JP2006271010A - データ伝送を暗号処理する方法とその方法を利用するセルラ無線システム - Google Patents

Abstract

【課題】１つの移動局に対するいくつかの並列サービスが可能なシステムでのデータ伝達の暗号処理に適した方法とシステムを提供する。
【解決手段】本発明は、１つかそれ以上の並列無線ベアラまたは論理チャネルを含む無線接続（１１６）上で他の送受信機（１０８）と通信する少なくとも１つの送受信機（１０２）を備える無線システムにおいてデータ伝送を暗号処理するセルラ無線システムと方法に関するが、この暗号処理は選択された暗号処理方法パラメータを使用して前記ベアラまたは論理チャネル上で行われる。暗号処理は選択された暗号処理パラメータを使用して前記ベアラ上で行われる。多様で効率的な暗号処理を保証するため、各並列無線ベアラ（１１６）上で異なった暗号処理方法パラメータが使用される。
【選択図】図８

Description

本発明は、１つかそれ以上の並列無線ベアラまたは論理チャネルを含む無線接続上で他の送受信機と通信する少なくとも１つの送受信機を備える無線システムにおいてデータ伝送を暗号処理する方法に関する。

暗号処理は今日、多くのデータ伝送システムで使用され、伝送されるデータが権限のないユーザの手に落ちるのを防止している。暗号処理は、特に無線電気通信がさらに一般的になるに連れて、過去数年間大きく成長している。
暗号処理は、例えば送信機で伝送される情報を暗号化し、受信機でその情報を解読することで行うことができる。暗号化とは、伝送される情報、例えばビット・ストリームをある数の暗号化ビット・パターンで乗算することを意味し、それによって暗号化ビット・パターンが未知である場合元のビット・ストリームが何だったかを発見することは困難になる。

先行技術は多くの異なった暗号処理方法を教示している。こうした方法は、例えば、ＦＩ ９６２ ３５２及びＷＯ ９５／０１６８４で説明されている。
例えばデジタルＧＳＭシステムでは、暗号処理は無線経路上で行われる。すなわち、無線経路上で伝送される暗号化ビット・ストリームが、データ・ビットを暗号化ビットで排他的論理和演算することで形成されるが、この暗号化ビットは、暗号処理鍵Ｋｃを使用する、それ自体周知のアルゴリズム（Ａ５アルゴリズム）によって形成される。Ａ５アルゴリズムはトラフィック・チャネル及びＤＣＣＨ制御チャネル上を伝送される情報を暗号化する。

暗号処理鍵Ｋｃはネットワークが端末を認証済であるがチャネル上のトラフィックがまだ暗号処理されていない時設定される。ＧＳＭシステムでは、端末は、端末に保存された国際移動加入者識別子ＩＭＳＩ、または加入者識別子に基づいて形成された暫定移動加入者識別子ＴＭＳＩに基づいて識別される。加入者識別鍵Ｋｉも端末に保存される。端末識別鍵もシステムにとって既知である。

暗号処理を信頼性の高いものにするために、暗号処理鍵Ｋｃに関する情報は秘密にしておかなければならない。従って、暗号処理鍵はネットワークから端末に間接的に伝送される。ランダムアクセス番号ＲＡＮＤがネットワーク内で形成され、その番号が基地局システムを介して端末に伝送される。暗号処理鍵Ｋｃは、周知のアルゴリズム（Ａ５アルゴリズム）により、ランダムアクセス番号ＲＡＮＤと加入者識別鍵Ｋｉから形成される。暗号処理鍵Ｋｃはシステムの端末及びネットワーク部の双方で同じ方法で計算される。

従って、当初は、端末と基地局の間の接続上のデータ伝送は暗号処理されない。基地局システムが端末に暗号処理モード指令を送信するまでは暗号処理は開始されない。端末が指令を受信すると、暗号化データの送信と受信データの解読が開始される。それに対応して、基地局システムは、暗号処理モード指令送信後受信データの解読を開始し、端末からの最初の暗号化メッセージの受信及びそれに続く復号後送信データの暗号処理を開始する。ＧＳＭシステムでは、暗号処理モード指令は、暗号処理開始指令と、使用されるアルゴリズムに関する情報を含んでいる。

既知の方法の問題は、それらが現在のシステムのために設計されているため、柔軟性がなく、１つの移動局に対するいくつかの並列サービスが可能な新しいシステムでのデータ伝送の暗号処理に適していないということである。例えばＧＳＭでは、シグナリングと実際のトラフィック・チャネルの両方の暗号処理が相互に結合され、暗号処理特性を別個に調整することができない。

上記の問題を解決する方法を実現する方法とシステムを提供することが本発明の目的である。

これは、１つかそれ以上の並列無線ベアラを含む無線接続上の他の送受信機と通信する少なくとも１つの送受信機を備える無線システムにおいてデータ伝送を暗号処理する方法によって達成されるが、この暗号処理は選択された暗号処理方法パラメータを使用して前記ベアラ上で行われる。本発明の方法によれば、各並列無線ベアラ上で、異なった暗号処理方法パラメータが使用される。

本発明はまた、各セル内に、カバレージ範囲に配置された端末と通信する少なくとも１つの基地局を備えるセルラ無線システムに関するが、このシステムは１つかそれ以上の基地局の動作を制御する基地局制御装置を備えており、前記基地局制御装置とそれによって制御される基地局が基地局システムを形成し、システム中の端末の少なくとも一部が１つかそれ以上の無線ベアラと同時に通信するよう配置され、前記端末が無線ベアラ上で暗号処理を使用するよう配置されている。本発明のシステムでは、基地局システムと端末は、同時に使用される各無線ベアラ上で異なった暗号処理方法パラメータを使用するよう配置されている。

本発明の好適実施形態は従属請求項で請求される。
いくつかの利点が本発明の方法及びシステムによって達成される。本発明のソリューションでは、同時（１つのＬ１フレームに多重化される）または時分割原理によっていくつかの並列ベアラが使用されるが、暗号処理とその特性は柔軟に制御できる。（ＧＭＳ／ＧＰＲＳの場合のように）排他的論理和演算法によっていくつかのデータ・ブロックが並行して暗号処理される場合、別のデータ・ブロック（例えば別のベアラからのデータ）が暗号処理アルゴリズムに関する別の入力パラメータを使用して暗号処理されることが重要である。これが行われないと、ハッカーが伝送を傍受して送信データ（例えばシグナリングデータ）の構造を知り、元のデータから排他的論理和を入手し、暗号処理されたデータ・ブロックを同じ暗号処理パラメータで排他的論理和演算することで、データ、特に元のデータ自体の情報を判定することができるようになる。本発明のもう１つの利点は、本発明がＧＳＭ／ＧＰＲＳコア・ネットワークを使用する無線システムに柔軟に応用できることである。ＧＳＭ Ａインターフェースには変更は必要なく、変更が必要なのは端末及び基地局システムのソフトウェアだけである。本発明は新しい無線システムにおけるユーザのセキュリティを向上させる。

まず図１を参照して本発明の通常のセルラ無線ネットワークの構成を検討しよう。図１は本発明に不可欠なブロックだけを示しているが、従来のセルラ無線ネットワークがここでさらに詳細に説明されない他の機能及び構造をも備えていることは当業者に明らかである。この例の一部はＴＤＭＡ（時分割多重アクセス）を使用するセルラ無線ネットワークを説明したものであるが、本発明がそれに制限されると考えるべきではない。本発明は、少なくとも部分的にＧＳＭ仕様に基づくＧＳＭによるセルラ無線ネットワークでも使用できる。本発明はまた、使用される無線伝送技術と無関係にＵＭＴＳ（汎用移動電話システム）でも使用できる。

セルラ無線ネットワークは通常、固定ネットワークのインフラストラクチャ、すなわち、ネットワーク部分１００と、固定または車両設置、または携帯端末である端末１０２を備えている。ネットワーク部分１００は基地局１０４を備えている。複数の基地局１０４が、それらに接続された基地局制御装置１０６によって集中化された形で制御されている。基地局１０４は送受信機１０８を備えている。例えば、ＴＤＭＡ無線システムでは、１つの送受信機１０８が１つのＴＤＭＡフレームのための無線能力を提供するが、これは例えばＧＳＭシステムでは、８のタイムスロットを備えている。

基地局１０４は、送受信機１０８と多重装置１１２の動作を制御する制御ユニット１１０を備えている。多重装置１１２は、送受信機１０８によって使用されるトラフィック及び制御チャネルを１つのベアラ１１４用に結合するために使用される。
基地局１０４の送受信機１０８はアンテナ・ユニット１１８に接続され、それによって端末１０２への双方向無線接続１１６が設定される。双方向無線接続１１６上で伝送されるフレームの構造は特定システム用に定義され、この接続はエア・インターフェースと呼ばれる。

図２は、基地局の送受信機１０８の構成の例をさらに詳細に示す。受信方向では、送受信機は受信機２００を備えており、そこでアンテナ・ユニット１１８から受信された信号は中間周波数または直接ベースバンド周波数に変換され、その後変換された信号はＡ／Ｄ変換器２０２でサンプリング及び量子化される。信号は変換器から等化器２０４に供給され、そこで干渉、例えばマルチパス伝播によって発生する干渉が補償される。復調器２０６は等化された信号からビット・ストリームを取り出し、その後ストリームは多重分離装置２０８に転送される。多重分離装置２０８はビット・ストリームを異なったタイムスロットから個々の論理チャネルに分離する。信号は多重分離装置からデインタリーブ及び解読２０９に供給される。次にチャネル・コーデック２１６が異なった論理チャネルのビット・ストリームを復号する、すなわち、ビット・ストリームが制御ユニット２１４に転送されるシグナリング情報からなるのか、それともビット・ストリームが基地局制御装置１０６のトランスコーダ１２４に転送される（２４０）音声からなるのかを決定する。チャネル・コーデック２１６は誤り訂正も行う。制御ユニット２１４は異なったユニットを制御することで内部制御機能を行う。

送信方向では、チャネル・コーデック２１６から来るデータはインタリーブ及び暗号処理２２７の対象になる。暗号処理は（本発明で説明されるように）高次プロトコル層に配置されることもあるが、その場合ブロック２２７はインタリーブ機能だけを含む。次に信号はバースト形成器２２８に供給されるが、これは、例えばトレーニング・シーケンスとテールを追加することで送信されるバーストを組み立てる。変調器２２４はデジタル信号を無線周波数搬送波に変調する。変調された信号は送信機ユニット２２０に供給され、そこで信号は送信前にフィルタリングされる、すなわち、信号の帯域幅は望ましい範囲に制限され、フィルタリングの後、信号はアンテナ・ユニット１１８から送信される。さらに、送信機２２０は送信出力電力を制御する。シンセサイザ２１２は異なったユニットのために必要な周波数を準備する。シンセサイザ２１２に収容されるクロックは、局所的に制御されるか、または何らかの他の位置、例えば基地局制御装置１０６から集中的に制御される。シンセサイザは、例えば電圧制御発振器によって必要な周波数を発生する。

ここで図１を参照して基地局システムと基地局制御装置の構成を検討しよう。基地局制御装置１０６はスイッチング・マトリックス１２０と制御ユニット１２２を備えている。スイッチング・マトリックス１２０は音声とデータを切り換え、信号回路を接続するために使用される。１つかそれ以上の基地局１０４と基地局制御装置１０６によって形成される基地局システムＢＳＳ１３２は、さらにトランスコーダ１２４を備えている。トランスコーダ１２４は普通移動交換局１２８のできる限り近くに配置されるが、これは、トランスコーダ１２４と基地局制御装置１０６の間で音声がセルラ無線ネットワークの形態で転送でき、伝送容量が同時に節約されるからである。ＵＭＴＳでは、基地局制御装置１０６は無線ネットワーク制御装置ＲＮＣと呼ばれ、基地局１０４は「ノードＢ」と呼ばれる。

トランスコーダ１２４は、公衆交換電話ネットワークと移動ネットワークの間で使用される異なったデジタル符号化方法を変換するので、それらは互換性を有し、例えば、６４ｋビット／秒の固定ネットワークから何らかの他の形式（例えば、１３ｋビット／秒）のセルラ無線ネットワークに、またはその逆の変換を行う。制御ユニット１２２の機能は、呼制御、モビリティ管理、統計情報の収集、及び信号である。

ＵＭＴＳでは、インターワーキング・ユニットＩＷＵ１３０が使用され、基地局システム１３２を第２世代ＧＳＭ移動交換局１２８または第２世代パケット・ネットワークのサポート・ノード１３４に適合させる。図１では、端末１０２から公衆電話網１３６に、移動交換局１２８経由で回線交換接続が確立される。セルラ無線ネットワークでは、汎用パケット無線システムＧＰＲＳのようなパケット交換接続を使用することも可能である。パケット・ネットワーク１３８とＩＷＵ１３０の接続は、サービングＧＰＲＳサポート・ノードＳＧＳＮ１３４によって確立される。サポート・ノード１３４の機能は、基地局システムからパケット・ネットワーク１３８にパケットを転送し、ノードの領域で加入者端末１０２のロケーションの記録を保持することである。

インターワーキング・ユニットＩＷＵ１３０は、図１の場合のように物理的に分離されたユニットとして実現されることも、基地局制御装置１０６または移動交換局１２８に統合されることもある。図１に示されるように、パケット伝送が使用される場合、転送されるデータがトランスコードの対象とならない時、データは必ずしもＩＷＵ１３０とスイッチング・マトリックス１２０の間でトランスコーダ１２４を通じて転送されない。

ここで図３を参照して加入者端末１０２の構成の例を検討しよう。端末の構成は本質的に図２の送受信機１０８の構成と同様である。受信方向では、アンテナ３００から受信された信号が二重フィルタ３０２に供給され、そこで送信の際使用される周波数と受信の際使用される周波数が互いに分離される。信号は二重フィルタ３０２から無線周波数部３０４に供給され、そこで信号は中間周波数または直接ベースバンド周波数に変換され、その後変換された信号はＡ／Ｄ変換器３０６でサンプリング及び量子化される。信号は変換器から等化器３０８に供給され、そこで干渉、例えばマルチパス伝播によって発生する干渉が補償される。復調器３１０は等化された信号からビット・ストリームを取り出し、その後ストリームは多重分離装置３１２に転送される。多重分離装置３１２はビット・ストリームを異なったタイムスロットから個々の論理チャネルに分離する。信号は多重分離装置からデインタリーブ及び解読３１３に供給される。暗号処理は上位プロトコル層に配置されることもあるが、その場合ブロック３１３はインタリーブ機能だけを含む。次にチャネル・コーデック３１４が異なった論理チャネルのビット・ストリームを復号する、すなわち、ビット・ストリームが制御ユニット３１６に転送されるシグナリング情報からなるのか、それともビット・ストリームが音声を復号する音声コーデック３１８に転送される音声からなるのかを決定する。信号は音声コーデックからスピーカ３２０に供給される。チャネル・コーデック３１４は誤り訂正も行う。制御ユニット３１６は異なったユニットを制御することで内部制御機能を行う。上記で使用される「論理チャネル」という術語はＴＤＭＡ（ＧＳＭ）システムに関するものであり、ＵＭＴＳシステムでは異なった意味を有する。

送信方向では、信号はマイクロホン３２２から、音声を符号化する音声コーデック３１８に供給される。信号は音声コーデックからチャネル・コーデック３１４に供給され、そこでチャネル符号化が行われる。チャネル・コーデック３１４から得られたデータはインタリーブ及び暗号処理３１９（暗号処理が層１に対して行われる場合）の対象になる。次に信号はバースト形成器３２４に供給されるが、これは、例えば、トレーニング・シーケンスとテールをチャネル・コーデック３１８から得られたデータに追加することで送信されるバーストを組み立てる。多重装置３２６は各バーストについてタイムスロットを割り当てる。変調器３２８はデジタル信号を無線周波数搬送波に変調する。変調された信号は無線周波数送信機ユニット３３０に供給され、そこで信号は送信前にフィルタリングされる、すなわち、信号の帯域幅は望ましい範囲に制限され、フィルタリングの後、信号は二重フィルタ３０２を経てアンテナ３００から送信される。送信機３３０はまた送信出力電力を制御する。シンセサイザ３３２は異なったユニットのために必要な周波数を準備する。

本発明の移動システム、例えばＵＭＴＳシステムでは、端末は１つかそれ以上の並列無線ベアラを使用して基地局と通信することができる。ここで「ベアラ」という術語をさらに詳細に検討しよう。「ベアラ」という術語はネットワーク・サービスに関連して使用される情報の伝送に関する高レベルの名称である。サービスに応じて、ＵＭＴＳ中の情報は普通１つかそれ以上のベアラを使用して伝送される。サービスには、例えば、音声伝送、データ・サービス及びビデオ・サービスが含まれる。他方、無線ベアラは、エア・インターフェースに拡がるベアラの部分を表す。１つの論理チャネルは普通１つの無線ベアラを担う。論理チャネルはＭＡＣ層によって提供されるサービスを定める。論理チャネルは、既存のサービス・モードに応じて異なった種類のトランスポート・チャネルに（個別トランスポート・チャネルＤＣＨまたは共通トランスポート・チャネルＲＡＣＨ／ＦＡＣＨに）マッピングされる。トランスポート・チャネルは物理層によって提供されるサービスを定める。いくつかの論理チャネルをＭＡＣ層上の１つのトランスポート・チャネルに多重化することも可能である。トランスポート・チャネルはさらに、物理層上の物理チャネルにマッピングされる。いくつかのトランスポート・チャネルをレイヤ１による１つの物理チャネルに多重化することもできる。トランスポート・チャネル多重化の後、データ・ストリームをいくつかの物理チャネルで中継することも可能である。

本発明の実現はセルラ無線ネットワークで使用されるプロトコルの機能と処理に関するものなので、ここで図４を参照して、必要なプロトコル・スタックを実現する方法の例を検討したい。図４では、一番左側のプロトコル・スタック４００は端末１０２に配置されている。次のプロトコル・スタックは基地局システム１３２に配置されている。第３プロトコル・スタックはＩＷＵ１３０に配置されている。一番右のプロトコル・スタック４０６は移動サービス交換局１２８に配置されている。加入者端末１０２と基地局システムの間の無線ベアラ上で実現されるエア・インターフェース１１６はＵｍインターフェースとも呼ばれる。基地局システム１３２と移動サービス・スイッチング・センタ１２８の間のインターフェース１４０はＡインターフェースと呼ばれる。基地局システム１３２とＩＷＵの間のインターフェース４０８はＩｕインターフェース４０８である。

プロトコル・スタックは、ＩＳＯ（国際標準化機構）のＯＳＩモデル（開放型システム間相互接続）に従って設けられる。ＯＳＩモデルでは、プロトコル・スタックは層に分割される。全部で７つの層がありうる。各ユニット１０２、１３２、１３０、１２８は、別のユニットの層と論理的に接続する層を有する。一番下の物理層だけが互いに直接通信する。他の層は常に、１つ下の層によって提供されるサービスを使用する。従ってメッセージは層の間で垂直方向に物理的に伝えられなければならず、最下層でのみ、メッセージは層の間で水平に伝えられる。

図４の第１及び第２の層は部分的にレベル４１０に結合される。図４の第３の層はレベル４１２である。異なった層の機能は異なった副層の間で分割される。ユニットによって、副層の数と名称は変化する。
実際のビット・レベル・データ伝送は一番低い（第１の）物理層である層１で行われる。物理層では、機械的、電気的及び機能的特性が定義され、物理トレールへの接続を可能にする。エア・インターフェース１１６では、物理層は、例えばＧＳＭの場合ＴＤＭＡ技術、またはＵＭＴＳの場合ＷＣＤＭＡ技術を使用して実現される。

次の（第２の）層、すなわち無線リンク層は物理層のサービスを使用して確実なデータ伝送を行い、例えば適当なＡＲＱ機構による伝送誤り訂正を処理する。
エア・インターフェース１１６では、無線リンク層はＲＬＣ／ＭＡＣ副層とＬＡＣ副層に分割される。ＲＬＣ／ＭＡＣ副層（無線リンク制御／媒体アクセス制御）では、ＲＬＣ部分の機能は伝送されるデータをセグメント化すること及び組み立てることである。さらにＲＬＣ部分は物理層の無線ベアラ１１６の品質の何らかの変化を上位層から隠す。ＬＡＣ副層（リンク・アクセス制御）は第２及び第３層の間のインターフェース中のデータ流れを制御する。ＬＡＣ層は、提供されるサービスの品質レベルによって要求される誤り検出及び訂正レベルを使用し、無線ベアラ１１６に沿って受信データ流を転送する。もう１つの可能な実施形態は、以下紹介される無線ネットワーク副層がＲＬＣ／ＭＡＣ副層と直接通信するものである。後者の実施形態では、ＬＡＣ副層はやはり移動局とコア・ネットワークの間に存在し、無線アクセス・ネットワークに対して透過的である。

第３層、すなわちネットワーク層は、上位層をデータ伝送及び、端末間の接続の処理をするスイッチング技術と無関係なものにする。例えばネットワーク層は、接続を確立、維持及び解除する。ＧＳＭではネットワーク層はシグナリング層とも呼ばれる。これは、メッセージをルーティングすること、２つのエンティティ間のいくつかの同時接続を可能にすること、という２つの主要な機能を有する。

まずＧＳＭのネットワーク層を検討しよう。一般的なＧＳＭシステムでは、ネットワーク層は、接続管理副層ＣＭ、モビリティ管理副層ＭＭ、及び無線リソース管理副層を備えている。
無線リソース管理副層はＧＳＭで使用される無線技術に依存し、周波数スペクトルと、無線条件の変化に対するシステムの反応を管理する。さらに、無線リソース管理副層は、例えばチャネル選択、チャネル解除、周波数ホッピング・シーケンス、電力制御、時間チューニング、加入者端末からの測定報告の受信、タイミング・アドバンスの調整、暗号処理モードの設定、及びセル間のハンドオーバを処理することで高品質チャネルを維持する。メッセージは加入者端末１０２と基地局制御装置１０６の間でこの副層中を転送される。ダウンリンク方向では、無線リソース管理メッセージの一部は基地局から加入者端末１０２に転送される。

モビリティ管理副層ＭＭは、端末ユーザのモビリティから生じる、無線リソース管理副層の動作に直接関連しない結果を処理する。固定ネットワークでは、この副層はユーザの認証を検査し、ネットワークへのログインを制御する。セルラ無線ネットワークでは、この副層はユーザのモビリティ、登録、及びモビリティの結果生じるデータの管理をサポートする。さらに、この副層は加入者端末のアイデンティティと、端末が使用を許可されたサービスのアイデンティティを検査する。この副層では、メッセージは加入者端末１０２と移動交換局１２８の間で転送される。

接続管理副層ＣＭは回線交換呼の管理に関する全ての機能を管理する。この機能は呼管理エンティティによって処理される。ＳＭＳ（ショート・メッセージ・サービス）のような他のサービスは固有のエンティティを有する。接続管理副層はユーザのモビリティを検出しない。ＧＳＭでは、接続管理副層の機能は固定ネットワークのＩＳＤＮ（統合サービス・デジタル・ネットワーク）からほぼ直接導出される。呼管理エンティティは呼を確立、維持及び解除する。加入者端末１０２によって開始される呼と、そこで終了する呼では異なった手順を有する。またメッセージは、加入者端末１０２と移動交換局１２８の間でこの副層中を転送される。

図４はＵＭＴＳシステムのプロトコル・スタックを例示する。ＧＳＭの普通の物理層では、ＴＤＭＡ技術が使用される。ＵＭＴＳでは、これは広帯域ＣＤＭＡ技術（符号分割多重アクセス）または広帯域ＣＤＭＡとＴＤＭＡ技術の組合せによって置換される。ＵＭＴＳでは上記のＧＳＭ無線リソース管理副層は再使用できない。その代わり、それは上向きに同じサービスを提供する無線ネットワーク副層ＲＮＬによって置換される。無線ネットワーク副層はＲＢＣ（無線ベアラ制御）及びＲＲＣ（無線リソース制御）副層に分割されるが、これは分割されないこともある。分割されない場合、これはＲＲＣ副層と呼ばれる。副層に分割される場合、ＲＲＣ層は、例えば、セル情報同報通信、ページング、加入者端末１０２の測定結果の処理、及びハンドオーバを処理する。他方、ＲＢＣ副層は論理接続の確立を処理し、それによって、例えば、ビット・レートと無線ベアラのために必要な他の物理層パラメータ、ビット誤り率、及びパケット交換型と回線交換型どちらの物理リソース確保が関連するかを定義する。

デュアル・モード端末（ＵＭＴＳ＋ＧＳＭ）の場合、加入者端末１０２のモビリティ管理と無線ネットワーク副層の間にＵＡＬ副層（ＵＭＴＳアダプテーション層）が必要である。ＵＡＬ副層では、上位のモビリティ管理副層のプリミティブが下位の無線ネットワーク副層のプリミティブに変換される。ＵＡＬ層はいくつかの第２世代モビリティ管理副層（例えば、ＧＰＲＳ及びＧＳＭモビリティ管理副層）を１つの無線ネットワーク副層に適合させる。

基地局システム１３２で処理されるネットワーク層の唯一の副層は無線ネットワーク副層である。接続管理及びモビリティ管理副層のメッセージは透過的に処理される。例えば、それらはＲＲＣメッセージ中のペイロードとして伝えられる。ＲＡＮＡＰ副層（無線アクセス・ネットワーク・アプリケーション部分）は回線交換及びパケット交換接続の両方のネゴシエーションと管理のための手順を提供する。これはＧＳＭのＢＳＳＡＰ（基地局システム・アプリケーション部分）に対応し、ＢＳＳＡＰはＢＳＳＭＡＰ（基地局システム管理部分）とＤＴＡＰ（直接転送アプリケーション部分）からなる。

Ｉｕインターフェース４０８の下位層は、例えばＡＴＭプロトコル（非同期転送モード）ＳＡＡＬ／ＳＳ７（シグナリングＡＴＭアダプテーション層／信号システム・ナンバー７）及びＡＡＬ（ＡＴＭアダプテーション層）を使用して実現できる。
ＩＷＵ１３０は基地局システム１３２と同様対応するＲＡＮＡＰ、ＳＡＡＬ／ＳＳ７及びＡＡＬ副層及び物理層を有する。ＩＷＵとＢＳＳの間の下位層は別のプロトコルによって実現されることもある。
さらに、ＩＷＵ１３０と移動交換局１２８はＢＳＳＭＡＰ層を備えているが、これはＩＷＵ１３０と移動交換局１２８の間で特定の加入者端末に関する情報を転送し、基地局システム１３２に関する情報を制御するために使用される。

Ａインターフェースでは、第１及び第２層はＭＴＰ及びＳＣＣＰ副層（メッセージ転送部分、信号接続制御部分）を使用して実現される。こうした構造はエア・インターフェース１１６より簡単であるが、それは例えばモビリティ管理が必要ないからである。
本発明は、端末が１つかそれ以上の並列無線ベアラを使用して他の送受信機と通信できる無線システムに適用できる。通常、端末とネットワークの間で呼が確立される場合、端末と基地局サブシステムの間でシグナリング無線ベアラＳＲＢのための物理チャネルがまず確立され、このチャネルが確立された後、実際のトラフィック・ベアラが確立できる。ＳＲＢは信号リンクとも呼ばれる。

ここで、図５に示されるメッセージ・シーケンス・スキームによる、シグナリング無線ベアラに対する暗号処理モード設定手順の例を検討しよう。この図は端末の無線ネットワーク層（ＲＮＬ）と論理リンク・アクセス制御層（ＬＡＣ）、基地局システムの対応する層、及びインターワーキング・ユニットＩＷＵを示している。しかし、図５は可能なシグナリングの一例を示しているにすぎないことが理解されるだろう。本発明のソリューションでは、暗号処理に関連する判定は、図５に関連して説明されるもの以外のプロトコル層でなされることもある。

シグナリング無線ベアラＳＲＢが設定され、コア・ネットワークによるユーザの認証が行われた後設定手順が実行される。
ステップ５００では、ＢＳＳ−ＲＮＬは、ＩＷＵまたはＣＮノードによって送信されたメッセージ（ＣＩＰＨＥＲ＿ＭＯＤＥ＿ＣＯＭＭＡＮＤ）から暗号処理鍵Ｋｃを受信する。このメッセージは暗号処理鍵と、許可される暗号処理アルゴリズムに関する情報を含んでいる。ＢＳＳはその後使用するためにこの移動局について許可された暗号処理アルゴリズムを保存できる。ＢＳＳはまた、シグナリング無線ベアラ用にどのアルゴリズム（単数または複数）が使用されるかを決定する。この決定は端末の特性に基づいてなされる。この特性は、例えば、ＧＳＭ中のいわゆる階級値データによって記述される。ＵＭＴＳでは、このデータは「ユーザ機器能力」と呼ばれることもある。このデータは、端末の送信電力及び暗号処理能力、及び端末によってサポートされる周波数といった端末の技術的特性を記述する。端末は新しい接続が開始される都度その階級値データをネットワークに送信する。

特にこの図では、一例として、トラフィック・チャネルの暗号処理がＬＡＣ層で行われるよう想定されている。しかし、どのプロトコル・レベルで暗号処理が行われるかは本発明にとって重要ではない（使用されるプロトコル層は主として、暗号処理アルゴリズムへの入力パラメータとして使用されるフレーム番号に影響する、図８を参照されたい）。ＢＳＳ−ＲＮＬが使用される暗号処理パラメータに関する決定を行った場合、それはステップ５０２で受信された情報の解読を開始すべきであるという趣旨の要求をＢＳＳ−ＬＡＣ層に送信する。このメッセージは、使用される鍵Ｋｃと、アップリンク方向で使用されるアルゴリズムに関する情報を備えている。

ステップ５０４では、ＢＳＳ−ＲＮＬはＢＳＳ−ＬＡＣ層から肯定応答を受信する。
ステップ５０６では、ＢＳＳ−ＲＮＬは暗号処理モード・メッセージ（ＣＩＰＨＥＲＩＮＧ＿ＭＯＤＥ＿ＣＯＭＭＡＮＤ）を端末のＲＮＬ層に送信する。メッセージは暗号化されていない形式で伝送される。本発明のソリューションでは、異なった方向の伝送で使用されるアルゴリズムがメッセージのパラメータに含まれる。両伝送方向で同じアルゴリズムが使用される場合、メッセージが含むアルゴリズムは１つだけである。

ステップ５０８では、ＭＳ−ＲＮＬは、暗号処理モード指令を受信すると、要求されたアルゴリズムを使用して送信信号の暗号処理と受信信号の解読を開始するようＭＳ−ＬＡＣ層に要求する。
ステップ５１０では、ＭＳ−ＬＡＣは肯定応答をＭＳ−ＲＮＬ層に送信する。
ステップ５１２では、ＭＳ−ＲＮＬは暗号処理モード指令の肯定応答（ＣＩＰＨＥＲＩＮＧ＿ＭＯＤＥ＿ＣＯＭＰＬＥＴＥ）をＢＳＳ−ＲＮＬに送信する。メッセージは暗号化された形式で伝送される。

ステップ５１４では、ＢＳＳ−ＲＮＬはＢＳＳ−ＬＡＣ層に、ダウンリンク方向の暗号処理を開始するよう要求する。このメッセージまたはプリミティブは、使用されるアルゴリズムがアップリンクで使用されるアルゴリズムと異なっている場合、それに関する情報を含んでいる。
ステップ５１６では、ＢＳＳ−ＬＡＣは肯定応答をＢＳＳ−ＲＮＬに送信する。

ステップ５１８では、ＢＳＳ−ＲＮＬは、暗号処理が開始されたことを示す通知をネットワークに送信する。
上記の方法により、端末と基地局はどちらも、受信側が復号できるようになるまでは符号化信号を送信しない。
図５で説明される手順は、１つかそれ以上の無線ベアラの暗号処理モード・パラメータを変更する接続の際にも使用される。

本発明のシステムは、トラフィック・ベアラが設定または再設定される際にも暗号処理パラメータが変更できるようにする。暗号処理鍵Ｋｃまたは暗号処理アルゴリズムといった暗号処理パラメータは、例えばトラフィック・ベアラ上とシグナリング無線ベアラ上、または２つのトラフィック・ベアラ間といった異なった無線ベアラでは異なったものになりうる。

ここで、図６に示されるメッセージ・シーケンス・スキームによって実際のトラフィック・ベアラ上の暗号処理モード設定手順の例を検討しよう。この図は端末の無線ネットワーク層（ＲＮＬ）と基地局システムの無線ネットワーク層を示す。図６は、図５と同様可能なシグナリングの一例を示しているにすぎないことが理解されるだろう。図６は通信、すなわち、メッセージがどのように下位ベアラ層と物理層を伝わるかの全ての細部を例示するものではない。通信はいわゆるピア・トゥ・ピア通信、すなわち対応する層の間の通信として説明される。

実際のトラフィック・ベアラ上の暗号処理モード設定手順は、無線ベアラの設定に関連して行われる。ネットワークは接続の暗号処理パラメータに関する決定を行う。ステップ６００では、新しいトラフィック・ベアラがネットワークから要求される。
ステップ６０２では、ＢＳＳ−ＲＮＬはベアラ・メッセージをＭＳ−ＲＮＬ層に送信する。このメッセージは、ベアラ識別子ＢＩＤと、当該ベアラのサービス品質ＢＥＡＲＥＲ ＱＯＳを含んでいる。このメッセージはさらに、パラメータとして両伝送方向の暗号処理アルゴリズムを含んでいる。すなわち、異なった伝送方向で異なったアルゴリズムが使用されることを１つのメッセージによって定義することが可能である。両伝送方向で同じアルゴリズムが使用される場合、メッセージが含むアルゴリズムは１つだけである。このメッセージはさらに、シグナリング無線ベアラＳＲＢで使用される暗号処理鍵を変更すべきか否かを示す通知（ＣＩＰＨＥＲＫＥＹＣＨＡＮＧＥ，ＩＴＥＲＡＴＩＯＮＣＯＵＮＴ）を含んでいる。暗号処理鍵が変更される場合、鍵の好適な計算方法は、例えば、元の鍵Ｋｃが計算された時と同じアルゴリズムを使用し、アルゴリズムのパラメータとして元のランダムアクセス番号ＲＡＮＤと前の暗号処理鍵Ｋｉを使用することである。アルゴリズムは数回連続して反復されることが多く、反復の数はパラメータＩＴＥＲＡＴＩＯＮＣＯＵＮＴによって決定される。

ステップ６０４では、ＭＳ−ＲＮＬは肯定応答をＢＳＳ−ＲＮＬ層に送信する。ステップ６０６では、第２層（層２）のエンティティが新しい無線ベアラのために提供され、ステップ６０８では、新しいベアラの確認がネットワークに送信される。接続のパラメータが（メッセージ６０２及び６０４によって）決定されるまで第２層は新しいベアラのために提供されないので、暗号処理モード設定は別個の信号方式を要求しない。

本発明によるシステムはまた、接続の際無線ベアラ上で使用される暗号処理方法パラメータの変更を可能にする。
ここで、図７に示されるメッセージ・シーケンス・スキームによって実際のトラフィック・ベアラ上の暗号処理モード設定手順の例を検討しよう。この図は端末の無線ネットワーク層（ＲＮＬ）と基地局システムの無線ネットワーク層を示す。図７は、図６と同様可能な信号方式の一例を示しているにすぎないことが理解されるだろう。さらに、図７は通信、すなわち、メッセージがどのように下位ベアラ層と物理層を伝わるかの全ての細部を示すものではない。

ステップ７００では、ネットワークはＢＳＳ−ＲＮＬ層にベアラ再設定要求を送信する。
ステップ７０２では、ＢＳＳ−ＲＮＬは、ベアラ再設定要求Ｂ＿ＲＥＣＮＦを、加入者端末に配置された対応する層ＭＳ−ＲＮＬに送信する。再設定要求Ｂ＿ＲＥＣＮＦは、ベアラ識別子ＢＩＤと、端末のＲＮＬ層に関する対応するサービス品質ＢＥＡＲＥＲ ＱＯＳを含んでいる。このメッセージはさらに、パラメータとして両伝送方向の暗号処理アルゴリズムを含んでいる。すなわち、異なった伝送方向で異なったアルゴリズムが使用されることを１つのメッセージによって定義することが可能である。両伝送方向で同じアルゴリズムが使用される場合、メッセージが含むアルゴリズムは１つだけである。このメッセージのもう１つのパラメータは暗号処理鍵を変更すべきか否かの通知（ＣＩＰＨＥＲＫＥＹＣＨＡＮＧＥ，ＩＴＥＲＡＴＩＯＮＣＯＵＮＴ）である。暗号処理鍵の変更は好適には図６に関連して説明された方法で実行される。

ステップ７０４では、加入者端末の無線ネットワーク副層ＭＳ−ＲＮＬが再設定をトリガする。再設定の成功後、加入者端末は、１つのパラメータ、すなわちベアラ識別子ＢＩＤを含む肯定応答Ｂ＿ＣＯＭＰを送信する。暗号処理の変更がメッセージＢ＿ＲＥＣＮＦ及びＢ＿ＣＯＭＰの転送に使用されるベアラに関連する場合、メッセージＢ＿ＣＯＭＰは新しい暗号処理を使用して伝送される。

ステップ７０８では、ＢＳＳ−ＲＮＬは再設定を行い、ステップ７１０では、ＢＳＳ−ＲＮＬは設定の確認をネットワークに送信する。
図７による再設定はシグナリング無線ベアラ及びトラフィック・ベアラの両方で行われる。
図８は、本発明で定義される基本暗号処理環境を定義する構成図を記述する。各並列無線ベアラのための既存システム（ＧＳＭ−ＧＰＲＳ）と対照的に、特定ベアラ用Ｋｃ（ｉ）が使用されるので、アルゴリズムによって生じる暗号処理マスク（ビット・ストリング）はベアラ専用である。この手順は各ベアラについて別個に計算ユニット８００で行われる。計算ユニット８００からの暗号処理マスク８０２〜８０６はベアラからのデータ・ブロック８０８〜８１２と排他的論理和演算され、暗号処理データを得る。計算ユニットの入力パラメータとして使用されるフレーム番号は、暗号処理機能が実現されるプロトコル層に依存する。暗号処理機能が（ＧＰＲＳの場合のように）ＬＬＣ層で実現される場合、ＬＬＣフレーム番号を使用しなければならず、使用されるフレーム番号を受信エンティティに伝える何らかの機構を定義しなければならない。暗号処理機能がＭＡＣ層または層１に位置する場合、少なくとも部分的に（層１上でデータ・ブロックを伝送するために使用される）物理フレーム番号からなるフレーム番号が使用される。

暗号処理データは無線経路上を伝送され、受信機で解読が行われる。
図９は、暗号処理アルゴリズムと、起点としての信号無線ベアラ（この例ではベアラ０）のＫｃを使用して特定ベアラ用暗号処理鍵Ｋｃ（ｉ）を計算する方法の例を示す。ここで使用されるＫｃとアルゴリズムは信号ベアラ以外のベアラのものでもよい。暗号処理アルゴリズムのために必要な他の入力パラメータ９００、９０２は、定義済の規則によって計算されるか、または新しいＫｃ（Ｉ）の計算が必要になる毎にＢＳＳから端末に送信される信号メッセージに含まれる（ベアラの設定または再設定のためのパラメータまたは暗号処理モード指令メッセージ）。

ＧＳＭでは、ネットワークは無線ベアラが存在する間いつでもユーザ認証を要求することができる。ここで暗号処理パラメータが変更されることがある。この種のオプションは、ＵＭＴＳシステムのような今後の移動システムでも考えられる。本発明のシステムでは、端末はいくつかの並列無線ベアラを有することができ、各無線ベアラ上で、異なった暗号処理パラメータが使用されることがある。実際の暗号処理は好適には端末と基地局システムの間の接続上で行われるので、ＢＳＳ−ＲＮＬ層は、ネットワークによって要求される認証と暗号処理モード設定の実行方法を決定する。その選択肢には以下のものが含まれる。

−新しいＲＡＮＤ番号はその後使用するために保存されるが、暗号処理モード設定は無視される。
−暗号処理鍵がシグナリング無線ベアラで変更される。
−暗号処理鍵が全てのアクティブ・ベアラで変更される。
本発明のソリューションでは、基地局制御装置は使用される暗号処理鍵に関する情報を有しうる。このことは、端末がハンドオーバ、すなわち以前の基地局の基地局制御装置と異なった基地局制御装置によって制御される基地局へのスイッチングを行う時考慮されなければならない。本発明では、必要な情報はハンドオーバに関連して以前の基地局制御装置から新しい基地局制御装置に転送される。

本発明のソリューションは好適にはソフトウェアによって実現されるので、本発明は、基地局制御装置１０６の制御ユニット１２２に配置されたプロトコル処理ソフトウェアと、加入者端末１０２の送受信機のプロセッサ３１６に配置されたある機能を必要とする。いくつかの並列ベアラからのデータが１つの無線フレームに多重化されるよう同時に暗号処理される必要がある場合、本ソリューションの一部は時間の要求を満たすため、部分的にハードウェアによって（例えばＡＳＩＣ、ディスクリート構成要素の使用、またはＤＳＰによって）実現されることがある。これは主として図９で示された暗号処理ユニットに関する。

本発明は上記で添付の図面で示された例に関連して説明されたが、本発明はそれらに制限されるものではなく、添付の請求項に開示された発明概念の範囲内で様々に変化しうるものであることが理解されるだろう。

本発明によるセルラ無線ネットワークの構成の例を示す。 基地局の送受信機の構成の例を示す。 加入者端末の構成の例を示す。 セルラ無線ネットワークのプロトコル・スタックを例示する。 本発明による暗号処理モード設定を説明するメッセージ・シーケンス・スキームの例を示す。 本発明による暗号処理モード設定を説明するメッセージ・シーケンス・スキームの別の例を示す。 本発明による暗号処理モード設定を説明するメッセージ・シーケンス・スキーの第３の例を示す。 本発明による暗号処理環境の構成図を示す。 特定ベアラ用暗号処理鍵（Ｋｃ（ｉ））の計算の例を示す。

Claims (21)

1. １つかそれ以上の並列無線ベアラ（１１６）を含む無線接続（１１６）上で他の送受信機（１０８）と通信する少なくとも１つの送受信機（１０２）を備える無線システムにおいてデータ伝送を暗号処理する方法であって、暗号処理が、選択された暗号処理方法パラメータを使用して前記ベアラ上で行われる方法において、並列の各無線ベアラ（１１６）上で、異なった暗号処理方法パラメータが使用されることを特徴とする方法。
2. 前記無線システムが、基地局（１０４）と基地局制御装置（１０６）を備えるセルラ無線システムであって、各基地局が１つかそれ以上のセルの無線送信及び受信を制御し、各セルが１つの物理チャネル上で同報通信されるセル・アイデンティティによって識別され、各基地局制御装置がセル内の無線リソースの使用と保全性を制御し、少なくとも１つのセルがそのカバレージ範囲に配置された端末（１０２）と通信し、前記基地局制御装置とそれによって制御される前記基地局が基地局サブシステム（１３２）を形成することと、前記端末が１つかそれ以上の無線ベアラを使用して少なくとも１つのセルと通信することとを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも１つの無線ベアラが双方向であることと、異なった暗号処理方法パラメータが異なった伝送方向で使用されることとを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 少なくとも１つの無線ベアラが双方向であることと、同様の暗号処理方法パラメータが両伝送方向で使用されることとを特徴とする、請求項２に記載の方法。
5. 無線ベアラ上で使用される前記暗号処理方法パラメータが前記接続中に変更されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
6. 使用される前記暗号処理方法が、少なくとも暗号処理鍵、暗号処理アルゴリズムによって定義されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の方法。
7. 使用される前記暗号処理方法がさらに、前記アルゴリズムの反復の数によって定義されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記端末と前記基地局の間の接続が確立される時、接続がまず信号リンクについて確立され、その後接続が実際の１つまたは複数のトラフィック・ベアラについて確立されることと、前記１つまたは複数のトラフィック・ベアラが設定される時、使用される前記暗号処理方法パラメータが変更されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の方法。
9. 前記基地局システムが、前記トラフィック・ベアラ上で使用される前記暗号処理方法パラメータに関する情報を含むトラフィック・ベアラ・セットアップ・メッセージ（Ｂ＿ＲＱＳＴ、６０２）を前記端末に送信することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記基地局システムが、前記無線ベアラ上で使用される前記暗号処理方法パラメータに関する情報を含む無線ベアラ再設定メッセージ（Ｂ−ＲＥＣＮＦ、７０２）を前記端末に送信することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
11. 前記基地局システムが、前記無線ベアラ上で使用される前記暗号処理方法パラメータに関する情報を含む暗号処理モード指令メッセージ（５０６）を前記端末に送信することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
12. 前記トラフィック・ベアラ・セットアップ・メッセージ（Ｂ＿ＲＱＳＴ、６０２）が、
    −無線ベアラ識別子と、
    −前記暗号処理鍵の変更に関する情報と、
    −１つかそれ以上の暗号処理アルゴリズムと、
    −前記暗号処理アルゴリズムの反復の数と、
    の少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
13. 前記無線ベアラ再設定メッセージ（Ｂ−ＲＥＣＮＦ）が、
    −無線ベアラ識別子と、
    −前記暗号処理鍵の変更に関する情報と、
    −前記暗号処理アルゴリズムの反復の数と、
    の少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
14. 前記暗号処理モード指令メッセージ（５０６）が、
    −無線ベアラ識別子と、
    −前記暗号処理鍵の変更に関する情報と、
    の少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
15. 前記暗号処理鍵の変更に関する前記情報が特定ベアラ用Ｋｃ（ｉ）を計算するためのパラメータと規則を定義することを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
16. 特定ベアラ用Ｋｃ（ｉ）を計算するための前記規則が事前定義されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
17. 特定ベアラ用Ｋｃ（ｉ）を計算するための前記規則が、前記暗号処理アルゴリズムと、前記信号ベアラまたは一部の前記トラフィック・ベアラについてすでに使用されているＫｃとを使用することを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
18. カバレージ範囲内に配置された端末（１０２）と通信する少なくとも１つの基地局（１０４）を各セル内に備えるセルラ無線システムであって、前記システムが１つかそれ以上の基地局の動作を制御する基地局制御装置（１０６）を備え、前記基地局制御装置とそれによって制御される基地局が基地局システム（１３２）を形成し、前記システム中の前記端末の少なくとも一部が１つかそれ以上の無線ベアラ（１１６）上で同時に通信するよう配置され、前記端末が前記無線ベアラ上で暗号処理を行うよう配置されるシステムにおいて、前記基地局システムと前記端末が、同時に使用される各無線ベアラ上で異なった暗号処理方法パラメータを使用するよう配置されることを特徴とするセルラ無線システム。
19. 前記基地局システムと前記端末が、双方向データ伝送接続を有し、異なった伝送方向で異なった暗号処理方法パラメータを使用するよう配置されることを特徴とする、請求項１８に記載のセルラ無線システム。
20. 呼が確立される時、前記端末と前記基地局システムがまず信号無線ベアラについて接続を確立し、この接続が完了した時、実際のトラフィック・ベアラについて接続を確立するよう配置されることと、前記端末と前記基地局システムが、前記トラフィック・ベアラ接続が確立される際前記暗号処理方法パラメータを変更するよう配置され、それによって、前記基地局システムが、前記トラフィック・ベアラ接続上で使用される前記暗号処理方法パラメータに関する情報を含むトラフィック・ベアラ要求（Ｂ−ＲＱＳＴ）を送信することとを特徴とする、請求項１８に記載のセルラ無線システム。
21. 前記端末と前記基地局システムが、前記接続中前記無線ベアラ上で使用される前記暗号処理方法パラメータを変更するよう配置され、それによって、前記基地局システムが、前記無線ベアラ接続上で使用される前記暗号処理方法パラメータに関する情報を含む無線ベアラ再設定メッセージ（Ｂ＿ＲＥＣＮＦ）を前記端末に送信することを特徴とする、請求項１８に記載のセルラ無線システム。

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