JP4514463B2

JP4514463B2 - 送信装置及び無線通信方法

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Publication number: JP4514463B2
Application number: JP2004030349A
Authority: JP
Inventors: 洋一中川; 雅之折橋
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2004-02-06
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2024-02-06
Also published as: US20060003710A1; WO2004073226A1; EP1548968B1; JP2004266818A; EP1548968A1; EP1548968A4; US7215979B2

Description

本発明は、特定の無線局間において、無線回線を介して秘匿性が要求される情報を伝送するための送信装置及び無線通信方法に関する。

近年、ディジタル無線通信は、伝送速度や伝送品質が飛躍的に向上したことにより、通信分野の重要な位置を占めるようになってきている。一方で、無線通信は公共財である電波空間を利用しているため、秘匿性の点から考えると第三者による受信が可能であるといった根本的な欠点がある。すなわち、通信内容が第三者に傍受され情報が漏洩するおそれが常に存在する。

そこで従来の無線通信では、情報を暗号化することにより、たとえ通信データが第三者に傍受されたとしても情報の内容が第三者に分からないようにするなどの工夫がなされている。暗号化は、様々な分野で研究されまた様々な分野で応用されている。これは、暗号化には通信システムを変更しなくても一定セキュリティが確保できるといった長所があるからである。

しかしながら、情報の暗号化には、暗号化するためのコードやその手順が分かれば、比較的容易に情報が解読されてしまう問題がある。特に高速のコンピュータが一般的に普及している現状では、かなり複雑な暗号化処理を行わないとセキュリティが確保できなくなっている。

このような暗号化技術が有する課題に対して、電波伝搬媒体である伝搬チャネルの物理的な特徴に注目した、秘匿性の高い無線伝送方式が提案されている（例えば特許文献１）。この方式によれば、特定の無線局間で共有する伝搬チャネルの特性を考慮して通信データを送受信することにより、伝搬チャネルが異なる他の無線局ではデータを受信又は復元できないため、無線通信の物理層におけるセキュリティを確保することができる。また、特定の無線局間で固有の特性となる伝搬チャネルに基づいてデータ暗号化するための秘密鍵を共有し、第三者による盗聴を防止するようにしているものもある（例えば非特許文献１）。

無線伝送路のランダム性を活用したこれらの無線伝送方式は、第三者が傍受したときに伝送路の誤り発生確率が高くなるようにすることで、秘匿性が要求される通信データが傍受されるのを防ぐことができる。このため、一般に利用されている情報源の鍵暗号化の技術と組合せることで、より高いセキュリティで通信することが可能になる。

通常、携帯電話やＷＬＡＮなどの移動通信システムにおいて、２つの無線局間の伝搬チャネル特性は無線局の空間的な位置により特徴付けられる。伝搬チャネル特性を表すパラメータとしては、振幅・位相、到来波の方向や遅延時間、偏波などが用いられる。仮に、特定の無線局間の伝搬チャネルをこれらのパラメータを用いて独自に特徴付けることができれば、伝搬パラメータを考慮することにより秘匿性の高い通信が実現できる。さらにパラメータ数を増やし多次元パラメータにより伝搬チャネルの特性を表現すれば、この独自性はさらに強められると考えられる。
特開２００２−１５２１９１号公報堀池元樹、外３名、"陸上移動通信路の不規則変動に基づく秘密鍵共有方式"、信学技報、ＲＣＳ２００２−１７３、２００２年１０月。

しかしながら、無線局間の伝搬チャネルから推定される伝搬パラメータを考慮した無線通信を行う場合、秘匿性を高めるためにパラメータ数を増やたりパラメータの推定精度を向上させようとすると、信号処理量を増加させるだけでなく、ハードウェアに対して高い精度が要求されるという問題がある。

また、暗号化に用いる共通鍵を上記伝搬パラメータに基づいて生成する場合には、２つの無線局それぞれにおいて伝搬パラメータの推定と鍵生成の処理を実行する必要があり、例えば基地局と端末間の通信を想定すると、特にアプリケーションやインターフェースの高機能化が進む通信端末に対して、信号処理量の増加と、推定精度を確保するためにハードウェア精度の向上を要求しなければならないという問題がある。

本発明は、これら従来の問題を解決するものであり、通信を行う特定の無線局間の伝搬チャネルを特徴付ける伝搬パラメータの推定を行った後に、この伝搬パラメータを用いた暗号化等の処理を行うことなしに、通信路において秘匿性が要求されるデータが第３に漏洩することを防ぐことができる送信装置および無線通信方法を提供することを目的とする。

本発明に係る無線通信方法は、アレーアンテナを有する無線局が無線により、通信したい特定の無線局に対してデータを伝送する際に、無線局間の伝搬チャネルを特徴付けるベクトル空間を用いて、通知したいデータの他に複数のデータをベクトル多重により同時に送信する。通信相手の特定の無線局では所望の通知したいデータ系列のみがアレーアンテナ利得により一定の回線品質を確保して受信され、さらに第三者である他の無線局においては通知したいデータの他に複数のデータが同時に受信されるようにする。これにより、第三者である他の無線局は、干渉信号成分となる複数のデータを含む、つまりＳＩＮＲ（ＳｉｇｎａｌｔｏＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＮｏｉｓｅＲａｔｉｏ）が劣化した信号を受信するようになるため、復調される信号系列の誤り発生確率が高まり、特定の無線局間で伝送される特定のデータを抽出して正しく復元することが困難になる。このように、通信を行う特定の無線局間の伝搬チャネルを特徴付ける伝搬パラメータ推定を行った後に、この伝搬パラメータを用いた暗号化等の処理を行うことなしに、無線通信の伝搬路において秘匿性が要求されるデータ系列が第三者に漏洩することを防ぐことができる。

本発明に係る送信装置は、Ｍ（Ｍは２以上の整数）素子のアレーアンテナを有する第１の無線局から、１本の受信アンテナを有する第２の無線局に対して情報シンボル系列を伝送するための無線通信システムにおいて用いられる、前記第１の無線局の送信装置であり、前記第１の無線局と前記第２の無線局との間の伝搬チャネル行列を特異値分解することにより、ある１つのＭ次元ベクトルと残りのＫ−１個（Ｋは１以上Ｍ以下の整数）のＭ次元ベクトルとが互いに線形独立または直交する関係にあるような、Ｋ個のＭ次元ベクトルを生成するベクトル制御手段と、前記第２の無線局へ送信すべき情報シンボル系列を含むＫ個のシンボル系列に対して、前記Ｋ個のＭ次元ベクトルを乗算することにより、多重化されたＭ個のベクトル多重シンボル系列を生成して出力するベクトル多重化手段とを有し、前記ベクトル制御手段が生成する前記Ｋ個のＭ次元ベクトルは、前記第２の無線局において、前記Ｋ個のシンボル系列の内、前記第２の無線局が受信すべき情報シンボル系列を含む少なくとも１つのシンボル系列が受信され、他のシンボル系列は打ち消されるように設定されることを特徴としたものである。
また、本発明に係る送信装置は、さらに、前記ベクトル制御手段が、前記伝搬チャネルを特徴付ける伝搬パラメータに基づいて、前記Ｋ個のＭ次元ベクトルを生成するものである。

これにより、前記情報シンボル系列を伝送する前記第１の無線局と前記第２の無線局ではない他の無線局が存在する場合に、前記他の無線局において前記複数のシンボル一部またはすべてが受信されるようになり、前記他の無線局が前記情報シンボル系列を復元することが困難となるため、情報の漏洩を防ぐことになり通信のセキュリティを確保できる。

また、本発明に係る送信装置は、前記伝搬パラメータとして前記伝搬チャネル行列を生成する伝搬チャネル解析手段をさらに有し、前記ベクトル制御手段は、前記伝搬チャネル行列を特異値分解することにより、前記Ｋ個のＭ次元ベクトルを生成することを特徴としたものである。

これにより、前記第２の無線局が前記情報シンボル系列を他のシンボル系列の干渉を受けずに受信することが可能となるため、無線回線の通信品質を改善できる。

また、本発明に係る送信装置は、前記伝搬パラメータとして前記伝搬チャネル行列を生成する伝搬チャネル解析手段をさらに有し、前記ベクトル制御手段は、前記伝搬チャネル行列の相関行列を固有値分解することにより、ある１つのＭ次元ベクトルと残りのＬ−１個（Ｌは１以上Ｍ以下の整数）のＭ次元ベクトルとが、互いに線形独立または直交する関係にあるような、Ｌ個のＭ次元ベクトルを生成することを特徴としたものである。

これにより、前記第１の無線局が有する前記Ｍ素子アレーアンテナの利得を前記伝搬チャネルにおいて最大とすることが可能となるため、無線回線のリンクバジェットを改善できる。

これにより、基地局のアレーアンテナから見た通信端末のアンテナに対する伝搬チャネルの情報を正確に得ることができるので、下り回線と上り回線の非対称性が無視できないような条件においても性能を維持することができる。

また、本発明に係る送信装置は、前記Ｋ個のシンボル系列の一部またはすべてが互いに異なる変調方式によってシンボルマッピングされていることを特徴としたものである。

これにより、前記第１の無線局と前記第２の無線局ではない他の無線局では、前記情報シンボル系列とは異なる変調がかかった他のシンボル系列の一部またはすべてが受信されるようになるため、前記情報シンボル系列と他のシンボル系列間の信号相関を低下させ、前記情報シンボル系列が前記他の無線局で復調される確率を低減させることができる。

また、本発明に係る送信装置は、前記Ｋ個のシンボル系列の一部またはすべてが互いに異なる符号系列によって符号拡散されていることを特徴としたものである。

これにより、符合系列を可変することが容易に行える構成であることから、仮に前記伝搬チャネルが前記第１の無線局と他の無線局間の伝搬チャネルに対して高い相関特性を持つような伝搬路状況が存在しても、前記情報シンボル系列に用いる符号系列を適当に可変することで、前記情報シンボル系列が前記他の無線局において復調されないように制御できる。

本発明に係る無線通信方法は、Ｍ（Ｍは２以上の整数）素子のアレーアンテナを有する第１の無線局から、１本の受信アンテナを有する第２の無線局に対して情報シンボル系列を伝送するための無線通信システムにおいて用いられる、前記第１の無線局の送信方法であり、前記第１の無線局と前記第２の無線局との間の伝搬チャネル行列を特異値分解することにより、ある１つのＭ次元ベクトルと残りのＫ−１個（Ｋは１以上Ｍ以下の整数）のＭ次元ベクトルとが互いに線形独立または直交する関係にあるような、Ｋ個のＭ次元ベクトルを生成するＭ次元ベクトル生成ステップと、前記第２の無線局へ送信すべき情報シンボル系列を含むＫ個のシンボル系列に対して、前記Ｋ個のＭ次元ベクトルを乗算することにより、多重化されたＭ個のベクトル多重シンボル系列を生成するステップと、生成された前記Ｍ個のベクトル多重シンボル系列を前記Ｍ素子のアレーアンテナから送信するステップと、を有し、前記Ｍ次元ベクトル生成ステップにおいて生成された前記Ｋ個のＭ次元ベクトルは、前記第２の無線局において、前記Ｋ個のシンボル系列の内、前記第２の無線局が受信すべき情報シンボル系列を含む少なくとも１つのシンボル系列が受信され、他のシンボル系列は打ち消されるように設定される。
また、本発明に係る無線通信方法は、前記第２の無線局から、前記第１の無線局と前記第２の無線局との間で既知である基準シンボルからなる基準信号を受信する受信ステップをさらに有し、前記Ｍ次元ベクトル生成ステップにおいて、前記受信ステップにおいて受信した前記基準シンボルから前記伝搬チャネルを特徴付ける伝搬パラメータを算出し、それを用いて前記Ｋ個のＭ次元ベクトルを生成するものである。

これにより、携帯電話やＷＬＡＮに代表される移動通信システムにおいて、前記通信端末の位置や周囲の環境などが時間と共に変動することによって生じる前記伝搬チャネルの特性の時間的変化に追従するため、前記基地局が、前記通信端末から送信された前記基準信号を用いて前記伝搬チャネルを特徴付ける伝搬パラメータを解析し、その解析結果に基づいたベクトル多重化処理により得られる前記ベクトル多重シンボル系列を用いて特定のシンボル系列を前記通信端末に向けて送信するため、前記伝搬チャネルの特性が変化する移動通信システムにおいて、前記他の無線局が前記情報シンボル系列を復元することが困難となるため、情報の漏洩を防ぐことになり通信のセキュリティを確保できる。

また、本発明に係る無線通信方法は、Ｍ（Ｍは２以上の整数）素子のアレーアンテナを有する第１の無線局から、１本の受信アンテナを有する第２の無線局に対して情報シンボル系列を伝送するための無線通信方法であり、前記第１の無線局から前記第２の無線局に対して、前記第１の無線局と前記第２の無線局との間で既知である基準シンボルを含む基準信号を送信するステップと、前記第２の無線局が、受信した前記基準信号から第２の無線局と前記第１の無線局との間の伝搬チャネルを特徴付ける伝搬パラメータを含むチャネル情報シンボル系列を生成するステップと、前記第２の無線局から前記第１の無線局へ、前記チャネル情報シンボル系列を送信するステップと、前記第１の無線局が、受信した前記チャネル情報シンボル系列から抽出した前記伝搬パラメータを用いて伝搬チャネル行列を生成し、前記伝搬チャネル行列を特異値分解することにより、ある１つのＭ次元ベクトルと残りのＫ−１個（Ｋは１以上Ｍ以下の整数）のＭ次元ベクトルとが互いに線形独立または直交する関係にあるような、Ｋ個のＭ次元ベクトルを生成するステップと、前記第１の無線局が、前記第２の無線局へ送信すべき情報シンボル系列を含むＫ個のシンボル系列に対して、前記Ｋ個のＭ次元ベクトルを乗算することにより、多重化されたＭ個のベクトル多重シンボル系列を生成するステップと、前記第１の無線局から前記第２の無線局へ、生成された前記Ｍ個のベクトル多重シンボル系列を前記Ｍ素子のアレーアンテナから送信するステップとを有し、前記Ｋ個のＭ次元ベクトルは、前記第２の無線局において、前記Ｋ個のシンボル系列の内、前記第２の無線局が受信すべき情報シンボル系列を含む少なくとも１つのシンボル系列が受信され、他のシンボル系列は打ち消されるように設定される。

これにより、前記第２の無線局が前記伝搬チャネルを特徴付ける前記伝搬パラメータの解析結果を前記第１の無線局に対してフィードバックするようにしたため、前記伝搬チャネルが送受信で非対称性になると場合として、例えば送受信で異なる周波数を利用する無線通信システムにおいても、高いセキュリティを確保して通信できる。

本発明に係る無線通信方法によれば、特定の無線局間では、所望のデータ系列のみを一定の回線品質を確保して送受信し、第三者である他の無線局においては、所望のデータ系列の他に複数のデータ系列が重畳されて同時に受信されるようになる。これにより、通信路において秘匿性が要求されるデータ系列が第三者に受信されることを防ぐことが可能になり、無線通信路における高度なセキュリティを確保できる。

また、特定の無線局間で確立されている無線回線にとって、干渉と成り得る他の無線局から送信データ系列を、所望のデータ系列と分離して送受信できるようになり、複数ユーザのアクセスを許容する無線通信システムにおいて耐干渉性能を向上できる。

また、本発明は、通信を行う特定の無線局間の伝搬チャネルを特徴付ける多次元の伝搬パラメータの推定を行った後に、この伝搬パラメータを用いた暗号化等の処理を行うことがないので、信号処理量を増加させたり、ハードウェアに対して高い精度を要求することもない。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の無線通信システム１００の全体構成を示すブロック図である。図において、無線通信システム１００は、基地局１０１、通信１０２端末、および基地局１０１と通信端末１０２との間の伝搬チャネル１０３とから構成される。また、基地局１０１は、基地局送受信部１０４と基地局アレーアンテナ１０５とを有し、通信端末１０２は、端末アンテナ１０６と端末送受信部１０７とを有している。そして、基地局１０１より送信されるＫ個のデータ系列Ｄ１〜ＤＫは、このデータ系列Ｄ１〜ＤＫのベクトル化信号ｘ１〜ｘＫとして基地局アレーアンテナ１０５から通信端末１０２に対して送信される。

図２は、無線通信システム１００において伝送データのセキュリティ確保を実現するシステムの動作原理を示している。図２において、基地局１０１は通信端末１０２へ伝搬チャネル１０３を介してベクトル化信号ｘ１〜ｘＫを送信するものであるが、非通信端末２００はその基地局１０１からのデータの漏洩を防ぎたい対象であり、基地局に対して空間的な位置が通信端末１０２とは異なるものである。また、伝搬チャネル２０１は基地局１０１と非通信端末間の伝搬チャネルを示す。一般に、建物が密集する都市内や壁に囲まれた屋内の電波伝搬環境下では、マルチパス伝搬により、基地局に対して空間的な位置が異なる複数の通信端末との間の伝搬チャネルは互いに異なる特性を示す。特に、通信端末の場所の移動や時間の経過に伴って生じる受信信号の複素包絡線変動の確率分布はレーリー分布によってモデル化することができることが知られており、異なる通信端末の間では受信信号の変動特性が無相関になる。

本実施の形態の無線通信システム１００では、基地局１０１は、データ系列Ｄ１〜ＤＫを伝搬チャネル１０３に基づいて基地局アレーアンテナ１０５よりベクトル多重化して同時に送信する。いま、このベクトル多重化された送信信号が伝搬チャネル１０３を介して通信端末１０２へ送信したときに、通信端末１０２がデータ系列Ｄ１のベクトル化信号ｘ１を高感度で受信するように制御したとき、非通信端末２００では、データ系列Ｄ１のベクトル化信号ｘ１の他に、データ系列Ｄ２〜ＤＫのベクトル化信号ｘ２〜ｘＫの一部またはすべてが同時に受信されるようになる。これは、伝搬チャネル２０１が伝搬チャネル１０３とはほぼ無相関な特性を示すので、通信端末１０２が予めｘ１を伝搬チャネル１０３に対して相関が高くなるように制御し、一方でベクトル化信号ｘ２〜ｘＫを伝搬チャネル１０３に対して相関が低くなるように制御することにより、ベクトル化信号ｘ１よりもベクトル化信号ｘ２〜ｘＫが伝搬チャネル２０１に対する相関が統計的に高くなるように制御されることになる。したがって、基地局がデータ系列Ｄ１の情報を通信端末１０２へ伝えたいときに、予めデータ系列Ｄ１と異なる情報をデータ系列Ｄ２〜ＤＫに対して与えておけば、非通信端末２００においてはデータ系列Ｄ１のみを受信してその情報を復元することが困難になる。

以下では、基地局１０１が複数のデータ系列をベクトル多重化して送信することにより、非通信端末２００に対する情報の漏洩を防ぎ、基地局１０１と通信端末１０２との間の無線回線における通信のセキュリティを確保することができる無線通信システム１００について、図３〜図１１を用いて詳細に説明する。

図３は、基地局１０１における基地局送受信部１０４と基地局アレーアンテナ１０５との構成を示している。図において、基地局送受信部１０４は、マルチシンボル生成手段３００、ベクトル多重化手段３０１、基地局ＲＦ部３０２、伝搬チャネル解析手段３０３、送信ベクトル制御手段３０４、およびアレー合成受信手段３０５によって構成される。また、基地局アレーアンテナ１０５は、Ｍ本のアンテナ素子Ａ１〜ＡＭによって構成される。

図４は、通信端末１０２、２００における端末送受信部１０７の構成を示す。図４にお
いて、端末送受信部１０７は、基準シンボル生成手段４００、シンボル生成手段４０１、端末ＲＦ部４０２、および復号手段４０３によって構成される。

本実施の形態では、はじめに、通信端末１０２から基準信号ｘ０を端末アンテナ１０６より送信する。この基準信号ｘ０は、基地局１０１において伝搬チャネル１０３を解析するために受信されるもので、基地局１０１と通信端末１０２との間で予め共有されている参照信号を含んでいる。

始めに、通信端末１０２の送信動作について図４を用いて以下に説明する。

図４において、基準シンボル生成手段４００は、基地局１０１と通信端末１０２との間で予め決められた特定の基準シンボルＲ０を生成し、シンボル生成部４０１へ送出する。シンボル生成手段４０１は、受け取った基準シンボルＲ０と、必要であれば図５に示すパイロットシンボルＰ０、アドレスシンボルＡ０、変調方式に基づいてシンボルマッピングされたデータ系列Ｄ０にフレームチェックシンボルＦＣ０を付加した送信フレーム５００とを構成し、シンボル系列Ｓ０として端末ＲＦ部４０２へ出力する。端末ＲＦ部４０２は、シンボル系列Ｓ０を無線周波数帯の信号へと変換し、基準信号ｘ０として端末アンテナ１０６より基地局１０１へ送信する。

なお、図５において、受信時には主に、基準シンボルＲ０は基準シンボルとして、パイロットシンボルＰ０はフレーム同期の確立として、アドレスシンボルＡ０は端末の認証として、フレームチェックシンボルＦＣ０は受信時のビット誤り検出用として使用される。また、シンボルマッピングされたデータ系列Ｄ０は送信時の必要に応じて挿入されるものとする。ただし、シンボル系列Ｓ０が伝搬チャネル１０３の解析という目的だけに使用される場合には、基準シンボルＲ０のみを送信する構成としても良い。また、基地局１０１が、基地局アレーアンテナ１０５における各アンテナ素子Ａ１〜ＡＭの受信信号から到来波の方向や偏波を推定し、その結果に基づいて伝搬チャネル１０３を算出する場合には、必ずしも通信端末１０２から基準シンボルＲ０を送信する必要はない。

次に、基地局１０１の受信動作について図３を用いて以下に説明する。

図３において、端末アンテナ１０６より送信された基準信号ｘ０は、伝搬チャネル１０３を介して基地局アレーアンテナ１０５で受信される。基地局アレーアンテナ１０５の各アンテナ素子Ａ１〜ＡＭの受信信号は基地局ＲＦ部３０２において、夫々ベースバンド信号である受信シンボル系列Ｙ１〜ＹＭへと変換され、伝搬チャネル解析手段３０３へ出力される。伝搬チャネル解析手段３０３は、この受信シンボル系列Ｙ１〜ＹＭを入力とし、伝搬チャネル１０３を特徴付ける伝搬パラメータとして伝搬チャネル行列Ｈを生成する。この伝搬チャネル行列Ｈを構成する各要素は、受信シンボル系列Ｙ１〜ＹＭに含まれる基準シンボルＲ０成分の振幅および位相から算出される複素チャネル係数ｈ１〜ｈＭであり、伝搬チャネル行列Ｈは（式１）のように表記される。

Ｈ＝［ｈ１ｈ２ … ｈＭ］（１）

尚、ここでは伝搬チャネル行列Ｈの算出方法として既知信号である基準シンボルＲ０を用いる方法について説明したが、基地局アレーアンテナ１０５の各アンテナ素子Ａ１〜ＡＭの受信信号に基づいて到来波の周波数、遅延時間、入射方向、偏波のいずれかまたはすべてを推定し、その結果に基づいて伝搬チャネル行列Ｈを推定することも可能である。

次に、ベクトル制御手段３０４は、この伝搬チャネル行列Ｈを入力として、伝搬チャネ
ル行列Ｈを特異値分解または固有値分解することにより、送信時のベクトル空間Ｖと受信時のベクトル空間Ｖ’を生成する。ここで、Ｈより求められるベクトル空間Ｖは、（式２）に示すようにＭ行（Ｍ次元）でＫ（Ｋ＜＝Ｍ）個の列ベクトルからなる行列空間であり、またベクトル空間Ｖ’は、（式３）に示すようにＭ行（Ｍ次元）でＬ（Ｌ＜＝Ｍ）個の列ベクトルからなる行列空間で構成されるものとする。

ただし、Ｔは行列に対する転置の作用を表す。

以下にベクトル空間Ｖの算出手順を説明する。はじめに、特異値分解による算出手順を説明する。

（式４）は、（式１）で示した伝搬チャネル行列Ｈの特異値分解を示している。

Ｈ＝Ｕ・Δ・Ｖｓ^H （４）

ただし、（式４）の右辺について、ΔはＨの特異値を行列要素に持つ１行Ｍ列の行列であり、またＶｓはＭ行（Ｍ次元）でＭ個の互いに直交する列ベクトルｖｓ１〜ｖｓＭによって構成されているベクトル空間であり、それぞれ（式５）〜（７）のように表すことができる。
また、Ｖｓ^Hは行列Ｖｓの複素共役転置をとった行列を示している。さらに、Ｈが１行Ｍ列の行列であるため特異値は１個だけ求められ、ここではそれをδとする。

Ｕ＝１（５）
Δ ＝ [δ ０ … ０]^T （６）
Ｖｓ＝［ｖｓ１ｖｓ２ … ｖｓＭ］（７）

次に、固有値分解を用いる場合について説明する。ベクトル制御手段３０４は、はじめに、（式１）の伝搬チャネル行列Ｈの相関行列Ｒを（式８）を用いて算出する。

Ｒ＝Ｈ^*・Ｈ（８）

ただし、＊は行列に対する複素共役転置の作用を表す。（式９）に示すように、相関行列Ｒを固有値分解し、固有値を対角項に持つＭ行Ｍ列の正方行列λとベクトル空間Ｖｅを算出する。

Ｒ・Ｖｅ＝ λ・Ｖｅ（９）

ここで、ＶｅはＭ行（Ｍ次元）でＭ個の互いに直交する列ベクトルｖｅ１〜ｖｅＭによって構成されているベクトル空間であり、λは前述したΔの各要素を二乗した値を対角項に持ち他の要素はすべて０となるＭ行Ｍ列の行列である。

さらに、ベクトル制御手段３０４は、特異値分解によって得られるＶｓまたは固有値分解によって得られるＶｅを構成するＭ個の列ベクトルからＫ個の列ベクトルを選択し送信時のベクトル空間Ｖとして出力し、またＬ個の列ベクトルを選択し受信時のベクトル空間Ｖ’として出力する。

次に、基地局１０１におけるデータ系列Ｄ１〜ＤＫの送信動作について説明する。

図６に示すように、基地局送受信部１０４のマルチシンボル生成手段３００は、Ｋ個の符号化手段６００−１〜６００−Ｋ、およびフレーム生成手段６０１−１〜６０１−Ｋにより構成される。はじめに、符号化手段６００−１〜６００−Ｋは、データ系列Ｄ１〜ＤＫを入力とし、変調方式に応じて複素平面上にシンボルマッピング処理を実行する。さらに、フレーム生成手段６０１−１〜６０１−Ｋは、図７に示すようにシンボルマッピングされたデータ系列Ｄ１〜ＤＫに、フレーム同期用のパイロットシンボルＰ１〜ＰＫ、情報源を識別するためのアドレスシンボルＡ１〜ＡＫ、および受信時のビット誤り検出用のフレームチェックシンボルＦＣ１〜ＦＣＫを付加して、送信フレーム７００−１〜７００−Ｋを生成し、ベクトル多重化手段へ出力する。

ベクトル多重化手段３０１は、この送信フレーム７００−１〜７００−Ｋからなるシンボル系列Ｓ１〜ＳＫを入力とし、ベクトル制御手段３０４で生成されたベクトルｖ１〜ｖＫで構成されるベクトル空間Ｖを用いて、（式１０）に示すようなベクトル多重化の処理を実行し、ベクトル多重シンボル系列Ｘ１〜ＸＭを生成する。

[Ｘ１Ｘ２ … ＸＭ]^T ＝ [Ｓ１Ｓ２ … ＳＫ]・Ｖ（１０）

このベクトル多重シンボル系列Ｘ１〜ＸＭは、図８に示すようなＭ個のベクトル多重された送信フレーム８００−１〜８００−Ｍで構成されており、これらの各々が基地局アレーアンテナ１０５を構成するアンテナ素子Ａ１〜ＡＭに対応付けられて送信される。

基地局ＲＦ部３０２は、ベクトル多重シンボル系列Ｘ１〜ＸＭを各々無線周波数帯域の信号に変換し、変換された送信信号が基地局アレーアンテナ１０５を構成するアンテナ素子Ａ１〜ＡＭより通信端末１０２に送信される。

次に、通信端末１０２の受信動作について図４を用いて以下に説明する。

まず、通信端末１０２の端末送受信部１０７では、端末ＲＦ部４０２が端末アンテナ１０６の受信信号をベースバンド信号である受信シンボル系列Ｙ０へ変換し、復号手段４０３へ出力する。復号手段４０３は、送信フレーム７００−１が受信されているものとし、受信シンボル系列Ｙ０を入力として、フレーム同期、情報源の認証、データ系列Ｄ１の変調方式に基づいた復調、およびフレームエラーチェックの処理を実行し、データ系列Ｄ１を復元して受信データ系列として出力する。

ここで、非通信端末２００の受信信号である受信シンボル系列をＹ１とし、基地局１０１と非通信端末２００との間を特徴付ける伝搬チャネル行列をＨ１とするとき、通信端末１０２の受信信号である受信シンボル系列Ｙ０とＹ１は、それぞれ以下のように数式で表すことができる。

Ｙ０＝Ｈ・Ｘ＋Ｎ０（１１）
Ｙ１＝Ｈ１・Ｘ＋Ｎ１（１２）

ただし、Ｘはベクトル多重シンボル系列Ｘ１〜ＸＭをベクトル表記したものであり、（式１０）を用いて次式のように表記する。

Ｘ＝[Ｓ１Ｓ２ … ＳＫ]・Ｖ
＝[Ｓ１・ｖ１Ｓ２・ｖ２ … ＳＫ・ｖＫ] （１３）

また、Ｎ０及びＮ１はそれぞれ受信シンボル系列Ｙ０とＹ１含まれるノイズ成分を示している。したがって、（式１１）および（式１３）よりＹ０は次式のようになる。

Ｙ０＝Ｈ・（ｖ１・Ｓ１＋ｖ２・Ｓ２＋ … ＋ｖＫ・ＳＫ）＋Ｎ０
（１４）

また、伝搬チャネル行列Ｈは、（式４）のように特異値分解されるため（式５）、（６）および（７）で示される特性に従って、次式のように表される。

Ｈ・ｖｋ＝δ, ｋ＝１
＝０, ｋ≠１（１５）

さらに、（式１４）において（式１５）の条件を考慮するとＹ０は次式のように表される。

Ｙ０＝δ・Ｓ１＋Ｎ０（１６）

ここで、ノイズ成分であるＮ０の平均電力をＰｎ０とし、通信端末１０２における受信のＳＩＮＲをＳＩＮＲ０とするとき、ＳＩＮＲ０は次式のように表すことができる。

ＳＩＮＲ０＝（δ・Ｓ１）²／Ｐｎ０（１７）

これより、ＳＩＮＲ０はＳ１に対する送信電力つまりｖ１のノルムを制御することで適当な値に設定できることが示される。

同様にして、（式１２）および（式１３）を用いるとＹ１は次式のようになる。

Ｙ１＝Ｈ１・（ｖ１・Ｓ１＋ｖ２・Ｓ２＋ … ＋ｖＫ・ＳＫ）＋Ｎ１（１８
）

また、伝搬チャネル行列Ｈ１とベクトルｖ１〜ｖＫとの積をγｋとするとき、次式のような関係が成り立つ。

Ｈ１・ｖｋ＝γｋ（１９）

さらに、（式１８）および（式１９）よりＹ１は次式のように表される。

Ｙ１＝γ１・Ｓ１＋γ２・Ｓ２＋・・・γＫ・ＳＫ＋Ｎ１（２０）

ここで、ノイズ成分であるＮ１の平均電力をＰｎ１とし、シンボル系列Ｓ１の受信信号電力を非通信端末２００における所望信号成分とする。このとき、非通信端末２００における受信のＳＩＮＲをＳＩＮＲ１とすると、ＳＩＮＲ１は次式のように表すことができる。

ＳＩＮＲ１＝（γ１・Ｓ１）²／｛（γ２・Ｓ２）²＋・・・（γＫ・ＳＫ）²＋Ｐｎ１｝（２１）

移動通信環境では、端末間の距離がキャリア周波数の波長程度離れていれば、伝搬チャネルの無相関に近くづくことが一般的に知られている。特にキャリア周波数の波長が数十センチメートル以下となるマイクロ波帯を利用した携帯電話や無線ＬＡＮ等のシステムでは、端末間で観測される伝搬チャネルは互いに無相関であると近似することができる。例えばこのような移動通信の伝搬環境を想定すると、本実施の形態における伝搬チャネル行列Ｈに対して直交するベクトルｖ２〜ｖＫは、伝搬チャネル行列Ｈ１に対して相関を持つようになる。つまり、γ２〜γＫが零ではなくなることから、統計的に見れば
ＳＩＮＲ０＞ＳＩＮＲ１
が成り立つことになる。したがって、
（通信端末１０２における伝送路誤り率）＜（非通信端末２００の伝送路誤り率）
となるため、通信端末１０２と比較して非通信端末２００が、シンボル系列Ｓ１を誤り無しで復調しデータ系列Ｄ１を復元できる確率が低くなる。

以上の説明ではベクトル制御手段３０４が、Ｍ行Ｍ列の伝搬チャネル行列Ｈを特異値分解または固有値分解することにより得られるベクトル空間ＶまたはＶ’を算出する場合について述べたが、これはベクトル空間Ｖを構成する列ベクトルｖ１に対して低相関となるようなｖ２〜ｖＭを得るための処理の一例を示したに過ぎない。つまり、ベクトル制御手段３０４は、伝搬チャネル行列Ｈより列ベクトルｖ１に対して列ベクトルｖ２〜ｖＭが線形独立となるようなベクトル空間Ｖを算出するか、または列ベクトルｖ１に対して列ベクトルｖ２〜ｖＭが直交するようなベクトル空間を算出すれば良いため、その算出方法を限定するものではない。

次に、通信端末１０２と非通信端末２００における復調特性の解析例として、データ系列Ｄ１〜ＤＫに対する変調方式としてＢＰＳＫを用いた場合について図９を用いて説明する。

図９（ａ）乃至（ｃ）は、基地局１００と通信端末１０２および非通信端末２００が存在する場合のシミュレーション解析結果を示している。図９（ａ）は、基地局１０１で生成されたデータ系列Ｄ１の信号波形であり、図９（ｂ）は、通信端末１０２における復調
結果として得られた受信データ系列の信号波形であり、図９（ｃ）は、非通信端末２００における復調結果として得られた受信データ系列の信号波形である。このシミュレーションの条件としては、基地局アレーアンテナ１０５を構成するアンテナ素子数Ｍは８、データ系列Ｄ１のデータ数は１００、基地局１０１よりベクトル多重化して送信するデータ系列数はアンテナ素子数と同じ８とし、また、伝搬チャネル行列Ｈの各要素であるｈ１〜ｈ８はレーリー確率分布にしたがって（式２２）を用いて生成する。

ｈｍ＝Ｎ（０、１/２）＋ｊ＊Ｎ（０、１/２）, ｍ＝１,…,８（２２）

ただし、Ｎ（０、１/２）は、平均が０、標準偏差が１/２の正規確率分布に従った乱数を生成する関数である。

前述したように、基地局１０１ではベクトル多重化手段３０１において、データ系列Ｄ１〜Ｄ８に対するシンボル系列Ｓ１〜Ｓ８がベクトルｖ１〜ｖ８を用いてベクトル多重送信される。ベクトルｖ１〜ｖ８は、基地局１０１と通信端末１０２間の伝搬チャネル１０３の特性を示す伝搬チャネル行列Ｈから算出され、互いに直交し、ベクトルｖ１だけが伝搬チャネル行列Ｈに対して高い相関を持つという特徴がある。したがって、図９（ｂ）に示すように、ベクトルｖ１によってベクトル化されたデータ系列Ｄ１は、通信端末１０２では正しく復調されるようになる。一方で、非通信端末２００と基地局１０１との間の伝搬チャネル２０１は、ベクトルｖ２〜ｖ８に対しても相関を有するためデータ系列Ｄ１に対するシンボル系列Ｓ１と同時にシンボル系列Ｓ２〜ＳＫも受信される。したがって、図９（ｃ）に示すように、非通信端末２００ではデータ系列Ｄ１を検出し正確に復元することが困難となるため、通信端末１０２に対して伝送されるべきデータ系列Ｄ１の非通信端末２００に対する漏洩を防ぐことが可能となる。

次に、上述した非通信端末２００に対するデータ系列Ｄ１の漏洩率を統計的に評価したシミュレーション結果について、図１０を用いて説明する。伝搬チャネル行列Ｈは、図９の場合と同様にしてレイリー確率分布に基づいた（式２２）を用いて生成する。図１０は、横軸が基地局アレーアンテナ１０５のアンテナ素子数Ｍを、縦軸がデータの漏洩率を示している。ここでの漏洩率Ｚは、伝搬チャネル２０１に対する伝搬チャネル行列ＨをＮ回更新したときにデータが漏洩したと見なされる回数Ｌを用いて、（式２３）により定義する。ここで、非通信端末２００において、データ数１２８個のデータ系列Ｄ１がエラー無しで復調された場合に、データが漏洩したとみなすことにする。

Ｚ＝（Ｌ/Ｎ）×１００ [％] （２３）

ただし、基地局１０１においてベクトル多重化されて送信されるデータ系列数Ｋはアンテナ素子数Ｍと一致する、つまりＫ＝Ｍである条件の元で、（式２３）で定義される漏洩率を算出するものとする。

図１０に示すように、アンテナ素子数Ｍが増加するにしたがってデータの漏洩率Ｚは低下しており、Ｍ＝８つまり基地局アレーアンテナ１０５のアンテナ素子数が８本のときは、データの漏洩率は０．１％が確保できる。すなわち、本実施の形態による無線通信システム１００の構成を用いることにより、通信データに対して暗号化処理をしなくても、通信データの秘匿性を高めることができるという効果が得られる。

また、無線通信システム１００を携帯電話やＷＬＡＮなどの移動通信システムにおいて利用する場合、伝搬チャネル１０３の特性は、通信端末が移動することにより時間と共に
変動するため、仮に非通信端末２００がある場所において一定時間内は通信端末１０２に対する通信データを受信することができたとしても、連続して通信データを受信し続けることは非常に困難である。

尚、基地局１０１において符号化手段６００−１〜６００−Ｋは、データ系列Ｄ１〜ＤＫを同一の変調方式を用いてシンボルマッピング処理を行うとしたが、データ系列Ｄ１〜ＤＫに対して異なる変調方式を用いてシンボルマッピング処理を実行し、シンボル情報の異なる複数のシンボル系列Ｓ１〜ＳＫを生成するようにしても良い。また、符号化手段６００−１〜６００−Ｋにおいて、データ系列Ｄ１〜ＤＫに対して異なる符号系列を用いて符号拡散処理を行うことで、シンボル情報の異なる複数のシンボル系列Ｓ１〜ＳＫを生成するようにしても良い。

このように、異なる変調方式や拡散符号を用いてシンボル系列Ｓ１〜ＳＫを生成する場合、通信端末１０２において復号手段４０３が受信シンボル系列Ｙ０よりその変調方式や拡散符号を推定するか、予め変調方式や拡散符号を共有することで、通信端末１０２における復調処理が可能になる。また、復号手段４０３が変調方式や拡散符号を推定できるようにすることで、基地局１０１において変調方式や拡散符号を時間の経過と共に変化させることにより、基地局アレーアンテナ１０５のアンテナ素子数Ｍを増加させることなく、非通信端末２００へのデータ漏洩率を低下させることが可能となる。

なお、基地局１０１が通信端末１０２から送信されたデータ系列Ｄ０を受信したときの処理については以下の通りである。

すなわち、アレー合成受信手段３０５は、受信シンボル系列Ｙ１〜ＹＭと、ベクトル制御手段３０４において算出されたベクトル空間Ｖ’とを入力として、（式２４）を用いて受信シンボル系列Ｙ１〜ＹＭに対するベクトル空間Ｖ’の重み付け合成処理を行いベクトル合成信号Ｃ１〜ＣＬを得る。ここでは、ベクトル空間Ｖ’としては前述したＶｓまたはＶｅの列ベクトルを選択して用いるものとする。

[Ｃ１Ｃ２ … ＣＬ] ＝ [Ｙ１Ｙ２ … ＹＭ]・Ｖ’ （２４）

（式２４）によって得られるベクトル合成信号Ｃ１は通信端末１０２より送信された基準信号ｘ０を基地局アレーアンテナ１０５の指向性合成して得られた受信信号である。また、ベクトル合成信号Ｃ２〜ＣＭには非通信端末２００からの干渉信号成分が含まれている可能性があり、ベクトル合成信号Ｃ１とベクトル合成信号Ｃ２〜ＣＭの信号電力から所望信号電力対干渉信号電力比を推定することができる。さらに、アレー合成受信手段３０５では、このベクトル合成信号Ｃ１に対してフレーム同期、端末の認証、データ系列Ｄ０の変調方式に基づいた復調、およびフレームエラーチェックの処理を実行し、データ系列Ｄ０を復元し受信データ系列として出力する。

また、受信時に用いるベクトル空間Ｖ’として前述したようなＨの特異値分解や固有値分解によって得られるＶｓやＶｅを用いる代わりに、ＭＭＳＥ（ＭｉｎｉｍｕｍＭｅａｎＳｑｕａｒｅＥｒｒｏｒ）法[1]を用いた受信処理を行うことも可能である。
[1] B. Widrow, P. E. Mantey, L. J. Griffiths, and B. B. Goode, "Adaptive Antenna
Systems", Proc. IEEE, vol.55, no.12, pp.2143-2158, Dec. 1967.
この場合、伝搬チャネル解析手段３０３は受信シンボル系列Ｙ１〜ＹＭを入力とし、参照信号である基準シンボルＲ０の複素共役値であるＲ０’とＹ１〜ＹＭの相関ベクトルｒを（式２５）に従って生成し、（式８）により伝搬チャネル行列Ｈの相関行列Ｒを求めて、ベクトル制御手段３０４へ出力する。

ｒ＝ [Ｙ１Ｙ２ … ＹＭ]^T ×Ｒ０' （２５）

すると、ベクトル制御手段３０４は相関ベクトルｒと相関行列Ｒを用いて、ベクトルｖ１を（式２６）を用いて算出し、最急降下法などを用いてその値を更新していく。

ｖｒ＝Ｒ^-1・ｒ（２６）

ただし、Ｒ^-1はＲの逆行列を表す。そして、この場合、アレー合成受信手段３０５は、受信シンボル系列Ｙ１〜ＹＭとベクトルｖｒを入力として、（式２７）を用いてＹ１〜ＹＭに対するｖｒの重み付け合成処理によりベクトル合成信号Ｃ１を生成する。

Ｃ１＝ [Ｙ１Ｙ２ … ＹＭ]・ｖｒ（２７）

そして、このベクトル合成信号Ｃ１に対して、フレーム同期、端末の認証、データ系列Ｄ０の変調方式に基づいた復調およびフレームエラーチェックの処理を実行し、データ系列Ｄ０を復元し受信データ系列として出力する。

以上のように構成されて動作する基地局１０１と通信端末１０２とを有する無線通信システム１００における無線回線の同期確立からデータ伝送を完了するまでの流れを、通信手順の観点から図１１を用いて説明する。

処理０：基地局１０１と通信端末１０２の初期化
基地局１０１と通信端末１０２は共に、電源が投入された直後、或いは特定の信号を受けて初期状態にセットされる。同時に、周波数や時間同期などの状態は事前に定められた手順に従ってセットされる（ステップＳ１１０１）。

これらの初期動作が終了した一定時間後、基地局１０１は一定時間毎に制御情報を制御信号に載せて送信する（ステップＳ１１０２）。

一方、通信端末１０２は初期動作（ステップＳ１１０１）が終了した後、制御信号のサーチを始める。通信端末が基地局から送信した制御信号を受信すると、通信端末はその時刻や周波数などを検出してシステムが保有する時刻や周波数に同期する（以下、これを「システム同期」という。）（ステップＳ１１０２）。システム同期が正常に終了した後、通信端末はその存在を基地局に通知するために登録要求信号を送信する（ステップＳ１１０３）。基地局１０１は、通信端末１０２からの登録要求に対して、登録許可信号を送信することで端末の登録許可を行う（ステップＳ１１０４）。

処理１：通信端末１０２による基準シンボル送信
通信端末１０２は、前述したように、基地局１０１において伝搬チャネル１０３を解析するための基準シンボルＲ０を含む基準信号Ｘ０を出力する（ステップＳ１１０５）。具体的には、通信端末１０２の基準シンボル生成手段４００が予め決められた特定の基準シンボルＲ０を生成し、そして、送信フレームＦ０を構成し、シンボル系列Ｓ０として出力する。端末ＲＦ部４０２は、シンボル系列Ｓ０を無線周波数帯の信号へと変換し、基準信号ｘ０として端末アンテナ１０６より送信する（ステップＳ１１０５）。

基地局１０１では、通信端末１０２から伝搬チャネル１０３を介して基地局アレーアンテナ１０５で受信される基準信号ｘ０を待っており（ステップＳ１１０５）、各アンテナ素子Ａ１〜ＡＭの受信信号は基地局ＲＦ部３０２において、夫々ベースバンド信号である
受信シンボル系列Ｙ１〜ＹＭへと変換される。伝搬チャネル解析手段３０３は、受信シンボル系列Ｙ１〜ＹＭを入力とし、伝搬チャネル１０３を特徴付ける伝搬パラメータとして伝搬チャネル行列Ｈを生成する。次にベクトル制御手段３０４は、Ｈのベクトル空間Ｖを算出し、このベクトル空間Ｖを構成する列ベクトルｖ１〜ｖＫを生成する。

処理２：基地局１０１によるベクトル化信号送信
基地局１０１は、通信端末１０２に対して、基地局アレーアンテナ１０５を用いてベクトル化信号ｘ１〜ｘＫを送信する（ステップＳ１１０６）。具体的には、データ系列Ｄ１〜ＤＫを入力とし、マルチシンボル生成手段３００が変調方式に応じて複素平面上にシンボルマッピング処理を実行して送信フレーム７００−１〜７００−Ｋを構成し、シンボル系列Ｓ１〜ＳＫとして出力する。ベクトル多重化手段３０１は、シンボル系列Ｓ１〜ＳＫを入力として、ベクトルｖ１〜ｖＫを用いたベクトル多重化の処理を実行し、ベクトル多重シンボル系列Ｘ１〜ＸＭを生成する。ベクトル多重シンボル系列Ｘ１〜ＸＭは、これら各々が基地局アレーアンテナ１０５を構成するアンテナ素子Ａ１〜ＡＭに対応付けられて送信される。基地局ＲＦ部３０２は、このベクトル多重シンボル系列Ｘ１〜ＸＭを各々無線周波数帯域の信号に変換し、ベクトル化信号ｘ１〜ｘＫとして基地局アレーアンテナ１０５より送信する。

以下、処理２のベクトル多重通信や通常の通信を繰り返す。

以上の説明において、初期化作業である処理０について説明を行ったが、これは一般的な運用を想定したものであり、本発明に必要な手続きではない。

また、処理１で基準信号を送信することにより、伝搬チャネルを解析するとしたが、これは一般に既知信号を用いた方が伝搬パラメータを高精度に推定できるためであって、伝搬チャンルの解析は特に基準信号を用いなくても可能である。換言すれば、例えば処理０で行っている制御信号や、登録要求信号や登録許可信号などを利用して伝搬パラメータの推定を行うこともできる。

なお、本発明は、特定の通信端末１０２と基地局１０１との間の伝搬チャネル１０３の特性を利用して、複数のデータ系列をベクトル多重化して送信することを特徴としているため、基地局や通信端末の移動が発生すると、問題が生ずる場合がある。しかし、この場合は、図１１に示したステップＳ１１０７、ステップＳ１１０８のように、移動後に繰り返し基準信号の送受信を行うことで、この問題を回避することが可能である。

以上のように、本発明に係る無線通信方法は、無線伝送路の誤り率特性を決める伝搬チャネルのＳＩＮＲを制御することにより、互いにデータ伝送する特定の無線局間では一定以上の受信ＳＩＮＲを確保しながら、同時に、第三者の受信ＳＩＮＲを劣化させることで、第三者が復調する信号系列の誤り発生確率を高めることにより、無線の通信路において秘匿性が要求されるデータが第三者に漏洩することを防ぐことができる。

また、本発明に係る送信装置は、伝搬チャネル行列Ｈの推定精度が劣化すると通信端末に対するＳＩＮＲの劣化を生じるが、非通信端末に対するＳＩＮＲの確率的な分布特性を変えるものではない。すなわち、通信端末１０２に対するＳＩＮＲが受信感度点以上となる条件が保証されていれば、データの漏洩率を増加させることはない。従って、伝搬パラメータによる暗号鍵生成に関する従来技術が伝搬パラメータの推定精度に直接依存する点と比較すると、移動通信環境のような複雑、かつ常に時間変動がある電波伝搬環境において、本発明の送信装置はデータ伝送のロバスト性を確保した上で、通信の物理層においてデータの漏洩を防ぎ、その結果として高いセキュリティを確保できる。

さらに、これらの処理は基本的に、従来の算術的な手法を用いた暗号化、復号化とは独立して行うことが可能である。このため、従来技術に加えて本発明を実施することで、より高いセキュリティを期待することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態について、図１および図１２〜図１６を用いて説明する。本実施の形態のシステム全体構成は、実施の形態１と同じく、図１に示す無線通信システム１００である。図１２は、基地局１０１の構成を示すブロック図であり、基準シンボル生成手段１２００、および伝搬チャネル情報受信手段１２０１を有する点が実施の形態１と異なる。この基準シンボル生成手段１２００は基地局１０１と通信端末１０２との間で予め共有されている参照信号を含み、伝搬パラメータを算出するための基準シンボルを生成するものであり、伝搬チャネル情報受信手段１２０１は基地局ＲＦ部３０２からの受信シンボル系列を入力として、フレーム同期、情報源の認証、伝搬チャネル情報シンボル系列の復調およびフレームエラーチェックの処理を実行し、伝搬チャネル行列を生成するものである。

図１３は、通信端末１０２の構成を示すブロック図であり、伝搬チャネル解析手段１３００、および符号化手段１３０１を有する点が実施の形態１と異なる。この伝搬チャネル解析手段１３００は、受信シンボルを用いて伝搬パラメータとして伝搬チャネル行列Ｈを生成するものであり、符号化手段１３０１は伝搬チャネル行列のデータに無線伝送するために必要なシンボルマッピングの処理を実行して伝搬チャネル情報シンボル系列を生成するものである。

以上のように構成された無線通信システム１００について、以下では、主に実施の形態１と異なる点に関して図１、図１２、および図１３を用いて詳細に説明する。

はじめに、基地局１０１から、基準シンボルを含む送信信号ｘ’１〜ｘ’Ｍを基地局アレーアンテナ１０５の各アンテナ素子Ａ１〜ＡＭより送信する。この基準シンボルを含む送信信号ｘ’１〜ｘ’Ｍは、通信端末１０２において伝搬チャネル１０３を解析するために受信されるもので、基地局１０１と通信端末１０２との間で予め共有されている参照信号を含む。

図１２において、基準シンボル生成手段１２００は、基地局１０１と通信端末１０２との間で予め決められた特定の基準シンボルＲ１〜ＲＭを生成し、ベクトル多重化手段３０１へ出力する。ベクトル多重化手段３０１は、シンボル系列Ｓ１〜ＳＫにベクトル空間Ｖを用いてベクトル多重化の処理を行ったベクトル多重シンボル系列Ｘ１〜ＸＭに対して、この基準シンボルＲ１〜ＲＭを挿入したベクトル多重シンボル系列Ｘ’１〜Ｘ’Ｍを生成する。ここでは、基準シンボルＲ１〜ＲＭは互いに直交するかまたは相関が低くなるような異なる符号系列より生成されるものとする。なお、図１４に、ベクトル多重化手段３０１がベクトル多重シンボル系列Ｘ１〜ＸＭに対して互いに異なる基準シンボルＲ１〜ＲＭを挿入した送信フレーム１４００−１〜１４００−Ｍの構成例を示す。ここで、データ系列Ｄ１〜ＤＫは必要に応じて挿入されるため、ベクトル多重シンボル系列が伝搬チャネル１０３の解析という目的だけに使用される場合には、基準シンボルＲ１〜ＲＭのみを送信するフレーム構成としても良い。

また、図１５に、ベクトル多重化手段３０１がベクトル多重シンボル系列Ｘ１〜ＸＭに対して、基準シンボルＲ１のみを挿入した送信フレーム１５００−１〜１５００−Ｍの構成例を示す。送信フレーム１４００−１〜１４００−Ｍが互いに異なる符号系列より生成された基準シンボルＲ１〜ＲＭを用いるのに対して、図１５に示すフレーム構成は、夫々のフレームにおいて時間的にシフトした位置に基準シンボルＲ１を挿入するようにしたものであり、アンテナ素子数Ｍと同数の符号系列を用いて基準シンボルＲ１〜ＲＭを生成す
る必要がない。

以上のようにして、ベクトル多重化手段３０１で生成された送信フレーム１４００−１〜Ｍまたは１５００−１〜Ｍで構成されるベクトル多重シンボル系列Ｘ’１〜Ｘ’Ｍは、基地局ＲＦ部３０２においてシンボル系列Ｓ１〜ＳＭを無線周波数帯の信号へと変換され、基準シンボルＲ１〜ＲＭを含む送信信号ｘ’１〜ｘ’Ｍとして、基地局アレーアンテナ１０５を構成するアンテナ素子Ａ１〜ＡＭに対応付けられて送信される。

次に、通信端末１０２において、受信した基準シンボルを含む信号を基に、伝搬チャネル１０３を解析する。その後、通信端末１０２はその結果を基地局１０１へ送信する。この解析方法と、その解析結果を基地局１０１に対してフィードバックする手順について以下に説明する。

基地局アレーアンテナ１０５より送信された送信信号ｘ’１〜ｘ’Ｍは、伝搬チャネル１０３を介して伝搬され、端末アンテナ１０６の受信端において合成受信される。端末ＲＦ部４０２は、この受信信号をベースバンド信号である受信シンボル系列Ｙ’０へと変換する。伝搬チャネル解析手段１３００は、受信シンボルＹ’０を用いて、伝搬チャネル１０３を特徴付ける伝搬パラメータとして（式１）で示した伝搬チャネル行列Ｈを生成する。具体的には、基地局１０１のベクトル多重化手段３０１において生成される送信フレームが１４００−１〜１４００−Ｍのように互いに異なるＭ個の基準シンボルを用いて構成されている場合、通信端末１０２において伝搬チャネル解析手段１３００は、予め既知である基準シンボルＲ１〜ＲＭを用いて、受信信号Ｙ’０に対してＲ１〜ＲＭを別々に掛け合わせる相関演算処理を実行し、そこから得られる信号の振幅および位相情報から、伝搬チャネル行列Ｈの各要素であるＨ１〜ＨＭを求める。これにより、基地局アレーアンテナ１０５の各アンテナ素子Ａ１〜ＡＭと端末アンテナ１０６との間の各伝搬チャネル係数が、Ｈ１〜ＨＭ夫々に対応付けられる。

一方で、基地局１０１のベクトル多重化手段３０１において生成される送信フレームが図５に示した１５００−１〜１５００−Ｍのように、時間的にシフトされた位置に基準シンボルを配置した構成とする場合、通信端末１０２においても伝搬チャネル解析手段が、予め既知である基準シンボルを用いて、サンプリングのタイミングをシフトさせながら受信シンボルＹ’０の振幅および位相情報を求める。これにより、伝搬チャネル行列Ｈを構成する各要素ｈ１〜ｈＭを算出することができる。

符号化手段１３０１は、伝搬チャネル解析手段１３００によって生成された伝搬チャネル行列Ｈのデータを入力とし、無線伝送するために必要なシンボルマッピングの処理を実行して伝搬チャネル情報シンボル系列Ｃ０を生成する。シンボル生成手段４０１は、図１６に示すように、伝搬チャネル情報シンボル系列Ｃ０が挿入された送信フレーム１６００を生成し、シンボル系列Ｓ’０として出力する。端末ＲＦ部４０２は、シンボル系列Ｓ’０を無線周波数帯の信号へと変換し、送信信号ｘ’０として端末アンテナ１０６より送信する。

次に、基地局１０１は、伝搬チャネル情報を含む送信信号ｘ’０を基地局アレーアンテナ１０５によって受信し、その受信信号は基地局ＲＦ部３０２においてベースバンド信号である受信シンボル系列Ｙ’１〜Ｙ’Ｍへと変換される。伝搬チャネル情報受信手段１２０１は、受信シンボル系列Ｙ’１〜Ｙ’Ｍの一部またはすべてを入力として、フレーム同期、情報源の認証、伝搬チャネル情報シンボル系列Ｃ０の復調およびフレームエラーチェックの処理を実行し、伝搬チャネル行列Ｈを出力する。ベクトル制御手段３０４は、伝搬チャネル情報受信手段１２０１により生成された伝搬チャネル行列Ｈを用いて、基地局１０１における通信端末１０２に対する送信および受信時に用いる送信用のベクトル空間Ｖ
および受信用のベクトル空間Ｖ’を生成する。

以上のような構成により、通信端末１０２において伝搬チャネル解析手段１３００が、求められた伝搬チャネル行列Ｈを基地局１０１にフィードバックすることで、基地局１０１では基地局アレーアンテナ１０５から見た端末アンテナ１０６に対する伝搬チャネルの情報を正確に得ることができるにようになる。よって、基地局１０１は基地局１０１から見た下り回線の伝搬チャネル行列Ｈを用いてベクトル空間を算出し、ベクトル多重送信を行うため、下り回線と上り回線の非対称性が無視できないような条件においてもシステム性能を維持できる。

また、通信端末１０２は基地局１０１に伝搬チャネルＨをフィードバックする構成としているが、このフィードバック情報として伝搬チャネル行列Ｈから推定される他の伝搬パラメータやベクトル空間等を通知する構成としても良い。この場合は、通信端末１０２は、図１３における伝搬チャネル解析手段１３００が伝搬チャネル行列Ｈを用いて伝搬パラメータやベクトル空間を推定し、その結果を基地局１０１へフィードバックする機能を有する。

以上のように構成されて動作する基地局１０１と通信端末１０２とを有する、本実施の形態の無線通信システム１００における無線回線の同期確立からデータ伝送を完了するまでの流れを、通信手順の観点から図１７を用いて説明する。

処理１０：基地局１０１と通信端末１０２の初期化
この初期化動作は実施の形態１と同一である。

処理１１：基地局１０１からの基準シンボルの送信
基地局１０１は、通信端末１０２において伝搬チャネル１０３を解析するための基準シンボルＲ１〜ＲＭを含む送信信号Ｘ’１〜Ｘ’Ｍを出力する（ステップＳ１７０１）。具体的には、基準シンボル生成手段１２００が基準シンボルＲ１〜ＲＭを生成し、ベクトル多重化手段３０１がその基準シンボルＲ１〜ＲＭが挿入された送信フレームを構成し、ベクトル多重シンボル系列Ｘ’１〜Ｘ’Ｍを出力する。このベクトル多重シンボル系列Ｘ’１〜Ｘ’Ｍは、基地局ＲＦ部３０２において無線周波数帯の信号へと変換され、基準シンボルＲ１〜ＲＭを含む送信信号ｘ’１〜ｘ’Ｍが、基地局アレーアンテナ１０５を構成するアンテナ素子Ａ１〜ＡＭに対応付けられて送信される。

処理１２：通信端末からの伝搬チャネル情報の送信
通信端末１０２は、基地局１０１の各アンテナ素子Ａ１〜ＡＭより送信され伝搬チャネル１０３を介して端末アンテナ１０６で受信される送信信号Ｘ’１〜Ｘ’Ｍを待つ。そして、通信端末１０２の端末アンテナ１０６が受信した場合、その受信信号は端末ＲＦ部４０２において、ベースバンド信号である受信シンボル系列Ｙ’０へと変換される。伝搬チャネル解析手段１３００は、この受信シンボル系列Ｙ’０を入力とし、送信フレーム構成に従って基準シンボルＲ１〜ＲＭの振幅および位相情報に基づいて、伝搬チャネル１０３を特徴付ける伝搬パラメータとして伝搬チャネル行列Ｈを生成する。

次に、伝搬チャネル行列Ｈのデータは、符号化手段１３０１において無線伝送するためにシンボルマッピング処理された後、シンボル生成手段４０１において送信フレームを構成するデータ系列の一部として挿入されシンボル系列Ｘ’０が生成される。このシンボル系列Ｘ’０は、端末ＲＦ部４０２へ出力され、そこで無線周波数帯の信号へ変換され、送信信号ｘ’０として、端末アンテナ１０６より基地局１０１に対して送信される（ステップＳ１７０２）。

処理１３：基地局１０１からのベクトル化信号の送信
基地局１０１では、伝搬チャネル情報受信手段１２０１が、通信端末１０２より送信されたｘ’０の受信信号を復調して、伝搬チャネル１０３を特徴付ける伝搬パラメータである伝搬チャネルＨを生成する。次にベクトル制御手段３０４は、伝搬チャネル行列Ｈのベクトル空間Ｖを算出し、このベクトル空間Ｖを構成する列ベクトルｖ１〜ｖＫを生成する。

その後、基地局１０１は、通信端末１０２に送信したいデータ系列Ｄ１〜ＤＫが生じた場合、マルチシンボル生成手段３００がこれらのデータ系列Ｄ１〜ＤＫを変調方式に応じて複素平面上にシンボルマッピング処理を実行して送信フレーム７００−１〜７００−Ｋを構成し、シンボル系列Ｓ１〜ＳＫをベクトル多重化手段３０１へ出力する。ベクトル多重化手段３０１は、シンボル系列Ｓ１〜ＳＫを入力として、列ベクトルｖ１〜ｖＫを用いたベクトル多重化の処理を実行し、ベクトル多重シンボル系列Ｘ１〜ＸＭを生成する。このベクトル多重シンボル系列Ｘ１〜ＸＭは、これら各々が基地局アレーアンテナ１０５を構成するアンテナ素子Ａ１〜ＡＭに対応付けられて送信される。なお、基地局ＲＦ部３０２は、このベクトル多重シンボル系列Ｘ１〜ＸＭを各々無線周波数帯域の信号に変換し、ベクトル化信号ｘ１〜ｘＫとして基地局アレーアンテナ１０５より送信する（ステップＳ１７０３）。

その後、基地局１０１と通信端末１０２とは、処理１３のベクトル多重通信や通常の通信を繰り返す。

以上の説明において、初期化作業である処理１０は一般的な運用を想定したものであり、本発明に必要な手続きではない。

また、処理１１で基準信号を送信することで、伝搬チャネルを解析するとしたが、これは一般に既知信号を用いた方が伝搬パラメータを高精度に推定できるためであって、伝搬チャンルの解析は特に基準信号を用いなくても可能である。換言すれば、例えば処理１０で行っている制御信号、登録要求信号や登録許可信号などを利用して伝搬パラメータの推定を行うこともできる。

なお、本発明も、実施の形態１と同じく、特定の通信端末１０２と基地局１０１との間の伝搬チャネル１０３の特性を利用して複数のデータ系列をベクトル多重化して送信することを特徴としているため、基地局や通信端末の移動が発生すると、問題が生ずる場合がある。しかし、この場合も、図１７に示したステップＳ１７０４、ステップＳ１７０５、ステップＳ１７０５のように繰り返し基準信号の送受信を行うことで、この問題を回避することが可能である
以上に説明した本発明の送信装置では、伝搬チャネル行列Ｈの推定精度が劣化すると通信端末１０２に対するＳＩＮＲの劣化を生じるが、非通信端末２００に対するＳＩＮＲの確率的な分布特性を変えるものではない。つまり、通信端末１０２に対するＳＩＮＲが受信感度点以上となる条件が保証されていれば、データの漏洩率を増加させることはない。従って、伝搬パラメータによる暗号鍵生成に関する従来技術が伝搬パラメータの推定精度に直接依存する点と比較すると、移動通信環境のような複雑、かつ常に時間変動がある電波伝搬環境において、本発明の送信装置はデータ伝送のロバスト性を確保した上で、通信の物理層においてデータの漏洩を防ぎ、その結果として高いセキュリティを確保できる。

また、これらの処理は基本的に、従来の算術的な手法を用いた暗号化、復号化とは独立して行うことが可能である。このため、従来技術に加えて本発明を実施することで、より高いセキュリティを期待することができる。

本発明は、特定の無線局間において情報を伝送する送信装置に有用であり、無線通信路において、情報が第三者に漏洩することを防ぐのに適している。

本発明の実施の形態１に係る無線通信システムの構成を示すブロック図本発明の実施の形態１に係る無線通信システムの特長を示す概念図本発明の実施の形態１に係る基地局の構成を示すブロック図本発明の実施の形態１に係る通信端末の構成を示すブロック図本発明の実施の形態１に係る基準シンボルの送信フレーム構成を示す図本発明の実施の形態１に係るマルチシンボル生成手段の構成を示すブロック図本発明の実施の形態１に係る通信のフレーム構成を示す図本発明の実施の形態１に係る通信のフレーム構成を示す図（ａ）乃至（ｃ）本発明の実施の形態１に係る受信信号波形を示す図本発明の実施の形態１に係る通信データの漏洩率を示す図本発明の実施の形態１に係る通信の手続きを示す図本発明の実施の形態２に係る基地局の構成を示すブロック図本発明の実施の形態２に係る通信端末の構成を示すブロック図本発明の実施の形態２に係る通信のフレーム構成を示す図本発明の実施の形態２に係る通信のフレーム構成を示す図本発明の実施の形態２に係る通信のフレーム構成を示す図本発明の実施の形態２に係る通信の手続きを示す図

符号の説明

１００無線通信システム
１０１基地局
１０２通信端末
１０３、２０１伝搬チャネル
１０４基地局送受信部
１０５基地局アレーアンテナ
１０６端末アンテナ
１０７端末送受信部
２００非通信端末
３００マルチシンボル生成手段
３０１ベクトル多重化手段
３０２基地局ＲＦ部
３０３、１３００伝搬チャネル解析手段
３０４ベクトル制御手段
３０５アレー合成受信手段
４００、１２００基準シンボル生成手段
４０１シンボル生成手段
４０２端末ＲＦ部
４０３復号手段
６００−１〜６００−Ｋ、１３０１符号化手段
６０１−１〜６００−Ｋフレーム生成手段
７００−１〜７００−Ｋ、８００−１〜８００−Ｍ、１４００−１〜１４００−Ｍ、
１５００−１〜１５００−Ｍ、１６００送信フレーム
１２０１伝搬チャネル情報受信手段

Claims

Ｍ（Ｍは２以上の整数）素子のアレーアンテナを有する第１の無線局から、１本の受信アンテナを有する第２の無線局に対して情報シンボル系列を伝送するための無線通信システムにおいて用いられる、前記第１の無線局の送信装置であり、
前記第１の無線局と前記第２の無線局との間の伝搬チャネル行列を特異値分解することにより、ある１つのＭ次元ベクトルと残りのＫ−１個（Ｋは１以上Ｍ以下の整数）のＭ次元ベクトルとが互いに線形独立または直交する関係にあるような、Ｋ個のＭ次元ベクトルを生成するベクトル制御手段と、
前記第２の無線局へ送信すべき情報シンボル系列を含むＫ個のシンボル系列に対して、前記Ｋ個のＭ次元ベクトルを乗算することにより、多重化されたＭ個のベクトル多重シンボル系列を生成して出力するベクトル多重化手段と
を有し、
前記ベクトル制御手段が生成する前記Ｋ個のＭ次元ベクトルは、前記第２の無線局において、前記Ｋ個のシンボル系列の内、前記第２の無線局が受信すべき情報シンボル系列を含む少なくとも１つのシンボル系列が受信され、他のシンボル系列は打ち消されるように設定される送信装置。
前記ベクトル制御手段が、前記伝搬チャネルを特徴付ける伝搬パラメータに基づいて、前記Ｋ個のＭ次元ベクトルを生成する請求項１に記載の送信装置。
前記伝搬パラメータとして前記伝搬チャネル行列を生成する伝搬チャネル解析手段をさらに有し、
前記ベクトル制御手段は、前記伝搬チャネル行列を特異値分解することにより、前記Ｋ個のＭ次元ベクトルを生成する請求項２に記載の送信装置。
前記伝搬パラメータとして前記伝搬チャネル行列を生成する伝搬チャネル解析手段をさらに有し、
前記ベクトル制御手段は、前記伝搬チャネル行列の相関行列を固有値分解することにより、ある１つのＭ次元ベクトルと残りのＬ−１個（Ｌは１以上Ｍ以下の整数）のＭ次元ベクトルとが、互いに線形独立または直交する関係にあるような、Ｌ個のＭ次元ベクトルを生成する請求項２に記載の送信装置。
前記Ｋ個のシンボル系列の一部またはすべてが互いに異なる変調方式によってシンボルマッピングされている請求項１に記載の送信装置。
前記Ｋ個のシンボル系列の一部またはすべてが互いに異なる符号系列によって符号拡散されている請求項１に記載の送信装置。
Ｍ（Ｍは２以上の整数）素子のアレーアンテナを有する第１の無線局から、１本の受信アンテナを有する第２の無線局に対して情報シンボル系列を伝送するための無線通信システムにおいて用いられる、前記第１の無線局の送信方法であり、
前記第１の無線局と前記第２の無線局との間の伝搬チャネル行列を特異値分解することにより、ある１つのＭ次元ベクトルと残りのＫ−１個（Ｋは１以上Ｍ以下の整数）のＭ次元ベクトルとが互いに線形独立または直交する関係にあるような、Ｋ個のＭ次元ベクトルを生成するＭ次元ベクトル生成ステップと、
前記第２の無線局へ送信すべき情報シンボル系列を含むＫ個のシンボル系列に対して、前記Ｋ個のＭ次元ベクトルを乗算することにより、多重化されたＭ個のベクトル多重シンボル系列を生成するステップと、
生成された前記Ｍ個のベクトル多重シンボル系列を前記Ｍ素子のアレーアンテナから送信するステップと、
を有し、
前記Ｍ次元ベクトル生成ステップにおいて生成された前記Ｋ個のＭ次元ベクトルは、前記第２の無線局において、前記Ｋ個のシンボル系列の内、前記第２の無線局が受信すべき情報シンボル系列を含む少なくとも１つのシンボル系列が受信され、他のシンボル系列は打ち消されるように設定される
送信方法。
前記第２の無線局から、前記第１の無線局と前記第２の無線局との間で既知である基準シンボルからなる基準信号を受信する受信ステップをさらに有し、
前記Ｍ次元ベクトル生成ステップにおいて、前記受信ステップにおいて受信した前記基準シンボルから前記伝搬チャネルを特徴付ける伝搬パラメータを算出し、それを用いて前記Ｋ個のＭ次元ベクトルを生成する請求項７に記載の送信方法。
Ｍ（Ｍは２以上の整数）素子のアレーアンテナを有する第１の無線局から、１本の受信アンテナを有する第２の無線局に対して情報シンボル系列を伝送するための無線通信方法であり、
前記第１の無線局から前記第２の無線局に対して、前記第１の無線局と前記第２の無線局との間で既知である基準シンボルを含む基準信号を送信するステップと、
前記第２の無線局が、受信した前記基準信号から前記第２の無線局と前記第１の無線局との間の伝搬チャネルを特徴付ける伝搬パラメータを含むチャネル情報シンボル系列を生成するステップと、
前記第２の無線局から前記第１の無線局へ、前記チャネル情報シンボル系列を送信するステップと、
前記第１の無線局が、受信した前記チャネル情報シンボル系列から抽出した前記伝搬パラメータを用いて伝搬チャネル行列を生成し、前記伝搬チャネル行列を特異値分解することにより、ある１つのＭ次元ベクトルと残りのＫ−１個（Ｋは１以上Ｍ以下の整数）のＭ次元ベクトルとが互いに線形独立または直交する関係にあるような、Ｋ個のＭ次元ベクトルを生成するステップと、
前記第１の無線局が、前記第２の無線局へ送信すべき情報シンボル系列を含むＫ個のシンボル系列に対して、前記Ｋ個のＭ次元ベクトルを乗算することにより、多重化されたＭ個のベクトル多重シンボル系列を生成するステップと、
前記第１の無線局から前記第２の無線局へ、生成された前記Ｍ個のベクトル多重シンボル系列を前記Ｍ素子のアレーアンテナから送信するステップと、
を有し、
前記Ｋ個のＭ次元ベクトルは、前記第２の無線局において、前記Ｋ個のシンボル系列の内、前記第２の無線局が受信すべき情報シンボル系列を含む少なくとも１つのシンボル系列が受信され、他のシンボル系列は打ち消されるように設定される
無線通信方法。