DE69835901T2

DE69835901T2 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung einer pseudo-zufallszahl

Info

Publication number: DE69835901T2
Application number: DE69835901T
Authority: DE
Inventors: Ben Smeets
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1997-11-10
Filing date: 1998-11-06
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2018-11-07
Also published as: KR20010031889A; AU1059299A; EE200000286A; HK1035092A1; EP1031207B1; JP3800499B2; CN1285987A; JP2001523031A; KR100570595B1; MY120168A; US5864491A; WO1999025091A1; CN1147086C; AU742689B2; TR200001304T2; IL136041A0; EP1031207A1; AR017582A1; BR9814120A; DE69835901D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Codieren eines Informationssignals, wie zum Beispiel eines Downlink- oder Uplink-Signals, das während einem Betrieb eines zellularen Kommunikationssystems erzeugt wird. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung und ein damit im Zusammenhang stehendes Verfahren zum Erzeugen einer Pseudozufallszahl.
Eine während eines Betriebs einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugte Pseudozufallszahl wird unter anderem verwendet in der Bildung eines verschlüsselten Signals. Das verschlüsselte Signal ist im Wesentlichen unkorreliert zu Kombinationen von Eingangssignalen, die beim Bilden der Pseudozufallszahl verwendet werden, womit ein Decodieren des verschlüsselten Signals durch eine unautorisierte Partei durch Kryptoanalyse schwer wird.
Datenschutz von Kommunikationsvorgängen kann besser gesichert werden, so dass nur autorisierte Parteien bzw. Dritte in der Lage sind, ein verschlüsseltes Signal zu entschlüsseln. Wegen einer geringen Korrelation zwischen einem Ausgangssignal, das ansprechend auf Eingangssignale, angelegt an den Pseudozufallszahlengenerator, erzeugt wird, ist das Ausgangssignal nicht zugänglich für eine Kryptoanalyse bzw. Entzifferung.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein IIR-(infinite Impulsantwort)-Filter verbunden in einer Rückkopplungsbeziehung mit einem Summierungskombinierer. Durch das IIR erzeugte Signale werden kombiniert mit Sequenzen, die durch lineare Rückkopplungsverschiebungsregister erzeugt werden. Das kombinierte Signal bildet eine Pseudozufallszahl, die im Wesentlichen unkorreliert mit den Eingangssequenzen ist. Die Pseudozufallszahl, die auf diese Art und Weise erzeugt wird, wird verwendet, um ein Informationssignal zu verschlüsseln, das schwierig zu entschlüsseln ist durch eine unautorisierte Partei durch eine Kryptoanalysetechnik.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein Kommunikationssystem wird wenigstens gebildet aus einem Sender und einem Empfänger, die miteinander durch einen Kommunikationskanal verbunden sind. Der Sender bildet mindestens einen Teil einer sendenden Station und der Empfänger bildet mindestens einen Teil einer empfangenden Station. Zu kommunizierende Informationen durch den Sender an den Empfänger werden moduliert, um Kommunikationssignale zu bilden. Die Kommunikationssignale, die erzeugt und übertragen werden durch die Sendestation, werden auf dem Kommunikationskanal übertragen, um durch die Empfangsstation empfangen zu werden. In den Kommunikationssignalen enthaltene Information, die durch die Sendestation übertragen wird, wird, sobald empfangen bei der Empfangsstation, wiedergeholt bzw. wiedererlangt. In einem digitalen Kommunikationssystem ist zu kommunizierende Information an die Empfangsstation digitalisiert. Die digitalisierte Information wird dann verwendet, um das Kommunikationssignal zu bilden.
Ein Funkkommunikationssystem ist eine Art eines Kommunikationssystems, in dem der Kommunikationskanal aus einem Funkkanal gebildet wird, der aus einem Teil des elektromagnetischen Spektrums definiert ist. Weil eine feste Verbindung nicht benötigt wird, um den Kommunikationskanal zwischen einer Sende- und Empfangs-Station zu bilden, sind Kommunikationsvorgänge möglich, wenn eine feste Verbindung zwischen der Sende- und Empfangs-Station unpraktisch ist. Dies bedeutet jedoch, dass ein auf einem Funkkommunikationskanal übertragenes Kommunikationssignal detektiert werden kann durch irgendeine Empfangsstation, die auf den Funkkanal eingestellt ist. Eine unautorisierte Partei ist beispielsweise in der Lage, einen Funkempfänger auf diese Frequenz des Funkkanals einzustellen, auf der das Kommunikationssignal übertragen wird, womit das Kommunikationssignal empfangen wird.
Datensicherheit bzw. Privatsphäre von Kommunikationsvorgängen, die in einem Funkkommunikationssystem bewirkt werden, sind schwer zu sichern aufgrund der öffentlichen Natur eines Funkkommunikationskanals. Um die Datensicherheit von Kommunikationsvorgängen in solch einem Kommunikationssystem zu erhöhen, werden kryptographische Techniken bzw. Verschlüsselungstechniken verwendet, um codierte oder verschlüsselte Signale zu bilden. In anderen Kommunikationssystemen werden solche kryptographischen Techniken verwendet, um die Datensicherheit von Kommunikationsvorgängen zwischen einer Sende- und Empfangs-Station besser sicherzustellen.
Ein digitales Informationssignal ist insbesondere veränderbar, um codiert oder verschlüsselt zu werden. Ein digitales Informationssignal wird gebildet aus Sequenzen von Bits, die moduliert und übertragen werden, während dem Betrieb eines digitalen Kommunikationssystems. Die bitweise Natur eines digitalen Informationssignals ist insbesondere veränderbar, um codiert oder verschlüsselt zu werden. Jedes Bit, falls erwünscht, aus dem ein digitales Informationssignal gebildet wird, kann an der Sendestation codiert werden. Ein codiertes Kommunikationssignal wird dabei gebildet, dass auf dem Funkkommunikationskanal an eine Empfangstation übertragen werden kann. Eine unautorisierte Partei mit einem Funkempfänger, der eingestellt ist auf den Funkkanal, auf dem das codierte Funkkommunikationssignal übertragen wird, ist nicht in der Lage, das da empfangene Signal zu decodieren ohne Wissen der Codiertechnik, durch die das codierte Signal gebildet ist. Nur eine Empfangsstation, die in der Lage ist, das codierte Signal zu decodieren, ist in der Lage, den Informationsinhalt des codierten Signals wiederzugewinnen, das auf dem Kommunikationskanal übertragen wird.
Verschiedene Arten und Weisen werden verwendet, durch die ein digitales Informationssignal codiert oder andererseits verschlüsselt wird. Ein typisches Codierschema, wie das, das in zellularen Kommunikationsvorgängen verwendet wird, verwendet einen Verschlüsselungsprozess, durch den die Bits eines Informationssignals codiert werden durch Kombinieren der Bits mit einer Pseudozufallssequenz, die durch einen Pseudozufallssequenzgenerator erzeugt wird. Der Pseudozufallssignalgenerator ist betreibbar im Zusammenhang mit einem geheimen Schüssel, der -in einer symmetrischen Verschlüsselungstechnik bekannt ist bei der Sendestation und bei einer autorisierten Empfangsstation. Der geheime Schlüssel wird verwendet bei der autorisierten Empfangsstation zum Decodieren des codierten Signals, das da empfangen wird, womit der Informationsinhalt des übertragenen Signals wiedererlangt wird.
U.S. Patent Nr. 4,797,922 offenbart einen Summierungsgenerator, der eine Pseudozufallssequenz erzeugt. Solch eine Pseudozufallssequenz wird verwendet in der Verschlüsselung von Daten. Jedoch ist das codierte Signal für eine Kryptoanalyse anfällig, mindestens wenn Antriebseingaben, die daran angelegt werden, lineare Rückkopplungssequenzen sind, die durch lineare Rückkopplungsverschiebungsregister (LFSRs, Linear Feedback Shift Registers) erzeugt werden. Durch die offenbarte Vorrichtung erzeugte Ausgangssignale weisen eine Korrelierung mit einer linearen Kombination von Eingangssymbolen, angelegt von den LFSRs, auf. Beispielsweise hat, wenn vier Ströme von Zufalls-Bits bereitgestellt werden, eine Korrelationskoeffizienz den Wert 5/24. Wegen der Korrelation kann eine Observierung eines ausreichend langen Stroms an Ausgabesymbolen das Wiederauffinden eines sonst unbekannten Anfangszustandes der LFSRs erlauben. Durch diese Observierung kann daher eine unautorisierte Partei in der Lage sein, erfolgreich den Informationsinhalt des übertragenen Signals wiederzuerlangen. Dabei würde die Datensicherheit von Kommunikationsvorgängen kompromittiert.
Eine Art, durch die die Korrelation, gezeigt durch solch eine herkömmliche Vorrichtung, zu verringern ist, würde besser sicherstellen, dass ein codiertes Signal nicht decodiert werden könnte durch eine unautorisierte Partei.
Es ist im Lichte dieser Hintergrundinformation, im Zusammenhang mit der Erzeugung von codierten Signalen, dass die signifikanten Verbesserungen der vorliegenden Erfindung aufgekommen sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG:
Die vorliegende Erfindung stellt demgemäß vorteilhaft eine Vorrichtung und ein damit im Zusammenhang stehendes Verfahren bereit, zum Erzeugen einer Pseudozufallszahl. Diese Pseudozufallszahl wird verwendet, um beispielsweise ein Informationssignal zu verschlüsseln. Die Pseudozufallszahl wird in einer Art und Weise gebildet, so dass das verschlüsselte Signal im Wesentlichen unkorreliert mit Kombinationen von Eingangssignalen ist, die in der Bildung der Pseudozufallszahl verwendet werden. Wegen der geringen Korrelation zwischen dem verschlüsselten Signal und den Eingangssignalen, die zum Erzeugen der Pseudozufallszahl verwendet werden, wird die Beeinflussung für eine Kryptoanalyse des verschlüsselten Signals verringert.
Eine Verwendung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Verschlüsseln eines Informationssignals erhöht die Sicherheit der Privatsphäre bei Kommunikationsvorgängen zwischen einer Sendestation und einer Empfangsstation. Weil ein verschlüsseltes Signal, das unter Verwendung der Pseudozufallszahl, erzeugt während eines Betriebs einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, gebildet wird, wenig Korrelation mit Eingangssignalen zeigt, die in der Erzeugung der Pseudozufallszahl verwendet werden, wird eine Kryptoanalyse des verschlüsselten Signals unwahrscheinlich erfolgreich sein. Dabei können verschlüsselte Signale auf öffentlichen oder andererseits unsicheren Kommunikationskanälen mit geringeren Bedenken erzeugt werden, so dass eine unautorisierte Partei in der Lage sein kann, den Informationsinhalt des verschlüsselten Kommunikationssignals wiederzuerlangen.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Summierungskombinierer gekoppelt zum Empfangen von LFSR-(Linear Feedback Shift Register)-Sequenzen, die durch die LFSRs erzeugt werden. Ein IIR-(infiniter Impulsantwort)-Filter ist in einer Rückkopplungsbeziehung mit dem Summierungskombinierer gekoppelt. Durch das IIR-Filter erzeugte Werte werden zusammen mit den LFSR-Sequenzen kombiniert, um eine Pseudozufallszahl zu erzeugen. Die Pseudozufallszahl ist im Wesentlichen unkorreliert mit den LFSR-Sequenzen. Und wenn die Pseudozufallszahl verwendet wird, zum Verschlüsseln eines Informationssignals, um ein verschlüsseltes Signal zu bilden, wird das davon gebildete verschlüsselte Signal entsprechend wenig korreliert mit den LFSR-Sequenzen. Die Beeinflussung einer erfolgreichen Kryptoanalyse des verschlüsselten Signals wird verringert als Ergebnis der geringen Höhe an Korrelation zwischen dem verschlüsselten Signal und den LFSR-Sequenzen, wenn nur Zugang zu Fragmenten des verschlüsselten Signals gewährt wird.
Die durch das IIR bereitgestellten Werte und kombiniert mit dem LFSR-Sequenzen durch den Summierungskombinierer, erhöhen die Komplexität der Pseudozufallssequenz. Solch eine erhöhte Komplexität verringert die Korrelation zwischen der Pseudozufallszahl, die davon erzeugt wird und den LFSR-Sequenzen. Wenn die Pseudozufallszahl verwendet wird zum Verschlüsseln eines Informationssignals, macht die hinzugeführte Komplexität, bereitgestellt durch die Pseudozufallszahl durch Verwendung der Werte, die durch das IIR-Filter erzeugt werden, eine Kryptoanalyse des verschlüsselten Signals durch eine zum Empfangen des Signals unautorisierte Partei schwieriger.
In einer Implementierung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das IIR-Filter aus Abschnitten gebildet, um die parallele Erzeugung von Blöcken von Ausgangssymbolen zu erlauben. Solche Symbole bzw. Zeichen werden verwendet durch den Summierungskombinierer zusammen mit Bits von den LFSR-Sequenzen, um eine Pseudozufallszahl zu bilden.
In diesen und anderen Aspekten erzeugt deshalb ein Pseudozufallszahlgenerator und ein damit im Zusammenhang stehendes Verfahren eine Pseudozufallszahl. Ein Summierungskombinierer ist gekoppelt zum parallelen Empfangen einer Vielzahl von LFSR-(lineare Rückkopplungsverschiebungsregister)-Sequenzen. Der Summierungskombinierer kombiniert die LFSR-Sequenzen und bildet die Pseudozufallszahl, die teilweise auf Kombinationen der LFSR-Sequenzen anspricht. Ein infinites Impulsantwortfilter ist gekoppelt in einer Rückkopplungsverbindung mit dem Summierungskombinierer. Das infinite Impulsantwortfilter erzeugt Impulsantwortwerte zur Anwendung an dem Summierungskombinierer. Der Summierungskombinierer kombiniert ferner die Impulsantwortwerte zusammen mit den Kombinationen der LFSR-Sequenzen. Und die durch den Summierungskombinierer gebildete Pseudozufallszahl spricht ferner auf die Impulsantwortwerte an.
Eine vollständigere Anerkennung der vorliegenden Erfindung und der Umfang derselben kann aus den begleitenden Zeichnungen erhalten werden, die unten kurz zusammengefasst sind, der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung und den angehängten Ansprüchen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt ein funktionales Blockdiagramm eines Pseudozufallszahlgenerators einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
2 stellt ein funktionales Blockdiagramm des Pseudozufallszahlgenerators dar, der in 1 gezeigt ist, wobei hier weiter eine beispielhafte Implementierung des Summierungskombinierers dargestellt wird, der einen Teil des Pseudozufallszahlgenerators bildet.
3 stellt ein funktionales Blockdiagramm eines beispielhaften infiniten Impulsantwortfilters dar, das einen Teil des Pseudozufallszahlgenerators bildet, der in den 1 und 2 gezeigt ist.
4 stellt ein funktionales Blockdiagramm von Teilen eines Pseudozufallszahlgenerators einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
5 stellt eine beispielhafte Realisierung eines infiniten Impulsantwortfilters dar, das einen Teil des in 4 gezeigten Pseudozufallszahlgenerators bildet.
6 stellt ein Verfahrensflussdiagramm dar, das die Verfahrensschritte des Verfahrens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Erzeugen einer Pseudozufallszahl auflistet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Zuerst wird auf 1 Bezug genommen, wo ein Pseudozufallszahlgenerator, der im Allgemeinen als 10 gezeigt wird, betriebsbereit ist zum Erzeugen einer Pseudozufallszahl. Der Pseudozufallszahlgenerator 10 soll mit Bezug auf eine beispielhafte Implementierung beschrieben werden, in der die Pseudozufallszahl in der Bildung eines verschlüsselten Signals verwendet wird. Der Generator 10 kann jedoch alternativ in anderen Implementierungen verwendet werden, in denen Pseudozufallszahlen verwendet werden.
Die durch den Generator 10 erzeugte Pseudozufallszahl ist im Wesentlichen unkorreliert mit Kombinationen von Eingangssignalen, die in ihrer Bildung verwendet werden. Dabei ist ein Decodieren der Pseudozufallszahl oder eines verschlüsselten Signals, das von dieser gebildet wird, durch eine unautorisierte Partei durch eine Kryptoanalyse extrem schwierig.
Der Pseudozufallszahlgenerator 10 enthält einen Summierungskombinierer 12, der zum Empfangen einer Vielzahl von periodischen Sequenzen gekoppelt ist, hier auf n Leitungen 14. In der beispielhaften Ausführungsform werden die periodischen Sequenzen, die an die Leitungen 14 an den Summierungskombinierer 12 angelegt werden, aus LFSR-(lineare Rückkopplungsverschiebungsregister)-Sequenzen gebildet, die hier repräsentiert werden durch die Bezeichnungen x_it bis x_nt.
Der Summierungskombinierer ist betriebsbereit zum Kombinieren von Bits der daran angelegten Sequenzen auf den Leitungen 14, und zum Erzeugen einer kombinierten Sequenz Z, auf der Leitung 16.
Der Pseudozufallszahlgenerator 10 enthält ferner eine logische Schaltung, hier ein IIR-(infinites Impulsantwort)-Filter 18, das in einer Rückkopplungsverbindung mit dem Summierungskombinierer 12 gekoppelt ist. Eine Rückkopplungssequenz, die aus Teilen der summierten Sequenzen, erzeugt durch den Summierungskombinierer 12, gebildet ist, wird bereitgestellt mittels der Leitung 22 an dem IIR-Filter 18. Die Rückkopplungssequenzen werden in der Figur durch die Bezeichnung S_t+1 dargestellt. Und das Filter 18 ist betriebsbereit zum Erzeugen einer Sequenz, bezeichnet durch C_t auf der Leitung 24, die mit einem Eingang des Summierungskombinierers 12 gekoppelt ist.
Die an den Summierungskombinierer auf der Leitung 24 angelegten Sequenzen werden zusammen mit den LFSR-Sequenzen kombiniert, die daran auf den Leitungen 14 in nacheinander folgenden Sequenzen, gebildet durch den Kombinierer 12, angelegt werden. Solche Sequenzen bilden die auf der Leitung 16 erzeugte Pseudozufallszahl. Weil die Rückkopplungssequenzen, die an den Summierungskombinierer auf der Leitung 24 angelegt werden, komplexe lineare Kombinationen von Teilen der Kombinationen der LFSR-Sequenzen sind, die an den Kombinierer auf den Leitungen 14 angelegt werden, ist die auf der Leitung 16 erzeugte Pseudozufallszahl eine komplexe lineare Kombination der Eingangssequenzen. Dabei wird die durch den Generator 10 erzeugte Pseudozufallszahl weniger beeinflussbar für eine Kryptoanalyse. Eine Sicherheit von Kommunikationsvorgängen in einem Funk-, wie zum Beispiel einem zellularen Kommunikationssystem, das solche verschlüsselten Signale verwendet, wird besser sichergestellt.
2 stellt wieder den Pseudozufallszahlgenerator 10 dar. Wieder wird der Generator 10 gezeigt mit einem Summierungskombinierer 12 und einem IIR-Filter 18, verbunden in einer Rückkopplungsverbindung mit dem Summierungskombinierer mittels der Leitungen 22 und 24. Hier werden LFSRs 32 in Verbindung mit den Leitungen 14 gezeigt. Die LFSRs 32 enthalten oder erzeugen die Pseudozufallssequenzen, die an den Summierungskombinierer angelegt werden, um dort kombiniert zu werden.
Insbesondere werden die LFSR-Sequenzen, die auf den Leitungen 14 erzeugt werden, mit Eingangsanschlüssen einer Hinzufügschaltung 36 gekoppelt. Die Hinzufügschaltung 36 bildet einen Teil des Summierungskombinierers 12. Die Hinzufügschaltung 36 ist betriebsbereit, um die daran angelegten Sequenzen aufzusummieren und eine Verbund-Digitale-Sequenz auf der Leitung 38 zu erzeugen. Die Leitung 38 ist verbunden mit einem Eingangsanschluss einer Dividierschaltung 44. Die Dividierschaltung ist betriebsbereit zum Dividieren des Verbund-Digitalen-Signals, das auf der Leitung 38 erzeugt wird, und derselben bereitgestellt wird. Die Leitung 22 ist verbunden mit der Dividierschaltung 44 zum Bereitstellen der Rückkopplungssequenz an das IIR-Filter 18. Und die durch die Dividierschaltung 44 gebildeten dividierten Sequenzen bilden die auf der Leitung 11 erzeugte Pseudozufallszahl. Die Figur stellt ferner eine Kombinierschaltung 46 dar, die repräsentativ ist für eine Schaltung, die eine Pseudozufallszahl mit einer digitalen Datensequenz kombiniert, hier bereitgestellt an der Kombinierschaltung 46 mittels der Leitung 48, um eine verschlüsselte digitale Sequenz auf der Leitung 52 zu bilden.
Die beispielhafte Implementierung des Summierungskombinierers 12, der einen Teil des Pseudozufallszahlgenerators 10 bildet, der in 2 gezeigt ist, entspricht einem Kombinierungsgerät, das detaillierter in U.S. Patent Nr. 4,797,922 beschrieben ist. Zusätzliche Details des Betriebs desselben werden in diesem Patent offenbart und diese Offenbarung ist hierin durch Referenzierung enthalten.
Weil die durch das IIR-Filter 18 auf der Leitung 24 erzeugte Rückkopplungssequenz eine komplexe lineare Kombination der Eingangssignale ist, die zusammen durch die Hinzufügschaltung 36 summiert werden und durch die Dividierschaltung 12 dividiert werden, sind die dividierten Sequenzen, gebildet durch die Dividierschaltung 44 und bildend die Pseudozufallszahl, die auf der Leitung 11 erzeugt wird, weniger beeinflussbar für eine Kryptoanalyse.
3 stellt ein beispielhaftes IIR-Filter 18 dar, das einen Teil des Pseudozufallszahlgenerator 10 bildet. Das dargestellt Filter ist ein Filter zweiter Ordnung. In anderen Ausführungsformen ist das Filter ein Filter mit anderen Ordnungen. Das IIR-Filter 18 kann nämlich aus irgendeiner der n-Stufen sein.
Wieder wird das Filter gezeigt, um mit den Leitungen 22 und 24 verbunden zu werden, zum Empfangen von Sequenzen S_t+1 und zum Erzeugen von Sequenzen C_t. Die Leitung 22 ist gekoppelt mit einem ersten Eingangsanschluss eines Summierungselements 62. Eine Leitung 64, die einen Teil der Rückkopplungspfade 66 und 68 bildet, ist gekoppelt mit dem zweiten Eingangsanschluss des Summierungselements 62. Das Summierungselement 62 erzeugt ein summiertes Signal auf der Leitung 72, das an ein erstes Verzögerungselement 74 angelegt wird. Das erste Verzögerungselement verzögert das daran angelegte Signal und erzeugt ein erstes verzögertes Signal auf der Leitung 76. Die Leitung 24 ist mit der Leitung 76 gekoppelt, das heißt, die Leitung 76 ist "tapped" und die Rückkopplungssequenz C_t ist davon gebildet.
Die Leitung 76 ist auch gekoppelt mit einem zweiten Verzögerungselement 78. Das zweite Verzögerungselement 78 ist betriebsbereit ähnlich zu dem Verzögerungselement 74, um eine zweite Verzögerungsperiode bei dem daran angelegten Signal einzuführen und ein zweites verzögertes Signal zu erzeugen, hier bezeichnet durch die Sequenz C_t-1 auf der Leitung 82. Die Leitung 82 ist verbunden mit einem Eingangsanschluss eines Multiplizierers oder einem anderen Skalierungselement, 84. Der Multiplizierer 84 ist hier gezeigt mit einem Skalierungsfaktor von f₂. Der Multiplizierer 84 erzeugt einen skalierten Wert auf der Leitung 86, die verbunden ist mit einem ersten Eingangsanschluss eines Summierungselements 88.
Die Leitung 76 ist auch verbunden mit einem Eingangsanschluss eines Multiplizierers oder einem anderen Skalierungselement 92. Hier zeigt der Multiplizierer 92 einen Skalierungsfaktor von f₁ und ist betriebsbereit zum Erzeugen eines skalierten Werts auf der Leitung 94, die gekoppelt ist mit einem zweiten Eingangsanschluss des Summierungselements 88. Das Summierungselement erzeugt einen summierten Wert 64, der, wie oben bemerkt, einen Teil von beiden, sowohl dem Rückkopplungspfad 66, als auch 68, bildet.
Da nachfolgende Werte angelegt werden mittels der Leitung 22 an das IIR-Filter 18, werden auf der Leitung 24 erzeugte Werte gebildet aus Kombinationen von beiden, den Eingangswerten, sowie auch den Komponenten, die durch Betrieb der verschiedenen Rückkopplungspfade 66 und 68 gebildet werden.
4 stellt einen Pseudozufallszahlgenerator dar, der auch im Allgemeinen als 10 gezeigt wird, einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform enthält der Generator 10 zwei Summierungskombinierer 12, hier bezeichnet durch 12-1 und 12-2, die jeweils gekoppelt sind zum Empfangen von periodischen Sequenzen, hier wieder LFSR-Sequenzen auf den Leitungen 14. In der in der Figur dargestellten beispielhaften Ausführungsform sind die getrennten Summierungskombinierer 12-1 und 12-2 verbunden zum Empfangen von getrennten Folgen von LFSR-Sequenzen.
Die Summierungskombinierer sind jeweils gekoppelt in einer Rückkopplungsanordnung mit einem IIR-Filter 18. Hier ist der erste Summierungskombinierer 12-1 verbunden mit dem IIR-Filter mittels der Leitung 22-1, und der zweite Summierungskombinierer 12-2 ist gekoppelt mit dem IIR-Filter 18 mittels der Leitung 22-2. Analog verbinden die Leitungen 24-1 und 24-2 die Summierungskombinierer 12-1 bzw. 12-2 mit dem IIR-Filter 18. Die Leitungen 24-1 und 24-2 sind verbunden mit getrennten Tap-Orten des IIR-Filters 18, wie es unten beschrieben werden soll.
Die in 4 gezeigte Ausführungsform des Pseudozufallszahlgenerators 10 verdoppelt vorteilhaft die Anzahl der Symbole, die man während einer bestimmten Zeitperiode in der Lage ist zu erzeugen, wie zum Beispiel nachfolgend zu jedem Taktpuls, durch den die Schaltungen betriebsfähig werden, in einer herkömmlichen Art und Weise der digitalen Schaltungen. Die Summierungskombinierer 12-1 und 12-2 sind getrennt betriebsbereit zum Erzeugen von Pseudozufallszahl-Bit-Strömen auf den Leitungen 16-1 bzw. 16-2. Die Leitungen 16-1 und 16-2 werden gekoppelt an Eingangsanschlüsse eines Interleavers bzw. Verschachtlers 102, der die Symbole der getrennten Symbolströme verschachtelt und einen kombinierten Pseudozufallszahl-Bit-Strom auf der Leitung 16 erzeugt.
Unter Verwendung der Nomenklatur, die in der Figur gezeigt ist, wird eine spezifische Realisierung des IIR-Filters 18, durch die der IIR-Filter implementiert wird, auf die folgende Art und Weise abgeleitet. Die beispielhafte Realisierung wird abgeleitet unter Betrachtung eines finiten Felds, das heißt, einem Galois-Feld, GF(2²). Ein Polynom X² + X + 1 ist definiert in dem finiten Feld. Ein Wert a, ist definiert eine Null des Polynoms in GF(2²) zu sein. Unter Verwendung des Skalierungsfaktors f₂ und f₁ der Multiplizierer 84 des IIR-Filters 18, der in 3 gezeigt ist, und unter Verwendung der Eigenschaften der Null, a, des obigen Polynoms von a² = a + 1 in dem finiten Feld, werden Werte der Symbole der Rückkopplungssequenz C wie folgt: Ct+1 = St+1 + aCt + a2Ct-1 C2t+1 = S2t+1 + aC2t + a2C2t-1 C2t+2 = St2+2 + aC2t+1 + a2C2t
Ein Umordnen der Ausdrücke der zweiten und dritten obigen Gleichungen für C_2t+1 und C_2t+2 ist wie folgt: C2t+1 = S2t+1 + a(C2t + aC2t+1) C2t+2 = S2t+2 + a(C2t+1 + aC2t)
5 stellt eine Realisierung des IIR-Filters 18 für das finite Feld von GF(2²) dar. Die Leitungen 16-1 und 16-2 werden dargestellt in der Figur als Taps, genommen von den unterschiedlichen Abschnitten, Identifiziert als Abschnitt 1 und Abschnitt 2 in der Figur. Die Leitungen 22-1 und 22-2, die sich an den IIR-Filter 18 erstrecken, sind ähnlich gezeigt. Dabei wird das IIR-Filter 18 in einer Zwei-Abschnittsimplementierung realisiert mit paralleler Erzeugung von Blöcken von zwei Ausgangssymbolen. Wiederum ist der in der 4 gezeigte Pseudozufallszahlgenerator 10 der Ausführungsform in der Lage eines Erzeugens durch einen Faktor von zwei erhöhter Anzahl von Symbolen in einer gegebenen Zeitpierode.
6 stellt ein Verfahren dar, das im Allgemeinen bei 112 gezeigt ist, einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Erzeugen einer Pseudozufallszahl. Die Pseudozufallszahl, die durch das Verfahren 112 erzeugt wird, zeigt eine niedrige Korrelation mit Eingangswerten, die in ihrer Erzeugung verwendet werden, und als Ergebnis ist es weniger beeinflussbar durch eine Kryptoanalyse.
Zuerst, und wie durch Block 114 gekennzeichnet, werden eine erste und mindestens zweite Pseudozufallssequenz erzeugt. Dann werden, und wie durch den Block 116 gezeigt, die erste und die mindestens zweite Pseudozufallssequenzen angelegt an einen Summierungskombinierer. Dann werden, und wie durch den Block 118 gezeigt, die erste und die mindestens zweite Pseudozufallssequenzen kombiniert, wodurch Multi-Bit-kombinierte Sequenzen gebildet werden.
Dann werden, und wie durch den Block 122 gekennzeichnet, mindestens ein Bit der Multi-Bit-kombinieerten Sequenzen bereitgestellt bei einer Logikschaltung, verbunden mit einer Rückkopplungsverbindung mit dem Summierungskombinierer. Die Logikschaltung, an der die Bits angelegt werden, enthält mindestens ein internes Rückkopplungselement. Danach werden, und wie durch Block 124 gekennzeichnet, logische Werte gebildet an der Logikschaltung, ansprechend auf die Multi-Bit-kombinierten Sequenzen, die der Logikschaltung bereitgestellt werden. Dann werden, und wie gekennzeichnet durch Block 126, die logischen Werte an dem Summierungskombinierer angelegt. Und wie gekennzeichnet durch Block 128, werden die logischen Werte und die erste und die mindestens zweite Pseudozufallssequenzen zusammen kombiniert, und die logischen Werte, sobald kombiniert, bilden die Pseudozufallszahl.
Dabei wird durch die Verwendung eines IIR-Filters, oder anderen linearen logischen Schaltungen mit interner Rückkopplung darin in einer Rückkopplungsverbindung mit einem Summierungskombinierer, eine komplexe lineare Kombination von Eingangssymbolen gebildet. Die komplexe Kombination bildend den Pseudozufallszahl-Bit-Strom, zeigt eine geringe Korrelation mit Eingangswerten, die in der Bildung des Bit-Stroms verwendet werden. Dabei ist der Pseudozufallszahl-Bit-Strom weniger beeinflussbar durch Kryptoanalyse.
Die vorherigen Beschreibungen sind bevorzugte Beispiele zum Implementieren der Erfindung, und der Umfang der Erfindung sollte nicht notwendigerweise begrenzt werden durch diese Beschreibung. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird definiert durch die folgenden Ansprüche.

Claims

Ein Pseudozufallszahlengenerator (10) zum Erzeugen einer Pseudozufallszahl, umfassend: einen Summierungskombinierer (12), gekoppelt zum parallelen Empfangen einer Mehrzahl von Pseudozufallssequenzen, wobei der Summierungskombinierer, bereitgestellt ist zum Kombinieren der Pseudozufallssequenzen und zum Bilden der Pseudozufallszahl, teilweise in Ansprechen auf Kombinationen der Pseudozufallssequenzen; gekennzeichnet durch eine Logikschaltung (18), enthaltend ein infinites Impulsantwortfilter, gekoppelt in einer Rückkoppelverbindung (22, 24) mit dem Summierungskombinierer, wobei die Logikschaltung bereitgestellt ist zum Erzeugen logischer Werte, basierend auf den Impulsantwortwerten des infiniten Impulsantwortfilters für eine Anwendung bei dem Summierungskombinierer; wobei der Summierungskombinierer ausgebildet ist zum Kombinieren der logischen Werte von der Logikschaltung mit den empfangenen Pseudozufallssequenzen, und die Pseudozufallszahl gebildet ist durch den Summierungskombinierer und ferner auf den logischen Werten basiert.
Der Pseudozufallszahlengenerator nach Anspruch 1, wobei der infinite Impulsantwortfilter ein erstes Verzögerungselement (74) umfasst; sowie mindestens ein zweites Verzögerungselement (78), gekoppelt seriell damit; und ein erstes internes Rückkopplungs- bzw. Feedback-Element, wobei das erste interne Rückkopplungselement parallel mit dem ersten Verzögerungselement verbunden ist, wodurch ein erster Rückkopplungspfad gebildet wird.
Der Pseudozufallszahlengenerator nach Anspruch 2, wobei das erste interne Rückkopplungselement ein erstes Verstärkungselement (92) umfasst.
Der Pseudozufallszahlengenerator nach Anspruch 2, wobei der interne Impulsantwortfilter ferner ein zweites internes Rückkopplungselement umfasst, und die logischen Werte, die durch den internen Impulsantwortfilter gebildet werden, Komponenten ansprechend auf das zweite Rückkopplungselement enthalten.
Der Pseudozufallszahlengenerator nach Anspruch 4, wobei das zweite Rückkopplungselement ein zweites Verstärkungselement (84) umfasst.
Der Pseudozufallszahlengenerator nach Anspruch 4, wobei das zweite Rückkopplungselement parallel mit dem zweiten Verzögerungselement verbunden ist.
Der Pseudozufallszahlengenerator nach Anspruch 6, ferner ein Summenelement umfassend, das mit dem ersten internen Rückkopplungselement gekoppelt ist, sowie mit dem zweiten internen Rückkopplungselement und dem ersten Verzögerungselement, wobei das Summenelement bereitgestellt ist zum Zusammensummieren von Werten, die durch das erste bzw. zweite interne Rückkopplungselement gebildet werden, und zum Bereitstellen von summierten Werten an das erste Verzögerungselement.
Der Pseudozufallszahlengenerator nach Anspruch 1, wobei die Pseudozufallssequenzen, mit denen der Summierungskombinierer gekoppelt ist, lineare Rückkopplungsverschiebungsregistersequenzen umfassen.
Ein Verfahren zum Erzeugen einer Pseudozufallszahl, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Erzeugen einer Mehrzahl von Pseudozufallssequenzen (114); Anlegen der Mehrzahl der Pseudozufallssequenzen, die während dem Schritt eines Erzeugens erzeugt werden, an einen Summierungskombinierer (116); gekennzeichnet durch Zusammenkombinieren der Mehrzahl von Pseudozufallssequenzen, die an den Summierungskombinierer während dem Schritt eines Anlegens der Mehrzahl von Pseudozufallssequenzen angelegt werden, wobei Multi-Bit-kombinierte Sequenzen (118) bebildet werden; Bereitstellen von mindestens einem Bit der Multi-Bit-kombinierten Sequenzen an eine Logikschaltung, die als eine Rückkopplungsverbindung mit dem Summierungskombinierer verbunden ist, wobei die Logikschaltung ein infinites Impulsantwortfilter (122) enthält; Bilden von logischen Werten bei der Logikschaltung, basierend auf den Impulsantwortwerten des infiniten Impulsantwortfilters (124); Anlegen der Logikwerten, die während dem Schritt eines Bildens, gebildet werden, an den Summierungskombinierer (126); und Zusammenkombinieren der Logikwerte und der ersten und der mindestens zweiten Pseudozufallssequenz bei dem Summierungskombinierer (128), wobei die Logikwerte und die erste und die mindestens zweite Pseudozufallssequenz, sobald kombiniert, die Pseudozufallszahl bilden.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Mehrzahl von Pseudozufallssequenzen, die während dem Schritt eines Anlegens der Mehrzahl von zweiten Pseudozufallssequenzen angelegt werden, angelegt werden an den Summierungskombinierer, im wesentlichen gleichzeitig.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt eines Zusammenkombinierens der Mehrzahl von Pseudozufallssequenzen, die an den Summierungskombinierer angelegt werden, ein Zusammenaddieren der Mehrzahl von Pseudozufallssequenzen umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt eines Zusammenkombinierens der logischen Werte und der Mehrzahl von Pseudozufallssequenzen ein Zusammenaddieren der logischen Werte und der Mehrzahl von Pseudozufallssequenzen umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Logikschaltung, bei der die logischen Werte gebildet werden, ein erstes Verzögerungselement enthält; sowie mindestens ein zweites Verzögerungselement, das seriell damit gekoppelt ist, und mindestens ein internes Rückkopplungselement, das parallel mit dem ersten Verzögerungselement verbunden ist.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Logikschaltung, bei der die logischen Werte gebildet werden, ein infinites Impulsantwortfilter umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt eines Erzeugens der Mehrzahl von zweiten Pseudozufallssequenzen ein Erzeugen einer ersten und mindestens zweiten linearen Rückkopplungsverschiebungsregistersequenz umfasst.