ポーラ符号に基づいた無線通信における新しい物理層セキュリティ技術

横浜国立大学 大学院工学研究院
知的構造の創生部門 教授
落合 秀樹

2023年6月6日

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背景：無線通信における盗聴問題

🧑🦰Alice📧🔒🔑🔑👨🦰Bob😎

盗聴者（Eve）

公開鍵暗号は計算⾯で実装困難 → 共通鍵暗号が主流
盗聴に対する秘匿性を保つには送信者(Alice)と正規受信者(Bob)間で事前に暗号化鍵(復号鍵)の共有が必要
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物理層セキュリティ技術• 従来の上位層における暗号化によらず、物理層において通信の安全性や秘匿性を担保する技術• 物理層セキュリティの代表的な技術– 無線伝搬路のランダム性を利⽤して秘密鍵を⽣成、さらに伝搬路の可逆性を利⽤して秘密鍵を共有– 正規受信者と盗聴者の信号対雑⾳電⼒⽐（SNR）の違いによる通信路容量の差に着⽬して情報伝送– 正規受信者の物理的位置においてのみ送信信号を⾼SNRで受信できるビームフォーミング技術
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既存技術①：可逆性を利用した鍵生成・共有

🧑🦰Alice

HABHBA👨🦰Bob

HAB ≒ HBA
• 時間分割多重（TDD）においては、送受信機間で伝搬路情報（CSI）に可逆性が成り⽴つことに着⽬（CSIから鍵を⽣成）
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既存技術①：可逆性を利用した鍵生成・共有

🧑🦰
Alice

HABHBA👨🦰Bob

HAB ≒ HBA

• 技術課題︓– ⼀般にTDDでなければ可逆性が成⽴しない– 鍵のランダム性は伝搬路特性に依存(保証できない)– 雑⾳や推定誤差、またその他のハードウェアの影響により⾼精度な伝搬路情報(CSI)が共有できない– CSIの適切な量⼦化処理と情報整合などの後処理により、⽣成した鍵の⼀致率を確保する必要がある

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既存技術②：正規受信者と盗聴者の受信電力比（SNR）の差に着目
情報レート

R

通信路容量

🧑🦰
Alice

CAE < R < CAB

CAB

👨🦰
Bob

通信路容量CAE😎

Eve• 正規受信者（Bob）と⽐べて盗聴者（Eve）の受信電⼒が相対的に低ければ、Bobのみが情報を復号できるようにAliceが情報レートを設定して送信
6既存技術②：正規受信者と盗聴者の受信電力比（SNR）の差に着目

🧑🦰
Alice

CAE > CAB ?

CAB👨🦰BobCAE

😎

Eve• 技術課題︓– (送信を⾏わない)受動的な盗聴者(Eve)のSNRは正規の送受信者(AliceとBob)にとって未知– EveがBobよりAliceに近ければ秘匿性担保が困難

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既存技術③：ビームフォーミングによる情報伝送👨🦰🧑🦰BobAlice

❌

😎

Eve

• 複数送信アンテナを⽤いたビームフォーミングにより、正規受信者の物理的な位置においてのみ⼗分なSNRが達成できる状況をつくり出す8

既存技術③：ビームフォーミングによる情報伝送

👨🦰🧑🦰

Bob

Alice

❌

😎

Eve

• 技術課題︓– 送信側に複数送信アンテナが必要– 送信側で正規受信者に対する伝搬路情報（CSI）を精度良く推定する必要があり、⼀般に技術的なハードルが⾼い

9提案技術：新しい物理層セキュリティ技術• 基本概念– 送信に⽤いる誤り訂正符号を正規受信者の伝搬路状況に合わせて設計する– 正規受信者は受信した符号を⾼い確率で復号できるが、それ以外の受信者にとっては復号が困難• 利点– 可逆性を仮定しないため、多重⽅式（TDDやFDD等）によらず適⽤可能– 伝搬路情報（CSI）を送信側で推定不要– 送信に⽤いる符号⾃体は、公知としても問題ない
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提案技術の基本原理①
HABf🧑🦰

👨🦰
Bob

Alice

HAEf

😎
Eve

Alice-Bobの伝搬路に合わせてBobが符号を決定し、Aliceに符号を周知する（Bob⾃⾝が復号できるように⾃ら符号を選択する）
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提案技術の基本原理②
HABf

🧑🦰

👨🦰
Bob

Alice

HAEf

😎
Eve

Aliceが送る符号はEveの伝搬路にマッチしないため、Bobと同等の通信環境においてもEveによる復号は困難
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提案技術の手順①
HABf

🧑🦰

HAB👨🦰
BobAliceHAEf😎
Eve① Aliceがパイロットを送信、Bobは伝搬路HABを推定

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提案技術の手順②

GGHABf🧑🦰

👨🦰Bob

Alice

HAEf😎

GEve

① Aliceがパイロットを送信、Bobは伝搬路HABを推定② Bobは伝搬路HABに適した符号を設計、Aliceに周知
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提案技術の手順③

🧑🦰c

HAB

Bob

Alice

c = uG

c 👨🦰

HAEc❌

😎

G

Eve

① Aliceがパイロットを送信、Bobは伝搬路HABを推定② Bobは伝搬路HABに適した符号を設計、Aliceに周知③ Aliceは周知された符号を⽤いて情報を伝送
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提案技術の具体的な実現方法①• 直交周波数分割多重（OFDM）伝送– 移動体通信（4G/5G）や無線LAN(IEEE802.11)で広く利⽤されている伝送⽅式– 周波数選択性伝搬路の性質を符号設計に利⽤• ポーラ符号– 移動体通信（5G）で採⽤された⽐較的新しい符号– 通信路分極の概念により「凍結ビット」を決定することで符号構造が決まる– 情報レートの柔軟な設計が可能
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提案技術の具体的な実現方法②cu1

🧑🦰
Aliceu2u3 ❌
u4u5 ❌
u6 ❌

GHAB👨🦰
BobuN
受信信号よりBobにおいて最も信頼度の低い N-K ビットを判定して凍結ビットとし、これをAliceに周知

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シミュレーション実装例

変調⽅式

QPSK / 64-サブキャリア OFDM

伝搬路

周波数選択性レイリーフェージング（パス数 5）

符号化率 R 0.5
符号⻑ N

256 or 2048 ビット

18ビット誤り率特性の比較
N = 256

100100N = 2048
AWGNdes RCA
Bob
Eve

10-1

10-1

10-2

10-2

BER

BER

AWGNdes RCA N256
Bob N256
Eve N256

10-3

10-3

10-4

10-4

10-5

10-5

10-6-10-50510152010-6-10-5051015

BobとEveが同じSNR環境下においてもEveのビット誤り率特性はBobに⽐べて⼤きく劣化

2019新技術の特徴・従来技術との比較• ポーラ符号とOFDM⽅式を組み合わせることで、伝搬路の可逆性によらない新しい物
理層セキュリティ技術を提案• ポーラ符号の構造を正規受信者の伝搬路にマッチさせることで、正規受信者以外の受信機では復号を困難とする• 正規通信者間で⽤いる符号の構造⾃体が盗聴者に知られても、盗聴者の復号特性の改善にはつながらない
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想定される用途• OFDMを採⽤する広帯域無線通信⽅式において、初期の秘密鍵配送に適する• 物理層セキュリティが求められる上記以外のシステムへも適⽤可21実用化に向けた課題• 現時点では計算機シミュレーションによる評価の段階• ソフトウェア無線等を⽤いた実験により提案⽅式の実⽤性を⽰すことが求められるが、実験局免許の取得が必要であるなど、⼤学で⾏う研究開発としてはハードルが⾼い22

企業への期待①• 物理層セキュリティ技術⾃体、研究は広く⾏われているが、実⽤化されるに⾄っていない– 今後実⽤化が⾼く期待される研究分野である• 多くの無線通信システムにおいては、標準規格に採⽤されなければ実⽤化されない• 実⽤化に向けては、標準化に参画する企業、もしくは独⾃の通信⽅式の導⼊を検討している企業との連携が必要
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企業への期待②• 物理層セキュリティ技術以外においても、有線および無線通信技術の低消費電⼒化のための符号化・変調技術に研究実績を有する• 6Gでは超低消費電⼒の無線通信もユースケースとして挙げられる• これらについても技術連携や共同研究等のニーズがあれば応えたい

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称︓通信システム、通信装置、通信⽅法およびプログラム• 出願番号 ︓特願2022－117363• 出願⼈
︓横浜国⽴⼤学• 発明者
︓倉⾕ 悠希、落合 秀樹
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お問い合わせ先
横浜国⽴⼤学研究推進機構 産学官連携推進部⾨
産学官連携⽀援室
ＴＥＬ︓045－339－4450
ＦＡＸ︓045－339－3057
e-mail︓sangaku-cd@ynu.ac.jp
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