FI104140B

FI104140B - Matkaviestimen käyttö langattomana puhelimena

Info

Publication number: FI104140B
Application number: FI964876A
Authority: FI
Inventors: Petri Hokkanen
Original assignee: Nokia Telecommunications Oy
Priority date: 1996-12-05
Filing date: 1996-12-05
Publication date: 1999-11-15
Also published as: DE69737526D1; DE69737526T2; FI964876A0; NO983571L; CN1210654A; FI104140B1; JP2000504547A; ATE358396T1; EP0890272B1; ES2283028T3; NO983571D0; AU726547B2; AU5189898A; WO1998028929A1; EP0890272A1; FI964876A

Description

, 104140

Matkaviestimen käyttö langattomana puhelimena Keksinnön ala Tämä keksintö koskee solukkojärjestelmää, johon kuuluu tukiasemia 5 ja matkaviestimiä, joiden välinen rajapinta on radiorajapinta.

Keksinnön tausta

Kiinteässä lankaverkossa kutsuva tilaaja tietää puhelun hinnan laskentaperusteet jo valitessaan B-tilaajan numeroa, sillä veloitus riippuu siitä, 10 onko kyseessä paikallis-, kauko-, matkaviestin- vai ulkomaanpuhelu. Veloitukseen vaikuttaa myös A-tilaajan käyttämä päätelaite, sillä matkaviestimestä aloitetut puhelut ovat kohdepäätelaitteesta riippumatta kalliimmat kuin kiinteän verkon puhelimesta aloitetut puhelut. Tätä voidaan pitää hintana, jonka tilaaja joutuu suuresta liikkuvuudestaan maksamaan.

15 Tavalliselle kotikäyttäjälle on jo pitkään ollut tarjolla rajoitetun liikku vuuden tarjoavia johdottomia (cordless) puhelimia. Järjestelyssä on tilaajajohdon päässä tukiasema, joka muuntaa kiinteästä verkosta tulevan audiosignaalin radiosignaaliksi ja lähettää sen edelleen johdottomaan puhelimeen. Tähän asti on käytetty yleisimmin FM-modulointia. Tällaisen moduloinnin 20 suurin haitta on se, että radiotiellä kulkevaa liikennettä voidaan kuunnella lu-vattomasti millä tahansa sopivalle taajuudelle viritetyllä FM-vastaanottimella. Oleellinen parannus tähän on käyttää digitaalista modulointia ja puheen siir-:Y: tämistä salattuna radiotien yli. Sopiva jo standardoitu digitaalinen järjestelmä • 9 on DECT-järjestelmä (Digital European Cordless Telecommunications) ja . 25 tämän järjestelmän spesifikaation mukaisia kotikäyttäjälle tarkoitettuja lan- gattomia puhelimia onkin jo saatavissa.

• · ·

Johdottoman puhelimen suuri haitta on sen mahdollistaman liikkuvuuden rajoitus 50-100 m säteelle tukiasemasta mutta etuna ovat kiinteän • · · verkon halvemmat puhelun hinnat verrattuna esimerkiksi matkapuhelinverk-* :·| ’ 30 koon. Suuri haitta on myös kehittymätön turvallisuus etenkin käytettäessä perinteistä analogista järjestelmää.

• · - Suuren liikkuvuuden mahdollistavissa matkapuhelinverkoissa ei ver kon rakenteen ja toimintatavan vuoksi voida sellaisenaan käyttää kiinteässä « · verkossa käytettyjä puhelun hinnan laskentaperusteita. Seuraavassa seloste-35 taan matkapuhelinverkon rakennetta ja toimintaa käyttäen esimerkkinä kuvassa 1 esitettyä tunnettua GSM-matkapuhelinverkkoa. Solussa olevan matka- 2 104140 viestimen MS (Mobile Station) ja verkon välinen kommunikointi tapahtuu radioteitse tukiaseman BTS (Base Transceiver Station) välityksellä. Tukiasemat -f BTS on kytketty tukiasemaohjaimeen BSC (Base Station Controller), jonka tehtäviin kuuluu mm. radiokanavien hallinta sekä kanavanvaihtotoiminnot.

5 Useita tukiasemaohjaimia on kytketty yhteen matkapuhelinkeskukseen MSC (Mobile Switching Center), joka suorittaa matkapuhelinverkon pääasialliset kyt-kentätoiminnot ja yhdistää matkapuhelinverkon muihin matkapuhelinkeskuksiin ja ulkoisiin verkkoihin.

Matkapuhelinverkkoon kuuluu myös erilaisia tietokantoja kuten kotire-10 kisteri HLR (Home Location Register), johon on tallennettu tilaajien tiedot pysyvästi. Kotirekisteriin on tallennettu tilaajan MSISDN-numero, verkon sisällä käytettävä tilaajatunnus IMSI (International Mobile Subscriber Identity), ti-] laajapalvelutiedot sekä reititystiedot vierailijarekisteriin VLR (Visitor Location

I Register). Kotirekisterin yhteydessä sijaitsee myös tunnistuskeskus AuC

j 15 (Authentication Center). Vierailijarekisteriin VLR tallennetaan HLR:ltä saatavat tilaajatiedot siksi aikaa, kun tilaaja vierailee VLR:n alueella.

Ensi kertaa sijainninpäivitystä tehtäessä verkko tarkistaa onko käyttäjällä oikeus päästä verkkoon. GSM-järjestelmän turvallisuusfunktioiden tarkoituksena on ehkäistä luvaton pääsy verkkoon estäen näin ketään käyttämästä 20 verkkoa toisen tiliin sekä suojella käyttäjän yksityisyyttä. Luvaton pääsy on es-tetty autentikoinnilla, jossa tilaaja tunnistetaan sen varmistamiseksi, että tilaa-: ·. jalla on käyttöoikeus verkkoon. Matkaviestin MS muodostuu itse asiassa kah- :Y: desta osasta: tilaajalaitteesta ME (Mobile Equipment) ja SIM-kortista ·:· (Subscriber Identity Module), joten vasta SIM-kortin työntäminen tilaajalaittee- , .·. 25 seen ME muodostaa toimivan matkaviestimen MS. Käyttäjän matkaviesti- ,···. meen MS työntämän SIM-kortin avulla tehtävällä tunnistuksella halutaan estää « · · luvaton esim. varastettujen laitteiden käyttö ja varmistua siitä, että vain tilaajat, jotka maksavat laskunsa käyttävät verkkoa. Tunnistus on operaattorin kan- • · · naita erityisen tärkeää etenkin kansainvälisen roamingin yhteydessä, koska • · · ‘•j * 30 verkko ei tiedä vierailijan tilaajatietoja eikä siten mahdollista maksukyvyttö- myyttä.

·:··· Ensinnäkin tunnistuksessa käytetään SIM- kortille tallennettua käyttä jän tunnistetta eli PIN- koodia (Personal Identity Number), jonka käyttäjä on « · · r itse antanut. Ensimmäisessä vaiheessa laitettaessa puhelimeen sähköt päälle j; 35 puhelin pyytää käyttäjää näppäilemään 4-8 numeron koodin ja vertaa näppäil tyä koodia muistiin tallennettuun koodiin. Jos koodi ei kolmen yrityksen jälkeen i s

"H

3 104140 ole oikea, menee kortti lukitustilaan eikä sitä voida ilman erityistoimenpiteitä avata. Tämä tunnistus tehdään täysin paikallisesti SIM- kortin toimesta, joten radiotiellä ei välitetä PIN- koodia eikä koodin sieppaaminen siten ole mahdollista.

5 Toiseksi, oikean PIN- koodin antamisen jälkeen matkaviestin lähettää verkkoon IMSI numeronsa tai, jos mahdollista, tilapäisen numeron TMSI, jonka jälkeen suoritetaan verkon ja kortin välinen autentikointi, jota kuvataan kuvioiden 1 ja 2 avulla.

Periaate on, että verkko kysyy matkaviestimeltä kysymyksen, johon 10 vain oikea SIM- kortti tietää vastauksen. Verkon kiinteässä osassa tunnistuksen tekee kotirekisterin HLR yhteydessä oleva tunnistuskeskus AuC (Authentication Center) ja päätelaitteessa SIM- kortti. Tunnistus perustuu tun-nistusalgoritmiin A3 ja tilaajakohtaiseen tunnistusavaimeen Kj. Sekä verkkoon että SIM- korttiin on tallennettu verkossa käytettävä tilaajan tunnus IMSI, tilaa-15 jaspesifinen avain Kj sekä edellä mainittu tunnistusalgoritmi A3.

Viitataan kuvioihin 1 ja 2. Tunnistuksen alussa tunnistuskeskus AuC lähettää matkaviestimelle kysymyksen, joka on 128 bittiä pitkä satunnaisluku RAND. Sen arvo on siten välillä 2128-1, joten todennäköisyys käyttää samaa satunnaislukua kahdesti on hyvin pieni. Tätä vaihetta esittää kuviossa 1 ympy-20 röity ykkönen ja kuviossa 2 radiorajapinnan läpi kulkeva nuoli. Matkaviestin vastaanottaa RAND:in, siirtää sen SIM- korttiin, joka suorittaa sen sekä kortis-i sa olevan tilaajaspesifisen avaimen Kj avulla A3- algoritmin. Tuloksena oleva :V: vastaus on 32 bittinen SRES (Signed Response), jonka matkaviestin lähettää |· verkkoon. Tunnistuskeskus AuC vastaanottaa sen, ympyröity kakkonen kuvi- , 25 ossa 1, ja vertaa SRES arvoa siihen arvoon, jonka se on itse laskenut käyttäen samaa A3 algoritmia sekä RAND:ia ja avainta Kj. Mikäli SRES:it ovat samat on • · « tunnistus hyväksytty, muutoin tilaajan pääsy verkkoon evätään (yes/no- vaihe . kuviossa 2).

• * ·

Kuviossa 3 on havainnollistettu, että matkaviestin käyttää vastaanot-

* t I

* '·) * 30 tamiaan RAND ja K, arvoja myös A8-algoritmiin, joka tuottaa yhteyskohtaisen salausavaimen Ke, jota käytetään edelleen avaimena kolmanteen algoritmiin * f ·:··; A5, jolla salataan puhe ja data radiotien liikennekanavilla. Verkossa tunnistus- . ’, keskus AuC suorittaa samoilla arvoilla saman algoritmin ja saa siten tulokseksi : saman salausavaimen. Molemmat tallentavat avaimen muistiin.

35 Koska tunnistustiedot lasketaan aina kotiverkossa, voivat operaattorit käyttää erilaisia A3 ja A8 algoritmeja eivätkä he tiedä toistensa käyttämiä algo- 4 104140 ritmeja. Sen sijaan puheensalausalgoritmin A5 on oltava sama kaikissa verkoissa.

SIM- kortin sisältämistä tiedoista ovat siis tunnistuksen kannalta tärkeitä IMSI, Kj ja algoritmit A3 ja A8. Algoritmit A3 ja A8 suoritetaan SIM- kortis-5 sa, jotta avainta K, ei tarvitsisi koskaan siirtää kortin ja itse puhelinlaitteen ME (Mobile Equipment) välillä.

Tunnistustietojen laskeminen tapahtuu kuten edellä on sanottu aina tilaajan kotiverkon AuC:ssä. Näin ollen tilaajan ollessa toisessa verkossa kuormittaisi tunnistus merkinantoverkkoa kohtuuttomasti VLR:n ja AuC:n välil-10 lä. Tämä välttämiseksi AuC lähettää yleensä valmiita triplettejä vierailijarekisteriin VLR tilaajan rekisteröityessä siihen. Tripletti sisältää RAND:in, SRES:in ja Kc:n. Tällöin vierailijarekisteri tarkistaa, onko matkaviestin laskenut oikeat arvot, joten merkinantoa AuC:hen voidaan vähentää.

" Edellä esitetyn mukaisesti havaitaan, että digitaalinen solukkojärjes- 15 telmä on turvallisuusmielessä erittäin kehittynyt luvattoman käytön ja puheen-salauksen suhteen. Koska kaikki solut ovat matkapuhelinverkon kannalta sa- manarvoisia, ei voida tarjota muita puheluhinnan laskentaperusteita kuin esi- merkiksi vuorokauden aikaan perustuva jousto sekä matkapuhelimen ja koti-puhelimen väliset normaalia halvemmat taksat. Erityislaskentaperusteita ei ole 20 tarjolla tietystä solusta otettuun tai siihen päättyvään puheluun. Nämä tekijät •,:,: hillitsevät puhelimen käyttöä kotipuhelimena.

Alalla on ehdotettu, että järjestetään kotiin tai muuhun tilaajan halua--, Y: maan paikkaan erityinen tavalliseen puhelinliittymään kytkettävä kotitukiasema ; HBS (Home Base Station), joka on mahdollisimman yksinkertainen laite ja pal-

I « I I

, .·. 25 velee vain yhtä tai vain muutamaa tukiasemaan rekisteröityä käyttäjää, jotka ···, käyttävät normaalia solukkoverkon puhelinta. Kotitukiasema vastaisi siten toi-

t I I

minnoiltaan nykyisiä johdottomien puhelimien tukiasemia ts. se suorittaa muunnoksen lankaverkon ja radiorajapinnan välillä. Vaikka tukiasema olisi • · · luonteeltaan “riisuttu” solukkoverkon tukiasema, olisi sen kautta verkkoon pää- • · « '·] * 30 syä haluava solukkoverkon puhelin tavalla tai toisella autentikoitava. Puhelin- hän toimii autentikoinnissa aina samalla tavalla ja odottaa saavansa verkosta • * .;··· RAND kyselyn. Ainakin kahta tapaa on ehdotettu.

Ensinnäkin kotitukiasemasta voitaisiin järjestää modeemiyhteys soluk-: koverkon tunnistuskeskukseen AuC, jolloin autentikoinnissa vaihdettavat pa- Y.; 35 rametrit siirretään tämän yhteyden kautta ja itse autentikointi tapahtuisi nor maalilla kuviossa 2 esitetyllä tavalla. Koska signalointi kulkisi muun kuin soluk- m 5 104140 koverkko-operaattorin verkon kautta, on ko. operaattorin kanssa tehtävä asiasta sopimus.

Toiseksi voitaisiin kotitukiasemaan sijoittaa kortinlukija ja käyttää erityistä korttia, jossa on tähän tukiasemaan ja käyttäjään liittyvät tiedot. Tällöin 5 autentikointi suoritettaisiin kortin ja tukiaseman välillä, joten käyttäjä aktivoisi tukiaseman kortilla.

Ehdotettujen tapojen haittoina on kiinteän verkon (esim. PSTN) yli suoritettavan modeemisignaloinnin hankaluus ja ylimääräisten korttien ja lukijoiden hankinta sekä niihin liittyvien ohjelmistojen teko.

10 Tämän keksinnön tavoitteena on siten aikaansaada solukkoverkkoon pohjautuva langaton puhelinjärjestelmä, jolla ei ole esitettyjä haittoja ja jossa solukkoverkon standardeja päätelaitteita voidaan käyttää kotona johdottomina puhelimina ilman mitään käyttäjältä vaadittavia erityistoimenpiteitä mahdollistaen siten halvemmat puhelut.

15 Tavoitteet saavutetaan itsenäisissä patenttivaatimuksissa esitetyin määrittein.

Keksinnön lyhyt yhteenveto

Ehdotettu tavalliseen puhelinliittymään kytketty kotitukiasema sisältää 20 tunnettujen johdottomien puhelimien tukiaseman tavoin latauslaitteen, jossa puhelin voidaan ladata. Latausvirtaa syöttävien nastojen lisäksi siinä on erityi-siä kommunikointinastoja, joiden kautta puhelin ja tukiasema voivat vaihtaa autentikointi- informaatiota puhelimen ollessa latauslaitteessa. Solukkoverkon

I I

·:. puhelimen muuttuminen langattomaksi puhelimeksi alkaa siten puhelimen . .·. 25 asettamisella latauslaitteeseen.

* · « ·*··, Autentikoinnissa tapahtuu kaikki informaation siirto vain tukiaseman ja * · « puhelimen välillä solukkoverkon tunnistuskeskuksen AuC ollessa kokonaan ulkopuolella. Tällöin, koska kotitukiaseman ja puhelimen välillä on johdinyhte- « · · ys, ei ole väliä kumman osapuolen autentikointivälineet generoivat autentikoin-* *·] * 30 ti-ja salaustiedot kunhan ne vain ovat etukäteen sovittuja. Algoritmienkaan ei tarvitse olla solukkojärjestelmässä käytettyjä. Riittää kun on etukäteen sovittu, • · että kun toinen osapuoli lähettää tietyn kyselyn, toinen vastaa tietyllä vastauksella jonka jälkeen molemmat käyttävät sovittua salausavainta radioliikentees-: ·; : sä. Autentikointi on käyttäjälle näkymätön.

35 Edullisen suoritusmuodon mukaisesti autentikoinnissa käytettävät pa rametrit generoi matkaviestimessä olevat ensimmäiset välineet ja parametrit 6 104140 siirretään kiinteän yhteyden kautta kotitukiasemassa oleviin toisiin välineisiin, jotka tallentavat ne. Tämä yksinkertaistaa tukiasemaa. Lisäksi on edullista käyttää samoja kyselyjä, vastauksia, algoritmeja ja salausavaimia kuin solukkojärjestelmässä, jonka mukainen puhelin on kyseessä. Tällöin puhelimeen 5 tehtävät ohjelmalliset muutokset ovat pienet.

Toisen suoritusmuodon mukaisesti autentikoinnissa käytettävät parametrit generoi tukiasemassa olevat toiset välineet ja parametrit siirretään kiinteän yhteyden kautta matkaviestimessä oleviin ensimmäisiin välineisiin, jotka tallentavat ne.

10 Asetettaessa puhelin latauslaitteeseen on edullista, että samalla käynnistyy puhelimen rekisteröityminen pois solukkoverkosta. Tällöin mahdollinen soitonsiirto kotipuhelimeen, mikäli matkaviestin ei vastaa, toimii normaalisti. Solukkoverkon aikaiset tiedot voidaan jättää puhelimen muistiin, jolloin ne voidaan ottaa käyttöön puhelimen siirtyessä solukkoverkkoon. Käyttöönotto voi | 15 tapahtua automaattisesti puhelimen etäännyttyä kotitukiaseman kantaman ul- kopuolelle.

Kun matkaviestin on muuttunut langattomaksi puhelimeksi, suoritetaan autentikointi puhelunmuodostuksen alussa käyttäen ennalta laskettuja ja muistiin tallennettuja parametrejä.

20

Kuvioluettelo £ ' ' '

Keksintö selostetaan tarkemmin oheisten kaaviollisten kuvioiden ;Y: avulla, joissa . kuvio 1 esittää solukkojärjestelmän periaatetta, 25 kuvio 2 esittää autentikointia tunnetussa solukkojärjestelmässä, * * * .* J.*p kuvio 3 esittää salausavaimen muodostua tunnetussa järjestelmässä, kuvio 4 esittää keksinnön mukaisen järjestelmän periaatetta, kuvio 5 havainnollistaa rekisteröitymistä keksinnön järjestelmässä, *·*··' kuvio 6 havainnollistaa autentikointia keksinnön järjestelmässä, • · · v : 30 kuvio 7 kuvaa toista suoritusmuotoa ja kuvio 8 esittää autentikointia toisessa suoritusmuodossa.

· f »

Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus «’·· '· Kuvio 4 esittää järjestelmän peruselementtejä. Tilaajan kotiin, toimis- • * · 35 toon tai muuhun vastaavaan paikkaan tulee kiinteän PSTN tai ISDN verkon 3 μ paikalliskeskuksesta tilaajajohto 1. Tilaajajohtoon 1 on kytketty kotitukiasema -i 7 104140 HBS (Home Base Station), joka muuntaa tilaajajohdolta tulevan puheen ja datan solukkojärjestelmän mukaisen ilmarajapinnan formaattiin sekä lähettää sen edelleen radiotielle ja vastaavasti muuntaa radiotieltä tulevan solukkojärjestelmän mukaisen puheen ja datan kiinteässä verkossa käytettyyn muotoon, 5 PSTN- verkon tapauksessa audiosignaaliksi tai ISDN- verkon tapauksessa PCM- signaaliksi. Kotitukiasemassa käytettyjen taajuuksien aiheuttaman interferenssin minimoimiseksi on lähetysteho pieni, joten solun säde on samaa suuruusluokkaa kuin johdottomilla puhelimillakin, muutama sata metriä vapaassa tilassa.

10 Toisaalta peruselementteihin kuuluu matkaviestin MS, joka on jonkin digitaalisen solukkojärjestelmän mukainen laite. Esimerkkinä käytetään tunnettua GSM-järjestelmää.

Liikkuessaan solukkojärjestelmän alueella matkaviestin on yhteydessä kulloinkin parhaimman yhteyden tarjoavaan tukiasemaan BTS ja liikennöi 15 normaaliin tapaan solukkoverkossa. Kun käyttäjä siirtyy solukkoverkossa paikasta A kotiinsa paikkaan B, jota siirrosta on esitetty nuolella, pysyy matkaviestin MS edelleen rekisteröitynä solukkoverkkoon. Vasta kun käyttäjä yhdistää puhelimensa johdinyhteydellä suoraan kotitukiasemaan, nuoli A -> C, tapahtuu puhelimen rekisteröityminen pois solukkoverkosta. Kotitukiasemassa 20 olevassa puhelimen akkujen latausasemassa, jota esittää tukiasemassa HBS oleva syvennys, voi olla latausvirtanastojen lisäksi yksi tai useampi kontakti-nasta, jolloin asetettaessa puhelin latausasemaan tulee kontaktinasta koske- :';' tukseen puhelimessa olevien vastaavan nastan kanssa käynnistäen sekä pu- » 4 helimen rekisteröitymisen pois solukkoverkosta että rekisteröitymisen kotitu- * \ 25 kiasemaan.

1 · ·

Ensimmäisen suoritusmuodon mukaan kaikki autentikointiin liittyvä

2 I I

’ laskenta suoritetaan matkaviestimessä MS. Tätä suoritusmuotoa selostetaan kuvion 5 avulla.

*···' Rekisteröityminen kotitukiasemaan tapahtuu siten, että tilaajalaite ME

- V · 30 generoi satunnaisluvun RAND, jonka se syöttää SIM- korttiin. SIM-kortti laskee t satunnaislukua ja avainta Kj käyttäen algoritmin X ja saa tulokseksi vastauksen • · SRES. Samoja arvoja mutta algoritmia Y käyttäen SIM- kortti suorittaa algoritmin Y saaden tulokseksi yhteyskohtaisen salausavaimen Ke. Nämä algoritmit voivat olla samat kuin mitä solukkojäijestelmässäkin käytetään, ts. GSM-35 järjestelmän tapauksessa algoritmit A3 ja A8, mutta yhtä hyvin ne voivat olla mitkä tahansa algoritmit. SIM- kortti antaa myös tilaajatunnuksen IMSI tai tila- 8 104140 päisen tilaajatunnuksen TMSI, joka voi olla mikä tahansa hyväksytty arvo. Toiminta vastaa pääpiirteissään kuvioiden 2 ja 3 vasenta puolta lukuunottamatta sitä, että satunnaisluvun RAND generoi tunnistuskeskuksen AuC sijasta ME.

5 SIM- kortti syöttää generoimansa vastauksen SRES, avaimen Ke ja IMSI/TMSI- arvon tilaajalaitteeseen ME, joka siirtää ne kiinteää yhteyttä pitkin matkaviestimen ja kotitukiaseman HBS yhdistävien kontaktinastojen 51 kautta kotitukiasemaan HBS, joka tallentaa vastaanottamansa tiedot. Rekisteröityminen on nyt tapahtunut ja kotitukiaseman tiedossa on käytettävät autentikointi-10 ja salausparametrit. Matkaviestin MS on muuttunut langattomaksi puhelimeksi, se voidaan irrottaa kotitukiasemasta HBS ja se voi aloittaa tai vastaanottaa kiinteän verkon puhelun. Sen puhelinnumero on kiinteän verkon operaattorin ' tälle tilaajaliittymälle antama numero.

Puhelua aloitettaessa tai vastaanotettaessa suoritetaan ensimmäi-15 seksi autentikointi, jota selostetaan viitaten kuvioon 6. Aluksi matkaviestin MS

lähettää radioteitse kotitukiasemalle HBS tunnisteensa TMSI, jonka perusteella kotitukiasema osaa hakea muististaan tunnisteeseen liittyvät, matkaviestimeltä aiemmin vastaanottamansa arvot. Tämän jälkeen kotitukiasema autentikoi matkaviestimen lähettämällä sille muistista hakemansa RAND lu-^ 20 vun. Vastaanotettuaan RAND:in SIM- kortti suorittaa algoritmin X saaden tu- j ,·.' loksesi SRES arvon, jonka matkaviestin MS lähettää kotitukiasemalle. Arvon ; pitäisi olla sama kuin minkä se on aikaisemmin rekisteröinnin yhteydessä ge- ,Y: neroinut, joten kotitukiasema suorittaa validioinnin vertaamalla vastaanotta- .;· maansa ja muistissaan olevaa SRES arvoa. Jos ne ovat samat voidaan pu- "1 * * * j , j\ 25 helu aloittaa. Tukiasema käyttää matkaviestimelle lähettämänsä informaation •j-, salaukseen tallentamaansa salausavainta Ke ja matkaviestin käyttää samaa I i « avainta, jonka myös se on tallentanut aiemmin tai sitten se voi laskea avaimen uudelleen algoritmia Y käyttäen, kuten kuviossa on esitetty.

J ' '

On huomattava, että sekä RAND että SRES arvot lähetään mahdolli- m **1 * 30 sesti useaankin kertaan radiorajapinnan yli, jolloin kolmannella osapuolella on mahdollista siepata ne. Tämä on mahdollista myös GSM-järjestelmän tapauk- • * sessa. Asia ei kuitenkaan haittaa, sillä salausavainta ei siirretä lainkaan radio- • · teitse vaan ainoastaan kiinteän yhteyden kautta silloin kun matkaviestin on i · 1 : kiinni kotitukiasemassa.

• i · F 35 Kuviossa 7 on esitetty toinen suoritusmuoto, jossa kotitukiasema on autentikoinnin aktiivinen osapuoli.

m

Tl 9 104140

Rekisteröityminen kotitukiasemaan tapahtuu siten, että matkaviestin MS siirtää kotitukiasemaan HBS tilaajatunnuksensa IMSI tai tilapäisen tilaaja-tunnuksen TMSI. Vasteena tälle kotitukiasema generoi satunnaisluvun RAND ja laskee satunnaislukua ja avainta Kj käyttäen algoritmin X ja saa tulokseksi 5 vastauksen SRES. Samoja lähtöarvoja mutta algoritmia Y käyttäen se suorittaa myös algoritmin Y saaden tulokseksi yhteyskohtaisen salausavaimen Ke. Nämä algoritmit voivat olla samat kuin mitä solukkojärjestelmässäkin käytetään. Kaikki arvot tallennetaan muistiin.

Tämän jälkeen kotitukiasema syöttää generoimansa kysymyksen 10 RAND, laskemansa vastauksen SRES ja avaimen Ke kontaktinastojen 51 kautta tilaajalaitteeseen ME, joka tallentaa vastaanottamansa tiedot. Rekisteröityminen on nyt tapahtunut ja matkaviestimen tiedossa on käytettävät auten-tikointi- ja salausparametrit. Matkaviestin MS on muuttunut langattomaksi puhelimeksi, se voidaan irrottaa kotitukiasemasta HBS ja se voi aloittaa tai vas-15 taanottaa kiinteän verkon puhelun.

Puhelua aloitettaessa tai vastaanotettaessa suoritetaan ensimmäiseksi autentikointi, jota selostetaan viitaten kuvioon 8. Aluksi matkaviestin MS lähettää radioteitse kotitukiasemalle HBS tunnisteensa TMSI, jonka perusteella kotitukiasema hakee muististaan tunnisteeseen liittyvät, matkaviesti-20 meitä aiemmin vastaanottamansa arvot. Tämän jälkeen kotitukiasema autenti-’. S,1 koi matkaviestimen lähettämällä sille muistista hakemansa RAND luvun. Vas- i '<· taanotettuaan RAND:in SIM- kortti suorittaa algoritmin X saaden tuloksesi ,Y: SRES arvon, jonka matkaviestin MS lähettää kotitukiasemalle. Arvon pitäisi ·: olla sama kuin minkä se on aikaisemmin rekisteröinnin yhteydessä generoinut, * } I · , 25 joten kotitukiasema suorittaa validioinnin vertaamalla vastaanottamaansa ja muistissaan olevaa SRES arvoa. Jos ne ovat samat voidaan puhelu aloittaa.

« « I

Tukiasema käyttää matkaviestimelle lähettämänsä informaation salaukseen . tallentamaansa salausavainta Ke ja matkaviestin käyttää samaa avainta, jonka i · · ;!;* myös se on tallentanut aiemmin tai sitten se voi laskea avaimen uudelleen al- - V ' 30 goritmia Y käyttäen.

On myös mahdollista toimia siten, että matkaviestin autentikoi tu- • · kiaseman. Tällöin se lähettää tukiasemalle sekä IMSI:n että RAND:in, joihin . *, vasteena tukiasema lähettää takaisin SRES luvun. Matkaviestin tarkistaa, että I » % luku vastaa jo tallennettua tai uudelleen laskettua SRES arvoa.

35 Keksinnön mukaisten toimintojen järjestäminen nykyisiin solukkover kon puhelimiin vaatii pienehköjä ohjelmistolisäyksiä ja tarvittaessa uudet algo- 10 104140 riimit olemassa olevien kuten A3A8 algoritmien lisäksi. Kotitukiasemaan tehtävät lisäykset ovat minimaaliset mikäli toimitaan ensimmäisen suoritusmuodon mukaan. Suuri etu on, että mikä tahansa solukkoverkon puhelin, joka rekisteröidään kotitukiasemaan, toimii langattomana puhelimena. Puhelin on käytän-5 nössä dual-mode puhelin, jolloin sama puhelin toimii kotona lankaverkon puhelimena halvemmin puhelutaksoin ja kodin ulkopuolella normaalina solukko-verkon puhelimena. Mikäli rekisteröityminen tukiasemaan tapahtuu automaattisesti kuten edellä on ehdotettu ja rekisteröityminen solukkoverkkoon tapahtuu automaattisesti puhelimen muistiin tallennettuja aikaisempia parametrejä 10 käyttäen, ei moodin vaihdos edellytä käyttäjältä muuta kuin puhelimen liittämistä hetkeksi kotitukiasemaan tultaessa kotiin, toimistoon tms. paikkaan.

Puhelimen rekisteröityessä kotitukiasemaan on tietenkin huolehdittava siitä, että sen lähetysteho tippuu huomattavasti alle solukkoverkkojärjestel-mässä matkaviestimelle määritellyn minimi lähetystehon niin, että kantama 15 laskee muutamaan sataan metriin vapaassa tilassa. Näin on tehtävä siksi, että matkaviestin langattomana puhelimena toimiessaan aiheuta interferenssiä solukkojärjestelmän samaa taajuutta käyttävillä yhteyksillä.

Voisi olla jopa mahdollista ohjelmoida puhelin siten, että se pystyisi ollessaan rekisteröityneenä kotitukiasemaan ottamaan kutsuja vastaan sekä 20 kiinteän verkon puolelta että solukkoverkon puolelta mutta lähtevät puhelut ohjautuisivat kiinteään verkkoon.

Ehdotettu järjestely voidaan käytännössä toteuttaa patenttivaatimus- ; '· ten suojapiirissä pysyen monella eri tavalla. Ohjelmat ja algoritmit ovat va- : V: päästi valittavissa samoin kuin kumpi osapuoli generoi autentikointi- ja salaus- ·: 25 tiedot. Rekisteröinnin käynnistys voi tapahtua edullisimmin työnnettäessä pu- • · · · , helin latausasemaan mutta yhtä hyvin tukiasemassa voi olla jokin muu paikka mihin puhelin asetetaan rekisteröinnin ajaksi. Kotitukiasemaan voidaan rekiste- ; .· · röidä useita puhelimia. Sopivalla tukiasemaan tehtävällä ohjelmistolla voidaan toteuttaa sisäpuhelut näiden puhelimien välillä.

• · · • · · • · · • · · • c ·

I I I

• · • f · • I · • < • · • · • · · • · · • · · · f I I • · • · I t f

Claims

11 104140

1. Puhelinjärjestelmä, johon kuuluu päätelaite ja kotitukiasema, joka on liitetty tilaajajohdon kautta puhelinkeskukseen, jolloin osa tilaajayhteydestä muodostuu päätelaitteen ja tukiaseman välisestä radioyhteydestä 5 tunnettu siitä, että päätelaite on solukkorakenteisen matkapuhelinjärjestelmän matkaviestin, jossa on lisäksi ensimmäiset välineet sen ja kotitukiaseman (HBS) välillä suoritettavan autentikointimenettelyn toteuttamiseksi, tukiasema sisältää toiset välineet sen ja matkaviestimen välillä suori-10 tettavan autentikointimenettelyn toteuttamiseksi, matkaviestimen ja kotitukiaseman välinen autentikointiparametrien generointi ja vaihto alkaa välittömästi kun matkaviestin on asetettu kotitu-kiasemaan niin, että niiden välille syntyy johdinyhteys, jolloin autentikointiparametrien siirron jälkeen matkaviestin on muuttunut kotitukiasemaan rekiste-15 röidyksi johdottomaksi puhelimeksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että ensimmäisiin välineisiin kuuluu ensimmäinen algoritmi (algoritmi X), tunnistusavain (K,) ja satunnaisluvun (RAND) generaattori 20 toiset välineet sisältävät muistin, matkaviestimen kotitukiasemaan asettamisen jälkeen ensimmäiset vä-lineet generoivat satunnaisluvun (RAND), jolle vasteena ensimmäinen algorit-; ’·· mi (algoritmi X) tunnistusavainta (K,) käyttäen tuottaa vastauksen (SRES) ja :V: matkaviestin siirtää satunnaisluvun (RAND), vastauksen (SRES) sekä tunnis ti* 25 teensä (IMSI/TMSI) kotitukiasemalle (HBS) tallennettavaksi muistiin.

• « · , .·. 3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen järjestelmä, • · · tu n n ettu siitä, että • · ♦ ensimmäisiin välineisiin kuuluu toinen algoritmi (algoritmi Y) ja vasteena satunnaisluvulle ensimmäiset välineet suorittavat satunnaislukua ja tunnis- • · · . 30 tusavainta (Kj) käyttäen toisen algoritmin (algoritmi Y) ja siirtävät toisen algo- • · · '·’ ' ritmin tuloksena olevan yhteyskohtaisen salausavaimen (Ke) kotitukiasemalle . tallennettavaksi muistiin. • · •: · · j

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että f I · :; \,: 35 ensimmäiset välineet sisältävät muistin, • · • « 12 104140 toisiin välineisiin kuuluu ensimmäinen algoritmi (algoritmi X), tunnis-tusavain (Kj) ja satunnaisluvun (RAND) generaattori matkaviestimen kotitukiasemaan asettamisen jälkeen matkaviestin siirtää kotitukiasemalle tunnisteensa (IMSI/TMSi), jolle vasteena toiset välineet 5 generoivat satunnaisluvun (RAND), jolle vasteena ensimmäinen algoritmi (algoritmi X) tunnistusavainta (K,) käyttäen tuottaa vastauksen (SRES) ja koti-tukiasema siirtää satunnaisluvun (RAND) sekä, vastauksen (SRES) matkaviestimeen tallennettavaksi muistiin.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen järjestelmä, 10 tunnettu siitä, että toisiin välineisiin kuuluu lisäksi toinen algoritmi (algoritmi Y) ja vasteena satunnaisluvulle (RAND) toiset välineet suorittavat satunnaislukua ja tunnistusavainta (K) käyttäen toisen algoritmin (algoritmi Y) ja siirtävät toisen algoritmin tuloksena olevan yhteyskohtaisen salausavaimen (Ke) matkaviesti- s 15 meen tallennettavaksi muistiin. ..1

* 6. Patenttivaatimuksen 2 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että matkaviestimen toimiessa langattomana puhelimena erillään kotitukiasemasta suoritetaan puhelun muodostuksessa autentikointi siten, että 20 a) matkaviestin lähettää tunnisteensa (IMSI/TMSI) kotitukiasemaan, b) vasteena tunnisteelle kotitukiasema hakee muistiin tallennetun satunnaislu-*·'·’ vun (RAND) ja lähettää sen matkaviestimelle, : '·· c) vasteena satunnaisluvulle (RAND) matkaviestin hakee muistiin tallennetun •.:.: vastauksen (SRES) ja lähettää sen kotitukiasemalle *!' 25 d) kotitukiasema vertaa vastaanottamaansa vastausta muistiin tallentamaansa t vastaukseen ja hyväksyy matkaviestimen vastausten ollessa samat. • · ·

7. Patenttivaatimuksen 4 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että matkaviestimen toimiessa langattomana puhelimena .... erillään kotitukiasemasta suoritetaan puhelun muodostuksessa autentikointi 30 siten, että * * * ’ a) matkaviestin lähettää tunnisteensa (IMSI/TMSI) kotitukiasemaan, ·.'.· b)vasteenatunnisteellekotitukiasemahakeemuistiintallennetunsatunnaislu- : ·: vun (RAND) ja lähettää sen matkaviestimelle, . c) vasteena satunnaisluvulle (RAND) matkaviestin suorittaa satunnaislukua ja • « · 35 tunnistusavainta (K,) käyttäen ensimmäisen algoritmin (algoritmi X) ja lä- 9 f ’ · · ·' hettää tuloksena olevan vastauksen (SRES) kotitukiasemalle (HBS), 104140 d) kotitukiasema vertaa vastaanottamaansa vastausta muistiin tallentamaansa vastaukseen ja hyväksyy matkaviestimen vastausten ollessa samat.

8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että matkaviestin salaa lähettämänsä informaation käyttäen 5 muistiin tallentamaansa yhteyskohtaista salausavainta (Ke) ja kotitukiasema salaa lähettämänsä informaation käyttäen muistiin tallentamaansa yhteyskohtaista salausavainta (Ke).

9. Patenttivaatimuksen I mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että asetettaessa matkaviestin kotitukiasemaan se rekisteröityy automaattisesti 10 pois solukkoverkosta.

10. Patenttivaatimuksen I mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että asetettaessa matkaviestin kotitukiasemaan se rekisteröityy automaattisesti pois solukkoverkosta mutta säilyttää muistissa solukkoverkossa käytetyt au-tentikointiparametrit, jolloin matkaviestimen etäännyttyä kotitukiaseman kan- 15 tämän ulkopuolelle se yrittää automaattisesti pääsyä solukkoverkkoon näitä parametrejä käyttäen. • · · • a a a a a < : : M » a a a i : : a a a a a · · a a a ” a · « a a a a a a a a a · a t a a · a a · · t a 14 104140