DE10337237B4 - Verfahren zum Erzeugen von Zufallszahlen mittels eines Basisband-Signals eines Mobilfunkempfängers - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Erzeugen von Zufallszahlen in einer Funkstation mit folgenden Schritten:
– Empfangen eines Empfangssignals;
– Abgreifen eines Rauschanteils eines digitalen Empfangssignals unmittelbar nach einer Analog-Digital-Wandlung des Empfangssignals;
– Ableiten der Zufallszahlen von dem unmittelbar nach der Analog-Digital-Wandlung abgegriffenen Rauschanteil des digitalen Empfangssignals.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Zufallszahlen in einer Funkstation, insbesondere einer Mobilfunkstation.
• In einem Funkempfänger, beispielsweise einem Mobilfunkempfänger, werden verschiedene Arten von Zufallszahlen benötigt, die unterschiedlich kategorisiert werden. So gibt es beispielsweise sogenannte „Pseudo"-Zufallszahlen, die mit Hilfe eines Schieberegisters erzeugt werden und somit nicht im eigentlichen Sinne zufällig sind. Diese „Pseudo"-Zufallszahlen basieren im wesentlichen auf einer Polynomdivision. Als weitere Zufallszahlen sind die physikalischen Zufallszahlen zu erwähnen, die die eigentlich zufälligen Zahlen darstellen. Sowohl die „Pseudo"-Zufallszahlen als auch die physikalischen Zufallszahlen sind digitale Daten, die als Bitstrom gegeben oder interpretiert werden können. Die „Pseudo"-Zufallszahlen haben zwar zufällige statistische Eigenschaften, sind jedoch durch das sie charakterisierende Polynom und den Anfangszustand deterministisch festgelegt. Die physikalischen Zufallszahlen hingegen sind nicht reproduzierbar und basieren beispielsweise auf zufälligen physikalischen Vorgängen.
• Die Erzeugung und Verwendung von physikalischen Zufallszahlen ist in einem Funkempfänger für einige sicherheitsrelevante Algorithmen erforderlich. Beispielsweise kann eine physikalische Zufallszahl verwendet werden, um den Startwert eines Schieberegisters zu bestimmen oder den Inhalt eines Schieberegisters in zufälliger Weise zu verändern.
• Üblicherweise wird zum Erzeugen von physikalischen Zufallszahlen in einem Mobilfunkempfänger eine analoge Schalteinheit verwendet, deren erzeugte Werte dann digitalisiert werden.
• Der auf diese Weise erzeugte Bitstrom kann jedoch noch systematische Abweichungen von einer rein zufälligen Folge aufweisen, was dazu führt, dass bei diesem erzeugten Bitstrom nicht generell von guten statistischen Eigenschaften ausgegangen werden kann. Des Weiteren ist es bei einer derartigen Erzeugung von Zufallszahlen erforderlich, dass ein zusätzliches analoges Bauelement im Mobilfunkempfänger angeordnet ist. Dies führt auch zu dem Nachteil, dass bei einem Technologie-Wechsel dieses Bauteil nicht automatisch skaliert bzw. angepasst werden kann. Durch einen weiteren erforderlichen Digital/Analog-Wandler wird dadurch der Zufallszahlen-Generator relativ aufwändig.
• WO 01/33766 A2 offenbart die Erzeugung von Zufallszahlen in einem Empfangs-AGC-Schaltkreis, in einem DC-Offset-Schleifenkorrekturelement und in einem Zeitverfolgungs-Schleifenelement.
• Dem Buch "Handbook of Applied Cryptography", CRC Press 1997, der Autoren A. Y. Menezes, P. C. van Oorschot, S. A. Vanstone kann insbesondere auf den Seiten 39–41 und 171–173 entnommen werden, dass für die Erzeugung von Zufallszahlen hardwarebasierte Generatoren verwendet werden können, bei welchen der Zufallsfaktor auf bestimmten physikalischen Phänomenen beruht. Als Beispiel für derartige hardwarebasierte Zufallsgeneratoren werden rauschbehaftete Dioden angegeben.
• Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem Zufallszahlen mit hinreichend guten statistischen Eigenschaften aufwandsarm erzeugt werden können.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, das die Merkmale nach Patentanspruch 1 aufweist, gelöst.
• Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen von Zufallszahlen in einer Funkstation, insbesondere einer Mobilfunkstation, wird ein Empfangssignal in der Funkstation emp fangen und die Zufallszahlen von dem Rauschanteil des Empfangssignals abgeleitet. Dadurch kann erreicht werden, dass physikalische Zufallszahlen relativ einfach und aufwandsarm erzeugt werden können, wobei die Zufallszahlen ausreichend gute statistische Eigenschaften aufweisen.
• Erfindungsgemäß wird das Empfangssignal in eine Folge von digitalen Bitvektoren, im Folgenden auch digitaler Bitvektorstrom genannt, gewandelt und die Zufallszahlen von dem niederwertigsten Bit der Bitvektoren abgeleitet. Als der digitale Bitvektorstrom wird das digitale Basisband-Signal verwendet. Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird der digitale Bitvektorstrom den Nutzdaten des digitalen Basisband-Signals entnommen.
• Es kann auch vorgesehen sein, dass der digitale Bitvektorstrom anderen als den Nutzdaten, insbesondere den der Kanalschätzung dienenden Pilotdaten oder den der Synchronisation dienenden Synchronisationsdaten entnommen wird.
• Vorteilhaft ist es, wenn ein digitaler Bitvektorstrom verwendet wird, welcher die im Empfangspfad maximal verfügbare Vektorbreite aufweist. Unter einem Bitvektor wird hier ein Bitwort und somit mit der Bitvektorbreite eine Bitwortbreite verstanden.
• In vorteilhafter Ausführung verwendet das Verfahren einen Teil des digitalen Basisband-Signals des Mobilfunkempfängers zum Erzeugen der physikalischen Zufallszahlen, wobei das niederwertigste Bit abgegriffen wird, welches im erforderlichen Maß mit Rauschen behaftet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt somit zum Erzeugen von Zufallszahlen den Basisband-Baustein einer Funkstation, insbesondere einer Mobilfunkstation, der generell als zentraler Baustein in einem Mobilfunkempfänger vorhanden ist. In der vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dabei ein bereits bestehendes digitales Signal, das digitale Basisband-Signal verwendet, welches den Vorteil hat, dass keine weitere Analog-Digital-Wandlung erforderlich ist.
• Das Verfahren nutzt in vorteilhafter Weise die Tatsache aus, dass das im Basisband ankommende physikalische Empfangssignal mit einem Rauschen behaftet ist, wobei das Rauschen sowohl aus der Umgebung der Funkstation als auch aus dem Teil der Funkstation, in dem die analoge Signalverarbeitung durchgeführt wird, hervorgeht. Zumindest ein ausreichender Anteil des Rauschens ist dabei durch thermisches Rauschen charakterisiert, wobei dieser Anteil im wesentlichen als echtes zufälliges Rauschen angenommen werden kann. Das Empfangssignal wird an geeigneter Position im Basisband-Signal nach der Analog-Digital-Wandlung abgegriffen und für das Erzeugen einer Folge von physikalischen Zufallszahlen herangezogen. Anzumer ken ist hierbei, dass nicht das gesamte Signal zufällig ist, sondern im wesentlichen ein deterministisches Signal vorliegt, welches einen additiven zufälligen Anteil aufweist. Daher reicht es aus, wenn lediglich das niederwertigste Bit des Signals abgegriffen wird, da dieses niederwertigste Bit für die im Basisband verwendeten Bitbreiten mit ausreichendem thermischen Rauschen behaftet ist. Dies bedeutet, die daraus erzeugte Folge physikalischer Zufallszahlen weist die erforderlichen statistischen Eigenschaften auf.
• Die Position des Abgriffs des niederwertigsten Bits aus dem Bitstrom innerhalb eines Basisbands kann variiert werden. Wesentlich dabei ist es, dass das Abgreifen nach der Analog-Digital-Wandlung durchgeführt wird, also dann, wenn das Basisband-Signal bereits digitalisiert vorliegt. Dadurch kann erreicht werden, dass im Zufallszahlen-Generator eine Analog-Digital-Wandlung nicht mehr erforderlich ist und dadurch ein Analog-Digital-Wandler eingespart werden kann. Die erzeugten physikalischen Zufallszahlen sind quasi als echt zufällig gegeben, da sie durch physikalische Vorgänge bestimmt sind und zwar sowohl durch den Übertragungsweg des Signals als auch durch das thermische Rauschen innerhalb der Funkstation. Des Weiteren ist die Rate der Zufallszahlen sehr hoch und entspricht zumindest der Verarbeitungsrate des entsprechenden Bereichs im Funkempfänger. Bei der Verwendung des Bitstroms unmittelbar nach der Analog-Digital-Wandlung kann ein Bitstrom mit einer Rate erhalten werden, die mindestens der Rate des entsprechenden Funksystems entspricht. Beispielsweise kann dies bei einem UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) – System 3.84 MHz sein. Bei einer Überabtastung ist die Rate entsprechend höher.
• Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 ein Blockschaltbild eines Funkempfängers mit einem Hochfrequenz- und einem Basisband-Baustein; und
• 2 ein Blockschaltbild eines Basisband-Bausteins einer Funkstation, bei dem ein Teil des Basisband-Signals zur Erzeugung von Zufallszahlen abgegriffen wird.
• In 1 ist eine schematische Darstellung einer Mobilfunkstation gezeigt, die die Funkstandards GSM (Global System for Mobile Communications) und UMTS unterstützt und welche einen Hochfrequenz-Baustein HFB und einen Basisband-Baustein BBB aufweist. Der Hochfrequenz-Baustein HFB ist mit einer Antenne A verbunden, über die Signale gesendet und empfangen werden können. Der Hochfrequenz-Baustein HFB umfasst eine Empfangseinheit E und eine Verstärkereinheit V. Ein über die Antenne A empfangenes Signal wird an die Empfangseinheit E übertragen und an die Verstärkereinheit V weitergegeben, bevor es über die Leitung SL als Basisband-Signal BBS an den Basisband-Baustein BBB übertragen wird. Der Basisband-Baustein BBB umfasst in der vereinfachten Darstellung einen Analogteil AT und einen Digitalteil DT. Der Signalverlauf des Basisband-Signals ist mit BBS gekennzeichnet und veranschaulicht ein rauschbehaftetes Signal, das an den Analogteil AT des Basisband-Bausteins BBB übertragen wird. Dort wird es in ein digitales Signal gewandelt.
• In 2 ist eine beispielhafte Darstellung des Signalverarbeitungspfads im Basisband-Baustein BBB vom Analog-Digital-Wandler AD bis hin zum Übergang in den UMTS Bereich des Basisband-Bausteins BBB gezeigt. Der Verarbeitungspfad weist im GSM-Bereich einen dem Analog-Digital-Wandler AD nachgeschalteten Logik-Baustein LB auf. Diesem Logik-Baustein LB sind mehrere Filter F1 bis F3, eine Einheit E zur Phasenverschiebung mittels des CORDIC (Co-Ordinate Rotations Digital Computer)-Algorithmus, und ein weiterer Filter F4 nachgeschaltet. Dem Filter F4 ist eine Abtastratenkonvertierer-Einheit ARK nachgeschaltet, welche die Abtastrate nach Erfordernis ändert und an der Bereichsgrenze zwischen dem GSM- und UMTS-Bereich in schematischer Weise dargestellt ist. Die Filter F1 bis F3 können beispielsweise in der Reihenfolge ihrer vorab aufgelisteten Bezeichnung als Kamm-Filter, als WD (Wellen Digital) -Filter und als Notch-Filter ausgebildet sein. Das Filter F4 kann beispielsweise als RRC (Root Raised Cosine)-Filter ausgebildet sein. Der Analog-Digital-Wandler AD, die Filter F1 bis F4, die Einheit E und die Abtastratenkonvertierer-Einheit ARK sind mit dem Systemtakt ST von 62,4 MHz des GSM-Bereichs getaktet. Des Weiteren kann die Abtastratenkonvertierer-Einheit ARK mit einer nicht dargestellten Einheit zur RSSI (Radio Strength Signal Indication)-Messung und nicht dargestellten Puffer-Einheiten im UMTS-Bereich elektrisch verbunden sein. Die Bitrate, mit der die Bits von der Abtastratenkonvertierer-Einheit ARK zu der RSSI-Einheit und den Puffereinheiten übertragen werden, weist im Ausführungsbeispiel die Frequenz f_S = 7,68 MHz auf.
• Das vom Hochfrequenz-Baustein HFB (1) empfangene Basisband-Signal BBS wird im Analogteil AT des Basisband-Bausteins BBB empfangen und im Analog-Digital-Wandler AD in ein digitales Basisband-Signal gewandelt. Das digitale Basisband-Signal wird mit einer Bittaktfrequenz von f_s = 62,4 MHz an den Logik-Baustein LB übertragen. Das digitale Ausgangssignal des Logik-Bausteins LB wird mit einer Bittaktfrequenz von f_s = 62,4 MHz an das erste Filter F1, das Kamm-Filter, übertragen. Das digitale Ausgangssignal des Filters F1 wird mit einer reduzierten Bittaktfrequenz von f_s = 15,6 MHz an das Filter F2, das WD-Filter, übertragen. Nachfolgend wird das digitale Basisband-Signal mit einer wiederum reduzierten Bittaktfrequenz von f_S = 7,8 MHz an das Filter F3, das Notch-Filter, übertragen. Vom Notch-Filter F3 werden die Bits des digitalen Basisband-Signals mit einer Bitvektorbreite von 12 Bits mit einer Bittaktfrequenz von f_s = 7,8 MHz an die Einheit E übertragen. Die Einheit E wird zur Phasenverschiebung der Bits um 90° mittels des CORDIC-Algorithmus verwendet.
• Von der Einheit E werden zwei Bitvektorströme mit einer Breite von jeweils 12 Bits mit einer Bittaktfrequenz von f_s = 7,8 MHz an das Filter F4, das RRC-Filter, übertragen. Aus diesen beiden Bitvektorströmen wird jeweils das jeweils niederwertigste Bit, das LSB-Bit (Least Significant Bit), aus den Bitvektorströmen abgegriffen. Dadurch werden wiederum zwei Bitströme mit einer Bitrate von 7,8 MHz erzeugt. Eine derartige Bitrate ist für die erforderlichen sicherheitsrelevanten Anwendungen ausreichend. Durch das Abgreifen des niederwertigsten Bits eines Bitstroms, welches für das Erzeugen von Zufallszahlen einen ausreichenden Rauschanteil aufweist, können „echte" physikalische Folgen von Zufallszahlen generiert werden. Die im Ausführungsbeispiel generierte Bitrate von 7,8 MHz wird im wesentlichen durch das zweifache Überabtasten der UMTS-Chiprate erzeugt. In den nachfolgenden Signalverarbeitungsblöcken werden vorwiegend Symbole verwendet, welche eine niedrigere Bitrate besitzen. Beispielsweise hat das Pilotsignal, welches bei der Kanalschätzung verwendet wird, eine Symbolrate von 15 kHz (Real- und Imaginärteil), so dass dort eine Folge von Zufallszahlen mit einer Rate von 30 kHz abgegriffen werden kann.
• Im Ausführungsbeispiel unterstützt die Mobilfunkstation die Funkstandards GSM und UMTS, und der Teil des Empfangssignals, welcher zum Erzeugen der Zufallszahlen herangezogen wird, wird im Signalverarbeitungsbereich des GSM-Bereichs abgegriffen.
• Im Ausführungsbeispiel erfolgt der Abgriff des zum Erzeugen der Zufallszahlen verwendeten niederwertigsten Bits des digitalen Basisband-Signals bzw. das niederwertigste Bit des Bitstroms beim Filter F4. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das niederwertigste Bit des Basisband-Signals an einer anderen Stelle des Signalpfades, insbesondere an einer anderen Position im GSM-Bereich, abgegriffen wird. Wesentlich ist es, dass ein Abgriff nach dem Analog-Digital-Wandler AD durchgeführt wird, also dann, wenn das Basisband-Signal BBS bereits in digitaler Form vorhanden ist.
• Mehrere Simulationen haben gezeigt, dass durch die Erfindung eine aufwandsarme und wesentlich verbesserte Erzeugung von Zufallszahlen in einer Funkstation, insbesondere in einem Mobilfunkempfänger, durchgeführt werden kann.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen von Zufallszahlen wird in vorteilhafter Weise in einem Mobilfunkempfänger das Empfangssignal als Basisband-Signal BBS an einen Basisband-Baustein BBB übertragen und im Basisband-Baustein BBB digitalisiert. Aus dem digitalen Basisband-Signal wird ein für das Erzeugen der Folge von physikalischen Zufallszahlen ausreichend verrauschter Teil, insbesondere das LSB-Bit des Bitstroms abgegriffen. Dieses LSB-Bit wird zum Erzeugen der physikalischen Zufallszahlen herangezogen.

Claims (6)

1. Verfahren zum Erzeugen von Zufallszahlen in einer Funkstation mit folgenden Schritten: – Empfangen eines Empfangssignals; – Abgreifen eines Rauschanteils eines digitalen Empfangssignals unmittelbar nach einer Analog-Digital-Wandlung des Empfangssignals; – Ableiten der Zufallszahlen von dem unmittelbar nach der Analog-Digital-Wandlung abgegriffenen Rauschanteil des digitalen Empfangssignals.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das digitale Empfangssignal aus digitalen Bitvektoren besteht, und – die Zufallszahlen die niederwertigsten Bits (LSB) der digitalen Bitvektoren sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die digitalen Bitvektoren des digitalen Basisband-Signals (BBS) verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die digitalen Bitvektoren den Nutzdaten des digitalen Basisband-Signals (BBS) entnommen werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem digitale Bitvektoren verwendet werden, welche die im Empfangspfad maximal verfügbare Bit-Wortbreite aufweisen.
6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Zufallszahlen die niederwertigsten Bits eines Ausgangssignals eines Analog-Digital-Wandlers sind.