專利名稱:無線通信裝置以及無線通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在無線通信系統(tǒng)中使用的無線通信裝置以及無線通信方法，所述無線通信系統(tǒng)利用通過多個天線元件接收由多個天線元件發(fā)送的無線信號而進(jìn)行無線通信的MIMO(Multiple Input Multiple Output，多輸入多輸出)技術(shù)。
背景技術(shù)：
伴隨著以便攜式電話系統(tǒng)和無線LAN為代表的移動式無線通信系統(tǒng)的普及，在這些系統(tǒng)中，發(fā)送和接收諸如個人信息和企業(yè)的機密信息等的保密信息的機會正在增加。在移動式無線通信系統(tǒng)中，因為第三者能夠容易地監(jiān)聽無線信號，所以，有時需要使用加密技術(shù)，以使無線信號即使被監(jiān)聽，也不能竊聽其內(nèi)容。
加密技術(shù)的方式之一，是由發(fā)送方和接收方的雙方秘密地共享密鑰的專用密鑰方式。在移動式無線通信系統(tǒng)中，因為擔(dān)心無線信號會被第三者監(jiān)聽，所以，不能由一方的無線通信裝置生成密鑰而將該密鑰通過無線發(fā)送給對方。因此，需要在雙方分別生成共同的密鑰。
適用了這種專用密鑰方式的加密技術(shù)的移動式無線通信系統(tǒng)已為眾所周知(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。在專利文獻(xiàn)1所述的技術(shù)中，以時分雙工(TDDTime Division Duplex)方式為前提，進(jìn)行通信的雙方估計傳播路徑的延遲分布，并且使用估計出的延遲分布的復(fù)數(shù)振幅信息、功率信息或者相位信息的任意一個來生成專用密鑰。
專利文獻(xiàn)1
日本專利申請?zhí)亻_2003-273856號公報
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的課題但是，專利文獻(xiàn)1所述的技術(shù)具有下述問題隨著在接收方無線通信裝置中的信噪比(SNRSignal-to-Noise Ratio)變小，由進(jìn)行通信的雙方生成相同專用密鑰的概率將降低，這是因為該概率依賴于在接收方無線通信裝置中的延遲分布的精確性。
由此，為了解決該問題，就考慮提高無線信號的發(fā)送功率。但是，這樣一來，就會使得其傳播路徑環(huán)境與接收方無線通信裝置相似的第三者的接收功率也變高。如此，該第三者獨自生成與接收方無線通信裝置所生成的專用密鑰相同的專用密鑰的危險性也會增加。
本發(fā)明的目的是提供一種無線通信裝置以及無線通信方法，在適用專用密鑰方式的無線通信系統(tǒng)中，即使無線信號被其傳播路徑環(huán)境與接收方無線通信裝置相似的第三者監(jiān)聽，其也能夠生成與該第三者所生成的專用密鑰不同的專用密鑰。
用于解決課題的方案本發(fā)明涉及的無線通信裝置所采用的結(jié)構(gòu)包括多個天線，接收MIMO信道的無線信號；信道估計單元，對每個信道計算出由上述天線接收的信號的信道估計值；信道矩陣生成單元，由計算出的信道估計值生成MIMO信道的信道矩陣；以及專用密鑰生成單元，使用由所生成信道矩陣的線性運算或者非線性運算所生成的信息來生成專用密鑰。
發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，由于無線通信裝置使用由MIMO信道的信道矩陣的線性運算或者非線性運算所生成的信息例如MIMO信道的本征值而生成專用密鑰，所以即使無線信號被第三者監(jiān)聽，亦能夠生成與該第三者生成的專用密鑰不同的專用密鑰。
圖1A是表示發(fā)送接收天線為一根時的通信形態(tài)的圖；圖1B是表示發(fā)送接收天線為多根時的通信形態(tài)的圖；圖2是表示本發(fā)明的實施方式1涉及的無線通信裝置的結(jié)構(gòu)的方框圖；圖3是表示圖2所示的專用密鑰生成單元的結(jié)構(gòu)的方框圖；圖4是說明圖1所示的無線通信裝置的動作的流程圖；圖5是說明在實施方式1中的每個信道的本征值的圖；圖6是表示在無線通信裝置的天線元件的總數(shù)與最大本征值的增益之間的關(guān)系的圖；圖7是說明圖3所表示的本征值選擇單元的動作的圖；圖8是說明圖3所表示的本征值選擇單元的動作的變形例子的圖；圖9是表示在本發(fā)明的實施方式2中的專用密鑰生成單元的結(jié)構(gòu)的方框圖；圖10是說明圖9所表示的專用密鑰生成單元的動作的圖；圖11是表示在本發(fā)明的實施方式3中的無線通信裝置的結(jié)構(gòu)的方框圖；以及圖12是說明圖11所表示的無線通信裝置的動作的圖。
具體實施方式本發(fā)明是在適用專用密鑰方式的無線通信系統(tǒng)中利用MIMO技術(shù)的，其中，基站裝置(BS)和通信終端裝置(MS)使用根據(jù)MIMO信道的信道矩陣通過線性運算或者非線性運算所生成的信息來分別生成專用密鑰。
這里，用圖1A以及圖1B說明MIMO技術(shù)的概要。圖1A表示BS和MS都具有一個天線元件，在該BS和MS之間進(jìn)行無線通信的通信形態(tài)。另外，在圖1A中，假設(shè)第三者物理上位于接近MS的地方，而且MS和第三者的傳播路徑環(huán)境相似。
因此，在圖1所示的通信形態(tài)中，由BS向MS發(fā)送的無線信號可以被第三者監(jiān)聽。此時，在MS和第三者都以同樣方式根據(jù)接收信號生成專用密鑰的情況下，因為MS的接收信號和第三者的接收信號之間的相關(guān)性比較高，因此即使MS和第三者是獨立地生成專用密鑰，所生成的專用密鑰也有可能會相同。
另一方面，在利用如圖1B所示的MIMO技術(shù)的無線通信系統(tǒng)中，在BS所具有的多個天線元件和MS所具有的多個天線元件之間將形成信道。換言之，形成MIMO信道。因此，即使第三者位于MS的附近，對于第三者來說，監(jiān)聽到由BS向MS發(fā)送的全部無線信號是困難的，而且，即使第三者能夠監(jiān)聽到全部的無線信號，但與圖1A的通信形態(tài)的情況相比，在第三者監(jiān)聽到的全部接收信號和MS的接收信號之間的相關(guān)性也將肯定下降。
因此，如果在適用了專用密鑰方式的無線通信系統(tǒng)中利用MIMO技術(shù)，可以容易地回避由第三者對無線信號的監(jiān)聽，而且，即使全部的無線信號被第三者監(jiān)聽，也能夠降低第三者生成出與MS的專用密鑰相同的專用密鑰的危險性。
下面，有關(guān)本發(fā)明的實施方式，參照附圖詳細(xì)地進(jìn)行說明。
(實施方式1)圖2是表示本發(fā)明實施方式1涉及的無線通信裝置200的結(jié)構(gòu)的方框圖。另外，在本實施方式中，假設(shè)在構(gòu)成無線通信系統(tǒng)的BS以及便攜式電話等的MS上，均配置無線通信裝置200。
無線通信裝置200包括多個天線元件201-1～201-n；多個接收無線處理單元202-1～202-n；多個導(dǎo)頻提取單元203-1～203-n；多個信道估計單元204-1～204-n；信道矩陣生成單元205；本征值檢測單元206；專用密鑰生成單元207；導(dǎo)頻產(chǎn)生單元211；以及多個發(fā)送無線處理單元212-1～212-n。
天線元件201-1～201-n，分別捕捉由通信對方裝置的多個天線元件發(fā)送來的無線信號，并將該接收信號輸入到接收無線處理單元202-1～202-n。
接收無線處理單元202-1～202-n分別包括帶通濾波器；模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器；以及低噪聲放大器等，并對由天線元件201-1～201-n輸入來的接收信號實施眾所周知的接收信號處理，并將處理后的接收信號輸入到導(dǎo)頻提取單元203-1～203-n。
導(dǎo)頻提取單元203-1～203-n分別從由接收無線處理單元202-1～202-n輸入來的接收信號中提取導(dǎo)頻信號，并將所提取的導(dǎo)頻信號輸入到信道估計單元204-1～204-n。
信道估計單元204-1～204-n通過使用由導(dǎo)頻提取單元203-1～203-n輸入來的導(dǎo)頻信號來對在通信對方裝置的多個天線元件和天線元件201-1～201-n之間形成的每個信道進(jìn)行信道估計，并將計算出的每個信道的信道估計值輸入到信道矩陣生成單元205。
信道矩陣生成單元205，根據(jù)由信道估計單元204-1～204-n分別輸入的每個信道的信道估計值來生成MIMO信道的信道矩陣，并將生成的信道矩陣輸入到本征值檢測單元206。另外，有關(guān)MIMO信道的信道矩陣以及其生成過程的詳細(xì)情況在后面還要敘述。
本征值檢測單元206，根據(jù)由信道矩陣生成單元205輸入來的信道矩陣檢測MIMO信道的本征值，并將檢測出的MIMO信道的本征值輸入到專用密鑰生成單元207。另外，有關(guān)MIMO信道的本征值的檢測過程的詳細(xì)情況，在后面還要敘述。
專用密鑰生成單元207，在由本征值檢測單元206輸入來的MIMO信道的本征值中選擇最大本征值，使用選擇出的最大本征值生成專用密鑰，并將生成的專用密鑰輸入到未圖示的控制單元等。
導(dǎo)頻產(chǎn)生單元211，以既定的定時生成導(dǎo)頻信號，并將所生成的導(dǎo)頻信號分別輸入到發(fā)送無線處理單元212-1～212-n。
發(fā)送無線處理單元212-1～212-n分別包括帶通濾波器、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器、以及低噪聲放大器等，并且對由導(dǎo)頻產(chǎn)生單元211輸入來的導(dǎo)頻信號實施預(yù)定的發(fā)送信號處理，之后，經(jīng)由天線元件201-1～201-n對該導(dǎo)頻信號進(jìn)行無線發(fā)送。
圖3是表示專用密鑰生成單元207的更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)的方框圖。專用密鑰生成單元207包括本征值選擇單元317；量化單元327；以及密鑰生成單元337。
本征值選擇單元317，在由本征值檢測單元206輸入來的MIMO信道的本征值中選擇最大本征值，并將選擇出的最大本征值輸入到量化單元327。
量化單元327，以預(yù)定的量化比特數(shù)對由本征值選擇單元317輸入來的最大本征值的大小(magnitude)進(jìn)行量化，以生成量化數(shù)據(jù)，并將所生成的量化數(shù)據(jù)輸入到密鑰生成單元337。
密鑰生成單元337，對由量化單元327輸入來的量化數(shù)據(jù)，通過諸如重復(fù)預(yù)定次數(shù)來擴張數(shù)據(jù)長度等預(yù)定的方式生成專用密鑰，然后將所生成的專用密鑰輸入到未圖示的控制單元等。
接下來，有關(guān)無線通信裝置200中的各個結(jié)構(gòu)單元的動作，參照圖4～圖7進(jìn)行說明。
圖4是表示直到在具有無線通信裝置200的BS和具有無線通信裝置200的MS中分別生成相同的專用密鑰并且在它們之間開始進(jìn)行通信為止的步驟的流程圖。另外，在圖4中，對由BS進(jìn)行的各步驟附上分支號「1」，同樣地，對由MS進(jìn)行的各步驟附上分支號「2」。另外，在下面內(nèi)容中，為了避免重復(fù)說明，有關(guān)BS和MS的動作是相同的步驟，不附分支號來進(jìn)行說明。
在步驟ST410中，BS和MS由天線元件201-1～201-n的每一個相互依次無線地發(fā)送導(dǎo)頻信號；接收方裝置用全部的天線元件201-1～201-n依次接收所發(fā)送來的導(dǎo)頻信號。
在步驟ST420，在BS和MS中，信道估計單元204分別對在BS的天線元件201-1～201-n和MS的天線元件201-1～201-n之間形成的每個信道進(jìn)行信道估計。
在步驟ST430，在BS和MS中，信道估計單元204分別根據(jù)在步驟ST420中計算出的信道估計值生成MIMO信道的信道矩陣。在以下“式1”中例示信道矩陣H。該信道矩陣H中的各要素h(i，j)表示由發(fā)送方裝置中的第j個天線元件201-j發(fā)送的且由接收方裝置的第i個天線元件201-i接收的導(dǎo)頻信號的信道估計值。另外，M表示發(fā)送方天線元件的總數(shù)，N表示接收方天線元件的總數(shù)。所以，在本實施方式中，M以及N均為“n”。
…(式1)在步驟ST440，在BS和MS中，分別使用式1所示的信道矩陣H來檢測MIMO信道的本征值。作為該本征值的檢測方法，例如有如下方法根據(jù)信道矩陣H計算相關(guān)矩陣，并通過對該相關(guān)矩陣進(jìn)行本征值/本征矢量分解來計算本征值。另外，還有對信道矩陣進(jìn)行奇異值分解獲得的奇異值進(jìn)行二次方運算來計算本征值的方法等。在本實施方式中，采用前者的方法。相關(guān)矩陣R使用信道矩陣H，并由以下“式2”來表示。還有，在式2中的上標(biāo)“H”表示共軛轉(zhuǎn)置。
R＝HHH…(式2)然后，相關(guān)矩陣R在進(jìn)行了本征值/本征矢量分解之后，就由以下“式3”來表示。還有，式3中的“Λ”表示“MIMO信道的本征值”，“V”表示MIMO信道的本征矢量。
R＝VΛVH…(式3)
圖5表示MIMO信道的本征值和各信道的關(guān)系的意義。在MIMO技術(shù)中，BS和MS之間存在的平均功率相同的多個信道，能夠變換成多個本征空間。而且，表示該本征空間的功率的值是MIMO信道的本征值。更具體地說，所謂MIMO信道的本征值可以視為為了判定為如圖5的下面部分所示在BS的天線元件201-1～201-n和MS的天線元件201-1～201-n之間分別形成一對一的信道所需的條件。在這里，如果式3中的MIMO信道的本征值Λ中的每個本征空間的本征值λ以遞減順序排列，則獲得以下“式4”。
λ1≥λ2≥…≥λL≥0 …(式4)在式4中，λi(1＜＝i＜＝L)表示MIMO信道的本征值Λ中的第i個最大本征空間的本征值，L表示信道矩陣的等級(rank，矩陣的階數(shù))，也即，是表示在BS的天線元件的總數(shù)和MS的天線元件的總數(shù)中較少一方的總數(shù)。還有，在本實施方式中，式4中的L為n。另外，因為每個本征空間的該本征值λ的大小表示本征空間的功率，所以，接收方裝置中的本征空間的本征值λ的總和就會相當(dāng)于接收總功率。因此，假設(shè)總功率為Ptotal并且L＝N，則有以下“式5”所示的關(guān)系成立。
Ptotal=ΣiNλi]]>…(式5)而且，假設(shè)接收方裝置中的每個天線元件的平均接收功率為Pave，則在總功率Ptotal和Pave之間，有以下“式6”所示的關(guān)系成立。
Ptotal＝N·Pave…(式6)如式4所示，因為本征空間的本征值λ的大小分散，所以總是存在滿足λ1＞Pave的本征值。并且，如圖6所示，隨著接收方天線元件201-1～201-n的總數(shù)增多，最大本征值的大小對于接收方天線元件201-1～201-n的每一個的平均接收功率的增益也增大。因此，在本實施方式中，如圖7所示，通過本征值選擇單元317，在由信道矩陣H生成的MIMO信道的本征值Λ中選擇最大本征值λi，由此就能夠切實地實現(xiàn)高于接收方天線元件201-1～201-n中每一個的平均SNR的SNR。
在步驟ST450，在BS和MS中，分別使用在步驟ST440中所選擇的最大本征值生成專用密鑰。在步驟ST450中，量化單元327以預(yù)定的量化比特數(shù)對由本征值選擇單元317輸入來的最大本征值的大小進(jìn)行量化，以生成量化數(shù)據(jù)，并將所生成的量化數(shù)據(jù)輸入到密鑰生成單元337。然后，密鑰生成單元337以預(yù)定的方式，通過將該量化數(shù)據(jù)反復(fù)或替換來生成專用密鑰。
在步驟ST460中，BS和MS分別在相互之間確認(rèn)各自所生成的專用密鑰是否相同。在本實施方式中，BS和MS分別對各自生成的專用密鑰，實施不能復(fù)原的不可逆轉(zhuǎn)換，BS對MS無線地發(fā)送實施了該不可逆轉(zhuǎn)換的信號。然后，MS把接收到的該信號和由本身裝置實施了不可逆轉(zhuǎn)換的信號進(jìn)行對比，并且確認(rèn)那些實施了不可逆轉(zhuǎn)換的信號是否一致，并將表示該確認(rèn)結(jié)果的確認(rèn)信號無線發(fā)送給BS。附帶提一下，作為實施了這樣的不可逆轉(zhuǎn)換的信號例如是施加散列函數(shù)的信號。
在步驟ST470-1中，在由MS發(fā)送來的確認(rèn)信號表示實施了不可逆轉(zhuǎn)換的信號彼此一致時，BS繼續(xù)執(zhí)行步驟ST480-1。另一方面，在由MS發(fā)送來的確認(rèn)信號表示實施了不可逆轉(zhuǎn)換的信號彼此為不一致時，則BS廢棄本身裝置所生成的專用密鑰，然后再次從步驟ST410-1執(zhí)行。
同樣地，在步驟ST470-2中，在實施了不可逆轉(zhuǎn)換的信號彼此間一致時，MS繼續(xù)執(zhí)行步驟ST480-2；另一方面，在實施了不可逆轉(zhuǎn)換的信號彼此間是不一致時，則MS廢棄本身裝置所生成的專用密鑰，然后再次從步驟ST410-2執(zhí)行。
在步驟ST480中，BS和MS分別使用各自所生成的專用密鑰，開始進(jìn)行無線通信。
這樣，根據(jù)本實施方式涉及的無線通信裝置200，因為專用密鑰生成單元207從MIMO信道的本征值中選擇最大本征值，并使用該最大本征值生成專用密鑰，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高于每一個天線元件201-1～201-n的平均SNR的SNR，以及因此能夠提高在該無線通信裝置200上所生成的專用密鑰和在通信對方裝置上所生成的專用密鑰相互一致的概率。
還有，有關(guān)本實施方式涉及的無線通信裝置200，也可以如下進(jìn)行應(yīng)用或者變形。
雖然借助本實施方式涉及的無線通信裝置200，對本征值選擇單元317在由本征值檢測單元206輸入來的MIMO信道的本征值中選擇最大本征值的情況進(jìn)行了說明，但是，本發(fā)明并不限定于此，例如，本征值選擇單元317可以選擇對由本征值檢測單元206輸入來的MIMO信道的本征值的總和的比為預(yù)定值以上的本征值，也即本征空間的本征值。例如，在圖8所示的例子中，從MIMO信道的本征值中選擇三個最大的本征值，并將所選擇的本征值輸入到量化單元327。這樣一來，因為量化單元327在不增加量化比特數(shù)的情況下可以增加量化數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量，因此，能夠提高專用密鑰的安全性，而不降低BS和MS各自生成的專用密鑰相互一致的概率。
另外，雖然在本實施方式中，對在步驟ST410中BS以及MS分別從天線元件201-1～201-n依次無線發(fā)送導(dǎo)頻信號的情況進(jìn)行了說明，但是，本發(fā)明并不限定于此，例如也可以在步驟ST410中BS以及MS將固有的擴頻碼(unique spreading codes)分配給天線元件201-1～201-n的每一個，并將由那些擴頻碼碼分后的導(dǎo)頻信號從天線元件201-1～201-n的每一個同時無線發(fā)送。這樣一來，因為在接收方裝置中，一個接收信號就會按每一信道碼分復(fù)用，所以，就能夠縮短導(dǎo)頻信號的發(fā)送接收所需的時間，從而能夠提前開始使用該專用密鑰的通信。
(實施方式2)在本發(fā)明的實施方式2中，對無線通信裝置200所生成的專用密鑰進(jìn)行糾錯解碼處理，進(jìn)而以最大本征值的大小為基準(zhǔn)，對該糾錯能力進(jìn)行控制。因此，本實施方式涉及的無線通信裝置200，具有圖9所示的專用密鑰生成單元907，以代替實施方式1涉及的無線通信裝置200中的專用密鑰生成單元207。下面，有關(guān)本實施方式，為了避免重復(fù)，只對與實施方式1不同的方面進(jìn)行說明。
圖9是表示本實施方式涉及的專用密鑰生成單元907的結(jié)構(gòu)的方框圖。專用密鑰生成單元907包括本征值選擇單元317；量化單元327；密鑰生成單元337；不一致糾正控制單元917；以及不一致糾正單元927。
不一致糾正控制單元917，根據(jù)由本征值選擇單元317輸入來的最大本征值的大小，對量化單元327進(jìn)行指示，以增減量化比特數(shù)；與此同時，也對不一致糾正單元927進(jìn)行指示，以增減用于糾錯處理的冗余數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量。
不一致糾正單元927，把由密鑰生成單元337輸入來的專用密鑰當(dāng)作糾錯編碼處理過的信號，并且通過將該數(shù)據(jù)的一部分也即由不一致糾正控制單元917所指示的數(shù)據(jù)量作為冗余數(shù)據(jù)，來進(jìn)行糾錯解碼處理。然后，不一致糾正單元927，將糾錯解碼處理后的專用密鑰輸入到未圖示的控制單元等。還有，不一致糾正單元927，在由不一致糾正控制單元917指示將作為冗余數(shù)據(jù)利用的數(shù)據(jù)的位置時，按照該指示對專用密鑰實施糾錯處理。
接著，有關(guān)專用密鑰生成單元907的動作，使用圖10，以不一致糾正控制單元917的動作為中心來詳細(xì)地進(jìn)行說明。
不一致糾正控制單元917，根據(jù)由本征值選擇單元317輸入來的最大本征值的大小，在最大本征值為大的情況下(圖10左邊范圍內(nèi))，對量化單元327發(fā)出指示，以減少量化比特數(shù)，并且抑制將要被生成的量化數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量。另外，將包含在從密鑰生成單元337輸入來的專用密鑰中的被抑制冗余數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量通知給不一致糾正單元927。
這里，作為不一致糾正控制單元917中的最大本征值之大和小的判斷方法，例如有根據(jù)最大本征值的大小對于MIMO信道的本征值中的每個本征空間的本征值的總和的比例進(jìn)行判斷的方法。另外，還有根據(jù)最大本征值的大小對于天線元件201-1～201-n的平均接收功率進(jìn)行判斷的方法等。
當(dāng)不一致糾正控制單元917判定由本征值選擇單元317輸入來的最大本征值為大時，這意味著噪聲對該最大本征值的影響小，也即SNR大，所以，沒有必要增加量化單元327中的量化比特數(shù)。
另一方面，不一致糾正控制單元917，在由本征值選擇單元317輸入來的最大本征值為小的情況下(圖10右邊范圍內(nèi))，向量化單元327發(fā)出指示以增加量化比特數(shù)，并且增大所生成的量化數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量。另外，對于不一致糾正單元927，通知包含在由密鑰生成單元337輸入來的專用密鑰中的增大后的冗余數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量。
當(dāng)不一致糾正控制單元917判定由本征值選擇單元317輸入來的最大本征值為小時，這意味著噪聲對該最大本征值的影響大，也即SNR小，所以，就有必要糾正源于該噪聲的、潛在于該專用密鑰中的差錯。那么，此時，不一致糾正控制單元917將增大量化單元327中的量化比特數(shù)以及增加包含在該專用密鑰中的冗余數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量，由此提高由不一致糾正單元927進(jìn)行的對專用密鑰的糾錯能力。
這樣，根據(jù)本實施方式涉及的無線通信裝置200，因為在專用密鑰生成單元907中，將專用密鑰看作是糾錯編碼處理后的信號并且進(jìn)行糾錯解碼處理，所以，能夠進(jìn)一步提高在無線通信裝置200中和在通信對方裝置中分別生成的專用密鑰為一致的概率。
另外，因為在本實施方式中，不一致糾正控制單元917同時控制量化單元327中的量化比特數(shù)和不一致糾正單元927中的冗余數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量，所以，能夠?qū)⒓m錯解碼處理后的專用密鑰的數(shù)據(jù)長度(比特數(shù))維持恒定，從而能夠抑制在未圖示的控制單元等中的信號處理的負(fù)載的增大。
(實施方式3)一般來說，專用密鑰，隨著數(shù)據(jù)長度變得越長，安全性就越提高。因此，在本發(fā)明涉及的實施方式3中，有關(guān)通過無線通信裝置1100檢測MIMO信道的本征值的頻率響應(yīng)并且組合該本征值的頻率響應(yīng)以生成專用密鑰、由此增加專用密鑰的數(shù)據(jù)長度和提高其安全性的形態(tài)進(jìn)行說明。
本實施方式涉及的無線通信裝置1100包括許多能夠發(fā)揮與實施方式1涉及的無線通信裝置200中的各結(jié)構(gòu)單元相同功能的結(jié)構(gòu)單元。所以，在本實施方式中，為了避免重復(fù)，只就不同于實施方式1的方面進(jìn)行說明。
圖11是表示本實施方式涉及的無線通信裝置1100的結(jié)構(gòu)的方框圖。無線通信裝置1100包括信道頻率響應(yīng)估計單元1104-1～1104-n，其代替在實施方式1涉及的無線通信裝置200中的信道估計單元204-1～204-n；信道矩陣頻率響應(yīng)生成單元1105，其代替信道矩陣生成單元205；本征值頻率響應(yīng)檢測單元1106，其代替本征值檢測單元206；以及專用密鑰生成單元1107，其代替專用密鑰生成單元207。另外，在本實施方式中，作為無線信號，使用了多載波信號，例如OFDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，正交頻分復(fù)用)信號。
信道頻率響應(yīng)估計單元1104-1～1104-n，分別根據(jù)由導(dǎo)頻提取單元203-1～203-n輸入來的導(dǎo)頻信號的脈沖響應(yīng)，估計每個信道的頻率響應(yīng)。具體地說，信道頻率響應(yīng)估計單元1104-1～1104-n，計算作為導(dǎo)頻信號的OFDM信號的信道估計值的頻率響應(yīng)，也即計算OFDM信號的每個信道的、每個副載波的信道估計值。信道頻率響應(yīng)估計單元1104-1～1104-n將計算出的信道估計值的頻率響應(yīng)輸入到信道矩陣頻率響應(yīng)生成單元1105。
信道矩陣頻率響應(yīng)生成單元1105，根據(jù)由信道頻率響應(yīng)估計單元1104-1～1104-n輸入來的信道估計值的頻率響應(yīng)，生成信道矩陣的頻率響應(yīng)，也即生成以O(shè)FDM信道的每個信道的、每個副載波的信道估計值為要素的MIMO信道的信道矩陣。然后，信道矩陣頻率響應(yīng)生成單元1105將所生成的信道矩陣的頻率響應(yīng)輸入到本征值頻率響應(yīng)檢測單元1106。
本征值頻率響應(yīng)檢測單元1106使用由信道矩陣頻率響應(yīng)生成單元1105輸入來的信道矩陣的頻率響應(yīng)，檢測MIMO信道的本征值的頻率響應(yīng)，也即，檢測OFDM信號的每個信道的、每個副載波的本征值的集合。然后，本征值頻率響應(yīng)檢測單元1106將檢測出的MIMO信道的本征值的頻率響應(yīng)輸入到專用密鑰生成單元1107。
專用密鑰生成單元1107使用由本征值頻率響應(yīng)檢測單元1106輸入來的MIMO信道的本征值的頻率響應(yīng)來生成專用密鑰。有關(guān)在該專用密鑰生成單元1107中生成專用密鑰的具體形態(tài)，接下來進(jìn)行說明。
在圖12中，更具體地表示專用密鑰生成單元1107的動作。在圖12的上段，記載著在由本征值頻率響應(yīng)檢測單元1106輸入來的MIMO信道的本征值的頻率響應(yīng)中，特定本征空間的本征值的頻率響應(yīng)。還有，作為根據(jù)MIMO信道的本征值的頻率響應(yīng)而選擇圖12的上段所示的特定本征空間的本征值的頻率響應(yīng)的形態(tài)，例如有選擇其中每個本征空間的本征值的頻率響應(yīng)的平均值為最大的本征空間的形態(tài)。
另外，專用密鑰生成單元1107對于所選擇的特定本征空間的本征值的頻率響應(yīng)，以預(yù)定的量化比特數(shù)，來對各頻率、也即對每個副載波的本征值的大小進(jìn)行量化，由此來生成量化數(shù)據(jù)。在此，專用密鑰生成單元1107在決定量化比特數(shù)時，通過參照特定本征空間的每個副載波的本征值的SNR，使量化的寬度足夠大于噪聲的大小，就能夠生成受噪聲影響小的量化數(shù)據(jù)。
接下來，專用密鑰生成單元1107通過適當(dāng)?shù)剡x擇和組合所生成的量化數(shù)據(jù)，就能夠生成具有長數(shù)據(jù)長度和高安全性的專用密鑰。另外，專用密鑰生成單元1107，在適當(dāng)?shù)剡x擇和組合所生成的量化數(shù)據(jù)時，通過只選擇由SNR高的本征值生成的量化數(shù)據(jù)，就能夠提高在本身裝置和通信對方裝置上分別生成的專用密鑰為一致的概率。
這樣，根據(jù)本實施方式涉及的無線通信裝置1100，因為根據(jù)MIMO信道的本征值中的特定本征空間的本征值的頻率響應(yīng)生成量化數(shù)據(jù)，所以，能夠大量地獲得受噪聲影響較小的優(yōu)質(zhì)的量化數(shù)據(jù)。而且，因為使用這種優(yōu)質(zhì)大量的量化數(shù)據(jù)來生成專用密鑰，所以，能夠增加專用密鑰的數(shù)據(jù)長度，從而能夠提高該專用密鑰的安全性。
另外，盡管在本實施方式中，為了增加專用密鑰的數(shù)據(jù)長度，使用頻率響應(yīng)來獲得大量的量化數(shù)據(jù)，但也可以使用時間響應(yīng)來獲得大量的量化數(shù)據(jù)。也就是說，通過經(jīng)過長時間獲得MIMO信道的本征值，就能夠獲得大量的量化數(shù)據(jù)，就能夠與本實施方式同樣增加專用密鑰的數(shù)據(jù)長度和能夠提高該專用密鑰的安全性。
另外，盡管在上述各實施方式中，已經(jīng)說明了其中將MIMO信道的本征值使用作為根據(jù)MIMO信道的信道矩陣通過線性運算或者非線性運算所生成的信息的情況，然而，本發(fā)明并不限定于這種情況，例如，作為根據(jù)信道矩陣通過線性運算或者非線性運算所生成的信息，也可以使用表示信道之間的相關(guān)關(guān)系的相關(guān)系數(shù)、表示信道矩陣之間的相關(guān)關(guān)系的相關(guān)矩陣或者通過本征值分解獲得的本征矢量。
盡管在上述各實施方式中，以使用硬件構(gòu)成本發(fā)明的情況為例進(jìn)行了說明，然而，本發(fā)明也能夠使用軟件來實現(xiàn)。
另外，用于上述各實施方式說明的各功能模塊，典型地由集成電路LSI(大規(guī)模集成電路)來實現(xiàn)。這些模塊既可以是獨立的芯片，也可以被部分或者全部包含在單個芯片上。這里，雖然采用“LSI”，但根據(jù)集成度的不同，也可稱為“IC(集成電路)”、“系統(tǒng)LSI(系統(tǒng)大規(guī)模集成電路)”、“超LSI(超規(guī)模集成電路)”、或者“超大LSI(超大規(guī)模集成電路)”。
另外，集成電路化的技術(shù)不只限于LSI，也可以使用專用電路或通用處理器來實現(xiàn)。制造LSI后，也可以利用FPGA(Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列)，或者可以利用其中能夠重新配置LSI內(nèi)部的電路塊的連接和設(shè)置的可重新配置處理器(Reconfigurable Processor)。
而且，如果隨著半導(dǎo)體技術(shù)或者衍生的其他技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了替換LSI的集成電路的技術(shù)，當(dāng)然，也可以利用該技術(shù)來實現(xiàn)功能模塊的集成化。也有應(yīng)用生物工程學(xué)技術(shù)等的可能性。
本發(fā)明的第一個方面是一種無線通信裝置，包括多根天線，接收MIMO信道的無線信號；信道估計單元，對每個信道計算由上述天線所接收的信號的信道估計值；信道矩陣生成單元，根據(jù)計算出的信道估計值，生成MIMO信道的信道矩陣；以及專用密鑰生成單元，使用由所生成的信道矩陣通過線性運算或者非線性運算生成的信息來生成專用密鑰。
本發(fā)明的第二個方面是一種無線通信裝置，其在上述發(fā)明中還包括本征值檢測單元，根據(jù)所生成的信道矩陣檢測MIMO信道的本征值；其中，上述專用密鑰生成單元使用檢測出的MIMO信道的本征值來生成專用密鑰。
本發(fā)明的第三個方面是一種無線通信裝置，其中，在上述發(fā)明中，上述專用密鑰生成單元使用檢測出的MIMO信道的本征值中的最大本征值來生成專用密鑰。
本發(fā)明的第四個方面是一種無線通信裝置，其中，在上述發(fā)明中，上述專用密鑰生成單元使用本征值來生成專用密鑰，該本征值對于檢測出的MIMO信道的本征值的總和的比等于或者大于預(yù)定值。
本發(fā)明的第五個方面是一種無線通信裝置，其中，在上述發(fā)明中，上述專用密鑰生成單元包括量化單元，其對檢測出的MIMO信道的本征值的大小進(jìn)行量化并生成量化數(shù)據(jù)；密鑰生成單元，其根據(jù)所生成的量化數(shù)據(jù)來生成密鑰數(shù)據(jù)；以及糾正單元，其將所生成的密鑰數(shù)據(jù)的一部分作為冗余數(shù)據(jù)使用，對上述密鑰數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯處理。
本發(fā)明的第六個方面是一種無線通信裝置，其中，在上述發(fā)明中，上述專用密鑰生成單元還包括控制單元，其測量被檢測出的MIMO信道的本征值的大小，并根據(jù)測量出的本征值的大小，在使上述量化單元中的量化比特數(shù)減少時，使上述糾正單元減少用作為冗余數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量；在使上述量化單元中的量化比特數(shù)增加時，使上述糾正單元增加用作為冗余數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量。
本發(fā)明的第七個方面是一種無線通信裝置，其中，在上述發(fā)明中，由上述天線接收的信號是多載波信號；上述信道估計單元計算接收到的多載波信號的信道估計值的頻率響應(yīng)；上述信道矩陣生成單元根據(jù)計算出的信道估計值的頻率響應(yīng)，生成信道矩陣的頻率響應(yīng)；上述本征值檢測單元根據(jù)所生成的信道矩陣的頻率響應(yīng)，檢測MIMO信道的本征值的頻率響應(yīng)；以及上述專用密鑰生成單元使用由上述本征值檢測單元檢測出的MIMO信道的本征值的頻率響應(yīng)來生成專用密鑰。
本發(fā)明的第八個方面是一種無線通信方法，包括接收步驟，用多個天線接收MIMO信道的無線信號；信道估計步驟，對每個信道計算由上述天線接收的信號的信道估計值；信道矩陣生成步驟，根據(jù)計算出的信道估計值，生成MIMO信道的信道矩陣；以及專用密鑰生成步驟，通過使用由所生成的信道矩陣的線性運算或者非線性運算而生成的信息來生成專用密鑰。
本說明書是基于2004年7月29日申請的日本專利申請?zhí)卦?004-222389號，其內(nèi)容全部包含于此作為參考。
工業(yè)實用性本發(fā)明涉及的無線通信裝置具有這樣的優(yōu)點通過利用MIMO技術(shù)的特性，即使無線信號被第三者監(jiān)聽，也能夠生成與該第三者生成的專用密鑰不同的專用密鑰。作為在利用MIMO技術(shù)的無線通信系統(tǒng)中所使用的無線通信方法等，該無線通信裝置因此是有用的。
權(quán)利要求
1.一種無線通信裝置，包括多個天線，接收MIMO信道的無線信號；信道估計單元，對每個信道計算由上述天線接收的信號的信道估計值；信道矩陣生成單元，根據(jù)計算出的信道估計值，生成MIMO信道的信道矩陣；以及專用密鑰生成單元，其使用由所生成的信道矩陣的線性運算或者非線性運算而生成的信息來生成專用密鑰。
2.如權(quán)利要求
1所述的無線通信裝置，還包括本征值檢測單元，根據(jù)所生成的信道矩陣檢測MIMO信道的本征值；其中，上述專用密鑰生成單元使用檢測出的MIMO信道的本征值來生成專用密鑰。
3.如權(quán)利要求
2所述的無線通信裝置，其中，上述專用密鑰生成單元使用檢測出的MIMO信道的本征值中的最大本征值來生成專用密鑰。
4.如權(quán)利要求
2所述的無線通信裝置，其中，上述專用密鑰生成單元使用本征值來生成專用密鑰，該本征值對于檢測出的MIMO信道的本征值的總和的比等于或者大于預(yù)定值。
5.如權(quán)利要求
2所述的無線通信裝置，其中，上述專用密鑰生成單元包括量化單元，對檢測出的MIMO信道的本征值的大小進(jìn)行量化，以生成量化數(shù)據(jù)；密鑰生成單元，根據(jù)所生成的量化數(shù)據(jù)，生成密鑰數(shù)據(jù)；以及糾正單元，其將所生成的密鑰數(shù)據(jù)的一部分作為冗余數(shù)據(jù)使用，對上述密鑰數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯處理。
6.如權(quán)利要求
5所述的無線通信裝置，其中，上述專用密鑰生成單元還包括控制單元，其測量檢測出的MIMO信道的本征值的大小，以及根據(jù)測量出的本征值的大小，在使上述量化單元中的量化比特數(shù)減少時，使上述糾正單元減少用作為冗余數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量；在使上述量化單元中的量化比特數(shù)增加時，使上述糾正單元增加用作為冗余數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量。
7.如權(quán)利要求
2所述的無線通信裝置，其中，由上述天線接收的信號是多載波信號；上述信道估計單元計算接收到的多載波信號的信道估計值的頻率響應(yīng)；上述信道矩陣生成單元根據(jù)計算出的信道估計值的頻率響應(yīng)，生成信道矩陣的頻率響應(yīng)；上述本征值檢測單元根據(jù)所生成的信道矩陣的頻率響應(yīng)，檢測MIMO信道的本征值的頻率響應(yīng)；以及上述專用密鑰生成單元使用由上述本征值檢測單元檢測出的MIMO信道的本征值的頻率響應(yīng)來生成專用密鑰。
8.一種無線通信方法，包括接收步驟，用多個天線接收MIMO信道的無線信號；信道估計步驟，對每個信道計算由上述天線接收的信號的信道估計值；信道矩陣生成步驟，根據(jù)計算出的信道估計值，生成MIMO信道的信道矩陣；以及專用密鑰生成步驟，通過使用由所生成的信道矩陣的線性運算或者非線性運算而生成的信息來生成專用密鑰。
專利摘要
本發(fā)明公開一種無線通信裝置，在適用密鑰方式的無線通信系統(tǒng)中，即使無線信號被傳播路徑環(huán)境與接收方無線通信裝置相似的第三者監(jiān)聽，該無線通信裝置也能夠生成與由該第三者所生成的密鑰不同的密鑰。在本發(fā)明裝置中，密鑰生成單元(207)的本征值選擇單元(317)選擇由本征值檢測單元(206)輸入的MIMO信道本征值的最大本征值，并將選擇的最大本征值輸入到量化單元(327)。量化單元(327)將由本征值選擇單元(317)輸入的最大本征值的大小進(jìn)行量化以生成量化數(shù)據(jù)，并將量化數(shù)據(jù)輸入到密鑰生成單元(337)。密鑰生成單元(337)使用預(yù)定的方式以根據(jù)由量化單元(327)輸入的量化數(shù)據(jù)來生成密鑰，并將所生成的密鑰輸入到未圖示的控制單元等。
文檔編號H04B7/04GK1993923SQ200580025524
公開日2007年7月4日 申請日期2005年7月7日
發(fā)明者湯田泰明, 今井友裕, 三好憲一 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan