CN1248528C - 使用加密数据及未加密控制代码的调制解调器 - Google Patents

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Abstract

一种通讯系统，包括实体层硬件单元和处理单元。该实体层硬件单元用来通过通讯频道以通讯数据。该实体层硬件单元用来通过通讯频道以接收非加密的控制代码和加密的用户数据，并且依据该控制代码，通过通讯频道来传送上游数据信号。处理单元用来执行软件驱动程序以便与实体层硬件单元作接口沟通。该软件驱动程序包括程序指令用来执行协议层，以解密用户数据，并提供上游数据给实体层硬件单元。又提供一种配置无线收发器的方法，包括通过通讯频道来接收非加密的控制代码，通过该通讯频道来接收加密的用户数据，以及依据由该控制代码所定义的传送指定，通过该通讯频道来传送上游数据信号。

Description

使用加密数据及未加密控制代码的调制解调器
技术领域
本发明是关于调制解调器通讯，更具体而言，是关于一种使用加密数据及未加密控制代码的通讯数据用的软件调制解调器。
背景技术
近年来蜂巢式移动电话非常流行。一具移动电话是很好的一个″移动台″或者是″移动终端机″的范例。除了移动电话以外，移动台也可能是各种不同的形式，包括拥有移动通讯能力的计算机(例如笔记型计算机)。
电讯通讯服务是通过空中接口(例如通过无线电频率)，提供于蜂巢式移动电话网络与移动台之间。通常拥有移动台的用户都指定了一个独有的国际移动用户识别信息(IMSI)。任何时候，一个活动中的移动台，都可能正在与另一个或一个以上的基地台通过空中接口进行通讯。基地台是由基地台管理器(即所谓的无线电控制器)来依次管理。基地台控制器连同其基地台建构成为基地台系统。基地台系统的基地台控制器经过控制节点连接到核心电讯通讯网路，例如公用交换电话网络(PSTN)。一个典型的标准移动电讯通讯架构是全球移动通讯系统(GSM)。GSM包括各种服务型态接口以及特定功能的标准规范。GSM系统可以运用来传输语音以及数据信号。
多个移动台可以共享某一特定的基地台。因为无线电频谱是有限的资源，频宽是利用时分多重存取以及频分多重存取(TDMA/FDMA)技术来作分频工作。FDMA涉及将最大频宽(例如25MHz)分成124个分别是200kHz的载波频率。某一特定基地台可赋予一个或一个以上的载波频率。每一个载波频率则依序地分割成时间槽。在基地台与移动台互相工作活动期间，基地台赋予移动单元一个频率、功率位准、以及时间槽以便从移动台上游传输到基地台。基地台也是利用特定的频率与时间槽以便从基地台下游传输到移动台。
GSM界定的时间基本单位是称的为丛发周期(burst period)，该丛发周期持续15/26毫秒(ms)(大约0.577毫秒)。每8个丛发周期群集成一个TDMA帧(120/26ms或是约4.615ms)，这是定义逻辑频道的最基本单位。实际频道则界定为每一个帧拥有一个丛发周期。个别的频道是由其相对的丛发周期的数量与位置来定义。
每一个GSM帧具有8个丛发周期，这些GSM帧又再组成超级帧(例如由51个帧组成)，其中包括讯务(即，语音与数据信号)和控制信息。控制信息是由定义于超级帧结构的共享频道来传送。共享频道则是由闲置模式和专用模式移动台来存取。由闲置模式移动台使用共享频道，以交换反应于进入或送出呼叫用来改变专用模式的传送信号信息。已经在专属模式的移动台监视着周遭的基地台的递交与其它信息。
共享频道包括：
广播控制频道(BCCH)，用来持续广播包括基地台识别、频率分配以及频率跳跃序列的信息；
频率校正频道(FCCH)与同步频道(SCH)，用来藉由定义丛发周期界线与时间槽编号(即，于GSM网络的每一个单元只有广播一个FCCH和一个SCH，由定义其会送到TDMA帧里的第0号时间槽)，以将移动台与单元的时间槽结构同步化；
随机存取频道(RACH)，由移动台使用要求到网络的存取；
寻呼频道(PCH)，用来警告移动台有来电呼叫；以及
存取允许频道(AGCH)，用来分配一个独立专用控制频道(SDCCH)给移动台，以便在发出RACH请求以后，用来传送信号(即，获得一个专用频道)。
为着保密安全的原因，GSM数据是以加密的型态传送。又由于无线电波媒体是任何人皆可以存取，因此认证作业是移动台网络最重要的要素。移动台以及基地台都必须涉及到认证作业。每一个移动台都装设一个用户识别模块卡(SIM)。每一个用户都赋予一个密钥。一个复制的密钥储存于SIM卡中，而另一个复制的密钥则储存于可由基地台存取的通讯网路上的受保护的数据库内。于认证作业时，基地台产生随机数，并送到移动台。移动台则利用该随机数，结合密钥和加密算法(例如A3)产生签核的响应，送回到基地台。若由移动台送回的签核的响应，与网络计算的互相符合，则该用户得到了认证。基地台会运用密钥将数据加密传送给移动台。同样地，活动台也会运用密钥将数据加密传送给基地台。将由活动台接收到的传输解密之后，各种的控制信息，包括用于特殊活动台的指定功率位准、频率、与时间槽，可由活动台来决定。
通常通讯系统是以层级方式来描述，第一层是负责载讯数据经过传输媒介的实体传输，通称为实体层(PHY)。实体层组合数字数据，并且依照特定传输结构，基于所收到的数据来产生调变波形。于GSM中，实体层产生传输波形，并且于活动台指定传输时槽期间作传输工作。相同地，实体层的接收部分也是于指定接收时槽里，来辨认送往活动台的数据。
第二层则称为协议层，是处理从实体层接收来的数字数据，以辨认内含的数据。例如于GSM系统之上，数据的解密是属于协议层的功能。请注意只有由协议层解密和处理之后，实体层的作业参数的改变才会被辨认。虽然这种特有的互相依存性，在一般的单纯硬件建构中不会产生问题，但是在所有或者部分的协议层是由软件所完成时，可能会发生问题。
有一些计算机系统，尤其是可携式笔记型计算机，可能装有无线调制解调器。先进科技有一种趋势，就是使用软件调制解调器来建构成为，使用软件程序的传统硬件调制解调器的一些实时功能。因为软件调制解调器的硬件复杂性较低于其相对的硬件调制解调器，以致于通常也会比较便宜、比较有弹性。例如协议层的解密与处理可能部分，甚至全部由软件来完成。
比如个人计算机系统的软件系统，执行称的为软件驱动程序，是属于操作系统环境中的接口控制软件。这些驱动程序负责与硬设备沟通，并且执行于操作系统中的特许阶层。其它的软件应用程序则排除以免影响到驱动程序。然而驱动程序无法保护不受其它驱动程序影响，此时会发生各样问题，可能会影响该驱动程序的作业，例如破坏其执行操作。这些影响可能是意外地、或者是故意地由骇客造成的。一个遭到破坏(或被干预)的驱动程序会引发计算机外的其它问题，例如造成电话线或无线电信道被占用、执行操作一个外部外围设备，或删除重要数据。
因为实体层中控制活动台发送器作业的操作参数，是由使用软件的协议层所控制的，因此有可能计算机程序或者病毒会接管活动台的控制，并且偶然或者是故意在其指定的时槽以外作传送的工作。一个无线通讯网路，例如蜂巢式移动电话网络，是利用分享式公共基础建设。活动台也必须遵守″通行的规则″，否则它可能造成网络上的阻碍。
如果活动台的某一个功能是由软件控制的，则程序设计师必须决定GSM控制帧应该如何译码，以及传送模块应该如何触发激活。然而计算机病毒可能因此被写入并且经由网络散播，进而渗透到以软件为基础的活动台。然后于某一特定的日期时间，计算机病毒将会直接的接管控制活动台，并且以随机的次数、尽全力来连续或间歇性传送，如同泛滥般的淹没基地台以及其它活动台。这种计算机病毒的设计可以以随机方式来激活或关闭，以避免被检测，并且窃取空中无线通讯提供者的部分或者所有可用的频宽，而且可能引发网络全面当机。这种攻击只需要于蜂巢式网络有一些感染的设备(甚至少到一台)，都可能会让蜂巢式网络完全瘫痪。
运用分享式公共基础建设来作业的活动台，所衍生的安全问题可以分成三个阶层的安全程度：干预防护(tamper-proof)、非干预防护和类别间断(class break)；首先一个硬件/韧体成品(例如蜂巢式移动电话)是最难以被干预的，因为每一个设备必须具有独特性并且经过更改(即，干预防护)。另一方面，使用软件解决方案则是比较容易被干预，因为骇客只要集中心力在单纯软件除错环境中即可(即，非干预防护)。最后，有一种系统具有所有系统相类似容易被干预的特性，并允许将干预行为分散到相同类型的很多系统，可以说该系统属于″类别间断″。
一个软件无线调制解调器不只易受到类别间断，并且它的程序代码在各个设备之间，可以由同层级，例如IP(网际网络通讯协议)，或者是其它可携式程序代码存取机制来作存取。很多软件无线调制解调器可以与计算机整合，并连接到网络或者是网际网络。这种安排更是增加该软件被干预并被控制的易受影响性。
通讯设备运用软件来建构其它通讯协议同样也可能容易具有上文所说明的一些问题，只是有不同程度与层级的影响后果。例如使用铜金属用户线，并且运用软件驱动程序的通讯设备，如语音频道调制解调器(V.90)、非对称数字用户线(ADSL)调制解调器、家庭电话线网络(HomePNA)等，都可能会受到攻击，造成用户线不能工作或者被误用。例如一群被感染的软件调制解调器可能使用于服务拒绝的攻击，不断拨号到某一特定号码并且瘫痪该接收终点。软件调制解调器也可以用来阻碍用户线上任何拨出或者拨进来的电话，或是中断HomePNA讯务。其它运用软件的无线通讯设备，如无线网络设备，同样的会被强行占用来阻断无线网络的讯务。
本发明是针对上述这些问题来克服，或者至少减少其中的一个或一个以上的前文所提问题的可能的影响。
发明内容
本发明的一个观点是着眼于通讯系统，包括实体层硬件单元与处理单元。实体层硬件单元运用通过通讯频道来传送数据。实体层硬件单元是运用通过通讯频道来接收未加密控制代码与加密使用者数据，并且依据控制代码通过通讯频道来传送一个上传数据信号。处理单元则运用来执行软件驱动程序，以便与实体层硬件单元作接口沟通。软件驱动程序包括程序指令用来建构协议层来将使用者数据解密，并且提供上传数据到实体层硬件单元。
本发明的另外一个观点着眼在装配一个无线收发机的方法。本方法包括通过通讯频道来接收未加密控制代码；通过通讯频道来接收加密使用者数据；并且依据由控制代码定义的传送指派，通过通讯频道来传送一个上传数据信号。
换言之，本发明还提供一种配置收发器(50)的方法，包括：通过通讯频道(40)来接收非加密的控制代码；通过该通讯频道(40)来接收加密的用户数据；以及依据由该控制代码所定义的传送指定，通过该通讯频道(40)来传送上游信号。
其中传输该上游信号包含依据功率位准指定值、频率指定值、和时槽指定值的至少其中一个来传输上游信号。
方法还包括通过该通讯频道(40)来取样接收的信号，以产生接收的信号样本；向下转换该接收的信号样本，以产生包括该用户数据的无块图。
虽然本发明易于作各样的修饰与更改形式，然已藉由图式例举的方式，以特定的实施例而作了详细的说明，应了解的是，以下本特定的实施例并不是打算来限制本发明为所呈现的特定的形式，相反的，在不违背本发明所附权利要求书所界定的广义精神和观点情况下，各种的变更方式或修饰及其均等，皆应属于本发明的范围。
具体实施方式
本发明的实施例将说明如下。为了清楚起见，并不是所有实际施行完成的功能特征都包括于本说明之中。当然也要了解发展此类型的实施例时，各样与施行特性相关的决策，必须完成以达到发展实行者的目标，例如必须顺从考虑与系统相关或者是业务相关的限制，然而这些是随着不同的实际施行而有所不同。此外务必了解这种发展施行可能是很复杂、费时的，然而，仍将是一种对此项技术具有一般知识者在参阅本发明揭示事项之后可从事的例行工作。
兹参照图1，提供了通讯系统10的方块图。通讯系统10包括用户台20通过通讯信道40与中央台30通讯。在本说明实施例中，用户台20是一个运用软件调制解调器50的无线移动计算设备，依照无线通讯协议，例如GSM来作通讯作业。中央台30是一个分享式的基地台可以服务多重的用户。虽然本发明是以无线的环境来说明，但是其运用方式并不受此限制。本发明的教示可以运用至其它任何使用由软件建构的通讯协议(例如V.90，ADSL，HomePNA，无线局域网络Wireless LAN)的通讯环境。
用户台20可能包括各样的计算器设备，例如桌上型计算机、笔记型计算机、个人数字助理等。为了能说明清楚，用户台20将建构成为笔记型计算机。软件调制解调器50安装成为其内部资源。于此技术方面的一般技术人员将了解到，软件调制解调器50将包括实体层(PHY)70是以硬件形式建构，另一协议层80则是由软件所建构。又为了能说明清楚，软件调制解调器50的功能描述为由GSM通讯协议所建构，虽然其它通讯协议也可以运用的。
实体层70将数字传输信号转换成为模拟传输波形，并且将输入进重的用户。虽然本发明是以无线的环境来说明，但是其运用方式并不受此限制。本发明的教示可以运用至其它任何使用由软件建构的通讯协议(例如V.90，ADSL，HomePNA，无线局域网络Wireless LAN)的通讯环境。
用户台20可能包括各样的计算器设备，例如桌上型计算机、笔记型计算机、个人数字助理等。为了能说明清楚，用户台20将建构成为笔记型计算机。软件调制解调器50安装成为其内部资源。于此技术方面的一般技术人员将了解到，软件调制解调器50将包括实体层(PHY)70是以硬件形式建构，另一协议层80则是由软件所建构。又为了能说明清楚，软件调制解调器50的功能描述为由GSM通讯协议所建构，虽然其它通讯协议也可以运用的。
实体层70将数字传输信号转换成为模拟传输波形，并且将输入进来接收模拟波形转换成数字接收信号。对传输信号来说，协议层80的输出是在传输″广播″讯息，调变对于一个零赫兹(Hz)载波(即，无载波信号)。实体层(PHY)70混合(即，此混合可称的为向上转换)由协议层80产生的无载波传输信号，是依照中央台30指定的时槽、频率、和功率位准指定值来与用户台20通讯，以产生由实体层(PHY)70传送的实际模拟波形。
中央台30也会对那些关于指定给用户台20的时槽以及频率的进来的接收数据来作通讯沟通。取样输入的模拟接收波形，并且依照特定的时槽与频率参数来作向下转换，以便重新创造一个无载波信号(即，对于0Hz调度)接收波形。协议层80接收由实体层(PHY)70传来的无载波接收波形，并且执行基频处理、解密、和译码以便再产生接收数据。
时槽、频率、和功率位准(即，只针对传输数据而言)的指定值统称的为控制代码。软件调制解调器50所使用的独特算法是由特定的工业标准(例如GSM标准)规定描述，该标准为本领域普通技术人员所熟知，因此为清楚与简易说明起见，除了依照本发明所作的改变外，本文将不再详细说明该标准。
于本发明的通讯系统10中，中央台30以加密方式来传送用户数据，以非加密方式来传送控制数据。这种安排可以保护使用者数据的安全免于被偷窃，但是准许实体层(PHY)70可以直接读取控制代码，并且配置其收发器参数，而不须由协议层80处理。因此，如果协议层80受到病毒的侵犯，则其不会被强行驱动指挥，来造成软件调制解调器50广播超过其指定时槽与频率窗口范围的讯息。病毒会毒害被感染单元的执行作业，但是它不会影响受感染单元与通讯系统10之内其它使用者的接口沟通。这样的模式下，可以避免此类别间断的错误可能造成阻断或瘫痪通讯系统10的情形。
有很多方法可以将加密的用户数据与控制代码非加密作业分开执行。第一个示范式技巧包括，于插入作业之前先行加密使用者的位，与控制代码相关的位则保留不加密；然后，实体层(PHY)70解调传送来的丛发数据，它会辨认那些与控制代码有关的位，分析它们以便决定一个特定的功率位准、时槽、和频率。当实体层(PHY)70接收从协议层80送来的数据，并将他们传送到中央台30的时，实体层(PHY)70已经知道传输参数，并且依照其指定的数值来传送上传数据。此处不需要从协议层80作互动作业以便决定指定的传输参数。相同情形下，对于接收数据而言，实体层(PHY)70也了解接收数据的时槽以及频率。
另外一个范例实施例，请参照则描述于图2的简易方块图的实体层(PHY)70，控制代码也以非加密形式传送，但是是以分离信号方式来传送，该分离信号可以与标准数据载波信号作同步传送。因为比较少量的数据与控制代码的传送情形，可能会有比较简单的传送结构，其它带有控制频道的数据可能仍然包括具有GSM形式的使用者数据。然而，那些与控制代码相关的控制信道数据会被分离处理。
于图2中，实体层(PHY)70包括分享式模拟式头端71，用来取样接收信号。数字接收样本将会提供给向下转换器72，用来产生零Hz调变的接收波形，该波形会依次的传送到协议层80。这些数字接收样本也会提供给解调变器73。解调变器73会检测包含控制代码中的信号。控制逻辑74则接收由解调变器73送来的控制代码。为了产生传送波形，一个向上转换器75会从协议层80接收对于零Hz载波调变的数字传输信号，并且依据指定传输参数来混合信号。控制逻辑74依照接收于由解调变器73处理的信号的指定功率位准、时槽、频率来配置向上转换器75，以便传送上游载数据。控制逻辑74同时也在特定频率与时槽之上，来配置向下转换器72以便接收送进来的数据。
依据特定的建构方法，传送控制代码信号的方法有很多可能的传送架构。例如，亦可以运用简易频移键控(FSK)或者简易正交调幅(QAM)技术。控制频道可以寻址某一特定电话机，也可使用某一简易讯息式协议，例如高阶数据连接控制(HDLC)技术。控制频道内的一些信息可能无法修正对于重新传送型的错误保护，因此传递错误控制技术也必须给予考虑使用。
兹参照图3，提供一个安置于计算机100里的用户台20的方块图。计算机100包括处理器复体110。为了清楚与简易说明起见，并不是所有构成处理器复体110的组件皆于此详细说明。如此的细部设计为熟识本领域普通技术人员熟知的，并且可能依照特定计算机贩卖业者与微处理器型式而有所不同。通常处理器复体110依照特定的架构，可以包括微处理器、高速缓存、系统内存、系统总线、绘图控制器以及其它设备。
处理器复体110耦接到外围总线120，例如外围组件连接接口(PCI)总线。通常处理器复体110里的桥接单元(即，北桥)将系统总线耦接到外围总线120。南桥150也与外围总线120耦接。南桥150则与低接脚数(LPC)总线160接口连结，该LPC 160主控系统基本输入输出系统(BIOS)内存170、用来与各样外围设备(例如键盘、鼠标、打印机、扫描仪等)(未列明)来作接口连接的通用串行总线(USB)180、与硬式磁盘驱动器200和光驱(未列明)来作介接的增强整合驱动电子(EIDE)汇排流190、以及整合数据汇排流(IPB)210。
IPB汇排流210主控软件调制解调器50的硬件部分。本实施例中软件调制解调器50是由进阶通讯适配卡(ACR)卡215来控制。至于ACR卡215以及IPB汇排流210的规范可从ACR特别利益团体(ACRSIG.ORG)取得。软件调制解调器50包括PHY硬件单元220和无线电机230。在本实施例之中，无线电机230运用来传送与接收GSM信号。PHY硬件单元220与无线电机230合组成PHY层70(详见图1)。
处理器复体110执行编码于调制解调器驱动程序240的程序指令。共同地，处理器复体110与调制解调器驱动程序240建构成为协议层80(详见图1)的功能。调制解调器驱动程序240会执行必须将由接收样本(即，解密、丛发分解、除去插入作业、以及语音译码)来的用户数据重新建构的基频处理作业。然而，因为实体层(PAY)70会独立地察明其传输指派任务，因此软件驱动程序240只需要将上游数据传给PHY硬件单元220，并且接收从PHY硬件单元220送来的适当的用户数据。PHY硬件单元220负责确保上游数据只会在指定的时槽与指定的频率作传送的工作。PHY硬件单元220也可能基于传送来的数据所定的时槽的认知，来运用只传送那些与指定时槽至调制解调器驱动程序240相关的丛发数据。由于调制解调器驱动程序240只有传送在指定时槽下所接收的数据，其工作负荷将会降低，使得处理器复体110可以释放其资源给予其它任务需求。
上述揭示的特定实施例只是为说明用，而本发明可作修正以及以不同的方式实施，但是对于本领域一般技术人员而言于阅读习得本说明书后，当可了解本发明可以诸多等效方式实施。再者，除了以下的申请专利范围中说明之外，并不欲对其中所示的构造或设计的细部作限制。因此，当可明证以上揭露的特定实施例可作更改或修饰，而所有此等变化皆是考虑在本发明的精神和范围内。由此，本发明提出下列的权利要求请求保护。

Claims (9)

1.一种软件调制解调器(10)，包括：
实体层硬件单元(70)，用来通过通讯频道(40)以通讯数据，该实体层硬件单元(70)用来通过该通讯频道(40)来接收非加密的控制代码和加密的用户数据，并且依据该控制代码，通过该通讯频道(40)来发送上游数据信号；以及
处理单元(110)，用来执行软件驱动程序(240)以便与实体层硬件单元(70)作接口沟通，该软件驱动程序(240)包括程序指令，用来执行协议层(80)以将用户数据解密，并提供该上游数据给该实体层硬件单元(70)。
2.如权利要求1所述的软件调制解调器(10)，其中该控制代码包括功率位准指定值、时槽指定值、频率指定值的至少其中一个。
3.如权利要求1所述的软件调制解调器(10)，其中该实体层硬件单元(70)包括：
模拟头端(71)，用来通过该通讯频道(40)，以便对接收信号作取样，并产生接收的信号样本；
向下转换器(72)，用来处理该接收的信号样本，以产生包括用户数据的无载波波形；以及
解调器(73)，用来解调该接收的信号样本，以产生该控制代码。
4.如权利要求3所述的软件调制解调器(10)，其中该实体层硬件单元(70)包括控制逻辑(74)，用来接收该控制代码，并且依据该控制代码来配置该向下转换器。
5.如权利要求3所述的软件调制解调器(10)，其中该实体层硬件单元(70)包括：
向上转换器(75)，用来接收该上游数据并产生上游数字信号，其中该模拟头端单元(71)更进一步调适以接收该上游数字信号，并产生上游数据信号；以及
控制逻辑(74)，用来接收该控制代码，并且依据该控制代码来配置该向上转换器(75)。
6.一种配置收发器(50)的方法，包括：
通过通讯频道(40)来接收非加密的控制代码；
通过该通讯频道(40)来接收加密的用户数据；以及
依据由该控制代码所定义的传送指定，通过该通讯频道(40)来传送上游信号。
7.如权利要求6所述的方法，其中传输该上游信号包含依据功率位准指定值、频率指定值、和时槽指定值的至少其中一个来传输上游信号。
8.如权利要求6所述的方法，更进一步包括：
通过该通讯频道(40)来取样接收的信号，以产生接收的信号样本；
向下转换该接收的信号样本，以产生包括该用户数据的无载波波形；以及
解调该接收的信号样本，以产生该控制代码。
9.如权利要求8所述的方法，其中向下转换该接收的信号样本，以产生包括该用户数据的无载波波形，包括依据该控制代码，向下转换该接收的信号样本。
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