JP2014050038A - 無線システム及び列車制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】鉄道における地上と車上との間で制御情報を無線伝送するセキュリティが高い無線システム及びその無線システムを有する列車制御システムを提供する。
【解決手段】無線システム１は、無線基地局１１と、車上無線局１２とを備える。無線基地局１１及び車上無線局１２は、無線伝送された順序をチェックするためのカウンタ値８２を制御情報８１に付加して暗号化した暗号文を無線伝送する。この暗号化において、鍵を変化させるためのイニシャライゼーション・ベクターを無線伝送せず、イニシャライゼーション・ベクターを無線伝送する場合よりも無線伝送される暗号文のビット数を増やさず、かつ、無線システム１の使用において同じ制御情報８１から同じ暗号文が生成されないようにカウンタ値８２のビット数が設定されている。これにより、無線伝送の伝送速度が低くても、セキュリティを高くできる。
【選択図】図４

Description

本発明は、鉄道における地上と車上との間で情報を無線伝送する無線システム、及びその無線システムを有する列車制御システムに関する。

鉄道において、無線を利用して地上と車上との間で安全にかかわる制御情報を交信する無線式列車制御システムが標準化されている（非特許文献１及び非特許文献２参照）。列車運行の安全にかかわる制御情報を無線で交信するためには、無線交信のセキュリティを確保する必要がある。しかし、無線式列車制御システムにおける無線交信のセキュリティを確保する具体的な方法は、標準化されていない。

無線式列車制御システムにおいて、漏洩同軸ケーブルを利用して地上と車上との間で制御情報を無線伝送することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。漏洩同軸ケーブル方式の無線伝送は、無線の到達距離が漏洩同軸ケーブルの近傍であるので、空間波方式の無線伝送と比べるとセキュリティが高い。しかしながら、安全にかかわる制御情報の交信用としては、漏洩同軸ケーブルを利用するだけでは、セキュリティが十分とはいい難い。また、漏洩同軸ケーブルの敷設は、高コストである。

制御情報を共通鍵暗号方式で秘匿して地上と車上との間で無線伝送する列車制御システム用の通信システムが知られている（例えば、特許文献２参照）。この通信システムでは、鍵は、車上で生成され、無線伝送されず、認証情報とともにトランスポンダを介して地上と車上との間で伝送される。線路に多数のトランスポンダを設け、列車がトランスポンダを通過するたびに鍵を変更すれば、無線伝送のセキュリティが高くなる。しかしながら、このような通信システムは、多数のトランスポンダを地上の無線装置と有線で接続する必要があり、高コストとなるため、導入が容易ではない。

無線式列車制御システムにおいて、無線を利用して暗号化の鍵を変更できれば、システムのコストを抑えて無線伝送のセキュリティが確保される。しかしながら、列車用の無線は、電波の帯域幅が狭く制限されており、データの伝送速度が低いので、鍵を変更するために無線伝送するビット数を増やすことは困難である。

特公平７−２９６０６号公報 特開２００９−２９２９８号公報

ＪＩＳ Ｅ ３８０１−１：２００９ ＪＩＳ Ｅ ３８０１−２：２０１０

本発明は、上記問題を解決するものであり、鉄道における地上と車上との間で列車の制御に用いられる制御情報を無線伝送するセキュリティが高い無線システム及びその無線システムを有する列車制御システムを提供することを目的とする。

本発明の無線システムは、地上に設置された無線基地局と、列車に搭載された車上無線局とを備え、前記無線基地局と車上無線局との間で列車の制御に用いられる制御情報を無線伝送するためのものであって、前記無線基地局及び車上無線局は、無線伝送された順序をチェックするためのカウンタ値を制御情報に付加して暗号化した暗号文を無線伝送し、前記暗号化において、鍵を変化させるためのイニシャライゼーション・ベクターを無線伝送せず、前記イニシャライゼーション・ベクターを無線伝送する場合よりも無線伝送される暗号文のビット数を増やさず、かつ、該無線システムの使用において同じ制御情報から同じ暗号文が生成されないように前記カウンタ値のビット数が設定されていることを特徴とする。

この無線システムにおいて、カウンタ値及び制御情報を含んだ秘匿対象の電文を用いてイニシャライゼーション・ベクターが生成され、前記秘匿対象の電文は、そのイニシャライゼーション・ベクターを用いた暗号文ブロック連鎖モードにより暗号化されることが好ましい。

この無線システムにおいて、前記制御情報は、情報の完全性を検定するための認証タグが付加されることが好ましい。

この無線システムにおいて、前記無線基地局及び車上無線局は、無線伝送の相手方を認証するための電文を無線伝送し、相手方を認証した後、前記制御情報を無線伝送することが好ましい。

この無線システムにおいて、無線伝送の相手方を認証するための前記電文を生成する相互認証用鍵、前記認証タグを生成する認証通信用鍵、及び前記制御情報の暗号化に用いられる秘匿通信用鍵は、１つの一時鍵から生成され、前記無線基地局と車上無線局とで共有されることが好ましい。

この無線システムにおいて、前記一時鍵は、前記無線基地局及び車上無線局が各々発生して相手方に送信した乱数と、前記無線基地局及び車上無線局とで予め共有されている事前共有鍵と、所定の鍵導出関数とから生成されることが好ましい。

この無線システムにおいて、前記無線基地局は、列車が運転される線路に沿って複数設置されており、列車の移動に伴って車上無線局との無線伝送が、一つの無線基地局から別の無線基地局にハンドオーバーされるとき、前記認証通信用鍵及び秘匿通信用鍵は、前記一つの無線基地局から別の無線基地局に配送されることが好ましい。

この無線システムにおいて、無線伝送がハンドオーバーされるとき、前記無線基地局及び車上無線局は、前記認証通信用鍵及び秘匿通信用鍵をハッシュ関数を用いて変更することが好ましい。

この無線システムにおいて、無線伝送がハンドオーバーされるとき、前記カウンタ値は、前記一つの無線基地局から別の無線基地局に引き継がれてもよい。

この無線システムにおいて、前記無線基地局及び車上無線局は、データを複数のタイムスロットに時分割して無線伝送し、前記無線基地局が無線伝送するデータのタイムスロットは、個別の列車に無線伝送する前記制御情報を収容する個別スロットと、複数の列車に一斉に伝送する制御情報を収容する同報スロットとを有し、前記同報スロット内の制御情報は、同報スロット用のカウンタ値を付加して暗号化され、前記同報スロット用の鍵は、前記複数の車上無線局において同じであり、前記同報スロット用のカウンタ値は、前記複数の車上無線局において同期していることが好ましい。

この無線システムにおいて、前記同報スロット用の鍵は、前記個別スロットを用いて前記無線基地局から車上無線局に伝送されることが好ましい。

本発明の列車制御システムは、地上に設置された地上装置と、列車に搭載された車上制御装置とを備えたものであって、前記地上装置と車上制御装置との間で制御情報を送受信する前記無線システムと、列車に搭載された列車位置検知装置とをさらに備え、前記車上制御装置は、前記列車位置検知装置が検知した自列車の位置情報を前記無線システムを介して前記地上装置に送信し、前記地上装置は、受信した列車の位置情報に基づいて、後続の列車に停止限界の位置情報を送信し、前記後続の列車の車上制御装置は、列車位置検知装置が検知した自列車の位置と、前記停止限界の位置情報とに基づいて、列車を停止限界までに停止させるための速度照査パターンを生成するとともに、自列車の速度が前記速度照査パターンを超過しているとき、自列車を制動することを特徴とする。

本発明の無線システム及び列車制御システムによれば、同じ制御情報から同じ暗号文が生成されないようにカウンタ値のビット数が設定されるので、地上と車上との間での無線伝送のセキュリティが高い。また、イニシャライゼーション・ベクターを無線伝送する場合よりも無線伝送する暗号文のビット数を増やさないので、無線伝送の伝送速度が低くても、セキュリティを高くできる。

本発明の一実施形態に係る無線システムを有する列車制御システムのブロック構成図。 同無線システムにおける無線基地局が無線伝送するデータのタイムスロットを示す図。 同無線システムにおける車上無線局が無線伝送するデータのタイムスロットを示す図。 同タイムスロットにおけるデータのコードフォーマットを示す図。 上記無線システムにおける暗号アルゴリズムを示す図。 同無線システムにおける無線基地局及び車上無線局の相互認証のシーケンス図。 同無線システムにおける鍵生成のシーケンス図。 同無線システムにおける無線伝送のハンドオーバーを説明する図。 上記列車制御システムにおける車載装置のブロック構成図。 同列車制御システムの後続列車を含むブロック構成図。 同列車制御システムにおける速度照査パターンを示す図。

本発明の一実施形態に係る無線システム及びこの無線システムを有する列車制御システムを図１乃至図８を参照して説明する。図１に示されるように、無線システム１は、鉄道における列車制御システム２に用いられる。列車制御システム２は、日本工業規格の「無線式列車制御システム」（ＪＩＳ Ｅ ３８０１−１：２００９）に適合したものであり、無線システム１以外に、地上に設置された地上装置３と、指令所装置４と、列車５に搭載された車上制御装置５１とを備える。無線システム１は、地上に設置された無線基地局１１と、列車５に搭載された車上無線局１２とを備える。無線基地局１１は、ネットワーク６を介して地上装置３と接続される。車上無線局１２は、車上で車上制御装置５１と接続される。無線システム１は、無線基地局１１と車上無線局１２との間で列車５の制御に用いられる制御情報を無線伝送することによって、地上装置３と車上制御装置５１との間で制御情報を送受信する。地上装置３は、複数の拠点装置３１と、複数の現場装置３２とを有する。現場装置３２は、拠点装置３１と接続される。拠点装置３１相互間、及び拠点装置３１と指令所装置４との間は、ネットワーク７を介して接続される。

拠点装置３１は、連動駅毎に設置され、連動機能を内蔵、又は連動装置と接続される装置である。連動装置は、列車の進路を設定する命令を受けて、そのときの転てつ器、信号機の状態等をチェックし、脱線や衝突を起こさないように判断して、転てつ器や信号機を動作させる装置である。現場装置３２は、拠点装置３１と沿線の各種設備とを接続する装置である。沿線の各種設備は、信号機、転てつ装置、踏切保安装置等である。指令所装置４は、指令所に設置される装置であり、鉄道網又は線区における列車運行の監視及び管理等を集中的に行う。

無線基地局１１及び車上無線局１２は、デジタルのデータを無線伝送する。無線伝送に利用される電波の帯域幅が狭く制限されており、データの伝送速度は、例えば、９．６ｋｂｐｓ程度である。図２に示されるように、無線基地局１１は、所定の通信周期Ｔでデータを送信する。無線基地局１１が通信周期Ｔに送信するデータは、複数のタイムスロット８に時分割されている。

図３に示されるように、車上無線局１２は、通信周期Ｔでデータを送信する。車上無線局１２が通信周期Ｔに伝送するデータは、複数のタイムスロット８に時分割されている。

図４に示されるように、無線基地局１１及び車上無線局１２が無線伝送する制御情報８１は、各々のタイムスロット８に収容される。無線基地局１１及び車上無線局１２は、無線伝送された順序をチェックするためのカウンタ値８２を制御情報８１に付加して暗号化した暗号文を無線伝送する。この暗号化において、鍵を変化させるためのイニシャライゼーション・ベクターを無線伝送せず、イニシャライゼーション・ベクターを無線伝送する場合よりも無線伝送する暗号文のビット数を増やさず、かつ、無線システム１の使用において同じ制御情報８１から同じ暗号文が生成されないように、カウンタ値８２のビット数が設定されている。

カウンタ値８２は、無線伝送された時間的な順序をチェックするための通し番号であるので、通番とも呼ばれる。タイムスロット８内の電文は、制御情報８１及びカウンタ値８２以外に、無線制御情報８３、装置ＩＤ８４、フッタ情報８５、及び認証タグ８６を有する。無線制御情報８３は、スロット番号や無線基地局ＩＤ等、無線基地局１１及び車上無線局１２における無線機間での制御のための情報である。装置ＩＤ８４は、車上無線局を識別するために使用される。フッタ情報８５は、巡回冗長検査（ＣＲＣ）符号等を有する。認証タグ８６は、情報の完全性を検定するために付加される。暗号化による秘匿対象の電文８７は、無線制御情報８３のうち秘匿すべき部分、装置ＩＤ８４、カウンタ値８２、制御情報８１、フッタ情報８５、及び認証タグ８６である。認証タグ８６の対象の電文８８は、無線制御情報８３、装置ＩＤ８４、カウンタ値８２、制御情報８１、及びフッタ情報８５である。認証タグ計算アルゴリズムは、例えば、NIST Special Publication 800-38B Recommendation for Block Cipher
Modes of Operation: The CMAC Mode for Authenticationが使用される。

上記のように構成された無線システム１において、無線伝送される制御情報８１は、暗号化によって暗号文の中に秘匿される。制御情報８１を暗号化しただけでは、セキュリティが十分とはいえない。例えば、車上無線局１２が制御情報８１として自列車の位置情報を送信する場合、列車が走行中であれば、位置情報が変化するので、送信する暗号文も変化する。列車が停止中であれば、位置情報が変化しないので、このとき、同じ暗号文が送信されると、無線システム１へのリプレイ攻撃（Ｒｅｐｌａｙ Ａｔｔａｃｋ）が行われるおそれがある。リプレイ攻撃とは、暗号文を盗聴し、その暗号文を再利用した攻撃である。このため、イニシャライゼーション・ベクター（ＩＶ）という乱数をベース・キーに組合せ、暗号の鍵を変化させることによって、同じ平文から同じ暗号文が生成されないようにする。暗号文の復号の際にイニシャライゼーション・ベクターが必要になるので、従来の技術常識では、暗号文とは別にイニシャライゼーション・ベクターを送る必要がある。しかしながら、無線基地局１１と車上無線局１２との間の無線伝送では、伝送速度の制約ため、十分なビット数のイニシャライゼーション・ベクターを無線伝送することが難しく、同じ制御情報から同じ暗号文が生成されるおそれがある。

これに対して、本実施形態の無線システム１では、イニシャライゼーション・ベクターを無線伝送せず、イニシャライゼーション・ベクターを無線伝送しないことによって生じたビット数の余裕を利用し、無線伝送する暗号文のビット数（サイズ）を増やさずに、カウンタ値８２のビット数（サイズ）を増やしている。カウンタ値８２のビット数を増やすことによって、カウンタ値が一巡する周期が伸びる。カウンタ値８２が一巡せずに変化する周期内において、同じ制御情報８１から同じ暗号文は生成されない。無線システム１の使用において同じ制御情報８１から同じ暗号文が生成されないようにカウンタ値８２のビット数が設定されている。

伝送速度の制約のため、例えば、１０ｂｉｔのイニシャライゼーション・ベクターを用いる場合、カウンタ値は８ｂｉｔとなる。カウンタ値を５００ｍｓでインクリメントする場合、８ビットのカウンタ値は、２分８秒でオーバーフローして一巡する。本実施形態では、イニシャライゼーション・ベクターを無線伝送しないことにより、カウンタ値８２が１８ｂｉｔに設定される。カウンタ値８２を５００ｍｓでインクリメントする場合、１８ｂｉｔのカウンタ値８２は、一巡する周期が３６時間２４分であり、１日を超えており、無線システム１の使用において、十分な長さである。

無線システム１においてイニシャライゼーション・ベクターは、無線伝送されないが、上記の暗号化において、カウンタ値８２を含む電文からイニシャライゼーション・ベクターが生成される。図５に示されるように、暗号化アルゴリズムとして、暗号文ブロック連鎖（ＣＢＣ：Cipher Block Chaining）モードが用いられる。カウンタ値８２及び制御情報８１を含んだ秘匿対象の電文８７を用いてイニシャライゼーション・ベクターＣＢＣ−ＩＶが生成される。秘匿対象の電文８７は、このイニシャライゼーション・ベクターＣＢＣ−ＩＶを用いて暗号化される。本実施形態では、秘匿対象の電文８７をｘ＝（Ｍ１｜｜Ｍ２｜｜Ｍ３…｜ＭＮ）とする。ここで、Ｍ１〜ＭＮは、例えば、１２８ｂｉｔのメッセージである。イニシャライゼーション・ベクターＣＢＣ−ＩＶは、例えば、Ｈａｓｈ（Ｍ２｜｜Ｍ３｜…｜ＭＮ｜｜ｋｃ３）の下位１２８ｂｉｔとする。ＨａｓｈとしてはＳＨＡ−２５６を使用する。ｋｃ３は、鍵である。このイニシャライゼーション・ベクターＣＢＣ−ＩＶを用いて、暗号文ブロック連鎖モードにより、Ｍ１〜ＭＮが暗号文Ｃ１〜ＣＮに暗号化される。暗号文Ｃ１〜ＣＮからＭ１〜ＭＮへの復号は、当然可逆である。このような暗号化により、制御情報８１等が暗号文Ｃ１〜ＣＮの中に秘匿される。カウンタ値８２が変化することにより、イニシャライゼーション・ベクターＣＢＣ−ＩＶが変化し、同じ制御情報８１から異なる暗号文が生成される。また、秘匿対象の電文８７が暗号文ブロック連鎖モードにより暗号化されるので、カウンタ値８２が変化することによって秘匿対象の電文８７が大幅にスクランブルされ、カウンタ値８２の小さな変化が暗号文全体に及ぶ。

無線基地局１１及び車上無線局１２は、無線伝送の相手方を認証するための電文を無線伝送し、相手方を認証した後、上記のように制御情報８１を無線伝送する。この相互認証について図６を参照して説明する。無線基地局１１は、識別のための地上ＩＤ（無線基地局ＩＤ）を有している。車上無線局１２は、識別のための車上ＩＤを有している。無線伝送は、特定の地上ＩＤを有している無線基地局１１及び特定の車上ＩＤを有している車上無線局１２の間で行われる。車上無線局１２は、所定のビット数の乱数ａを発生し（Ｓ１０１）、乱数ａを無線基地局１１に伝送する（Ｓ１０２）。無線基地局１１は、乱数ｂを発生する（Ｓ１０３）。無線基地局１１は、乱数ａ、乱数ｂ、及び車上ＩＤから成る平文の数列ａ｜ｂ｜車上ＩＤから、相互認証用鍵ｋｃ１とアルゴリズムＥを用いて、暗号化した電文ｃ＝Ｅ（ｋｃ１，ａ｜ｂ｜車上ＩＤ）を生成し（Ｓ１０４）、電文ｃを車上無線局１２に伝送する（Ｓ１０５）。車上無線局１２は、乱数ｂ、乱数ａ、及び地上ＩＤから成る平文の数列ｂ｜ａ｜地上ＩＤから、相互認証用鍵ｋｃ１とアルゴリズムＥを用いて、暗号化した電文ｄ＝Ｅ（ｋｃ１，ｂ｜ａ｜地上ＩＤ）を生成し（Ｓ１０６）、電文ｄを車上無線局１２に伝送する（Ｓ１０７）。無線基地局１１は、電文ｄを復号し、復号した電文中の地上ＩＤと自局の地上ＩＤの一致によって相手方である車上無線局１２を認証する（Ｓ１０８）。車上無線局１２は、電文ｃを復号し、復号した電文中の車上ＩＤと自局の車上ＩＤの一致によって相手方である無線基地局１１を認証する（Ｓ１０９）。このような無線基地局１１及び車上無線局１２による相互認証は、例えば、車上無線局１２の無線機の起動時に行われる。

無線伝送の相手方を認証するための電文ｃ、ｄの生成には、相互認証用鍵ｋｃ１が用いられる。認証タグ８６の生成には、認証通信用鍵ｋｃ２が用いられる。制御情報８１の暗号化には、秘匿通信用鍵ｋｃ３が用いられる。これらの相互認証用鍵ｋｃ１、認証通信用鍵ｋｃ２、及び秘匿通信用鍵ｋｃ３は、１つの一時鍵Ｋｃから生成され、無線基地局１１と車上無線局１２とで共有される。一時鍵Ｋｃは、例えば、最上位ビット（ＭＳＢ）から所定のビット数ごとに、相互認証用鍵ｋｃ１、認証通信用鍵ｋｃ２、秘匿通信用鍵ｋｃ３として指定され、残余のビットは廃棄される。一時鍵Ｋｃからの相互認証用鍵ｋｃ１、認証通信用鍵ｋｃ２、及び秘匿通信用鍵ｋｃ３の生成は、これに限定されない。

一時鍵Ｋｃは、無線基地局１１及び車上無線局１２が各々発生して相手方に送信した乱数ｄｂ、ｄｍと、無線基地局１１及び車上無線局１２とで予め共有されている事前共有鍵Ｋと、所定の鍵導出関数ＫＤＦとから生成される。一時鍵Ｋｃ等の生成について図７を参照して説明する。車上無線局１２は、所定のビット数の乱数ｄｍを発生し（Ｓ２０１）、乱数ｄｍを無線基地局１１に伝送する（Ｓ２０２）。無線基地局１１は、乱数ｄｂを発生し（Ｓ２０３）、乱数ｄｂを車上無線局１２に伝送する（Ｓ２０４）。無線基地局１１は、乱数ｄｍ及び乱数ｄｂから成る平文の数列ｄｍ｜ｄｂから、事前共有鍵Ｋと鍵導出関数ＫＤＦを用いて一時鍵Ｋｃ＝Ｅ（Ｋ，ｄｍ｜ｄｂ）を生成する（Ｓ２０６）。無線基地局１１は、一時鍵Ｋｃから相互認証用鍵ｋｃ１、認証通信用鍵ｋｃ２、及び秘匿通信用鍵ｋｃ３を生成する（Ｓ２０６）。車上無線局１２は、無線基地局１１と同様に、一時鍵Ｋｃ＝ＫＤＦ（Ｋ，ｄｍ｜ｄｂ）を生成する（Ｓ２０７）。車上無線局１２は、無線基地局１１と同様に、一時鍵Ｋｃから相互認証用鍵ｋｃ１、認証通信用鍵ｋｃ２、及び秘匿通信用鍵ｋｃ３を生成する（Ｓ２０８）。

事前共有鍵Ｋは、列車５の運転が始まる前に、所定の方法により、無線基地局１１及び車上無線局１２で共有される。鍵導出関数ＫＤＦは、例えば、ＩＳＯ／ＩＥＣ１８０３３−２で標準化されているアルゴリズムである。

図８に示されるように、無線基地局１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、列車が運転される線路に沿って複数設置されている。無線基地局１１ａが無線伝送を行うエリア１１１ａ、無線基地局１１ｂが無線伝送を行うエリア１１１ｂ、無線基地局１１ｃが無線伝送を行うエリア１１１ｃは、この順に隣接している。列車５が、エリア１１１ａからエリア１１１ｂに移動すると、無線伝送のハンドオーバーが行われる。列車５の移動に伴って車上無線局１２との無線伝送が、一つの無線基地局１１ａから別の無線基地局１１ｂにハンドオーバーされるとき、認証通信用鍵ｋｃ２及び秘匿通信用鍵ｋｃ３は、無線基地局１１ａから無線基地局１１ｂに配送される。認証通信用鍵ｋｃ２及び秘匿通信用鍵ｋｃ３の配送は、地上側のネットワーク６を介して行われる（図１参照）。ここで、別の無線基地局１１ｂとは、ハンドオーバーが正常に行われた場合、無線基地局１１ａに隣接する無線基地局１１ｂである（図８参照）。無線基地局１１ｂから無線基地局１１ｃへのハンドオーバーについても同様である。

なお、無線基地局１１ａから隣接する無線基地局１１ｂへのハンドオーバーが失敗した場合、エリア１１１ａ、１１１ｃが延長され、無線基地局１１ａから隣接しない無線基地局１１ｃへのハンドオーバーが行われることがある。車上無線局１２との無線伝送が、無線基地局１１ａから無線基地局１１ｃにハンドオーバーされるとき、認証通信用鍵ｋｃ２及び秘匿通信用鍵ｋｃ３は、無線基地局１１ａから無線基地局１１ｃに配送される。

無線伝送がハンドオーバーされる時、無線基地局１１ａ、１１ｂが車上無線局１２に伝送するカウンタ値８２が不連続になるので、車上無線局１２は、カウンタ値８２のチェックを行わないという例外処理が必要となる。カウンタ値８２のチェックを行わないことによるセキュリティの低下を防ぐため、無線伝送がハンドオーバーされるとき、無線基地局１１及び車上無線局１２は、認証通信用鍵ｋｃ２及び秘匿通信用鍵ｋｃ３をハッシュ関数を用いて変更する。無線基地局１１における認証通信用鍵ｋｃ２及び秘匿通信用鍵ｋｃ３の変更は、ハンドオーバーの直前に無線基地局１１ａが行うか、ハンドオーバーの直後に無線基地局１１ｂが行う。本実施形態では、ハッシュ関数は、米国家安全保障局（ＮＳＡ）によって開発されたＳＨＡ−２５６である。認証通信用鍵ｋｃ２及び秘匿通信用鍵ｋｃ３にＳＨＡ−２５６を作用させ、認証通信用鍵ｋｃ２及び秘匿通信用鍵ｋｃ３のビット長に切り詰める。なお、用いられるハッシュ関数は、ＳＨＡ−２５６に限定されない。無線基地局１１及び車上無線局１２が同じ所定のハッシュ関数を用いることによって、変更後の認証通信用鍵ｋｃ２及び秘匿通信用鍵ｋｃ３は、無線基地局１１と車上無線局１２とで共有される。

無線伝送がハンドオーバーされるとき、カウンタ値８２を一つの無線基地局１１ａから別の無線基地局１１ｂに引き継いでもよい。すなわち、無線基地局１１ａは、ハンドオーバー直前のカウンタ値８２を地上のネットワークを介して無線基地局１１ｂに渡す。この場合、無線基地局１１ａ、１１ｂが伝送するカウンタ値８２が連続する。このため、車上無線局１２は、カウンタ値８２のチェックを行うことができる。すなわち、ハンドオーバー時にカウンタ値８２をチェックしないという例外処理は不要となる。また、無線伝送がハンドオーバーされるとき、認証通信用鍵ｋｃ２及び秘匿通信用鍵ｋｃ３の変更が不要となる。

なお、無線伝送がハンドオーバーされるとき、カウンタ値８２を一つの無線基地局１１ａから別の無線基地局１１ｂに引き継ぐことに加え、認証通信用鍵ｋｃ２及び秘匿通信用鍵ｋｃ３をハッシュ関数を用いて変更してもよい。これにより、認証通信用鍵ｋｃ２及び秘匿通信用鍵ｋｃ３の変更頻度が高まる。

地震時に全列車を一斉に停める等、鉄道網又は線区における複数の列車５に同じ制御情報８１を迅速に伝送すべき場合がある。このような場合、無線基地局１１から個別の列車５に制御情報を無線伝送したのでは、迅速性に欠ける。無線システム１では、無線基地局１１が無線伝送するデータのタイムスロット８は、個別の列車５に無線伝送する制御情報８１を収容する個別スロットと、複数の列車に一斉に伝送する制御情報８１を収容する同報スロットとを有する。図２において、同報スロットには斜線を付して示している。同報スロット内の制御情報８１は、同報スロット用のカウンタ値８２を付加して暗号化される。同報スロット用の鍵は、複数の車上無線局１２において同じである。同報スロット用のカウンタ値８２は、複数の車上無線局１２において同期している。

同報スロット用の鍵は、個別スロットを用いて無線基地局１１から車上無線局１２に伝送される。例えば、無線基地局１１から車上無線局１２に、個別スロットを用いて、事前共有鍵Ｋや一時鍵Ｋｃとは独立の同報スロット鍵Ｋｂが無線伝送される。車上無線局１２は、同報スロット鍵Ｋｂから鍵導出関数ＫＤＦを用いて、同報スロット用の認証通信用鍵ｋｂ＿ｃ２及び秘匿通信用鍵ｋｂ＿ｃ３を生成する（ｋｂ＿ｃ２｜ｋｂ＿ｃ３＝ＫＤＦ（Ｋｂ，０｜０））。

列車制御システム２における列車制御の代表例として、列車の間隔制御を図９乃至図１１を参照して説明する。列車５には、車上無線局１２及び車上制御装置５１以外に、ブレーキ装置５２と、速度検知器５３と、列車位置検知装置５４とが搭載されている。ブレーキ装置５２は、列車５を制動する。速度検知器５３は、例えば、車輪の回転速度を検知する速度発電機を有し、自列車５の速度を検知する。列車位置検知装置は、例えば、速度検知器５３が検知した速度を時間積分し、自列車５の位置を検知する。

車上制御装置５１は、列車位置検知装置５４が検知した自列車５の位置情報を無線システム１を介して地上装置３に送信する。地上装置３は、受信した列車５の位置情報に基づいて、後続の列車５’に停止限界の位置情報を送信する。後続の列車５’の車上制御装置５１は、列車位置検知装置５４が検知した自列車５’の位置と、停止限界の位置情報とに基づいて、列車５’を停止限界までに停止させるための速度照査パターンＰを生成するとともに、自列車５’の速度が速度照査パターンＰを超過しているとき、ブレーキ装置５２で自列車５’を制動する。後続の列車５’は、停止限界を越えないように制動される。このように、軌道回路を用いずに列車主体で列車間隔が制御される。

以上、本実施形態に係る無線システム１によれば、同じ制御情報８１から同じ暗号文が生成されないようにカウンタ値８２のビット数が設定されるので、地上と車上との間での無線伝送のセキュリティが高い。また、イニシャライゼーション・ベクターを無線伝送する場合よりも無線伝送する暗号文のビット数を増やさないので、無線伝送の伝送速度が低くても、セキュリティを高くできる。

カウンタ値８２及び制御情報８１を含んだ秘匿対象の電文８７を用いてイニシャライゼーション・ベクターが生成され、秘匿対象の電文８７は、そのイニシャライゼーション・ベクターを用いて暗号化されるので、カウンタ値８２が変化することにより、イニシャライゼーション・ベクターが変化し、同じ制御情報８１から異なる暗号文が生成される。また、秘匿対象の電文８７が暗号文ブロック連鎖モードにより暗号化されるので、カウンタ値８２の小さな変化が暗号文全体に及び、無線伝送のセキュリティが高くなる。

制御情報８１は、情報の完全性を検定するための認証タグ８６が付加されるので、無線システム１は、無線伝送された制御情報８１の完全性を検定することができる。

無線基地局１１及び車上無線局１２は、相手方を認証した後、制御情報８１を無線伝送するので、無線伝送のセキュリティが高い。

相互認証用鍵ｋｃ１、認証通信用鍵ｋｃ２、及び秘匿通信用鍵ｋｃ３は、１つの一時鍵Ｋｃから生成されるので、生成処理の効率が良い。

一時鍵Ｋｃは、無線基地局１１及び車上無線局１２が各々発生して相手方に送信した乱数ｄｍ、ｄｂが生成に用いられるので、毎回同じ一時鍵Ｋｃが生成されることがない。

無線伝送がハンドオーバーされるとき、認証通信用鍵ｋｃ２及び秘匿通信用鍵ｋｃ３は、一つの無線基地局１１から別の無線基地局１１に配送されるので、認証通信用鍵ｋｃ２及び秘匿通信用鍵ｋｃ３をハンドオーバーの都度生成する必要が無く、無線システム１における処理が効率化される。

無線伝送がハンドオーバーされるとき、認証通信用鍵ｋｃ２及び秘匿通信用鍵ｋｃ３が変更されることにより、無線伝送のセキュリティが高くなる。

無線伝送がハンドオーバーされるとき、カウンタ値８２が一つの無線基地局１１から別の無線基地局１１に引き継がれることにより、カウンタ値８２が連続するので、車上無線局１２におけるカウンタ値８２をチェックしないという例外処理が不要になり、車上無線局１２における処理が効率化される。

無線基地局が無線伝送するデータのタイムスロット８が同報スロットを有するので、複数の列車５に同じ制御情報を一斉に伝送することができる。

同報スロット用の鍵が個別スロットを用いて無線基地局１１から車上無線局１２に伝送されるので、同報スロット用の鍵が秘匿される。

上記のような無線システム１を有する列車制御システム２によれば、地上の軌道回路を用いずに、車上の列車位置検知装置５４を利用して、列車主体の列車制御を行うことができ、地上の設備のコストが低減される。また、無線システム１による無線伝送のセキュリティが高いので、列車運行の安全性が確保される。

なお、本発明は、上記の実施形態の構成に限られず、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、列車制御システム２は、踏切の制御や、臨時速度制限等にも用いられる。

１ 無線システム
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 無線基地局
１２ 車上無線局
２ 列車制御システム
３ 地上装置
５、５’ 列車
５１ 車上制御装置
５４ 列車位置検知装置
８ タイムスロット
８１ 制御情報
８２ カウンタ値
８６ 認証タグ
８７ 秘匿対象の電文
ｄｂ 乱数
ｄｍ 乱数
Ｋ 事前共有鍵
Ｋｃ 一時鍵
ｋｃ１ 相互認証用鍵
ｋｃ２ 認証通信用鍵
ｋｃ３ 秘匿通信用鍵
ＫＤＦ 鍵導出関数
Ｐ 速度照査パターン

Claims (12)

1. 地上に設置された無線基地局と、列車に搭載された車上無線局とを備え、前記無線基地局と車上無線局との間で列車の制御に用いられる制御情報を無線伝送するための無線システムであって、
   前記無線基地局及び車上無線局は、無線伝送された順序をチェックするためのカウンタ値を制御情報に付加して暗号化した暗号文を無線伝送し、
   前記暗号化において、鍵を変化させるためのイニシャライゼーション・ベクターを無線伝送せず、前記イニシャライゼーション・ベクターを無線伝送する場合よりも無線伝送される暗号文のビット数を増やさず、かつ、該無線システムの使用において同じ制御情報から同じ暗号文が生成されないように前記カウンタ値のビット数が設定されていることを特徴とする無線システム。
2. 前記暗号化において、前記カウンタ値及び制御情報を含んだ秘匿対象の電文を用いてイニシャライゼーション・ベクターが生成され、前記秘匿対象の電文は、そのイニシャライゼーション・ベクターを用いた暗号文ブロック連鎖モードにより暗号化されることを特徴とする請求項１に記載の無線システム。
3. 前記制御情報は、情報の完全性を検定するための認証タグが付加されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の無線システム。
4. 前記無線基地局及び車上無線局は、無線伝送の相手方を認証するための電文を無線伝送し、相手方を認証した後、前記制御情報を無線伝送することを特徴とする請求項３に記載の無線システム。
5. 無線伝送の相手方を認証するための前記電文を生成する相互認証用鍵、前記認証タグを生成する認証通信用鍵、及び前記制御情報の暗号化に用いられる秘匿通信用鍵は、１つの一時鍵から生成され、前記無線基地局と車上無線局とで共有されることを特徴とする請求項４に記載の無線システム。
6. 前記一時鍵は、前記無線基地局及び車上無線局が各々発生して相手方に送信した乱数と、前記無線基地局及び車上無線局とで予め共有されている事前共有鍵と、所定の鍵導出関数とから生成されることを特徴とする請求項５に記載の無線システム。
7. 前記無線基地局は、列車が運転される線路に沿って複数設置されており、
   列車の移動に伴って車上無線局との無線伝送が、一つの無線基地局から別の無線基地局にハンドオーバーされるとき、前記認証通信用鍵及び秘匿通信用鍵は、前記一つの無線基地局から別の無線基地局に配送されることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の無線システム。
8. 無線伝送がハンドオーバーされるとき、前記無線基地局及び車上無線局は、前記認証通信用鍵及び秘匿通信用鍵をハッシュ関数を用いて変更することを特徴とする請求項７に記載の無線システム。
9. 無線伝送がハンドオーバーされるとき、前記カウンタ値は、前記一つの無線基地局から別の無線基地局に引き継がれることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の無線システム。
10. 前記無線基地局及び車上無線局は、データを複数のタイムスロットに時分割して無線伝送し、
    前記無線基地局が無線伝送するデータのタイムスロットは、個別の列車に無線伝送する前記制御情報を収容する個別スロットと、複数の列車に一斉に伝送する制御情報を収容する同報スロットとを有し、
    前記同報スロット内の制御情報は、同報スロット用のカウンタ値を付加して暗号化され、
    前記同報スロット用の鍵は、前記複数の車上無線局において同じであり、
    前記同報スロット用のカウンタ値は、前記複数の車上無線局において同期していることを特徴とする請求項４に記載の無線システム。
11. 前記同報スロット用の鍵は、前記個別スロットを用いて前記無線基地局から車上無線局に伝送されることを特徴とする請求項１０に記載の無線システム。
12. 地上に設置された地上装置と、列車に搭載された車上制御装置とを備えた列車制御システムであって、
    前記地上装置と車上制御装置との間で制御情報を送受信する請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の無線システムと、列車に搭載された列車位置検知装置とをさらに備え、
    前記車上制御装置は、前記列車位置検知装置が検知した自列車の位置情報を前記無線システムを介して前記地上装置に送信し、
    前記地上装置は、受信した列車の位置情報に基づいて、後続の列車に停止限界の位置情報を送信し、
    前記後続の列車の車上制御装置は、列車位置検知装置が検知した自列車の位置と、前記停止限界の位置情報とに基づいて、列車を停止限界までに停止させるための速度照査パターンを生成するとともに、自列車の速度が前記速度照査パターンを超過しているとき、自列車を制動することを特徴とする列車制御システム。
    
    
    

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