DE10014463A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur sicheren Übertragung in Digitalübertragungssystemen - Google Patents

Verfahren und Schaltungsanordnung zur sicheren Übertragung in Digitalübertragungssystemen

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DE10014463A1
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Abstract

Es wird ein Verfahren zur sicheren Übertragung von Daten durch Verschleierung in Punkt-zu-Punkt- und Punkt-zu-Mehrpunkt-Digitalübertragungssystemen angegeben. Der sendeseitige Datenstrom (DS) wird dazu einer Modulationseinheit (MOD) zugeführt, deren Modulations- und Codierungsparameter (MP) des Modulationsverfahrens (MV) zeitlich veränderlich sind. Die Modulationsparameter (MP) werden über einen sicheren Kanal (SK) zu einem Demodulator (DEM) übertragen. Am Ausgang der Modulationseinheit (MOD) liegt das elektrische Sendesignal (ES), das über einen Kanal (K) übertragen wird. Der Demodulator (DEM), der die Verschleierungssequenz kennt, regeneriert das ursprüngliche Signal und liefert am Ausgang den Empfangsdatenstrom (DE).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sicherung des Übertragungskanals bei Punkt-zu-Punkt- und Punkt-zu- Mehrpunkt-Digitalübertragungssystemen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein bisher bekanntes Verfahren der sogenannten "codierten Modulation" ist in IEEE Trans. on Information Theory, vol. IT-28, no. 1, pp. 55-67, Jan. 1982 von G. Ungerboeck unter dem Titel "Channel coding with multilevel/phase signals" beschrieben.
Außerdem ist von G. Ungerbroeck in IEEE Comm. Mag., vol. 25, no. 2, pp. 5-21, Feb. 1987 unter dem Titel "Trellis­ coded modulation with redundant signals set" eine weitere bekannte Methode beschrieben.
Basisbandübertragungsverfahren sind zum Beispiel im ISDN- (ETSI TS080 r3a) und in HDSL-Standard (ETSI TS 101 135 V1.4.1) beschrieben. Diese Verfahren weisen mehrere Stufen auf; ein solches Verfahren ist insbesondere auf den Seiten 21-22 des HDSL-Standards beschrieben.
Wie eindeutig aus der Beschreibung der bekannten Verfahren aus den genannten Veröffentlichungen hervorgeht, sind diese Verfahren in ihrer Anwendungsbreite eingeschränkt. Außerdem würde ganz besonders im Mbit/s-Bereich der technische Aufwand hochliegen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Sicherung des Übertragungskanals bei Punkt­ zu-Punkt- und Punkt-zu-Mehrpunkt-Digitalübertragungs­ systemen zu schaffen, das auf der Verschleierung des Datenstromes beruht, speziell bei Bitraten im Mbit/s- Bereich den Einsatz zusätzlicher Hardware überflüssig macht und außerdem insbesondere bei DMT-Verfahren in ADSL- Systemen in Software umsetzbar ist, sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe für das Verfahren besteht im Kennzeichen des Patentanspruchs 1.
Weitere Lösungen bzw. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 1 bis 10 charakterisiert.
Die Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist im Patentanspruch 11 charakterisiert.
Das neue Verfahren zur Sicherung des Übertragungskanals bei Punkt-zu-Punkt- und Punkt-zu-Mehrpunkt-Digitalübertragungs­ systemen besteht vor allem darin, daß es nicht auf Verschlüsselung des Datenstromes, sondern auf Verschleierung des Sendesignals beruht. Es erfolgt also keine, wie im Stand der Technik üblich, Verschlüsselung auf binärer Ebene.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß sie für alle Verfahren der Mehrträger-, Einträger- und trägerlosen Amplitudenmodulation-Pulsmodulation codierten Modulation und Basisbandübertragung geeignet ist. Die Ver- und Entschleierung hat den Vorteil, daß speziell bei Bitraten im Mbit/s-Bereich der Einsatz spezieller zusätzlicher Hardware überflüssig ist und daß sie bei DMT-Verfahren in ADSL-Systemen in Software umsetzbar ist; dies war bei den bisher bekanntgewordenen Verfahren nicht möglich.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung, insbesondere der Ver- und Entschleierung, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In der Beschreibung, in den Patentansprüchen, der Zusammenfassung und in der Zeichnung werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
In der Zeichnung bedeuten:
Fig. 1 ein prinzipielles Funktionsdiagramm;
Fig. 2 ein detaillierteres Funktionsprogramm für Einträgerübertragungsverfahren und
Fig. 3 ein Beispiel für die Verschleierung nach dem vorliegenden Verfahren.
Das vorliegende Verfahren zur Sicherung des Übertragungskanals, insbesondere bei Punkt-zu-Punkt- und Punkt-zu-Mehrpunkt-Digitalübertragungssystemen durch Verschleierung der Datenübertragung beruht darauf, daß die Verschlüsselung der Daten nicht in der Binärebene, sondern im Modulationsverfahren durch eine zeitliche Änderung der Modulationsparameter, die über einen sicheren Kanal zu einem Demodulator übertragen werden, erfolgt. Der sichere Kanal wird dabei extern durch einen getrennten Übertragungsweg implementiert oder in den Übertragungsweg integriert und mit kryptographischen Methoden geschützt.
Bei der Implementierung für Mehrträgerübertragungs­ verfahren, sogenannten Multitone-Verfahren, bei denen die Information in mehreren mittels Quadraturamplituden­ modulaticn QAM modulierten Kanälen transportiert wird, wird sowohl die Zuordnung von Rahmenbits auf die einzelnen Kanäle als auch die Zuordnung von Informationsbits zu den Modulationssymbolen pro Kanal (sogenanntes Mapping) und außerdem auch die Zuordnung des jeweiligen Modulationsalphabetes für jeden einzelnen Träger zeitlich variiert.
Für die Mehrträgerübertragungsverfahren, wie sie in den derzeitigen ADSL-Systemen nach ANSI-Standard T1E1.4/98-007 und ETSI DTS/TM-06006 festgelegt sind, erfolgt die Zuordnung von ADSL-Rahmenbits auf die einzelnen Kanäle (sogenanntes Tone Ordering), die Zuordnung der Informationsbits zu den Modulationssymbolen pro Kanal (sogenanntes Mapping) und auch die Zuordnung des Modulationsalphabets für jeden einzelnen Träger zeitlich variiert.
Für die Implementierung für Einträgerübertragungsverfahren mit Quadraturamplitudenmodulation QAM, wie sie im Richtfunk und im Breitbandkabel verwendet werden, erfolgt die Zuordnung der gesendeten Bits zu den Modulationssymbolen zeitlich variiert.
Für die Implementierung für trägerlose Amplituden-/Phasen­ modulationsverfahren (sogenannten Carrierless AM/PM(CAP)-Verfahren), wie als Spezialfall bei Übertragung von HDSL-Systemen verwendet, erfolgt die Zuordnung der gesendeten Bits zu den Modulationssymbolen ebenfalls zeitlich variiert.
Für Basisbandübertragungsverfahren, zum Beispiel gemäß ISDN-(ETSI TS080 r3a) und HDSL-Standard (ETSI TS 101 135 V1.4.1), die mehr als zwei Stufen aufweisen, erfolgt die Zuordnung der gesendeten Bits zu den Signalstufen ebenfalls zeitlich variiert. Dies trifft auch für die sogenannten codierten Modulationen zu, wobei die Zuordnung der Informationsbits zu den Modulationssymbolen pro Kanal, (sogenanntes Mapping), die Codeparameter, wie zum Beispiel die Generatorpolynome bei Block- und Faltungscodes, ebenfalls zeitlich variiert werden.
In Fig. 1 ist anhand eines prinzipiellen Funktionsschaubildes die prinzipielle Funktionsweise dargestellt. Anhand dieser Figur wird nun das erfindungsgemäße Verfahren zunächst prinzipiell beschrieben.
Der senderseitige Datenstrom DS wird zunächst einer Modulationseinheit MOD zugeführt, deren Modulationsparameter MP des Modulationsverfahrens MV zeitlich veränderlich sind. Die Modulationsparameter MP werden über einen sicheren Kanal SK zu einem Demodulator DEM übertragen. Am Ausgang der Modulationseinheit MOD liegt ein elektrisches Sendesignal ES an, das über den Kanal K übertragen wird. Der Demodulator DEM regeneriert unter Zuhilfenahme der Kenntnis der zeitabhängigen Modulationsparameter MP ein Empfangssignal eines Empfangsdatenstromes DE.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Einträgerübertragungsverfahren 16-QAM ist in Fig. 2 grundsätzlich dargestellt und wird im nachfolgenden erklärt.
Der serielle binäre Datenstrom DS wird auf den Eingang eines Seriell-/Parallel-Wandlers SP gegeben, der eine Umwandlung in 4-Bit-Worte vornimmt. Der Ausgang dieses Wandlers ist mit einer Verschleierungseinheit V verbunden, die eine zeitlich veränderliche Zuordnung eines Eingangswortes zum Ausgangswort erzeugt. Eine Modulationssymbolzuordnungseinheit MP' oder auch Mappingeinheit stellt dann eine eindeutige Zuordnung zum zu sendenden Kanalsymbol her, das durch die Werte Is und Qs gekennzeichnet ist. Der Modulator MOD erzeugt das elektrische HF-Signal, das über den Kanal K übertragen wird.
Empfangsseitig wird in einem Demodulator DEM das HF-Signal zu einem zweidimensionalen Basisbandsignal mit dem Komponenten Ie und Qe umgesetzt. Eine Demapping-Einheit DMP erzeugt ein binäres 4-Bit-Wort ed. Eine nachfolgende Entschleierungseinheit E erzeugt an ihrem Ausgang das binäre 4-Bit-Wort ede, das auf einen Parallel-/Seriell- Wandler PS gegeben wird und an dessen Ausgang als Empfangsdatenstrom DE zur Verfügung steht. Die Verschleierungssequenz wird mittels eines sicheren Kanals SK, der extern ausgeführt oder auch in den Hauptkanal integriert sein kann, zwischen der Verschleierungseinheit V und der Entschleierungseinheit E übertragen.
In Fig. 3 ist die prinzipielle Darstellung der Verschleierung von Codewörtern, wie sie dem vorliegenden Verfahren zugrunde liegt, gezeigt. Die Wirkung der Verschleierung ist am Beispiel des 16-QAM- Signalzustandsdiagramms dargestellt. Die Punkte des Diagramms entsprechen den möglichen Wertepaaren Is und Qs am Eingang des Modulators MOD in Fig. 2. Da der Block Mapping MP eine eindeutige Abbildung des eingangsseitigen Binärvektors esv auf einen Punkt des Konstellationsdia­ gramms bewirkt und ebenso der Block Verschleierung (V) eine eindeutige Abbildung von es auf esv, kann man die Wirkung der Verschleierungseinheit V als einen eindeutigen Wechsel der Zuordnung der Punkte der Signalkonstellation zu den sechzehn verschiedenen Werten des Binärvektors es begreifen. Dieses Wechseln der Zuordnung ist durch die Pfeile in Fig. 3 angedeutet. Die Entschleierungseinheit E vollzieht diesen Wechsel der Zuordnung in umgekehrter Weise. Sofern kein Übertragungsfehler aufgetreten ist, ist das binäre Wort ede am Ausgang der Entschleierungseinheit E identisch zu dem binären Wort es am Eingang der Verschleierungseinheit V.
Liste der Bezugszeichen
DE Empfangsdatenstrom
DEM Demodulator
DMP Demappingeinheit
DS Datenstrom
ed
, de
Wort (binär)
es
, esv
Wort (binär)
E Entschleierungseinheit
ES elektrisches Sendesignal
Is
, Qs
Komponenten des zweidimensionalen Basisbandsignals (am Modulatoreingang)
Ie
, Qe
Komponenten des zweidimensionalen Basisbandsignals (am Demodulatorausgang)
MOD Modulator
MP Modulationsparameter
MP' Mappingeinheit oder Modulationssymbol- Zuordnungseinheit
MV Modulationsverfahren
K Kanalsymbol
K Kanal
SP/PS Seriell-/Parallel- bzw. Parallel-/Seriell-Wandler
SK sicherer Kanal
V Verschleierungseinheit

Claims (11)

1. Verfahren zur sicheren Übertragung von Daten eines Übertragungskanals in Punkt-zu-Punkt- und Punkt-zu- Mehrpunkt-Digitalübertragungssystemen, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Verschleierung eines elektrischen Sendesignals (ES) eines Datenstromes (DS) im Modulationsverfahren durch eine zeitliche Änderung von Modulationsparametern (MP) erfolgt und
daß die Modulationsparameter (MP) über einen sicheren Kanal (SK) zu einem Demodulator (DEM) übertragen werden.
2. Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein sendeseitiger Datenstrom (DS) einem Modulator (MOD) zugeführt wird,
daß Modulationsparameter (MP) eines jeweiligen Modulationsverfahrens (MV) zeitlich veränderlich sind,
daß die Modulationsparameter (MP) über einen sicheren Kanal (SK) zu einem Demodulator (DEM) übertragen werden,
daß am Ausgang des Modulators (MOD) ein elektrisches Sendesignal (ES) anliegt, das über einen Kanal (K) übertragen wird und
daß der Demodulator (DEM) mittels zeitabhängiger Modulationsparameter (MP) das Empfangssignal (Es) regeneriert.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der sichere Kanal (SK) extern durch einen getrennten Übertragungsweg implementiert wird.
4. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der sichere Kanal (SK) in den Übertragungskanal (K) integriert ist und mit kryptographischen Methoden bzw. Verfahren zur sicheren Übertragung der Daten geschützt wird.
5. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Mehrträgerübertragungsverfahren, insbesondere sogenannten Multitone-Verfahren, bei denen die Information in mehreren QAM modulierten Kanälen transportiert wird, durch Zuordnung der Rahmenbits auf die einzelnen Kanäle, die Zuordnung der Informationsbits zu den Modulationssymbolen pro Kanal, das sogenannte Mapping, und die Zuordnung des Modulationsalphabets für jeden einzelnen Träger zeitlich variiert wird.
6. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zuordnung von ADSL-Rahmenbits in ADSL-Systemen nach ANSI-Standard T1E1.4/98-007 und ETSI DTS/TM-06006 auf die einzelnen Kanäle erfolgt,
daß die Zuordnung der Informationsbits zu den Modulationssymbolen pro Kanal und
daß die Zuordnung des Modulationsalphabetes für jeden einzelnen Träger zeitlich variiert werden.
7. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Implementierung in einem Einträgerübertragungsverfahren mit Quadraturamplitudenmodulation (QAM) die Zuordnung der gesendeten Bits zu den Modulationssymbolen zeitlich variiert wird.
8. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Implementierung für trägerlose Amplituden-/Phasen­ modulationsverfahren (Carrierless AM/PM (CAP)- Verfahren) und als Spezialfall zur Übertragung bei HDSL-Systemen durch zeitliche Zuordnung der gesendeten Bits zu den Modulationssymbolen variiert wird.
9. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Implementierung für Basisbandübertragungs­ verfahren mit mehr als zwei Stufen die Zuordnung der gesendeten Bits zu den Signalstufen zeitlich variiert wird.
10. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Implementierung für Verfahren der codierten Modulation die Zuordnung der Informationsbits zu den Modulationssymbolen pro Kanal, und die Codeparameter, insbesondere Generatorpolynome bei Block- und Faltungscodes, zeitlich variiert werden.
11. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 oder 2 oder 5.
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