CN103314606A

CN103314606A - 认知无线电设备的认证和授权

Info

Publication number: CN103314606A
Application number: CN2012800058800A
Authority: CN
Inventors: J.王; M.戈霍斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2032-01-12
Also published as: US20130303128A1; US9628989B2; EP2666317A1; US20160088479A1; JP2014506743A; TW201236387A; CN103314606B; WO2012098481A1; US9313659B2; EP2666317B1; JP6113079B2

Abstract

一种认知无线电设备的认证和授权的方法（300），包括：生成注册请求消息（S320）；把注册请求发送到频谱管理器，从频谱管理器接收注册应答消息（S330）；生成授权请求消息（S360）；在接收到授权应答消息后，生成验证应答消息（S370）；以及把验证应答消息发送到要被认证的认知无线电设备，以使得该认知无线电设备被认证并被授权去在验证应答消息中所指明的信道上通信（S380）。

Description

认知无线电设备的认证和授权

本专利申请在35 U.S.C.§119(e)下要求2011年1月20日提交的美国临时申请No.61/434,524的优先权利益，该临时申请的内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明总的涉及无线通信设备，更具体地，涉及无线网中的认知(cognitive)设备的认证和授权。

背景技术

为了使用空白频率（例如，由于模拟电视的终结和在某个地理位置所使用的有限数量的电视频段而可用的频率）来提供无线宽带互联网接入，正在开发认知设备。然而，在这样的频率上的传输可能影响既有服务，比如电视台和其它无线用户。

某些管理机构，诸如美国的联邦通信委员会（FCC）和英国的Ofcom，设置了一些法规，要求在认知无线电设备进行任何发射之前对这样的设备进行认证和授权。例如，FCC要求认知无线电设备直接或间接地联系已指明的频谱数据库，以便在它操作之前和操作期间确定它的工作信道和发射功率。

按照FCC法规，模式I个人/便携式电视频段设备（TVBD）只有在从模式II TVBD（此后称为模式II）设备接收许可信道列表后才可以传送数据。模式II设备查询频谱数据库，并且验证模式I设备的FCC标识符（FCC ID）是有效的。为了发起与模式II设备的通信，模式I设备可以在由模式II设备所使用的可用信道上或在由模式II设备指示为可用于通信的信道上传送。除非是在睡眠模式时，否则每60秒至少一次，模式I设备从模式II设备接收联系验证信号，该联系验证信号包括其的当前的可用信道列表。替换地，模式I设备联系模式II设备，以重新验证/重新建立信道可用性。

联系验证信号是由模式II设备广播、供模式I设备接收的已编码信号，模式I设备被提供以可供运行的可用信道列表。联系验证信号也被利用来确定模式I设备是否仍旧处在模式II设备的接收范围内。模式I设备只能应答来自模式II设备的联系验证信号，该联系验证信号提供模式II设备在其上运行的可用信道列表。模式II设备在它提供可用信道列表的同时，连同可用信道列表一起提供用于译码联系验证信号的信息。

而且，按照FCC法规，模式I设备在没有接收到联系验证信号时或当它不能通过与模式II设备的联系而重新建立可用信道列表时，立即停止它的运行。另外，如果模式I设备失去电力，则它必须重新检验或重新建立与模式II设备的通信，以便得到可用信道列表。如果模式II设备失去电力且此后得到新的信道列表，则它必须用信号通知所有相关联的模式I设备去获取新的信道列表。认知无线电装置可以直接或间接访问频谱数据库，以便在操作之前和操作期间确定它的工作信道以及运行功率。

当前，支持认知无线电网络的通信标准，诸如Ecma 392、IEEE 802.22和IEEE 802.11af，并没有定义用于执行对设备的这样的认证和授权的任何有效的方法。因此，在包括认知无线电设备的无线网中提供用于利用以上讨论的法规的有效方法和设备是有利的。

发明内容

本发明的某些实施例包括认知无线电设备的认证和授权的方法。该方法包括：生成注册请求消息，注册请求消息包括生成所述请求的设备的标识符和位置以及要被认证的至少一个认知无线电设备的位置和标识符；把注册请求发送到频谱管理器；接收注册应答消息，其中注册应答消息包括只能由要被认证的认知无线电设备进行译码的加密认证信号；生成包括如从要被认证的设备处接收的解密的认证信号认证的授权请求消息；在接收到授权应答消息后，生成验证应答消息，其中验证应答消息至少包括对于要被认证的设备所设置的可用信道列表和发射功率极限；以及把验证应答消息发送到要被认证的认知无线电设备，以使得认知无线电设备被认证并被授权在验证应答消息中指定的信道上通信。

本发明的某些实施例还包括用于对在基于认知的无线网中可运行的多个从设备进行认证和授权的认知无线电设备。该认知无线电设备包括：存储器单元，所述存储器单元至少包括只读存储器部分，用于存储认知无线电设备的身份和它的私有安全密钥，存储器单元还存储相关联的认知无线电从设备的列表；处理器，用于至少生成注册请求消息、关联应答消息、验证应答消息、安全同步信息单元（IE）和刷新请求消息；以及通信模块，用于与频谱管理器和相关联的认知无线电设备交换所生成的消息。

本发明的某些实施例还包括在基于认知的无线网中可运行的认知无线电设备。该设备包括：存储器单元，所述存储器单元至少包括只读存储器部分，用于存储该设备的身份和它的私有安全密钥；处理器，用于至少生成关联请求、验证请求消息，其中关联请求至少包括认知无线电设备的标识符、位置和MAC地址，验证请求消息至少包括通过使用私有安全密钥而被解密的解密认证信号；以及通信模块，用于与频谱管理器和主设备交换所生成的消息。

本发明的某些实施例还包括频谱管理器，用于认证和授权在基于认知的无线网中可运行的认知无线电设备。频谱管理器包括：数据库，用于存储为每个认知无线电设备定义的身份、特性、许可信道列表和发射功率极限；处理器，用于至少生成注册应答消息、授权应答和刷新应答消息，其中注册应答至少包括加密的认证信号，如果被包括在授权请求消息中的认证信号与被包括在注册应答消息中的认证信号的解密的副本一致，则生成应答消息，该刷新应答消息至少包括更新的许可信道列表；以及通信模块，用于与可作为主设备运行的一个或多个认知无线电设备交换所生成的消息。

被看作为本发明的主题在本说明书的结论中具体地指出，并在权利要求中被明显地要求。本发明的上述的和其它的特征和优点将从以下的结合附图所做出的详细描述中明白。

附图说明

图1是被利用来描述本发明的各种实施例的、基于认知无线电的网络的图。

图2是频谱管理器的框图。

图3是图示按照本发明的实施例的、从设备的认证和授权的方法的流程图。

图4A和4B图解用来说明按照本发明的实施例的、从设备的认证和授权的方法的安全同步IE与信道组IE流程图的结构。

图5A和5B图示用于安全同步IE的传输的不同的实施例。

图6是按照本发明的实施例的认知无线电设备的框图。

具体实施方式

重要的是要指出，本发明所公开的实施例仅仅是这里的新颖教导的许多有利用途的例子。通常，在本申请的申请书中做出的陈述不是必然地限制各种所要求保护的发明中的任何发明。而且，某些陈述可能适用于某些创造性特征，但不适用于其它特征。通常，除非另外指出，否则单数单元可以是复数的，且不失一般性，反之亦然。在附图中，贯穿几个视图，同样的标号指同样的部分。

图1显示用于支持认知无线电设备的网络系统100的非限制性和示范性图。在网络系统100中，多个主设备110-1到110-n通过网络130与频谱管理器120通信。网络130可以是广域网、局域网等等或它们的任何组合，但不限于此。

主设备110-1到110-n还与多个从设备140-1到140-m通信。每个主设备（例如，主设备110-j）认证它自己和它的相关联的从设备（例如，从设备140-i），并且从频谱管理器120检索用于它自己和它的相关联的从设备的已授权的信道列表与运行功率。主设备110-1到110-n还代表从设备140-1到140-m来协调动态频率选择（DFS）、发射功率控制（TPC）和信道测量。

网络系统100中的主设备和从设备是认知无线电设备，其实施包括、但不限于Ecma392、IEEE 802.22、IEEE 802.11af等等的通信标准。按照本发明的实施例，从设备140-i是模式I TVBD设备，而主设备110-j是固定的或模式II TVBD设备（i=1,…,m和j=1,…,n），正如由FCC法规所定义的。作为非限制性例子，从设备140-i可以是手持设备，诸如智能电话、膝上型计算机、平板计算机等等。主设备110-j可以是在无线LAN中可运行的接入点。

如图2所示，频谱管理器120包括数据库210，它可以是任何形式的存储装置，用于存储主设备和它们的相关联的从设备的列表。对于每个设备（主设备或从设备），数据库210包含身份、相关联的特性（例如，法规类型、相邻信道泄漏比）、对应的安全密钥、可用信道、和对于每个设备按照它的特性和位置的发射功率极限。频谱管理器120还包括处理器220，用来认证认知无线电主设备和从设备，并根据被存储在数据库210中的内容确定频谱和功率分配。频谱管理器120通过使用通信模块230而与认知无线电设备交换消息。

按照本发明的某些实施例，从设备140-i和主设备110-j实施用于从设备140-i的认证和授权的握手过程。为此目的，主设备110-j与频谱管理器120通信，该频谱管理器验证从设备140-i。频谱管理器120还按照从设备140-i的类型（例如，手持或固定设备）和特性（例如，相邻信道泄漏比）把包括但不限于工作信道和发射功率的运行参数提供给主设备110-j。这样的信息由频谱管理器部分地根据被存储在数据库210中的内容来提供。要指出的是，主设备直接同频谱管理器120通信来进行它本身的认证。

按照本发明的实施例，认知无线电设备的认证，不管是主设备还是从设备，是以安全的方式执行的，以防止模仿的（mimic）设备的认证。

图3显示了示范性流程图300，其图解按照本发明的实施例的、从设备140-i的认证和授权的方法。为了简化和不限制本发明的范围，过程300是针对单个从设备的认证和授权。然而，要指出的是，以下的教导可以应用于与主设备相关联的多个从设备的认证和授权。

在S310，当从设备140-i加电或醒来时，它首先发送关联请求消息到主设备110-j。关联请求消息例如包括设备标识符（例如，FCC ID）和MAC地址。如果需要的话，关联请求消息还可包括从设备140-i的位置信息。在本发明的实施例中，设备标识符被存储在从设备140-i的只读存储器中，以防止黑客窃取标识符。

在S320，在接收到关联请求消息后，主设备110-j生成注册请求消息，并把它发送到频谱管理器120。注册请求消息例如包括主设备标识符、它的位置信息、以及从设备140-i的设备标识符和位置信息。

在S330，频谱管理器120生成注册应答消息，并把它发送回主设备110-j。注册应答消息包括加密的认证信号，它只能由从设备140-i译码。认证信号被随机地生成，并用对应于从设备140-i的密钥进行加密。密钥可以是用于从设备的公开密钥或对称密钥。要指出的是，从设备140-i拥有对应的私有密钥或对称密钥。认证信号被存储在频谱管理器120中，供以后使用。

在S340，主设备110-j发送关联应答消息到从设备140-i。关联应答消息包括被包含在从频谱管理器120接收的注册应答消息中的已加密认证信号。

在S350，从设备140-i使用它的私有的密钥来解密在所接收的关联应答消息中的已加密认证信号。从设备140-i然后生成验证请求消息，并把这个消息发送回主设备110-j。验证请求消息至少包括解密的认证信号。

在S360，主设备110-j生成授权请求消息，并把授权请求消息发送到频谱管理器120。授权请求消息包含如接收自从设备140-i的解密的认证信号。

在S370，频谱管理器120比较所接收的被包括在授权请求消息中的认证信号和在S330时生成的认证信号的副本。如果存在匹配，则验证/认证过程通过；否则，该过程失败以及执行（execution）结束。

当频谱管理器120在S370成功地验证和认证信息时，授权应答消息被生成并被发送到主设备110-j。授权应答消息包含对于从设备140-i运行的可用信道和发射功率极限。可用信道和功率极限是根据从设备140-i类型和特性、以及主设备110-j的设备类型和位置进行计算的。

在S380，主设备110-j生成验证应答消息，并把这个消息发送到从设备140-i。验证应答消息包括对于从设备140-i的可用信道和发射功率极限。

按照本发明的实施例，验证应答以作为安全同步IE的一部分的信道组信息单元（IE）的格式被构造。安全同步IE和信道组IE的结构分别被图示于图4A和4B。

按照本发明的实施例，验证应答消息以安全的方式被发送，以使得只有对应的被验证/被认证的从设备140-i才能对它进行译码。按照本发明的另一个实施例，主设备110-j发起4-路（4-way）握手，来把从设备加到安全的多播组中。

在S390，主设备110-j周期地多播安全同步信息单元（IE）到与主设备110-j相关联的从设备。在图5A所示的一个实施例中，安全同步IE被包括在由主设备110-j周期地传送的信标510中。在图5B所示的另一个实施例中，安全同步IE在静默期（QP）520中被传送，静默期在另外的情况下被使用于执行侦听。

回来参考图3，在S3100，主设备周期地发送（例如，一天一次）刷新请求消息到频谱管理器120，请求对于从设备的更新的可用信道列表和发射功率极限。然后，在S3110，频谱管理器120返回刷新应答消息，其包括对于主设备及其相关联的从设备的更新的可用信道列表和功率极限。

在从频谱管理器120接收到刷新应答消息后，如果对于从设备140-i的可用信道列表和功率极限发生改变，则主设备110-j更新信道组ID，并把信道组IE附着到安全同步IE中，以反映该更新。

这里描述的过程是用于从设备的认证和授权。要指出的是，主设备通过频谱管理器执行它们本身的认证和授权过程。也就是，主设备的认证和授权包括执行上述的步骤S320、S330、S360、S370、S3100和S3110。还要指出的是，图3上描述的过程可被利用来由一个主设备认证另一个主设备。

现在参照图4A，图上显示按照本发明的实施例构造的安全同步IE格式400。安全同步IE 400包括以下字段：单元标识符（ID）401、长度402、多播ID 403、信道组ID 404和信道组IE 405。多播ID字段403包括用来指明包括多个从设备的多播组的标识符。字段404和405被加密。长度字段402指明安全同步IE 400是否包括信道组IE，如果是的话，则它规定信道组IE的长度和安全同步IE 的长度；否则，字段402只包含安全同步IE 400的长度，以字节计。

图4B显示按照本发明的实施例构造的信道组IE 405。信道组IE 405包括以下字段：单元标识符（ID）410、长度420、监管（regulatory）域 430（例如，美国、英国、加拿大等等）、许可信道的数量440，以及对于每个许可信道的、指示信道号的子字段441和指示该信道的发射功率极限的子字段442。

要指出的是，安全同步IE承载加密的信道组ID。为了能够译码加密的信道组ID，从设备140-i是多播ID字段403中所标识的安全多播组的一部分。也就是，为了按照信道组ID再现可用信道和发射功率极限，从设备140-i必须首先接收和译码信道组IE。如果需要的话，例如，在从频谱管理器120 接收可用信道和功率极限的更新后，安全同步IE还可以包含信道组IE。

图6显示可以执行本发明的实施例的认知无线电设备 600的非限制性和示范性框图。设备600可以用作为从设备或主设备。认知无线电设备 600包括存储器单元610、处理器620和通信模块630，通信模块630用于与网络中的频谱管理器和其它无线电设备的至少一个交换消息。存储器单元610可包括只读存储器部分，尤其用于优选地存储设备身份和它的私有安全密钥。存储器单元610还包含相关联的设备的列表。例如，如果设备600是主设备，则存储器单元610持有与该设备600通信的从设备的列表。

处理器620被配置成按照认知无线电设备600的类型运行。具体地，当以主设备模式运行时，处理器620适于生成注册请求、关联应答、验证应答、安全同步和刷新请求消息，正如以上详细描述的。在从设备模式下，处理器620适于生成关联请求、验证请求消息，正如以上详细描述的。在这两种模式下，处理器620还通过使用安全密钥来加密和解密消息。

以上的详细说明阐述了本发明可以采取的许多形式中的几个形式。意图是使以上的详细说明被理解为对于本发明可以采取的被选择形式的举例说明，而不是作为本发明的定义的限制。

最优选地，本发明的原理被实施为硬件、固件和软件的任何组合。而且，软件优选地被实施为在程序存储单元或计算机可读介质上有形地体现的应用程序。应用程序可被上载到包括任何适当的体系结构的机器，并被该机器执行。优选地，机器可以在具有诸如一个或多个中央处理单元（“CPU”）、存储器和输入/输出接口那样的硬件的计算机平台上实施。计算机平台还可以包括操作系统和微指令代码。这里描述的各种过程和功能可以是微指令代码的一部分，或是应用程序的一部分，或是它们的任何组合，它们可以由CPU执行，不管这样的计算机或处理器是否明显地示出。另外，各种其它外设单元可被连接到计算机平台作为附加的数据存储单元和打印单元。而且，除了瞬态传播的信号以外，非瞬态计算机可读介质是任何计算机可读介质。

Claims

1.一种用于认证和授权多个认知无线电设备的方法（300），包括：

由第一设备生成包括第一设备（110-j）的标识符和位置的注册请求消息，其中注册请求消息还包括要被认证的认知无线电设备（140-i）的位置和标识符（S320）；

把注册请求消息发送到频谱管理器；

接收注册应答消息，该注册应答消息包括可由该认知无线电设备（140-i）译码的已加密认证信号（S330）；

生成授权请求消息，其包括从接收自该认知无线电设备的已加密认证信号解密的认证信号（S360）；

在从频谱管理器接收到授权应答消息后，生成验证应答消息，该验证应答消息至少包括对于该认知无线电设备所设置的可用信道列表和发射功率极限（S370）；以及

发送验证应答消息到该认知无线电设备，以使得该认知无线电设备被认证并被授权去在验证应答消息中所指明的信道上通信（S380）。

2.权利要求1的方法，还包括：

从认知无线电设备接收关联请求消息，该关联请求消息包括认知无线电设备的以下至少一项：标识符、位置和介质接入控制（MAC）地址（S310）；以及

在生成授权请求消息之前，接收验证请求消息，该验证请求消息至少包括通过使用认知无线电设备的私有密钥来解密在关联应答消息中的认证信号而生成的已解密认证信号（S350）。

3.权利要求1的方法，还包括：

周期地生成安全同步信息单元（IE），并把安全同步信息单元（IE）发送到认知无线电设备（S390）；以及

周期地生成刷新请求消息，并把刷新请求消息发送到频谱管理器（S3100）。

4.权利要求3的方法，其中安全同步IE在信标（510）和超帧的静默期的至少之一中被发射。

5.权利要求3的方法，其中安全同步IE包括单元标识符（ID）（401）、长度（402）、多播ID（403）、信道组ID（404）和信道组IE（405），其中多播ID指明包括与第一设备相关联的多个认知无线电设备的多播组。

6.权利要求5的方法，其中信道组ID和信道组IE被加密，以及其中如果认知无线电设备属于在多播ID中指明的多播组，则该认知无线电设备解密信道组IE。

7.权利要求5的方法，其中信道组IE包括单元标识符（ID）字段（410）、长度字段（420）、监管域（430）、许可的用于传输的信道的数量（440），以及对于每个许可信道的、指示信道号的子字段（441）和指示对于该信道的发射功率极限的子字段（442）。

8.权利要求1的方法，其中如果被包括在授权请求消息中的认证信号与被包括在注册应答消息中的认证信号的解密的副本一致，则由频谱管理器生成授权应答消息。

9.权利要求1的方法，其中认知无线电设备是与同频谱管理器通信的第一设备相关联的至少一个从设备。

10.一种用于对能在无线网中运行的多个认知无线电从设备进行认证和授权的认知无线电设备（110-j），包括：

存储器单元（610），至少包括只读存储器部分，用于存储该认知无线电设备（110-j）的身份和私有安全密钥，该存储器单元还存储相关联的认知无线电从设备的列表；

处理器（620），用于至少生成注册请求消息、关联应答消息、验证应答消息、安全同步信息单元（IE）和刷新请求消息；以及

通信模块（630），用于与频谱管理器和相关联的认知无线电从设备交换所生成的消息。

11.权利要求10的设备，其中注册请求消息包括该认知无线电设备的标识符和位置，注册请求消息包括每个相关联的认知无线电从设备的位置和标识符，授权请求消息包括每个相关联的认知无线电从设备的解密的认证信号，验证应答消息至少包括对于每个相关联的认知无线电从设备所设置的许可信道列表和发射功率极限，安全同步IE至少包括对于每个相关联的认知无线电从设备所设置的更新的许可信道列表和发射功率极限，以及刷新请求消息用于请求更新的许可信道列表和发射功率极限。

12.权利要求11的设备，其中无线网是以下至少一项：基于Ecma 392的无线网、基于IEEE 802.22的无线网和基于IEEE 802.11的无线网。

13.一种用于对在基于认知的无线网中的认知无线电设备进行认证和授权的频谱管理器（120），包括：

数据库（210），用于存储对于每个认知无线电设备定义的身份、特性、许可信道列表和发射功率极限；

处理器（220），用于至少生成注册应答消息、授权应答消息和刷新应答消息，其中注册应答消息至少包括加密的认证信号，如果被包括在授权请求消息中的认证信号与被包括在注册应答消息中的认证信号的解密的副本一致则生成授权应答消息，刷新应答消息至少包括更新的许可信道列表；以及

通信模块（230），用于与可作为主设备运行的一个或多个认知无线电设备交换所生成的消息。