JP2010508698A - 電気通信システム及びかかるシステムにおける制御メッセージの暗号化 - Google Patents

電気通信システム及びかかるシステムにおける制御メッセージの暗号化 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は無線電気通信ネットワークにおいて制御メッセージの暗号化を処理する解決策に関する。
【解決手段】キー生成はシーケンス番号に基づいて行われ、本発明は、シーケンス番号生成をネットワークの部分及びネットワーク・イベントのタイプに応じて分離することにより、ネットワーク・イベントに関するシーケンス番号を更新するためのコア・ネットワーク・デバイスへのアクセスを減少させる。これは、無線リソース制御メッセージの暗号化の入力を提供する際に、シーケンス番号ロールオーバ・イベントとハンドオーバ・イベントとが互いに分離される解決策を提供することによって行われる。イベント・タイプに応じて３つの異なるカウンタを使用することができ、これらのカウンタはすべて暗号化アルゴリズムの入力として使用することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気通信システム及びかかるシステムにおける制御メッセージの暗号化に関する。本発明の個々の態様は、無線電気通信システムに関する。
今日、有線と無線の両方の電気通信向けに多種多様な電気通信システムが開発されている。電気通信システムは、例えばいわゆる第２世代（２Ｇ）及び第３世代（３Ｇ）携帯電話システムに関連して標準化されている。３Ｇ技術（例えば、ＷＣＤＭＡ又はＣＤＭＡ２０００）や２Ｇ技術（例えば、ＧＳＭ）等に関する情報は、例えば第３世代パートナーシップ・プロジェクト（３ＧＰＰ）の各種仕様書で確認することができ、これについてはウェブ・サイト（www.3gpp.org）等を参照されたい。
開発が進歩するにつれ、データ転送速度のさらなる向上を実現する技法が生み出されている。かかる技法の一例は、現在開発中のＳＡＥ／ＬＴＥ（システム・アーキテクチャ・エボリューション／ロング・ターム・エボリューション）である。ＳＡＥ／ＬＴＥは、ユーザ・サービス体験の次のステップとして、待ち時間（ｌａｔｅｎｃｙ）、容量、及びスループットを改善するものである。ＳＡＥ／ＬＴＥでは、例えば３Ｇモバイル・システムの進化、したがってユニバーサル地上無線アクセス・ネットワーク（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ Ｒａｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ：ＵＴＲＡＮ）の進化に向けた３ＧＰＰの取り組みがなされている。
図１から分かるように、進化型ＵＴＲＡＮは、進化型ＵＴＲＡのユーザ・プレーン（Ｕ−ｐｌａｎｅ）及び制御プレーン（Ｃ‐ｐｌａｎｅ）・プロトコル・ターミネーションをユーザ機器（ＵＥ）に提供するｅＮＢ（ｅＮｏｄｅ Ｂ）１を含む。各ｅＮＢは、Ｘ２インターフェース９を利用して相互接続される。例えば、ＬＴＥ＿ＡＣＴＩＶＥのＵＥのハンドオーバをサポートするために互いに通信する必要があるｅＮＢ間には、Ｘ２インターフェースが常に存在するものと仮定する。各ｅＮＢは、Ｓ１ １２インターフェースを利用してＥＰＣ（Ｅｖｏｌｖｅｄ Ｐａｃｋｅｔ Ｃｏｒｅ：進化型パケット・コア）にも接続される。Ｓ１インターフェースは、ａＧＷ（Ａｃｃｅｓｓ Ｇａｔｅｗａｙ：アクセス・ゲートウェイ）とｅＮＢの多対多の関係をサポートする。
ｅＮＢは、無線ベアラ制御、無線許可制御、接続モビリティ制御、動的リソース割り当て（スケジューリング）、及び当業者によって理解される他の機能等、無線リソース管理の様々な機能をホストする。
モビリティ管理エンティティ（Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｅｎｔｉｔｙ：ＭＭＥ）は、ｅＮＢへのページング・メッセージ配信に関する様々な機能をホストする。
ユーザ・プレーン・エンティティ（Ｕｓｅｒ Ｐｌａｎｅ Ｅｎｔｉｔｙ：ＵＰＥ）は、ユーザ・データ・ストリームのＩＰヘッダ圧縮及び暗号化、ページングに起因するＵプレーン・パケットの終了、ＵＥモビリティをサポートするためのＵプレーンのスイッチング、に関する様々な機能をホストする。
詳細な情報は、例えば仕様書「３ＧＰＰ ＴＲ ２５．９１２ Ｖ７．１．０」（２００６年０９月）及びこれに関連する他の３ＧＰＰ仕様書で確認することができる。
これに関連して、ｅＮｏｄｅ Ｂと端末（ＵＥ）との間で交換される無線リソース制御（Ｒａｄｉｏ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ：ＲＲＣ）メッセージを暗号化し、完全性を保護（ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ ｐｒｏｔｅｃｔｅｄ）すべきであることが合意されている。このため、ｅＮｏｄｅ Ｂ及びＵＥでは、ＲＲＣキーを使用してセキュリティ機能を実行する必要がある。ＲＲＣキーは、コア・ネットワーク（Ｃｏｒｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ：ＣＮ）及びＵＥで生成され、ＵＥがアクティブ状態になったときにＣＮからｅＮｏｄｅ Ｂへと送信される。ＲＲＣキーは、アクティブ・モードのイントラＬＴＥモビリティ中にｅＮｏｄｅ Ｂ間でも送信される。ＲＲＣは、制御プレーンにのみ存在し、ＮＡＳ（Ｎｏｎ Ａｃｃｅｓｓ Ｓｔｒａｔｕｍ：非アクセス層）への情報転送サービスを提供する、無線インターフェース上のレイヤ３のサブ・レイヤの一部である。ＲＲＣの役割は、無線インターフェース・レイヤ１及び２の構成を制御することである。非アクセス層は、トラフィックを実行しサポートし、ＵＥ（ユーザ機器）とＣＮ（コア・ネットワーク）との間のシグナリングを行う機能レイヤである。
暗号化／完全性保護アルゴリズム（ｃｉｐｈｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）は、各ＲＲＣメッセージの入力として一意のシーケンス番号を必要とする。同じシーケンス番号及びＲＲＣキーが２度使用されることはないが、同じシーケンス番号が暗号化と完全性保護の両方の入力として使用される可能性がある。
シーケンス番号の各部分は、送信者側と受信者側で同期がとられるようにシーケンス番号を調整（ｋｅｙ）するために、すべてのＲＲＣメッセージと共に無線インターフェースを介して送信されるが、無線インターフェースを介して送信されるビット数を制限するために、無線を介して送信されずｅＮｏｄｅ Ｂ及び端末（ＵＥ）の内部で維持されるハイパー・フレーム番号（ｈｙｐｅｒ ｆｒａｍｅ ｎｕｍｂｅｒ：ＨＦＮ）（即ち、オーバーフロー・カウンタ・メカニズム）を使用することができる。ＨＦＮは、暗号化／完全性保護アルゴリズムの入力としても使用される。ＨＦＮは、暗号化／完全性保護アルゴリズムの入力として使用されるシーケンス番号がＲＲＣキーの存続期間にわたって一意であるように、十分なビット数を有するカウンタとなる。
ＲＲＣキーは、ネットワーク接続（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ａｔｔａｃｈ）又は他のコア・ネットワーク手続き中に、端末内の（Ｕ）ＳＩＭカードと、ＨＬＲ／ＨＳＳと、他のコア・ネットワーク・ノードとが関与する認証及び鍵共有アルゴリズム（ＡＫＡ）によって生成される。
上記のプロセスには多くの時間が掛かるため、ハンドオーバやアイドル／アクティブ状態遷移（Ｉｄｌｅ ｔｏ Ａｃｔｉｖｅ ｓｔａｔｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）のような様々なモビリティ・イベント後にＲＲＣキーを再生成する必要をなくすことが有益であるだろう。
モビリティ・イベント中ＲＲＣセキュリティを維持するのに使用可能な最新の解決策の１つは、ＷＣＤＭＡ／ＵＭＴＳ規格に存在する。この解決策は、以下に基づくものである。
ａ）アイドル／アクティブ状態遷移後にＨＦＮカウンタを開始するのに使用されるＳＴＡＲＴ値をＵＥ／ＵＳＩＭ内で維持する。ＳＴＡＲＴ値は、ＲＲＣ接続セットアップ中にＵＴＲＡＮに転送される。同じＨＦＮが同じＲＲＣキーと共に使用されるのを回避するために、ＨＦＮは常に、それ以前に使用されていたＳＦＮよりも高い値に開始される。
ｂ）ＲＮＣ間ハンドオーバ（ｉｎｔｅｒ−ＲＮＣ ｈａｎｄｏｖｅｒ）中にＨＦＮがターゲットＲＮＣに転送される。また、当該ＨＦＮは通常、同じＨＦＮが同じＲＲＣキーで再利用されるのを回避するために、ハンドオーバ中に１つ又は２つのステップずつ増分される。これは、ハンドオーバ・プロセス中にターゲットＲＮＣ内でリソース準備がなされている間に、ソースＲＮＣ内でＨＦＮが増分される可能性があることによる。
しかしながら、この解決策はかなり複雑であり、セキュリティに関する追加的なシグナリングが必要となる。現行の解決策が抱える１つの具体的な課題は、ＨＦＮが複数の用途に使用されること、即ち、ＨＦＮが無線上で使用される、より短いシーケンス番号に関するオーバーフロー・カウンタとして使用される一方で、ハンドオーバやアイドル／アクティブ状態遷移等のモビリティ・イベント中に増分も実行されることである。
コア・ネットワークと無線ネットワークとの間の機能区分が幾分異なる（例えば、ＲＮＣが存在しない）ＳＡＥ／ＬＴＥ、及びこれらと同じ又は同様の能力を有する他の標準化された電気通信ネットワークでは、異なる方法を利用することが有益である。
本発明の基本概念は、シーケンス番号オーバーフロー・カウンタとモビリティ・イベント用カウンタとを分離すること、ならびにすべてのカウンタをＲＲＣ暗号化／完全性保護アルゴリズムの別々の入力として使用することである。ＵＥ、ｅＮｏｄｅ Ｂ、及びＣＮ内で様々なカウンタが維持され、各カウンタは、様々なイベントに起因して暗黙的に同期がとられる。
イベント例としては、無線上で使用されるショート・シーケンス番号がロールオーバしたこと、あるいはハンドオーバが実行されたこと、あるいはアイドル／アクティブ状態遷移が実行されたことを挙げることができる。
各カウンタは階層構造となり、即ち、（ＵＥ及びコア・ネットワーク内で維持される）状態遷移カウンタが増分されたときは、（ＵＥ及びｅＮｏｄｅ Ｂ内で維持される）ハンドオーバ・カウンタ及びオーバーフロー・カウンタがゼロにリセットされ、ハンドオーバ・カウンタが増分されたときは、オーバーフロー・カウンタがゼロにリセットされる。
このアプローチの利点は、ハンドオーバ又は状態遷移後、ＲＲＣメッセージ・シーケンス番号を常にゼロにセットすることができる点と、ＵＥ及びＣＮによって状態遷移カウンタ（IDLE／ACTIVE）が追跡され、ＵＥ及びＲＡＮによってハンドオーバ・カウンタ（ACTIVE）が追跡される限り、開始値を無線を介してシグナリングする必要がない点である。
上記を少し言い換えると、シーケンス番号ロールオーバ・イベント（Ｓｅｑｕｅｎｃｅ Ｎｕｍｂｅｒ Ｒｏｌｌｏｖｅｒ Ｅｖｅｎｔ）とモビリティ・イベント（ハンドオーバ、状態遷移）とを分離するＬＴＥの解決策を有することが有益である。３つの異なるカウンタがＲＲＣセキュリティの入力を提供する解決策が想定され得る。１つはシーケンス番号に関するオーバーフロー・カウンタ、１つはハンドオーバ・カウンタ、もう１つは状態遷移カウンタである。これらのカウンタは階層構造とすることができ、即ち、状態遷移カウンタが増分されたときは、ハンドオーバ・カウンタ及びオーバーフロー・カウンタがゼロにリセットされ、ハンドオーバ・カウンタが増分されたときは、オーバーフロー・カウンタがゼロにリセットされる。
ＲＲＣ暗号化／完全性保護アルゴリズムに追加的なカウンタを設けないことが望まれる場合は、その代わりに、状態遷移の度にＲＲＣキーに対してＣＮ／ＵＥ内の暗号化機能を実行することによって状態遷移及びハンドオーバ・カウンタの効果を実現し、各ハンドオーバ毎にＲＡＮ／ＵＥ内で異なる機能を実行することができる。このようにすれば、ＲＲＣキーがモビリティ・イベントの度に新しくなり、その結果オーバーフロー・カウンタ（ＨＦＮ）をゼロにリセットすることが可能となる。このアプローチの追加的な利点は、（十分に安全な「機能」が使用されると仮定すると）後続のＲＲＣキーが破損（ｃｏｍｐｒｏｍｉｓｅｄ）した場合、元のＲＲＣキーを突き止めることが困難になることである。
本発明の第１の態様によれば、上記は、電気通信システムにおいて、ＲＲＣメッセージを暗号化するＲＲＣキーを使用することにより、ノード（ｅＮＢ）とユーザ機器（ＵＥ）との間で交換されるＲＲＣメッセージを暗号化する方法であって、ＲＲＣメッセージの暗号化プロセスにおいてシーケンス番号ロールオーバ・イベントとモビリティ・イベントとを分離するステップを含む方法によって達成される。
前記方法は、さらに、第１のイベント群の発生によって第１のカウンタが増分されたときは、第２及び第３のカウンタがゼロにリセットされ、第２のイベント群の発生によって前記第２のカウンタが増分されたときは、前記第３のカウンタがゼロにリセットされるような階層構造となる３つの異なるカウンタを利用するステップと、前記カウンタからの出力を、前記ＲＲＣキーを暗号化する暗号化アルゴリズム（ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）の入力として提供するステップとによって特徴付けられる。
第１の態様の各特徴を備える本発明の第２の態様は、前記第１のカウンタが状態遷移カウンタであり、前記第２のカウンタがハンドオーバ・カウンタであり、前記第３のカウンタが前記シーケンス番号に関するオーバーフロー・カウンタであることを特徴とする。
第１の態様に係る前記方法において、前記分離するステップは、ユーザ機器及びコア・ネットワークの状態遷移に関する制御メッセージの暗号化を実行するステップと、前記ユーザ機器及び前記通信ネットワークの無線アクセス・ネットワーク部分におけるハンドオーバ・イベントに関する制御メッセージの暗号化を実行するステップとを含むことができ、前記２つの暗号化プロセスは、互いに分離される。
さらに、暗号アルゴリズム（ｃｒｙｐｔｏ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）においてＲＲＣキーを提供することができる。
本発明の第３の態様によれば、上記は、本発明の第１の態様の前記方法を使用することにより、電気通信ネットワーク内のノード（ｅＮＢ）との間で暗号化されたＲＲＣメッセージを交換するように動作可能に構成されたユーザ機器（ＵＥ）によっても達成される。
前記ユーザ機器は、第１のイベント群の発生によって第１のカウンタが増分されたときは、第２及び第３のカウンタがゼロにリセットされ、第２のイベント群の発生によって前記第２のカウンタが増分されたときは、前記第３のカウンタがゼロにリセットされるような階層構造となる３つの異なるカウンタにアクセスすることができ、前記カウンタからの出力を、ＲＲＣメッセージを暗号化する暗号アルゴリズムの入力として提供するように動作可能に構成されることを特徴とする。
第３の態様の各特徴を備える本発明の第４の態様は、前記第１のカウンタが状態遷移カウンタであり、前記第２のカウンタがハンドオーバ・カウンタであり、前記第３のカウンタが前記シーケンス番号に関するオーバーフロー・カウンタであることを特徴とする。
本発明の第５の態様によれば、無線通信ネットワークのインフラストラクチャ部分における通信デバイスであって、処理ユニットと、メモリ・ユニットと、少なくとも１つの通信インターフェースとを備え、前記処理ユニットは、前記メモリ・ユニットに記憶され、無線リソース制御メッセージ、即ちＲＲＣを保護する際に使用される少なくとも１つのカウンタを維持するように構成され、前記デバイスは、例えば第１のイベント群の発生によって第１のカウンタが増分されたときは、第２及び第３のカウンタがゼロにリセットされ、第２のイベント群の発生によって前記第２のカウンタが増分されたときは、前記第３のカウンタがゼロにリセットされるように階層的に使用される３つの別々のカウンタを取得することにより、ＲＲＣメッセージの暗号化プロセスにおいてシーケンス番号ロールオーバ・イベントとモビリティ・イベントとを分離するようにさらに構成されることを特徴とし、前記カウンタからの出力を、ＲＲＣメッセージを暗号化する暗号アルゴリズムの入力として提供するように動作可能に構成される通信デバイスが提供される。
本発明の第６の態様によれば、無線電気通信ネットワーク内の通信を処理するシステムであって、アクセス・ゲートウェイ（ｅＮｏｄｅＢ）と、コア・ネットワークとを備え、前記アクセス・ゲートウェイは、ユーザ機器及び前記コア・ネットワークと通信するように構成され、例えば第１のイベント群の発生によって第１のカウンタが増分されたときは、第２及び第３のカウンタがゼロにリセットされ、第２のイベント群の発生によって前記第２のカウンタが増分されたときは、前記第３のカウンタがゼロにリセットされるような階層構造となる３つの異なるカウンタにアクセスすることにより、ＲＲＣメッセージの暗号化プロセスにおいてシーケンス番号ロールオーバ・イベントとモビリティ・イベントとを分離するように構成され、前記コア・ネットワーク及びアクセス・ゲートウェイはそれぞれ、暗号アルゴリズムで使用される無線リソース制御キーを生成するのに前記カウンタを使用するように構成される、システムが提供される。
本発明の第７の態様によれば、無線電気通信ネットワークのデバイス部分で使用されるコンピュータ可読媒体に記憶されたコンピュータ・プログラムであって、ユーザ機器と、アクセス・ゲートウェイと、コア・ネットワーク・デバイスとの間で暗号化ＲＲＣキーを使用して無線リソース制御メッセージ（ＲＲＣ）を暗号化する命令セットと、第１のイベント群の発生によって第１のカウンタが増分されたときは、第２及び第３のカウンタがゼロにリセットされ、第２のイベント群の発生によって前記第２のカウンタが増分されたときは、前記第３のカウンタがゼロにリセットされるような階層構造となる３つの異なるカウンタを利用する命令セットと、前記カウンタからの出力を、前記ＲＲＣキーを生成する暗号アルゴリズムの入力として提供する命令セットと、任意選択で前記通信ネットワーク内の他のデバイスとカウンタ値を交換する命令セットと、を備えるコンピュータ・プログラムが提供される。
以下では、添付の図面に示される例示的な実施形態を参照して本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下の説明に限定されるものではない。
本発明に係るネットワークの概略図である。 図１に係るネットワークを異なる視点から見た概略図である。 本発明に係る方法の概略ブロック図である。 本発明に係るインフラストラクチャ・デバイスの概略ブロック図である。 本発明に係るユーザ・デバイスの概略ブロック図である。
図１では、参照符号１０が本発明に係るネットワーク全体を示しており、進化型ＵＴＲＡＮは、進化型ＵＴＲＡのユーザ・プレーン（Ｕプレーン）及び制御プレーン（Ｃプレーン）・プロトコル・ターミネーションをユーザ機器（ＵＥ）に提供するｅＮＢ（ｅＮｏｄｅ Ｂ）１を含む。各ｅＮＢは、Ｘ２インターフェース９を利用して相互接続される。例えば、ＬＴＥ＿ＡＣＴＩＶＥのＵＥのハンドオーバをサポートするために互いに通信する必要があるｅＮＢ間には、Ｘ２インターフェースが常に存在するものと仮定する。各ｅＮＢは、Ｓ１インターフェース１２を利用してＥＰＣ（Ｅｖｏｌｖｅｄ Ｐａｃｋｅｔ Ｃｏｒｅ：進化型パケット・コア）にも接続される。Ｓ１インターフェースは、ａＧＷ（Ａｃｃｅｓｓ Ｇａｔｅｗａｙｓ：アクセス・ゲートウェイ）とｅＮＢの多対多の関係をサポートする。ｅＮＢ間の通信には、Ｘ２インターフェースだけでなく他のインターフェースを使用することもできることに留意されたい。
ｅＮＢは、無線ベアラ制御、無線許可制御、接続モビリティ制御、動的リソース割り当て（スケジューリング）、及び当業者によって理解される他の機能等、無線リソース管理の様々な機能をホストする。
モビリティ管理エンティティ（ＭＭＥ）１１は、ｅＮＢへのページング・メッセージ配信に関する様々な機能をホストする。
図２は、図１のネットワークをより詳細に示し、図２のネットワークは、少なくとも１つの無線インフラストラクチャ・アクセス・ゲートウェイ・デバイス１（ｅＮｏｄｅＢ）と、例えばネットワーク・ゲートウェイ・ノード３（ＧＧＳＮ等）を備えるインフラストラクチャ通信コア・ネットワーク２（ＣＮ）と、ネットワーク・サービング・ノード４（ＳＧＳＮ等）と、通信ネットワーク６（例えば、電話通信ネットワーク又はデータ・ネットワーク（インターネット等））へのアクセス接続５とを備える。ユーザ機器デバイス（ＵＥ）７は、何らかの適切な無線通信プロトコル（以下で詳述）を利用して無線アクセス・ゲートウェイに接続することができる。インフラストラクチャ・ネットワークは、当業者に理解される構成に応じてＭＳＣ（Ｍｏｂｉｌｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｃｅｎｔｒｅ：モバイル・スイッチング・センタ）８、ＶＬＲ（Ｖｉｓｉｔｏｒ Ｌｏｃａｔｉｏｎ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ：ビジタ・ロケーション・レジスタ）、またはＨＬＲ（Ｈｏｍｅ Ｌｏｃａｔｉｏｎ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ：ホーム・ロケーション・レジスタ）のような他のコンポーネントも含むことができる。
セキュリティ上の理由で、無線リソース制御（ＲＲＣ）機能のメッセージの暗号化は、ネットワーク内のＵＥを含めた様々なネットワーク・エンティティで実施される。メッセージの暗号化は、シード（ｓｅｅｄ）を使用してアルゴリズムの入力が生成される暗号化技法を使用して行われる。シードは、任意選択で他の情報（例えば、ＨＦＮ番号）と共に様々な種類のシーケンス番号を使用して生成されるが、破損のリスクを低減するために、これらの番号は繰り返し使用すべきでなく、少なくとも妥当な期間内は繰り返し使用すべきではない。
ＲＲＣセキュリティに関して以下のように仮定する。
１．ＲＲＣキーは、ＮＡＳ（非アクセス層）及びエンド・ユーザ・データ・プロテクションで使用されるＣＮキーと暗号的に分離される。
２．ＲＲＣキーは、ＮＡＳ（ＣＮ／ＵＥ）レベルのＡＫＡ手続きによって直接生成され、又はＣＮ／ＵＥにおいてＮＡＳ（ＣＮ／ＵＥ）レベルのＡＫＡ手続きで生成されたキー素材から導出される。
３．ＲＲＣキーは、ＵＥがＬＴＥ＿ＡＣＴＩＶＥ状態になったときに（即ち、ＲＲＣ接続中又はＳ１コンテキスト・セットアップに）ＣＮからｅＮｏｄｅ Ｂに送信される。
４．ＲＲＣキーは、アクティブ・モードのイントラＬＴＥモビリティ中にｅＮｏｄｅ Ｂ間で送信される。
５．シーケンス番号は、ＲＲＣの暗号化及び完全性保護の入力として使用される。所与のシーケンス番号は、所与のＲＲＣキーについて一度しか使用されない（同一の再送信を除く）。同じシーケンス番号が暗号化と完全性保護の両方に使用されることもある。
６．各ＲＲＣメッセージと共に無線を介して送信する必要があるシーケンス番号の実際のビット数を制限するために、ｅＮｏｄｅ Ｂではハイパー・フレーム番号（ＨＦＮ）（即ち、オーバーフロー・カウンタ（ＯＣ）メカニズム）が使用される。
本発明の基本概念は、シーケンス番号オーバーフロー・カウンタとモビリティ・イベント用カウンタとを分離すること、ならびにすべてのカウンタをＲＲＣ暗号化／完全性保護アルゴリズムの別々の入力として使用することである。ＵＥ、ｅＮｏｄｅ Ｂ、及びＣＮ内で様々なカウンタが維持され、各カウンタは、様々なイベントに起因して暗黙的に同期がとられる。
イベント例としては、無線上で使用されるショート・シーケンス番号がロールオーバしたこと、あるいはハンドオーバが実行されたこと、あるいはアイドル／アクティブ状態遷移が実行されたことを挙げることができる。
これらのカウンタは階層構造とすることができ、即ち、（ＵＥ及びコア・ネットワーク内で維持される）状態遷移カウンタが増分されたときは、（ＵＥ及びｅＮｏｄｅ Ｂ内で維持される）ハンドオーバ・カウンタ及びオーバーフロー・カウンタがゼロにリセットされ、ハンドオーバ・カウンタが増分されたときは、オーバーフロー・カウンタがゼロにリセットされる。
このアプローチの利点は、ハンドオーバ又は状態遷移後、ＲＲＣメッセージ・シーケンス番号を常にゼロにセットすることができる点と、ＵＥ及びＣＮによって状態遷移カウンタ（IDLE／ACTIVE）が追跡され、ＵＥ及びＲＡＮによってハンドオーバ・カウンタ（ACTIVE）が追跡される限り、開始値を無線を介してシグナリングする必要がない点である。
上記を少し言い換えると、シーケンス番号ロールオーバ・イベントとモビリティ・イベント（ハンドオーバ、状態遷移）とを分離するＬＴＥの解決策を有することが有益である。３つの異なるカウンタがＲＲＣセキュリティに入力を与える解決策が想定され得る。１つはシーケンス番号に関するオーバーフロー・カウンタ、１つはハンドオーバ・カウンタ、もう１つは状態遷移カウンタである。これらのカウンタは階層構造とすることができ、即ち、状態遷移カウンタが増分されたときは、ハンドオーバ・カウンタ及びオーバーフロー・カウンタがゼロにリセットされ、ハンドオーバ・カウンタが増分されたときは、オーバーフロー・カウンタがゼロにリセットされる。
ＲＲＣ暗号化／完全性保護アルゴリズムに追加的なカウンタを設けないことが望まれる場合は、その代わりに、状態遷移の度にＲＲＣキーに対してＣＮ／ＵＥ内の暗号化機能を実行することによって状態遷移及びハンドオーバ・カウンタの効果を実現し、各ハンドオーバ毎にＲＡＮ／ＵＥ内で異なる機能を実行することができる。このようにすれば、ＲＲＣキーがモビリティ・イベントの度に新しくなり、その結果オーバーフロー・カウンタ（ＨＦＮ）をゼロにリセットすることが可能となる。このアプローチの追加的な利点は、（十分に安全な「機能」が使用されると仮定すると）後続のＲＲＣキーが破損した場合、元のＲＲＣキーを突き止めることが困難になることである。
図３は、本発明に係る方法を示す。３０１：上述のような異なるネットワーク又は管理イベントに関する最大３つのカウンタを維持するステップである。３０２：ネットワーク・イベントを検出するステップである。３０３：ネットワーク・イベントのタイプを判定するステップである。３０４：無線制御メッセージを暗号化するアルゴリズムにおいてカウンタ値を入力として使用するステップである。３０５：異なるネットワーク・エンティティ間で適時に（ｔｉｍｅｌｙ）（即ち、定期的に）、又は臨機に（ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｓｔｉｃ）（即ち、利用可能な場合は他の制御メッセージを使用して値を配信する）カウンタ値の同期をとるステップである。
上述のように、本発明は、ｅＮｏｄｅＢ、コア・ネットワーク、及びＵＥで利用される。インフラストラクチャ・ネットワークにおいて、ｅＮｏｄｅＢの役割は、ハンドオーバ・カウンタ及びオーバーフロー・カウンタを維持することである。図４に示されるように、ｅＮｏｄｅＢ ４００は、少なくとも１つの処理ユニット４００１と、少なくとも１つのメモリ・ユニット４０２（揮発性及び／又は不揮発性）と、任意選択で制御インターフェース・ユニット４０３と、少なくとも１つのインフラストラクチャ・ネットワーク通信インターフェース４０４と、少なくとも１つの無線ネットワーク・インターフェイス４０５とを備えることができる。ｅＮｏｄｅＢは、ＵＥとｅＮｏｄｅＢとの間の接続及び通信を処理する論理接続（ｌｏｇｉｃａｌ ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ）機能、物理的無線インターフェース機能、コア・ネットワークとｅＮｏｄｅＢとの間の通信を処理するインフラストラクチャ通信機能等、いくつかの機能ブロックを備える論理エンティティと考えることができる。しかしながら、これらの機能ブロックの一部は、ｅＮｏｄｅＢを共に形成する別々のデバイス内に所在する可能性もあることが当業者には理解されるであろう。メモリ・ユニット４０２は、ＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュ、ハード・ディスク、当業者に理解される他のタイプ等、任意の適切なタイプを含むことができる。無線インターフェースは、固定プロトコル、固定プロトコルの組合せ、ソフトウェア定義無線ソリューション等、当業者に理解される任意の適切な無線プロトコルを使用することができる。処理ユニットは、例えばマイクロプロセッサ、ＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、又はＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）のうちの少なくとも１つを含むことができる。
図５に示されるように、ＵＥ５００は、少なくとも１つの処理ユニット５０１と、ユーザ・インターフェース・ユニット５０２と、少なくとも１つのメモリ・ユニット５０３（図４に関して上述したのと同じタイプであり得る揮発性及び／又は不揮発性）、少なくとも１つの無線通信インターフェース（トランシーバやアンテナのようなＲＦ機器を含む）５０４とを備えることができる。無線インターフェースは、ＳＡＥ／ＬＴＥ、又は同様の無線リソース制御メッセージの暗号化を使用する同様の技法と互換性のある無線プロトコルと通信するように構成され、固定無線規格又はソフトウェア定義無線ソリューションを使用することができる。ＵＥは、当業者に理解される他のユニット及びコンポーネントを備えることができる。処理ユニットは、例えばマイクロプロセッサ、ＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、又はＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）のうちの少なくとも１つを含むことができる。ＵＥは、状態遷移カウンタ、ハンドオーバ・カウンタ、及びカウンタ・オーバーフロー・イベントを維持する。
同様に、ＣＮは、ステーション遷移イベント用カウンタを維持する。このカウンタは、ネットワーク構成に応じてＨＬＲ内やＶＬＲ内、あるいはサポート・ノード内等、任意の適切な場所に配置することができる。
カウンタからの値は、ＲＲＣプロセスにおけるキー生成時の入力値としてそれらが使用されるようにするために、イベントに応じて必要とされるＲＲＣプロセスの他の部分に配信される。これにより、ＵＥとｅＮｏｄｅＢの間やＵＥとＣＮの間等、ネットワーク構成内の従属エンティティ間の同期が保証される。ＲＲＣプロセスの暗号化メカニズムでは、制御メッセージの同期及び暗号化に必要とされる適切なカウンタ値を受信するために、複数のカウンタ値に関する入力が存在する。
なお、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む、備える）」という用語は、本明細書に列挙される以外の要素又はステップを除外するものではなく、また、ある要素の前に付く「ａ」又は「ａｎ」という用語は、そのような要素が複数存在することを妨げるものではないことに留意されたい。さらに、いずれの参照符号も添付の特許請求の範囲に記載される各請求項の範囲を限定するものではなく、本発明は、少なくとも部分的にはハードウェアとソフトウェアの両方を利用して実施することが可能であり、いくつかの「ｍｅａｎｓ（手段）」又は「ｕｎｉｔｓ（ユニット、部）」は、同じハードウェア・アイテムで体現され得ることにも留意されたい。
上述の各実施形態は単なる例として与えられるものであり、本発明の範囲を限定するものではない。当業者には、添付の特許請求の範囲の各請求項に記載される発明の範囲に含まれる他の解決策、用途、目的、及び機能が明らかとなるはずである。
（略語と定義）
ａＧＷｓ：アクセス・ゲートウェイ
ＡＫＡ：認証及び鍵共有アルゴリズム
ＣＮ：コア・ネットワーク
ＧＧＳＮ：ゲートウェイＧＰＲＳサポート・ノード
ＧＰＲＳ：汎用パケット無線サービス
ＨＦＮ：ハイパー・フレーム番号
ＨＬＲ：ホーム・ロケーション・レジスタ
ＩＰ：インターネット・プロトコル
ＬＴＥ：ロング・ターム・エボリューション
ＭＭＥ：モビリティ管理エンティティ
ＭＳＣ：モバイル・スイッチング・センタ
ＮＡＳ：非アクセス層
ＲＡＮ：無線アクセス・ネットワーク
ＲＲＣ：無線リソース制御
ＳＧＳＮ：サービングＧＰＲＳサポート・ノード
ＵＥ：ユーザ機器
ＵＰＥ：ユーザ・プレーン・エンティティ
ＶＬＲ：ビジタ・ロケーション・レジスタ

Claims (19)

  1. 電気通信システムにおいて、ノード（ｅＮＢ）（１）とユーザ機器（ＵＥ）（７）との間で交換される無線リソース制御（ＲＲＣ）メッセージを、ＲＲＣメッセージを暗号化するＲＲＣキーを使用することにより暗号化する方法であって、ＲＲＣメッセージの暗号化プロセスにおいてシーケンス番号ロールオーバ・イベントとモビリティ・イベントとを分離するステップを含む方法。
  2. 前記分離するステップは、
    第１のイベント群の発生によって第１のカウンタが増分されたときは、第２及び第３のカウンタがゼロにリセットされ、第２のイベント群の発生によって前記第２のカウンタが増分されたときは、前記第３のカウンタがゼロにリセットされるような階層構造となる３つの異なるカウンタを利用するステップと、
    前記カウンタからの出力を、ＲＲＣメッセージを暗号化する暗号アルゴリズムの入力として提供するステップと、
    を含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記第１のカウンタは、状態遷移カウンタであり、前記第２のカウンタは、ハンドオーバ・カウンタであり、前記第３のカウンタは、オーバーフロー・カウンタ（ＨＦＮ）である、請求項２に記載の方法。
  4. 前記分離するステップは、
    ユーザ機器（７）及びコア・ネットワーク（２）の状態遷移に関する制御メッセージの暗号化を実行するステップと、
    前記ユーザ機器及び通信ネットワークの無線アクセス・ネットワーク部分におけるハンドオーバ・イベントに関する制御メッセージの暗号化を実行するステップと、
    を含み、
    前記２つの暗号化プロセスは、互いに分離される、請求項１に記載の方法。
  5. ＲＲＣキーの生成に暗号アルゴリズムが使用される、請求項４に記載の方法。
  6. 電気通信ネットワーク内のユーザ機器（ＵＥ）（７、５００）であって、処理ユニット（５０１）と、メモリ・ユニット（５０２）と、少なくとも１つの無線通信インターフェース（５０４とを備え、前記処理ユニット（５０１）は、ＲＲＣメッセージを暗号化するＲＲＣキーを使用することにより、前記電気通信ネットワーク内のノード（ｅＮＢ）（１）及び／又はコア・ネットワーク部分（２）との間で暗号化されたＲＲＣメッセージを交換するように動作可能に構成され、前記ＵＥは、ＲＲＣメッセージを暗号化する暗号化アルゴリズムの入力として使用されるキーの生成時に、シーケンス番号のロールオーバに関するイベントとモビリティに関するイベントとを互いに区別するように構成される、ユーザ機器。
  7. 前記ユーザ機器は、第１のイベント群の発生によって第１のカウンタが増分されたとき、第２及び第３のカウンタがゼロにリセットされ、第２のイベント群の発生によって前記第２のカウンタが増分されたとき、前記第３のカウンタがゼロにリセットされるような階層構造となる３つの異なるカウンタにアクセスすることができ、前記カウンタからの出力を、ＲＲＣメッセージを暗号化する暗号アルゴリズムの入力として提供するように動作可能に構成される、請求項６に記載のユーザ機器（７）。
  8. コア・ネットワーク（２）エンティティに関係するユーザ機器の状態遷移に関する制御メッセージの暗号化を実行し、
    前記通信ネットワークの無線アクセス・ネットワーク部分（１）に関係する前記ユーザ機器におけるハンドオーバ・イベントに関する制御メッセージの暗号化を実行するように構成される、請求項７に記載のユーザ機器（７）。
  9. 前記ＲＲＣキーの生成に暗号アルゴリズムが使用される、請求項８に記載のユーザ機器。
  10. 前記第１のカウンタは、状態遷移カウンタであり、前記第２のカウンタは、ハンドオーバ・カウンタであり、前記第３のカウンタは、オーバーフロー・カウンタ（ＨＦＮ）である、請求項６に記載のユーザ機器（ＵＥ）。
  11. 無線通信ネットワーク（１０）のインフラストラクチャ部分（２）における通信デバイス（４００）であって、処理ユニット（４０１）と、メモリ・ユニット（４０２）と、少なくとも１つの通信インターフェース（４０４、４０５）とを備え、前記処理ユニットは、ＲＲＣメッセージを暗号化するＲＲＣキーを使用することにより、前記電気通信ネットワーク内の他のノードとの間で暗号化されたＲＲＣメッセージを交換するように動作可能に構成され、前記デバイスは、ＲＲＣメッセージを暗号化する暗号化アルゴリズムの入力として使用されるキーの生成時に、シーケンス番号のロールオーバに関するイベントとモビリティに関するイベントとを互いに区別するように構成される、デバイス。
  12. 無線リソース制御メッセージ、即ちＲＲＣを保護する際に使用され、前記メモリ・ユニットに記憶される少なくとも１つのカウンタを維持するようにさらに構成され、第１のイベント群の発生によって第１のカウンタが増分されたとき、第２及び第３のカウンタがゼロにリセットされ、第２のイベント群の発生によって前記第２のカウンタが増分されたとき、前記第３のカウンタがゼロにリセットされるように階層的に使用される３つの別々のカウンタを取得するようにさらに構成されることを特徴とし、前記カウンタからの出力を、ＲＲＣメッセージを暗号化する暗号アルゴリズムの入力として提供するように動作可能に構成される、請求項１１に記載のデバイス。
  13. コア・ネットワーク（２）エンティティに関係するユーザ機器の状態遷移に関する制御メッセージの暗号化を実行し、
    前記通信ネットワークの無線アクセス・ネットワーク部分（１）に関係する前記ユーザ機器におけるハンドオーバ・イベントに関する制御メッセージの暗号化を実行するようにさらに構成される、請求項１１に記載のデバイス。
  14. 前記ＲＲＣキーの生成に暗号アルゴリズムが使用される、請求項１３に記載のデバイス。
  15. 無線電気通信ネットワーク内の通信を処理するシステムであって、
    アクセス・ゲートウェイ（ｅＮｏｄｅＢ）（１）と、
    コア・ネットワーク（２）と、を備え、
    前記アクセス・ゲートウェイは、ユーザ機器及び前記コア・ネットワークと通信するように構成され、かつ、前記アクセス・ゲートウェイは、ＲＲＣメッセージを暗号化するＲＲＣキーを使用することにより、前記電気通信ネットワーク内の他のノードとの間で暗号化されたＲＲＣメッセージを交換するように動作可能に構成され、前記デバイスは、ＲＲＣメッセージを暗号化する暗号化アルゴリズムの入力として、シーケンス番号のロールオーバに関するイベントとモビリティに関するイベントとを互いに区別するように構成される、システム。
  16. 前記ｅＮｏｄｅＢは、第１のイベント群の発生によって第１のカウンタが増分されたとき、第２及び第３のカウンタがゼロにリセットされ、第２のイベント群の発生によって前記第２のカウンタが増分されたとき、前記第３のカウンタがゼロにリセットされるような階層構造となる３つの異なるカウンタにアクセスするように構成され、前記コア・ネットワーク及びアクセス・ゲートウェイはそれぞれ、暗号アルゴリズムで使用される無線リソース制御キーを生成するのに前記カウンタを使用するように構成される、請求項１５に記載のシステム。
  17. コア・ネットワーク（２）エンティティに関係するユーザ機器の状態遷移に関する制御メッセージの暗号化を実行し、
    前記通信ネットワークの無線アクセス・ネットワーク部分（１）に関係する前記ユーザ機器におけるハンドオーバ・イベントに関する制御メッセージの暗号化を実行するように構成される、請求項１５に記載のシステム。
  18. 前記ＲＲＣキーの生成に暗号アルゴリズムが使用される、請求項１７に記載のユーザ機器。
  19. 無線電気通信ネットワークのデバイス部分で使用されるコンピュータ可読媒体に記憶されたコンピュータ・プログラムであって、
    ユーザ機器と、アクセス・ゲートウェイと、コア・ネットワーク・デバイスとの間で暗号化ＲＲＣキーを使用して無線リソース制御メッセージ（ＲＲＣ）を暗号化する命令セットと、
    第１のイベント群の発生によって第１のカウンタが増分されたとき、第２及び第３のカウンタがゼロにリセットされ、第２のイベント群の発生によって前記第２のカウンタが増分されたとき、前記第３のカウンタがゼロにリセットされるような階層構造となる３つの異なるカウンタを利用する命令セットと、
    前記カウンタからの出力を、ＲＲＣメッセージを暗号化する暗号アルゴリズムの入力として提供する命令セットと、
    任意選択で前記通信ネットワーク内の他のデバイスとカウンタ値を交換する命令セットとを備えるコンピュータ・プログラム。
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