CN1330841A - 控制与移动站之间的连接的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种新颖且改进了的方法,用于在单个位置中管理密钥和算法,这些密钥和算法用于对在特定移动站与多个核心网络或核心网络实体间进行的通信编密码或加密。此外,本发明的另一个方面是,随着移动站在无线接入网络中移动,管理位置也可以移动。

Description

控制与移动站之间的连接的方法
本发明涉及能够进行加密和解密的通信网络，特别涉及一种用于在这类通信网络中管理密钥的方法。
本质上，无线通信比固定的有线通信更容易受到窃听和欺诈。侦听通信很容易，不要求对特殊位置的访问权限。GSM蜂窝系统通过引入身份鉴定以及编密码或加密而缓解了这一问题。以下将参照图1简要介绍GMS的身份鉴定及加密过程。如要了解更详细的情况，请参看Mouly等人的“The GSM system for mobile communications”(移动通信的GSM系统)。
图1显示了装有通用分组无线或GPRS网络的当前GSM系统。完整的网络包括三个不同的功能子网络，一个无线接入网络、一个线路交换或第一核心网络以及一个分组交换或第二核心网络。无线接入网络包括基站控制器或BSC30(只显示了一个)以及基站或BS20。第一核心网络包括带有访问者位置登记器的移动交换中心或MSC/VLR40以及带有鉴权中心的归属位置登记器或HLR/AuC50。第一核心网络还包括其他的MSC/VLR和HLR/AuC，但为简便而没有显示出来。第二核心网络包括服务通用分组业务节点或SGSN60。第二核心网络还包括其他的通用分组业务节点或GSN，但为简便而没有显示出来。两个核心网络可以共享一个公共的带有鉴权中心的归属位置登记器或HLR/AuC50。
当用户设备UE(或移动站MS)10访问第一核心网络时，它在MSC/VLR40中对其本身进行登记。在接收到来自移动站的登记请求或服务请求时，MSC/VLR40将一个包括IMSI的请求发送给HLR/AuC，以获得鉴权三元组：RAND、SRES和Kc1。在GSM中，MM或移动性管理协议实现鉴权的功能。这三元组具有预定的长度，并且使用密钥Ki进行计算，只有鉴权中心以及移动站中的SIM卡知道该密钥。在从HLR/AuC接收到三元组后，MSC/VLR在鉴权请求中将查询，RAND，发送到MS，以鉴别该特定的MS。作为成功登记的一部分，MSC/VLR将MS的位置更新为HLR并从HLR下载用户数据。
移动站10在其SIM卡中包含密钥Ki。密钥Ki在订购时由运营商进行存储，对于移动站的用户或任何其他有关各方都不可见。这与鉴权中50中存储的密钥Ki相同。密钥Ki与随机数RAND一同应用到一种称为A3的预定算法中，以生成有符号的响应SRES。然后，移动站10将包含SRES的消息传送给MSC/VLR40，MSC/VLR40再将其与从AuC50接收到的SRES进行对比，如果对比成功，则对移动站10进行身份鉴定并允许其访问网络。在计算SRES的同时，移动站将RAND和Ki应用到另一个预定的算法A8，以生成密钥Kc1。如果鉴权成功，而且网络也这样认为，则所有通过空中接口与移动站10间进行的后续传输都被加密。
为此，MSC/VLR将密钥Kc1传输给与移动站10进行通信的BSC，然后，BSC再将Kc1传送给与MS进行通信的BTS，且加密或编密码根据另一个预定的算法(例如，A5)在基站和移动站中进行。一旦MSC/VLR决定使用加密，BSC会决定实际的算法。在GSM中，目前有两种加密算法可供选择。
如果移动站想要访问第二核心网络，它会在SGSN60中对其本身进行登记。鉴权过程与第一核心网络中的相同，只是不将密钥Kc2传送给当前正在与移动站10进行通信的基站(系统的BSS部分)。换言之，加密发生在SGSN和MS中。SGSN60将密钥Kc2保留在其本身中并执行加密。
于是，现有技术系统使用不同的密钥对与两个不同核心网络的通信进行加密，而且由于用于与MSC和SGSN进行通信的无线信道不同，加密会应用到两个不同的无线连接。结果，同时与MSC和SGSN进行通信的GSM MS在两个不同的无线信道或连接上利用两个密钥，这两个信道或连接在网络中都具有其自身的独立控制。
在不同的位置上进行加密和加密控制可能会造成一致性问题。当要在一个具有两个控制加密的CN节点的系统中共同管理由一个特定用户使用的所有无线资源时，无线接入网络根本无法访问第二核心网络的信令消息这一事实在将来的网络中也可能成为问题。这时，为与MSC和SGSN的同时连接预留的无线资源应当由系统的无线接入网络部分中的一个单个实体进行管理，但仍然要有两个控制加密的实体。
建议在UMTS中只有一个RRC或无线资源控制协议，同时控制与MSC和与SGSN之间的连接。如果一次只为两个连接使用一个密钥，则问题是，如何与另一个CN节点，即其密钥将不被使用的节点，进行通信。还有一个问题与由CN实体控制的切换有关。
因此，本发明的一个目标是有效地管理用于对在不同核心网络和移动站之间传输的用户数据进行加密和解密的密钥和算法。
本发明的另一个目标是有效地管理用于对在不同核心网络和移动站之间传输的信令数据进行加密和解密的密钥和算法。
本发明的又一个目标是，当在服务无线网络控制器被切换到另一个无线网络控制器时有效地传输加密参数；然后，这另一个无线网络控制器就成为新的在服务无线网络控制器。
本发明是一种新颖且改进了的方法，用于在单个位置中管理那些对在特定移动站与多个核心网络或核心网络实体间进行的通信编密码或加密的密钥和算法。此外，本发明的另一个方面是，随着移动站在无线接入网络中移动，管理位置也可以移动。
本发明的优选实施例涉及第三代移动网络，其缩略语为UMTS或WCDMA。网络显示于图2中。该网络包括多个子网络。无线接入网或UTRAN(UMTS地面无线接入网)包括多个无线网络控制器或RNC130，每个RNC都控制多个基站或BS120。第一核心网络包括一个带有访问者位置登记器的移动交换中心或MSC/VLR140以及一个带有鉴权中心的归属位置登记器或HLR/AuC150。第一核心网络还包括其他的MSC/VLR和HLR/AuC，但为简便而没有显示出来。第二核心网络是一个分组网络，包括在服务通用分组业务节点或SGSN160。第二核心网络还包括其他的网关GPRS支持接点或GGSN，但为简便而没有显示出来。应注意，UTRAN可以连接到另一个运营商核心网络或与第一核心网络类似的第三核心网络。
由于空中接口接入方法是CDMA，移动站110能够同时与多个基站进行通信(称为软切换或分集切换)。如果这样，来自移动站110的所有通信均被定向到一个RNC，称为在服务RNC或SRNC，在其中所有传输被组合成一个传输，以进一步发送给所需的核心网络。此外，SRNC还控制无线连接。
在优选实施例中，移动站与一个核心网络或核心网络实体建立通信，反之亦然。在其中，网络请求移动站对其本身进行身份鉴定(如上所述)。在身份鉴定的同时，移动站和网络(或CN节点)计算相同的密钥Kc1。在本发明的优选实施例中，计算密钥的核心网络或核心网络实体不是开始加密用户数据或信令消息，而是生成一条消息，该消息包括密钥及表示要使用的算法的数据，并将该消息传输给加密控制器180(优选情况下位于在服务无线网络控制器中)。加密控制器接收所述的消息并开始加密从核心网络流向移动站的数据和信令消息，并解密从移动站流向核心网络的数据和信令消息。
在本发明的优选实施例中，在与第一核心网络间的通信仍处于活动状态的同时，另一个核心网络或网络实体可以与移动站建立通信(反之亦然)。第二核心网络或网络实体对移动站进行身份验证，且第二密钥Kc2被计算出来。然后，如上所述，第二核心网络生成第二条消息，该消息包括第二密钥及表示要与第二密钥一同使用的算法的数据，并将该消息传输给加密控制器。加密控制器接收所述的第二消息并比较第一和第二密钥以及相关的算法。如果第一和第二密钥以及相关的算法具有相同的可靠程度，则加密控制器会用它已在使用的密钥和算法在第一和第二核心网络间对数据和信令消息进行加密和解密。图3显示了这部分内容。但是，如果第二密钥及其相关算法提供了改进的加密或者如果不再使用相同的密钥(即便加密的质量或强度仍相同)是较为理想的情况，那么加密控制器也开始将第二密钥及其相关算法用于与第一核心网络的通信。图4显示了这部分内容。由于活动可能被束缚于MSC和SGSN之间，图3所示的情形可能造成同一个密钥使用很长时间的情况。更改密钥的需要或需求会导致加密控制生成一条消息并传输给MS，要求它采取相应措施。
在本发明的另一个实施例中，使用各不相同的密钥来加密不同通信中的用户数据，但使用具有更高加密能力的密钥及其相关算法来在两个核心网络之间加密信令消息。
在又一个实施例中，在接收到包含第二密钥Kc2的消息后，加密控制用另一个消息(其中包含表示所选密钥和算法的信息)来确认所述的消息。将使用中的密钥传输到第二CN节点(包含Kc2)也可以在接收初始消息时发生，作为COMPLETE LAYER 3 INFO(完整第3层信息)消息的一部分。这样，第二CN将立即意识到信令的无线连接已经加密，因而无须再要求加密。
在再一个实施例中，只有一个实体来控制CN中的加密。这种方法显示于图6。这时，无须再向上文那样在RNC中管理密钥。于是，从RNC的角度看，情况与现有技术系统GSM中的情形相同。但是，在CN一侧情形则有所不同，由于是单个实体在管理由MSC和SGSN提供的两个服务(和协议)。在这种配置中，系统的特征在于：对归属于那些固有属于GSM中的MSC和SGSN的连接或业务进行加密由所述的单个CN实体进行管理，该实体在无线接入网络和核心网络间，即，通过Iu接口，使用单个信令流。
在又一个实施例中，在CN的两个加密控制实体间有一个接口来提供所需的协调。在实际中，在MSC和SGSN间可以有一个称为Gs的接口。这个Gs存在于现有技术GSM系统中，但不包括协调密钥的功能。图7显示了对由增强型Gs接口提供的协调的一个实施或实现。活动查询响应还可以包括其他数据(如SRNC ID)，它可以避免在非在服务RNC的MT情形中出现寻呼，但属于终端当前在其中进行了登记的LA/RA。
在本发明的优选实施例中，能够通过另一个在服务无线网络控制器对与移动站间的通信进行路由。如果这样，则需要通过CN将用于加密和解密的参数(以及通过目标控制器建立通信所需的其他参数)传输给加密控制器的新位置。这是通过经相应的核心网络透明地为其上的参数或信息发信号而实现的。另外，这也可以通过在无线网络控制器间经Iu接口对参数发信号而实现。
下文将参照附图对本发明进行更详细地介绍，在附图中，
图1显示了现有技术移动通信系统。
图2显示了本发明的优选实施例的UMTS网络。
图3显示了为所有通信选择一个密钥。
图4显示了在通信过程中更改密钥时的情形。
图5显示了SRNC重定位中的信令顺序。
图6显示了只有一个核心网络加密实体的情形。
图7显示了从第一核心网络向第二核心网络进行的活动查询。
图8显示了在SRNC重定位中的替换信令顺序。
在各图中，对相似的实体使用了相同的参照数字。
有可能在UMTS中的UTRAN内实现加密。在两个MM选项中有两个实体，即，MSC和SGSN，它们可以请求在无线接口中加密。
在UMTS中，假设密钥以及所允许的加密算法通常是在连接开始时由CN域提供给UTRAN的。在UTRAN处接收加密命令消息将导致生成无线接口加密命令消息，而且，如果适用，则激活加密设备并开始数据流加密。如果在无线接口和所选的加密算法中成功地执行了加密，则会记录下CN域。
当从其他CN域(它没有与UE的任何连接)建立新的连接时，新的CN域还在连接开始时为UTRAN提供密钥及允许使用的加密算法。这是因为，从加密意义上讲，CN域间彼此独立。
如果假设为所有连接只使用一个密钥和一个加密算法，则会导致这样一种情形：其中，CN域提供了(两个)多个密钥，但只使用其中一个。
为了解决这个问题，UTRAN必须选择其中一个密钥。如果两个CN域所请求的加密要求间没有差别或者没有更改密钥的要求，则会如图3所示方式维持，例如，第一密钥和算法。
作为在两个不同的CN域间选择密钥的结果(如果两个CN域都有到UE的活动连接)，两个CN域中有一个不知道为连接使用的正确密钥。只有UTRAN和UE知道所使用的正确密钥。
可能要求为一个无线接入承载使用一个密钥。不同的用户平面承载分别通过由单个CN域提供的不同密钥进行加密。这意味着，对于经过MSC的两个呼叫，会为数据流使用两个密钥。但是，在控制平面中，只使用一个密钥，因此，在控制平面中，必须在由CN域提供的密钥间进行协调。
控制平面中的协调与为在UTRAN中使用的一个密钥所提供的类似。在控制平面中，UTRAN必须选择由两个CN域(如果两个CN域都活动)或由一个CN域(在使用了多个承载的情况下)提供的密钥之一。
在GSM中，当执行BSC间切换时，MSC在BSSMAPHANDOVER REQUEST(BSSMAP切换请求)消息中将密钥以及所允许的算法发送给目标BSC。在GPRS中，因为SGSN执行加密，BSC间切换不需要进行任何密钥管理。
对于UMTS，GSM方法不适用于在服务RNC(SRNC)重定位，因为CN域不一定知道所使用的正确密钥(如上文所述)。该解决方案是要在SRNC重定位中通过CN透明地对有关加密的信息进行中继。
图4描述了在RNC间切换中的密钥信令。密钥在RANAPSRNC REQUIRED(要求RANAP SRNC)和RANAP SRNCREQUEST(RANAP SRNC请求)消息中在透明的(到CN)UTRAN信息字段中从源RNC传送给目标RNC。这样，正确的密钥便被传送给目标RNC。
在从UMTS到GSM的切换中，密钥不能象在UMTS中那样透明地传输。CN(或IWU)不得不构建BSSMAP HO REQUEST(BSSMAP HO请求)消息，它具有来自MSC的密钥。2G-SGSN通过Gn接口从旧的3G-SGSN接收其密钥(如在GPRS中的情形那样)。
如果在UMTS中使用的密钥与在GSM中使用的不同，例如密钥长度不同，则在UMTS-GSM切换中必须MSC和SGSN两个密钥都更改。
在GSM中，A接口BSSMAP在BSSMAP HO REQUIRED和HO REQUEST消息中支持透明字段，从而也允许对与UTRAN相连的GSM CN利用提出的解决方案。
在图8中给出了替换的信令。这时，象在GSM的MSC中那样管理密钥(如上文所述)，但透明信息包括有关实际使用了哪个密钥的标识。例如，如果在源中使用了由SGSN提供的密钥，则目标将接收两个密钥以及表示该SGSN密钥正在使用中的标识。这种替换信令的优点在于它与GSM的相似性，由于在GSM和UMTS中，在CN(实际上只有MSC)中进行密钥管理的原理都相同，因而使得与GSM的切换更加简单。
综上所述，很明显，本领域中的技术人员可以在本发明的范围内对其进行各种修改。尽管详细介绍了本发明的优选实施例，但应明显看出，可对本发明进行多种更改，但这些更改都不会背离本发明的宗旨和范围。

Claims (8)

1.一个通信网络，包括一个用户设备，一个接入网络和多个核心网络，其中所述用户设备能够同时与所述多个核心网络中的至少两个进行通信，其特征在于所述核心网络中的至少两个核心网络每个都包含用于将独立的加密参数传输到所述接入网络的装置；所述接入网络包括用于选择所述独立加密参数之一的装置，用于对在所述的用户设备和所述多个核心网络中的至少两个间进行的通信加密。
2.根据权利要求1所述的通信网络，其特征在于所述接入网络进一步包括装置，用于利用所述独立加密参数中所述选定的一个对在所述的用户设备和所述多个核心网络中的至少两个间进行的所述通信加密。
3.根据权利要求1或2所述的通信网络，其特征在于所述加密参数是一个密钥或一个加密算法，或者是这二者的组合。
4.在通信网络中进行加密的方法包括一个用户设备，一个接入网络和多个核心网络，其中所述用户设备能够同时与所述多个核心网络中的至少两个进行通信，其特征在于所述核心网络中的至少两个核心网络每个均将独立的加密参数传输到所述的接入网络；而且所述的接入网络选择所述的独立加密参数之一，用于对在所述的用户设备和所述多个核心网络中的至少两个间进行的通信加密。
5.根据权利要求4所述的加密方法，其特征在于所述的接入网络进一步利用所述独立加密参数中所述选定的一个对在所述的用户设备和所述多个核心网络中的至少两个间进行的所述通信加密。
6.根据权利要求4或5所述的加密方法，其特征在于所述加密参数是一个密钥或一个加密算法，或者是这二者的组合。
7.根据权利要求4所述的加密方法，其特征在于所述的接入网络包括多个实体，专用于管理对与位于分配给所述各个实体的地理区域中用户设备进行的通信进行加密，而且当所述用户设备从分配给第一加密管理实体的地理区域移动到分配给第二加密管理实体的地理区域时，所述第一加密管理实体通过在所述多个核心网络中的至少两个间发信号将所使用的加密参数传输给所述的第二加密管理实体。
8.一个接入网组件连接到多个核心网络以及连接到一个用户设备，其中所述用户设备能够经所述接入网同时与所述多个核心网络中的至少两个进行通信，其特征在于所述接入网络包括用于从所述核心网络接收独立加密参数的装置；而且所述接入网络包括选择所述独立加密参数之一的装置，用于对在所述的用户设备和所述多个核心网络中的至少两个间进行的通信加密。
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