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公開番号2024080029
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-06-13
出願番号2022192845
出願日2022-12-01
発明の名称通信システム、通信方法、およびプログラム
出願人国立大学法人電気通信大学,東京瓦斯株式会社
代理人個人,個人
主分類H03M 7/30 20060101AFI20240606BHJP(基本電子回路)
要約【課題】より高効率なマルチホップ通信を行う。
【解決手段】中継端末は、情報系列が暗号化された暗号化系列を受信して、暗号化系列に対して巡回冗長検査付きPolar符号に基づく圧縮手法を施すことによって求められる圧縮系列および第1の巡回冗長符号を送信する。宛先端末は、圧縮系列および第1の巡回冗長符号を受信して、圧縮系列に対して巡回冗長検査を用いる逐次除去リスト復号に基づく解凍手法を施すことによって情報系列であると推定される推定情報系列を取得する。本技術は、例えば、マルチホップ通信が行われる通信システムに適用できる。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
情報系列が暗号化された暗号化系列を受信して、前記暗号化系列に対して巡回冗長検査付きPolar符号に基づく圧縮手法を施すことによって求められる圧縮系列および第１の巡回冗長符号を送信する中継端末と、
前記圧縮系列および前記第１の巡回冗長符号を受信して、前記圧縮系列に対して巡回冗長検査を用いる逐次除去リスト復号に基づく解凍手法を施すことによって前記情報系列であると推定される推定情報系列を取得する宛先端末と
を備える通信システム。
続きを表示（約 1,500 文字）【請求項２】
前記中継端末は、
ある確率変数列に対して再帰的な可逆変換により別の確率変数列に変換する情報源分極操作を行って、前記暗号化系列から別の符号系列を求める情報源分極部と、
前記符号系列に対して圧縮処理を施すことによって前記圧縮系列を求める圧縮処理部と、
前記符号系列から前記第１の巡回冗長符号を計算する第１の巡回冗長符号計算部と
を有する
請求項１に記載の通信システム。
【請求項３】
前記第１の巡回冗長符号計算部が前記第１の巡回冗長符号を計算する際に用いられる生成多項式は、前記宛先端末において既知である
請求項２に記載の通信システム。
【請求項４】
前記宛先端末は、
前記圧縮系列に対して逐次除去リスト復号に基づく解凍手法を施し、前記符号系列であると推定される推定符号系列の候補となる所定個数の候補系列を求める逐次除去リスト復号処理部と、
所定個数の前記候補系列それぞれの第２の巡回冗長符号を、前記生成多項式を用いて計算して、前記第１の巡回冗長符号と一致する前記第２の巡回冗長符号が算出された前記候補系列を、前記推定符号系列として選択する第２の巡回冗長符号計算部と
を有する
請求項３に記載の通信システム。
【請求項５】
前記宛先端末は、前記第２の巡回冗長符号計算部により選択された前記推定符号系列に対して、前記情報源分極部において行われた情報源分極操作に対する逆操作を行うことによって、前記暗号化系列であると推定される推定暗号化系列を求める情報源分極逆操作部と、
前記推定暗号化系列を、前記情報系列を暗号化する際の暗号化鍵を用いて復号することによって、前記推定情報系列を求める復号部と
をさらに有する
請求項４に記載の通信システム。
【請求項６】
前記情報系列を生成する際の生起確率および前記暗号化鍵は、前記宛先端末において既知であり、
前記逐次除去リスト復号処理部は、前記生起確率および前記暗号化鍵を入力対数尤度比として利用し、前記推定暗号化系列の各ビットの対数尤度比を計算する
請求項５に記載の通信システム。
【請求項７】
前記逐次除去リスト復号処理部は、前記対数尤度比を利用して前記候補系列の各ビットを更新するときのパスメトリックを計算し、前記パスメトリックに対応する所定個数の前記候補系列を選択して、前記第２の巡回冗長符号計算部に供給する
請求項６に記載の通信システム。
【請求項８】
前記巡回冗長検査付きPolar符号に基づく圧縮手法、および、前記巡回冗長検査を用いる逐次除去リスト復号は、前記圧縮系列の圧縮率が可変である
請求項１に記載の通信システム。
【請求項９】
前記情報系列を取得して前記暗号化系列を送信する情報源端末から、前記中継端末を中継して前記宛先端末へ前記情報系列がマルチホップ通信により送信される
請求項１に記載の通信システム。
【請求項１０】
通信システムが、
情報系列が暗号化された暗号化系列を受信して、前記暗号化系列に対して巡回冗長検査付きPolar符号に基づく圧縮手法を施すことによって求められる圧縮系列および第１の巡回冗長符号を送信することと、
前記圧縮系列および前記第１の巡回冗長符号を受信して、前記圧縮系列に対して巡回冗長検査を用いる逐次除去リスト復号に基づく解凍手法を施すことによって前記情報系列であると推定される推定情報系列を取得することと
を含む通信方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、通信システム、通信方法、およびプログラムに関し、特に、より高効率なマルチホップ通信を行うことができるようにした通信装置、通信方法、およびプログラムに関する。
続きを表示（約 2,100 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、モノとモノをインターネットで接続し、ユーザの様々な要求に応えることを可能にする、モノのインターネット（IoT：Internet of Things）が注目されている。IoTの実現において重要となる要素の一つに、広範囲に存在するユーザの状態や要求に関する情報を一つのエンドポイントに収集するアプリケーションがある。このようなアプリケーションを有線通信で実現する場合、多数の端末に対して配線を行う必要があり、導入コストが増大してしまう。
【０００３】
そこで、無線センサネットワーク（WSN：Wireless Sensor Networks）システムの利用が注目されている。ところで、WSNシステムの多くでは、設置箇所の自由度を向上させるために、バッテリー駆動する無線端末を利用することや、システムに端末を追加することが容易であることなどが必要であり、低消費エネルギー性およびスケーラビリティが重要となる。このような要求を満たす通信方式として、マルチホップ通信方式の利用が活発に検討されている。マルチホップ通信方式では、ネットワークを構成する各端末は送信端末および受信端末の両方の動作を実行可能であり、受信端末はパケットを受信した後に送信端末として動作し、他の受信端末にパケットを送信することでパケットの中継を行う。
【０００４】
マルチホップ通信方式を用いる無線通信アプリケーションにおいては、通信効率の観点から、端末が送信するパケットに対して送信前に圧縮が施されていることが望ましい。しかしながら、WSNシステムをはじめとする多数の端末が小容量のデータを伝送するアプリケーションでは、システムの導入コストやメンテナンスコストなどの観点から、端末の消費エネルギーや計算機資源などに制約が生じ、送信前にパケットに対して圧縮を施すことができないことがある。一方で、多数のパケットを中継する端末においては、パケットのデータサイズに起因するパケット伝送の所要時間や消費エネルギーなどの増大を無視することができない。
【０００５】
また、スマートメータなど、伝送されるパケットに個人情報が含まれるシステムの場合、確実にパケットを秘匿するためにパケットを生起した端末において暗号化を施す必要がある。このとき、パケット伝送の高効率化とパケットのプライバシー保護とを両立するために、中継端末において暗号化されたパケットを復号することなく圧縮する手法が必要である。
【０００６】
このような要求に対して、暗号化されたパケットと暗号鍵との相関を用いた分散情報源符号化に基づく暗号化後圧縮（EtC：Encryption-then-Compression）に関する研究が行われている。
【０００７】
例えば、特許文献１では、中継端末が、Ｍ台の情報端末それぞれから送信されてくるＭ個の暗号化パケットの全てを保持して、ブロックインデックスｎが同一である暗号化ブロックごとに纏めて延伸した後に圧縮を行うことでＮ個の圧縮系列を取得する暗号化後圧縮手法が提案されている。
【０００８】
また、非特許文献１では、バイナリで表現されるパケットに対する暗号化後圧縮手法が提案されている。例えば、中継端末は、暗号鍵について未知の状態で、誤り訂正符号を用いたパケットの圧縮を実行し、最終宛先端末は、暗号鍵について既知であり、暗号化されたパケットと暗号鍵との相関を用いて、スレピアン・ウォルフの定理に基づく解凍を実行する。具体的には、低密度パリティ検査（LDPC：Low-Density Parity-Check）符号に基づいて圧縮が施され、信念伝播法（BPA：Belief Propagation Algorithm）によってパケットの解凍が行われる。
【０００９】
しかしながら、低密度パリティ検査符号を用いた場合、圧縮率の変更時にパリティ検査行列を設計し直して、変更後のパリティ検査行列を圧縮側および解凍側で共有する必要がある。そのため、被圧縮系列の統計的性質が時間的に変動してしまい、圧縮率の柔軟な変更が必要とされるアプリケーションには、非特許文献１で開示されている暗号化後圧縮手法は適さないことになる。また、信念伝播法は、ループのあるファクターグラフ上では準最適な復号アルゴリズムとなり、圧縮率の理論限界を達成できないことが知られている。
【００１０】
これらの課題を解決するための分散情報源符号化手法として、非特許文献２には、Polar符号による圧縮手法、および、その復号方法である逐次除去（SC: Successive-Cancellation）復号に基づく解凍手法が提案されている。例えば、Polar符号における符号化の手順は、被圧縮系列の長さが定まれば圧縮率によらず不変であり、符号系列の中から送信するビットの数を変更することで圧縮率を変更することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
（【００１１】以降は省略されています）

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