CN1318955C - 用于在加密蜂窝通信中产生随机数的方法和系统 - Google Patents

用于在加密蜂窝通信中产生随机数的方法和系统 Download PDF

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Abstract

在无线通信中，发送装置需要连续提供用于加密处理的随机数据。本发明提供了一种用于使用在传统CDMA电话中已经使用的硬件产生连续真正随机的数据库。

Description

用于在加密蜂窝通信中产生随机数的方法和系统
技术领域
本发明涉及无线通信网络。具体说，本发明涉及一种以生成用于加密无线通信系统中传输为目的的随机数据的新颖和改进的方法。
背景技术
无线通信的加密方案要求连续的随机数据库。有许多方法可以通过软件产生具有良好频谱特性的位。然而，任何软件产生的随机数基本上一定是伪随机的，而不是真正的随机，因为由软件产生的所有数字序列都有周期性。这种伪随机序列容易被第三方解读。只有硬件生成的数据才可能是数学上随机的。虽然，其他技术，例如使用按键电压跳动或按键之间的延迟，已为人们所熟知，和这些或是伪随机或不能提供连续随机数据的技术相比，本发明还是具有显著的优势。
当前，还不存在一种理想的方法能够从已有无线电话硬件中连续产生足够的真实随机数供给用于加密无线通信。
发明内容
本发明是一种用于通过使用传统无线电话中已经可用的硬件产生连续随机数据位库用于无线通信加密的新颖和改进的方法。特别地，本发明使用传播路径的随机性质以及接收器的前端和它们在所接收信号特征上的影响来产生一组随机数。本发明依据CDMA无线电话进行描述，但其原理也很容易适用于其他无线调制技术。
本发明提供了一种加密系统，包括：随机数选择器子系统，用于：从自动增益控制电路的经调整的数据位中产生至少一个第一随机数，所述经调整的数据位由自动增益控制电路从接收的信号中产生；从输入信号DC补偿分量的瞬时变化中产生至少一个第二随机数；所述变化由DC补偿校正环路电路从接收的信号中产生；从接收信号传播延迟随时间的变化中产生至少一个第三随机数；使用CDMA时间跟踪环路电路来跟踪所述接收信号传播延迟随时间的变化；以及加密器，用于使用从所述第一、第二和第三随机数中选择出的至少两个随机数来对信号进行加密。
本发明还提供了一种加密系统，包括：自动增益控制电路，用于从接收的信号中产生经调整的数据位；DC补偿校正环路电路，用于从接收的信号中产生输入信号DC补偿分量的瞬时变化；CDMA时间跟踪环路电路，用于跟踪接收信号传播延迟随时间的变化；随机数选择器子系统，用于：从所述自动增益控制电路的经调整的数据位中产生至少一个第一随机数组；从所述输入信号DC补偿分量的瞬时变化中产生至少一个第二随机数组；从接收信号传播延迟随时间的变化中产生至少一个第三随机数组；以及加密器，用于使用从所述第一、第二和第三随机数组中选择出的至少两个随机数来对信号进行加密。
本发明提供了一种用于产生数学上随机的数据库的无线设备，所述数据库用于无线通信加密，包括：用于接收模拟信号的接收解调器；用于将所接收模拟信号转换成所接收数字信号的模拟-数字转换器；用于通过使用多个无线设备硬件从所接收数字信号产生随机数据位，从而产生生数学上随机的连续数据库的数字信号处理电路；以及用于加密所发送信号的加密器。
本发明提供了一种通过数学上随机的连续数据库对无线通信进行加密的方法，包括：接收模拟信号；将所接收模拟信号转换成所接收的数字信号；用多个无线设备硬件处理所接收的数字信号；从由所述无线设备硬件处理的所接收数字信号中产生数学上随机的连续数据位库；以及使用所述数学上随机的连续数据位库对所发送的信号进行加密。
本发明提供了一种产生数学上随机的连续数据库的方法，所述连续数据库用于无线通信加密，包括：从自动增益控制器中产生随机数据位，并将这些位加入到随机数据库中；从DC补偿校正环路产生随机数据位，并将这些位加入到随机数据库中；以及从时间跟踪环路产生随机数据位，并将这些位加入到随机数据库中。
本发明提供了一种用于从所接收信号中产生数学上随机的连续数据库的无线设备，所述数据库用于无线通信加密，包括：用于产生随机数据位的自动增益控制器，所述随机数据位被加入到随机数据库中；用于产生随机数据位的DC补偿校正环路，所述随机数据位被加入到随机数据库中；用于产生随机数据位的时间跟踪环路，所述随机数据位被加入到随机数据库中。
附图说明
结合附图通过下面给出的详细描述，本发明的特点、目标和优点将变得更明显，图中相同的标号字符在整个说明中对应一致：
图1是本发明随机数据采集方法的高层流程图。
图2是通过CDMA硬件设备的部分CDMA电话信号路径的简化图。
图3是接收自动增益控制电路的设备图。
图4是I/Q DC补偿校正环路的设备图。
图5是时间跟踪环路的设备图。
具体实施方式
图1示出产生随机数据库的示范方法的高层概述，通常需要用于来自公共CDMA电话硬件的加密。通过忽略或重新排列所说明的步骤，并且在不背离本发明范畴的情况下，可以很容易对该方法进行修改。本发明在CDMA电话范围中描述。然而，本发明同样适用于其他调制技术。
在当前的CDMA系统中，数据以20微秒帧进行发送。本发明的方法能够在正常电话呼叫期间使用CDMA可用变量为等于20微秒的每个帧产生4个随机数据位。本发明从所接收的信号中存在的真实随机源产生数据，这些所产生的随机数据位集中在随机数据库中，并且可用于加密处理。
在框100中，在示范实施例中，CDMA电话的接收自动增益控制(AGC)电路用于每20微秒产生2个随机数据位。从接收AGC电路中产生随机位在图3中有详细描述。自动增益控制单元在无线电话中用于将提供给解调器的带内能量保持在固定水平。由于传播路径中屏蔽、衰减和多路径现象的变化，使得所接收的带内能量以随机方式衰减。所接收的带内能量依据AGC的可变增益放大器进行归一化以提供第一组随机位。因为可变增益放大器的增益持续变化，本领域的熟练技术人员可以理解可以以任意速率从AGC中提取随机变量。而且，在随机数生成器中可以提取超过或少于2个位。
在框102中，在示范实施例中，CDMA电话的同相(I)/正交相(Q)DC补偿校正环路用于每20微秒产生一个随机数据位。从补偿校正环路元件中产生随机位在图4中有详细描述。DC补偿校正环路元件在无线电话中用于在模-数转换206期间校正引入给所接收信号的较小DC补偿。在随机方式中，由于转换处理对模拟信号特性的影响，给数字信号加入DC补偿。DC补偿校正环路依据增益放大和总和将所转换信号的平均值归一化为0以提供附加随机位。因为DC补偿是连续变化，本领域的熟练技术人员可以理解可以以任意速率从DC补偿校正环路中提取随机变量。而且，在随机数生成器中可以提取超过或少于1个的位。
在框104中，在示范实施例中，CDMA电话的时间跟踪环路用于每20微秒产生一个随机位。从时间跟踪环路元件中产生随机位在图5中有详细描述。时间跟踪环路元件在无线电话中用于不考虑传播路径延迟的波动而保持位同步。由于传播路径中屏蔽、衰减和多路径现象的变化，使得传播路径延迟以随机方式变化。时间跟踪环路通过求和和尺度变化对所接收的信号进行采样和调整以提供附加随机位。因为传播路径延迟是随机变化的，因而，本领域的熟练技术人员可以理解可以以任意速率从时间跟踪环路中提取随机变量。而且，在随机数生成器中可以提取超过或少于1个的位。
通过对接收AGC电路、同相/正交(I/Q)DC补偿校正环路以及时间跟踪环路的新颖使用，本发明的示范实施例在电话使用期间每帧间隔中产生4个随机数据位。因为数据由硬件产生，它是真实随机的，而不是软件产生的数据，软件产生的数据其本质上一定是伪随机的。这种伪随机数据序列非常容易被第三方解读，而由本发明产生的随机数据则不会。
图2说明了在公共CDMA电话接收硬件设备的简化部分信号路径。图2示出仅通过本发明使用的硬件产生随机数据的信号路径。
天线202是变换器，它将RF(射频)场转换为AC(交流电)或反之亦然。接收天线截取RF能量，并且将AC传送给电子装置。所接收的模拟信号到达天线元件202，并且由接收解调器元件204下变频为基带模拟信号。在下变频之后，信号传送给模拟-数字转换器元件206。
模拟-数字转换器电路元件206将经解调的模拟信号转换为数字信号，并且执行附加处理。在模拟到数字转换期间，给信号引入较小的直流电(DC)补偿。在转换信号之后，将数字化信号同时传送给电话中的接收AGC电路元件208、DC补偿校正环路元件210以及时间跟踪环路元件212，在电话中，每接收到一帧就会生成随机的数据位。每个新生成的随机数据位输入给随机数选择子系统元件214。
随机数选择子系统元件214由数字移位寄存器组成，在每次输入新随机位并移位时，寄存器就会生成新的随机数。在示范实施例中，输入和移位操作每20微秒发生一次。本领域的熟练技术人员可以理解在此描述的原理可以用于提供其他时间间隔的随机位。每20微秒，新的随机数就提供给加密元件218。
标准的未加密无线传输数据准备好由数据生成元件216加密。标准传输数据可以包括数字化语音或其他通信数据。由数据生成元件216产生的未加密数据传送给加密元件218。加密元件218采用数据加密处理，该处理使用由随机数选择子系统214产生的随机数库来加密标准数据。加密器218的经加密数据输出传送给发送器元件220。
发送器元件220对经加密的信号进行调制，并且对其进行处理用于由发送天线元件222发送。
元件222是装置发送天线。将经调制的加密信号提供给发送天线元件222，并生成RF电场。
图3说明在本发明的示范实施例中用于每20微秒从输入给接收AGC 208的解调数字接收信号生成2个随机数据位的装置。元件302说明了传送给AGC电路的接收I/Q数据输入路径。I/Q数据是指由正交相移键控(QPSK)解调产生的同相和正交相数据采样。AGC电路的功能是提供用于解调的恒定能量信号。在这种情况下，AGC 208从原始码片级输入I/Q采样302产生随机变化中间输出，称为接收AGC调整位(RX AGC ADJ)310。在CDMA技术中，时间通常以码片单位进行测量。其中，CDMA频率为1.2288MHz，1码片＝1/(1.2288MHz)＝813.8纳秒。
在增益级元件中，所接收的信号与增益值进行相乘。增益值依据无线电话硬件参数进行变化。增益值根据硬件部件的内部数字表示进行变化。在部件中所表示的数字范围由分配用于代表该值的位数决定。例如，4位数部件的范围可以在-7到7，而8位微处理器的范围可以在-128到128。如果部件值的范围与无线电话控制微处理器装置的范围不匹配，为了使用控制微处理器的全部值域，对这些值进行按比例增加或减少，因而不会丢失信息。
求和元件306每20微秒就将I/Q采样和先前的采样相加。将信号传送给低噪声放大器(LNA)以及接收线性元件308，它在本实施例中每20微秒就产生8个RX AGC ADJ位。元件308也对用于输入给脉冲密度调制(PDM)元件312的信号进行线性化。
PDM 312将数字信号转换为模拟，用于给其他不包含随机数生成的硬件使用。
RX_AGC_ADJ的两个最低有效位(LSB)以对应于接收信号中白噪声瞬时变化的方式进行抖动。因为这两个位是从数学上随机白噪声中获得，因而可以示出它们也是数学上的随机。
由接收AGC产生的随机位提供给随机数选择子系统214。
图4说明本发明示范实施例用于每20微秒从输入给DC补偿校正环路的经解调数字接收信号中产生1个随机数据位的装置。DC补偿校正环路的功能是校正由模拟-数字转换处理所引入的I/Q补偿。在输入信号通过DC补偿校正环路之后，I/O补偿具有0的平均值。
RX数据，元件404将所接收的I/Q数据输入给DC补偿校正环路210。
接收频谱倒置位生成器402向DC补偿校正环路210提供接收频谱倒置位输入。频谱倒置位取1或0值。频谱倒置位用于从QPSK调制数据中提取I和Q分量。
DC环路增益元件408是DC补偿校正环路210的第一增益级，它将输入接收信号乘以频谱倒置位。相乘的输出产生所接收信号的I和Q分量。
增益级元件410是DC补偿校正环路210的第二增益级。增益级元件410将所接收的信号乘以DC环路增益值。DC环路增益值依据CDMA硬件参数进行变化。增益值根据硬件部件的内部数字表示进行变化。在部件中所表示的数字范围由分配用于代表该值的位数决定。例如，4位数部件的范围可以在-7到7，而8位微处理器的范围可以在-128到128。如果部件值的范围与无线电话控制微处理器装置的范围不匹配，为了使用控制微处理器的全部值域，对这些值进行按比例增加或减少，因而不会丢失信息。
求和元件412每20微秒就将相乘的I/Q采样和先前的采样相加。元件412产生9位值用于输入给脉冲密度调制器(PDM)元件414。
PDM 414将补偿校正信号转换为模拟，用于给其他不涉及随机数生成的硬件使用。
在示范实施例中，DC补偿校正环路用于通过提取由加法器412产生的总和值的最低有效位(LSB)，每20微秒产生随机数据的一位。9位总和的LSB是真正随机的，因为当它被量化，它具有输入信号DC补偿分量的瞬时变化。
由DC补偿校正环路产生的随机位提供给随机数选择子系统214。
图5说明本发明示范实施例用于每20微秒从输入给时间跟踪环路212的经解调数字接收信号中产生1个随机数据位的装置。时间跟踪环路212的功能是跟踪在随时间流逝的接收信号传送延迟中的变化。在所接收CDMA信号中的传送延迟对于每个位来说并不相同，并且随机变化。
为了跟踪随机变化传播延迟，时间延迟环路接收每个被接收的I/Q采样，并且通过将其前推半个码片以产生前一I/Q采样501，而通过后移半个码片产生后一采样503。
前采样(502-504)以及后采样(506-508)在乘法器502、504、506、508中进行平方，经平方的前I和Q采样在求和器510中进行相加以产生前采样中的能量。经平方的后I和Q采样在求和器512中进行相加以产生后采样中的能量。减法器514为尺度变换元件516提供前和后采样的能量偏差。
尺度变换元件516对能量值的偏差进行尺度变换以产生时间跟踪的相位值。在示范实施例中，时间跟踪相位值为16位数。因为相位值是从所接收信号中固有的数学上随机的传播延迟中获得，因而可以示出其LSB位也是数学上随机的。
由时间跟踪环路产生的随机位提供给随机数选择子系统214。
虽然，本发明是在通过使用接收AGC电路、DC补偿环路以及时间跟踪环路来开发CDMA信号的随机特性，从而产生连续数学上随机数据的范围中进行描述，但本领域的熟练技术人员可以理解本发明的示例可以很容易地拓展到其他无线通信硬件以及信号特性例如频率跟踪环路、搜索器处理以及热噪声等。
前面对较佳实施例的描述是用于让本领域的任意熟练技术人员能制造和使用本发明。对于本领域的熟练技术人员来说，对这些实施例各种修改将是显而易见的，并且在不使用创造性的情况下，在此所定义的一般原理可以应用于其他实施例。这样，本发明并不是要局限于在此所示出的实施例，而是符合与在此所揭示的原理和新颖特征关联的最宽范畴。

Claims (30)

1.一种用于无线通信系统的加密方法，其特征在于，包括：
从自动增益控制电路的经调整的数据位中产生至少一个第一随机数，所述经调整的数据位由自动增益控制电路从接收的信号中产生；
从输入信号DC补偿分量的瞬时变化中产生至少一个第二随机数；所述变化由DC补偿校正环路电路从接收的信号中产生；
从接收信号传播延迟随时间的变化中产生至少一个第三随机数；使用CDMA时间跟踪环路电路来跟踪所述接收信号传播延迟随时间的变化；以及
使用从所述第一、第二和第三随机数中选择出的至少两个随机数来对信号进行加密。
2、如权利要求1所述的加密方法，其特征在于，所述加密步骤从所述第一、第二和第三随机数中分别选择至少一个随机数用于对信号加密。
3、一种用于无线通信系统的加密系统，其特征在于，包括：
自动增益控制电路，用于从接收的信号中产生经调整的数据位；
DC补偿校正环路电路，用于从接收的信号中产生输入信号DC补偿分量的瞬时变化；
CDMA时间跟踪环路电路，用于跟踪接收信号传播延迟随时间的变化；
随机数选择器子系统，用于：
从所述自动增益控制电路的经调整的数据位中产生至少一个第一随机数组；从所述输入信号DC补偿分量的瞬时变化中产生至少一个第二随机数组；从接收信号传播延迟随时间的变化中产生至少一个第三随机数组；以及
加密器，用于使用从所述第一、第二和第三随机数组中选择出的至少两个随机数来对信号进行加密。
4、如权利要求3所述的加密系统，其特征在于，所述加密器从所述第一、第二和第三随机数中分别选择至少一个随机数用于对信号加密。
5.如权利要求3所述的加密系统，其特征在于，所述随机数选择器子系统通过从所述自动增益控制电路的经调整的数据位中提取至少一个随机数据位；从所述输入信号DC补偿分量的瞬时变化中提取至少一个随机数据位；以及从接收信号传播延迟随时间的变化中提取至少一个随机数据位来产生多个随机数据位。
6.如权利要求5所述的加密系统，其特征在于，所述随机数选择器子系统在每个帧周期中提取一次所述随机数据位。
7.如权利要求6所述的加密系统，其特征在于，所述随机数选择器子系统通过从所述自动增益控制电路的经调整的数据位中提取两个随机数据位；从所述输入信号DC补偿分量的瞬时变化中提取一个随机数据位；以及从接收信号传播延迟随时间的变化中提取一个随机数据位来在每个帧产生4个随机数据位。
8.如权利要求7所述的加密系统，其特征在于，所述随机数选择器子系统在每接收到一帧数据时，提取一次随机数据位。
9.如权利要求7所述的加密系统，其特征在于，所述随机数选择器子系统包括多个移位寄存器，以响应于一个随机数据位来产生一个新的随机数。
10、一种用于产生数学上随机的数据库的无线设备，所述数据库用于无线通信加密，其特征在于，包括：
用于接收模拟信号的接收解调器；
用于将所接收模拟信号转换成所接收数字信号的模拟-数字转换器；
用于通过使用多个无线设备硬件从所接收数字信号产生随机数据位，从而产生数学上随机的连续数据库的数字信号处理电路；以及
用于加密所发送信号的加密器。
11、如权利要求10所述的无线设备，其特征在于，所述数字信号处理电路包括自动增益控制器。
12、如权利要求10所述的无线设备，其特征在于，所述数字信号处理电路包括DC补偿校正环路。
13、如权利要求10所述的无线设备，其特征在于，所述数字信号处理电路包括时间跟踪环路。
14、如权利要求10所述的无线设备，其特征在于，所述无线设备为无线电话。
15、一种通过数学上随机的连续数据库对无线通信进行加密的方法，其特征在于，包括：
接收模拟信号；
将所接收模拟信号转换成所接收的数字信号；
用多个无线设备硬件处理所接收的数字信号；
从由所述无线设备硬件处理的所接收数字信号中产生数学上随机的连续数据位库；以及
使用所述数学上随机的连续数据位库对所发送的信号进行加密。
16、如权利要求15所述的方法，其特征在于，数学上随机的连续数据位库的生成包括从自动增益控制器中提取随机数据位。
17、如权利要求15所述的方法，其特征在于，数学上随机的连续数据位库的生成包括从DC补偿校正环路中提取随机数据位。
18、如权利要求15所述的方法，其特征在于，数学上随机的连续数据位库的生成包括从时间跟踪环路中提取随机数据位。
19、如权利要求16所述的方法，其特征在于，对于所接收数据的每个帧从自动增益控制器中提取两个随机数据位。
20、如权利要求17所述的方法，其特征在于，对于所接收数据的每个帧从DC补偿校正环路中提取一个随机数据位。
21、如权利要求18所述的方法，其特征在于，对于所接收数据的每个帧从时间跟踪环路中提取一个随机数据位。
22、一种产生数学上随机的连续数据库的方法，所述连续数据库用于无线通信加密，其特征在于，包括：
提供一个随机数据库；
从自动增益控制器中产生随机数据位，并将这些位加入到随机数据库中；
从DC补偿校正环路产生随机数据位，并将这些位加入到随机数据库中；从时间跟踪环路产生随机数据位，并将这些位加入到随机数据库中；以及
使用所述随机数据库中的数据来加密信号。
23、如权利要求22所述的方法，其特征在于，从自动增益控制器中产生随机数据位包括对于所接收数据的每个帧，从自动增益控制器中产生两个随机数据位。
24、如权利要求22所述的方法，其特征在于，从DC补偿校正环路产生随机数据位包括对于所接收数据的每个帧，从DC补偿校正环路中产生一个随机数据位。
25、如权利要求22所述的方法，其特征在于，从时间跟踪环路产生随机数据位包括对于所接收数据的每个帧，从时间跟踪环路中产生一个随机数据位。
26、一种用于从所接收信号中产生数学上随机的连续数据库的无线设备，所述数据库用于无线通信加密，其特征在于，包括：
用于产生随机数据位的自动增益控制器，所述随机数据位被加入到随机数据库中；
用于产生随机数据位的DC补偿校正环路，所述随机数据位被加入到随机数据库中；
用于产生随机数据位的时间跟踪环路，所述随机数据位被加入到随机数据库中；
随机数选择器，用于接收随机数据库，以及
与所述随机数选择器相连的加密器，用于使用所述随机数据库中的数据来加密信号。
27、如权利要求26所述的无线设备，其特征在于，所述自动增益控制器对于所接收数据的每个帧产生两个随机数据位。
28、如权利要求26所述的无线设备，其特征在于，所述DC补偿校正环路对于所接收数据的每个帧产生一个随机数据位。
29、如权利要求26所述的无线设备，其特征在于，所述时间跟踪环路对于所接收数据的每个帧产生一个随机数据位。
30、如权利要求26所述的无线设备，其特征在于，所述无线设备是无线电话。
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