特開 2022-120919 ソフトウエア無線機およびその制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022120919

(43)【公開日】2022-08-19

(54)【発明の名称】ソフトウエア無線機およびその制御方法

(51)【国際特許分類】

   G06F 21/76 20130101AFI20220812BHJP

   H04B 1/00 20060101ALI20220812BHJP

   G06F 8/60 20180101ALI20220812BHJP

   G06F 21/64 20130101ALI20220812BHJP

【ＦＩ】

G06F21/76

H04B1/00 103

G06F8/60

G06F21/64

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021017977

(22)【出願日】2021-02-08

(71)【出願人】

【識別番号】000001122

【氏名又は名称】株式会社日立国際電気

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】吉田 大希

(72)【発明者】

【氏名】庄司 智也

【テーマコード（参考）】

5B376

【Ｆターム（参考）】

5B376AB47

(57)【要約】      （修正有）

【課題】誤ったソフトウエアがメモリに書き込まれることを防止するソフトウエア無線機及びその制御方法を提供する。
【解決手段】ソフトウエア無線機１００は、リコンフィギュラブルモジュール（ＲＭ）が構成されるＦＰＧＡ５を備える。ＦＰＧＡに構成される制御回路１３は、電源起動時または無線通信における通信方式を追加する場合、ＲＭと、ＲＭに対応するハッシュ値９と、ＲＭで使用する制御情報１１とを上位装置１から受け取る。そして、受け取ったＲＭからハッシュ関数を用いてハッシュ値を算出し、受け取ったハッシュ値と算出されたハッシュ値とを比較し、ハッシュ値が一致する場合、ＲＭをハッシュ値に対応した揮発性メモリ６のアドレスへ書き込むと共に、受け取った制御情報を揮発性メモリへ書き込み、ハッシュ値が一致しない場合、ＲＭを破棄する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電源起動時または無線通信における通信方式を追加する制御方法であって、
メモリに記憶されたスタティックモジュールをスタティック領域においてコンフィグし、
運用で使用するリコンフィギュラブルモジュールに対応するハッシュ値を制御回路へ送り、前記ハッシュ値に基づいて前記制御回路内のハッシュ値テーブルを更新し、
前記リコンフィギュラブルモジュールを前記制御回路へ送り、
前記リコンフィギュラブルモジュールで使用する制御情報を前記制御回路に送り、
前記制御回路は、
受け取った前記リコンフィギュラブルモジュールからハッシュ関数を用いてハッシュ値を算出し、
更新された前記ハッシュ値テーブルと算出された前記ハッシュ値を比較し、
ハッシュ値が一致する場合、前記リコンフィギュラブルモジュールをハッシュ値に対応したメモリのアドレスへ書き込みと共に、受け取った前記制御情報を当該メモリへ書き込み、
ハッシュ値が一致しない場合、前記リコンフィギュラブルモジュールを破棄する制御方法。

【請求項2】

請求項１の制御方法において、
前記制御回路は、リコンフィグするリコンフィギュラブルモジュールを前記メモリから読み出すと共に、リコンフィグする前記リコンフィギュラブルモジュールと対応している制御情報を前記メモリから読み出し、パーシャルリコンフィグ領域へ設定する制御方法。

【請求項3】

請求項１の制御方法において、
電源ＯＦＦ時に、前記メモリに保存されている前記リコンフィギュラブルモジュール及び前記制御情報を削除する制御方法。

【請求項4】

スタティックモジュールを格納する不揮発性メモリと、
リコンフィギュラブルモジュールを格納する揮発性メモリと、
前記スタティックモジュールが構成されるスタティック領域と前記リコンフィギュラブルモジュールが構成されるパーシャルリコンフィグ領域とを有するＦＰＧＡと、
を備え、
前記ＦＰＧＡは前記スタティック領域に構成される制御回路を備え、
前記制御回路は、電源起動時または無線通信における通信方式を追加する場合、
リコンフィギュラブルモジュールを上位装置から受け取り、
前記リコンフィギュラブルモジュールに対応するハッシュ値を前記上位装置から受け取り、
前記リコンフィギュラブルモジュールで使用する制御情報を前記上位装置から受け取り、
受け取った前記リコンフィギュラブルモジュールからハッシュ関数を用いてハッシュ値を算出し、
受け取った前記ハッシュ値と算出された前記ハッシュ値を比較し、
ハッシュ値が一致する場合、前記リコンフィギュラブルモジュールをハッシュ値に対応した前記揮発性メモリのアドレスへ書き込むと共に、受け取った前記制御情報を前記揮発性メモリへ書き込み、
ハッシュ値が一致しない場合、前記リコンフィギュラブルモジュールを破棄するよう構成されるソフトウエア無線機。

【請求項5】

請求項４のソフトウエア無線機において、
前記制御回路は、リコンフィギュラブルモジュールを前記揮発性メモリから読み出すと共に、前記リコンフィギュラブルモジュールと対応している制御情報を前記揮発性メモリから読み出し、前記パーシャルリコンフィグ領域へ設定するよう構成されるソフトウエア無線機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示はソフトウエア無線機およびその制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ソフトウエア無線（ＳＤＲ；Software-defined Radio）は、電気的な設定情報により無線通信機能を変更し、複数の通信方式に対応する無線通信装置を実現するための無線通信技術である。ここで、電気的な設定情報とは、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）やＣＰＵ（Central Processing Unit）のプログラム、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やリコンフィギュアラブルロジックのコンフィギュレーションデータ、特性を変更可能なアナログ回路を制御するための制御情報、を含む。以下、この電気的な設定情報をソフトウエアと呼ぶ。

【0003】

ソフトウエア無線機においては、メモリに上位装置から受け取った通信方式ごとのソフトウエアを保存しておき、利用する通信方式のソフトウエアを上述のデバイス（ＤＳＰ、ＣＰＵ、ＦＰＧＡ等）にロードすることにより複数の通信方式に対応する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００５－２２３７８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上位装置とソフトウエア無線機との間において、リコンフィギュラブルモジュール等のソフトウエアの伝送中、ソフトウエアの改竄や通信回線の異常によるデータ破損の可能性が有る。誤ったソフトウエアがメモリに書き込まれ、異常なソフトウエアでコンフィグ（設定）されてしまう可能性が有る。

【0006】

本開示の課題は、誤ったソフトウエアがメモリに書き込まれることを防止する技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
すなわち、ソフトウエア無線機は、リコンフィギュラブルモジュール（ＲＭ）が構成されるＦＰＧＡを備える。ＦＰＧＡに構成される制御回路は、電源起動時または無線通信における通信方式を追加する場合、ＲＭを上位装置から受け取り、ＲＭに対応するハッシュ値を上位装置から受け取り、ＲＭで使用する制御情報を上位装置から受け取り、受け取ったＲＭからハッシュ関数を用いてハッシュ値を算出し、受け取ったハッシュ値と算出されたハッシュ値を比較し、ハッシュ値が一致する場合、ＲＭをハッシュ値に対応した揮発性メモリのアドレスへ書き込むと共に、受け取った制御情報を揮発性メモリへ書き込み、ハッシュ値が一致しない場合、ＲＭを破棄するよう構成される。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、誤ったソフトウエアがメモリに書き込まれることを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態におけるソフトウエア無線機の概要を説明する図である。

【図2】図１に示すソフトウエア無線機の装置構成を説明する図である。

【図3】図２に示す制御回路内におけるハッシュ値テーブルを説明する図である。

【図4】図２に示す揮発性メモリのメモリマップを説明する図である。

【図5】比較例におけるソフトウエア無線機の装置構成を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、実施形態について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明を省略することがある。

【0011】

実施形態におけるソフトウエア無線機の概要について図１を用いて説明する。図１は実施形態におけるソフトウエア無線機の概要を説明するためのブロック図である。

【0012】

ソフトウエア無線機１００のハードウェアモジュールとしては、アンテナ１０１、高周波部１０２、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａ部１０３、デジタル信号処理部１０４および制御部１０５がある。

【0013】

アンテナ１０１は無線周波数信号の送受信を行う。高周波部１０２は、アンテナ１０１で受信した無線周波数帯の受信信号を低周波数帯の受信信号に変換する、または低周波数帯の送信信号を無線周波数帯の送信信号に変換する。Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａ部１０３は、受信したアナログ信号をデジタル信号に変換する、または、送信するデジタル信号をアナログ信号に変換する。デジタル信号処理部１０４は、送信信号の符号化、受信信号の復号等の処理を行う。制御部１０５は、例えばソフトウエアを格納するメモリとそのメモリに格納されたソフトウエアを実行するＣＰＵとを備え、ネットワーク１０６を介して制御端末１０７からの制御を受けるとともに、ソフトウエア無線機のハードウェアモジュールの制御を行う。

【0014】

ソフトウエア無線機１００の特徴として、フィルタ、変復調、等化、同期機能などの無線機能をプログラブル化し、ソフトウエアの書き換えにより変調方式、送受信周波数、帯域幅、伝送速度などのシステム固有の無線機能を変更可能としている。

【0015】

ここで、本開示におけるソフトウエア無線機をより明確にするため本開示者らが検討した技術（比較例）の問題点について図５を用いて説明する。図５は比較例におけるソフトウエア無線機の装置構成を示すブロック図である。

【0016】

比較例におけるソフトウエア無線機１００においては、運用中に通信方式を切り替える手段として通信方式のみをパーシャルリコンフィグ（部分再構成）する。パーシャルリコンフィグでは、ＦＰＧＡの一部を、残りのＦＰＧＡデザインを停止することなく引き続き機能させながら、動的に再構成する。

【0017】

比較例におけるソフトウエア無線機１００においては、元データ１５がベースバンドモジュール２を経由し変調データ１６となりＲＦモジュール３を経由し、アンテナ４を通り空中に流れる。ここで、ベースバンドモジュール２は、図１に示すＡ／Ｄ・Ｄ／Ａ部１０３、デジタル信号処理部１０４および制御部１０５に対応し、ＲＦモジュール３は高周波部１０２に対応し、上位装置１は制御端末１０７に対応する。

【0018】

ベースバンドモジュール２は、書き換え可能な不揮発性メモリ７およびＦＰＧＡ５により構成される。ＦＰＧＡ５内で使用するソフトウエアは２種類あり、スタティックモジュール（以下、ＳＭと略す。）とリコンフィギュラブルモジュール（以下、ＲＭと略す。）がある。

【0019】

スタティックモジュールはＦＰＧＡ５の汎用メモリと論理回路でハードウェア構成や結線などもソフトウエアによって設定は可能であるが動的に変更しないモジュールである。リコンフィギュラブルモジュールはハードウェア構成や結線などもソフトウエアによって動的に変更可能（再構成可能）なモジュールである。ＳＭには、主に制御インタフェースが含まれ、ＲＭには通信方式が含まれ、共に不揮発性メモリ７に格納される。図５においては、通信方式ＡのＲＭであるＲＭＡおよび通信方式ＢのＲＭであるＲＭＢが不揮発性メモリ７に格納されている。

【0020】

ソフトウエア無線機１００の電源投入時、不揮発性メモリ７内のＳＭがＦＰＧＡ５内のスタティック領域１２に書き込まれる。ＲＭを新たに、更新する際は、上位装置１から更新したいＲＭをＣＰＵが含まれる制御回路１３へダウンロードし、不揮発性メモリ７の元々書き込まれていたＲＭの領域に上書きされる。通信方式Ａが使用される場合、ＲＭＡ１０が不揮発性メモリ７に書き込まれる。パーシャルリコンフィグする際は、上位装置１の指示により、制御回路１３が不揮発性メモリ７内のＲＭを読み出し、ＦＰＧＡ５のパーシャルリコンフィグ領域１４へＲＭを書き込む。その後、ＲＭの通信方式に適した制御情報（ＣＩ）を、上位装置１から設定する。通信方式Ａが使用される場合、ＲＭＡの制御情報１１が制御レジスタ１９に書き込まれる。

【0021】

比較例におけるソフトウエア無線機１００においては、下記の問題点がある。
一つ目は、上位装置１とベースバンドモジュール２との間において、ＲＭの伝送中、ＲＭの改竄や通信回線の異常によるデータ破損の可能性が有る。誤ったＲＭがダウンロードされ、不揮発性メモリ７に書き込まれ、異常なＲＭでパーシャルリコンフィグしてしまう可能性が有る。

【0022】

二つ目は、装置が悪意ある他者に渡り、不揮発性メモリ７に書かれた通信方式が読み出され、通信方式が解析される可能性が有る。

【0023】

三つ目は、パーシャルリコンフィグ後、新たな通信方式に対応した制御情報を制御レジスタ１９へ上位装置１から設定する必要がある為、再設定の運用開始時間を要する。

【0024】

実施形態におけるソフトウエア無線機は、上記の一つまたは複数の問題点を下記の一つまたは複数により解決するものである。

【0025】

（１）ハッシュ値による認証を行う。これにより、改竄やデータが破損したＲＭがダウンロードされなくなり、信頼性の高いＲＭでパーシャルリコンフィグされる。

【0026】

（２）ＲＭをソフトウエア無線機の電源遮断時（電源ＯＦＦ時）に削除する。例えば、ＲＭを揮発性メモリに格納する。これにより、電源ＯＦＦ時にＲＭが削除される。または、ＲＭを不揮発性メモリに格納し、電源ＯＦＦ時においてＲＭを消去または任意のデータに書き換えするようにしてもよい。運用終了後、装置が悪意ある他者に渡った場合においても、通信方式が削除された状態である為、通信方式の解読を防ぐことが可能となり、通信方式の漏洩を防ぐことが可能となる。

【0027】

（３）制御情報をメモリに格納しておき、パーシャルリコンフィグと同タイミングで、メモリから制御情報も読み出す。これにより、上位装置から設定する時間に比べ、メモリから読み出す時間の方が短い為、運用開始時間が短縮される。

【0028】

（４）制御情報も電源ＯＦＦ時に削除する。例えば、制御情報も揮発性メモリに格納する。これにより、運用周波数や送信出力値といった秘匿すべき制御情報も電源ＯＦＦ時に削除され、秘匿性を保ったまま運用が可能となる。または、制御情報を不揮発性メモリに格納し、電源ＯＦＦ時においてＲＭを消去または任意のデータに書き換えするようにしてもよい。

【0029】

以下、具体的に実施形態におけるソフトウエア無線機について説明する。
まず、実施形態におけるソフトウエア無線機のモジュール構成について図２を用いて説明する。図２は図１に示すソフトウエア無線機の装置構成を示すブロック図である。

【0030】

実施形態におけるソフトウエア無線機１００は、ベースバンドモジュール２、ＲＦモジュール３およびアンテナ４を備える。上位装置１は、ＲＭ、ＲＭのハッシュ値、ＲＭに対応した制御情報をベースバンドモジュール２へ伝送する。ここで、通信方式ＡのＲＭをＲＭＡ、通信方式ＢのＲＭをＲＭＢとする。

【0031】

ベースバンドモジュール２は主に、揮発性メモリ６と不揮発性メモリ７、ＦＰＧＡ５で構成される。揮発性メモリ６は、例えば、ＤＤＲ－ＳＤＲＡＭ等のＤＲＡＭまたはＳＲＡＭ等の高速に書き込みおよび読み出しが可能なメモリである。不揮発性メモリ７は、例えば、フラッシュメモリ等の読み出しおよび電気的に書き換え可能なメモリである。揮発性メモリ６の各々のアドレスにＲＭＡ、ＲＭＢ、ＲＭＡの制御情報およびＲＭＢの制御情報等が割り振られている。揮発性メモリ６のアドレスマップの詳細については後述する。

【0032】

不揮発性メモリ７には、ＳＭが格納されている。ＳＭは主に制御インタフェースが含まれており、不揮発性メモリ７には秘匿すべき情報は含まれない。ソフトウエア無線機１００の電源ＯＦＦ後もＳＭは不揮発性メモリ７に保持される。

【0033】

ＦＰＧＡ５はスタティック領域１２とパーシャルリコンフィグ領域１４とを備える。スタティック領域１２にはＣＰＵを含む制御回路１３と制御レジスタ（ＣＲ）１９とが含まれる。制御回路１３は主にダウンロード機能１７とパーシャルリコンフィグ機能１８とを有する。

【0034】

ダウンロード機能１７は、ハッシュ関数を用いて上位装置１から伝送されたＲＭのハッシュ値を算出するハッシュ算出部１７ａと、ハッシュ比較部１７ｂと、上位装置１から伝送されたＲＭを揮発性メモリ６に書き込む書込部１７ｃと、を有する。ハッシュ比較部１７ｂは、ハッシュ算出部１７ａにより算出されたハッシュ値と、ハッシュ値テーブル２０（図３参照）にあるハッシュ値と、を比較する。ハッシュ値テーブル２０は制御回路１３内にあり、上位装置１から伝送されたハッシュ値（ＨＶ）が格納される。

【0035】

パーシャルリコンフィグ機能１８は、揮発性メモリ６からＲＭを読み出すＲＭ読出部１８ａと、パーシャルリコンフィグ領域１４にＲＭを書き込むリコンフィグ制御部１８ｂと、読出書込部１８ｃと、を有する。読出書込部１８ｃは上位装置１から伝送された制御情報（ＣＩ）を揮発性メモリ６に書き込み、揮発性メモリ６から制御情報を読み出し、制御レジスタ１９に制御情報を書き込む。

【0036】

パーシャルリコンフィグ領域１４には、リコンフィグ制御部１８ｂによりＲＭが書き込まれる。ソフトウエア無線機１００が信号を送信する場合、ベースバンドモジュール２において変調する前の元データ１５は、パーシャルリコンフィグによって変更された通信方式により変調データ１６となり、ＲＦモジュール３およびアンテナ４を経由し空中に流れる。受信する場合、アンテナ４およびＲＦモジュール３を経由した受信した変調データはベースバンドモジュール２においてパーシャルリコンフィグによって変更された通信方式により復調される。

【0037】

次に、ソフトウエア無線機１００の電源投入（電源起動）から終了までの流れを以下に示す。

【0038】

（ステップＳ１）
ソフトウエア無線機１００の電源起動時、不揮発性メモリ７のＳＭがＦＰＧＡ５のスタティック領域１２にコンフィグ（構成、設定）される。

【0039】

（ステップＳ２）
上位装置１は通信方式に対応するハッシュ値を制御回路１３へ送る。制御回路１３は上位装置１から送られてきたハッシュ値に基づいてハッシュ値テーブル２０を更新する。例えば、通信方式ＡのＲＭであるＲＭＡを使用する場合、上位装置１はＲＭＡのハッシュ値９を制御回路１３に送る。

【0040】

（ステップＳ３）
上位装置１は運用で使用するＲＭＡ１０を制御回路１３へ送る。

【0041】

（ステップＳ４）
制御回路１３は受け取ったＲＭＡ１０を、ハッシュ関数を用いてハッシュ値を算出する。

【0042】

（ステップＳ５）
制御回路１３は、ステップＳ２において作成したハッシュ値テーブル２０とステップＳ４において算出したハッシュ値を比較し、ハッシュ値テーブル２０のハッシュ値に対応した揮発性メモリ６のアドレスに、ＲＭＡ１０を書き込む。制御回路１３は、ハッシュ値が一致しない場合、受け取ったＲＭＡ１０を破棄する。

【0043】

（ステップＳ６）
制御回路１３は、上位装置１からＲＭＡ１０で使用する制御情報（周波数、出力レベル等）１１を受け取り、揮発性メモリ６へ書き込む。

【0044】

なお、制御回路１３は、複数のＲＭを揮発性メモリ６に書き込む場合は、ステップＳ２～Ｓ５を繰り返す。図３においては、揮発性メモリ６には、ＲＭＡ、ＲＭＡの制御情報、ＲＭＢおよびＲＭＢの制御情報が書き込まれている。

【0045】

（ステップＳ７）
制御回路１３は運用する通信方式に応じてパーシャルリコンフィグを実施するため、リコンフィグするＲＭとそれに対応する制御情報を揮発性メモリ６から読み出す。

【0046】

（ステップＳ８）
制御回路１３は、パーシャルリコンフィグ領域１４へＲＭを書き込むと共に、制御情報レジスタ１９へ制御情報を書き込む。

【0047】

（ステップＳ９）
運用終了後、ソフトウエア無線機１００の電源がＯＦＦされる。電源ＯＦＦのタイミングで、揮発性メモリ６に格納されていた通信方式や制御情報は削除される。

【0048】

次に、ハッシュ値テーブル２０について図３を用いて説明する。図３は図２に示す制御回路内におけるハッシュ値テーブルの一例を示す図である。

【0049】

ハッシュ値テーブル２０は、ハッシュ値２１と揮発性メモリ６のアドレス２２とを有する。ハッシュ値テーブル２０内のハッシュ値２１は、上位装置１から更新される。揮発性メモリ６のアドレス２２は固定値であり、ハッシュ値２１によって揮発性メモリ６のアドレス２２が指定される。ハッシュ値２１が上位装置１から更新（設定）された値でない場合、揮発性メモリ６のアドレス２２が指定されず、受け取ったＲＭを破棄するよう指示される。

【0050】

次に、揮発性メモリ６のメモリマップについて図４を用いて説明する。図４は図２に示す揮発性メモリのメモリマップの一例を示す図である。

【0051】

揮発性メモリ６は、ＲＭを格納する領域と、ＲＭに対応した制御情報を格納する領域を有する。例えば、通信方式ＡのＲＭであるＲＭＡはアドレスＡの領域２４ａに格納され、ＲＭＡの制御情報はアドレスＢの領域２５ａに格納される。通信方式ＢのＲＭであるＲＭＢはアドレスＣの領域２４ｂに格納され、ＲＭＡの制御情報はアドレスＤの領域２５ｂに格納される。通信方式ＣのＲＭであるＲＭＣはアドレスＥの領域２４ｃに格納され、ＲＭＣの制御情報はアドレスＦの領域２５ｃに格納される。

【0052】

運用中に、揮発性メモリ６にＲＭと制御情報を各々格納しておき、パーシャルリコンフィグ時にＲＭと制御情報が読み出される。揮発性メモリ６内の制御情報には運用周波数や送信出力値といった秘匿すべき制御情報があるが、ソフトウエア無線機１００の電源ＯＦＦ時に削除される。

【0053】

以上、本開示者らによってなされた開示を実施形態に基づき具体的に説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。

【符号の説明】

【0054】

１・・・上位装置
２・・・ベースバンドモジュール
３・・・ＲＦモジュール
４・・・アンテナ
５・・・ＦＰＧＡ
６・・・揮発性メモリ
７・・・不揮発性メモリ
９・・・ハッシュ値
１０・・・ＲＭＡ
１１・・・制御情報
１２・・・スタティック領域
１３・・・制御回路
１４・・・パーシャルリコンフィグ領域
１５・・・元データ
１６・・・変調データ
１７・・・ダウンロード機能
１８・・・パーシャルリコンフィグ機能
１９・・・制御レジスタ
２０・・・ハッシュ値テーブル
１００・・・ソフトウエア無線機

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】