专利名称：无线通信装置以及无线通信方法
技术领域：
本发明涉及一种在无线通信系统中使用的无线通信装置以及无线通信方法，所述无线通信系统利用通过多个天线元件接收由多个天线元件发送的无线信号而进行无线通信的MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)技术。
背景技术：
伴随着以便携式电话系统和无线LAN为代表的移动式无线通信系统的普及，在这些系统中，发送和接收诸如个人信息和企业的机密信息等的保密信息的机会正在增加。在移动式无线通信系统中，因为第三者能够容易地监听无线信号，所以，有时需要使用加密技术，以使无线信号即使被监听，也不能窃听其内容。
加密技术的方式之一，是由发送方和接收方的双方秘密地共享密钥的专用密钥方式。在移动式无线通信系统中，因为担心无线信号会被第三者监听，所以，不能由一方的无线通信装置生成密钥而将该密钥通过无线发送给对方。因此，需要在双方分别生成共同的密钥。
适用了这种专用密钥方式的加密技术的移动式无线通信系统已为众所周知(例如，参照专利文献1)。在专利文献1所述的技术中，以时分双工(TDDTime Division Duplex)方式为前提，进行通信的双方估计传播路径的延迟分布，并且使用估计出的延迟分布的复数振幅信息、功率信息或者相位信息的任意一个来生成专用密钥。
专利文献1日本专利申请特开2003-273856号公报发明内容发明所要解决的课题但是，专利文献1所述的技术具有下述问题随着在接收方无线通信装置中的信噪比(SNRSignal-to-Noise Ratio)变小，由进行通信的双方生成相同专用密钥的概率将降低，这是因为该概率依赖于在接收方无线通信装置中的延迟分布的精确性。
由此，为了解决该问题，就考虑提高无线信号的发送功率。但是，这样一来，就会使得其传播路径环境与接收方无线通信装置相似的第三者的接收功率也变高。如此，该第三者独自生成与接收方无线通信装置所生成的专用密钥相同的专用密钥的危险性也会增加。
本发明的目的是提供一种无线通信装置以及无线通信方法，在适用专用密钥方式的无线通信系统中，即使无线信号被其传播路径环境与接收方无线通信装置相似的第三者监听，其也能够生成与该第三者所生成的专用密钥不同的专用密钥。
用于解决课题的方案本发明涉及的无线通信装置所采用的结构包括多个天线，接收MIMO信道的无线信号；信道估计单元，对每个信道计算出由上述天线接收的信号的信道估计值；信道矩阵生成单元，由计算出的信道估计值生成MIMO信道的信道矩阵；以及专用密钥生成单元，使用由所生成信道矩阵的线性运算或者非线性运算所生成的信息来生成专用密钥。
发明的效果根据本发明，由于无线通信装置使用由MIMO信道的信道矩阵的线性运算或者非线性运算所生成的信息例如MIMO信道的本征值而生成专用密钥，所以即使无线信号被第三者监听，亦能够生成与该第三者生成的专用密钥不同的专用密钥。
图1A是表示发送接收天线为一根时的通信形态的图；图1B是表示发送接收天线为多根时的通信形态的图；图2是表示本发明的实施方式1涉及的无线通信装置的结构的方框图；图3是表示图2所示的专用密钥生成单元的结构的方框图；图4是说明图1所示的无线通信装置的动作的流程图；图5是说明在实施方式1中的每个信道的本征值的图；图6是表示在无线通信装置的天线元件的总数与最大本征值的增益之间的关系的图；图7是说明图3所表示的本征值选择单元的动作的图；图8是说明图3所表示的本征值选择单元的动作的变形例子的图；图9是表示在本发明的实施方式2中的专用密钥生成单元的结构的方框图；图10是说明图9所表示的专用密钥生成单元的动作的图；图11是表示在本发明的实施方式3中的无线通信装置的结构的方框图；以及图12是说明图11所表示的无线通信装置的动作的图。
具体实施例方式
本发明是在适用专用密钥方式的无线通信系统中利用MIMO技术的，其中，基站装置(BS)和通信终端装置(MS)使用根据MIMO信道的信道矩阵通过线性运算或者非线性运算所生成的信息来分别生成专用密钥。
这里，用图1A以及图1B说明MIMO技术的概要。图1A表示BS和MS都具有一个天线元件，在该BS和MS之间进行无线通信的通信形态。另外，在图1A中，假设第三者物理上位于接近MS的地方，而且MS和第三者的传播路径环境相似。
因此，在图1所示的通信形态中，由BS向MS发送的无线信号可以被第三者监听。此时，在MS和第三者都以同样方式根据接收信号生成专用密钥的情况下，因为MS的接收信号和第三者的接收信号之间的相关性比较高，因此即使MS和第三者是独立地生成专用密钥，所生成的专用密钥也有可能会相同。
另一方面，在利用如图1B所示的MIMO技术的无线通信系统中，在BS所具有的多个天线元件和MS所具有的多个天线元件之间将形成信道。换言之，形成MIMO信道。因此，即使第三者位于MS的附近，对于第三者来说，监听到由BS向MS发送的全部无线信号是困难的，而且，即使第三者能够监听到全部的无线信号，但与图1A的通信形态的情况相比，在第三者监听到的全部接收信号和MS的接收信号之间的相关性也将肯定下降。
因此，如果在适用了专用密钥方式的无线通信系统中利用MIMO技术，可以容易地回避由第三者对无线信号的监听，而且，即使全部的无线信号被第三者监听，也能够降低第三者生成出与MS的专用密钥相同的专用密钥的危险性。
下面，有关本发明的实施方式，参照附图详细地进行说明。
(实施方式1)图2是表示本发明实施方式1涉及的无线通信装置200的结构的方框图。另外，在本实施方式中，假设在构成无线通信系统的BS以及便携式电话等的MS上，均配置无线通信装置200。
无线通信装置200包括多个天线元件201-1～201-n；多个接收无线处理单元202-1～202-n；多个导频提取单元203-1～203-n；多个信道估计单元204-1～204-n；信道矩阵生成单元205；本征值检测单元206；专用密钥生成单元207；导频产生单元211；以及多个发送无线处理单元212-1～212-n。
天线元件201-1～201-n，分别捕捉由通信对方装置的多个天线元件发送来的无线信号，并将该接收信号输入到接收无线处理单元202-1～202-n。
接收无线处理单元202-1～202-n分别包括带通滤波器；模拟/数字转换器；以及低噪声放大器等，并对由天线元件201-1～201-n输入来的接收信号实施众所周知的接收信号处理，并将处理后的接收信号输入到导频提取单元203-1～203-n。
导频提取单元203-1～203-n分别从由接收无线处理单元202-1～202-n输入来的接收信号中提取导频信号，并将所提取的导频信号输入到信道估计单元204-1～204-n。
信道估计单元204-1～204-n通过使用由导频提取单元203-1～203-n输入来的导频信号来对在通信对方装置的多个天线元件和天线元件201-1～201-n之间形成的每个信道进行信道估计，并将计算出的每个信道的信道估计值输入到信道矩阵生成单元205。
信道矩阵生成单元205，根据由信道估计单元204-1～204-n分别输入的每个信道的信道估计值来生成MIMO信道的信道矩阵，并将生成的信道矩阵输入到本征值检测单元206。另外，有关MIMO信道的信道矩阵以及其生成过程的详细情况在后面还要叙述。
本征值检测单元206，根据由信道矩阵生成单元205输入来的信道矩阵检测MIMO信道的本征值，并将检测出的MIMO信道的本征值输入到专用密钥生成单元207。另外，有关MIMO信道的本征值的检测过程的详细情况，在后面还要叙述。
专用密钥生成单元207，在由本征值检测单元206输入来的MIMO信道的本征值中选择最大本征值，使用选择出的最大本征值生成专用密钥，并将生成的专用密钥输入到未图示的控制单元等。
导频产生单元211，以既定的定时生成导频信号，并将所生成的导频信号分别输入到发送无线处理单元212-1～212-n。
发送无线处理单元212-1～212-n分别包括带通滤波器、数字/模拟转换器、以及低噪声放大器等，并且对由导频产生单元211输入来的导频信号实施预定的发送信号处理，之后，经由天线元件201-1～201-n对该导频信号进行无线发送。
图3是表示专用密钥生成单元207的更详细的结构的方框图。专用密钥生成单元207包括本征值选择单元317；量化单元327；以及密钥生成单元337。
本征值选择单元317，在由本征值检测单元206输入来的MIMO信道的本征值中选择最大本征值，并将选择出的最大本征值输入到量化单元327。
量化单元327，以预定的量化比特数对由本征值选择单元317输入来的最大本征值的大小(magnitude)进行量化，以生成量化数据，并将所生成的量化数据输入到密钥生成单元337。
密钥生成单元337，对由量化单元327输入来的量化数据，通过诸如重复预定次数来扩张数据长度等预定的方式生成专用密钥，然后将所生成的专用密钥输入到未图示的控制单元等。
接下来，有关无线通信装置200中的各个结构单元的动作，参照图4～图7进行说明。
图4是表示直到在具有无线通信装置200的BS和具有无线通信装置200的MS中分别生成相同的专用密钥并且在它们之间开始进行通信为止的步骤的流程图。另外，在图4中，对由BS进行的各步骤附上分支号「1」，同样地，对由MS进行的各步骤附上分支号「2」。另外，在下面内容中，为了避免重复说明，有关BS和MS的动作是相同的步骤，不附分支号来进行说明。
在步骤ST410中，BS和MS由天线元件201-1～201-n的每一个相互依次无线地发送导频信号；接收方装置用全部的天线元件201-1～201-n依次接收所发送来的导频信号。
在步骤ST420，在BS和MS中，信道估计单元204分别对在BS的天线元件201-1～201-n和MS的天线元件201-1～201-n之间形成的每个信道进行信道估计。
在步骤ST430，在BS和MS中，信道估计单元204分别根据在步骤ST420中计算出的信道估计值生成MIMO信道的信道矩阵。在以下“式1”中例示信道矩阵H。该信道矩阵H中的各要素h(i，j)表示由发送方装置中的第j个天线元件201-j发送的且由接收方装置的第i个天线元件201-i接收的导频信号的信道估计值。另外，M表示发送方天线元件的总数，N表示接收方天线元件的总数。所以，在本实施方式中，M以及N均为“n”。
…(式1)在步骤ST440，在BS和MS中，分别使用式1所示的信道矩阵H来检测MIMO信道的本征值。作为该本征值的检测方法，例如有如下方法根据信道矩阵H计算相关矩阵，并通过对该相关矩阵进行本征值/本征矢量分解来计算本征值。另外，还有对信道矩阵进行奇异值分解获得的奇异值进行二次方运算来计算本征值的方法等。在本实施方式中，采用前者的方法。相关矩阵R使用信道矩阵H，并由以下“式2”来表示。还有，在式2中的上标“H”表示共轭转置。
R＝HHH…(式2)然后，相关矩阵R在进行了本征值/本征矢量分解之后，就由以下“式3”来表示。还有，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)
图5表示MIMO信道的本征值和各信道的关系的意义。在MIMO技术中，BS和MS之间存在的平均功率相同的多个信道，能够变换成多个本征空间。而且，表示该本征空间的功率的值是MIMO信道的本征值。更具体地说，所谓MIMO信道的本征值可以视为为了判定为如图5的下面部分所示在BS的天线元件201-1～201-n和MS的天线元件201-1～201-n之间分别形成一对一的信道所需的条件。在这里，如果式3中的MIMO信道的本征值Λ中的每个本征空间的本征值λ以递减顺序排列，则获得以下“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个最大本征空间的本征值，L表示信道矩阵的等级(rank，矩阵的阶数)，也即，是表示在BS的天线元件的总数和MS的天线元件的总数中较少一方的总数。还有，在本实施方式中，式4中的L为n。另外，因为每个本征空间的该本征值λ的大小表示本征空间的功率，所以，接收方装置中的本征空间的本征值λ的总和就会相当于接收总功率。因此，假设总功率为Ptotal并且L＝N，则有以下“式5”所示的关系成立。
Ptotal=ΣiNλi]]>…(式5)而且，假设接收方装置中的每个天线元件的平均接收功率为Pave，则在总功率Ptotal和Pave之间，有以下“式6”所示的关系成立。
Ptotal＝N·Pave…(式6)如式4所示，因为本征空间的本征值λ的大小分散，所以总是存在满足λ1＞Pave的本征值。并且，如图6所示，随着接收方天线元件201-1～201-n的总数增多，最大本征值的大小对于接收方天线元件201-1～201-n的每一个的平均接收功率的增益也增大。因此，在本实施方式中，如图7所示，通过本征值选择单元317，在由信道矩阵H生成的MIMO信道的本征值Λ中选择最大本征值λi，由此就能够切实地实现高于接收方天线元件201-1～201-n中每一个的平均SNR的SNR。
在步骤ST450，在BS和MS中，分别使用在步骤ST440中所选择的最大本征值生成专用密钥。在步骤ST450中，量化单元327以预定的量化比特数对由本征值选择单元317输入来的最大本征值的大小进行量化，以生成量化数据，并将所生成的量化数据输入到密钥生成单元337。然后，密钥生成单元337以预定的方式，通过将该量化数据反复或替换来生成专用密钥。
在步骤ST460中，BS和MS分别在相互之间确认各自所生成的专用密钥是否相同。在本实施方式中，BS和MS分别对各自生成的专用密钥，实施不能复原的不可逆转换，BS对MS无线地发送实施了该不可逆转换的信号。然后，MS把接收到的该信号和由本身装置实施了不可逆转换的信号进行对比，并且确认那些实施了不可逆转换的信号是否一致，并将表示该确认结果的确认信号无线发送给BS。附带提一下，作为实施了这样的不可逆转换的信号例如是施加散列函数的信号。
在步骤ST470-1中，在由MS发送来的确认信号表示实施了不可逆转换的信号彼此一致时，BS继续执行步骤ST480-1。另一方面，在由MS发送来的确认信号表示实施了不可逆转换的信号彼此为不一致时，则BS废弃本身装置所生成的专用密钥，然后再次从步骤ST410-1执行。
同样地，在步骤ST470-2中，在实施了不可逆转换的信号彼此间一致时，MS继续执行步骤ST480-2；另一方面，在实施了不可逆转换的信号彼此间是不一致时，则MS废弃本身装置所生成的专用密钥，然后再次从步骤ST410-2执行。
在步骤ST480中，BS和MS分别使用各自所生成的专用密钥，开始进行无线通信。
这样，根据本实施方式涉及的无线通信装置200，因为专用密钥生成单元207从MIMO信道的本征值中选择最大本征值，并使用该最大本征值生成专用密钥，因此能够实现高于每一个天线元件201-1～201-n的平均SNR的SNR，以及因此能够提高在该无线通信装置200上所生成的专用密钥和在通信对方装置上所生成的专用密钥相互一致的概率。
还有，有关本实施方式涉及的无线通信装置200，也可以如下进行应用或者变形。
虽然借助本实施方式涉及的无线通信装置200，对本征值选择单元317在由本征值检测单元206输入来的MIMO信道的本征值中选择最大本征值的情况进行了说明，但是，本发明并不限定于此，例如，本征值选择单元317可以选择对由本征值检测单元206输入来的MIMO信道的本征值的总和的比为预定值以上的本征值，也即本征空间的本征值。例如，在图8所示的例子中，从MIMO信道的本征值中选择三个最大的本征值，并将所选择的本征值输入到量化单元327。这样一来，因为量化单元327在不增加量化比特数的情况下可以增加量化数据的数据量，因此，能够提高专用密钥的安全性，而不降低BS和MS各自生成的专用密钥相互一致的概率。
另外，虽然在本实施方式中，对在步骤ST410中BS以及MS分别从天线元件201-1～201-n依次无线发送导频信号的情况进行了说明，但是，本发明并不限定于此，例如也可以在步骤ST410中BS以及MS将固有的扩频码(unique spreading codes)分配给天线元件201-1～201-n的每一个，并将由那些扩频码码分后的导频信号从天线元件201-1～201-n的每一个同时无线发送。这样一来，因为在接收方装置中，一个接收信号就会按每一信道码分复用，所以，就能够缩短导频信号的发送接收所需的时间，从而能够提前开始使用该专用密钥的通信。
(实施方式2)在本发明的实施方式2中，对无线通信装置200所生成的专用密钥进行纠错解码处理，进而以最大本征值的大小为基准，对该纠错能力进行控制。因此，本实施方式涉及的无线通信装置200，具有图9所示的专用密钥生成单元907，以代替实施方式1涉及的无线通信装置200中的专用密钥生成单元207。下面，有关本实施方式，为了避免重复，只对与实施方式1不同的方面进行说明。
图9是表示本实施方式涉及的专用密钥生成单元907的结构的方框图。专用密钥生成单元907包括本征值选择单元317；量化单元327；密钥生成单元337；不一致纠正控制单元917；以及不一致纠正单元927。
不一致纠正控制单元917，根据由本征值选择单元317输入来的最大本征值的大小，对量化单元327进行指示，以增减量化比特数；与此同时，也对不一致纠正单元927进行指示，以增减用于纠错处理的冗余数据的数据量。
不一致纠正单元927，把由密钥生成单元337输入来的专用密钥当作纠错编码处理过的信号，并且通过将该数据的一部分也即由不一致纠正控制单元917所指示的数据量作为冗余数据，来进行纠错解码处理。然后，不一致纠正单元927，将纠错解码处理后的专用密钥输入到未图示的控制单元等。还有，不一致纠正单元927，在由不一致纠正控制单元917指示将作为冗余数据利用的数据的位置时，按照该指示对专用密钥实施纠错处理。
接着，有关专用密钥生成单元907的动作，使用图10，以不一致纠正控制单元917的动作为中心来详细地进行说明。
不一致纠正控制单元917，根据由本征值选择单元317输入来的最大本征值的大小，在最大本征值为大的情况下(图10左边范围内)，对量化单元327发出指示，以减少量化比特数，并且抑制将要被生成的量化数据的数据量。另外，将包含在从密钥生成单元337输入来的专用密钥中的被抑制冗余数据的数据量通知给不一致纠正单元927。
这里，作为不一致纠正控制单元917中的最大本征值之大和小的判断方法，例如有根据最大本征值的大小对于MIMO信道的本征值中的每个本征空间的本征值的总和的比例进行判断的方法。另外，还有根据最大本征值的大小对于天线元件201-1～201-n的平均接收功率进行判断的方法等。
当不一致纠正控制单元917判定由本征值选择单元317输入来的最大本征值为大时，这意味着噪声对该最大本征值的影响小，也即SNR大，所以，没有必要增加量化单元327中的量化比特数。
另一方面，不一致纠正控制单元917，在由本征值选择单元317输入来的最大本征值为小的情况下(图10右边范围内)，向量化单元327发出指示以增加量化比特数，并且增大所生成的量化数据的数据量。另外，对于不一致纠正单元927，通知包含在由密钥生成单元337输入来的专用密钥中的增大后的冗余数据的数据量。
当不一致纠正控制单元917判定由本征值选择单元317输入来的最大本征值为小时，这意味着噪声对该最大本征值的影响大，也即SNR小，所以，就有必要纠正源于该噪声的、潜在于该专用密钥中的差错。那么，此时，不一致纠正控制单元917将增大量化单元327中的量化比特数以及增加包含在该专用密钥中的冗余数据的数据量，由此提高由不一致纠正单元927进行的对专用密钥的纠错能力。
这样，根据本实施方式涉及的无线通信装置200，因为在专用密钥生成单元907中，将专用密钥看作是纠错编码处理后的信号并且进行纠错解码处理，所以，能够进一步提高在无线通信装置200中和在通信对方装置中分别生成的专用密钥为一致的概率。
另外，因为在本实施方式中，不一致纠正控制单元917同时控制量化单元327中的量化比特数和不一致纠正单元927中的冗余数据的数据量，所以，能够将纠错解码处理后的专用密钥的数据长度(比特数)维持恒定，从而能够抑制在未图示的控制单元等中的信号处理的负载的增大。
(实施方式3)一般来说，专用密钥，随着数据长度变得越长，安全性就越提高。因此，在本发明涉及的实施方式3中，有关通过无线通信装置1100检测MIMO信道的本征值的频率响应并且组合该本征值的频率响应以生成专用密钥、由此增加专用密钥的数据长度和提高其安全性的形态进行说明。
本实施方式涉及的无线通信装置1100包括许多能够发挥与实施方式1涉及的无线通信装置200中的各结构单元相同功能的结构单元。所以，在本实施方式中，为了避免重复，只就不同于实施方式1的方面进行说明。
图11是表示本实施方式涉及的无线通信装置1100的结构的方框图。无线通信装置1100包括信道频率响应估计单元1104-1～1104-n，其代替在实施方式1涉及的无线通信装置200中的信道估计单元204-1～204-n；信道矩阵频率响应生成单元1105，其代替信道矩阵生成单元205；本征值频率响应检测单元1106，其代替本征值检测单元206；以及专用密钥生成单元1107，其代替专用密钥生成单元207。另外，在本实施方式中，作为无线信号，使用了多载波信号，例如OFDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，正交频分复用)信号。
信道频率响应估计单元1104-1～1104-n，分别根据由导频提取单元203-1～203-n输入来的导频信号的脉冲响应，估计每个信道的频率响应。具体地说，信道频率响应估计单元1104-1～1104-n，计算作为导频信号的OFDM信号的信道估计值的频率响应，也即计算OFDM信号的每个信道的、每个副载波的信道估计值。信道频率响应估计单元1104-1～1104-n将计算出的信道估计值的频率响应输入到信道矩阵频率响应生成单元1105。
信道矩阵频率响应生成单元1105，根据由信道频率响应估计单元1104-1～1104-n输入来的信道估计值的频率响应，生成信道矩阵的频率响应，也即生成以OFDM信道的每个信道的、每个副载波的信道估计值为要素的MIMO信道的信道矩阵。然后，信道矩阵频率响应生成单元1105将所生成的信道矩阵的频率响应输入到本征值频率响应检测单元1106。
本征值频率响应检测单元1106使用由信道矩阵频率响应生成单元1105输入来的信道矩阵的频率响应，检测MIMO信道的本征值的频率响应，也即，检测OFDM信号的每个信道的、每个副载波的本征值的集合。然后，本征值频率响应检测单元1106将检测出的MIMO信道的本征值的频率响应输入到专用密钥生成单元1107。
专用密钥生成单元1107使用由本征值频率响应检测单元1106输入来的MIMO信道的本征值的频率响应来生成专用密钥。有关在该专用密钥生成单元1107中生成专用密钥的具体形态，接下来进行说明。
在图12中，更具体地表示专用密钥生成单元1107的动作。在图12的上段，记载着在由本征值频率响应检测单元1106输入来的MIMO信道的本征值的频率响应中，特定本征空间的本征值的频率响应。还有，作为根据MIMO信道的本征值的频率响应而选择图12的上段所示的特定本征空间的本征值的频率响应的形态，例如有选择其中每个本征空间的本征值的频率响应的平均值为最大的本征空间的形态。
另外，专用密钥生成单元1107对于所选择的特定本征空间的本征值的频率响应，以预定的量化比特数，来对各频率、也即对每个副载波的本征值的大小进行量化，由此来生成量化数据。在此，专用密钥生成单元1107在决定量化比特数时，通过参照特定本征空间的每个副载波的本征值的SNR，使量化的宽度足够大于噪声的大小，就能够生成受噪声影响小的量化数据。
接下来，专用密钥生成单元1107通过适当地选择和组合所生成的量化数据，就能够生成具有长数据长度和高安全性的专用密钥。另外，专用密钥生成单元1107，在适当地选择和组合所生成的量化数据时，通过只选择由SNR高的本征值生成的量化数据，就能够提高在本身装置和通信对方装置上分别生成的专用密钥为一致的概率。
这样，根据本实施方式涉及的无线通信装置1100，因为根据MIMO信道的本征值中的特定本征空间的本征值的频率响应生成量化数据，所以，能够大量地获得受噪声影响较小的优质的量化数据。而且，因为使用这种优质大量的量化数据来生成专用密钥，所以，能够增加专用密钥的数据长度，从而能够提高该专用密钥的安全性。
另外，尽管在本实施方式中，为了增加专用密钥的数据长度，使用频率响应来获得大量的量化数据，但也可以使用时间响应来获得大量的量化数据。也就是说，通过经过长时间获得MIMO信道的本征值，就能够获得大量的量化数据，就能够与本实施方式同样增加专用密钥的数据长度和能够提高该专用密钥的安全性。
另外，尽管在上述各实施方式中，已经说明了其中将MIMO信道的本征值使用作为根据MIMO信道的信道矩阵通过线性运算或者非线性运算所生成的信息的情况，然而，本发明并不限定于这种情况，例如，作为根据信道矩阵通过线性运算或者非线性运算所生成的信息，也可以使用表示信道之间的相关关系的相关系数、表示信道矩阵之间的相关关系的相关矩阵或者通过本征值分解获得的本征矢量。
尽管在上述各实施方式中，以使用硬件构成本发明的情况为例进行了说明，然而，本发明也能够使用软件来实现。
另外，用于上述各实施方式说明的各功能模块，典型地由集成电路LSI(大规模集成电路)来实现。这些模块既可以是独立的芯片，也可以被部分或者全部包含在单个芯片上。这里，虽然采用“LSI”，但根据集成度的不同，也可称为“IC(集成电路)”、“系统LSI(系统大规模集成电路)”、“超LSI(超规模集成电路)”、或者“超大LSI(超大规模集成电路)”。
另外，集成电路化的技术不只限于LSI，也可以使用专用电路或通用处理器来实现。制造LSI后，也可以利用FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)，或者可以利用其中能够重新配置LSI内部的电路块的连接和设置的可重新配置处理器(Reconfigurable Processor)。
而且，如果随着半导体技术或者衍生的其他技术的进步，出现了替换LSI的集成电路的技术，当然，也可以利用该技术来实现功能模块的集成化。也有应用生物工程学技术等的可能性。
本发明的第一个方面是一种无线通信装置，包括多根天线，接收MIMO信道的无线信号；信道估计单元，对每个信道计算由上述天线所接收的信号的信道估计值；信道矩阵生成单元，根据计算出的信道估计值，生成MIMO信道的信道矩阵；以及专用密钥生成单元，使用由所生成的信道矩阵通过线性运算或者非线性运算生成的信息来生成专用密钥。
本发明的第二个方面是一种无线通信装置，其在上述发明中还包括本征值检测单元，根据所生成的信道矩阵检测MIMO信道的本征值；其中，上述专用密钥生成单元使用检测出的MIMO信道的本征值来生成专用密钥。
本发明的第三个方面是一种无线通信装置，其中，在上述发明中，上述专用密钥生成单元使用检测出的MIMO信道的本征值中的最大本征值来生成专用密钥。
本发明的第四个方面是一种无线通信装置，其中，在上述发明中，上述专用密钥生成单元使用本征值来生成专用密钥，该本征值对于检测出的MIMO信道的本征值的总和的比等于或者大于预定值。
本发明的第五个方面是一种无线通信装置，其中，在上述发明中，上述专用密钥生成单元包括量化单元，其对检测出的MIMO信道的本征值的大小进行量化并生成量化数据；密钥生成单元，其根据所生成的量化数据来生成密钥数据；以及纠正单元，其将所生成的密钥数据的一部分作为冗余数据使用，对上述密钥数据进行纠错处理。
本发明的第六个方面是一种无线通信装置，其中，在上述发明中，上述专用密钥生成单元还包括控制单元，其测量被检测出的MIMO信道的本征值的大小，并根据测量出的本征值的大小，在使上述量化单元中的量化比特数减少时，使上述纠正单元减少用作为冗余数据的数据量；在使上述量化单元中的量化比特数增加时，使上述纠正单元增加用作为冗余数据的数据量。
本发明的第七个方面是一种无线通信装置，其中，在上述发明中，由上述天线接收的信号是多载波信号；上述信道估计单元计算接收到的多载波信号的信道估计值的频率响应；上述信道矩阵生成单元根据计算出的信道估计值的频率响应，生成信道矩阵的频率响应；上述本征值检测单元根据所生成的信道矩阵的频率响应，检测MIMO信道的本征值的频率响应；以及上述专用密钥生成单元使用由上述本征值检测单元检测出的MIMO信道的本征值的频率响应来生成专用密钥。
本发明的第八个方面是一种无线通信方法，包括接收步骤，用多个天线接收MIMO信道的无线信号；信道估计步骤，对每个信道计算由上述天线接收的信号的信道估计值；信道矩阵生成步骤，根据计算出的信道估计值，生成MIMO信道的信道矩阵；以及专用密钥生成步骤，通过使用由所生成的信道矩阵的线性运算或者非线性运算而生成的信息来生成专用密钥。
本说明书是基于2004年7月29日申请的日本专利申请特愿2004-222389号，其内容全部包含于此作为参考。
工业实用性本发明涉及的无线通信装置具有这样的优点通过利用MIMO技术的特性，即使无线信号被第三者监听，也能够生成与该第三者生成的专用密钥不同的专用密钥。作为在利用MIMO技术的无线通信系统中所使用的无线通信方法等，该无线通信装置因此是有用的。
权利要求
1.一种无线通信装置，包括多个天线，接收MIMO信道的无线信号；信道估计单元，对每个信道计算由上述天线接收的信号的信道估计值；信道矩阵生成单元，根据计算出的信道估计值，生成MIMO信道的信道矩阵；以及专用密钥生成单元，其使用由所生成的信道矩阵的线性运算或者非线性运算而生成的信息来生成专用密钥。
2.如权利要求1所述的无线通信装置，还包括本征值检测单元，根据所生成的信道矩阵检测MIMO信道的本征值；其中，上述专用密钥生成单元使用检测出的MIMO信道的本征值来生成专用密钥。
3.如权利要求2所述的无线通信装置，其中，上述专用密钥生成单元使用检测出的MIMO信道的本征值中的最大本征值来生成专用密钥。
4.如权利要求2所述的无线通信装置，其中，上述专用密钥生成单元使用本征值来生成专用密钥，该本征值对于检测出的MIMO信道的本征值的总和的比等于或者大于预定值。
5.如权利要求2所述的无线通信装置，其中，上述专用密钥生成单元包括量化单元，对检测出的MIMO信道的本征值的大小进行量化，以生成量化数据；密钥生成单元，根据所生成的量化数据，生成密钥数据；以及纠正单元，其将所生成的密钥数据的一部分作为冗余数据使用，对上述密钥数据进行纠错处理。
6.如权利要求5所述的无线通信装置，其中，上述专用密钥生成单元还包括控制单元，其测量检测出的MIMO信道的本征值的大小，以及根据测量出的本征值的大小，在使上述量化单元中的量化比特数减少时，使上述纠正单元减少用作为冗余数据的数据量；在使上述量化单元中的量化比特数增加时，使上述纠正单元增加用作为冗余数据的数据量。
7.如权利要求2所述的无线通信装置，其中，由上述天线接收的信号是多载波信号；上述信道估计单元计算接收到的多载波信号的信道估计值的频率响应；上述信道矩阵生成单元根据计算出的信道估计值的频率响应，生成信道矩阵的频率响应；上述本征值检测单元根据所生成的信道矩阵的频率响应，检测MIMO信道的本征值的频率响应；以及上述专用密钥生成单元使用由上述本征值检测单元检测出的MIMO信道的本征值的频率响应来生成专用密钥。
8.一种无线通信方法，包括接收步骤，用多个天线接收MIMO信道的无线信号；信道估计步骤，对每个信道计算由上述天线接收的信号的信道估计值；信道矩阵生成步骤，根据计算出的信道估计值，生成MIMO信道的信道矩阵；以及专用密钥生成步骤，通过使用由所生成的信道矩阵的线性运算或者非线性运算而生成的信息来生成专用密钥。
全文摘要
本发明公开一种无线通信装置，在适用密钥方式的无线通信系统中，即使无线信号被传播路径环境与接收方无线通信装置相似的第三者监听，该无线通信装置也能够生成与由该第三者所生成的密钥不同的密钥。在本发明装置中，密钥生成单元(207)的本征值选择单元(317)选择由本征值检测单元(206)输入的MIMO信道本征值的最大本征值，并将选择的最大本征值输入到量化单元(327)。量化单元(327)将由本征值选择单元(317)输入的最大本征值的大小进行量化以生成量化数据，并将量化数据输入到密钥生成单元(337)。密钥生成单元(337)使用预定的方式以根据由量化单元(327)输入的量化数据来生成密钥，并将所生成的密钥输入到未图示的控制单元等。
文档编号H04B7/04GK1993923SQ20058002552
公开日2007年7月4日 申请日期2005年7月7日 优先权日2004年7月29日
发明者汤田泰明, 今井友裕, 三好宪一 申请人:松下电器产业株式会社