WO2007046302A1 - データ送信装置、データ受信装置、及びデータ通信装置 - Google Patents

データ送信装置、データ受信装置、及びデータ通信装置 Download PDF

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WO2007046302A1
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level
sequence
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multilevel
binary
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Application number
PCT/JP2006/320482
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English (en)
French (fr)
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Tomokazu Sada
Masaru Fuse
Satoshi Furusawa
Tsuyoshi Ikushima
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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Publication date
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04K—SECRET COMMUNICATION; JAMMING OF COMMUNICATION
    • H04K1/00—Secret communication
    • H04K1/02—Secret communication by adding a second signal to make the desired signal unintelligible
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/06—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols the encryption apparatus using shift registers or memories for block-wise or stream coding, e.g. DES systems or RC4; Hash functions; Pseudorandom sequence generators
    • H04L9/065—Encryption by serially and continuously modifying data stream elements, e.g. stream cipher systems, RC4, SEAL or A5/3
    • H04L9/0656—Pseudorandom key sequence combined element-for-element with data sequence, e.g. one-time-pad [OTP] or Vernam's cipher
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0852—Quantum cryptography

Definitions

  • Data transmission device Data reception device, and data communication device
  • the present invention relates to an apparatus that performs cryptographic communication to prevent illegal eavesdropping and interception by a third party. More specifically, the present invention relates to a device that performs data communication by selecting and setting a specific encoding Z decoding (modulation Z demodulation) method between authorized senders and receivers.
  • FIG. 20 is a block diagram showing a configuration of a conventional data transmission apparatus based on the configuration.
  • the conventional data communication apparatus includes a data transmission apparatus 90001, a transmission path 913, and a data reception apparatus 90002.
  • the data transmission device 90001 includes an encoding unit 911 and a modulation unit 912.
  • the data receiving device 90002 includes a demodulating unit 914 and a decoding key unit 915.
  • FIG. 20 includes an eavesdropper data receiving device 90003 including an eavesdropper demodulation unit 916 and an eavesdropper decoding unit 917.
  • the third key information 99 is input to the eavesdropper decryption unit 917.
  • encoding unit 911 encodes (encrypts) information data 90 based on first key information 91.
  • the modulation unit 912 converts the information data encrypted by the encoding unit 911 into a modulation signal 94 in a predetermined modulation format, and sends it to the transmission line 913.
  • demodulation section 914 demodulates modulated signal 94 transmitted via transmission path 913 using a predetermined demodulation method, and outputs encrypted information data.
  • the decryption key unit 915 decrypts the encrypted information data based on the second key information 96 that is the same as the first key information 91 shared with the code key unit 911 (decryption).
  • the original information Data 98 is output.
  • the eavesdropper data receiving device 90003 has an A part of the modulated signal propagating through the signal is branched and input, demodulated by a predetermined demodulation method, and the eavesdropper decryption unit 917 tries to decrypt it based on the third key information 99.
  • the eavesdropper decryption unit 917 does not share key information with the encoding unit 911. That is, since the eavesdropper decryption unit 917 performs decryption based on the third key information 99 different from the first key information 91, the original information data cannot be reproduced correctly.
  • Mathematical cryptography (or calculation cryptography, also called software cryptography) technology based on such mathematical operations is applied to an access system or the like, as described in, for example, Patent Document 1 it can.
  • PON Passive Optical Network
  • each optical receiver In addition to the desired optical signal, signals directed to other subscribers are input. Therefore, by encrypting information data for each subscriber using different key information, it is possible to prevent mutual leakage of information and eavesdropping and realize safe data communication.
  • Patent Document 1 JP-A-9-205420
  • Non-Patent Document 1 Keiichiro Ishibashi et al., “Cryptography and Network Security: Theory and Practice”, Pearson's Education, 2001
  • Non-Patent Document 2 Mayumi Adachi et al., “Encyclopedia of Cryptographic Technology", Softbank Publishing, 2003
  • an object of the present invention is to provide a highly confidential data communication device that significantly increases the time required for an eavesdropper to analyze a ciphertext.
  • the present invention is directed to a data transmission apparatus that performs cipher communication.
  • a data transmitting apparatus receives predetermined key information and information data set in advance, and generates a multi-value signal whose signal level changes in a substantially random manner.
  • a value code input unit, and a modulation unit that generates a modulation signal of a predetermined modulation format based on the multilevel signal.
  • the multi-level encoding unit synthesizes the multi-level code sequence and the information data according to a predetermined process, and a multi-level code generation unit that generates a multi-level code sequence whose signal level changes in a substantially random manner.
  • the multi-level code generation unit includes a random number sequence generation unit that generates a binary random number sequence based on key information, a multi-level conversion unit that generates a multi-level code sequence from the binary random number sequence according to a predetermined encoding rule, Have
  • the predetermined code rule is that a binary bit sequence of a predetermined length is uniquely associated with each multilevel level of the multilevel code sequence, and between binary bit sequences assigned to any adjacent multilevel level. Difference bit number (Hamming distance) force The rule is such that the binary bit sequence length or a value obtained by subtracting 1 from the binary bit sequence length.
  • the multilevel code generation unit further includes an interleaving unit that performs bit interleaving of a predetermined depth on the binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit.
  • the number of columns of bit interleaving is at least twice the linear complexity of the binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit.
  • the number of rows of bit interleaving is equal to or longer than the binary bit sequence length assigned to each multilevel level.
  • the binary bit sequence length associated with each multi-level is two or more.
  • the total number of multi-value levels is a power of 2.
  • a binary bit sequence having the same sequence length can be assigned to all multilevel levels.
  • the multilevel level is expressed by any one of amplitude, frequency, and phase, or a combination of deviations.
  • the present invention is also directed to a data receiving apparatus that performs cryptographic communication.
  • the data receiving apparatus of the present invention demodulates a modulation signal of a predetermined modulation format and outputs a multilevel signal, predetermined predetermined key information and multilevel And a multi-level decoding section that outputs information data.
  • the multi-level decoding key unit identifies a multi-level signal generating unit that generates a multi-level code sequence in which the key information power signal level changes in a substantially random manner, and identifies the multi-level signal based on the multi-level code sequence. And a multi-value identification unit that outputs.
  • the multi-level code generation unit includes a random number sequence generation unit that generates a binary random number sequence based on key information, a multi-level conversion unit that generates a binary random number sequence force multi-level code sequence according to a predetermined code rule, and Have
  • the predetermined code rule is that a binary bit sequence of a predetermined length is uniquely associated with each multilevel level of the multilevel code sequence, and a difference bit between the binary bit sequences assigned to any adjacent multilevel level.
  • the rule is such that the number (Hamming distance) is a value obtained by subtracting 1 from the binary bit sequence length or the binary bit sequence length.
  • the multi-level code generation unit further includes an interleaving unit that performs bit interleaving with a predetermined depth on the binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit. To do.
  • the number of columns of bit interleaving is at least twice the linear complexity of the binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit.
  • the number of rows of bit interleaving is equal to or longer than the binary bit sequence length assigned to each multilevel level.
  • the binary bit sequence length associated with each multilevel level is 2 or more.
  • the total number of multi-value levels is a power of 2.
  • a binary bit sequence having the same sequence length can be assigned to all multilevel levels.
  • the multilevel level is expressed by any one of amplitude, frequency, and phase, or a combination of deviations.
  • the present invention is also directed to a data communication device that performs cryptographic communication.
  • the data communication device of the present invention includes a data transmission device and a data reception device.
  • the data transmission device receives predetermined key information and information data determined in advance, generates a multi-level signal whose signal level changes in a substantially random manner, and a multi-level signal based on the multi-level signal.
  • a modulation unit for generating a modulation signal of a predetermined modulation format.
  • the multi-level code key part changes the signal level of the key information power almost randomly.
  • a level corresponding to a combination of the multi-level code sequence and the information data by combining the first multi-level code generation unit for generating the multi-level code sequence and the multi-level code sequence and the information data according to a predetermined process. And a multi-value processing unit for generating a multi-value signal having The first multilevel code generator generates a binary random number sequence based on the key information, and generates a binary random number sequence force multilevel code sequence according to the first encoding rule. And a first multi-value conversion unit.
  • the first sign rule is a difference bit between binary bit sequences that uniquely assign a binary bit sequence of a predetermined length to each multi-level of a multi-level code sequence and assign it to any adjacent multi-level.
  • a data receiving device demodulates a modulated signal in a predetermined modulation format, outputs a multi-level signal, a predetermined predetermined key information and a multi-level signal, and outputs multi-level data A decoding key.
  • the multi-level decoding unit identifies a multi-level signal based on the second multi-level code generation unit that generates a multi-level code sequence whose signal level changes from the key information in a substantially random manner, and the multi-level code sequence.
  • a multi-value identification unit that outputs information data.
  • the second multi-level code generation unit generates a second random number sequence generation unit that generates a binary random number sequence based on the key information, and a binary random number sequence power multi-level code sequence according to the second code rule. And a second multi-value conversion unit to be generated.
  • the second code rule is that a binary bit sequence of a predetermined length is uniquely associated with each multilevel level of the multilevel code sequence, and between the binary bit sequences assigned to any adjacent multilevel level.
  • the rule is such that the number of difference bits (Hamming distance) is the binary bit sequence length or a value obtained by subtracting 1 from the binary bit sequence length.
  • the first multi-level code generation unit further includes an interleaving unit that performs bit interleaving with a predetermined depth on the binary random number sequence generated by the first random number sequence generation unit.
  • the second multilevel code generation unit further includes an interleaving unit that performs bit interleaving with a predetermined depth on the binary random number sequence generated by the second random number sequence generation unit.
  • the present invention is also directed to a multi-level code generator for performing cryptographic communication.
  • the multilevel code generator of the present invention includes a random number sequence generation unit that generates a binary random number sequence based on predetermined key information, and a predetermined code rule.
  • Value Random number sequence power A multi-level conversion unit that generates a multi-level code sequence.
  • the predetermined code rule uniquely associates a binary bit sequence of a predetermined length with each multi-level of the multi-level code string, and arbitrarily The difference bit number (Hamming distance) power between the binary bit sequences assigned to the adjacent multilevel level
  • the rule is such that the binary bit sequence length is equal to or a value obtained by subtracting 1 from the binary bit sequence length.
  • the multilevel code generation unit further includes an interleaving unit that performs bit interleaving with a predetermined depth on the binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit.
  • the number of columns of bit interleaving is at least twice the linear complexity of the binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit.
  • the number of rows of bit interleaving is equal to or longer than the binary bit sequence length assigned to each multilevel level.
  • the binary bit sequence length associated with each multi-level is two or more.
  • the total number of multi-value levels is a power of 2.
  • a binary bit sequence having the same sequence length can be assigned to all multilevel levels.
  • the multilevel level is expressed by any one of amplitude, frequency, and phase, or a combination of deviations.
  • the data communication apparatus of the present invention encodes and modulates information data into a multilevel signal based on the key information, demodulates and encodes the received multilevel signal based on the same key information, By optimizing the signal-to-noise power ratio of the value signal, it is possible to significantly increase the time required for analyzing the ciphertext and provide a highly confidential data communication device.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a data communication apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a transmission signal waveform of the data communication apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram of transmission signal waveform calls of the data communication apparatus according to the first embodiment of the present invention. It is a schematic diagram explaining a name.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the transmission signal quality of the data communication apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a data communication apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a data communication apparatus according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram for explaining transmission signal parameters of a data communication apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a data communication apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of first multi-level code generation section 156a.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of a mapping (allocation) method for the multi-level conversion unit 158 to convert a binary random number sequence into an 8-level multi-level code sequence 12.
  • FIG. 11 is a diagram showing a correspondence relationship between binary bit sequences and inverted bit sequences assigned to each multilevel level in the MH encoding method.
  • FIG. 12 is a block diagram showing an example of a detailed configuration of the multi-value conversion unit 158.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of a specific configuration of a serial-parallel converter 1581.
  • FIG. 14 is a block diagram showing an example of a configuration of a code conversion unit 1582.
  • FIG. 15 is a block diagram showing a configuration of a data communication apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a block diagram showing a configuration of first multi-level code generation section 166a.
  • FIG. 17 is a diagram showing an error distribution of a binary random number sequence obtained when a multi-level identification error occurs at the same position.
  • FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the number of interleaved lines and the amount of decryption computation.
  • FIG. 19 is a diagram showing the relationship between the number of interleaved sequences and the amount of decoding computation.
  • FIG. 20 is a block diagram showing a configuration of a conventional data transmission apparatus. Explanation of symbols
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the data communication apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • the data communication apparatus includes a multi-level code key unit 111, a modulation unit 112, a transmission path 110, a demodulation unit 211, and a multi-level decoding key unit 212.
  • the multi-level code key unit 111 includes a first multi-level code generation unit 11 la and a multi-level processing unit 11 lb.
  • the multi-level decoding unit 212 includes a second multi-level code generation unit 212a and a multi-level identification unit 212b.
  • the multi-level encoding unit 111 and the modulation unit 112 constitute a data transmission apparatus 10101, and the demodulation unit 211 and the multi-level decoding unit 212 constitute a data reception apparatus 10201.
  • the transmission line 110 can be a metal line such as a LAN cable or a coaxial cable, or an optical waveguide such as an optical fiber cable. Further, the transmission path 110 is not limited to a wired cable such as a LAN cable, and may be a free space for transmitting a radio signal.
  • 2 and 3 are schematic diagrams for explaining the modulation signal waveform output from the modulation unit 112. FIG. The operation of the first embodiment will be described below with reference to FIGS. 2 and 3.
  • the first multi-level code generator 11la is based on a predetermined first key information 11 and has a multi-level code sequence 12 (FIG. 2 (b )) Is generated.
  • the multi-level processing unit 111b inputs the multi-level code string 12 and the information data 10 (Fig. 2 (a)), synthesizes both signals according to a predetermined procedure, and sets a level corresponding to the combination of the signal levels.
  • the multi-value signal 13 (Fig. 2 (c)) is generated and output.
  • the multi-level code sequence 12 is changed to clZc5Zc3Zc4 for the time slot tlZt2Zt3Zt4. Generate.
  • the amplitude of information data 10 is "information amplitude”
  • the total amplitude of multi-level signal 13 is “multi-level signal amplitude”
  • each bias level (level of multi-level code string 12) clZc2Zc3Zc4Zc5
  • the “base” of 5 and the minimum signal point distance of the multi-level signal 13 are called “step width”, respectively.
  • the modulation unit 112 converts the multi-level signal 13 as original data into a modulation signal 14 having a predetermined modulation format, and sends it to the transmission line 110.
  • the demodulator 211 demodulates the modulated signal 14 transmitted via the transmission path 110, and reproduces the multilevel signal 15 described above.
  • the second multilevel code generation unit 212a shares in advance the second key information 16 that is the same as the first key information 11, and corresponds to the multilevel code string 12 based on the second key information 16 Multi-value code string 17 is generated.
  • the multilevel identification unit 212b identifies the multilevel signal 15 (binary determination) using the multilevel code string 17 as a threshold value, and reproduces the information data 18.
  • the modulation signal 14 of a predetermined modulation format transmitted and received by the modulation unit 112 and the demodulation unit 211 via the transmission path 110 is obtained by modulating an electromagnetic wave (electromagnetic field) or a light wave with the multilevel signal 13. It is a thing.
  • the generation of the multi-level signal 13 in the multi-level processing unit 11 lb is not limited to the method based on the addition process of the multi-level code string 12 and the information data 10, as described above.
  • the force represented by “8” as the multi-value number of the multi-value signal is not limited to this, and may be larger or smaller than that.
  • the power expressed as the information amplitude as 3 times or an integer multiple of the step width of the multilevel signal may be any odd or even multiple.
  • the information amplitude may not be an integral multiple of the step width of the multilevel signal.
  • the force is arranged so that each level (each bias level) of the multi-level code string is substantially centered between the levels of the multi-level signal. Instead, each level of the multilevel code string may not be substantially the center between the levels of the multilevel signal, or may correspond to each level of the multilevel signal.
  • the change rates of the multi-level code sequence and the information data are equal and in synchronization with each other. However, as long as this is not the case, one change rate may be faster (or slower) than the other, It may be asynchronous.
  • the third party receives and decodes the modulated signal using a configuration in conformity with the data receiver 10201 provided by a legitimate receiver, or using a higher performance data receiver (for example, eavesdropper data receiver). It is assumed that In the eavesdropper data receiver, the demodulator (the eavesdropper demodulator) The multilevel signal is reproduced by demodulating the modulation signal. However, since the multi-level decryption unit (the eavesdropper multi-level decryption unit) does not share the first key information 11 with the data transmission device 10101, the key information power is also generated like the data reception device 10201.
  • the eavesdropper prepares threshold values for all signal points that can be taken by the multilevel signal, performs simultaneous determination, and analyzes the determination result to extract correct key information or information data. For example, the eavesdropper identifies the level by performing multi-level determination on the multi-level signal using the level cOZclZc2Zc3Zc4Zc5Zc6 of the multi-level code sequence shown in FIG. 2 as a threshold value.
  • the SN ratio signal-to-noise strength ratio
  • the SN coverage of the signal to be determined in the multilevel determination operation by the eavesdropper data receiver is determined by the ratio between the step width of the multilevel signal and the amount of noise.
  • the noise level of the signal to be determined is the same, the SN ratio of the signal to be determined in the eavesdropper data receiving apparatus becomes relatively small, and the transmission characteristics (error rate) deteriorate.
  • the transmission characteristics error rate
  • the step width of a multi-level signal is set to the same order or smaller than the noise amplitude (spread of noise intensity distribution), multi-level determination by a third party is virtually impossible. Ideal prevention of wiretapping can be realized.
  • the noise superimposed on the signal to be determined may be a spatial field, electronic component, etc. when an electromagnetic wave such as a radio signal is used as the modulation signal.
  • the thermal noise Gaussian noise
  • the fluctuation of the number of photons quantum noise
  • third-party eavesdropping can be performed by setting the step width of a multi-level signal based on the amount of noise. Impossible Thus, the safety of data communication can be ensured.
  • the information data to be transmitted is encoded as a multilevel signal, and the distance between the signal points is appropriately set with respect to the noise amount, It is possible to provide a safe data communication apparatus that gives decisive degradation to the quality of a received signal at the time of eavesdropping by a third party and makes it difficult to decode the signal.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a data communication apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • the data communication apparatus includes a multilevel code key unit 111, a modulation unit 112, a transmission path 110, a demodulation unit 211, a multilevel decoding unit 212, a first data inversion unit 113,
  • the second data inversion unit 213 is different from the configuration of FIG. 1 in that a first data inversion unit 113 and a second data inversion unit 213 are newly provided.
  • the multi-level code key unit 111, the modulation unit 112, and the first data inversion unit 113 constitute a data transmission apparatus 10102, and includes a demodulation unit 211, a multi-level decoding unit 212, and a second
  • the data reversing unit 213 constitutes the data receiving apparatus 1 0202. The operation of this embodiment will be described below.
  • the configuration of the present embodiment conforms to that of the first embodiment (Fig. 1). Therefore, blocks that perform the same operation are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and differences are noted. Only the point is explained.
  • the first data inversion unit 113 does not fix the correspondence between the information “0” and “1” included in the information data and the low level and the high level, and the correspondence is performed in a predetermined procedure. For example, in the same manner as the multi-level code part 111, an exclusive OR (XOR) operation with a random number sequence (pseudo-random number sequence) generated based on a predetermined initial value is performed. The calculation result is output to the multi-level code key unit 111.
  • XOR exclusive OR
  • the second data inversion unit 213 outputs the result from the multi-level decoding key unit 212 in the reverse procedure of the first data inversion unit 113. Change the correspondence between low level and high level information of data “0” and “1.” For example, the second data inversion unit 213 has an initial value provided in the first data inversion unit 113. Share the same initial value, and from the bit-inverted sequence of random numbers generated based on this and the multi-level code key 212 Performs an exclusive OR operation of the force data, and outputs the result as information data.
  • inversion of information data to be transmitted is substantially performed. By doing so, it is possible to increase the complexity of the multi-level signal as a cipher and make the decryption / decryption by a third party more difficult and provide a more secure data communication device.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a data communication apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • the data communication apparatus includes a multi-level code key unit 111, a modulation unit 112, a transmission path 110, a demodulation unit 211, a multi-level decoding unit 212, and a noise control unit 114. 1 differs from the configuration of FIG. 1 in that a noise control unit 114 is newly provided. Further, the noise control unit 114 includes a noise generation unit 114a and a synthesis unit 114b.
  • the multilevel encoding unit 111, the modulation unit 112, and the noise control unit 114 constitute a data transmission device 10103, and the demodulation unit 211 and the multilevel decoding unit 212 provide a data reception device 10201. Configure. The operation of this embodiment will be described below.
  • the noise control unit 114 Since the configuration of the present embodiment conforms to the first embodiment (Fig. 1) described above, blocks performing the same operation are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and differences are noted. Only the point is explained.
  • the noise generation unit 114a generates predetermined noise.
  • the synthesizer 114b synthesizes the predetermined noise and the multilevel signal 13 and outputs the synthesized signal to the modulator 112. That is, the noise control unit 114 intentionally causes the level fluctuation of the multi-level signal described in FIG. 4 to control the SN ratio of the multi-level signal to an arbitrary value, and thereby input to the multi-level identification unit 212b.
  • thermal noise, quantum noise, or the like is used as the noise generated in the noise generating unit 114a.
  • the multilevel signal in which noise is synthesized (superimposed) is referred to as a noise superimposed multilevel signal 22.
  • the information data to be transmitted is encoded as a multilevel signal, and the SN ratio is arbitrarily controlled, so that the received signal at the time of eavesdropping by a third party can be obtained. It is possible to provide a safer data communication device that intentionally gives decisive deterioration to quality and makes its decoding more difficult.
  • each step width (S1 to S7) of the multilevel signal is set according to the fluctuation amount of each level, that is, the noise intensity distribution superimposed on each level. Specifically, the distance between the signal points is allocated so that the S / N ratio determined between two adjacent signal points of the determination target signal input to the multi-level identifying unit 212b is substantially the same. If the amount of noise superimposed on each level is the same, set each step width equally.
  • the fluctuation range depends on the level of the multilevel signal input to the LD.
  • (Noise amount) changes. This is due to the fact that the semiconductor laser emits light based on the principle of stimulated emission using spontaneous emission as “seed light”.
  • the amount of noise is defined by the relative ratio of the spontaneous emission to the induced emission. Has been. The higher the excitation rate (corresponding to the bias current injected into the LD), the greater the proportion of stimulated emission light, so the amount of noise is smaller. On the other hand, the lower the excitation rate, the larger the proportion of spontaneous emission light. The amount gets bigger.
  • the signal-to-noise ratio between adjacent signal points of the signal to be judged is set to be non-linear, which is large in the region where the level of the multilevel signal is small and small in the region where the level is large. Match.
  • the SN ratio of the received signal is mainly shot under the condition that the noise due to spontaneous emission and the thermal noise used in the optical receiver are sufficiently small. Determined by noise. Under this condition, the greater the level of the multilevel signal, the greater the amount of noise.Contrary to the case of FIG. 7, in the region where the level of the multilevel signal is small, the step width is small and the region where the level is large. By setting a large value, the signal-to-noise ratio between adjacent signal points of the signal to be judged is matched.
  • the information data to be transmitted is encoded as a multi-level signal, and the distances between the signal points of the multi-level signal are arranged substantially uniformly, or the instantaneous data is recorded.
  • FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the data communication apparatus according to the fifth embodiment of the present invention. is there.
  • the data communication device has a configuration in which a data transmission device 10105 and a data reception device 10 0205 are connected by a transmission line 110.
  • the data transmitting apparatus 10105 is different from the first embodiment only in the first multi-level code generation unit 156a.
  • the data receiving apparatus 10 205 is different from the first embodiment only in the second multi-level code generation unit 256a.
  • FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of the first multi-level code generation unit 156a.
  • the first multi-level code generation unit 156a includes a random number sequence generation unit 157 and a first multi-level conversion unit 158.
  • the random number sequence generation unit 157 generates a binary random number sequence from the first key information 11.
  • the multilevel conversion unit 158 converts the binary random number sequence into the multilevel code sequence 12.
  • the configuration of the second multi-level code generator 256a is the same as that of the first multi-level code generator 156a.
  • BM method Berlekam p-Massey method
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a mapping (assignment) method for the multilevel conversion unit 158 to convert a binary random number sequence into an 8-level multilevel code sequence 12.
  • Fig. 10 (a) shows the correspondence between 3-bit binary bit sequences and multi-value levels in a method for converting binary numbers to decimal numbers (hereinafter referred to as binary decimal encoding).
  • the multi-value conversion unit 158 converts, for example, binary bit sequences “000”, “001”, “010”,... To multi-value levels of “0”, “1”, “2”,. To do.
  • the probability density distribution of interference components (Gaussian noise, etc.) added to the multilevel level has a distribution shape with the multilevel level transmitted by the sender as a peak, as shown in FIG. There are many.
  • multi-level identification errors that generate multi-level power received by an eavesdropper have the highest probability of being misidentified to the adjacent multi-level.
  • the number of errors that an eavesdropper can induce in the binary random number sequence that can be obtained by the multilevel code sequence 12 is the Hamming distance (i.e., the number of difference bits) of the binary bit sequence assigned to the adjacent multilevel level. ) (In the following, the adjacent multi-level It is almost determined by the Hamming distance between bells).
  • the hamming distance between adjacent multi-levels is often 1 (minimum value), and adjacent multi-level identification errors often induce many errors in the binary random number sequence. Cannot be expected.
  • the error induction effect is enhanced by a method for maximizing the distance between adjacent multilevel levels and the ming distance (hereinafter referred to as the Maximized Hamming distance (MH) coding method).
  • MH code method shown in FIG. 10 (b)
  • the distance between adjacent multi-levels and the ming distance is equal to the binary bit sequence length “3” assigned to each multi-level, or “1” smaller than that, and is an average. It is possible to increase the distance between adjacent multilevel levels. In this way, by using the MH code method, many errors can be induced by the eavesdropper's binary random number sequence, and the amount of computation required for decoding can be increased.
  • the Hamming distance between A and A is 1 more than the binary bit sequence length.
  • a series in which 2 bits of A are inverted is assigned to A so that 2 is a small value.
  • the Hamming distance between A and A is 1 more than the binary bit sequence length.
  • a series in which 2 bits of A are inverted is assigned to A so that 2 is a small value.
  • the Hamming distance between A and A is 1 more than the binary bit sequence length.
  • a series in which 2 bits of A are inverted is assigned to A so that 2 is a small value.
  • Equation 1 shows a recurrence formula that defines an inverted bit matrix C (i is a natural number).
  • the inverted bit matrix C is a matrix having the number of columns “i” and the number of rows “ ⁇ 1”, and is generated according to such a gradual equation.
  • the initial value C of the recurrence formula is 1, and the multilevel number of the inverted bit matrix to be obtained is M, the inverted bit matrix is C.
  • FIG. 11 shows the correspondence between binary bit sequences and inverted bit sequences assigned to each multi-level in the MH coding method.
  • EXOR (A, B) is expressed as an exclusive OR operation of binary bit sequences A and B, as shown in Fig. 11, each is assigned to an 8-level multi-level.
  • the binary bit sequences A to A are expressed by the relationship shown in (Equation 3).
  • A can be assigned an arbitrary binary bit sequence as an initial value.
  • the generation of the multi-level code sequence 12 according to the above-described MH code is based on the correspondence between the binary random number sequence and the multi-level code sequence 12 stored in memory or the like as an example.
  • a method of generating the multilevel code sequence 12 from the binary random number sequence is conceivable.
  • the multi-level conversion unit 158 can generate the multi-level code sequence 12 in accordance with the following configuration.
  • FIG. 12 is a block diagram illustrating an example of a detailed configuration of the multi-value conversion unit 158.
  • multilevel conversion section 158 includes serial-parallel conversion section 1581, code conversion section 1582, and DZA conversion section 1583.
  • the serial-parallel converter 1581 serial-parallel converts the input binary random number sequence and outputs the result.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of a specific configuration of the serial-parallel converter 1581. For example, as shown in Fig. 13, the serial-parallel converter 1 581 sequentially outputs the binary random number sequence input to the serial port bit by bit from the LSB side of the normal port to the MSB side, and outputs it to the MSB. The next bit that has been reached is output again in order of LSB side force. Note that the number m of parallel ports is log M (
  • M is the number of multi-level code strings 12).
  • the parallel port LSB side force is also set to Larel port number # 1, # 2, ... #m
  • the i-th binary random number sequence input to the serial port is the parallel port number # (mod ( Output from i— 1, m) + 1).
  • mod (a, b) is the remainder when a is divided by b.
  • FIG. 14 is a block diagram showing an exemplary configuration of the code conversion unit 1582.
  • the code conversion unit 15 82 converts the binary random number sequence input to the input port (number of ports: m) by the EXOR element and outputs it from the output port (number of ports: m).
  • the number of ports m at the input and output ports is 4.
  • the code input to the i-th input port of the LSB side force is X
  • the code output from the LSB side to the j-th output port is Y.
  • Y X
  • Y EXOR (X, X, X) for integer i satisfying 2 ⁇ i ⁇ (m— 1)
  • Y EXOR (X, X).
  • the DZA conversion unit 1583 performs DZA conversion on the code-converted binary random number sequence and outputs the result as a multi-level code sequence 12.
  • the DZA converter 1583 has m input ports and one output port, and the LSB side force is the result of adding all of these after multiplying the input to the i-th port by 2 i_1 each. Is output.
  • the multilevel conversion unit 158 can generate an MH code using the EXOR element. Note that the MH code generation method is not limited to the above.
  • the multi-value conversion unit 158 converts the inverted bit matrix Cn of (2 n -1) rows X n columns into the matrix Cn of (2 n — 1) rows Xk columns. , And (2 n – 1) rows X (n–k) matrix Cn, (k is an arbitrary integer between 1 and (n–1)),
  • An inverted bit example may be calculated using the chemical formula.
  • the binary random number sequence received by the eavesdropper can be further increased by increasing the ming distance of the binary bit sequence assigned to the adjacent multilevel level. Many errors can be induced. For this reason, it is extremely difficult for an eavesdropper to specify an initial value (that is, key information) necessary for generating a binary random number sequence, and the number of multi-level signals in the multi-level signal is relatively small. It becomes possible to ensure the sex.
  • FIG. 15 is a block diagram showing a configuration of a data communication apparatus according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the data communication device has a configuration in which a data transmission device 10106 and a data reception device 10206 are connected by a transmission line 110.
  • the data transmitting apparatus 10106 is different from the first embodiment only in the first multi-level code generation unit 166a.
  • the data receiving apparatus 10206 is different from the first embodiment only in the second multi-level code generation unit 266a.
  • FIG. 16 is a block diagram showing a configuration of the first multi-level code generation unit 166a.
  • the first multi-level code generation unit 166a includes a random number sequence generation unit 167, an interleaving unit 168, and a multi-level conversion unit 169.
  • the random number sequence generation unit 167 generates a first binary random number sequence from the first key information 11.
  • Interleaving section 168 bit-interleaves the first binary random number sequence and outputs it as a second binary random number sequence.
  • the multilevel conversion unit 169 converts the second binary random number sequence into the multilevel code sequence 12.
  • the eavesdropper in order for the eavesdropper to specify the random number sequence generation method of the random number sequence generation unit 167, the eavesdropper binaries the binary value based on the multilevel code method using the multilevel signal 13. After obtaining the second binary random number sequence, the first binary value is obtained by performing the reverse of the bit interleaving performed by the sender and authorized receiver S interleaving unit 168 (reverse interleaving). It is necessary to obtain a random number sequence.
  • FIG. 17 shows that the multi-level identification error is in the same position in the multi-level signal 13 received by the eavesdropper.
  • the error distribution (evaluation example) of the binary random number sequence obtained when it occurs is shown.
  • Fig. 17 (a) in the binary-decimal code system (without interleaving), there are many long-period error-free intervals in which the number of errors contained in the binary random number sequence is small. is doing. Therefore, it is highly probable that the binary random number generation method will be specified immediately by the BM method.
  • FIG. 17 (b) in the case of the MH code key method (without interleaving), the number of errors increases, but the errors are localized and still have a long-period error.
  • the binary random number generation method may be specified by the BM method.
  • Fig. 17 (c) when the interleaving shown in the present embodiment is used together with the MH coding, the localized error as shown in Fig. 17 (b) is discretized and the error is Free section has decreased significantly. Therefore, the combined use of MH codes and interleaving makes it possible to increase the resistance to decoding by the BM method.
  • FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the number of interleaved lines and the amount of decryption calculations.
  • the graph in Fig. 18 shows the required values when the number of interleaved rows is changed based on the required number of received bits when the linear complexity of the binary random number sequence is 10, the multilevel number is 256, and the number of interleaved rows is 1.
  • the ratio of the number of received bits is shown as the decryption calculation amount. As shown in Fig.
  • FIG. 19 is a diagram showing the relationship between the number of interleaved columns and the amount of decryption calculation.
  • the graph shown in Fig. 19 shows the results when the number of interleaved sequences is changed based on the required number of received bits when the linear complexity of the binary random number sequence is 5, the multilevel number is 256, and the interleaved sequence number is 1. The ratio of the required number of received bits is shown as the decryption calculation amount.
  • the interleaving unit 168 can maximize the amount of decryption calculation by setting the number of interleaved sequences to at least twice the linear complexity.
  • the fifth and sixth embodiments can be applied to the first to fourth embodiments.
  • the data communication apparatus according to the first to sixth embodiments can be avoided as a method for performing data communication.
  • the data communication device according to the present invention is useful as a secret communication device that is safe against eavesdropping and interception.

Abstract

　盗聴者が暗号文の解析に要する時間を著しく増大させ、秘匿性の高いデータ通信装置を提供する。多値符号発生部（１５６ａ）は、所定の鍵情報から信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する。多値処理部部（１１１ｂ）は、多値符号列と情報データとを合成し、多値符号列と情報データとの組み合わせに対応したレベルを有する多値信号を生成する。多値符号発生部（１５６ａ）において、乱数列生成部（１５７）は、所定の鍵情報に基づいて２値乱数列を生成する。多値変換部（１５８）は、所定の符号化則に従って、２値乱数列から多値符号列を生成する。

Description

明 細 書
データ送信装置、データ受信装置、及びデータ通信装置
技術分野
[0001] 本発明は、第 3者による不法な盗聴'傍受を防ぐ暗号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 Z復号化 (変調 Z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、特定者同志でのみ通信を行うためには、送信 Z受信間で符号化 Z復号ィ匕 のための元情報 (鍵情報)を共有し、当該情報に基づいて、伝送すべき情報データ（ 平文)を数学的に演算 Z逆演算することにより秘密通信を実現する構成が採用され ている。図 20は、当該構成に基づぐ従来のデータ送信装置の構成を示すブロック 図である。図 20において、従来のデータ通信装置は、データ送信装置 90001と、伝 送路 913と、データ受信装置 90002とで構成される。データ送信装置 90001は、符 号化部 911と、変調部 912とからなる。データ受信装置 90002は、復調部 914と、復 号ィ匕部 915とからなる。ここで、符号ィ匕部 911に情報データ 90と第 1の鍵情報 91とを 入力し、復号化部 915に第 2の鍵情報 96を入力すると、復号ィ匕部 915から情報デー タ 98が出力される。さらに、第 3者による盗聴行為を説明するため、図 20は、盗聴者 復調部 916と、盗聴者復号化部 917とからなる盗聴者データ受信装置 90003を含む ものとする。盗聴者復号化部 917には、第 3の鍵情報 99が入力される。以下に、図 2 0を参照しながら、従来のデータ通信装置の動作を説明する。
[0003] データ送信装置 90001において、符号ィ匕部 911は、情報データ 90を、第 1の鍵情 報 91に基づいて符号化 (暗号化)する。変調部 912は、符号化部 911で暗号化され た情報データを所定の変調形式の変調信号 94に変換して伝送路 913に送出する。 データ受信装置 90002において、復調部 914は、伝送路 913を介して伝送されてき た変調信号 94を所定の復調方式で復調し、暗号化された情報データを出力する。 復号ィ匕部 915は、符号ィ匕部 911との間で共有した第 1の鍵情報 91と同一の第 2の鍵 情報 96に基づいて、暗号化された情報データを復号化 (暗号解読)して、元の情報 データ 98を出力する。
[0004] 盗聴者データ受信装置 90003は、データ送信装置 90001とデータ受信装置 900 02との間で伝送される変調信号 (情報データ)を盗聴するに当たり、盗聴者復調部 9 16が、伝送路 913を伝搬する変調信号の一部を分岐、入力し、所定の復調方式で 復調し、盗聴者復号ィ匕部 917が第 3の鍵情報 99に基づいて復号ィ匕を試みる。ここで 、盗聴者復号化部 917は、符号ィ匕部 911との間で鍵情報を共有していないものとす る。即ち、盗聴者復号化部 917は、第 1の鍵情報 91と異なる第 3の鍵情報 99に基づ き復号ィ匕を行うため、元の情報データを正しく再生することができない。
[0005] このような数学的な演算に基づく数理暗号 (または、計算暗号、ソフトウェア暗号とも 呼ばれる）技術は、例えば、特許文献 1の公報にも記されているように、アクセスシス テム等に適用できる。即ち、 1つの光送信器から送出された光信号を光力ブラで分岐 し、複数の光加入者宅の光受信器にそれぞれ配信する PON (Passive Optical N etwork)構成では、各光受信器に、所望の光信号以外の他加入者に向けた信号が 入力される。そこで、互いに異なる鍵情報を用いて、加入者毎の情報データを暗号 化することによって、互いの情報の漏洩'盗聴を防ぎ、安全なデータ通信を実現する ことができる。
特許文献 1：特開平 9— 205420号公報
非特許文献 1 :石橋啓一郎他訳、「暗号とネットワークセキュリティ:理論と実際」、ピア ソン'エデュケーション、 2001年
非特許文献 2 :安達真弓他訳、「暗号技術大全」、ソフトバンクパブリツシング、 2003 年
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] し力しながら、数理暗号技術に基づく従来のデータ通信装置では、盗聴者は、たと え鍵情報を共有しなくとも、暗号文 (変調信号、または暗号化された情報データ）に対 して、考え得る全ての組み合わせの鍵情報を用いた演算 (総当たり攻撃)や、特殊な 解析アルゴリズムの適用を試みれば、原理的に暗号解読が可能である。特に、近年 の計算機の処理速度向上は目覚ましぐ将来的に量子コンピュータ等の新しい原理 による計算機が実現されれば、有限の時間内で、暗号文を盗聴できるという課題を有 していた。
[0007] それ故に、本発明の目的は、盗聴者が暗号文の解析に要する時間を著しく増大さ せ、秘匿性の高いデータ通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
[0008] 本発明は、暗号ィ匕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、予め定められた所定の鍵情報と情 報データとを入力し、信号レベルが略乱数的に変化する多値信号を発生する多値符 号ィ匕部と、多値信号に基づいて、所定の変調形式の変調信号を生成する変調部とを 備える。多値符号化部は、鍵情報カゝら信号レベルが略乱数的に変化する多値符号 列を発生する多値符号発生部と、所定の処理に従って、多値符号列と情報データと を合成し、多値符号列と情報データとの組み合わせに対応したレベルを有する多値 信号を生成する多値処理部とを含む。多値符号発生部は、鍵情報に基づいて 2値乱 数列を生成する乱数列生成部と、所定の符号化則に従って、 2値乱数列から多値符 号列を生成する多値変換部とを有する。所定の符号ィ匕則は、所定長の 2値ビット系 列を多値符号列の各多値レベルに一意に対応させ、かつ任意の隣接する多値レべ ルに割当てる 2値ビット系列間の差異ビット数 (ハミング距離)力 当該 2値ビット系列 長、あるいは当該 2値ビット系列長より 1減じた値となるような規則である。
[0009] 好ましくは、多値符号発生部は、乱数列生成部が生成した 2値乱数列に対して、所 定の深さのビットインターリブを行うインターリーブ部をさらに有する
[0010] 好ましくは、ビットインターリーブのコラム数は、乱数列生成部が生成した 2値乱数列 の線形複雑度の 2倍以上である。また、ビットインターリーブの行数は、各多値レベル に対して割当てられる 2値ビット系列長以上である。
[0011] 好ましくは、各多値レベルに対応付けられる 2値ビット系列長が 2以上である。また、 多値レベルの総数が 2のべき乗である。また、全ての多値レベルに対して同じ系列長 の 2値ビット系列を割当てられる。また、多値レベルは、振幅、周波数、位相のいずれ かの領域、もしくは 、ずれかの組み合わせで表現される。 [0012] また、本発明は、暗号通信を行うデータ受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、本発明のデータ受信装置は、所定の変調形式の変調信号 を復調し、多値信号を出力する復調部と、予め定められた所定の鍵情報と多値信号 とを入力し、情報データを出力する多値復号ィ匕部とを備える。多値復号ィ匕部は、鍵 情報力 信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部 と、多値符号列に基づいて多値信号を識別し、情報データを出力する多値識別部と を含む。多値符号発生部は、鍵情報に基づいて 2値乱数列を生成する乱数列生成 部と、所定の符号ィ匕則に従って、 2値乱数列力 多値符号列を生成する多値変換部 とを有する。所定の符号ィ匕則は、所定長の 2値ビット系列を多値符号列の各多値レ ベルに一意に対応させ、かつ任意の隣接する多値レベルに割当てる 2値ビット系列 間の差異ビット数 (ハミング距離)が、当該 2値ビット系列長、あるいは当該 2値ビット系 列長より 1減じた値となるような規則である。
[0013] 好ましくは、多値符号発生部は、多値符号発生部は、乱数列生成部が生成した 2 値乱数列に対して、所定の深さのビットインターリブを行うインターリーブ部をさらに有 する。
[0014] 好ましくは、ビットインターリーブのコラム数は、乱数列生成部が生成した 2値乱数列 の線形複雑度の 2倍以上である。また、ビットインターリーブの行数は、各多値レベル に対して割当てられる 2値ビット系列長以上である。
[0015] 好ましくは、各多値レベルに対応付けられる 2値ビット系列長が 2以上である。また、 多値レベルの総数が 2のべき乗である。また、全ての多値レベルに対して同じ系列長 の 2値ビット系列を割当てられる。また、多値レベルは、振幅、周波数、位相のいずれ かの領域、もしくは 、ずれかの組み合わせで表現される。
[0016] また、本発明は、暗号通信を行うデータ通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、本発明のデータ通信装置は、データ通信装置は、データ 送信装置と、データ受信装置とを備える。データ送信装置は、予め定められた所定 の鍵情報と情報データとを入力し、信号レベルが略乱数的に変化する多値信号を発 生する多値符号化部と、多値信号に基づいて、所定の変調形式の変調信号を生成 する変調部とを備える。多値符号ィ匕部は、鍵情報力も信号レベルが略乱数的に変化 する多値符号列を発生する第 1の多値符号発生部と、所定の処理に従って、多値符 号列と情報データとを合成し、多値符号列と情報データとの組み合わせに対応した レベルを有する多値信号を生成する多値処理部とを含む。第 1の多値符号発生部は 、鍵情報に基づいて 2値乱数列を生成する第 1の乱数列生成部と、第 1の符号化則 に従って、 2値乱数列力 多値符号列を生成する第 1の多値変換部とを有する。第 1 の符号ィ匕則は、所定長の 2値ビット系列を多値符号列の各多値レベルに一意に対応 させ、かつ任意の隣接する多値レベルに割当てる 2値ビット系列間の差異ビット数 (ノ、 ミング距離)が、当該 2値ビット系列長、あるいは当該 2値ビット系列長より 1減じた値と なるような規則である。データ受信装置は、所定の変調形式の変調信号を復調し、多 値信号を出力する復調部と、予め定められた所定の鍵情報と多値信号とを入力し、 情報データを出力する多値復号ィ匕部とを備える。多値復号ィ匕部は、鍵情報から信号 レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する第 2の多値符号発生部と、多 値符号列に基づいて多値信号を識別し、情報データを出力する多値識別部とを含 む。第 2の多値符号発生部は、鍵情報に基づいて 2値乱数列を生成する第 2の乱数 列生成部と、第 2の符号ィ匕則に従って、 2値乱数列力 多値符号列を生成する第 2の 多値変換部とを有する。第 2の符号ィ匕則は、所定長の 2値ビット系列を多値符号列の 各多値レベルに一意に対応させ、かつ任意の隣接する多値レベルに割当てる 2値ビ ット系列間の差異ビット数 (ハミング距離)が、当該 2値ビット系列長、あるいは当該 2 値ビット系列長より 1減じた値となるような規則である。
[0017] 好ましくは、第 1の多値符号発生部は、第 1の乱数列生成部が生成した 2値乱数列 に対して、所定の深さのビットインターリブを行うインターリーブ部をさらに有する。第 2 の多値符号発生部は、第 2の乱数列生成部が生成した 2値乱数列に対して、所定の 深さのビットインターリブを行うインターリーブ部をさらに有する。
[0018] また、本発明は、暗号通信を行うための多値符号発生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、本発明の多値符号発生装置は、所定の鍵情報 に基づいて 2値乱数列を生成する乱数列生成部と、所定の符号ィヒ則に従って、 2値 乱数列力 多値符号列を生成する多値変換部とを有する。所定の符号ィ匕則は、所定 長の 2値ビット系列を多値符号列の各多値レベルに一意に対応させ、かつ任意の隣 接する多値レベルに割当てる 2値ビット系列間の差異ビット数 (ハミング距離)力 当 該 2値ビット系列長、あるいは当該 2値ビット系列長より 1減じた値となるような規則で ある。
[0019] 好ましくは、多値符号発生部は、乱数列生成部が生成した 2値乱数列に対して、所 定の深さのビットインターリブを行うインターリーブ部をさらに有する。
[0020] 好ましくは、ビットインターリーブのコラム数は、乱数列生成部が生成した 2値乱数列 の線形複雑度の 2倍以上である。また、ビットインターリーブの行数は、各多値レベル に対して割当てられる 2値ビット系列長以上である。
[0021] 好ましくは、各多値レベルに対応付けられる 2値ビット系列長が 2以上である。また、 多値レベルの総数が 2のべき乗である。また、全ての多値レベルに対して同じ系列長 の 2値ビット系列を割当てられる。また、多値レベルは、振幅、周波数、位相のいずれ かの領域、もしくは 、ずれかの組み合わせで表現される。
発明の効果
[0022] 本発明のデータ通信装置は、鍵情報に基づいて情報データを多値信号に符号化' 変調し、受信した多値信号を同一の鍵情報に基づいて復調'符号ィ匕し、多値信号の 信号対雑音電力比を適正化することにより、暗号文の解析に要する時間を著しく増 大させ、秘匿性の高!、データ通信装置を提供することができる。
[0023] また、隣接多値レベルに割当てる 2値ビット系列のノ、ミング距離を増加させることに より、盗聴者が受信した 2値乱数列に対して、より多くの誤りを誘発できる。このため、 2値乱数列を生成するのに必要な初期値 (すなわち鍵情報)を盗聴者が特定すること が極めて困難となり、多値信号の多値数が比較的少ない場合でも高い秘匿性を確 保することが可能となる。
図面の簡単な説明
[0024] [図 1]図 1は、本発明の第 1の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック 図である。
[図 2]図 2は、本発明の第 1の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号波形を説 明する模式図である。
[図 3]図 3は、本発明の第 1の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号波形の呼 称を説明する模式図である。
[図 4]図 4は、本発明の第 1の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号品質を説 明する模式図である。
[図 5]図 5は、本発明の第 2の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック 図である。
[図 6]図 6は、本発明の第 3の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック 図である。
[図 7]図 7は、本発明の第 4の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号パラメータ を説明する模式図である。
[図 8]図 8は、本発明の第 5の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック 図である。
[図 9]図 9は、第 1の多値符号発生部 156aの構成を示すブロック図である。
[図 10]図 10は、多値変換部 158が 2値乱数列を 8値の多値符号列 12に変換するた めのマッピング (割当）方法の一例を示す図である。
[図 11]図 11は、 MH符号化方式において、各多値レベルに割り当てる 2値ビット系列 と反転ビット系列との対応関係を示す図である。
[図 12]図 12は、多値変換部 158の詳細な構成の一例を示すブロック図である。
[図 13]図 13は、シリアル—パラレル変換部 1581の具体的な構成の一例を示す図で ある。
[図 14]図 14は、符号変換部 1582の構成の一例を示すブロック図である。
[図 15]図 15は、本発明の第 6の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロッ ク図である。
[図 16]図 16は、第 1の多値符号発生部 166aの構成を示すブロック図である。
[図 17]図 17は、多値識別誤りが同じ位置に発生した場合に得られる 2値乱数列の誤 り分布を示す図である。
圆 18]図 18は、インターリーブ行数と解読計算量との関係を示す図である。
圆 19]図 19は、インターリーブ列数と解読計算量の関係を示す図である。
[図 20]図 20は、従来のデータ送信装置の構成を示すブロック図である。 符号の説明
10101, 10102, 10103， 10105, 10106 データ送信装置
110 伝送路
111 多値符号化部
11 1a 第 1の多値符号発生部
111b 多値処理部
112 変調部
113 第 1のデータ反転部
114 雑音制御部
114a 雑音発生部
114b 合成部
156a, 256a 多値符号発生部
157 乱数列生成部
158 多値変換部
1581 シリアル パラレル変換部
1582 符号変換部
1583 DZA変換部
166a, 266a 多値符号発生部
167 乱数列生成部
168 インターリーブ部
169 多値変換部
10201, 10202, 10205, 10206 データ受信装置
211 復調部
212 多値復号化部
212a 第 2の多値符号発生部
212b 多値識別部
213 第 2のデータ反転部
発明を実施するための最良の形態 [0026] 以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
[0027] (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の構成を示すブロック図で ある。図 1において、データ通信装置は、多値符号ィ匕部 111と、変調部 112と、伝送 路 110と、復調部 211と、多値復号ィ匕部 212とで構成される。多値符号ィ匕部 111は、 第 1の多値符号発生部 11 laと、多値処理部 11 lbとからなる。多値復号ィ匕部 212は 、第 2の多値符号発生部 212aと、多値識別部 212bとからなる。また、多値符号化部 111と変調部 112とでデータ送信装置 10101を構成し、復調部 211と多値復号ィ匕部 212とでデータ受信装置 10201を構成する。伝送路 110には、 LANケーブルや同 軸ケーブル等の金属路線や、光ファイバケーブル等の光導波路を用いることができ る。また、伝送路 110は、 LANケーブル等の有線ケーブルに限られず、無線信号を 伝搬する自由な空間であってもよい。なお、図 2および図 3に、変調部 112から出力 される変調信号波形を説明するための模式図を示す。以下に、第 1の実施形態につ いて、図 2および図 3を用いながら、その動作を説明する。
[0028] 第 1の多値符号発生部 11 laは、予め定められた所定の第 1の鍵情報 11に基づい て、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列 12 (図 2 (b) )を発生する。多値処 理部 111bは、多値符号列 12と情報データ 10 (図 2 (a) )とを入力し、所定の手順に 従って両信号を合成し、当該信号レベルの組み合わせに対応したレベルを有する多 値信号 13 (図 2 (c) )を生成し、出力する。例えば、図 2では、多値符号列 12がタイム スロット tlZt2Zt3Zt4に対して当該レベルが clZc5Zc3Zc4と変化し、これをバ ィァスレベルとして、情報データ 10を加算することで、 L1ZL8ZL6ZL4と変化する 多値信号 13を生成する。ここで、図 3に示すように、情報データ 10の振幅を"情報振 幅"、多値信号 13の全振幅を"多値信号振幅"、各バイアスレベル (多値符号列 12の レベル） clZc2Zc3Zc4Zc5に対応して、多値信号 13が取り得るレベルの組 (L1 、 L4)Z(L2、 L5)Z(L3、 L6)Z(L4、 L7)Z(L5、 L8)を、第 1〜第 5の"基底"、多 値信号 13の最小信号点間距離を"ステップ幅"とそれぞれ呼称する。変調部 112は、 多値信号 13を元データとして、所定の変調形式の変調信号 14に変換して、伝送路 110に送出する。 [0029] 復調部 211は、伝送路 110を介して伝送されてきた変調信号 14を復調し、上述し た多値信号 15を再生する。第 2の多値符号発生部 212aは、第 1の鍵情報 11と同一 の第 2の鍵情報 16を予め共有し、当該第 2の鍵情報 16に基づいて、多値符号列 12 に相当する多値符号列 17を発生する。多値識別部 212bは、多値符号列 17を閾値 として、多値信号 15の識別（2値判定)を行い、情報データ 18を再生する。ここで、変 調部 112と復調部 211とが、伝送路 110を介して送受信する所定の変調形式の変調 信号 14は、電磁波（電磁界)または光波を多値信号 13で変調して得られるものであ る。
[0030] なお、多値処理部 11 lbにおける多値信号 13の生成については、上述のように、多 値符号列 12と情報データ 10の加算処理による方法以外に、情報データ 10に従って 、多値符号列 12のレベルを振幅変調 Z制御する方法や、あるいは、両信号レベル の組み合わせに対応した多値信号レベルを予め記憶させたメモリから、両信号レべ ルに応じて逐次読み出す方法等、 、かなる手順であっても構わな!/、。
[0031] 図 2および図 3では、多値信号の多値数を" 8"として表記した力 これに限定される ものではなぐそれより大きくても小さくても良い。また、情報振幅を多値信号のステツ プ幅の 3倍、もしくは整数倍として表記した力 いかなる奇数倍や偶数倍であっても良 い。また、情報振幅は多値信号のステップ幅の整数倍でなくても構わない。さらに、こ れに関連して、図 2および図 3では、多値符号列の各レベル（各バイアスレベル）が、 多値信号の各レベル間の略中心になるよう配置した力 これに限定されるものではな く、多値符号列の各レベルは、多値信号の各レベル間の略中心でなくても良いし、あ るいは多値信号の各レベルに一致しても構わない。また、多値符号列と情報データと の変化レートが互いに等しく同期関係にあることを前提としたが、この限りではなぐ 一方の変化レートが他方より高速 (または低速)であっても良いし、非同期であっても 構わない。
[0032] 次に、第 3者による、変調信号の盗聴動作について説明する。当該第 3者は、正規 の受信者が備えるデータ受信装置 10201に準じた構成、もしくはさらに高性能なデ ータ受信装置 (例えば、盗聴者データ受信装置)を用いて、変調信号を受信、解読 することが想定される。盗聴者データ受信装置において、復調部 (盗聴者復調部）は 、変調信号を復調することにより、多値信号を再生する。しかし、多値復号化部 (盗聴 者多値復号化部）は、データ送信装置 10101との間で第 1の鍵情報 11を共有しない ため、データ受信装置 10201のように、当該鍵情報力も発生した多値符号列を基準 とした多値信号の 2値判定を行うことができな ヽ。このような場合に考え得る盗聴動作 としては、多値信号の全レベルに対する識別を同時に行う方法 (一般に「総当たり攻 撃」と呼ばれる）がある。即ち、盗聴者は、多値信号が取り得る全ての信号点間に対 する閾値を用意して同時判定を行い、当該判定結果を解析することにより、正しい鍵 情報または情報データを抽出する。例えば、盗聴者は、図 2に示した多値符号列の レベル cOZclZc2Zc3Zc4Zc5Zc6を閾値として用いて、多値信号に対する多 値判定を行うことにより、当該レベルを同定する。
[0033] し力しながら、実際の伝送系では、種々の要因により雑音が発生し、これが変調信 号に重畳されることによって、多値信号のレベルは、図 4に示すように時間的 ·瞬時的 に変動する。このような場合、正規受信者 (データ受信装置 10201)による 2値判定 動作における被判定信号の SN比 (信号対雑音強度比)が、多値信号中の情報振幅 と雑音量の比で決まるのに対して、盗聴者データ受信装置による多値判定動作にお ける被判定信号の SN被は、多値信号のステップ幅と雑音量との比によって決まる。 このため、被判定信号が有する雑音レベルが同一条件下においては、盗聴者データ 受信装置における被判定信号の SN比が相対的に小さくなり、伝送特性 (誤り率)が 劣化することになる。即ち、第 3者の全閾値による総当たり攻撃に対して識別誤りを誘 発させて、盗聴を困難にすることができる。特に、多値信号のステップ幅を、当該雑 音振幅 (雑音強度分布の拡がり）に対して同オーダ、もしくは、より小さく設定すれば 、第 3者による多値判定を事実上不可能にして、理想的な盗聴防止を実現できる。
[0034] なお、上述のように被判定信号 (多値信号、または変調信号）に重畳される雑音とし ては、変調信号に無線信号等の電磁波を用いた場合は、空間場や電子部品等が有 する熱雑音 (ガウス性雑音)を、光波を用いた場合は、熱雑音に加えて、光子が発生 する際の光子数ゆらぎ (量子雑音)を、それぞれ利用できる。特に、量子雑音を伴つ た信号には、その記録や複製等の信号処理が適用できないことから、当該雑音量を 基準に多値信号のステップ幅を設定することによって、第 3者による盗聴を不可能と して、データ通信の安全性を確保することができる。
[0035] 以上説明したように、本実施形態によれば、伝送すべき情報データを多値信号とし て符号化し、当該信号点間距離を、当該雑音量に対して適切に設定することにより、 第 3者による盗聴時の受信信号品質に対して決定的な劣化を与えて、その解読'復 号ィ匕を困難にする、安全なデータ通信装置を提供することができる。
[0036] (第 2の実施形態）
図 5は、本発明の第 2の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック図で ある。本図において、データ通信装置は、多値符号ィ匕部 111と、変調部 112と、伝送 路 110と、復調部 211と、多値復号化部 212と、第 1のデータ反転部 113と、第 2のデ ータ反転部 213とから構成され、図 1の構成に対して、第 1のデータ反転部 113と、第 2のデータ反転部 213を新たに備える点が異なっている。また、多値符号ィ匕部 111と 、変調部 112と、第 1のデータ反転部 113とで、データ送信装置 10102を構成し、復 調部 211と、多値復号化部 212と、第 2のデータ反転部 213とで、データ受信装置 1 0202を構成する。以下に、本実施形態の動作を説明する。
[0037] 本実施形態の構成は、前述の第 1の実施形態（図 1)に準ずるため、同一の動作を 行うブロックに関しては、同一の参照符号を付して、その説明を省略し、相違点のみ を説明する。その構成において、第 1のデータ反転部 113は、情報データが有する" 0 "ど' 1 "の情報と、 Lowレベルと Highレベルとの対応関係を固定せず、所定の手順 で当該対応関係を略ランダムに変更する。例えば、多値符号ィ匕部 111と同様、所定 の初期値に基づいて発生させた乱数系列 (疑似乱数列）との排他的論理和 XOR(E xclusive OR)演算を行い、その演算結果を多値符号ィ匕部 111に出力する。第 2の データ反転部 213は、第 1のデータ反転部 113と逆の手順で、多値復号ィ匕部 212か ら出力されたデータが有する" 0"と" 1"の情報と、 Lowレベルと Highレベルとの対応 関係を変更する。例えば、第 2のデータ反転部 213は、第 1のデータ反転部 113が備 える初期値と同一の初期値を共有し、これに基づいて発生させた乱数のビット反転 系列と多値符号ィ匕部 212から出力されたデータとの排他的論理和演算を行い、その 結果を情報データとして出力する。
[0038] 以上説明したように、本実施形態によれば、伝送すべき情報データの反転を略ラン ダムに行うことにより、暗号としての多値信号の複雑性を大きくして、第 3者による解読 •復号ィ匕をさらに困難とし、より安全なデータ通信装置を提供することができる。
[0039] (第 3の実施形態）
図 6は、本発明の第 3の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック図で ある。図 6において、データ通信装置は、多値符号ィ匕部 111と、変調部 112と、伝送 路 110と、復調部 211と、多値復号化部 212と、雑音制御部 114とから構成され、図 1の構成に対して、雑音制御部 114を新たに備える点が異なっている。さらに、雑音 制御部 114は、雑音発生部 114aと、合成部 114bとからなる。また、多値符号化部 1 11と、変調部 112と、雑音制御部 114とで、データ送信装置 10103を構成し、復調 部 211と、多値復号ィ匕部 212とで、データ受信装置 10201を構成する。以下に、本 実施形態の動作を説明する。
[0040] 本実施形態の構成は、前述の第 1の実施形態（図 1)に準ずるため、同一の動作を 行うブロックに関しては、同一の参照符号を付して、その説明を省略し、相違点のみ を説明する。雑音制御部 114において、雑音発生部 114aは、所定の雑音を発生す る。合成部 114bは、所定の雑音と多値信号 13とを合成して、合成した信号を変調部 112に出力する。即ち、雑音制御部 114は、図 4で説明した多値信号のレベル変動 を故意に生じさせて、多値信号の SN比を任意の値に制御し、これにより、多値識別 部 212bに入力する被判定信号の SN比を制御する。なお、前述したように、雑音発 生部 114aで発生する雑音としては、熱雑音や量子雑音等が利用される。また、雑音 が合成 (重畳)された多値信号を雑音重畳多値信号 22と呼ぶことにする。
[0041] 以上説明したように、本実施形態によれば、伝送すべき情報データを多値信号とし て符号化し、その SN比を任意に制御することにより、第 3者による盗聴時の受信信号 品質に対して決定的な劣化を故意に与え、その解読'復号ィ匕をさらに困難にする、よ り安全なデータ通信装置を提供することができる。
[0042] (第 4の実施形態）
本発明の第 4の実施形態に係るデータ通信装置の動作を説明する。本実施形態の 構成は、前述の第 1の実施形態（図 1)、または第 3の実施形態（図 6)に準ずるため、 構成図は省略する。第 4の実施形態において、多値符号ィ匕部 111は、図 7に示すよう に、多値信号の各ステップ幅（S1〜S7)を、各レベルの変動量、即ち各レベルに重 畳されている雑音強度分布に従い設定する。具体的には、多値識別部 212bに入力 する被判定信号の隣り合う 2つの信号点間で決まる SN比が略一致するように、当該 信号点間距離を配分する。なお、各レベルに重畳される雑音量が等しい場合には、 各ステップ幅を均等に設定する。
[0043] 一般に、変調部 112から出力される変調信号として、半導体レーザ (LD)を光源と する光強度変調信号を想定した場合、 LDに入力する多値信号のレベルに依存して 当該変動幅 (雑音量)は変化する。これは、半導体レーザが自然放出光を「種光」とし た誘導放出の原理に基づいて発光することに起因しており、その雑音量は、誘導放 出光量に対する自然放出光量の相対比で定義されている。励起率 (LDに注入する バイアス電流に対応）が高い程、誘導放出光量の割合が大きくなるため、その雑音量 は小さぐ逆に、励起率が低い程、自然放出光量の割合が大きぐ雑音量は大きくな る。そこで、図 7に示すように、多値信号のレベルが小さい領域ではステップ幅を大き ぐレベルが大きい領域では小さぐ非線形に設定することにより、被判定信号の隣り 合う信号点間の SN比を一致させる。
[0044] また、変調信号として光変調信号を利用した場合でも、上記の自然放出光による雑 音や光受信器に用いる熱雑音が充分小さい条件下では、受信信号の SN比は、主 にショット雑音で決定される。当該条件下では、多値信号のレベルが大きい程、当該 雑音量が大きくなるため、図 7の場合とは逆に、多値信号のレベルが小さい領域では ステップ幅を小さぐレベルが大きい領域では大きく設定することにより、被判定信号 の隣り合う信号点間の SN比を一致させる。
[0045] 以上説明したように、本実施形態によれば、伝送すべき情報データを多値信号とし て符号化し、当該多値信号の信号点間距離を略均一に配置し、あるいは、瞬時レべ ルに依らず隣り合う信号点間の SN比を略均一に設定することにより、第 3者による盗 聴時の受信信号品質を常に劣化させ、その解読'復号ィ匕をさらに困難にする、より安 全なデータ通信装置を提供することができる。
[0046] (第 5の実施形態）
図 8は、本発明の第 5の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック図で ある。図 8において、データ通信装置は、データ送信装置 10105とデータ受信装置 1 0205とが伝送路 110によって接続された構成である。データ送信装置 10105は、第 1の多値符号発生部 156aのみが第 1の実施形態と異なる。また、データ受信装置 10 205は、第 2の多値符号発生部 256aのみが第 1の実施形態と異なる。
[0047] 図 9は、第 1の多値符号発生部 156aの構成を示すブロック図である。図 9において 、第 1の多値符号発生部 156aは、乱数列生成部 157と、第 1の多値変換部 158とを 有する。乱数列生成部 157は、第 1の鍵情報 11から 2値乱数列を生成する。多値変 換部 158は、 2値乱数列を多値符号列 12に変換する。なお、第 2の多値符号発生部 256aの構成も第 1の多値符号発生部 156aと同じである。
[0048] ここで、盗聴者による 2値乱数列生成方法を特定する手法の 1つとして、 Berlekam p— Massey法（以下 BM法と略す）と呼ばれるアルゴリズムが存在する。これは、 2k ビット (kは 2値乱数列の線形複雑度)の誤りのな 、2値乱数列から、当該 2値乱数列 の生成方法を特定するものである。従って、 BM法による 2値乱数列の生成方法の特 定を防ぐためには、盗聴者が解読プロセスで得る 2値乱数列中に、離散的な数多く の誤りを発生させることが望ま U、。このような誤りの発生を実現する符号化方式とし て、まずは、誤りの個数を増加させる多値符号ィ匕方式について説明する。
[0049] 図 10は、多値変換部 158が 2値乱数列を 8値の多値符号列 12に変換するための マッピング (割当）方法の一例を示す図である。図 10 (a)は、 2進数を 10進数に変換 する方式 (以下では 2進 10進符号化方式と表記）において、 3ビットの 2値ビット系 列と多値レベルとの対応を示している。多値変換部 158は、例えば、 2値ビット系列" 000"、 "001"、 "010"、…を、それぞれ" 0"、 "1"、 "2"、 · · ·の多値レベルに変換 する。
[0050] ここで、多値レベルに付加される干渉成分 (ガウス雑音など）の確率密度分布は、図 10に示すように、送信者が送信した多値レベルをピークとした分布形状となることが 多い。また、盗聴者が受信した多値レベル力も発生する多値識別誤りは、隣接多値 レベルへの識別誤りとなる確率が最も高くなる。この場合、盗聴者が多値符号列 12 力 得る 2値乱数列に対して誘発可能な誤りの個数は、隣接多値レベルに割当てら れた 2値ビット系列のハミング距離 (すなわち、差異ビット数）（以下では、隣接多値レ ベル間ハミング距離と表記)でほぼ決定される。しかし、 2進— 10進符号化方式では 、隣接多値レベル間ハミング距離が 1 (最小値)となる場合が多ぐ隣接多値識別誤り によって、 2値乱数列に多くの誤りを誘発することは期待できない。
[0051] 上記課題を鑑みて、隣接多値レベル間ノ、ミング距離を最大化する方式 (以下では Maximized Hamming distance (MH)符号化方式と表記）により、誤りの誘発効 果を高める。図 10 (b)に示した MH符号ィ匕方式では、例えば、多値レベル" 0"、 "1" 、 "2"、 · · ·に対して、 2値ビット系列" 000"、 "111"、 "010"、 · · ·を対応させる。この 方法により、隣接多値レベル間ノ、ミング距離は、各多値レベルに割当てられた 2値ビ ット系列長" 3"と同等か、それよりも 1小さい値" 2"となり、平均的な隣接多値レベル間 ノ、ミング距離を増加することができる。このように、 MH符号ィ匕方式を用いることで、盗 聴者の 2値乱数列により多くの誤りを誘発でき、解読に要する計算量を増加させるこ とが可能となる。
[0052] 続いて、 MH符号化方式での多値符号列 12の生成アルゴリズムについて、図 10 ( b)に示した 8値の多値レベルマッピングを例に説明する。なお、ここに示す方法はあ くまで一例であり、隣接多値レベル間ノ、ミング距離を増加させる方法であれば、いか なる方法であっても構わない。また、以下では、多値レベル" 0"、 "1"、 "2"、 · · ·、 "i" 、 · · ·に割当てる 2値ビット系列を、 Α、Α、Α、 · · ·、Α、 · · ·と表す。
0 1 2 i
[0053] まず始めに、多値レベル" 0"に割当てる 2値ビット系列 Aを決定する。ここで割当て
0
る 2値ビット系列は任意である力 一例として A = "000"とする。次に、多値レベル" 1
0
"について、 Aは A ( = "000")を全て反転した" 111"とし、 A -A間のハミング距
1 0 1 0
離として、 3 (最大値)を確保する。
[0054] 続、て、多値レベル" 2"につ!/、て、 A— A間のハミング距離を最大化するには、 A
2 1
= "000"とすることが望ましいが、この 2値ビット系列は Aと重複するため、別の割当
2 0
て方法が必要である。そこで、 A -A間のハミング距離が、 2値ビット系列長よりも 1
2 1
小さい値である 2となるように、 Aのうち 2ビットを反転させた系列を Aに割当てる。こ
1 2
こでは一例として、 Aの 1及び 3ビット目を反転し、 A = "010"とする。
1 2
[0055] 次に、多値レベル" 3"について、 Aは A ( = "010")を全て反転した" 101"とし、 A
3 2 3
-A間のハミング距離として、 3 (最大値)を確保する。 [0056] 続!、て、多値レベル" 4"につ!/、て、 A— A間のハミング距離を最大化するには、 A
4 3
= "010"とすることが望ましいが、この 2値ビット系列は Aと重複するため、別の割当
4 2
て方法が必要である。そこで、 A -A間のハミング距離が、 2値ビット系列長よりも 1
4 3
小さい値である 2となるように、 Aのうち 2ビットを反転させた系列を Aに割当てる。こ
3 4
こで、 Aの 1及び 3ビット目を反転させた場合、 Aと重複するため、ここでは一例とし
3 0
て、 Aの 2及び 3ビット目を反転し、 A = "110"とする。
3 4
[0057] 次に、多値レベル" 5"について、 Aは A ( = "110")を全て反転した" 001"とし、 A
5 4 5
-A間のハミング距離として、 3 (最大値)を確保する。
4
[0058] 続いて、多値レベル" 6"について、 A -A間のハミング距離を最大化するには、 A
6 5
= "110"とすることが望ましいが、この 2値ビット系列は Aと重複するため、別の割当
6 4
て方法が必要である。そこで、 A -A間のハミング距離が、 2値ビット系列長よりも 1
6 5
小さい値である 2となるように、 Aのうち 2ビットを反転させた系列を Aに割当てる。こ
5 6
こでは一例として、 Aの 1及び 3ビット目を反転し、 A = "100"とする。
5 6
[0059] 最後に、多値レベル" 7"について、 Aは A ( = "100")を全て反転した" 011"とし、
7 6
A -A間のノ、ミング距離として、 3 (最大値)を確保する。
7 6
[0060] 上記の方法により、全ての多値レベルに対して一意に対応し、かつ隣接多値レべ ル間ノ、ミング距離が 2値ビット系列長" 3"、あるいはそれより 1減じた 2値ビット系列長" 2"となる 2値ビット系列を割当てることができる。
[0061] また、上記の例で示したように、各多値レベルに割り当てられる 2値ビット系列長が すべて同じであり、多値数が 2のべき乗である場合には、多値レベルと 2値ビット系列 とのマッピング方法を、計算により求めることも可能である。下記では、この計算方法 を説明するにあたって、まずは、反転ビット行列及び反転ビット系列を定義する。
[0062] (式 1)には、反転ビット行列 C (iは自然数)を定義する漸化式を示す。（式 1)に示 すように、反転ビット行列 Cは、それぞれ列数" i"、行数" ー1"の行列であり、このよ うな漸ィ匕式に従って生成される。ここで、漸化式の初期値 Cを 1とし、求めるべき反転 ビット行列の多値数を Mとした場合、反転ビット行列は C となる。（式 2)には、 i= 1 log2
, 2, 3の場合の反転ビット行列 Ciの一例を示す。例えば、（式 2)に示すように、多値 数が 8 (M = 8)の場合には、上述した漸ィ匕式に従って Cが算出される。ここで算出さ れた Cの各行の要素 B、 B、 · · ·、 Bを反転ビット系列として定義する。
3 0 1 6
[数 1]
Figure imgf000020_0002
[数 2]
C1
Figure imgf000020_0001
続いて、図 11には、 MH符号化方式において、各多値レベルに割り当てる 2値ビッ ト系列と反転ビット系列との対応関係を示す。ここで、 EXOR (A, B)を、 2値ビット系 列 A及び Bの排他的論理和演算と表現とした場合、図 11に示すように、 8値の多値レ ベルに対してそれぞれ割り当てられる 2値ビット系列 A〜Aは、（式 3)に示す関係で
0 7
定義される。ここで、 Aは初期値として、任意の 2値ビット系列を割り当てることが可能
0
であるが、例えば A = "000"とすれば、図 10 (b)に示した MH符号化方式の 2値ビ
0
ット系列と同等のマッピング方法を導出することが可能となる。
[数 3] Ai+2 ^ EXORiA^B · · · (式 3 )
[0064] 上記に示した方法により、盗聴者の多値識別誤りが、 2値乱数列に対して誘発する 誤りの個数を増カロさせることが可能となり、 2値乱数列の特定を困難ィ匕することができ る。
[0065] なお、上述した MH符号ィ匕に従った多値符号列 12の生成は、一例として、予めメモ リなどに記憶された 2値乱数列と多値符号列 12との対応関係に基づいて、 2値乱数 列から多値符号列 12を生成する方法が考えられる。また、その他の例として、多値変 換部 158は、以下に示す構成に従って、多値符号列 12を生成することもできる。
[0066] 図 12は、多値変換部 158の詳細な構成の一例を示すブロック図である。図 12を参 照して、多値変換部 158は、シリアル—パラレル変換部 1581と、符号変換部 1582と 、 DZA変換部 1583とから構成される。シリアル—パラレル変換部 1581は、入力さ れた 2値乱数列をシリアル—パラレル変換して出力する。図 13は、シリアル—パラレ ル変換部 1581の具体的な構成の一例を示す図である。シリアル—パラレル変換部 1 581は、例えば図 13に示すように、シリアルポートに入力された 2値乱数列を、ノ ラレ ルポートの LSB側から MSB側に向けて 1ビットずつ順に出力し、 MSBに達した次の ビットを再び LSB側力も順に出力する。なお、パラレルポートのポート数 mは log M (
2
Mは多値符号列 12の多値数）とする。ここで、パラレルポートの LSB側力も順に、 ラレルポート番号 # 1、 # 2、 · · · # mとした場合、シリアルポートに入力される i番目の 2値乱数列は、パラレルポート番号 # (mod (i— 1, m) + 1)から出力される。ただし、 mod (a, b)は aを bで割ったときの余りである。
[0067] 図 14は、符号変換部 1582の構成の一例を示すブロック図である。符号変換部 15 82は、例えば図 14に示すように、入力ポート (ポート数: m)に入力された 2値乱数列 を、 EXOR素子によって変換し、出力ポート (ポート数: m)から出力する。なお、図 14 には、一例として多値数 (M= 16)の場合を示しており、入力ポート、出力ポートのポ ート数 mは 4となる。ここで、 LSB側力 i番目の入力ポートに入力される符号を X、 L SB側から j番目の出力ポートに出力される符号を Yとする。
[0068] このとき、入力 X〜Xに対して、出力 Y〜Y力 Y =X、 Y =EXOR(X , X , X )、 Y =EXOR(X , X , X )、 Y =EXOR(X , X )となるように論理演算を行う。こ
3 3 1 3 4 4 1 4
の論理演算を一般化すると、多値数が 2(ポート数 m=l)の場合は Υ =X (変換なし )、多値数が 4 (ポート数 =2)の場合は Y =X、 Y =EXOR(X、 X )、多値数が 8以
1 1 2 1 2
上の 2のべき乗数 (ポート数 m: 3以上）の場合は、 2≤i≤ (m— 1)を満たす整数 iに対 して、 Y =X、 Y=EXOR(X , X, X ), Y =EXOR(X , X )となる。
1 1 i 1 i i+1 m 1 m
[0069] DZA変換部 1583は、符号変換された 2値乱数列を DZA変換し、多値符号列 12 として出力する。例えば、 DZA変換部 1583は、 m個の入力ポートと 1つの出力ポー トとを有しており、 LSB側力も i番目のポートへの入力をそれぞれ 2i_1倍した後、これら 全てを加算した結果を出力する。以上の構成により、多値変換部 158は、 EXOR素 子を利用して、 MH符号を生成することが可能となる。なお、 MH符号の生成方法は 上記に限るものではない。
[0070] また、多値変換部 158は、（式 4)に示すように、 (2n- 1)行 X n列の反転ビット行列 Cnを、（2n— 1)行 Xk列の行列 Cn，と、（2n— 1)行 X (n— k)列の行列 Cn，，（kは 1 以上、（n—1)以下の任意の整数)とに分け、（式 5)に示す漸化式を用いて、反転ビ ット行例を算出してもよい。
[数 4]
Figure imgf000022_0001
ん列（^―ん J列
[数 5]
(式 5)
Figure imgf000022_0002
た列 列 ん J列 [0071] 以上のように、本実施形態によれば、隣接多値レベルに割当てる 2値ビット系列の ノ、ミング距離を増加させることにより、盗聴者が受信した 2値乱数列に対して、より多く の誤りを誘発できる。このため、 2値乱数列を生成するのに必要な初期値 (すなわち 鍵情報)を盗聴者が特定することが極めて困難となり、多値信号の多値数が比較的 少な 、場合でも高 、秘匿性を確保することが可能となる。
[0072] (第 6の実施形態）
第 5の実施形態において説明した方法により、盗聴者が得る 2値乱数列に含まれる 誤りの個数を増カロさせることが可能である。しかし、 BM法などによる解読を防ぐため には、誤りの個数増カロに加えて、さらに、誤りを離散化させることが望ましい。
[0073] 本実施形態では、誤りを離散化させる方法について、第 1の実施形態に示した構成 を元に、差分を重点的に説明する。
[0074] 図 15は、本発明の第 6の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック図 である。図 15において、データ通信装置は、データ送信装置 10106とデータ受信装 置 10206とが伝送路 110によって接続された構成である。データ送信装置 10106は 、第 1の多値符号発生部 166aのみが第 1の実施形態と異なる。データ受信装置 102 06は、第 2の多値符号発生部 266aのみが第 1の実施形態と異なる。
[0075] 図 16は、第 1の多値符号発生部 166aの構成を示すブロック図である。図 16におい て、第 1の多値符号発生部 166aは、乱数列生成部 167と、インターリーブ部 168と、 多値変換部 169とを有する。乱数列生成部 167は、第 1の鍵情報 11から第 1の 2値 乱数列を生成する。インターリーブ部 168は、第 1の 2値乱数列をビットインタリーブし 、第 2の 2値乱数列として出力する。多値変換部 169は、第 2の 2値乱数列を多値符 号列 12に変換する。
[0076] この場合、盗聴者が、乱数列生成部 167の乱数列生成方法を特定するためには、 多値信号 13を使用されている多値符号ィ匕方式に基づいて 2値ィ匕し、第 2の 2値乱数 列を得た上で、送信者及び正規受信者力 Sインターリーブ部 168で行うビットインターリ 一ブとは逆の作業 (逆インターリーブ)を行って、第 1の 2値乱数列を得ることが必要と なる。
[0077] 図 17には、盗聴者が受信した多値信号 13において、多値識別誤りが同じ位置に 発生した場合に得られる 2値乱数列の誤り分布 (評価例)を示す。図 17 (a)を参照し て、 2進— 10進符号ィ匕方式 (インターリーブなし)の場合には、 2値乱数列に含まれる 誤りの個数が少なぐ長周期の誤りフリー区間が数多く存在している。従って、 BM法 などにより即座に 2値乱数列の生成方法を特定される可能性が高いと考えられる。続 いて、図 17 (b)を参照して、 MH符号ィ匕方式 (インターリーブなし)の場合には、誤り の個数が増加しているが、誤りが局在化しており、依然として長周期の誤りフリー区間 が多数存在している。従って、 BM法などにより 2値乱数列の生成方法を特定される 可能性があると考えられる。図 17 (c)を参照して、 MH符号化に、本実施例で示すィ ンターリーブを併用した場合には、図 17 (b)で示すような局在化した誤りが離散化さ れ、誤りフリー区間が大幅に減少している。従って、 MH符号ィ匕とインターリーブの併 用により、 BM法などによる解読耐性を高めることが可能となる。
[0078] 図 18は、インターリーブ行数と解読計算量との関係を示す図である。図 18のグラフ は、 2値乱数列の線形複雑度を 10、多値数を 256、インターリーブ行数を 1とした場 合の所要受信ビット数を基準に、インターリーブ行数を変更した場合の所要受信ビッ ト数の比率を解読計算量として示している。図 18に示すように、多値数が 16 ( = 24) の場合はインターリーブ行数力 以上、多値数が 256 ( = 28)の場合はインターリーブ 行数が 8以上で、解読計算量は飽和する特性を有する。すなわち、インターリーブ部 168は、インターリーブ行数を各多値レベルに割り当てる 2値ビット系列長以上に設 定すれば、解読計算量を最大化することが可能となる。
[0079] 図 19は、インターリーブ列数と解読計算量の関係を示す図である。図 19に示すグ ラフは、 2値乱数列の線形複雑度を 5、多値数を 256、インターリーブ列数を 1とした 場合の所要受信ビット数を基準に、インターリーブ列数を変更した場合の所要受信ビ ット数の比率を解読計算量として示している。図 19に示すように、線形複雑度が 5の 場合はインターリーブ列数が 10以上、線形複雑度が 10の場合はインターリーブ列数 力 20以上で、解読計算量が飽和する特性を有する。すなわち、インターリーブ部 16 8は、インターリーブ列数を線形複雑度の 2倍以上に設定すれば、解読計算量を最 大化することが可能となる。
[0080] なお、第 5及び第 6の実施形態は、第 1〜第 4の実施形態に適用することができる。 また、第 1〜6の実施形態に係るデータ通信装置は、データ通信を行うための方法と してち捉免ることがでさる。
産業上の利用可能性
本発明に係るデータ通信装置は、盗聴'傍受等に対して安全な秘密通信装置等と して有用である。

Claims

請求の範囲
[1] 暗号通信を行うデータ送信装置であって、
予め定められた所定の鍵情報と情報データとを入力し、信号レベルが略乱数的に 変化する多値信号を発生する多値符号化部と、
前記多値信号に基づ!/、て、所定の変調形式の変調信号を生成する変調部とを備 え、
前記多値符号ィ匕部は、
前記鍵情報力 信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値 符号発生部と、
所定の処理に従って、前記多値符号列と前記情報データとを合成し、前記多値 符号列と前記情報データとの組み合わせに対応したレベルを有する多値信号を生 成する多値処理部とを含み、
前記多値符号発生部は、
前記鍵情報に基づいて 2値乱数列を生成する乱数列生成部と、
所定の符号化則に従って、前記 2値乱数列から前記多値符号列を生成する多値 変換部とを有し、
前記所定の符号化則は、所定長の 2値ビット系列を前記多値符号列の各多値レべ ルに一意に対応させ、かつ任意の隣接する多値レベルに割当てる 2値ビット系列間 の差異ビット数 (ハミング距離)が、当該 2値ビット系列長、あるいは当該 2値ビット系列 長より 1減じた値となるような規則であることを特徴とする、データ送信装置。
[2] 前記多値符号発生部は、前記乱数列生成部が生成した 2値乱数列に対して、所定 の深さのビットインターリブを行うインターリーブ部をさらに有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。
[3] 前記ビットインターリーブのコラム数は、前記乱数列生成部が生成した 2値乱数列 の線形複雑度の 2倍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
[4] 前記ビットインターリーブの行数は、各多値レベルに対して割当てられる 2値ビット 系列長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。 [5] 前記各多値レベルに対応付けられる 2値ビット系列長が 2以上であることを特徴とす る、請求項 1〜4のいずれかに記載のデータ送信装置。
[6] 前記多値レベルの総数が 2のべき乗であることを特徴とする、請求項 1〜5のいずれ かに記載のデータ送信装置。
[7] 前記全ての多値レベルに対して同じ系列長の 2値ビット系列を割当てられることを 特徴とする、請求項 1〜6のいずれかに記載のデータ送信装置。
[8] 前記多値レベルは、振幅、周波数、位相の 、ずれかの領域、もしくは 、ずれかの組 み合わせで表現されることを特徴とする、請求項 1〜7のいずれかに記載のデータ送 信装置。
[9] 暗号通信を行うデータ受信装置であって、
所定の変調形式の変調信号を復調し、多値信号を出力する復調部と、 予め定められた所定の鍵情報と前記多値信号とを入力し、情報データを出力する 多値復号ィ匕部とを備え、
前記多値復号ィ匕部は、
前記鍵情報力 信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値 符号発生部と、
前記多値符号列に基づいて前記多値信号を識別し、前記情報データを出力する 多値識別部とを含み、
前記多値符号発生部は、
前記鍵情報に基づいて 2値乱数列を生成する乱数列生成部と、
所定の符号化則に従って、前記 2値乱数列から前記多値符号列を生成する多値 変換部とを有し、
前記所定の符号化則は、所定長の 2値ビット系列を前記多値符号列の各多値レべ ルに一意に対応させ、かつ任意の隣接する多値レベルに割当てる 2値ビット系列間 の差異ビット数 (ハミング距離)が、当該 2値ビット系列長、あるいは当該 2値ビット系列 長より 1減じた値となるような規則であることを特徴とする、データ受信装置。
[10] 前記多値符号発生部は、前記多値符号発生部は、前記乱数列生成部が生成した 2値乱数列に対して、所定の深さのビットインターリブを行うインターリーブ部をさらに 有することを特徴とする、請求項 9に記載のデータ送信装置。
[11] 前記ビットインターリーブのコラム数は、前記乱数列生成部が生成した 2値乱数列 の線形複雑度の 2倍以上であることを特徴とする、請求項 10に記載のデータ受信装 置。
[12] 前記ビットインターリーブの行数は、各多値レベルに対して割当てられる 2値ビット 系列長以上であることを特徴とする、請求項 10に記載のデータ受信装置。
[13] 前記各多値レベルに対応付けられる 2値ビット系列長が 2以上であることを特徴とす る、請求項 10〜12のいずれかに記載のデータ受信装置。
[14] 前記多値レベルの総数が 2のべき乗であることを特徴とする、請求項 10〜13のい ずれかに記載のデータ受信装置。
[15] 前記全ての多値レベルに対して同じ系列長の 2値ビット系列を割当てられることを 特徴とする、請求項 10〜14のいずれかに記載のデータ受信装置。
[16] 前記多値レベルは、振幅、周波数、位相の!/、ずれかの領域、もしくは!、ずれかの組 み合わせで表現されることを特徴とする、請求項 10〜 15のいずれかに記載のデータ 受信装置。
[17] 暗号通信を行うデータ通信装置であって、
前記データ通信装置は、データ送信装置と、データ受信装置とを備え、 前記データ送信装置は、
予め定められた所定の鍵情報と情報データとを入力し、信号レベルが略乱数的 に変化する多値信号を発生する多値符号化部と、
前記多値信号に基づ!、て、所定の変調形式の変調信号を生成する変調部とを備 え、
前記多値符号ィ匕部は、
前記鍵情報から信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する第 1 の多値符号発生部と、
所定の処理に従って、前記多値符号列と前記情報データとを合成し、前記多値 符号列と前記情報データとの組み合わせに対応したレベルを有する多値信号を生 成する多値処理部とを含み、 前記第 1の多値符号発生部は、
前記鍵情報に基づいて 2値乱数列を生成する第 1の乱数列生成部と、 第 1の符号化則に従って、前記 2値乱数列から前記多値符号列を生成する第 1 の多値変換部とを有し、
前記第 1の符号化則は、所定長の 2値ビット系列を前記多値符号列の各多値レべ ルに一意に対応させ、かつ任意の隣接する多値レベルに割当てる 2値ビット系列間 の差異ビット数 (ハミング距離)が、当該 2値ビット系列長、あるいは当該 2値ビット系列 長より 1減じた値となるような規則であり、
前記データ受信装置は、
所定の変調形式の変調信号を復調し、多値信号を出力する復調部と、 予め定められた所定の鍵情報と前記多値信号とを入力し、情報データを出力す る多値復号ィ匕部とを備え、
前記多値復号ィ匕部は、
前記鍵情報から信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する第 2 の多値符号発生部と、
前記多値符号列に基づいて前記多値信号を識別し、前記情報データを出力す る多値識別部とを含み、
前記第 2の多値符号発生部は、
前記鍵情報に基づいて 2値乱数列を生成する第 2の乱数列生成部と、 第 2の符号化則に従って、前記 2値乱数列から前記多値符号列を生成する第 2 の多値変換部とを有し、
前記第 2の符号化則は、所定長の 2値ビット系列を前記多値符号列の各多値レべ ルに一意に対応させ、かつ任意の隣接する多値レベルに割当てる 2値ビット系列間 の差異ビット数 (ハミング距離)が、当該 2値ビット系列長、あるいは当該 2値ビット系列 長より 1減じた値となるような規則であることを特徴とする、データ通信装置。
前記第 1の多値符号発生部は、前記第 1の乱数列生成部が生成した 2値乱数列に 対して、所定の深さのビットインターリブを行うインターリーブ部をさらに有し、 前記第 2の多値符号発生部は、前記第 2の乱数列生成部が生成した 2値乱数列に 対して、所定の深さのビットインターリブを行うインターリーブ部をさらに有することを 特徴とする、請求項 17に記載のデータ通信装置。
[19] 暗号通信を行うための多値符号発生装置であって、
所定の鍵情報に基づいて 2値乱数列を生成する乱数列生成部と、
所定の符号化則に従って、前記 2値乱数列から前記多値符号列を生成する多値 変換部とを有し、
前記所定の符号化則は、所定長の 2値ビット系列を前記多値符号列の各多値レべ ルに一意に対応させ、かつ任意の隣接する多値レベルに割当てる 2値ビット系列間 の差異ビット数 (ハミング距離)が、当該 2値ビット系列長、あるいは当該 2値ビット系列 長より 1減じた値となるような規則であることを特徴とする、多値符号発生装置。
[20] 前記多値符号発生部は、前記乱数列生成部が生成した 2値乱数列に対して、所定 の深さのビットインターリブを行うインターリーブ部をさらに有することを特徴とする、請 求項 19に記載の多値符号発生装置。
[21] 前記ビットインターリーブのコラム数は、前記乱数列生成部が生成した 2値乱数列 の線形複雑度の 2倍以上であることを特徴とする、請求項 20に記載の多値符号発生 装置。
[22] 前記ビットインターリーブの行数は、各多値レベルに対して割当てられる 2値ビット 系列長以上であることを特徴とする、請求項 20に記載の多値符号発生装置。
[23] 前記各多値レベルに対応付けられる 2値ビット系列長が 2以上であることを特徴とす る、請求項 19〜22のいずれかに記載の多値符号発生装置。
[24] 前記多値レベルの総数が 2のべき乗であることを特徴とする、請求項 19〜23のい ずれかに記載の多値符号発生装置。
[25] 前記全ての多値レベルに対して同じ系列長の 2値ビット系列を割当てられることを 特徴とする、請求項 19〜24のいずれかに記載の多値符号発生装置。
[26] 前記多値レベルは、振幅、周波数、位相の!/、ずれかの領域、もしくは!、ずれかの組 み合わせで表現されることを特徴とする、請求項 19〜25のいずれかに記載の多値 符号発生装置。
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