JP5225894B2 - 無線基地局装置、無線端末装置、無線通信システム、および基地局認証方法 - Google Patents

Description

本発明は、時分割多元接続により無線通信を行う無線通信システムに係り、特に、複数の無線端末装置が無線基地局装置に対して認証を行う無線通信システムに関する。

従来、多くの無線通信システムにおいて、無線通信装置間で重要なデータの送受信（以下「データ通信」という）を行うときに、通信相手が真正な相手であるかどうかを確認するための認証が行われている。

無線通信装置間の認証は、通常、認証通信と認証処理という２段階の手順を踏む。認証通信は、通信相手の認証を行うために、無線通信装置の装置ＩＤ（identifier）やパスワード等の識別情報を含む認証情報を送受信する通信である。認証処理は、認証通信によって相手から受信した認証情報を検証することにより、相手の正当性（真正な相手であるか否か）を確認する処理である。

無線通信装置は、相手が真正であることが確認できた場合にのみ、相手とのデータ通信を開始する。これにより、真正ではない相手とのデータ通信を防ぐことができ、第三者への情報の漏えいを防ぐことができる。

相手の正当性を確認するためには、２つの事項について確認する必要がある。

１つ目は、受信した認証情報の内容が、真正の無線通信装置が作成したものであるか否かである。この事項の確認には、一般的には、電子署名や電子認証の技術が広く用いられている。

２つ目は、受信した認証情報が、現に認証通信を行っている相手が作成したものであるか否かである。すなわち、受信した認証情報が、「第三者による、真正の無線通信装置が送信した認証情報に対する不正傍受と、その認証情報の再送信」が行われた結果であるか否かである。このような、不正傍受した認証情報の再送信による成りすまし行為は、一般的に、「リプレイアタック（replay attack）」と呼ばれている。

２つ目の事項の確認には、一般的には、チャレンジ／レスポンス認証が広く用いられている。チャレンジ／レスポンス認証は、その時々によって値が異なるランダム値を用いることにより、リプレイアタックにより送られてきた情報を排除する技術である。

この技術では、まず、一方の無線通信装置が、例えばランダムに値を選択し、選択した値を、真正の相手先である無線通信装置に送信する。ランダム値を受信した無線通信装置は、事前に共有した秘密情報を用いて、受信したランダム値に署名を付与して、認証情報に含めて返信する。

認証情報を受信した無線通信装置は、署名の正当性を確認するとともに、認証情報に含まれるランダム値と送信したランダム値とが一致するか否かを確認する。そして、無線通信装置は、これらの値が一致した場合にのみ、受信した認証情報の送信元が真正の相手であると判断する。これにより、リプレイアタックを排除することができる。

チャレンジ／レスポンス認証は、ランダム値を送信するための送信時間を必要とする。一方で、例えば、ある１つの無線基地局の無線通信エリアを通過する不特定多数の無線通信装置のそれぞれが、無線通信装置に対して認証を行うような場合、できるだけ短時間で個々の認証処理を行うことが望ましい。

そこで、時分割多元接続方式（time division multiple access system、以下「ＴＤＭＡ方式」という）の無線通信システムにおいて個々の認証処理を短縮する技術が、例えば特許文献１に記載されている。以下、説明の便宜上、認証を行う側の無線通信装置を、「無線端末装置」といい、認証される側の無線通信装置を、「無線基地局装置」という。また、無線端末装置が、通信相手が真正の無線基地局装置であることを確認するための認証を、「基地局認証」という。

図３８は、ＴＤＭＡ方式を説明するための模式図である。

図３８に示すように、ＴＤＭＡ方式では、同一周波数の電波上の通信路が、固定長のフレームという概念によって時間分割される。また、各フレームは、固定長のタイムスロットという概念によって更に分割される。

複数の無線端末装置３０−１〜３０−３には、認証通信を開始する毎に、タイムスロットがランダムにそれぞれ割り当てられる。各無線端末装置３０は、割り当てられたタイムスロットを使用して、無線基地局装置２０との間で通信を行う。これにより、ＴＤＭＡ方式は、複数の無線端末装置３０−１〜３０−３の間での通信の電波的な干渉が発生することを防ぎ、１対多数の個別通信を可能にしている。

各フレームおよび各タイムスロットは、それぞれに付与された番号によって識別される。また、フレーム番号およびタイムスロット番号は、時間とともに変化する。フレームの番号とタイムスロットの番号とを組み合わせた値は、その時々によって異なる値である。また、タイムスロット番号の選択は、ランダムに行われる。したがって、フレームの番号とタイムスロットの番号とを組み合わせた値は、ランダム性を有する。

そこで、特許文献１に記載された技術は、この組み合わせ値を、チャレンジ／レスポンス認証におけるランダム値として利用する。

図３９は、タイムスロットの番号をランダム値として利用した無線通信システムの全体動作を示すシーケンス図である。

図３９に示すように、例えば、まず、第１の無線端末装置３０−１が、フレーム番号Ｍのフレームのタイムスロット番号Ｎのタイムスロットを用いて、無線基地局装置２０に対して認証要求を送信する（Ｓ４１）。すると、無線基地局装置２０は、値Ｍ、Ｎから、事前に第１の無線端末装置３０−１との間で共有する共有関数を用いて、認証データを生成し（Ｓ４２）、生成した認証データを、第１の無線端末装置３０−１へ送信する（Ｓ４３）。第１の無線端末装置３０−１は、同様に、値Ｍ、Ｎから共有関数を用いて認証データを生成し、生成した認証データと無線基地局装置から受信した認証データとが一致するか否かを確認する（Ｓ４４）。２つのデータが一致する場合には、第１の無線端末装置３０−１は、無線基地局装置２０とのデータ通信を開始する（Ｓ４５）。続いて、次のタイムスロット番号Ｎ＋１のタイムスロットにおいて、例えば、第２の無線端末装置３０−２が、同様に認証要求を送信する。

このように、特許文献１記載の技術によれば、ランダム値を別途送信する必要がなくなり、基地局認証をより短時間で行うことが可能となる。
特開２００７−２８２０８６号公報

ところで、一定時間内でより多くの無線端末装置が基地局認証を行うためには、タイムスロットの時間長（以降タイムスロット長）を短くする必要がある。しかし、特許文献１に記載された技術では、タイムスロット長を効果的に短くすることができず、一定の時間内において基地局認証を行うことができる無線端末装置の数が限られるという問題がある。その理由は以下の通りである。

図３９からも明らかなように、認証通信には、少なくとも、無線基地局装置が認証要求を受信するための受信時間５１、認証データを演算するための演算時間５２、および認証データを送信するための送信時間５３が掛かる。したがって、従来技術では、それぞれのタイムスロット長を、これらの時間５１、５２、５３を加算した時間よりも短くすることはできない。

本発明は、上記課題を鑑み、一定時間内でより多くの無線端末装置が基地局認証を行うことができる無線基地局装置、無線端末装置、無線通信システム、および基地局認証方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る無線基地局装置は、複数の無線端末装置と時分割多元接続により無線通信を行う無線基地局装置であって、前記無線端末装置から、基地局認証を開始することを示す応答情報を受信する応答情報受信部と、タイムスロット毎の前記応答情報の受信の有無を示す情報を集約した基地局認証データを生成する基地局認証データ生成部と、生成された前記基地局認証データを、前記無線端末装置に送信する基地局認証データ送信部とを有する。

本発明の一態様に係る無線端末装置は、無線基地局装置と時分割多元接続により無線通信を行う複数の無線端末装置のうちの１つであって、タイムスロットを選択するタイムスロット選択部と、選択された前記タイムスロットを用いて、基地局認証を開始することを示す応答情報を、前記無線基地局装置に送信する応答情報送信部と、送信された前記応答情報に対応して、基地局認証データを受信する基地局認証データ受信部と、受信した前記基地局認証データが、選択された前記タイムスロットにおいて前記応答情報の受信が有ったことを示すか否かに基づいて、前記基地局認証データの送信元に対する基地局認証を行う基地局認証部とを有する。

本発明の一態様に係る無線通信システムは、無線基地局装置と、この無線基地局と時分割多元接続により無線通信を行う複数の無線端末装置とを含む無線通信システムであって、前記無線基地局装置は、前記無線端末装置から基地局認証を開始することを示す応答情報を受信する応答情報受信部と、タイムスロット毎の前記応答情報の受信の有無を示す情報を複数のタイムスロットについて集約した基地局認証データを生成する基地局認証データ生成部と、生成された前記基地局認証データを前記無線端末装置に送信する基地局認証データ送信部とを有し、前記複数の無線端末装置は、タイムスロットを選択するタイムスロット選択部と、選択された前記タイムスロットを用いて前記応答情報を前記無線基地局装置に送信する応答情報送信部と、送信された前記応答情報に対応して前記基地局認証データを受信する基地局認証データ受信部と、受信された前記基地局認証データが、選択された前記タイムスロットにおいて前記応答情報の受信が有ったことを示すか否かに基づいて、前記基地局認証データの送信元に対する基地局認証を行う基地局認証部とをそれぞれ有する。

本発明の一態様に係る基地局認証方法は、無線基地局装置と、この無線基地局と時分割多元接続により無線通信を行う複数の無線端末装置との間で行われる基地局認証方法であって、前記無線端末装置が、タイムスロットを選択し、選択したタイムスロットを用いて、基地局認証を開始することを示す応答情報を前記無線基地局装置に送信するステップと、前記無線基地局装置が、タイムスロット毎の前記応答情報の受信の有無を示す情報を複数のタイムスロットについて集約した基地局認証データを生成し、生成した前記基地局認証データを前記無線端末装置に送信するステップと、前記無線端末装置が、受信した前記基地局認証データが、選択した前記タイムスロットにおいて前記応答情報の受信が有ったことを示すか否かに基づいて、前記基地局認証データの送信元に対する基地局認証を行うステップとを有する。

本発明によれば、各無線端末装置への処理をまとめることにより、一定時間内でより多くの無線端末装置が基地局認証を行うことができる。

以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施の形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得る。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る無線通信システムの構成の一例を示すシステム構成図である。

図１において、本実施の形態に係る無線通信システム１００は、無線基地局装置２００と、無線基地局装置２００の通信エリアに位置する第１〜第３の無線端末装置３００−１〜３００−３とを有する。第１〜第３の無線端末装置３００−１〜３００−３は同一の構成を有する。以下、適宜、第１〜第３の無線端末装置３００−１〜３００−３を、無線端末装置３００と総称して説明する。

無線基地局装置２００は、第１〜第３の無線端末装置３００−１〜３００−３と、ＴＤＭＡ方式による無線通信を行う。

図２は、無線通信システム１００が適用される環境の一例を示す模式図である。

図２に示すように、無線基地局装置２００の通信エリア４００を通過する不特定多数の歩行者４１０は、それぞれ無線端末装置３００を携帯している。無線端末装置３００は、例えば、ＲＦＩＤ（radio frequency identification）の一種であるアクティブタグである。無線基地局装置２００は、例えば、アクティブタグのリーダ／ライタである。

また、通信エリア４００内に同時に位置する無線端末装置３００の数は変動する。例えば、図１に示すように、無線基地局装置２００は、第４の無線端末装置３００−４が通信エリアに移動してきたときには、第４の無線端末装置３００−４ともＴＤＭＡ方式による無線通信を行う。

具体的には、無線通信システム１００は、例えば、児童が校門を通過する際に、児童の登下校時間や登下校の有無を検知し、異常がある場合にはその旨を教師や保護者に通報するというサービスに適用される。この場合、無線基地局装置２００は、学校の校門に設置され、無線端末装置３００は、児童に携帯される。学校における登下校の際は、多数の児童が短時間の間に通過することが予想される。

また、無線通信システム１００は、例えば、車両にとって死角となり易い曲がり角の付近を歩行者が通行しているときに、その旨を検知して周囲の車両に通知するというサービスに適用される。この場合、無線基地局装置２００は、曲がり角に設置され、無線端末装置３００は、歩行者に携帯される。

無線端末装置３００は、その無線端末装置３００に割り当てられたタイムスロットを用いて、無線基地局装置２００とそれぞれ個別のデータ通信を行う。無線端末装置を携帯したユーザは、この個別のデータ通信により、通過記録や情報提供等のサービスを受ける。

ところが、どの無線端末装置３００がいつ通信エリア４００を通過するかは、事前に特定することができないため、事前に各無線端末装置３００にタイムスロットを割り当てておくことは難しい。

そこで、本実施の形態では、無線端末装置３００が、通信に使用するタイムスロットをランダムに選択し、選択したタイムスロットを使用して、どのタイムスロットを選択したかを無線基地局装置２００に対して通知するものとする。

タイムスロットの識別は、タイムスロット番号を用いて行われる。また、タイムスロットの同期は、例えば、無線基地局装置２００が、後述の認証開始要求の送信によってフレーム開始位置を各無線端末装置３００に対して通知することにより、行われる。

また、各無線端末装置３００は、データ通信を開始しようとする相手の正当性（ここでは、無線基地局装置２００であるか否か）を判断するために、データ通信に先立って通信の相手先に対して基地局認証を行う。

また、各無線端末装置３００は、この認証において、受信した認証情報がリプレイアタックによるものでないことを確認する。第三者が、無線基地局装置２００に成りすまして、不正目的で無線端末装置３００とのデータ通信開始を試みる可能性があるからである。

更に、本実施の形態に係る無線通信システム１００は、従来とは異なる内容で基地局認証を行うことにより、一定時間内でより多くの無線端末装置３００が基地局認証を行うことを可能にする。以下、無線通信システム１００の構成および動作のうち、基地局認証に関する部分に着目して、説明を行う。

なお、ここで、基地局認証において無線基地局装置２００と無線端末装置３００との間で共有して使用される情報は、各装置の出荷時点に、予め各装置に設定されているものとする。共有する情報は、後述の、無線データの形式およびコマンドコード、基地局認証データを生成するためのデータ生成ルール、および後述の比較データを生成するためのデータ生成ルール、スロットの数およびスロット間隔等を含む。これらの共有する情報は、基地局認証を行う毎に、無線基地局装置２００から無線端末装置３００へと送信するようにしても良い。例えば、無線基地局装置２００は、共有する情報を、認証開始要求または基地局認証データに付加する。そして、無線端末装置３００は、共有する情報を、送信する認証開始要求または基地局認証データから取得する。

まず、無線通信システム１００の全体動作の概要について、図３〜図９を参照して説明する。

図３は、無線通信システム１００の全体動作の一例を示すシーケンス図である

まず、無線基地局装置２００は、通信エリア４００に位置する無線端末装置３００に対し、認証通信の開始の指示である認証開始要求を所定の間隔で定期的に同報送信する（Ｓ２１００）。後述の基地局認証は、認証開始要求を無線端末装置３００が受信する毎に実行されることを前提に説明する。

上述の所定の間隔は、通信エリア４００の大きさと無線端末装置３００を携帯するユーザの平均移動速度とから計算される、無線端末装置３００の通信エリア通過時間に収まる長さが望ましい。かつ、上述の所定の間隔は、基地局認証用のタイムスロットやデータ通信用のタイムスロットを包含するような長さであることが望ましい。

通信エリア４００内に位置する無線端末装置３００に対する同報送信を、以下、単に「同報送信」という。ここでは、第１〜第３の無線端末装置３００−１〜３００−３が、図２に示すような通信エリア４００内に存在するものとする。

認証開始要求を受信した第１〜第３の無線端末装置３００−１〜３００−３は、それぞれ、受信した認証開始要求に対応してタイムスロットをランダムに少なくとも１つ選択する（Ｓ２２００）。

そして、第１〜第３の無線端末装置３００−１〜３００−３は、選択したタイムスロットを用いて、基地局認証を開始することを示す応答を無線基地局装置２００にそれぞれ送信する（Ｓ２３００）。

ここで、無線基地局装置２００が送信する認証開始要求、および、この認証開始要求に対して無線端末装置３００が返信する応答の構成について説明する。

図４は、認証開始要求および応答のデータ構成の一例を示す図である。

図４に示すように、無線データ５１０は、同期コード５１１、Ｌｅｎｇｔｈ５１２、コマンドコード５１３、およびチェックサム５１４をこの順に並べて構成される。同期コード５１１は、無線データの開始を示す所定のコードを記述する。Ｌｅｎｇｔｈ５１２は、後続のデータの長さ（ここでは、コマンドコード５１３およびチェックサム５１４の合計長さ）を例えばバイト（byte）長で記述する。コマンドコード５１３は、当該無線データの種類を示すコマンドコードを記述する。チェックサム５１４は、当該無線データの誤り検出符号を記述する。

無線基地局装置２００は、コマンドコード５１３に、当該無線データ５１０が認証開始要求であることを示す所定のコマンドコードを記述して、認証開始要求の無線データを生成する。無線端末装置３００は、同期コード５１１に基づいて無線データの開始を検出し、Ｌｅｎｇｔｈ５１２に基づいてコマンドコード５１３およびチェックサム５１４を抽出する。そして、無線端末装置３００は、コマンドコード５１３に上述の所定のコマンドコードが記述されているとき、当該無線データ５１０が認証開始要求であると判定する。更に、無線端末装置３００は、チェックサム５１４に基づいて当該無線データ５１０に誤りが存在するか否かを判定する。

また、無線端末装置３００は、コマンドコード５１３に、当該無線データ５１０が認証開始要求に対する応答であることを示す所定のコマンドコード（acknowledge：ＡＣＫ）を記述して、応答の無線データを生成する。無線基地局装置２００は、同期コード５１１に基づいて無線データの開始を検出し、Ｌｅｎｇｔｈ５１２に基づいてコマンドコード５１３およびチェックサム５１４を抽出する。そして、無線基地局装置２００は、コマンドコード５１３に上述の所定のコマンドコードが記述されているとき、当該無線データ５１０が応答であると判定する。更に、無線基地局装置２００は、チェックサム５１４に基づいて当該無線データ５１０に誤りが存在するか否かを判定する。

無線基地局装置２００は、第１〜第３の無線端末装置３００−１〜３００−３から応答を受信し、タイムスロット毎の受信の有無を表す受信状況に基づいて、基地局認証データを生成する（図３のＳ２４００）。基地局認証データは、タイムスロット毎の、認証開始要求に対する応答の有無を、複数のタイムスロットについて集約したデータである。基地局認証データの詳細については後述する。

そして、無線基地局装置２００は、生成した基地局認証データと、装置ＩＤやパスワード等の識別情報とを含む認証情報を、第１〜第３の無線端末装置３００−１〜３００−３に対して同報送信する（Ｓ２５００）。

基地局認証データを含む認証情報は、認証開始要求や応答と同様の形式の無線データに格納されて送受信される。

図５は、基地局認証データを含む認証情報のデータ構成の一例を示す図であり、図４に対応するものである。図４と同一部分には同一符号を付す。

図５に示すように、認証情報の無線データ５２０は、同期コード５１１、Ｌｅｎｇｔｈ５１２、コマンドコード５１３、基地局認証データ５２１、識別情報５２２、およびチェックサム５１４を、この順に並べて構成される。Ｌｅｎｇｔｈ５１２は、ここでは、コマンドコード５１３、基地局認証データ５２１、識別情報５２２、およびチェックサム５１４の合計長さを記述する。

無線基地局装置２００は、コマンドコード５１３に、当該無線データ５２０が認証情報であることを示す所定のコマンドコードを記述して、認証情報の無線データ５２０を生成する。無線端末装置３００は、コマンドコード５１３に上述の所定のコマンドコードが記述されているとき、基地局認証データ５２１および識別情報５２２を抽出する。なお、チェックサム５１４は、電子署名としてもよい。

無線基地局装置２００は、このような無線データ５２０を生成して送信することにより、基地局認証データを含む認証情報の送信を行う。

一方、第１〜第３の無線端末装置３００−１〜３００−３は、どのタイムスロットを選択したかに基づいて、比較データをそれぞれ生成する（図３のＳ２６００）。比較データは、タイムスロットのそれぞれに対して選択の有無を示す識別子を対応付けたデータである。比較データの詳細については後述する。

そして、第１〜第３の無線端末装置３００−１〜３００−３は、無線基地局装置２００から受信した認証情報に含まれる基地局認証データと、生成した比較データとを比較し、整合するか否かを判断して、基地局認証を行う（Ｓ２７００）。基地局認証データと比較データとが整合している状態とは、比較データによって示される選択されたタイムスロットの全てが、基地局認証データによって応答が有ったことが示されるタイムスロットに、包含されている状態である。基地局認証データと比較データとの整合の判断の詳細については後述する。

第１〜第３の無線端末装置３００−１〜３００−３は、基地局認証データと比較データとが整合する場合には、認証情報の送信元が真正の相手（ここでは無線基地局装置２００）であると判定し、通信を継続して、データ通信を行う。具体的には、無線端末装置３００は、基地局認証に成功した旨の通知を無線基地局装置２００に対して送信する。更に、無線端末装置３００は、基地局認証用のタイムスロットの後に配置したデータ通信用のタイムスロットを用いて、無線基地局装置２００との間でデータ通信を行う。

また、第１〜第３の無線端末装置３００−１〜３００−３は、基地局認証データと比較データとが整合しない場合は、認証情報の送信元が真正の相手ではない（例えばリプレイアタックを行った無線端末装置）と判定し、データ通信を行わない。

なお、無線基地局装置２００は、送信する認証情報の改ざんを防ぐ目的で、上述の通り、認証情報に署名を付与することが望ましい。この場合、無線端末装置３００は、認証情報に真正の署名が付与されているか否かの検証を、基地局認証において行う。

図６は、無線基地局装置２００による基地局認証データを生成するためのデータ生成ルールの一例を示す模式図である。

ここで、基地局認証に使用されるフレームの最後のタイムスロットの番号（以下、「既定のタイムスロット番号」という）は「ｎ」であるものとする。また、第１〜第３の無線端末装置３００−１〜３００−３は、それぞれ順に、タイムスロット番号「０」、「２」、「ｎ」のタイムスロットを選択したものとする。また、無線基地局装置２００は、無線端末装置３００からの応答が有ったタイムスロットであることを示す識別子を「１」とし、応答が無かったタイムスロットであることを示す識別子を「０」とする。

この場合、無線基地局装置２００は、受信有りのタイムスロット番号「０」、「２」、「ｎ」に対応する識別子の値を「１」とし、その他の全てのタイムスロット番号に対応する識別子の値を「０」とする情報を、受信状況として保持する。すなわち、受信状況は、タイムスロット毎の応答の有無を表す情報である。

ここでは、基地局認証データのデータ生成ルールは、応答の有無を示す上記識別子を、タイムスロット番号の昇順で並べる内容であるものとする。この場合、図６に示す例のように、無線基地局装置２００が生成する基地局認証データは、「１、０、１、０、・・・、１」となる。

一方、図３において、第１〜第３の無線端末装置３００−１〜３００−３は、それぞれ、タイムスロット毎の選択の有無を表す選択状況に基づいて、比較データを生成する（Ｓ２４００）。

図７は、無線端末装置３００による比較データを生成するためのデータ生成ルールの一例を示す模式図である。ここでは、第１の無線端末装置３００−１による比較データの生成の概要を例示する。

上述のように、第１の無線端末装置３００−１は、タイムスロット番号「０」を選択している。ここで、第１の無線端末装置３００−１は、選択した（応答を行った）タイムスロットであることを示す識別子を「１」とし、選択しなかった（応答を行わなかった）タイムスロットであることを示す識別子を「０」とする。この場合、図７に示すように、第１の無線端末装置３００−１におけるタイムスロットの選択状況は、タイムスロット番号「０」に対応する識別子の値は「１」となり、その他のタイムスロット番号に対応する識別子の値は「０」となる。

本実施の形態では、比較データのデータ生成ルールは、選択の有無を示す上記識別子を、タイムスロット番号の昇順で並べる内容であり、基地局認証データのデータ生成ルールと同一であるものとする。この場合、図７に示す例のように、無線基地局装置２００が生成する比較データは、「１、０、０、０、・・・、０」となる。

図８は、図６および図７に示す例における、各無線端末装置３００における基地局認証データと比較データとの関係を示す模式図である。

無線端末装置３００により生成される基地局認証データは、「１、０、１、０、・・・、１」となる。これに対し、第１〜第３の無線端末装置３００−１〜３００−３により生成される比較データは、順に、「１、０、０、０、・・・、０」、「０、０、１、０、・・・、０」、「０、０、０、０、・・・、１」となる。

すなわち、基地局認証データを構成するビットパターンのうち、各比較データの値「１」となるビット位置は、値「１」となっている。これは、無線基地局装置２００と各無線端末装置３００との間で、応答の送受信の有無および応答の送受信が行われたタイムスロットが一致しているからである。また、基地局認証データのデータ生成ルールと比較データのデータ生成ルールとが、タイムスロット番号の昇順に識別子を並べるという同一の内容となっているためである。

基地局認証データを構成するビットパターンのうち、各比較データの値「１」となるビット位置が値「１」となることは、１つの無線端末装置３００が、複数のタイムスロット番号を使用する場合においても同様である。つまり、無線端末装置３００が複数のタイムスロットを選択して応答を送信する場合も同様である。

基地局認証データのうち、比較データの値が「１」となっているビット位置が、値「１」となっていることは、基地局認証データと比較データとが整合していることを示す。このような基地局認証データと比較データとの整合性は、例えば、基地局認証データと比較データとの論理積の結果が比較データと一致するか否かを判定することによって行うことができる。

どのタイムスロット番号を使用して応答を行うかは、上述の通り、ランダムに選択される。これにより、基地局認証データおよび比較データは、高いランダム性を有する。

また、タイムスロット番号の選択は、各無線端末装置３００において独立して行われるため、複数の無線端末装置３００が同一のタイムスロット番号を選択してしまうことがある。図９は、複数の無線端末装置３００が同一のタイムスロット番号を選択する様子の一例を示す模式図である。

しかし、このようなタイムスロット番号の重複選択の可能性は、更に基地局認証の信頼性を向上させる。選択されるタイムスロット番号の重複は、ランダムに発生し、基地局認証データのうち値が「１」となるビットの数は、応答を送信した無線端末装置３００の数の範囲内で変動するからである。

なお、各無線端末装置３００は、応答の送信の前に選択したタイムスロットにおいてキャリアセンスを行う。各無線端末装置３００は、選択したタイムスロットにおいて他の無線端末装置３００が先に応答を行っていることを検知した場合には、実際には応答を送信せずに、応答を送信したものとして処理を行うことが望ましい。これにより、タイムスロット番号の重複選択があった場合でも、コリジョンを防止しつつ、単独で選択した場合と同様に基地局認証を行うことができる。なお、基地局認証の後に実際のデータ通信を行うに際しては、重複が無いように、使用タイムスロットの調整が改めて行われる。

なお、本発明の仕組み上、基地局認証データに値「１」のビットが多いときには、基地局認証の信頼性が低下することが考えられる。例えば、全てのビットが値「１」となっている基地局認証データが生成されたときは、この基地局認証データを用いてリプレイアタックが行われると、全ての無線端末装置３００において基地局認証が成功してしまう。

このような事態を防ぐため、無線基地局装置２００は、基地局認証データ生成の際に値「１」となるビットの総数を監視する。そして、値「１」となるビットの総数、つまり応答を受信したタイムススロットの数が所定の閾値を超えた場合、基地局認証データの送信を行わずに処理を中止し、所定の間隔後に再度認証開始要求を送信することが望ましい。このとき、スロット数を更新して、認証開始要求を送信してもよい。

ここでの説明は、本実施の形態に係る無線通信システム１００の優位性を示すために、図３に示す本実施の形態のシーケンス図と、図３９に示す従来の無線通信システムのシーケンス図とを比較する。

従来の無線通信システムでは、タイムスロット毎に基地局認証データの生成と送信とを完了させなければならない。また、例えば、無線基地局装置の通信エリア内に３つの無線端末装置が位置する場合、少なくとも基地局認証データの生成と送信が３回ずつ行われることになる。

これに対し、本実施の形態では、図２に示す通信エリア４００内に３つの無線端末装置３００−１〜３００−３が位置しているが、基地局認証データの生成と送信は少なくとも１回ずつで済む。

すなわち、本実施の形態に係る無線通信システム１００は、個々のタイムスロットの長さを、基地局認証データの生成と送信とに要する時間の分だけ短縮することができる。一方で、本実施の形態に係る無線通信システム１００は、認証開始要求に対する応答に用いるタイムスロットとは別に、認証開始要求の送信と、基地局認証データの生成と、基地局認証データの送信とに要する時間を必要とする。しかし、いずれも１回ずつであるため、その増加される時間は、削減される時間の総計よりも少なく抑えることができる。また、基地局認証データに対して署名付与を行う場合には、１回の署名付与で済む。

したがって、本実施の形態に係る無線通信システム１００は、一定時間に対して配置することが可能なタイムスロットの個数を増やすことができ、一定時間内でより多くの無線端末装置３００が基地局認証を行うことができる。

次に、各装置の構成および動作について説明する。

図１０は、無線基地局装置２００の構成の一例を示すブロック図である。

図１０において、無線基地局装置２００は、通信制御部２１０、送信部２２０、タイムスロット管理部２３０、受信部２４０、受信状況管理部２５０、および基地局認証データ生成部２６０を有する。

通信制御部２１０は、無線基地局装置２００全体の動作を制御する。通信制御部２１０には、送信部２２０、タイムスロット管理部２３０、受信部２４０、および基地局認証データ生成部２６０が接続されている。

送信部２２０は、認証開始要求を生成し、生成した認証開始要求の同報送信を行う。また、送信部２２０は、基地局認証データ生成部２６０が生成した基地局認証データを含む認証情報の同報送信を行う。

タイムスロット管理部２３０は、既定のスロット番号および既定のタイムスロット間隔（タイムスロット長）を予め保持する。タイムスロット管理部２３０は、送信部２２０および受信部２４０に接続しており、少なくとも送信部２２０が認証開始要求を同報送信した後、通信エリア４００内に位置する無線端末装置３００との間で共有されるタイムスロットを管理する。

受信部２４０は、無線端末装置３００から送信される、認証開始要求に対する応答をタイムスロット毎に受信し、受信したタイムスロット毎の応答の有無を受信状況管理部２５０に通知する。なお、無線端末装置３００におけるこの応答の送信は、各無線端末装置３００が選択したタイムスロットを用いて行われる。

受信状況管理部２５０は、受信部２４０に接続されており、受信部２４０におけるタイムスロット毎の応答の有無を表す受信状況を管理する。

基地局認証データ生成部２６０は、基地局認証データのデータ生成ルールを予め保持する。基地局認証データ生成部２６０は、受信状況管理部２５０に接続されており、受信状況管理部２５０で管理される受信状況に基づき、保持するデータ生成ルールに従って、基地局認証データを生成する。

また、無線基地局装置２００は、例えば、ＣＰＵ（central processing unit）、制御プログラムを格納したＲＯＭ（read only memory）等の記憶媒体、およびＲＡＭ（random access memory）等の作業用メモリを有する。この場合、上記各部の機能は、ＣＰＵが制御プログラムを実行することにより実現される。

図１１は、無線端末装置３００の構成の一例を示すブロック図である。

図１１において、無線端末装置３００は、通信制御部３１０、受信部３２０、タイムスロット選択部３３０、選択状況管理部３４０、タイムスロット管理部３５０、送信部３６０、比較データ生成部３７０、および基地局認証部３８０を有する。

通信制御部３１０は、無線端末装置３００全体の動作を制御する。通信制御部３１０には、受信部３２０、タイムスロット選択部３３０、タイムスロット管理部３５０、送信部３６０、比較データ生成部３７０、および基地局認証部３８０が接続されている。

受信部３２０は、無線基地局装置２００から送信される認証開始要求と基地局認証データを含む認証情報とをそれぞれ受信する。

タイムスロット選択部３３０は、タイムスロット管理部３５０が管理するタイムスロットの中から、認証開始要求に対する応答に用いるタイムスロットをランダムに選択する。

選択状況管理部３４０は、タイムスロット選択部３３０に接続されており、タイムスロット選択部３３０におけるタイムスロット毎の選択の有無を表す選択状況を管理する。

タイムスロット管理部３５０は、既定のスロット番号および既定のタイムスロット間隔（タイムスロット長）を予め保持する。タイムスロット管理部３５０は、受信部３２０および送信部３６０に接続しており、少なくともタイムスロット選択部３３０がタイムスロットを選択した後、無線基地局装置２００との間で共有されるタイムスロットを管理する。

送信部３６０は、無線基地局装置２００に対し、タイムスロット選択部３３０が選択したタイムスロットを用いて、認証開始要求に対する応答を送信する。

比較データ生成部３７０は、比較データのデータ生成ルールを予め保持する。比較データ生成部３７０は、選択状況管理部３４０に接続されており、選択状況管理部３４０で管理される選択状況に基づき、予め保持したデータ生成ルールに従って、比較データを生成する。

基地局認証部３８０は、受信した基地局認証データと比較データ生成部３７０が生成した比較データとが整合するか否かに基づいて、基地局認証を行う。

また、無線基地局装置２００は、例えば、ＣＰＵ、制御プログラムを格納したＲＯＭ等の記憶媒体、および等の作業用メモリを有する。この場合、上記各部の機能は、ＣＰＵが制御プログラムを実行することにより実現される。

以下、無線基地局装置２００の各部および無線端末装置３００の各部の動作について、詳細に説明する。図３〜図９において説明した無線基地局装置２００の動作および無線端末装置３００の動作は、例えば、これらの装置を構成する各部が以下に動作をそれぞれ行うことにより、実現される。

まず、無線基地局装置２００の各部の動作について説明する。

図１２は、無線基地局装置２００の通信制御部２１０の動作の一例を示すフローチャートである。

まず、通信制御部２１０は、送信部２２０に対して、認証開始要求の同報送信を指示し（Ｓ３１０１）、送信部２２０から処理を戻される。なお、通信制御部２１０は、時間を管理し、例えば、任意の時間間隔で、認証開始要求の同報送信を送信部２２０に指示する。次に、通信制御部２１０は、タイムスロット管理部２３０に対して、タイムスロットの管理の開始を指示する（Ｓ３１０２）。そして、通信制御部２１０は、タイムスロット管理部２３０から処理を戻されると、基地局認証データ生成部２６０に対して、基地局認証データの生成を指示する（Ｓ３１０３）。

そして、通信制御部２１０は、基地局認証データ生成部２６０から基地局認証データと共に処理を戻されると、送信部２２０に対して、基地局認証データを渡して、基地局認証データを含む認証情報の同報送信を指示する（Ｓ３１０４）。そして、通信制御部２１０は、オペレータ操作が行われるなどして基地局認証に関する処理の終了を指示されたか否かを判断し、終了を指示されていない間は、上述の処理を繰り返す（Ｓ３１０５）。

図１３は、無線基地局装置２００の送信部２２０の動作の一例を示すフローチャートである。

送信部２２０は、通信制御部２１０から認証開始要求の同報送信の指示を受け付け、指示を受け取る毎に（Ｓ３２０１：ＹＥＳ）、認証開始要求を同報送信し（Ｓ３２０２）、送信が完了すると、通信制御部２１０へ処理を戻す（Ｓ３２０３）。また、送信部２２０は、通信制御部２１０からの基地局認証データを含む認証情報の同報送信の指示を受け付ける。次に、送信部２２０は、指示を受け取る毎に（３２０４：ＹＥＳ）、基地局認証データを含む認証情報を同報送信し（Ｓ３２０５）、送信が完了すると、通信制御部２１０へ処理を戻す（Ｓ３２０３）。

図１４は、無線基地局装置２００のタイムスロット管理部２３０の動作の一例を示すフローチャートである。

タイムスロット管理部２３０は、通信制御部２１０からタイムスロットの管理開始の指示を受け付け、指示を受取る毎に（Ｓ３３０１：ＹＥＳ）、タイムスロットの管理を行う（Ｓ３３０２〜Ｓ３３０５）。

より具体的には、タイムスロット管理部２３０は、まず、タイムスロット番号を初期値「０」に設定する（Ｓ３３０２）。次に、タイムスロット管理部２３０は、既定のタイムスロット間隔に基づいて、タイムスロット番号が既定のタイムスロット番号に到達するまでタイムスロット番号をインクリメントする（Ｓ３３０５）。その間、タイムスロット管理部２３０は、受信部２４０に対して、各タイムスロット番号と既定のタイムスロット間隔とを渡し、応答の受信を指示する（Ｓ３３０３〜Ｓ３３０５）。

そして、タイムスロット管理部２３０は、インクリメントするタイムスロット番号が既定のタイムスロット番号ｎに到達した場合には（Ｓ３３０４：ＹＥＳ）、通信制御部２１０に処理を戻す（Ｓ３３０６）。

図１５は、無線基地局装置２００の受信部２４０の動作の一例を示すフローチャートである。

受信部２４０は、タイムスロット管理部２３０からタイムスロット番号およびタイムスロット間隔の指定と受信指示とを受け付ける。次に、受信部２４０は、指示を受け取る毎に（Ｓ３４０１：ＹＥＳ）、指定されたタイムスロット間隔を単位として、無線端末装置３００からの応答を待機する（Ｓ３４０２〜Ｓ３４０６）。

より具体的には、受信部２４０は、まず、時間計測を開始し（Ｓ３４０２）、無線端末装置３００から既定のスロット間隔に到達するまでに応答を受信したか否かを判断する（Ｓ３４０３）。そして、受信部２４０は、応答を受信した場合には（Ｓ３４０３：ＹＥＳ、Ｓ３４０５：ＹＥＳ）、受信状況管理部２５０に対し、タイムスロット番号と、応答を受信したことを示す情報である受信通知とを渡す（Ｓ３４０７）。また、受信部２４０は、応答を受信しなかった場合には（Ｓ３４０３：ＮＯ、Ｓ３４０６：ＹＥＳ）、受信状況管理部２５０に対し、タイムスロット番号と、応答を受信しなかったことを示す情報である未受信通知とを渡す（Ｓ３４０８）。

そして、受信部２４０は、受信通知または未受信通知を受信状況管理部２５０に渡した後、受信状況管理部２５０から処理を戻されると、タイムスロット管理部２３０に処理を戻す。

図１６は、無線基地局装置２００の受信状況管理部２５０の動作の一例を示すフローチャートである。

受信状況管理部２５０は、受信部２４０からタイムスロット番号と受信通知または未受信通知とを受け付ける。次に、受信状況管理部２５０は、通知を受け取る毎に（Ｓ３５０１：ＹＥＳ）、受け取ったタイムスロット番号と通知内容に対応する識別子とを関連付けた受信状況を管理する（Ｓ３５０２〜３５０５）。

より具体的には、受信状況管理部２５０は、まず、タイムスロット番号を初期値「０」に設定する（Ｓ３５０２）。次に、受信状況管理部２５０は、タイムスロット番号が既定のタイムスロット番号ｎに到達するまでタイムスロット番号をインクリメントしながら、各タイムスロット番号に対応して受信通知を受け取ったか否かを判断する。受信状況管理部２５０は、受信通知を受け取った場合には（Ｓ３５０３：ＹＥＳ）、そのタイムスロット番号と受信を示す識別子とを関連付けて管理する（Ｓ３５０４）。次に、受信状況管理部２５０は、受信通知を受け取っていない（未受信通知を受け取った）場合には（Ｓ３５０３：ＮＯ）、そのタイムスロット番号と未受信を示す識別子とを関連付けて管理する（Ｓ３５０５）。

そして、受信状況管理部２５０は、インクリメントするタイムスロット番号が既定のタイムスロット番号ｎに到達した場合には（Ｓ３５０６：ＹＥＳ）、受信部２４０に処理を戻す（Ｓ３５０８）。

図１７は、無線基地局装置２００の基地局認証データ生成部２６０の動作の一例を示すフローチャートである。

基地局認証データ生成部２６０は、通信制御部２１０から基地局認証データの生成の指示を受け付け、指示を受け取る毎に（Ｓ３６０１：ＹＥＳ）、受信状況管理部２５０から受信状況を取得する（Ｓ３６０２）。

そして、基地局認証データ生成部２６０は、既定のデータ生成ルールに従って、受信状況において各タイムスロット番号に対応付けられた情報を並べ替えることにより、基地局認証データを生成する（Ｓ３６０３）。そして、基地局認証データ生成部２６０は、通信制御部２１０に対して、生成した基地局認証データを渡し、処理を戻す（Ｓ３６０４）。ここでは、基地局認証データ生成部２６０は、図６で説明したデータ生成ルールにより、基地局認証データを生成するものとする。

次に、無線端末装置３００の各部の動作について説明する。

図１８は、無線端末装置３００の通信制御部３１０の動作の一例を示すフローチャートである。

まず、通信制御部３１０は、受信部３２０に対して、認証開始要求の受信を指示する（Ｓ４１０１）。次に、通信制御部３１０は、受信部３２０から処理を戻されると、次に、タイムスロット選択部３３０に対し、認証開始要求に応答するためのタイムスロット番号の選択を指示する（Ｓ４１０２）。通信制御部３１０は、タイムスロット選択部３３０からタイムスロット番号と共に処理を戻される。次に、通信制御部３１０は、タイムスロット管理部３５０に対して、タイムスロット選択部３３０から受け取ったタイムスロット番号を渡し、タイムスロットの管理の開始を指示する（Ｓ４１０３）。

通信制御部３１０は、タイムスロット管理部３５０から処理を戻されると、比較データ生成部３７０に対して、比較データの生成を指示する（Ｓ４１０４）。通信制御部３１０は、比較データ生成部３７０から比較データと共に処理を戻されると、受信部３２０に対して、無線基地局装置２００からの基地局認証データを含む認証情報の受信を指示する（Ｓ４１０５）。

そして、通信制御部３１０は、受信部３２０から基地局認証データと共に処理を戻される。次に、通信制御部３１０は、基地局認証部３８０に対して、受信部３２０から受け取った基地局認証データと、比較データ生成部３７０から受け取った比較データとを渡し、基地局認証を指示する（Ｓ４１０６）。通信制御部３１０は、基地局認証部３８０から認証結果と共に処理を戻される。次に、通信制御部３１０は、受け取った認証結果が「ＯＫ」である場合には（Ｓ４１０７：ＹＥＳ）、通信処理を継続し（Ｓ４１０８）、受け取った認証結果が「ＮＧ」である場合には（Ｓ４１０７：ＮＯ）、通信処理を終了する（Ｓ４１０９）。そして、通信制御部３１０は、ユーザ操作が行われるなどして基地局認証に関する処理の終了を指示されたか否かを判断し、終了を指示されていない間は、上述の処理を繰り返す（Ｓ４１１０）。

図１９は、無線端末装置３００の受信部３２０の動作の一例を示すフローチャートである。

受信部３２０は、通信制御部３１０から認証開始要求の受信の指示を受け付け、指示を受け取る毎に（Ｓ４２０１：ＹＥＳ）、認証開始要求の受信を待機する。そして、受信部３２０は、無線基地局装置２００から認証開始要求を受信すると（Ｓ４２０２：ＹＥＳ）、通信制御部３１０へ処理を戻す。

また、受信部３２０は、通信制御部３１０から基地局認証データを含む認証情報の受信の指示を受け付け、指示を受ける毎に（Ｓ４２０４：ＹＥＳ）、認証情報の受信を待機する。そして、受信部３２０は、無線基地局装置２００から基地局認証データを含む認証情報を受信すると（Ｓ４２０５：ＹＥＳ）、通信制御部３１０に対して、受信した基地局認証データを渡し、処理を戻す（Ｓ４２０３）。

図２０は、無線端末装置３００のタイムスロット選択部３３０の動作の一例を示すフローチャートである。

タイムスロット選択部３３０は、通信制御部３１０からタイムスロットの選択の指示を受け付ける。次に、タイムスロット選択部３３０は、指示を受け取る毎に（Ｓ４３０１：ＹＥＳ）、既定のタイムスロット番号の範囲内で、タイムスロット番号をランダムに少なくとも１つ選択する（Ｓ４３０２）。

タイムスロット選択部３３０は、選択したタイムスロット番号を、選択状況管理部３４０に対して通知する（Ｓ４３０３）。そして、タイムスロット選択部３３０は、選択状況管理部３４０から、選択したタイムスロット番号と共に処理を戻されると、通信制御部３１０に対して、そのタイムスロット番号を渡し、処理を戻す（Ｓ４３０４）。

図２１は、無線端末装置３００の選択状況管理部３４０の動作の一例を示すフローチャートである。

選択状況管理部３４０は、タイムスロット選択部３３０からタイムスロット番号を受け付ける。次に、選択状況管理部３４０は、タイムスロット番号を受け取る毎に（Ｓ４４０１：ＹＥＳ）、受け取ったタイムスロット番号と、選択されたことを示す識別子とを関連付けた選択状況を管理する（Ｓ４４０２）。そして、選択状況管理部３４０は、受け付けたタイムスロット番号以外のタイムスロット番号と、選択されていないことを示す識別子とを関連付けた選択状況を管理し（Ｓ４４０３）、タイムスロット選択部３３０へ処理を戻す（Ｓ４４０４）。

図２２は、無線端末装置３００のタイムスロット管理部３５０の動作の一例を示すフローチャートである。

タイムスロット管理部３５０は、通信制御部３１０から、タイムスロット番号およびタイムスロット管理を開始の指示を受け付け、指示を受け取る毎に（Ｓ４５０１：ＹＥＳ）、タイムスロットの管理を行う（Ｓ４５０２〜Ｓ４５０６）。

より具体的には、タイムスロット管理部３５０は、まず、タイムスロット番号を初期値「０」に設定する（Ｓ４５０２）。次に、タイムスロット管理部３５０は、既定のタイムスロット間隔に基づいて、タイムスロット番号が既定のタイムスロット番号に到達するまでタイムスロット番号をインクリメントする（Ｓ４５０６）。その間、タイムスロット管理部３５０は、インクリメントされるタイムスロット番号が、通信制御部３１０から受け取ったタイムスロット番号と一致するか否かを判断する。

タイムスロット管理部３５０は、これらのタイムスロット番号が一致するとき（Ｓ４５０３：ＹＥＳ）、送信部３６０に対して、既定のタイムスロット間隔を渡し、認証開始要求に対する応答の送信を指示する（Ｓ４５０４）。そして、タイムスロット管理部３５０は、インクリメントするタイムスロット番号が既定のタイムスロット番号に到達した場合には（Ｓ４５０５：ＹＥＳ）、通信制御部３１０に処理を戻す（Ｓ４５０７）。

図２３は、無線端末装置３００の送信部３６０の動作の一例を示すフローチャートである。

送信部３６０は、タイムスロット管理部３５０から、タイムスロット間隔と認証開始要求に対する応答送信の指示とを受け付ける。次に、送信部３６０は、指示を受け取る毎に（Ｓ４６０１：ＹＥＳ）、指定されたタイムスロット間隔内に認証開始要求に対する応答を生成して送信する（Ｓ４６０２、４６０３）。

より具体的には、送信部３６０は、まず、時間計測を開始し（Ｓ４６０２）、無線基地局装置２００に対して応答を送信する（Ｓ４６０３）。次に、送信部３６０は、計測を開始してから指定されたタイムスロット間隔が経過すると（Ｓ４６０４：ＹＥＳ）、タイムスロット管理部３５０に処理を戻す（Ｓ４６０５）。

図２４は、無線端末装置３００の比較データ生成部３７０の動作の一例を示すフローチャートである。

比較データ生成部３７０は、通信制御部３１０から比較データの生成に指示を受け付け、指示を受け取る毎に（Ｓ４７０１：ＹＥＳ）、選択状況管理部３４０から選択状況を取得する（Ｓ４７０２）。そして、比較データ生成部３７０は、既定のデータ生成ルールに従って、選択状況において各タイムスロット番号に対応付けられた情報を並べ替えることにより、比較データを生成する（Ｓ４７０３）。そして、比較データ生成部３７０は、通信処理部１１０７に対して、生成した比較データを渡し、処理を戻す（Ｓ４７０４）。ここでは、比較データ生成部３７０は、図７で説明したデータ生成ルールにより、比較データを生成するものとする。

図２５は、無線端末装置３００の基地局認証部３８０の動作の一例を示すフローチャートである。

基地局認証部３８０は、通信制御部３１０から、基地局認証データおよび比較データと基地局認証の指示を受け付け、指示を受け取る毎に（Ｓ４８０１：ＹＥＳ）、基地局認証データと比較データの論理積（ＡＮＤ）を計算する（Ｓ４８０２）。そして、基地局認証部３８０は、計算結果が、比較データと一致するか否かを判定する。なお、基地局認証部３８０は、比較データのビットパターンのうち、値が「１」となっているビット位置と、基地局認証データのビットパターンの対応するビット位置とで、値が一致するか否か（両方とも「１」）を判定しても良い。

基地局認証部３８０は、計算結果と比較データとが一致する場合には（Ｓ４８０３：ＹＥＳ）、受信した基地局認証データがリプレイアタックされたものではないと判断する。次に、基地局認証部３８０は、通信制御部３１０に対して、「認証ＯＫ」とする識別子を渡し、処理を戻す（Ｓ４８０４）。一方、基地局認証部３８０は、計算結果と比較データとが一致しない場合には（Ｓ４８０３：ＮＯ）、受信した基地局認証データがリプレイアタックされたものであると判断する。次に、基地局認証部３８０は、通信制御部３１０に対して、「認証ＮＧ」とする識別子を渡し、処理を戻す（Ｓ４８０５）。

以上のような各部の動作により、図３〜図９で説明した、無線基地局装置２００の動作、無線端末装置３００の動作、および無線通信システム１００の動作が実現される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、複数の無線端末装置３００におけるリプレイアタックに対する防御に関して有効な、共通の基地局認証データを生成し、これを利用することができる。したがって、基地局認証データの生成回数や、基地局認証データに対する署名付与の回数を減らすことができる。また、同報送信を行うことにより、基地局認証データの送信回数を減らすことができる。

したがって、個々の無線端末装置３００においてリプレイアタックを排除しつつ、従来必要であった無線端末装置３００毎の基地局認証データの演算時間および送信時間を削減し、タイムスロット長の短縮を実現することができる。そして、これにより、一定時間内でより多くの無線端末装置３００が基地局認証を行うことができる。

また、基地局認証データの生成に、「個々の無線端末装置３００が選択するタイムスロット」、「選択されるタイムスロットの数」という、変動する情報を組み合わせて用いる。これにより、第三者が、無線基地局装置２００から過去に送信された基地局認証データを用いてリプレイアタックを試みても、その基地局認証データと現在の比較データとが整合しないため、認証の安全度を向上させることができる。

なお、１つの基地局認証データの生成の対象となる無線端末装置３００の数は、上述の数に限定されるものではない。また、基地局認証データおよび比較データのデータ生成ルールも、上述の内容に限定されるものではなく、タイムスロットの番号の降順で並べる内容や、タイムスロットの番号に対する他の各種並べ替え関数を採用することができる。

また、基地局認証データの作成および比較データの作成は、フレーム単位で行うのではなく、フレームを構成する複数のタイムスロットのうちの一部のタイムスロットを単位として行っても良い。すなわち、既定のタイムスロット番号ｎは、認証開始要求に対する応答が行われるフレームのタイムスロットの数よりも小さくても良い。この場合、１つのフレームに対して、複数の基地局認証データが生成および送信されることになる。これにより、基地局認証データおよび比較データのデータ生成ルールによっては、個々のデータの生成時間、送信時間、および照合時間を、更に短縮することができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、認証開始要求に対する応答に、無線端末装置が生成した乱数値を付加し、この乱数値を基地局認証データおよび比較データの生成に用いることにより、これらのデータのランダム性を更に向上させる。

図２６は、本実施の形態に係る無線端末装置３００ａの構成の一例を示すブロック図であり、実施の形態１の図１１に対応するものである。図１１と同一または対応する部分には同一符号を付し、これについての説明を省略する。

図２６において、無線端末装置３００ａは、図１１に示す構成とは異なる動作を行うタイムスロット選択部３３０ａ、選択状況管理部３４０ａ、タイムスロット管理部３５０ａ、および送信部３６０ａを有する。更に、無線端末装置３００ａは、乱数生成部３９０ａを新たに有する。乱数生成部３９０ａは、例えば、タイムスロット選択部３３０ａに配置される。

乱数生成部３９０ａは、例えば既知の擬似乱数生成法を用いて、乱数値を生成する。但し、乱数生成部３９０ａは、未受信および未選択を示す識別子である「０」以外であって、かつ応答に埋め込むことが可能な大きさの範囲で、乱数値を生成する。

タイムスロット選択部３３０ａは、乱数生成部３９０ａを用いて、選択したタイムスロット毎に乱数値を生成し、生成した乱数値を、選択状況管理部３４０ａおよび通信制御部３１０に渡す。

選択状況管理部３４０ａは、タイムスロット選択部３３０ａから乱数値を受け取ったとき、タイムスロット番号と乱数値とを関連付けた選択状況を管理する。

タイムスロット管理部３５０ａは、タイムスロット選択部３３０ａから乱数値を受け取ったとき、送信部３６０ａに対し、応答として乱数値を埋め込んだ応答を送信することを指示する。

送信部３６０ａは、タイムスロット管理部３５０ａから応答送信の指示と乱数値とを受け取る。更に、送信部３６０ａは、受け取った乱数値を埋め込んだ応答を生成し、認証開始要求に対する応答として、選択したスロットを使用して送信する。

図２７は、乱数値が埋め込まれた応答のデータ構成の一例を示す図であり、実施の形態１の図４に対応するものである。図４と同一部分には同一符号を付す。

図２７に示すように、乱数値が埋め込まれた応答の無線データ５３０は、同期コード５１１、Ｌｅｎｇｔｈ５１２、コマンドコード５１３、乱数値５３１、およびチェックサム５１４を、この順に並べて構成される。Ｌｅｎｇｔｈ５１２は、ここでは、コマンドコード５１３、乱数値５３１、およびチェックサム５１４の合計長さを記述する。

無線端末装置３００は、コマンドコード５１３に、当該無線データ５３０が応答であって乱数を格納していることを示す所定のコマンドコードを記述する。また、無線端末装置３００は、乱数値５３１に、生成した乱数値を記述して、乱数値が埋め込まれた応答の無線データ５３０を生成する。無線基地局装置２００は、コマンドコード５１３に上述の所定のコマンドコードが記述されているとき、当該無線データ５１０が応答であると判定し、かつ、乱数値５３１を抽出する。

このような無線端末装置３００ａによれば、生成した乱数値を応答として無線基地局装置２００ａに送信し、乱数値と未選択を示す識別子とがタイムスロット番号の昇順に並べられたデータを、比較データとして生成することができる。そして、無線端末装置３００ａは、無線基地局装置２００ａより送られる基地局認証データに、選択したタイムスロット番号に選択した乱数値が対応付けられているか否かに基づいて、基地局認証を行うことができる。

図２８は、本実施の形態に係る無線基地局装置２００ａの構成の一例を示すブロック図であり、実施の形態１の図１０に対応するものである。図１０と同一または対応する部分には同一符号を付し、これについての説明を省略する。

図２８において、無線基地局装置２００ａは、図１０に示す受信部２４０および受信状況管理部２５０に代えて、これらとは異なる動作を行う受信部２４０ａおよび受信状況管理部２５０ａを有する。

受信部２４０ａは、認証開始要求に対する応答を受信したとき、受信通知ではなく、応答として送られてきたＡＣＫメッセージに埋め込まれた乱数値を、受信状況管理部２５０ａに渡す。

受信状況管理部２５０ａは、受信部２４０ａから乱数値を受け取ったとき、タイムスロット番号と乱数値とを関連付けた受信状況を管理する。

このような無線基地局装置２００ａによれば、受信した乱数値と未受信を示す識別子とがタイムスロット番号の昇順に並べられたデータを、基地局認証データとして生成することができる。

以下、本実施の形態に係る無線通信システムの動作のうち、実施の形態１と異なる部分について説明する。各図において、実施の形態１の対応する図面の同一または対応する部分には同一ステップ番号を付し、これについての説明を省略する。

図２９は、無線基地局装置２００ａおよび無線端末装置３００ａを有する無線通信システムの全体動作の一例を示すシーケンス図であり、実施の形態１の図３に対応するものである。図３０は、無線基地局装置２００ａによる基地局認証データのデータ生成ルールの一例を示す模式図であり、実施の形態１の図６に対応するものである。図３１は、無線端末装置３００ａによる比較データのデータ生成ルールの一例を示す模式図であり、実施の形態１の図７に対応するものである。

図２９に示すように、各無線端末装置３００ａは、無線基地局装置２００ａへの応答に生成した乱数値を含め、生成した乱数値を含む選択状況を生成する。また、無線基地局装置２００ａは、受信した乱数値を含む受信状況を管理する。この結果、図３０および図３１に示すように、基地局認証データと比較データのうち、実施の形態１においては基地局認証に使用されたタイムスロットを示す識別子が記述された部分に、本実施の形態においては乱数値が記述されることになる。

図３２は、無線基地局装置２００ａの受信部２４０ａの動作の一例を示すフローチャートであり、実施の形態１の図１５に対応するものである。

受信部２４０ａは、無線端末装置３００ａから応答を受信したとき（Ｓ３４０３：ＹＥＳ、Ｓ３４０５：ＹＥＳ）、受信状況管理部２５０ａに対し、タイムスロット番号と、応答に含まれていた乱数値とを渡す（Ｓ３４０７ａ）。

図３３は、無線基地局装置２００ａの受信状況管理部２５０ａの動作の一例を示すフローチャートであり、実施の形態１の図１６に対応するものである。

受信状況管理部２５０ａは、受信部２４０ａから乱数値を通知されたタイムスロットについては（Ｓ３５０３ａ：ＹＥＳ）、タイムスロット番号と乱数値とを関連付けて管理する（Ｓ３５０４ａ）。

この結果、図３０に示すように、乱数値が組み込まれた基地局認証データが生成され、同報送信される。

図３４は、無線端末装置３００ａのタイムスロット選択部３３０ａの動作の一例を示すフローチャートであり、実施の形態１の図２０に対応するものである。

タイムスロット選択部３３０ａは、選択したタイムスロット毎に、乱数生成部３９０ａを使用して乱数値を生成する（Ｓ４３０２ａ）。そして、タイムスロット選択部３３０ａは、選択状況管理部３４０ａに対し、選択したタイムスロット番号と対応する乱数値とを通知し（Ｓ４３０３ａ）、選択状況管理部３４０ａから処理を戻される。次に、タイムスロット選択部３３０ａは、通信制御部３１０に対し、選択したタイムスロット番号と対応する乱数値とを渡し、処理を戻す（Ｓ４３０４ａ）。

図３５は、無線端末装置３００ａの選択状況管理部３４０ａの動作の一例を示すフローチャートであり、実施の形態１の図２１に対応するものである。

選択状況管理部３４０ａは、タイムスロット選択部３３０ａからタイムスロット番号と対応する乱数値とを受け取ると（Ｓ４４０１ａ：ＹＥＳ）、これらを受け取ったタイムスロット番号と乱数値とを関連付けて管理する（Ｓ４４０２ａ）。

図３６は、無線端末装置３００ａのタイムスロット管理部３５０ａの動作の一例を示すフローチャートであり、実施の形態１の図２２に対応するものである。

タイムスロット管理部３５０ａは、通信制御部３１０から、タイムスロット番号と対応する乱数値を受け取り、タイムスロットの管理の開始を指示されると（Ｓ４５０１ａ：ＹＥＳ）、タイムスロット番号のインクリメントを開始する。そして、タイムスロット管理部３５０ａは、受け取ったタイムスロット番号のタイムスロットが到来すると（Ｓ４５０３：ＹＥＳ）、送信部３６０ａに対し、タイムスロット間隔とタイムスロット番号に対応する乱数値とを渡す。次に、タイムスロット管理部３５０ａは、認証開始要求に対する応答を指示する（Ｓ４５０４ａ）。

図３７は、無線端末装置３００ａの送信部３６０ａの動作の一例を示すフローチャートであり、実施の形態１の図２３に対応するものである。

送信部３６０ａは、タイムスロット管理部３５０ａから、タイムスロット間隔とタイムスロット番号に対応する乱数値とを受け取る（Ｓ４６０１ａ：ＹＥＳ）。次に、送信部３６０ａは、現在のタイムスロットを用いて、認証開始要求に対する応答として、受け取った乱数値を無線基地局装置２００ａに送信する（Ｓ４６０３ａ）。

この結果、図３１に示すように、乱数値が組み込まれた比較データが生成され、無線基地局装置２００ａに送信される。そして、応答先と基地局認証データの送り元が同一である場合には、基地局認証データのうち、比較データの乱数値が記述されたデータ位置には、比較データの乱数値と同一の乱数値が記述されていることになる。

したがって、無線端末装置３００ａの基地局認証部３８０は、例えば、２進数データとした上で論理積を取り、論理積の結果が比較データと一致するか否かによって、基地局認証データと比較データとが整合するか否かを判定すればよい。

このように、本実施形態の基地局認証データの生成は、実施の形態１で説明した３つの変動する値に加えて、乱数値を組み合わせて用いる。したがって、本実施形態の認証方法は、更に安全度の高い認証を実現することができる。

なお、本実施の形態では、複数の無線端末装置３００ａが同一のタイムスロットを選択した場合、基地局認証データと比較データとで対応する乱数値が一致しないことになる。したがって、このような場合、他の無線端末装置３００ａとの重複により応答を送信しない無線端末装置３００ａは、乱数値の一致不一致ではなく、応答を受信したスロットとなっているか否かに基づいて、データの整合を判断することが望ましい。すなわち、無線端末装置３００ａは、他の無線端末装置３００ａとの重複により応答送信ができない場合、基地局認証データのうち選択したタイムスロットに対応する位置の値が「０」であるか否かに基づいて、データの整合を判断することが望ましい。

また、以上説明した各実施の形態では、認証される側の無線通信装置である無線基地局装置が固定設置され、認証を行う側の無線通信装置である無線端末装置が移動する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。複数の無線端末装置の全てまたは一部が固定設置され、無線基地局装置が移動しても良いし、複数の無線端末装置と無線基地局装置との両方が移動しても良い。

また、無線基地局装置は、その無線基地局装置が保持する基地局認証データに対応する比較データのデータ生成ルールを、共有情報として、認証開始要求または基地局認証データに付加するようにしても良い。この場合、比較データ生成部は、認証開始要求または基地局認証データに付加された共有情報から、比較データの生成ルールを取得する。これにより、無線基地局装置ごとに基地局認証データのデータ生成ルールが異なる場合でも、無線端末装置は、常に、通信中の無線基地局装置に対応するデータ生成ルールを用いて、比較データを生成することができる。

また、無線基地局装置と各無線端末装置は、互いの間で使用する基地局認証データおよび比較データのデータ生成ルールを、基地局認証毎に切り替えても良い。基地局認証毎にデータ生成ルールを切り替える場合は、データ生成ルールの実行順序を予め設定しておいても良いし、どのデータ生成ルールを使用するかを示す情報を、基地局認証を開始する毎に交換しても良い。

また、基地局認証データは、必ずしもタイムスロット毎の識別子を並べたデータである必要ではなく、タイムスロット毎の応答の有無を複数のタイムスロットについて集約したデータであって、無線端末装置側で解析可能なデータであればよい。例えば、応答が有ったタイムスロットのタイムスロット番号を記述したデータが考えられる。

本発明に係る無線基地局装置、無線端末装置、無線通信システム、および基地局認証方法は、一定時間内でより多くの無線端末装置が基地局認証を行うことができる無線基地局装置、無線端末装置、無線通信システム、および基地局認証方法として有用である。

本発明の実施の形態１に係る無線通信システムの構成の一例を示すシステム構成図 実施の形態１に係る無線通信システムが適用される環境の一例を示す模式図 実施の形態１に係る無線通信システムの全体動作の一例を示すシーケンス図 実施の形態１における認証開始要求および応答のデータ構成の一例を示す図 実施の形態１における基地局認証データを含む認証情報のデータ構成の一例を示す図 実施の形態１における基地局認証データのデータ生成ルールの一例を示す模式図 実施の形態１における比較データのデータ生成ルールの一例を示す模式図 実施の形態１における基地局認証データと比較データとの関係の一例を示す模式図 実施の形態１に係るタイムスロット番号の重複選択の様子の一例を示す模式図 実施の形態１に係る無線基地局装置の構成の一例を示すブロック図 実施の形態１に係る無線端末装置の構成の一例を示すブロック図 実施の形態１に係る無線基地局装置の通信制御部の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態１に係る無線基地局装置の送信部の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態１に係る無線基地局装置のタイムスロット管理部の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態１に係る無線基地局装置の受信部の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態１に係る無線基地局装置の受信状況管理部の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態１に係る無線基地局装置の基地局認証データ生成部の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態１に係る無線端末装置の通信制御部の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態１に係る無線端末装置の受信部の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態１に係る無線端末装置のタイムスロット選択部の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態１に係る無線端末装置の選択状況管理部の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態１に係る無線端末装置のタイムスロット管理部の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態１に係る無線端末装置の送信部の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態１に係る無線端末装置の比較データ生成部の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態１に係る無線端末装置の基地局認証部の動作の一例を示すフローチャート 本発明の実施の形態２に係る無線基地局装置の構成の一例を示すブロック図 実施の形態２における乱数値が埋め込まれた応答のデータ構成の一例を示す図 実施の形態２に係る無線基地局装置の構成の一例を示すブロック図 実施の形態２に係る無線通信システムの全体動作の一例を示すシーケンス図 実施の形態２における基地局認証データのデータ生成ルールの一例を示す模式図 実施の形態２における無線端末装置による比較データのデータ生成ルールの一例を示す模式図 実施の形態２に係る無線基地局装置の受信部の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態２に係る無線基地局装置の受信状況管理部の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態２に係る無線端末装置のタイムスロット選択部の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態２に係る無線端末装置の選択状況管理部の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態２に係る無線端末装置のタイムスロット管理部の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態２に係る無線端末装置の送信部の動作の一例を示すフローチャート ＴＤＭＡ方式を説明するための模式図 従来技術を採用した無線通信システムの全体動作を示すシーケンス図

１００ 無線通信システム
２００、２００ａ 無線基地局装置
２１０、３１０ 通信制御部
２２０、３６０、３６０ａ 送信部
２３０ タイムスロット管理部
２４０、２４０ａ、３２０ 受信部
２５０、２５０ａ 受信状況管理部
２６０ 基地局認証データ生成部
３００、３００ａ 無線端末装置
３３０、３３０ａ タイムスロット選択部
３４０、３４０ａ 選択状況管理部
３５０、３５０ａ タイムスロット管理部
３７０ 比較データ生成部
３８０ 基地局認証部
３９０ａ 乱数生成部

Claims (11)

1. 複数の無線端末装置と時分割多元接続により無線通信を行う無線基地局装置であって、
   前記無線端末装置に対して、基地局認証の開始を要求する認証開始要求を送信する要求送信部と、
   前記認証開始要求ごとにその応答として、前記無線端末装置から、前記基地局認証を開始しないことを示す所定の値以外の値から選択された乱数値を含む応答情報を受信する応答情報受信部と、
   前記応答情報受信部が前記応答情報を受信していないタイムスロットのそれぞれに対して、前記所定の値を対応付け、前記応答情報受信部が前記応答情報を受信したタイムスロットのそれぞれに対して、当該応答情報に含まれる前記乱数値を対応付けた、基地局認証データを生成する基地局認証データ生成部と、
   生成された前記基地局認証データを、前記無線端末装置に送信する基地局認証データ送信部と、
   を有する無線基地局装置。
2. 前記基地局認証データは、前記タイムスロットの番号に応じた所定の順序で、前記所定の値および前記乱数値を並べた情報である、
   請求項１記載の無線基地局装置。
3. 前記所定の順序を、共有情報として前記認証開始要求または前記基地局認証データに付加する共有情報通知部、を更に有する、
   請求項２記載の無線基地局装置。
4. 前記基地局認証データ送信部は、
   前記応答情報受信部が前記応答情報を受信した前記タイムスロットの数が所定の閾値を超えるとき、前記基地局認証データを送信しない、
   請求項１記載の無線基地局装置。
5. 無線基地局装置と時分割多元接続により無線通信を行う複数の無線端末装置のうちの１つであって、
   前記無線基地局装置から、基地局認証の開始を要求する認証開始要求を受信する要求受信部と、
   タイムスロットを選択するタイムスロット選択部と、
   選択された前記タイムスロットを用いて、前記認証開始要求ごとにその応答として、前記基地局認証を開始しないことを示す所定の値以外の値から選択された乱数値を含めた応答情報を、前記無線基地局装置に送信する応答情報送信部と、
   送信された前記応答情報に対応して、基地局認証データを受信する基地局認証データ受信部と、
   受信された前記基地局認証データが、選択された前記タイムスロットに対して、前記応答情報に含めた前記乱数値を対応付けているか否かに基づいて、前記基地局認証データの送信元に対する前記基地局認証を行う基地局認証部と、
   を有する無線端末装置。
6. 前記タイムスロット選択部は、
   ランダムに前記タイムスロットを選択する、
   請求項５記載の無線端末装置。
7. 選択されていないタイムスロットのそれぞれに対して、前記所定の値を対応付け、選択された前記タイムスロットのそれぞれに対して、前記応答情報に含めた前記乱数値を対応付けた、比較データを生成する比較データ生成部、を更に有し、
   前記基地局認証部は、
   生成された前記比較データと受信された前記基地局認証データとを比較することにより、前記基地局認証を行う、
   請求項５記載の無線端末装置。
8. 前記比較データは、前記タイムスロットの番号に応じた所定の順序で、前記所定の値および前記乱数値を並べた情報である、
   請求項７記載の無線端末装置。
9. 前記所定の順序を、前記認証開始要求または前記基地局認証データに付加された共有情報から取得する共有情報取得部、を更に有する、
   請求項８記載の無線端末装置。
10. 無線基地局装置と、この無線基地局装置と時分割多元接続により無線通信を行う複数の無線端末装置とを含む無線通信システムであって、
    前記無線基地局装置は、
    前記無線端末装置に対して、基地局認証の開始を要求する認証開始要求を送信する要求送信部と、
    前記認証証開始要求ごとにその応答として、前記無線端末装置から、前記基地局認証を開始しないことを示す所定の値以外の値から選択された乱数値を含む応答情報を受信する応答情報受信部と、
    前記応答情報受信部が前記応答情報を受信していないタイムスロットのそれぞれに対して、前記所定の値を対応付け、前記応答情報受信部が前記応答情報を受信したタイムスロットのそれぞれに対して、当該応答情報に含まれる前記乱数値を対応付けた、基地局認証データを生成する基地局認証データ生成部と、
    生成された前記基地局認証データを、前記無線端末装置に送信する基地局認証データ送信部と、を有し、
    前記複数の無線端末装置は、
    前記無線基地局装置から、前記基地局認証の開始を要求する認証開始要求を受信する要求受信部と、
    タイムスロットを選択するタイムスロット選択部と、
    選択された前記タイムスロットを用いて、前記認証開始要求ごとにその応答として、前記乱数値を含めた前記応答情報を、前記無線基地局装置に送信する応答情報送信部と、
    送信された前記応答情報に対応して前記基地局認証データを受信する基地局認証データ受信部と、
    受信された前記基地局認証データが、選択された前記タイムスロットに対して、前記応答情報に含めた前記乱数値を対応付けているか否かに基づいて、前記基地局認証データの送信元に対する前記基地局認証を行う基地局認証部と、をそれぞれ有する、
    無線通信システム。
11. 無線基地局装置と、この無線基地局装置と時分割多元接続により無線通信を行う複数の無線端末装置との間で行われる基地局認証方法であって、
    前記無線端末装置が、
    前記無線基地局装置から、基地局認証の開始を要求する認証開始要求を受信するステップと、
    タイムスロットを選択し、選択した前記タイムスロットを用いて、前記認証開始要求ごとにその応答として、前記基地局認証を開始しないことを示す所定の値以外の値から選択された乱数値を含めた応答情報を前記無線基地局装置に送信するステップと、
    前記無線基地局装置が、
    前記応答情報を受信していないタイムスロットのそれぞれに対して、前記所定の値を対応付け、前記応答情報を受信したタイムスロットのそれぞれに対して、当該応答情報に含まれる前記乱数値を対応付けた、基地局認証データを生成し、生成した前記基地局認証データを前記無線端末装置に送信するステップと、
    前記無線端末装置が、
    受信した前記基地局認証データが、選択した前記タイムスロットに対して、前記応答情報に含めた前記乱数値を対応付けているか否かに基づいて、前記基地局認証データの送信元に対する前記基地局認証を行うステップと、
    を有する基地局認証方法。

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