DE4026698A1 - Synchronisationsverfahren in einem mobilfunksystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Synchronisationsverfahren in einem Mobilfunksystem, in welchem ein globaler Zeitbezug fehlt, das heißt, ein System, in welchem ein Zeitbezug fehlt, welcher allen mobilen Stationen und allen Basisstationen in dem System gemein ist. Spezieller, obwohl nicht ausschließlich, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Synchronisieren eines Zufalls-Bitstromes, welcher verschleiernd einem normalen Verkehrsfluß während einer Rufübertragung oder Datenübertragung zwischen den Basisstationen und den mobilen Stationen überlagert wird. Das vorgeschlagene Verfahren kann besonders ein sogenanntes TDMA-System verwendet werden, das heißt einem Mobilfunksystem, in welchem Gespräche in Rahmen und Zeitschlitzen mittels Zeitmultiplex übermittelt werden.

In Mobilfunksystemen und in TDMA-Systemen im besonderen ist es wünschenswert, die Sicherheit von Gesprächen zu erhalten, um nicht autorisierte Personen daran zu hindern, über das Netzwerk Anrufe abzuwickeln. Um dieses Erfordernis zu erfüllen, wurde vorgeschlagen, die Gespräche zu verschlüsseln; sh. zum Beispiel EP-A-2 73 289.

Gespräche zwischen einer Basisstation und einer Mobilstation werden durch Verarbeitung der Sprachbotschaft in einem Zerhacker verschlüsselt, welcher die Sprachsignale in Übereinstimmung mit einem gegebenen Schlüssel in eine Zufallssequenz umwandelt. Zum Beispiel können die Sprachsignale mit einer Bit-Zufallssequenz relativ großer Dauer (mehrere Minuten) überlagert werden. In diesem Fall besteht der Verschlüsselungs-Schlüssel in der Kenntnis des gesamten Bitmusters der Sequenz und ebenso in der Kenntnis der Zeit, zu welcher die Sequenz begonnen hat. Ein autorisierter Teilnehmer kann sich an ein Schaltungsmodul in dem Apparat anschließen, welcher diese Sequenz und den Startzeitpunkt speichert, und ist somit in der Lage, eingehende Gespräche zu dekodieren.

Einigen TDMA-Mobilfunksystemen fehlt ein globaler Zeitbezug, das heißt, eine Vorrichtung in der Mobilfunkzentrale, welche einen Takt enthält, der dem gesamten System gemein ist, und denselben Zeitbezug für alle Basisstationen und Mobilstationen in dem System erzeugt. Der Zweck eines solchen gemeinsamen Zeitbezuges ist es, die Mobilstationen und die Basisstationen aufeinander in speziellen Rahmen und Zeitschlitzen zu synchronisieren, wenn aus welchen Gründen auch immer eine Synchronisation mittels Signalisierung oder Daten/Sprachsignalen wechselt. Wenn ein Gespräch von einem Funkkanal zu einem anderen Funkkanal übertragen (weitergereicht) wird, kann eine Synchronisation zwischen der mobilen Station und ihrer Basisstation verlorengehen, weil eine kurze Unterbrechung während der eigentlichen Übertragung oder Schaltung des Gesprächs auftritt. Falls das Gespräch auch verschlüsselt ist, kann ein weiteres Problem als Ergebnis des Ausfalls der Synchronisation des eigentlichen betreffenden verschlüsselnden Schlüssels auftreten, wodurch die Entschlüsselung unmöglich wird.

Diese Probleme treten auch auf, wenn verschlüsselte Gespräche aufgebaut werden, obwohl diese Probleme bei der Weitergabe (hand-off) am stärksten sind.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Zeiteinteilung in verschiedenen Rahmen des Verkehrsflusses (TDMA-Prinzip) und auch auf den Zugang zu einer gegebenen Verschlüsselungssequenz relativ langer Dauer (ungefähr 3 Minuten) im Verhältnis zu der Zeit, während welcher eine Verbindung oder Weitergabe (hand-off) stattfinden soll. Die Erfindung basiert auch auf Verschlüsselung durch Überlagerung einer Sequenz auf den normalen Verkehrsfluß (Daten oder Sprache und Signalrahmen). Bevor ein Gespräch abgegeben wird oder während eines gegebenen Zeitintervalls während des Abgebens, in welchem eine Synchronisation der verschlüsselnden Sequenz aufgehört hat, wird nicht verschlüsseltes Signalisieren bewirkt, und danach der Verkehrsfluß mit einer periodischen Bitsequenz verschlüsselt, dessen Periode gleich einem Rahmen-Zeitintervall ist. Dieses macht es möglich, Synchronisationsdaten von einer Basisstation zu einer Mobilstation zu übertragen, gleichzeitig mit einem verschlüsselten Verkehrsfluß, und offenbart, wenn normale Verschlüsselung beginnen soll.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit, eine Synchronisation einer Verschlüsselungssequenz zu erreichen, wenn Gespräche in einem Mobiltelefonsystem, in welchem ein gemeinsamer Zeitbezug fehlt, aufgebaut oder weitergereicht werden.

Die Erfindung wird durch die Merkmale charakterisiert, die in den anschließenden Ansprüchen dargelegt sind.

Die Erfindung wird nun detaillierter mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen

Fig. 1 eine schematische Darstellung zweier Basisstationen und einer Mobileinheit ist;

Fig. 2 ein Zeitdiagramm für Übertragung und Empfang entsprechend dem TDMA-Prinzip ist;

Fig. 3 ein Zeitdiagramm zum Verschlüsseln nach dem vorgeschlagenen Verfahren ist; und

Fig. 4 detaillierter eine Signalisierung während eines gegebenen Zeitintervalls in Übereinstimmung mit Fig. 3 erläutert.

Fig. 1 stellt schematisch zwei Basisstationen BS1 und BS2 und eine Mobilstation MS dar, von welcher angenommen wird, daß sie sich von der Basisstation BS1 zur Basisstation BS2 hinbewegt. Die Basisstation BS1 bedient Verkehr innerhalb der Zelle C1 und die Basisstation BS2 bedient Verkehr innerhalb der Zelle C2. Die Zellen C1 und C2 haben eine gemeinsame Grenze G. Wenn die Mobilstation M sich der Grenze G nähert, fällt die Sprachqualität für ein verbundenes Gespräch, welches von der Basisstation BS1 über einen gegebenen Funkkanal K1 bedient wird, ab. Umschalten auf einen neuen Funkkanal K2 zur Mobilstation wird von BS1 durch Messen der Feldstärke des Funksignals und Durchführung von Berechnungen in Übereinstimmung mit bekannten Prinzipien bewirkt. Dieser neue Kanal K2 wird von BS2 bedient. Während der eigentlichen Schaltsequenz, welche eine Dauer von ungefähr 100 ms haben kann, empfängt MS nicht, und die Empfangsschaltkreise in MS können die Synchronisation des Verkehrsflusses verlieren, das heißt, die Zeitposition von Rahmen und Zeitschlitzen von der Basisstation BS1.

Fig. 2 erläutert einen Übertragungsrahmen und einen Empfangsrahmen (RX bzw. TX) für die Mobilstation MS.

Es wird angenommen, daß vor dem Weiterreichen der Verkehrsfluß mit einem bestimmten Schlüssel E2 verschlüsselt wird. Dieser Schlüssel besteht aus einer Bitsequenz oder einem Abschnitt einer längeren Zufallsbitsequenz E (zum Beispiel ungefähr 3 Minuten lang), welche dem Verkehrsfluß durch Modulo-2-Addition Bit für Bit überlagert wird. Es wird angenommen, daß der Schlüssel E der Mobilstation MS bekannt ist, wenn diese autorisiert ist, Gespräche zu übermitteln und zu empfangen, und die Basisstation BS1 Daten überträgt, welche den Startzeitpunkt betreffen, das heißt, den Ort in der Sequenz E, an welchem der Bitstrom beginnen soll, das heißt, das E2 der Mobilstation MS bekannt ist. Diese Verschlüsselungstechnik ist im Stand der Technik bekannt.

Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm, welches die Anwendung des Verfahrens während des "Weiterreichens" erläutert. Es wird angenommen, daß die Basisstation BS1 mit der Mobilstation MS kommuniziert, und daß die Kommunikation (die Sprache) mittels eines Verschlüsselungs-Schlüssels E2 bis zu dem Zeitpunkt t₁ verschlüsselt ist. Übergabe findet statt zum Zeitpunkt t₁.

Nach Beendigung des Übergabevorgangs zum Zeitpunkt t₂ ist MS mit der neuen Basisstation BS2 synchronisiert. Nämlich von dieser Basisstation wird über einen gegebenen Steuerkanal (SY in Fig. 2) während der Zeit t₁-t₂ eine Synchronisationssequenz übertragen, welche die Zeitposition der Rahmen und den zugewiesenen Zeitschlitz für die fortgesetzte Gesprächskommunikation zwischen BS2 und MS benennt. Dieses wird in bekannter Weise mittels eines Korrelationsprozesses in MS bewirkt. Somit besteht zum Zeitpunkt t = t₂ Blocksynchronisation für Sprach/Datenübertragung zwischen BS2 und MS, jedoch nicht für die Verschlüsselung. In t = t₂ überträgt die Basisstation BS2 ein nicht verschlüsseltes Signal, welches angibt, wenn die Verschlüsselung in Übereinstimmung mit dem Schlüssel E2 beginnen soll, das heißt, BS2 kündigt den Zeitpunkt t₃ an. Der Verkehrsfluß (Sprache/Daten) wird in nachfolgenden Rahmen mit einem Schlüssel E1 verschlüsselt, welcher aus einer periodischen Zufallsbitsequenz besteht, die eine Periode gleich dem Rahmenintervall hat. Dieses ermöglicht der Mobilstation MS, die Anzahl von Rahmenintervallen (angekündigt von dem nicht verschlüsselten Signal) zu zählen, bis Verschlüsselung in Übereinstimmung mit dem Schlüssel E2 von BS2 begonnen wird. Es ist möglich, daß der Verschlüsselungs-Schlüssel E1 nur aus Nullen bestehen kann, das heißt, der Verkehrsfluß in nachfolgenden Rahmen wird nicht verschlüsselt übertragen (Intervall t₂-t₃). Die Mobilstation MS kann jedenfalls die Anzahl von Rahmenintervallen trotz der Abwesenheit der periodischen Bitsequenz in dem Schlüssel E1 zählen, aufgrund des Vorliegens von Rahmensynchronisation in dem Steuerkanal SY vom Zeitpunkt t₂.

Fig. 4 erläutert die Sequenz während des Zeitintervalls t₂-t₃ deutlicher.

Entsprechend Fig. 3 wird zum Zeitpunkt t₂ die Mobilstation MS auf die neue Basisstation BS2 synchronisiert, und der normale Verkehrsfluß (Daten, Sprache, Synchronisation) sollte begonnen haben, wenn keine Verschlüsselung angewendet worden ist. Jedoch ist Synchronisation bezüglich dem Bitfluß in dem Verschlüsselungs-Schlüssel E2 bis zum Zeitpunkt t₁ verloren gegangen. Die Basisstation sendet deshalb an MS ein Signal S1, welches anzeigt, wieviele Rahmen vergehen sollen, bis die Verschlüsselung entsprechend dem Schlüssel E2 zu beginnen ist. In der Erläuterung der Fig. 4 wird diese Rahmenanzahl zu 13 angenommen. Diese Botschaft kann in einer nicht verschlüsselten Form auf dem sogenannten FACCH-Kanal (schneller zugeordneter Steuerkanal) übertragen werden, der durch einen reservierten Zeitkanal innerhalb eines Rahmens gebildet wird (vgl. Fig. 2). Dieser Zeitschlitz befindet sich somit im Block R1. Während der Blöcke R2, R3, . . . R6, welche dem Block R1 folgen, wird die verschlüsselte Gesprächsinformation übertragen und mit dem Schlüssel E1 verschlüsselt. Wie zuvor erwähnt, ist dieser Schlüssel eine periodische Bitsequenz, deren Periode gleich einem Rahmenintervall ist, und welche durch Modulo-2-Addition der Gesprächsinformation überlagert werden kann. Demzufolge kennt die Mobilstation MS die Zeit, zu welcher das Zählen begonnen werden soll und auch die Anzahl der zu zählenden Blockintervalle. Wenn dieses von der Mobilstation verstanden wurde, wird ein Bestätigungssignal A1 zurück zur Basisstation BS2 gesendet, und im Rahmen R6 empfangen. Wenn die Basisstation BS2 dieses Signal empfängt, wartet die Station für eine Zeitperiode, welche der abgemachten Anzahl von Rahmen entspricht, das heißt, bis zum Rahmen R13 (t = t₃), wo Verschlüsselung in Übereinstimmung mit dem Schlüssel E2 begonnen wird.

Die Basisstation BS2 wartet somit eine gegebene Zeit (in Fig. 4 eine Zeit gleich fünf Rahmenintervalle) für den Empfang des Bestätigungssignales A1 ab. Falls aus welchem Grund auch immer dieses Signal von der Basisstation BS2 innerhalb einer gegebenen Zeitperiode nicht empfangen wird, wird wieder ein Signal S2 im Rahmen R7 übertragen und ein neues Bestätigungssignal A2 wird abgewartet. Das Signal A1 kann abhanden gekommen sein, zum Beispiel aufgrund von Ausblendung oder schwierigen Umgebungsbedingungen genau zu dem Intervall, in welchem das Signal A1 übertragen wird. Somit sollte die Anzahl von Rahmen (= R13) von der Basisstation BS2 ausreichend groß sein, um wiederholten Signalaustausch entsprechend dem obigen zu ermöglichen.

Die Signalverzögerung zwischen der Basisstation und der Mobilstation wurde zu ungefähr zwei bis drei Rahmenintervalle (ungefähr 15 ms) in der Erläuterung der Fig. 4 angenommen. Diese Verzögerung sollte auch in Betracht gezogen werden. Somit wird der Verschlüsselungszeitpunkt t₃ bevorzugtermaßen so gewählt, daß t₂-t₃ größer als das Vierfache der maximalen Ausbreitungszeit ist. Diese Kalkulation bietet keine Schwierigkeiten, weil die Mobilstation sich an der Grenze zwischen zwei Zellen C1, C2 entsprechend Fig. 1 befindet, das heißt in einer maximalen Distanz von einer Basisstation.

Claims (4)

1. Synchronisationsverfahren in einem Mobilfunksystem, in welchem ein globaler Zeitbezug fehlt, in welchem die Datennachrichten (D) und die Signalisierungs­ nachrichten (S) zwischen einer ersten Basisstation (BS1) und einer Mobilstation (MS) in Rahmen mit Zeitschlitzen (TDMA) verschlüsselt durch Überlagerung eines zufällig gewählten Bitstroms auf die Botschaft (D, S) übertragen werden, worin beim Weitergeben der Kommunikation der Mobilstation mit der ersten Basisstation (BS1) zu einer zweiten Basisstation (BS2) Verschlüsseln (E2) für eine gegebene Zeitperiode (t₁-t₃) von der Zeit der Übertragung der Botschaften von der ersten zu der zweiten Basisstation unterbrochen wird, wenn eine Synchronisation des Zufallsbitstromes aufgrund der Abwesenheit des Zeitbezuges verloren gegangen ist, dadurch gekennzeichnet, daß folgend auf den Abschluß der Übergabe der Botschaften (D, S), von der zweiten Basisstation (BS2) nicht verschlüsselte Signalisierung (S1) zu der Mobilstation (MS) bewirkt wird, welche den Zeitpunkt (t₃) offenbart, der in Anzahlen von Rahmenintervallen (R2-R13) gezählt wird, welche vorübergehen sollen, bis die Verschlüsselung (E2) wieder begonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Botschaften (D, S) bis zu dem Zeitpunkt (t₃) mittels einer Verschlüsselungssequenz (E1) übertragen werden, welche aus einer periodischen Bitsequenz besteht, deren Periode gleich einem Rahmenintervall ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalisierung (S1) während eines Rahmens (R1) bewirkt wird, welcher den Rahmen (R2-R6), welche die Botschaften (D, S) übertragen, unmittelbar vorangeht, und in dem Zeitkanal, welcher der Mobilstation (MS) in dem Rahmen zugeordnet ist; und dadurch, daß die Mobilstation (MS) ein Bestätigungssignal (R1) zu der zweiten Basisstation (BS2) sendet, wenn sie die Signalisierung (S1) empfängt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß, falls die zweite Basisstation (BS2) das Bestätigungssignal (A1) nach Verstreichen einer gegebenen Zeit nicht empfangen hat, weitere nicht verschlüsselte Signalisierung (S2) durch eine weitere Basisstation bewirkt wird, welche dieselbe Information wie die zuerst erwähnte Signalisierung (S1) hat, um ein Bestätigungssignal (A2) zu erhalten.