DE4026698C2 - 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, wie zum Beispiel in der EP-A-273 289 offen­ bart ist.

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 EP 0028272 offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung zur verschlüsselten Nachrichtenübertragung, insbesondere zur Geheimübertragung von Nachrichten. Hierzu wird eine sende- und empfangsseitige, modulierende bzw. demodulierende Schlüsselsignalfolge durch Umschaltung in gleicher Weise und gleichzeitig verändert und zwar durch vereinbarte Auswahl eines durch eine in den Teilnehmerstationen synchrone Pseudo- Zufallsimpulsfolge durch Untersetzungsmittel bestimmten Rahmen-Zeitintervalls. Die synchrone Aktivierung des neuen Schlüssels in beiden Stationen erfolgt durch den Endimpuls des Rahmen-Zeitintervalls, d. h. durch einen Impuls mit zeitlicher Zuordnung zur Pseudo-Zufalls-Impulsfolge.

Die JP 62137937 A offenbart ein Leitungsumschaltsystem, wobei ein Pseudo-Zufallssignal einem Übertragungsabschnitt nach einer vorgegebenen Zeit während der Leitungsumschaltung gegeben wird. Das heißt, nach der vorgegebenen Zeit soll wiederum eine Rahmensynchronisation zwischen zwei Stationen auf der umgeschalteten Leitung vorhanden sein.

Keine der zwei genannten Dokumente offenbart, wie die Synchronisation einer Verschlüsselungssequenz zu erreichen ist, wenn Gespräche in einem Mobiltelefonsystem zwischen Zellen übergeben werden.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine Synchronisation einer Verschlüsselungssequenz erreicht werden kann, wenn Gespräche in einem Mobiltelefonsystem, in dem ein gemeinsamer Zeitbezug fehlt, von Zelle zu Zelle übergeben werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

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, daß 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 einem Verschlüsselungs-Schlüssel 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 Rahmen- oder Block-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 einem Korrelationsprozeß 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, wann 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 t_2-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 einen 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 (10)

1. Synchronisationsverfahren in einem Mobilfunksystem (C1, C2, BS1, BS2) mit fehlender Globalsynchronisation, wobei Daten- und Signalisierungs-Nachrichten (D, S) zwischen einer ersten Basisstation (BS1) und einer Mobilstation (MS) in Rahmen mit Zeitschlitzen (TDMA) verschlüsselt (E2) durch Überlagerung eines Zufalls-Bitstroms auf die Nachrichten (D; S) übertragen werden und beginnend mit einem Übergabezeitpunkt (t1), zu dem eine Übergabe der Nachrichtenübertragung zwischen der Mobilstation (MS) und der ersten Basisstation (BS1) in einer Zelle (C1) auf eine zweite Basisstation (BS2) in einer benachbarten Zelle (C2) beginnt, das Verschlüsseln (E2) mit dem Zufalls-Bitstrom unterbrochen wird und folgende Schritte ausgeführt werden:

• a) Übertragen, für eine vorgegebene Zeitperiode (t1-< t2), einer Rahmensynchronisationssequenz, die die Zeitposition der Rahmen und einen zugewiesen Zeitschlitz für die fortgesetzte Kommunikation zwischen der zweiten Basisstation (BS2) und der Mobilstation (MS) anzeigt, von der zweiten Basisstation (BS2) an die Mobilstation (MS) zur Herstellung einer Rahmensynchronisation;
• b) Übertragen, von der zweiten Basisstation (BS2) an die Mobilstation (MS), eines nicht-verschlüsselten Signals (S1), das eine vorgegebene Anzahl von Rahmen (z. B. 13) anzeigt, die nach Herstellung (t2) der Rahmensynchronisation bis zu einer erneuten Verschlüsselung (E2) der übergebenen Nachrichtenübertragung vergehen sollen (t3), in einem ersten Rahmen (R1) nach Herstellung der Rahmensynchronisation und Übertragen von Nachrichten (S, D) in den folgenden Rahmen (R2, R3, ...R6); und
• c) Zählen der vorgegebenen Anzahl von Nachrichtenrahmen in der zweiten Basisstation (BS2) und in der Mobilstation (MS) und erneutes Verschlüsseln (E2) der Nachrichten (S, D) durch Überlagerung des Zufalls- Bitstroms auf die Nachrichten (D; S) nach der vorgegebenen Anzahl (13) von Rahmen.

2. Synchronisationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt a) die Rahmensynchronisation durch einen Korrelationprozess in der Mobilstation (MS) bewirkt wird.

3. Synchronisationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt b) die Übertragung von Nachrichten (S, D) mit einem Schlüssel (E1) verschlüsselt wird, welcher aus einer periodischen Zufallsbitsequenz besteht, die eine Periode gleich dem Rahmenintervall aufweist.

4. Synchronisationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt b) das nicht-verschlüsselte Signal (S1), das die vorgegebene Anzahl von Rahmen anzeigt, während eines Rahmens (R1), der den Rahmen (R2-R6), die die Nachrichten übertragen, unmittelbar vorausgeht, und in dem Zeitschlitz, der der Mobilstation (MS) in dem Rahmen (R1) zugeordnet ist, übertragen wird, und daß die Mobilstation (MS) ein Bestätigungssignal (A1) an die zweite Basisstation (BS2) sendet, wenn sie das nicht- verschlüsselte Signal (S1) empfängt.

5. Synchronisationsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Basisstation (BS2) nach Übertragung des nicht- verschlüsselten Signals (S1) an die Mobilstation (MS) eine vorgegebene Zeit (R1-R5) auf den Empfang eines Bestätigungssignals (A1) von der Mobilstation (MS) wartet und dann, wenn das Bestätigungssignal (A1) in der vorgegebenen Zeit nicht empfangen wird, ein weiteres nicht verschlüsseltes Signal (S2) mit der Information über die vorgegenene Anzahl von Rahmen (z. B. 13) an die Mobilstation (MS) sendet und erneut auf den Empfang eines Bestätigungssignals (A2) wartet.

6. Synchronisationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Anzahl von Rahmen 13 Rahmen ist.

7. Synchronisationsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Zeit (R1-R5) fünf Rahmen entspricht.

8. Synchronisationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverzögerungzeit zwischen der zweiten Basisstation (BS) and der Mobilstation (MS) einer vorgegebenen Anzahl von Rahmen entspricht und die Zeit, die der vorgegebenen Anzahl von Rahmen (z. B. 13) entspricht, bis wieder ein erneutes Verschlüsseln (E2) der Nachrichten im Schritt c) erfolgt, viermal so groß wie die Signalverzögerungszeit ist.

9. Synchronisationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten- und Signalisierungs-Nachrichten mittels eines TDMA Verfahrens übertragen werden.

10. Synchronisationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht-verschlüsselte Signal (S1) in nicht- verschlüsselter Form auf einem FACCH-Kanal übertragen wird, der durch einen reservierten Zeitschlitz innerhalb eines Rahmens gebildet wird.