列を特異値分解することで得られる特異値を二乗して固有値を算出する方法等が挙げられる。本実施の形態では、前者の方法を採用する。相関行列Ｒは、チャネル行列Ｈを用いて下記「式２」で表される。なお、式２における上付き添え字「Ｈ」は共役転置であることを示す。
【数２】
2006011345.tif 000003
【００３８】  そして、相関行列Ｒは、固有値・固有ベクトル分解されると、下記「式３」で表される。なお、式３における「Λ」は「ＭＩＭＯチャネルの固有値」を示し、「Ｖ」はＭＩＭＯチャネルの固有ベクトルを示す。
【数３】
2006011345.tif 000004
【００３９】  図５に、ＭＩＭＯチャネルの固有値と各チャネルとの関係の意義を示す。ＭＩＭＯ技術では、ＢＳとＭＳとの間に存在する平均電力が同じ複数のチャネルは、複数の固有空間に変換できる。そして、その固有空間の電力を表すものがＭＩＭＯチャネルの固有値である。より具体的には、ＭＩＭＯチャネルの固有値とは、図５下段に示すように、ＢＳのアンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎとＭＳのアンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎとの間にそれぞれ一対一のチャネルが形成されるとみなすために必要な条件であると言える。ここで、式３におけるＭＩＭＯチャネルの固有値Λにおける固有空間毎の固有値λを大きい方から順に並べると、下記「式４」で示すようになる。
【数４】
2006011345.tif 000005
【００４０】  式４において、λｉ（１＜＝ｉ＜＝Ｌ）はＭＩＭＯチャネルの固有値Λにおけるｉ番目の大きさの固有空間の固有値を示し、Ｌはチャネル行列のランク（階数）、即ちＢＳのアンテナ素子の総数とＭＳのアンテナ素子の総数との少ない方の総数を示す。なお、本実施の形態では、式４におけるＬはｎとなる。また、この固有空間毎の固有値λの大きさは固有空間の電力を表すため、受信側装置における固有空間の固有値λの総和は、受信総電力に相当することになる。従って、総電力をＰｔｏｔａｌ、Ｌ＝Ｎとすると、下記「式５」に示す関係が成り立つ。
【数５】
2006011345.tif 000006
【００４１】  また、受信側装置におけるアンテナ素子毎の平均受信電力をＰａｖｅとすると、総電力ＰｔｏｔａｌとＰａｖｅとの間には、下記「式６」に示す関係が成り立つ。
【数６】
2006011345.tif 000007
【００４２】  式４に示すように、固有空間の固有値λの大きさは分散するため、λｉ＞Ｐａｖｅとなる固有値が必ず存在する。そして、受信側アンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎ毎の平均受信電力に対する最大固有値の大きさの利得は、図６に示すように、受信側アンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎの総数が増えるほど増大する。従って、本実施の形態では、図７に示すように、固有値選択部３１７がチャネル行列Ｈから生成されるＭＩＭＯチャネルの固有値Λにおける最大固有値λｉを選択することにより、受信側アンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎ毎の平均ＳＮＲよりも高いＳＮＲを確実に実現することができる。【００４３】  ステップＳＴ４５０では、ＢＳとＭＳとにおいてそれぞれ、ステップＳＴ４４０で選択された最大固有値を用いて秘密鍵が生成される。ステップＳＴ４５０では、量子化部３２７が固有値選択部３１７から入力されてくる最大固有値の大きさを既定の量子化ビット数で量子化して量子化データを生成し、生成した量子化データを鍵生成部３３７に入力する。そして、鍵生成部３３７は、この量子化データを既定の方式で繰り返したり、入れ替えたりして秘密鍵を生成する。【００４４】  ステップＳＴ４６０では、ＢＳとＭＳとがそれぞれ、個別に生成した秘密鍵が同一であるか否かを相互に確認する。本実施の形態では、ＢＳとＭＳとがそれぞれ個別に生成した秘密鍵に復元不可能な不可逆変換を施し、ＢＳがＭＳに対してこの不可逆変換を施した信号を無線送信する。そして、ＭＳが、受信したこの信号と自装置で不可逆変換を施した信号とを対比して、それらの不可逆変換を施された信号が一致するか確認し、その確認結果を示す確認信号をＢＳに無線送信する。ちなみに、このような不可逆変換を施された信号としてハッシュ関数が例示される。【００４５】  ステップＳＴ４７０−１では、ＢＳは、ＭＳから送信されてくる確認信号が不可逆変換を施された信号同士が一致することを示す場合には、引き続きステップＳＴ４８０−１を実行する。一方で、ＢＳは、ＭＳから送信されてくる確認信号が不可逆変換を施された信号同士が一致しないことを示す場合には、自装置で生成した秘密鍵を破棄して、再度ステップＳＴ４１０−１から実行し直す。【００４６】  同様に、ステップＳＴ４７０−２では、ＭＳは、不可逆変換された信号同士が一致する場合には、引き続きステップＳＴ４８０−２を実行し、一方で不可逆変換された信号同士が一致しない場合には、自装置の生成した秘密鍵を破棄して、再度ステップＳＴ４１０−２を実行し直す。【００４７】  ステップＳＴ４８０では、ＢＳとＭＳとがそれぞれ、個別に生成した秘密鍵を用いて無線通信を開始する。【００４８】  このように、本実施の形態に係る無線通信装置２００によれば、秘密鍵生成部２０７がＭＩＭＯチャネルの固有値における最大固有値を選択し、この最大固有値を用いて秘密鍵を生成するため、アンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎ毎の平均ＳＮＲよりも高いＳＮＲを実現できることから、自装置と相手側装置との生成する秘密鍵が一致する確率を向上させることができる。【００４９】  なお、本実施の形態に係る無線通信装置２００について、次のように応用したり、変形したりしてもよい。【００５０】  本実施の形態に係る無線通信装置２００では、固有値選択部３１７が固有値検出部２０６から入力されてくるＭＩＭＯチャネルの固有値における最大固有値を選択する場合について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではなく、例えば固有値選択部３１７が固有値検出部２０６から入力されてくるＭＩＭＯチャネルの固有値の総和に対する比が所定値以上である固有値、即ち固有空間の固有値を選択し、図８に示す例ではＭＩＭＯチャネルの固有値における大きい方から順に３つの固有値を選択し、選択した固有値を量子化部３２７に入力するようにしてもよい。このようにすれば、量子化部３２７が量子化ビット数を増やすことなく量子化データのデータ量を増やすことができるため、ＢＳとＭＳとが個別に生成する秘密鍵の一致する確率を低下させることなく、秘密鍵の安全性を向上させることができる。【００５１】  また、本実施の形態では、ステップＳＴ４１０においてＢＳ及びＭＳがアンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎそれぞれから順にパイロット信号を無線送信する場合について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではなく、例えばステップＳＴ４１０においてＢＳ及びＭＳがアンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎそれぞれに固有の拡散符号を割り当てて、それらの拡散符号によって符号分割されたパイロット信号をアンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎそれぞれから同時に無線送信するようにしてもよい。このようにすれば、受信側装置において、一つの受信信号がチャネル別に符号分割多重されていることになるため、パイロット信号の送受信に要する時間を短縮して秘密鍵を用いた通信を早期に開始することができる。【００５２】  （実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、無線通信装置２００が生成した秘密鍵に誤り訂正復号処理を行い、さらにその誤り訂正能力を最大固有値の大きさを基準にして制御する。そのため、本実施の形態に係る無線通信装置２００は、実施の形態１に係る無線通信装置２００における秘密鍵生成部２０７の代わりに図９に示す秘密鍵生成部９０７を具備する。以下、本実施の形態について、重複を避けるため、実施の形態１と相違する点についてのみ説明する。【００５３】  図９は、本実施の形態における秘密鍵生成部９０７の構成を示すブロック図である。秘密鍵生成部９０７は、固有値選択部３１７、量子化部３２７、鍵生成部３３７、不一致訂正制御部９１７及び不一致訂正部９２７を具備する。【００５４】  不一致訂正制御部９１７は、固有値選択部３１７から入力されてくる最大固有値の大きさに基づいて、量子化部３２７に対して量子化ビット数を増減するように指示すると伴に、不一致訂正部９２７に対しても誤り訂正処理に利用する冗長データのデータ量を増減するように指示する。【００５５】  不一致訂正部９２７は、鍵生成部３３７から入力されてくる秘密鍵について、誤り訂正符号化処理された信号とみなして、そのデータの一部、即ち不一致訂正制御部９１７から指示されたデータ量を冗長データとして扱うことにより、誤り訂正復号処理を行う。そして、不一致訂正部９２７は、誤り訂正復号処理後の秘密鍵を図示しない制御部等に入力する。なお、不一致訂正部９２７は、不一致訂正制御部９１７から冗長データとして利用するデータの位置を指示された場合には、その指示に従って秘密鍵に誤り訂正処理を施す。【００５６】  次いで、秘密鍵生成部９０７の動作について、不一致訂正制御部９１７の動作を中心に図１０を用いて詳細に説明する。【００５７】  不一致訂正制御部９１７は、固有値選択部３１７から入力されてくる最大固有値の大きさに応じて、最大固有値が大きい場合（図１０左枠内）には、量子化部３２７に対して量子化ビット数を減らして、生成する量子化データのデータ量を抑制するように指示する。また、不一致訂正部９２７に対して鍵生成部３３７から入力されてくる秘密鍵に含まれる抑制された冗長データのデータ量を通知する。【００５８】  ここで、不一致訂正制御部９１７における最大固有値の大小の判定方法としては、例えばＭＩＭＯチャネルの固有値における固有空間毎の固有値の総和に対する最大固有値の大きさの割合で判定する方法が挙げられる。また、アンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎの平均受信電力に対する最大固有値の大きさで判定する方法等が挙げられる。【００５９】  固有値選択部３１７から入力されてくる最大固有値が大きいと不一致訂正制御部９１７が判定した場合は、その最大固有値について雑音の影響が小さい、即ちＳＮＲが大きいことを意味するので、量子化部３２７における量子化ビット数を増やす必要はない。【００６０】  一方で、不一致訂正制御部９１７は、固有値選択部３１７から入力されてくる最大固有値が小さい場合（図１０右枠内）には、量子化部３２７に対して量子化ビット数を増やして、生成する量子化データのデータ量を増大するように指示する。また、不一致訂正部９２７に対して鍵生成部３３７から入力��れてくる秘密鍵に含まれる増大された冗長データのデータ量を通知する。【００６１】  固有値選択部３１７に入力されてくる最大固有値が小さいと不一致訂正制御部９１７が判定した場合には、その最大固有値については雑音の影響が大きい、即ちＳＮＲが小さいことを意味するので、この雑音に由来する秘密鍵に潜在する誤差を訂正する必要が生じる。そこで、この場合には、不一致訂正制御部９１７は、量子化部３２７における量子化ビット数を増大させて秘密鍵に含まれる冗長データのデータ量を増やすことにより、不一致訂正部９２７による秘密鍵の誤り訂正能力を向上させる。【００６２】  このように、本実施の形態に係る無線通信装置２００によれば、秘密鍵生成部９０７において秘密鍵を誤り訂正符号化処理された信号とみなして誤り訂正復号処理するため、自装置と相手側装置とで個別に生成された秘密鍵同士が一致する確率をさらに向上させることができる。【００６３】  また、本実施の形態では、不一致訂正制御部９１７が量子化部３２７における量子化ビット数と不一致訂正部９２７での冗長データのデータ量と共に制御するため、誤り訂正復号処理後の秘密鍵のデータ長（ビット数）を一定に保つことができ、図示しない制御部等における信号処理の負荷の増大を抑制することができる。【００６４】  （実施の形態３）
一般に、秘密鍵は、そのデータ長が長いほど安全性が向上する。そこで、本発明に係る実施の形態３では、無線通信装置１１００がＭＩＭＯチャネルの固有値の周波数応答を検出して、その固有値の周波数応答を組み合わせて秘密鍵を生成することにより、秘密鍵のデータ長を長くしてその安全性を高める態様について説明する。【００６５】  本実施の形態に係る無線通信装置１１００は、実施の形態１に係る無線通信装置２００における各構成部と同様の機能を発揮する構成部を多く具備する。そこで、本実施の形態では、重複を避けるため、実施の形態１と実質的に相違する点についてのみ説明する。【００６６】  図１１は、本実施の形態に係る無線通信装置１１００の構成を示すブロック図である。無線通信装置１１００は、実施の形態１に係る無線通信装置２００において、チャネル推定部２０４−１〜２０４−ｎの代わりにチャネル周波数応答推定部１１０４−１〜１１０４−ｎを、またチャネル行列生成部２０５の代わりにチャネル行列周波数応答生成部１１０５を、また固有値検出部２０６の代わりに固有値周波数応答検出部１１０６を、また秘密鍵生成部２０７の代わりに秘密鍵生成部１１０７を具備するものである。また、本実施の形態では、無線信号としてマルチキャリア信号、例えばＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）信号が使用される。【００６７】  チャネル周波数応答推定部１１０４−１〜１１０４−ｎはそれぞれ、パイロット抽出部２０３−１〜２０３−ｎから入力されてくるパイロット信号のインパルス応答からチャネル毎の周波数応答を推定する。具体的には、チャネル周波数応答推定部１１０４−１〜１１０４−ｎは、パイロット信号であるＯＦＤＭ信号のチャネル推定値の周波数応答、即ちＯＦＤＭ信号のチャネル毎で、かつ、サブキャリア毎のチャネル推定値を算出する。チャネル周波数応答推定部１１０４−１〜１１０４−ｎは、算出したチャネル推定値の周波数応答をチャネル行列周波数応答生成部１１０５に入力する。【００６８】  チャネル行列周波数応答生成部１１０５は、チャネル周波数応答推定部１１０４−１〜１１０４−ｎから入力されてくるチャネル推定値の周波数応答からチャネル行列の周波数応答、即ちＯＦＤＭ信号のチャネル毎で、かつ、サブキャリア毎のチャネル推定値を要素とするＭＩＭＯチャネルのチャネル行列を生成する。そして、チャネル行列周波数応答生成部１１０５は、生成したチャネル行列の周波数応答を固有値周波数応答検出部１１０６に入力する。【００６９】  固有値周波数応答検出部１１０６は、チャネル行列周波数応答生成部１１０５から入力されてくるチャネル行列の周波数応答を用いてＭＩＭＯチャネルの固有値の周波数応答、即ちＯＦＤＭ信号のチャネル毎で、かつ、サブキャリア毎の固有値の集合を検出する。そして、固有値周波数応答検出部１１０６は、検出したＭＩＭＯチャネルの固有値の周波数応答を秘密鍵生成部１１０７に入力する。【００７０】  秘密鍵生成部１１０７は、固有値周波数応答検出部１１０６から入力されてくるＭＩＭＯチャネルの固有値の周波数応答を用いて秘密鍵を生成する。この秘密鍵生成部１１０７における秘密鍵の生成の具体的態様について、次に説明する。【００７１】  図１２に、秘密鍵生成部１１０７の動作をより具体的に示す。図１２の上段には、固有値周波数応答検出部１１０６から入力されてくるＭＩＭＯチャネルの固有値の周波数応答における特定固有空間の固有値の周波数応答が記載されている。なお、ＭＩＭＯチャネルの固有値の周波数応答から図１２の上段に示す特定固有空間の固有値の周波数応答を選択する態様としては、例えば固有空間毎の固有値の周波数応答の平均値が最大の固有空間を選択する態様が挙げられる。【００７２】  また、秘密鍵生成部１１０７は、選択した特定固有空間の固有値の周波数応答について、各周波数、即ちサブキャリア毎の固有値の大きさを既定の量子化ビット数で量子化して量子化データを生成する。ここで、秘密鍵生成部１１０７は、量子化ビット数を決定する際に、特定固有空間のサブキャリア毎の固有値のＳＮＲを参照して量子化の幅を雑音の大きさよりも十分大きくとることにより、雑音の影響の小さい量子化データを生成することができる。【００７３】  そして、秘密鍵生成部１１０７は、生成した量子化データを適宜選択して組み合わせることにより、データ長が長く安全性の高い秘密鍵を生成することができる。また、秘密鍵生成部１１０７は、この量子化データを適宜選択して組み合わせる際に、ＳＮＲが高い固有値から生成された量子化データのみを選択することにより、自装置と相手側装置とで個別に生成された秘密鍵が一致する確立を向上させることができる。【００７４】  このように、本実施の形態に係る無線通信装置１１００によれば、ＭＩＭＯチャネルの固有値における特定固有空間の固有値の周波数応答から量子化データが生成されるため、雑音の影響が少ない良質な量子化データを多量に得ることができる。さらに、この良質な多量の量子化データを用いて秘密鍵が生成されるため、秘密鍵のデータ長を長くすることができ、その安全性を高めることができる。【００７５】  なお、本実施の形態では、秘密鍵のデータ長を長くするために、周波数応答を用いて多量の量子化データを得ているが、時間応答を用いて多量の量子化データを得ることも可能である。つまり、長い時間にわたりＭＩＭＯチャネルの固有値を得ることで、多量の量子化データを得ることができ、本実施の形態と同様に、秘密鍵のデータ長を長くすることができ、その安全性を高めることができる。【００７６】  なお、前記各実施の形態では、ＭＩＭＯチャネルのチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報としてＭＩＭＯチャネルの固有値を用いる場合について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではなく、例えばチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報としてチャネル間の相関関係を示す相関係数、チャネル行列同士の相関関係を示す相関行列又は固有値分解で得られる固有ベクトルを用いてもよい。【００７７】  前記各実施の形態では、本発明をハードウェアで構成する場合を例にとって説明したが、本発明はソフトウェアで実現することも可能である。【００７８】  また、前記各実施の形態の説明に用いた各機能ブロックは、典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現される。これらは個別に１チ��プ化されてもよいし、一部または全てを含むように１チップ化されてもよい。ここでは、ＬＳＩとしたが、集積度の違いにより、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩと呼称されることもある。【００７９】  また、集積回路化の手法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサで実現してもよい。ＬＳＩ製造後に、プログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）や、ＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサーを利用してもよい。【００８０】  さらには、半導体技術の進歩または派生する別技術によりＬＳＩに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックの集積化を行ってもよい。バイオ技術の適応等が可能性としてありえる。【００８１】  本発明の第１の態様は、ＭＩＭＯチャネルの無線信号を受信する複数のアンテナと、前記アンテナによる受信信号のチャネル推定値をチャネル毎に算出するチャネル推定手段と、算出されたチャネル推定値からＭＩＭＯチャネルのチャネル行列を生成するチャネル行列生成手段と、生成されたチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報を用いて秘密鍵を生成する秘密鍵生成手段と、を具備する無線通信装置である。【００８２】  本発明の第２の態様は、前記発明において、生成されたチャネル行列からＭＩＭＯチャネルの固有値を検出する固有値検出手段をさらに具備し、前記秘密鍵生成手段は、検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値を用いて秘密鍵を生成する、無線通信装置である。【００８３】  本発明の第３の態様は、前記発明において、前記秘密鍵生成手段は、検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値における最大固有値を用いて秘密鍵を生成する、無線通信装置である。【００８４】  本発明の第４の態様は、前記発明において、前記秘密鍵生成手段は、検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値の総和に対する比が所定値以上である固有値を用いて秘密鍵を生成する、無線通信装置である。【００８５】  本発明の第５の態様は、前記発明において、前記秘密鍵生成手段は、検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値の大きさを量子化して量子化データを生成する量子化手段と、生成された量子化データから鍵データを生成する鍵生成手段と、生成された鍵データの一部を冗長データとして用いて前記鍵データを誤り訂正処理する訂正手段と、を具備する無線通信装置である。【００８６】  本発明の第６の態様は、前記発明において、前記秘密鍵生成手段は、検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値の大きさを測定し、測定された固有値の大きさに応じて、前記量子化手段の量子化ビット数を減少させる場合には、前記訂正手段に冗長データとして用いるデータ量を減少させ、一方で前記量子化手段の量子化ビット数を増加させる場合には、前記訂正手段に冗長データとして用いるデータ量を増加させる、制御手段をさらに具備する無線通信装置である。【００８７】  本発明の第７の態様は、前記発明において、前記アンテナによる受信信号がマルチキャリア信号であって、前記チャネル推定手段は、受信されたマルチキャリア信号のチャネル推定値の周波数応答を算出し、前記チ��ネル行列生成手段は、算出されたチャネル推定値の周波数応答からチャネル行列の周波数応答を生成し、前記固有値検出手段は、生成されたチャネル行列の周波数応答からＭＩＭＯチャネルの固有値の周波数応答を検出し、前記秘密鍵生成手段は、前記固有値検出手段によって検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値の周波数応答を用いて秘密鍵を生成する、無線通信装置である。【００８８】  本発明の第８の態様は、ＭＩＭＯチャネルの無線信号を複数のアンテナで受信する受信ステップと、前記アンテナによる受信信号のチャネル推定値をチャネル毎に算出するチャネル推定ステップと、算出されたチャネル推定値からＭＩＭＯチャネルのチャネル行列を生成するチャネル行列生成ステップと、生成されたチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報を用いて秘密鍵を生成する秘密鍵生成ステップと、を具備する無線通信方法である。【００８９】  本明細書は、２００４年７月２９日出願の特願２００４−２２２３８９に基づくものである。この内容は全てここに含めておく。
【産業上の利用可能性】
【００９０】  本発明に係る無線通信装置は、ＭＩＭＯ技術の特性を活用することによって無線信号を第三者に傍受されてもこの第三者の生成する秘密鍵と異なる秘密鍵を生成することができるという効果を有し、ＭＩＭＯ技術を利用した無線通信システムで使用される無線通信方法等として有用である。
【図１Ａ】
2006011345.tif 000008
【図１Ｂ】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年1月17日(2007.1.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＩＭＯチャネルの無線信号を受信する複数のアンテナと、
前記アンテナによる受信信号のチャネル推定値をチャネル毎に算出するチャネル推定手段と、
算出されたチャネル推定値からＭＩＭＯチャネルのチャネル行列を生成するチャネル行列生成手段と、
生成されたチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報を用いて秘密鍵を生成する秘密鍵生成手段と、
を具備する無線通信装置。
【請求項２】
生成されたチャネル行列からＭＩＭＯチャネルの固有値を検出する固有値検出手段をさらに具備し、
前記秘密鍵生成手段は、検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値を用いて秘密鍵を生成する、
請求項１記載の無線通信装置。
【請求項３】
前記秘密鍵生成手段は、検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値における最大固有値を用いて秘密鍵を生成する、
請求項２記載の無線通信装置。
【請求項４】
前記秘密鍵生成手段は、検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値の総和に対する比が所定値以上である固有値を用いて秘密鍵を生成する、
請求項２記載の無線通信装置。
【請求項５】
前記秘密鍵生成手段は、
検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値の大きさを量子化して量子化データを生成する量子化手段と、
生成された量子化データから鍵データを生成する鍵生成手段と、
生成された鍵データの一部を冗長データとして用いて前記鍵データを誤り訂正処理する訂正手段と、
を具備する請求項２記載の無線通信装置。
【請求項６】
前記秘密鍵生成手段は、
検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値の大きさを測定し、測定された固有値の大きさに応じて、前記量子化手段の量子化ビット数を減少させる場合には、前記訂正手段に冗長データとして用いるデータ量を減少させ、一方で前記量子化手段の量子化ビット数を増加させる場合には、前記訂正手段に冗長データとして用いるデータ量を増加させる、制御手段をさらに具備する、
請求項５記載の無線通信装置。
【請求項７】
前記アンテナによる受信信号がマルチキャリア信号であって、
前記チャネル推定手段は、受信されたマルチキャリア信号のチャネル推定値の周波数応答を算出し、
前記チャネル行列生成手段は、算出されたチャネル推定値の周波数応答からチャネル行列の周波数応答を生成し、
前記固有値検出手段は、生成されたチャネル行列の周波数応答からＭＩＭＯチャネルの固有値の周波数応答を検出し、
前記秘密鍵生成手段は、前記固有値検出手段によって検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値の周波数応答を用いて秘密鍵を生成する、
請求項２記載の無線通信装置。
【請求項８】
ＭＩＭＯチャネルの無線信号を複数のアンテナで受信する受信ステップと、
前記アンテナによる受信信号のチャネル推定値をチャネル毎に算出するチャネル推定ステップと、
算出されたチャネル推定値からＭＩＭＯチャネルのチャネル行列を生成するチャネル行列生成ステップと、
生成されたチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報を用いて秘密鍵を生成する秘密鍵生成ステップと、
を具備する無線通信方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のアンテナ素子から送信された無線信号を複数のアンテナ素子で受信して無線通信を行うＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）技術を利用した無線通信システムにおいて使用される無線通信装置及び無線通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話システムや無線ＬＡＮをはじめとする移動体無線通信システムの普及に伴い、このシステム上で個人情報や企業の機密情報等の秘密情報を送受信する機会が増加している。移動体無線通信システムでは、第三者が無線信号を容易に傍受できるため、無線信号が傍受されてもその内容を盗聴されないように、暗号化技術が用いられる場合がある。
【０００３】
暗号化技術の一方式に、鍵を送信側と受信側との双方で秘密裏に共有する秘密鍵方式がある。移動体無線通信システムでは、無線信号が第三者に傍受されるおそれがあるため、一方の無線通信装置が鍵を生成してその鍵を他方に無線送信することができない。そこで、双方で共通な鍵を個別に生成することが必要となる。
【０００４】
このような秘密鍵方式の暗号化技術を適用した移動体無線通信システムが知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載された技術では、時分割複信（ＴＤＤ：Time Division Duplex）方式を前提として、通信を行う双方において、伝搬路の遅延プロファイルを推定し、推定された遅延プロファイルの複素振幅情報、電力情報又は位相情報のいずれかを用いて秘密鍵を生成する。
【特許文献１】特開２００３−２７３８５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された技術では、通信を行う双方で同じ秘密鍵が生成される確率は、受信側無線通信装置における遅延プロファイルの精度に依存するため、受信側無線通信装置における信号対雑音比（ＳＮＲ：Signal-to-Noise Ratio）が小さくなると低下してしまう問題がある。
【０００６】
そこで、この問題を解決するために、無線信号の送信電力を高くすることが考えられるが、そのようにすると、受信側無線通信装置と伝搬路環境の近似する第三者の受信電力までもが高くなる。このため、この第三者が受信側無線通信装置の生成した秘密鍵と同一の秘密鍵を独自に生成してしまう危険性も高くなる。
【０００７】
本発明の目的は、秘密鍵方式が適用される無線通信システムにおいて、受信側無線通信装置と伝搬路環境の近似する第三者に無線信号を傍受されても、この第三者が生成する秘密鍵と異なる秘密鍵を生成することのできる無線通信装置及び無線通信方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る無線通信装置は、ＭＩＭＯチャネルの無線信号を受信する複数のアンテナと、前記アンテナによる受信信号のチャネル推定値をチャネル毎に算出するチャネル推定手段と、算出されたチャネル推定値からＭＩＭＯチャネルのチャネル行列を生成するチャネル行列生成手段と、生成されたチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報を用いて秘密鍵を生成する秘密鍵生成手段と、を具備する構成を採る。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、無線通信装置が、ＭＩＭＯチャネルのチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報、例えばＭＩＭＯチャネルの固有値を用いて秘密鍵を生成するため、無線信号を第三者に傍受されてもこの第三者の生成する秘密鍵と異なる秘密鍵を生成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、秘密鍵方式が適用される無線通信システムにおいてＭＩＭＯ技術を利用するものであって、基地局装置（ＢＳ）や通信端末装置（ＭＳ）がＭＩＭＯチャネルのチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報を用いて、秘密鍵を個別に生成するものである。
【００１１】
ここで、ＭＩＭＯ技術の概要について、図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明する。図１Ａには、ＢＳとＭＳとが共にアンテナ素子を１つずつ備え、このＢＳとＭＳとの間で無線通信が行われている通信態様を示す。また、図１Ａでは、ＭＳと物理的に近い所に第三者が位置しており、ＭＳと第三者との伝搬路環境が近似しているものとする。
【００１２】
そのため、図１Ａに示す通信態様では、ＢＳからＭＳに送信された無線信号が第三者に傍受されることがある。このとき、ＭＳと第三者とが共に受信信号から秘密鍵を同一方式で生成する場合には、ＭＳの受信信号と第三者の受信信号との相関が高いことから、ＭＳと第三者とがそれぞれ独自に秘密鍵を生成するとしても、生成された秘密鍵が同一となるおそれがある。
【００１３】
これに対し、図１Ｂに示すようなＭＩＭＯ技術を利用した無線通信システムでは、ＢＳの備える複数のアンテナ素子とＭＳの備える複数のアンテナ素子との間にそれぞれチャネルが形成される。即ち、ＭＩＭＯチャネルが形成されることになる。このため、第三者がＭＳの近傍に位置するとしても、第三者がＢＳからＭＳに送信された全ての無線信号を傍受することは困難である上に、たとえ第三者が全ての無線信号を傍受できたとしても、第三者の傍受した全ての受信信号とＭＳの受信信号との相関は図１Ａの通信態様の場合よりも確実に低下する。
【００１４】
従って、秘密鍵方式の適用される無線通信システムにおいてＭＩＭＯ技術を利用すれば、第三者による無線信号の傍受を回避し易くなる上に、たとえ第三者によって全ての無線信号を傍受されたとしても、第三者がＭＳと同一の秘密鍵を生成してしまう危険性を低下させることができる。
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図２は、本発明の実施の形態１に係る無線通信装置２００の構成を示すブロック図である。なお、本実施の形態では、無線通信装置２００は、無線通信システムを構成するＢＳ及び携帯電話等のＭＳに共に搭載されるものとする。
【００１７】
無線通信装置２００は、複数のアンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎ、複数の受信無線処理部２０２−１〜２０２−ｎ、複数のパイロット抽出部２０３−１〜２０３−ｎ、複数のチャネル推定部２０４−１〜２０４−ｎ、チャネル行列生成部２０５、固有値検出部２０６、秘密鍵生成部２０７、パイロット発生部２１１及び複数の送信無線処理部２１２−１〜２１２−ｎを具備する。
【００１８】
アンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎはそれぞれ、相手側装置における複数のアンテナ素子から送信された無線信号を捕捉して、その受信信号を受信無線処理部２０２−１〜２０２−ｎに入力する。
【００１９】
受信無線処理部２０２−１〜２０２−ｎはそれぞれ、バンドパスフィルタ、アナログ／ディジタル変換器及び低雑音アンプ等を具備して、アンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎから入力されてくる受信信号に公知の受信信号処理を施し、処理後の受信信号をパイロット抽出部２０３−１〜２０３−ｎに入力する。
【００２０】
パイロット抽出部２０３−１〜２０３−ｎはそれぞれ、受信無線処理部２０２−１〜２０２−ｎから入力されてくる受信信号からパイロット信号を抽出して、抽出したパイロット信号をチャネル推定部２０４−１〜２０４−ｎに入力する。
【００２１】
チャネル推定部２０４−１〜２０４−ｎはそれぞれ、パイロット抽出部２０３−１〜２０３−ｎから入力されてくるパイロット信号を用いて、相手局装置における複数のアンテナ素子とアンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎとの間に形成されるチャネル毎にチャネル推定を行い、算出されたチャネル毎のチャネル推定値をチャネル行列生成部２０５に入力する。
【００２２】
チャネル行列生成部２０５は、チャネル推定部２０４−１〜２０４−ｎからそれぞれ入力されてくるチャネル毎のチャネル推定値からＭＩＭＯチャネルのチャネル行列を生成し、生成したチャネル行列を固有値検出部２０６に入力する。なお、ＭＩＭＯチャネルのチャネル行列及びその生成過程の詳細については後述する。
【００２３】
固有値検出部２０６は、チャネル行列生成部２０５から入力されてくるチャネル行列からＭＩＭＯチャネルの固有値を検出し、検出したＭＩＭＯチャネルの固有値を秘密鍵生成部２０７に入力する。なお、ＭＩＭＯチャネルの固有値の検出過程の詳細についても後述する。
【００２４】
秘密鍵生成部２０７は、固有値検出部２０６から入力されてくるＭＩＭＯチャネルの固有値における最大固有値を選択し、選択した最大固有値を用いて秘密鍵を生成し、生成した秘密鍵を図示しない制御部等に入力する。
【００２５】
パイロット発生部２１１は、既定のタイミングでパイロット信号を生成し、生成したパイロット信号を送信無線処理部２１２−１〜２１２−ｎにそれぞれ入力する。
【００２６】
送信無線処理部２１２−１〜２１２−ｎはそれぞれ、バンドパスフィルタ、ディジタル／アナログ変換器及び低雑音アンプ等を具備し、パイロット発生部２１１から入力されてくるパイロット信号に所定の送信信号処理を施した後に、アンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎを介してパイロット信号を無線送信する。
【００２７】
図３は、秘密鍵生成部２０７のより詳細な構成を示すブロック図である。秘密鍵生成部２０７は、固有値選択部３１７、量子化部３２７及び鍵生成部３３７を具備する。
【００２８】
固有値選択部３１７は、固有値検出部２０６から入力されてくるＭＩＭＯチャネルの固有値における最大固有値を選択し、選択した最大固有値を量子化部３２７に入力する。
【００２９】
量子化部３２７は、固有値選択部３１７から入力されてくる最大固有値の大きさを既定の量子化ビット数で量子化して量子化データを生成し、生成した量子化データを鍵生成部３３７に入力する。
【００３０】
鍵生成部３３７は、量子化部３２７から入力されてくる量子化データを所定回数繰り返してデータ長を伸長する等の所定の方式で秘密鍵を生成し、生成した秘密鍵を図示しない制御部等に入力する。
【００３１】
次いで、無線通信装置２００における各構成部の動作について、図４〜図７を参照しつつ説明する。
【００３２】
図４は、無線通信装置２００を具備するＢＳと無線通信装置２００を具備するＭＳとにおいてそれぞれ同一の秘密鍵が生成され、これらの間で通信が開始されるまでのステップを示すフロー図である。また、図４では、ＢＳによる各ステップに枝番号「１」を付し、同様にＭＳによる各ステップに枝番号「２」を付す。なお、以下では、ＢＳとＭＳとの動作が同一であるステップについては、重複説明を避けるため、枝番号を付さずに説明する。
【００３３】
ステップＳＴ４１０では、ＢＳとＭＳとが互いにアンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎそれぞれから順にパイロット信号を無線送信し、送信されたパイロット信号を受信側装置が全てのアンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎで順次受信する。
【００３４】
ステップＳＴ４２０では、ＢＳとＭＳとにおいてそれぞれ、チャネル推定部２０４がＢＳのアンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎとＭＳのアンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎとの間に形成されたチャネル毎にチャネル推定を行う。
【００３５】
ステップＳＴ４３０では、ＢＳとＭＳとにおいてそれぞれ、チャネル推定部２０４がステップＳＴ４２０で算出されたチャネル推定値からＭＩＭＯチャネルのチャネル行列を生成する。下記「式１」に、チャネル行列Ｈを例示する。このチャネル行列Ｈにおける各要素ｈ（ｉ，ｊ）は、送信側装置におけるｊ番目のアンテナ素子２０１−ｊから送信されて受信側装置のｉ番目のアンテナ素子２０１−ｉに受信されたパイロット信号のチャネル推定値を示す。なお、Ｍは送信側アンテナ素子の総数を示し、Ｎは受信側アンテナ素子の総数を示す。よって、本実施の形態では、Ｍ及びＮは共に「ｎ」となる。
【数１】
2006011345.tif 000021
【００３６】
ステップＳＴ４４０では、ＢＳとＭＳとにおいてそれぞれ、式１で示されるチャネル行列Ｈを用いてＭＩＭＯチャネルの固有値を検出する。この固有値の検出方法としては、例えばチャネル行列Ｈから相関行列を計算して、その相関行列を固有値・固有ベクトル分解することで固有値を算出する方法が挙げられる。また、チャネル行列を特異値分解することで得られる特異値を二乗して固有値を算出する方法等が挙げられる。本実施の形態では、前者の方法を採用する。相関行列Ｒは、チャネル行列Ｈを用いて下記「式２」で表される。なお、式２における上付き添え字「Ｈ」は共役転置であることを示す。
【数２】
2006011345.tif 000022
【００３７】
そして、相関行列Ｒは、固有値・固有ベクトル分解されると、下記「式３」で表される。なお、式３における「Λ」は「ＭＩＭＯチャネルの固有値」を示し、「Ｖ」はＭＩＭＯチャネルの固有ベクトルを示す。
【数３】
2006011345.tif 000023
【００３８】
図５に、ＭＩＭＯチャネルの固有値と各チャネルとの関係の意義を示す。ＭＩＭＯ技術では、ＢＳとＭＳとの間に存在する平均電力が同じ複数のチャネルは、複数の固有空間に変換できる。そして、その固有空間の電力を表すものがＭＩＭＯチャネルの固有値である。より具体的には、ＭＩＭＯチャネルの固有値とは、図５下段に示すように、ＢＳのアンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎとＭＳのアンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎとの間にそれぞれ一対一のチャネルが形成されるとみなすために必要な条件であると言える。ここで、式３におけるＭＩＭＯチャネルの固有値Λにおける固有空間毎の固有値λを大きい方から順に並べると、下記「式４」で示すようになる。
【数４】
2006011345.tif 000024
【００３９】
式４において、λｉ（１＜＝ｉ＜＝Ｌ）はＭＩＭＯチャネルの固有値Λにおけるｉ番目の大きさの固有空間の固有値を示し、Ｌはチャネル行列のランク（階数）、即ちＢＳのアンテナ素子の総数とＭＳのアンテナ素子の総数との少ない方の総数を示す。なお、本実施の形態では、式４におけるＬはｎとなる。また、この固有空間毎の固有値λの大きさは固有空間の電力を表すため、受信側装置における固有空間の固有値λの総和は、受信総電力に相当することになる。従って、総電力をＰｔｏｔａｌ、Ｌ＝Ｎとすると、下記「式５」に示す関係が成り立つ。
【数５】
2006011345.tif 000025
【００４０】
また、受信側装置におけるアンテナ素子毎の平均受信電力をＰａｖｅとすると、総電力
ＰｔｏｔａｌとＰａｖｅとの間には、下記「式６」に示す関係が成り立つ。
【数６】
2006011345.tif 000026
【００４１】
式４に示すように、固有空間の固有値λの大きさは分散するため、λｉ＞Ｐａｖｅとなる固有値が必ず存在する。そして、受信側アンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎ毎の平均受信電力に対する最大固有値の大きさの利得は、図６に示すように、受信側アンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎの総数が増えるほど増大する。従って、本実施の形態では、図７に示すように、固有値選択部３１７がチャネル行列Ｈから生成されるＭＩＭＯチャネルの固有値Λにおける最大固有値λｉを選択することにより、受信側アンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎ毎の平均ＳＮＲよりも高いＳＮＲを確実に実現することができる。
【００４２】
ステップＳＴ４５０では、ＢＳとＭＳとにおいてそれぞれ、ステップＳＴ４４０で選択された最大固有値を用いて秘密鍵が生成される。ステップＳＴ４５０では、量子化部３２７が固有値選択部３１７から入力されてくる最大固有値の大きさを既定の量子化ビット数で量子化して量子化データを生成し、生成した量子化データを鍵生成部３３７に入力する。そして、鍵生成部３３７は、この量子化データを既定の方式で繰り返したり、入れ替えたりして秘密鍵を生成する。
【００４３】
ステップＳＴ４６０では、ＢＳとＭＳとがそれぞれ、個別に生成した秘密鍵が同一であるか否かを相互に確認する。本実施の形態では、ＢＳとＭＳとがそれぞれ個別に生成した秘密鍵に復元不可能な不可逆変換を施し、ＢＳがＭＳに対してこの不可逆変換を施した信号を無線送信する。そして、ＭＳが、受信したこの信号と自装置で不可逆変換を施した信号とを対比して、それらの不可逆変換を施された信号が一致するか確認し、その確認結果を示す確認信号をＢＳに無線送信する。ちなみに、このような不可逆変換を施された信号としてハッシュ関数が例示される。
【００４４】
ステップＳＴ４７０−１では、ＢＳは、ＭＳから送信されてくる確認信号が不可逆変換を施された信号同士が一致することを示す場合には、引き続きステップＳＴ４８０−１を実行する。一方で、ＢＳは、ＭＳから送信されてくる確認信号が不可逆変換を施された信号同士が一致しないことを示す場合には、自装置で生成した秘密鍵を破棄して、再度ステップＳＴ４１０−１から実行し直す。
【００４５】
同様に、ステップＳＴ４７０−２では、ＭＳは、不可逆変換された信号同士が一致する場合には、引き続きステップＳＴ４８０−２を実行し、一方で不可逆変換された信号同士が一致しない場合には、自装置の生成した秘密鍵を破棄して、再度ステップＳＴ４１０−２を実行し直す。
【００４６】
ステップＳＴ４８０では、ＢＳとＭＳとがそれぞれ、個別に生成した秘密鍵を用いて無線通信を開始する。
【００４７】
このように、本実施の形態に係る無線通信装置２００によれば、秘密鍵生成部２０７がＭＩＭＯチャネルの固有値における最大固有値を選択し、この最大固有値を用いて秘密鍵を生成するため、アンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎ毎の平均ＳＮＲよりも高いＳＮＲを実現できることから、自装置と相手側装置との生成する秘密鍵が一致する確率を向上させることができる。
【００４８】
なお、本実施の形態に係る無線通信装置２００について、次のように応用したり、変形したりしてもよい。
【００４９】
本実施の形態に係る無線通信装置２００では、固有値選択部３１７が固有値検出部２０６から入力されてくるＭＩＭＯチャネルの固有値における最大固有値を選択する場合について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではなく、例えば固有値選択部３１７が固有値検出部２０６から入力されてくるＭＩＭＯチャネルの固有値の総和に対する比が所定値以上である固有値、即ち固有空間の固有値を選択し、図８に示す例ではＭＩＭＯチャネルの固有値における大きい方から順に３つの固有値を選択し、選択した固有値を量子化部３２７に入力するようにしてもよい。このようにすれば、量子化部３２７が量子化ビット数を増やすことなく量子化データのデータ量を増やすことができるため、ＢＳとＭＳとが個別に生成する秘密鍵の一致する確率を低下させることなく、秘密鍵の安全性を向上させることができる。
【００５０】
また、本実施の形態では、ステップＳＴ４１０においてＢＳ及びＭＳがアンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎそれぞれから順にパイロット信号を無線送信する場合について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではなく、例えばステップＳＴ４１０においてＢＳ及びＭＳがアンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎそれぞれに固有の拡散符号を割り当てて、それらの拡散符号によって符号分割されたパイロット信号をアンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎそれぞれから同時に無線送信するようにしてもよい。このようにすれば、受信側装置において、一つの受信信号がチャネル別に符号分割多重されていることになるため、パイロット信号の送受信に要する時間を短縮して秘密鍵を用いた通信を早期に開始することができる。
【００５１】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、無線通信装置２００が生成した秘密鍵に誤り訂正復号処理を行い、さらにその誤り訂正能力を最大固有値の大きさを基準にして制御する。そのため、本実施の形態に係る無線通信装置２００は、実施の形態１に係る無線通信装置２００における秘密鍵生成部２０７の代わりに図９に示す秘密鍵生成部９０７を具備する。以下、本実施の形態について、重複を避けるため、実施の形態１と相違する点についてのみ説明する。
【００５２】
図９は、本実施の形態における秘密鍵生成部９０７の構成を示すブロック図である。秘密鍵生成部９０７は、固有値選択部３１７、量子化部３２７、鍵生成部３３７、不一致訂正制御部９１７及び不一致訂正部９２７を具備する。
【００５３】
不一致訂正制御部９１７は、固有値選択部３１７から入力されてくる最大固有値の大きさに基づいて、量子化部３２７に対して量子化ビット数を増減するように指示すると伴に、不一致訂正部９２７に対しても誤り訂正処理に利用する冗長データのデータ量を増減するように指示する。
【００５４】
不一致訂正部９２７は、鍵生成部３３７から入力されてくる秘密鍵について、誤り訂正符号化処理された信号とみなして、そのデータの一部、即ち不一致訂正制御部９１７から指示されたデータ量を冗長データとして扱うことにより、誤り訂正復号処理を行う。そして、不一致訂正部９２７は、誤り訂正復号処理後の秘密鍵を図示しない制御部等に入力する。なお、不一致訂正部９２７は、不一致訂正制御部９１７から冗長データとして利用するデータの位置を指示された場合には、その指示に従って秘密鍵に誤り訂正処理を施す。
【００５５】
次いで、秘密鍵生成部９０７の動作について、不一致訂正制御部９１７の動作を中心に図１０を用いて詳細に説明する。
【００５６】
不一致訂正制御部９１７は、固有値選択部３１７から入力されてくる最大固有値の大き
さに応じて、最大固有値が大きい場合（図１０左枠内）には、量子化部３２７に対して量子化ビット数を減らして、生成する量子化データのデータ量を抑制するように指示する。また、不一致訂正部９２７に対して鍵生成部３３７から入力されてくる秘密鍵に含まれる抑制された冗長データのデータ量を通知する。
【００５７】
ここで、不一致訂正制御部９１７における最大固有値の大小の判定方法としては、例えばＭＩＭＯチャネルの固有値における固有空間毎の固有値の総和に対する最大固有値の大きさの割合で判定する方法が挙げられる。また、アンテナ素子２０１−１〜２０１−ｎの平均受信電力に対する最大固有値の大きさで判定する方法等が挙げられる。
【００５８】
固有値選択部３１７から入力されてくる最大固有値が大きいと不一致訂正制御部９１７が判定した場合は、その最大固有値について雑音の影響が小さい、即ちＳＮＲが大きいことを意味するので、量子化部３２７における量子化ビット数を増やす必要はない。
【００５９】
一方で、不一致訂正制御部９１７は、固有値選択部３１７から入力されてくる最大固有値が小さい場合（図１０右枠内）には、量子化部３２７に対して量子化ビット数を増やして、生成する量子化データのデータ量を増大するように指示する。また、不一致訂正部９２７に対して鍵生成部３３７から入力されてくる秘密鍵に含まれる増大された冗長データのデータ量を通知する。
【００６０】
固有値選択部３１７に入力されてくる最大固有値が小さいと不一致訂正制御部９１７が判定した場合には、その最大固有値については雑音の影響が大きい、即ちＳＮＲが小さいことを意味するので、この雑音に由来する秘密鍵に潜在する誤差を訂正する必要が生じる。そこで、この場合には、不一致訂正制御部９１７は、量子化部３２７における量子化ビット数を増大させて秘密鍵に含まれる冗長データのデータ量を増やすことにより、不一致訂正部９２７による秘密鍵の誤り訂正能力を向上させる。
【００６１】
このように、本実施の形態に係る無線通信装置２００によれば、秘密鍵生成部９０７において秘密鍵を誤り訂正符号化処理された信号とみなして誤り訂正復号処理するため、自装置と相手側装置とで個別に生成された秘密鍵同士が一致する確率をさらに向上させることができる。
【００６２】
また、本実施の形態では、不一致訂正制御部９１７が量子化部３２７における量子化ビット数と不一致訂正部９２７での冗長データのデータ量と共に制御するため、誤り訂正復号処理後の秘密鍵のデータ長（ビット数）を一定に保つことができ、図示しない制御部等における信号処理の負荷の増大を抑制することができる。
【００６３】
（実施の形態３）
一般に、秘密鍵は、そのデータ長が長いほど安全性が向上する。そこで、本発明に係る実施の形態３では、無線通信装置１１００がＭＩＭＯチャネルの固有値の周波数応答を検出して、その固有値の周波数応答を組み合わせて秘密鍵を生成することにより、秘密鍵のデータ長を長くしてその安全性を高める態様について説明する。
【００６４】
本実施の形態に係る無線通信装置１１００は、実施の形態１に係る無線通信装置２００における各構成部と同様の機能を発揮する構成部を多く具備する。そこで、本実施の形態では、重複を避けるため、実施の形態１と実質的に相違する点についてのみ説明する。
【００６５】
図１１は、本実施の形態に係る無線通信装置１１００の構成を示すブロック図である。無線通信装置１１００は、実施の形態１に係る無線通信装置２００において、チャネル推定部２０４−１〜２０４−ｎの代わりにチャネル周波数応答推定部１１０４−１〜１１０
４−ｎを、またチャネル行列生成部２０５の代わりにチャネル行列周波数応答生成部１１０５を、また固有値検出部２０６の代わりに固有値周波数応答検出部１１０６を、また秘密鍵生成部２０７の代わりに秘密鍵生成部１１０７を具備するものである。また、本実施の形態では、無線信号としてマルチキャリア信号、例えばＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）信号が使用される。
【００６６】
チャネル周波数応答推定部１１０４−１〜１１０４−ｎはそれぞれ、パイロット抽出部２０３−１〜２０３−ｎから入力されてくるパイロット信号のインパルス応答からチャネル毎の周波数応答を推定する。具体的には、チャネル周波数応答推定部１１０４−１〜１１０４−ｎは、パイロット信号であるＯＦＤＭ信号のチャネル推定値の周波数応答、即ちＯＦＤＭ信号のチャネル毎で、かつ、サブキャリア毎のチャネル推定値を算出する。チャネル周波数応答推定部１１０４−１〜１１０４−ｎは、算出したチャネル推定値の周波数応答をチャネル行列周波数応答生成部１１０５に入力する。
【００６７】
チャネル行列周波数応答生成部１１０５は、チャネル周波数応答推定部１１０４−１〜１１０４−ｎから入力されてくるチャネル推定値の周波数応答からチャネル行列の周波数応答、即ちＯＦＤＭ信号のチャネル毎で、かつ、サブキャリア毎のチャネル推定値を要素とするＭＩＭＯチャネルのチャネル行列を生成する。そして、チャネル行列周波数応答生成部１１０５は、生成したチャネル行列の周波数応答を固有値周波数応答検出部１１０６に入力する。
【００６８】
固有値周波数応答検出部１１０６は、チャネル行列周波数応答生成部１１０５から入力されてくるチャネル行列の周波数応答を用いてＭＩＭＯチャネルの固有値の周波数応答、即ちＯＦＤＭ信号のチャネル毎で、かつ、サブキャリア毎の固有値の集合を検出する。そして、固有値周波数応答検出部１１０６は、検出したＭＩＭＯチャネルの固有値の周波数応答を秘密鍵生成部１１０７に入力する。
【００６９】
秘密鍵生成部１１０７は、固有値周波数応答検出部１１０６から入力されてくるＭＩＭＯチャネルの固有値の周波数応答を用いて秘密鍵を生成する。この秘密鍵生成部１１０７における秘密鍵の生成の具体的態様について、次に説明する。
【００７０】
図１２に、秘密鍵生成部１１０７の動作をより具体的に示す。図１２の上段には、固有値周波数応答検出部１１０６から入力されてくるＭＩＭＯチャネルの固有値の周波数応答における特定固有空間の固有値の周波数応答が記載されている。なお、ＭＩＭＯチャネルの固有値の周波数応答から図１２の上段に示す特定固有空間の固有値の周波数応答を選択する態様としては、例えば固有空間毎の固有値の周波数応答の平均値が最大の固有空間を選択する態様が挙げられる。
【００７１】
また、秘密鍵生成部１１０７は、選択した特定固有空間の固有値の周波数応答について、各周波数、即ちサブキャリア毎の固有値の大きさを既定の量子化ビット数で量子化して量子化データを生成する。ここで、秘密鍵生成部１１０７は、量子化ビット数を決定する際に、特定固有空間のサブキャリア毎の固有値のＳＮＲを参照して量子化の幅を雑音の大きさよりも十分大きくとることにより、雑音の影響の小さい量子化データを生成することができる。
【００７２】
そして、秘密鍵生成部１１０７は、生成した量子化データを適宜選択して組み合わせることにより、データ長が長く安全性の高い秘密鍵を生成することができる。また、秘密鍵生成部１１０７は、この量子化データを適宜選択して組み合わせる際に、ＳＮＲが高い固有値から生成された量子化データのみを選択することにより、自装置と相手側装置とで個別に生成された秘密鍵が一致する確立を向上させることができる。
【００７３】
このように、本実施の形態に係る無線通信装置１１００によれば、ＭＩＭＯチャネルの固有値における特定固有空間の固有値の周波数応答から量子化データが生成されるため、雑音の影響が少ない良質な量子化データを多量に得ることができる。さらに、この良質な多量の量子化データを用いて秘密鍵が生成されるため、秘密鍵のデータ長を長くすることができ、その安全性を高めることができる。
【００７４】
なお、本実施の形態では、秘密鍵のデータ長を長くするために、周波数応答を用いて多量の量子化データを得ているが、時間応答を用いて多量の量子化データを得ることも可能である。つまり、長い時間にわたりＭＩＭＯチャネルの固有値を得ることで、多量の量子化データを得ることができ、本実施の形態と同様に、秘密鍵のデータ長を長くすることができ、その安全性を高めることができる。
【００７５】
なお、前記各実施の形態では、ＭＩＭＯチャネルのチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報としてＭＩＭＯチャネルの固有値を用いる場合について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではなく、例えばチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報としてチャネル間の相関関係を示す相関係数、チャネル行列同士の相関関係を示す相関行列又は固有値分解で得られる固有ベクトルを用いてもよい。
【００７６】
前記各実施の形態では、本発明をハードウェアで構成する場合を例にとって説明したが、本発明はソフトウェアで実現することも可能である。
【００７７】
また、前記各実施の形態の説明に用いた各機能ブロックは、典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現される。これらは個別に１チップ化されてもよいし、一部または全てを含むように１チップ化されてもよい。ここでは、ＬＳＩとしたが、集積度の違いにより、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩと呼称されることもある。
【００７８】
また、集積回路化の手法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサで実現してもよい。ＬＳＩ製造後に、プログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）や、ＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサーを利用してもよい。
【００７９】
さらには、半導体技術の進歩または派生する別技術によりＬＳＩに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックの集積化を行ってもよい。バイオ技術の適応等が可能性としてありえる。
【００８０】
本発明の第１の態様は、ＭＩＭＯチャネルの無線信号を受信する複数のアンテナと、前記アンテナによる受信信号のチャネル推定値をチャネル毎に算出するチャネル推定手段と、算出されたチャネル推定値からＭＩＭＯチャネルのチャネル行列を生成するチャネル行列生成手段と、生成されたチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報を用いて秘密鍵を生成する秘密鍵生成手段と、を具備する無線通信装置である。
【００８１】
本発明の第２の態様は、前記発明において、生成されたチャネル行列からＭＩＭＯチャネルの固有値を検出する固有値検出手段をさらに具備し、前記秘密鍵生成手段は、検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値を用いて秘密鍵を生成する、無線通信装置である。
【００８２】
本発明の第３の態様は、前記発明において、前記秘密鍵生成手段は、検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値における最大固有値を用いて秘密鍵を生成する、無線通信装置である。
【００８３】
本発明の第４の態様は、前記発明において、前記秘密鍵生成手段は、検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値の総和に対する比が所定値以上である固有値を用いて秘密鍵を生成する、無線通信装置である。
【００８４】
本発明の第５の態様は、前記発明において、前記秘密鍵生成手段は、検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値の大きさを量子化して量子化データを生成する量子化手段と、生成された量子化データから鍵データを生成する鍵生成手段と、生成された鍵データの一部を冗長データとして用いて前記鍵データを誤り訂正処理する訂正手段と、を具備する無線通信装置である。
【００８５】
本発明の第６の態様は、前記発明において、前記秘密鍵生成手段は、検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値の大きさを測定し、測定された固有値の大きさに応じて、前記量子化手段の量子化ビット数を減少させる場合には、前記訂正手段に冗長データとして用いるデータ量を減少させ、一方で前記量子化手段の量子化ビット数を増加させる場合には、前記訂正手段に冗長データとして用いるデータ量を増加させる、制御手段をさらに具備する無線通信装置である。
【００８６】
本発明の第７の態様は、前記発明において、前記アンテナによる受信信号がマルチキャリア信号であって、前記チャネル推定手段は、受信されたマルチキャリア信号のチャネル推定値の周波数応答を算出し、前記チャネル行列生成手段は、算出されたチャネル推定値の周波数応答からチャネル行列の周波数応答を生成し、前記固有値検出手段は、生成されたチャネル行列の周波数応答からＭＩＭＯチャネルの固有値の周波数応答を検出し、前記秘密鍵生成手段は、前記固有値検出手段によって検出されたＭＩＭＯチャネルの固有値の周波数応答を用いて秘密鍵を生成する、無線通信装置である。
【００８７】
本発明の第８の態様は、ＭＩＭＯチャネルの無線信号を複数のアンテナで受信する受信ステップと、前記アンテナによる受信信号のチャネル推定値をチャネル毎に算出するチャネル推定ステップと、算出されたチャネル推定値からＭＩＭＯチャネルのチャネル行列を生成するチャネル行列生成ステップと、生成されたチャネル行列から線形演算もしくは非線形演算により生成される情報を用いて秘密鍵を生成する秘密鍵生成ステップと、を具備する無線通信方法である。
【００８８】
本明細書は、２００４年７月２９日出願の特願２００４−２２２３８９に基づくものである。この内容は全てここに含めておく。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明に係る無線通信装置は、ＭＩＭＯ技術の特性を活用することによって無線信号を第三者に傍受されてもこの第三者の生成する秘密鍵と異なる秘密鍵を生成することができるという効果を有し、ＭＩＭＯ技術を利用した無線通信システムで使用される無線通信方法等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１Ａ】送受信アンテナが１本の場合の通信態様を示す図
【図１Ｂ】送受信アンテナが複数の場合の通信態様を示す図
【図２】本発明の実施の形態１に係る無線通信装置の構成を示すブロック図
【図３】図２に示した秘密鍵生成部の構成を示すブロック図
【図４】図１に示した無線通信装置の動作を説明するフロー図
【図５】実施の形態１におけるチャネル毎の固有値を説明する図
【図６】無線通信装置におけるアンテナ素子の総数と最大固有値の利得との相関を示す図
【図７】図３に示した固有値選択部の動作を説明する図
【図８】図３に示した固有値選択部の動作の変形例を説明する図
【図９】本発明の実施の形態２における秘密鍵生成部の構成を示すブロック図
【図１０】図９に示した秘密鍵生成部の動作を説明する図
【図１１】本発明の実施の形態３における無線通信装置の構成を示すブロック図
【図１２】図１１に示した無線通信装置の動作を説明する図
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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