JP2003515179A - セルラ通信を暗号化するための乱数発生 - Google Patents

セルラ通信を暗号化するための乱数発生

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 セルラ通信を暗号化するための乱数を発生する方法。 【解決手段】 無線通信において、送信デバイスは、暗号化プロセスのためのランダムデータの連続的な供給を必要とする。本発明は、従来のＣＤＭＡ電話においてすでに利用可能なハードウエアを用いて、真にランダムなデータの連続的なプールを発生するための方法を与える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線通信回路網に関する。より詳細には、本発明は、無線通信シス
テムにおいて送信を暗号化する目的のための、新規なそして改善されたランダム
データ発生の方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無線通信のための暗号化機構は、ランダムデータの連続的なプールを必要とす
る。ソフトウエアを通じて、よいスペクトル特性を有するビットを発生するいく
つかの方法がある。しかしいずれのソフトウエアにより作成された乱数も、ソフ
トウエアにより発生されたすべての数字のシーケンスは周期的であることから、
真にランダムというよりは、その真の性質によって、疑似ランダムであるに違い
ない。このような疑似ランダムシーケンスは、第三者によって解読されることが
可能である。ハードウエアにより発生されたデータのみが、数学的にランダムで
あり得る。キーを押すときの電圧ジッタ、あるいはキーを押す間の時間遅延を用
いている他の手法が知られているが、疑似ランダムであるか連続的なランダムデ
ータを供給しないかの何れかであるこれらの手法に比して、本発明は重要な利点
を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
現在、無線通信を暗号化するために、現存の無線電話ハードウエアから、真に
ランダムなデータの十分な供給を連続的に生じるような、理想的な方法は存在し
ていない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来の無線電話においてすでに利用可能であるハードウエアを用い
ることによって、無線通信暗号化のためのランダムデータビットの連続したプー
ルを生じるための、新しいそして改善された方法である。とくに本発明は、一連
の乱数を発生するために、伝搬経路および受信機フロントエンドのランダムな性
質、および受信された信号特性に与えるそれらの影響を利用している。本発明は
、ＣＤＭＡ無線電話の形で記述されているが、原理は、他の無線変調技術に容易
に応用される。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴、目的、そして利点が、図面と関連させた場合に、以下に記述す
る詳細な説明からより明白になろう。図面において同様の参照符号は、全体を通
して同一のものと認定する。
【０００６】 図１は、通常のＣＤＭＡ電話ハードウエアから、暗号化のためにしばしば必要
とされる、ランダムデータのプールを発生するための典型的方法に関する、ハイ
レベル概観図を示す。この方法は、説明されたステップの省略あるいは再配列に
よって、本発明の範囲から離れることなしに、容易に修正することができる。本
発明はＣＤＭＡ電話環境について記述されている。しかし本発明は他の変調技術
に対しても同様に適用できるであろう。
【０００７】 現在のＣＤＭＡシステムにおいて、データは２０ミリ秒のフレームの中で送信
される。本発明の方法は、通常の電話呼の間に得ることができるＣＤＭＡ変数を
用いて、２０ミリ秒に等しい各フレームに対して、４個のランダムデータビット
を発生することができる。本発明は、受信された信号の中に存在する、真にラン
ダムなソースから、データを発生する。これらの発生されたランダムデータビッ
トは、ランダムデータプール内に集められ、そして暗号化プロセスに利用可能と
なる。
【０００８】 典型的実施例においては、ブロック１００において、ＣＤＭＡ電話の受信自動
利得制御（ＡＧＣ）回路は、２０ミリ秒毎に２個のデータのランダムビットを発
生するのに用いられる。受信ＡＧＣ回路からのランダムビットの発生は、図３に
詳細が述べられている。自動利得制御エレメントは、復調器に与えられる帯域内
エネルギーを一定したレベルに保つために、無線電話内で使用されている。受信
された帯域内エネルギーは、シャドウイング、フェージング、およびマルチパス
現象による伝搬経路の変化によって、ランダムな形態で減衰する。受信された信
号は、ランダムビットの第一のセットを与えるために、ＡＧＣの可変利得増幅器
によって正規化される。可変利得増幅器の利得は連続的に変化するために、当業
界の熟練した人は、ランダム変数が、ＡＧＣから任意の割合で抽出されるであろ
うことを理解するであろう。さらに、２ビット程度が乱数発生器に抽出されるで
あろう。
【０００９】 典型的実施例においては、ブロック１０２において、ＣＤＭＡ電話の、同相（
Ｉ）／直角位相（Ｑ）直流オフセット補正ループが、２０ミリ秒毎に１個のラン
ダムデータビットを発生するのに使用される。直流オフセット補正ループからの
ランダムビットの発生は、図４に詳細に記述されている。直流オフセット補正ル
ープエレメントは、アナログからディジタルへの変換２０６の間に、受信された
信号に生じる小さな直流オフセットを補正するために無線電話に使用されている
。直流オフセットは、アナログ信号特性に対する変換プロセスの影響のために、
ランダムな形態で、ディジタル信号に加えられる。直流オフセット補正ループは
、付加的なランダムビットを与えるために、利得増幅および加算の手段によって
、変換された信号の平均直流値を０に正規化する。直流オフセットは連続的に変
化するので、当業界の熟練した人は、直流オフセット補正ループから任意の割合
で、ランダム変数が抽出されるであろうことを理解するであろう。さらに、１ビ
ット程度が、乱数発生器に抽出されるであろう。
【００１０】 典型的実施例においては、ブロック１０４において、ＣＤＭＡ電話の時間追随
ループが、各２０ミリ秒毎に１個のランダムビットを発生するために用いられる
。時間追随ループからのランダムビットの発生は、図５に詳細に記述されている
。時間追随ループエレメントは、伝搬経路遅延の変動にかかわらずビット同期を
維持するために、無線電話に使用されている。伝搬経路遅延は、シャドウイング
、フェージングおよびマルチパス現象による伝搬経路の変動のために、ランダム
な形態で変化する。時間追随ループは、付加的なランダムビットを与えるために
、加算およびスケーリングの手段によって、受信された信号をサンプリングし、
調整する。伝搬経路遅延はランダムに変化するので、当業界の熟練した人は、ラ
ンダム変数が時間追随ループから任意の割合で抽出されるであろうことを理解す
るであろう。さらに、１ビット程度が乱数発生器内に抽出されるであろう。
【００１１】 受信ＡＧＣ回路、同相／直角位相（Ｉ／Ｑ）直流オフセット補正ループ、およ
び時間追随ループの新しい利用によって、本発明の典型的実施例は、電話使用の
間フレーム間隔あたりランダムデータ４ビットを発生する。このデータはハード
ウエアで発生されるために、本来疑似ランダムであるに違いないソフトウエアで
発生されたデータよりは、むしろ真にランダムである。このような疑似ランダム
データのシーケンスは、第三者によって解読される可能性が高く、一方本発明に
より発生されたランダムデータはそうではない。
【００１２】 図２は、通常のＣＤＭＡ電話受信ハードウエア装置内の簡略化された部分的信
号経路を示している。図２は、ランダムデータを発生するために、本特許によっ
て使用されるハードウエア内を経由する信号のみの経路を示している。
【００１３】 アンテナ２０２は、ＲＦ（無線周波数）電磁場を（交流）ＡＣに変換する、あ
るいはその逆を行う変換器である。受信アンテナはＲＦエネルギーを途中で捕ら
え、交流を電子装置に配送する。受信されたアナログ信号はアンテナエレメント
２０２に達し、受信復調エレメント２０４によってベースバンドアナログ信号に
ダウンコンバートされる。ダウンコンバージョンの後に、信号はＡＤ変換エレメ
ント２０６に進む。
【００１４】 ＡＤ変換回路エレメント２０６は、復調されたアナログ信号をディジタル信号
に変換し、付加的な信号処理を行う。ＡＤ変換の期間中、小さな直流（ＤＣ）オ
フセットが信号に加えられる。信号が変換された後に、ディジタル化された信号
は、データのフレームが受信されるたびにデータのランダムビットが発生される
電話機内で、受信ＡＧＣ回路エレメント２０８、直流オフセット補正ループエレ
メント２１０、および時間追随ループエレメント２１２に同時に進む。新しく発
生されたランダムデータのビットそれぞれは、乱数選択器サブシステムエレメン
ト２１４に入力される。
【００１５】 乱数選択器サブシステム２１４は、新しいランダムビットが供給され、シフト
されるたびに新しい乱数を発生する、ディジタルシフトレジスタを含んでいる。
典型的実施例においては、供給およびシフトの動作は２０ミリ秒毎に起きる。当
業界の熟練した人は、述べられた原理は、他の時間間隔でランダムビットを与え
るために使用できることを理解するであろう。新しい乱数は、２０ミリ秒毎に暗
号化エレメント２１８に供給される。
【００１６】 通常の暗号化されない無線送信データは、データ発生エレメント２１６によっ
て暗号化される準備ができている。通常の送信データは、ディジタル化された音
声、あるいは他の通信データを含むかも知れない。データ発生エレメント２１６
によって発生された暗号化されないデータは、暗号化エレメント２１８に進む。
暗号化エレメント２１８は、通常のデータを暗号化するために、乱数選択器サブ
システム２１４によって発生された乱数のプールを使用する、データ暗号化処理
を行う。暗号化器(encryptor)２１８の暗号化されたデータ出力は、送信エレメ
ント２２０に進む。
【００１７】 送信エレメント２２０は、暗号化された信号を変調し、送信アンテナエレメン
ト２２２によって送信するために、これを処理する。
【００１８】 エレメント２２２は、装置送信アンテナである。送信アンテナエレメント２２
２は、変調された暗号化信号を供給され、ＲＦ電磁場を発生する。
【００１９】 図３は、受信ＡＧＣ２０８への復調されたディジタル受信信号入力から、２０
ミリ秒毎に２個のデータのランダムビットを発生するために、本発明の典型的実
施例に使用されている装置を示している。エレメント３０２は、ＡＧＣ回路に通
じる、受信されたＩ／Ｑデータ入力経路を示している。Ｉ／Ｑデータは、直角位
相シフトキーイング（ＱＰＳＫ）復調によって発生された、同相および直角位相
データサンプルである。ＡＧＣ回路は、復調のために一定したエネルギーの信号
を与える機能を果たしている。これを行っている場合、ＡＧＣ２０８は、未加工
チップレベル(raw chip level)入力Ｉ／Ｑサンプル３０２から、受信ＡＧＣ調整
ビット（ＲＸ ＡＧＣ ＡＤＪ）３１０として知られる、ランダム変数中間出力
を発生する。ＣＤＭＡ技術においては、時間はしばしばチップの単位で測定され
る。ＣＤＭＡ周波数が１．２２８８ＭＨｚである場合、１チップ＝１／（１．２
２８８ＭＨｚ）＝８１３．８ナノ秒である。
【００２０】 利得ステージエレメント３０４においては、受信された信号は利得値と乗算さ
れる。利得値は無線電話ハードウエアのパラメータによって変化する。利得値は
、ハードウエア構成要素の内部数値(internal number)表示に従って変化する。
構成要素に表示された数値の範囲は、その値を表示するために割り当てられたビ
ットの数値によって決定される。たとえば、４ビット数値の構成要素の範囲は−
７から７であろうし、８ビットマイクロプロセッサの範囲は、−１２８から１２
８であろう。もしも構成要素値の範囲が無線電話制御マイクロプロセッサデバイ
スの範囲と適合しなければ、情報が失われないようにするために、制御マイクロ
プロセッサの値の全範囲を用いるために値は増減される。
【００２１】 加算エレメント３０６は、２０ミリ秒毎にＩ／Ｑサンプルをそれ以前のサンプ
ルに加算する。信号は、低雑音増幅器（ＬＮＡ）および、典型的実施例において
は、２０ミリ秒毎に、８ ＲＸ ＡＧＣ ＡＤＪビットを発生する、受信リニア
ライザーエレメント３０８に進められる。エレメント３０８はまた、信号をパル
ス密度変調器（ＰＤＭ）エレメント３１２への入力のために線形化する。
【００２２】 ＰＤＭ３１２は、乱数発生に関係していない、他のＣＤＭＡハードウエアによ
る使用のために、ディジタル信号をアナログに変換する。
【００２３】 ＲＸ＿ＡＧＣ＿ＡＤＪの、２個の最下位ビット（ＬＳＢ）は、受信された信号
中の白色雑音の瞬時変動に対応した方法でディザーする。これら２個のビットは
、数学的にランダムな白色雑音から導かれたものであるために、数学的にランダ
ムであることを示すことができる。
【００２４】 受信ＡＧＣによって発生されたランダムビットは、乱数選択器サブシステム２
１４に供給される。
【００２５】 図４は直流オフセット補正ループへの復調されたディジタル受信信号入力から
、２０ミリ秒毎に１個のデータのランダムビットを発生するために、本発明の典
型的実施例によって使用される装置を説明している。直流オフセット補正ループ
は、ＡＤ変換プロセスによって生じるＩ／Ｑオフセットを補正するように動作す
る。入力信号が直流オフセット補正ループを通過する後に、Ｉ／Ｑオフセットは
、０の平均値を有する。
【００２６】 ＲＸ ＤＡＴＡ、エレメント４０４は、受信されたＩ／Ｑデータを直流オフセ
ット補正ループ２１０に入力する。
【００２７】 受信スペクトル逆変換(inversion)ビット発生器４０２は、受信スペクトル逆
変換ビット入力を、直流オフセット補正ループ２１０に与える。スペクトル逆変
換ビットは、１あるいは０の値をとる。スペクトル逆変換ビットは、ＱＰＳＫ変
調されたデータから、ＩおよびＱ成分を抽出するのに用いられる。
【００２８】 直流ループ利得エレメント４０８は、直流オフセット補正ループ２１０の第１
の利得ステージであって、入力受信信号をスペクトル逆変換ビットの値と乗算す
る。乗算された出力は、受信された信号のＩおよびＱ成分を発生する。
【００２９】 利得ステージエレメント４１０は、直流オフセット補正ループ２１０の第２の
利得ステージである。利得ステージエレメント４１０は、受信された信号を直流
ループ利得値と乗算する。直流ループ利得値は、ＣＤＭＡハードウエアのパラメ
ータによって変化する。利得値は、ハードウエア構成要素の内部数値表示に従っ
て変化する。構成要素の中に表示された数値の範囲は、値を表示するために割り
当てられた数値ビットによって決定される。たとえば、４ビット数値の構成要素
の範囲は−７から７であろうし、一方８ビットマイクロプロセッサの範囲は−１
２８から１２８であろう。もしも構成要素値の範囲が無線電話制御マイクロプロ
セッサデバイスの範囲と適合しなければ、情報が失われないようにするために、
制御マイクロプロセッサの値の全範囲を用いるために値は増減される。
【００３０】 加算エレメント４１２は、２０ミリ秒毎に、乗算されたＩ／Ｑサンプルをそれ
以前のサンプルと加算する。エレメント４１２は、パルス密度変調器（ＰＤＭ）
エレメント４１４への入力のために、９ビットの値を発生する。
【００３１】 ＰＤＭ４１４は、乱数発生に無関係な他のＣＤＭＡハードウエアによる使用の
ために、オフセット補正されたディジタル信号をアナログに変換する。
【００３２】 典型的実施例においては、直流オフセット補正ループは、加算器４１２によっ
て発生された加算値の最下位ビット（ＬＳＢ）を抽出することによって、２０ミ
リ秒毎に１個のランダムデータのビット発生のために用いられる。９ビット合計
の最下位ビットは、量子化されたときに、入力信号の直流オフセット成分の瞬時
変動をとっているために、真にランダムである。
【００３３】 直流オフセット補正ループによって発生されたランダムビットは、乱数選択器
サブシステム２１４に供給される。
【００３４】 図５は、時間追随ループ２１２への復調されたディジタル受信信号入力から、
２０ミリ秒毎に１個のデータのランダムビットを発生するために、本発明の典型
的実施例によって用いられる装置を説明している。時間追随２１２ループは、期
間中、受信信号伝搬遅延の変動に追随する動作を行う。受信されたＣＤＭＡ信号
における伝搬遅延は、それぞれのビットに対して同一ではなく、ランダムに変化
する。
【００３５】 ランダムに変化している伝搬遅延に追随するために、時間追随ループは、受信
されたそれぞれのＩ／Ｑサンプルを受けとり、そして初期のＩ／Ｑサンプル５０
１を発生するために、それを半チップ進め、一方終期のサンプル５０３を発生す
るために、それを半チップ遅らせている。
【００３６】 初期のサンプル（５０２‐５０４）および終期のサンプル（５０６‐５０８）
は乗算器５０２、５０４、５０６、５０８において２乗される。２乗された初期
のＩおよびＱサンプルは、初期のサンプルにおけるエネルギーを発生させるため
に、加算器５１０において加算される。２乗された終期のＩおよびＱサンプルは
、終期のサンプルにおけるエネルギーを発生させるために、加算器５１２におい
て加算される。減算器５１４は、初期および終期サンプルのエネルギー差を、ス
ケーリングエレメント５１６に与える。
【００３７】 スケーリングエレメント５１６は、時間追随位相値を生じるために、エネルギ
ー値の差をスケールする。典型的実施例においては、時間追随位相値は１６ビッ
ト数値である。位相値の最下位ビットは、それが受信された信号に固有の、数学
的にランダムな伝搬遅延から導出されているために、数学的にランダムであるこ
とを示すことができる。
【００３８】 時間追随ループにより発生されたランダムビットは、乱数選択器サブシステム
２１４に供給される。
【００３９】 本発明は、ＣＤＭＡ信号のランダムな特性を利用するために、受信ＡＧＣ回路
、直流オフセットループ、および時間追随ループを用いて、連続的な数学的にラ
ンダムなデータを発生している状況で記述されているが、当業界の熟練した人は
、本発明の教えは、他の無線通信ハードウエアおよび、周波数追随ループ、探索
プロセス、熱雑音等の信号特性に容易に拡張されることを理解するであろう。
【００４０】 望ましい実施形態に関するこれまでの記述は、当業界において熟練したいかな
る人でも、本発明の作成あるいは使用を可能とする。これらの実施例の種々な変
形は、当業界において熟練した人には、容易に明快になるであろうし、そしてこ
の中に定義された一般的原理は、独創的能力を使用することなしに、他の実施例
に適用できるであろう。したがって、本発明は、この中に示した実施例に限定さ
れることを意図したものではなく、ここに開示された原理と、新しい特徴に矛盾
しない最も広い範囲に一致されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本特許のランダムデータ集積方法に関する、ハイレベルフローチャー
ト線図である。
【図２】 図２は、ＣＤＭＡハードウエア装置を経由する部分的ＣＤＭＡ電話信号経路に
関する、簡略化された線図である。
【図３】 図３は、受信自動利得制御回路に関する、装置線図である。
【図４】 図４は、Ｉ／Ｑ直流オフセット補正ループに関する、装置線図である。
【図５】 図５は、時間追随ループに関する、装置線図である。
【符号の説明】
２０２…アンテナエレメント ２０４…受信復調エレメント ２０６…ＡＤ変換エレメント ２０８…ＡＧＣ回路エレメント ２１０…直流オフセット補正ループエレメント ２１２…時間追随ループエレメント ２１４…乱数選択器サブシステムエレメント ２１６…データ発生エレメント ２１８…暗号化エレメント ２２０…送信エレメント ２２２…送信アンテナエレメント ３０２…エレメント ３０２…Ｑサンプル ３０４…利得ステージエレメント ３０６…加算エレメント ３０８…受信リニアライザーエレメント ３１０…ＡＧＣ調整ビット ３１２…パルス密度変調器エレメント ４０２…受信スペクトル逆変換ビット発生器 ４０４…エレメント ４０８…直流ループ利得エレメント ４１０…利得ステージエレメント ４１２…加算器 ４１４…パルス密度変調器エレメント ５０１…Ｑサンプル ５０２．５０４…乗算器 ５０３…サンプル ５１０…加算器 ５１２…加算器 ５１４…減算器 ５１６…スケーリングエレメント
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ， ＺＡ，ＺＷ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 無線通信デバイスにおいてランダムデータビットを発生する
    ための方法であって、 受信された信号を処理し、そして、 処理された受信信号からランダムデータビットを抽出する ステップを含む方法。
  2. 【請求項２】 受信された信号を処理するステップは、受信自動利得制御回
    路を用いて受信された信号を処理するステップを含む、請求項１の方法。
  3. 【請求項３】 受信された信号を処理するステップは、直流オフセット補正
    ループを用いて受信された信号を処理するステップを含む、請求項１の方法。
  4. 【請求項４】 受信された信号を処理するステップは、時間追随ループを用
    いて受信された信号を処理するステップを含む、請求項１の方法。
  5. 【請求項５】 暗号化システムであって、 現存の無線電話ハードウエアから発生されたデータビットから乱数を発生する
    ための乱数選択器サブシステム、そして 乱数を使用して信号を暗号化するための暗号化器、 を含むシステム。
  6. 【請求項６】 現存の無線電話ハードウエアは、受信自動利得制御回路を含
    む、請求項５の暗号化システム。
  7. 【請求項７】 現存の無線電話ハードウエアは、直流オフセット補正ループ
    回路を含む、請求項５の暗号化システム。
  8. 【請求項８】 現存の無線電話ハードウエアは、ＣＤＭＡ時間追随ループ回
    路を含む、請求項５の暗号化システム。
JP2001535343A 1999-10-18 2000-10-17 セルラ通信を暗号化するための乱数発生 Pending JP2003515179A (ja)

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