JP2011523832A - 伝送装置を識別する方法 - Google Patents

Abstract

伝送装置を識別する例示的な方法は、信号を受信するステップを含む。信号の少なくとも１つの部分の離散フーリエ変換が、伝送装置の少なくとも１つの一意の特性を示す複数の周波数を生成する。複数の周波数に基づいて、伝送装置が既知の装置であるかどうかの判定が行われる。

Description

本発明は、概して通信に関する。より詳細には、本発明は、伝送装置の識別に関する。

様々な異なる通信システムが使用されている。近年、無線通信は発展的な成長を遂げた。たとえば、携帯電話の通信システムは、地理的エリアに亘る無線通信通達範囲を提供するために戦略的に位置付けられたいくつかの基地局送受信機（ＢＳＴ）を含む。周知の識別技法は、基地局の通信範囲内の基地局と移動局（たとえば、携帯電話）の間の効率的な通信を可能にする。

さらに最近では、基地局によるサービスを受けるマクロセルの同一の地理的領域内でより小さな通達範囲エリアセルが使用される傾向が強くなっている。かかるピコ・セルまたはフェムト・セルは、たとえば、家庭、商業ビル、および公共の場所への無線通信通達範囲の拡張において利点をもたらす。さらに、かかるより小さいセルは、ある種の状況で、実際にマクロ・セルラ・サービスを向上させることができる。たとえば、かかるより小さいセルのより小さい通達範囲エリアは、エンド・ユーザへのより高いデータ転送率を可能にすることができ、バッテリの寿命を改善し、他の方法ではマクロセルにキャンプさせられていたエンド・ユーザの負担を取り除くことができる。

かかるより小さいセルの拡散で、さらなる課題が生じている。たとえば、移動局がマクロセルでのキャンピングとフェムト・セルでのキャンピングの間を移動するたびに、位置エリア更新が必要とされる。位置更新の成功に先立って、移動局はフェムト基地局によって認証される必要がある。従来の技法の使用は、ネットワークに追加の認証トラフィックをもたらす。ある種の状況では、マクロセル内の多数の移動局が短期間内に多数のフェムト基地局を検出することがある。かかる検出は、それぞれ追加の信号伝達トラフィックをもたらす。場合によっては、追加の信号伝達トラフィックは、システムに深刻な負担をもたらす「シグナリング・ストーム（ｓｉｇｎａｌｉｎｇ ｓｔｏｒｍ）」と見なされ得る。

さらに、多数のフェムト・セルが私設で構成され、特定の移動局だけにアクセスを取得することを許すことになる。その結果として、いずれにしても移動局がフェムト・セルにアクセスするための許可を得られないために、多数の位置更新の信号伝達トラフィックが無駄になることになる。

周知の識別技法の使用に関連するもう１つの課題は、エンド・ユーザ装置の永続的な識別子（すなわち、国際移動電話加入者識別（ＩＭＳＩ）番号）が他の方法で行われるよりもさらに頻繁に交換されることを含む。ＩＭＳＩの交換が普通テキストで生じるとき、ネットワークのセキュリティおよびプライバシ機能が損なわれる。

各フェムト・セルは、そのフェムト・セルへのアクセスを許可するかどうかを判定する前にその移動局を識別しなければならない。したがって、移動局の何らかの識別が必須である。移動局のＩＭＳＩを取得することによってこれを試みることには、いくつかの不利な点がある。たとえば、移動局は、通常は、一時的移動電話加入者識別番号（ＴＭＳＩ）を使用する。移動局はＴＭＳＩを送信して位置エリア更新を実行する。フェムト基地局が受信されたＴＭＳＩに対応するＩＭＳＩを既に知っている場合、フェムト基地局はその移動局を識別することができる。そうでない場合、フェムト基地局はコア・ネットワーク内のノードとコンタクトを取ってＴＭＳＩからＩＭＳＩへのマッピングを解明しなければならない。これは、そのマッピングを提供するネットワーク機器における信号伝達負荷の大きな増加をもたらす。さらに、ＴＭＳＩは、フェムト基地局に以前に格納されたマッピングは時間がたつと無効になるために信頼できないものとなるようにしてプライバシを保護するために、定期的にネットワークによって変更される。

別のあり得る技法では、フェムト基地局が、ＩＭＳＩを取得するために移動局への移動交換局による識別要求メッセージをスプーフする。ＩＭＳＩを直接受信することは、フェムト基地局が移動局を正確に識別することを可能にする。しかし、かかる状況のもとではＩＭＳＩは無線を介して普通テキストで送信され、無用のまたは好ましくない形でそれが検知されることを可能にする。

移動局を識別するための戦略的な技法がなければ、同一チャネルのフェムト・セルの配備は、重大なシグナリング・ストームにつながり、無線通信ネットワークのプライバシおよびセキュリティ機構を損なうことがあり得る。かかる不利益なしにフェムト基地局で移動局を識別できることが望ましいであろう。

別の識別手法は、表題「Ｄｅｖｉｃｅ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｖｉａ Ａｎａｌｏｇ Ｓｉｇｎａｌ Ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔｉｎｇ：Ａ Ｍａｔｃｈｅｄ Ｆｉｌｔｅｒ Ａｐｐｒｏａｃｈ」の文書で提案されている。その著者は、ハードウェアに起因するアナログ信号の変化および装置間の製造の不一致が装置の認証を可能にすると指摘する。その文書は、整合フィルタ手法（ｍａｔｃｈｅｄ ｆｉｌｔｅｒ ａｐｐｒｏａｃｈ）を開示している。その文書の著者は、いずれの無線通信との関連においてもその技法を検討してはいない。

「Ｄｅｖｉｃｅ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｖｉａ Ａｎａｌｏｇ Ｓｉｇｎａｌ Ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔｉｎｇ：Ａ Ｍａｔｃｈｅｄ Ｆｉｌｔｅｒ Ａｐｐｒｏａｃｈ」

伝送装置を識別する例示的な方法は、信号を受信するステップを含む。信号の少なくとも１つの部分の離散フーリエ変換が、伝送装置の少なくとも１つの一意の特性を示す複数の周波数を生成する。複数の周波数に基づいて伝送装置が既知の装置であるかどうかの判定が行われる。

例示的な方法は、各伝送装置が他の装置と比較して伝送信号に変化をもたらす固有の方法を利用する。信号の少なくとも１つの部分のフーリエ変換を利用することは、信号のその部分を分析して、信号のその部分から明らかになる伝送装置の一意の特性を検出することを可能にする。これは、一意の形で伝送装置を識別することを可能にする。

本発明の様々な特徴と利点が以下の詳細な説明から当業者に明らかとなろう。詳細な説明に添付された図面は以下のように簡単に説明されることができる。

例示的な通信システムの選択された部分を示す概略図である。 １つの例示的な手法を要約した流れ図である。

図１は、無線通信システム２０の選択された部分を概略的に示す。この例において、フェムト基地局などのオーバーレイ基地局装置２２は、アンダーレイ基地局送受信機によって提供される、２４で部分的および概略的に図示されたマクロセル通達範囲エリア内に比較的小さいエリアの通信通達範囲を提供する。基地局装置２２（たとえば、ピコ・セル基地局またはフェムト基地局）の通達範囲エリアとマクロセル通達範囲エリア２４の間には少なくともいくらかの重複がある。その２つの通達範囲エリアの間にはいくらかの同一チャネル使用もある。

図１の例において、移動局２６は、基地局２２の対応するセルでのキャンピングの候補になるのに十分なくらい基地局装置２２の近くにある。移動局２６は、移動局２６に独自の特定の署名または無線周波数特性をもつ基地局２２に信号２８を提供する。移動局２６からの信号の一意の署名または特性は、移動局２６内のハードウェアの一意の態様に基づく。信号が移動局２６内の伝送経路を介して処理されるとき、移動局２６に独自の信号署名が導入される。

たとえば、移動局２６内の局部発振器は関連安定性をもつ。ＲＦ信号の中心周波数の精度は、局部発振器の安定性に依存する。さらに、発振器のノイズ・レベルは、伝送される無線周波数信号のノイズ・レベルを決定する。

標準的な移動局内の別の構成要素は、その直線性が個々の実装により変わる増幅器を含む。隣接チャネル電力またはエラー・ベクトル振幅などの信号品質測定は、増幅器の実装により変わる。

無線周波数署名に影響を及ぼす可能性のある移動局内の別の例示的な構成要素は、フィルタである。フィルタは、製造業者間で異なり、生産のバッチ間で異なることもある。

信号署名に影響を及ぼす別の特徴は、無線周波数レベルで全く同じように指定された２つのボードの間の類似性に影響する、ボードの製造品質である。ボード上の構成要素の配置、構成要素の許容差、はんだ付け材料の一貫性、および温度差などのすべてが、最終製品の無線周波数性能に影響を及ぼし得る。かかる変動は、生産施設において時折発生することがある。

伝送装置の前述の特徴または構成要素のいずれも、かかる署名に基づいて伝送装置を一意的に識別することを目的とする、本発明の開示される例示的な一実装形態において利用される一意の無線周波数署名を提供する。

図１の例は、基地局装置２２によって受信される信号３２を送信する別の移動局３０を含む。図１に概略的に示すように、信号３２の無線周波数署名は、２８で示される信号のそれと異なる。

基地局装置２２は、装置２６および３０のそれぞれによって伝送される信号の一意の特性に関する情報を取得する無線周波数フィンガープリンティング・モジュール（ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ）３４を含む。署名コンパレータ・モジュール３６は、対応するセルへのアクセスを許可されたものとして移動局を識別することを試みることを目的として、データベース３８内の情報と判定された署名を比較する。装置ブロッカ・モジュール４０は、移動局との通信を円滑に進めて、それが基地局装置２２を介して通信することを許可されているかどうかまたはかかるアクセスが遮断されているかどうかを示す。遮断されている場合、移動局はマクロセル２４の基地局送受信機を介して通信を継続する。

図２は、例示的な手法を概略的に図示する流れ図５０を含む。５２で、信号が基地局装置２２で受信される。信号は、信号署名を判定するために使用される少なくとも１つの部分をもつ。伝送装置は、署名が既知の装置のものである場合、識別されることができる。議論を目的として、既知の内容をもつ信号の一部分が識別に使用される。一例では、信号の一部分は、ランダム・アクセス・チャネル（ＲＡＣＨ）プリアンブルを備える。一例は、基地局装置２２の範囲内のすべての伝送装置（たとえば、マクロセル２４内のそれらすべて）に全く同じＲＡＣＨプリアンブル・シーケンスを伝送するように命令するステップを含む。したがって、受信信号のその部分は既知の内容を含む。移動局間で伝送されるシーケンスを同一に保つことが、異なる移動局からの信号間の特性の違いを識別するタスクを単純化する。いくつかの例示的実装は、既知の内容をもつ信号の一部分を必要としない。受信された任意の部分が、その信号署名に基づいて伝送装置を識別するために使用される。

１つの例示的なＵＭＴＳ実装では、ＲＡＣＨプリアンブルに使用されるスクランブル符号および署名は、単一の組合せに限定される。マクロセル通達範囲２４を提供する基地局によって伝送される放送チャネルは、スクランブル符号および署名をその特定の組合せに限定する情報を含む。対応する地理的エリア内の移動局において、放送メッセージの受信が、応答として、ＲＡＣＨプリアンブルを選択された内容に構成することになる。一例では、システム情報ブロック５（ＳＩＢ５）は、ＲＡＣＨプリアンブルを確立するために移動局がその中から選択することができるＲＡＣＨスクランブル符号および署名の数を限定するために使用される。これは、信号のその部分の既知の内容をもたらす。この例では、ラック・プリアンブル（ｒａｃｋ ｐｒｅａｂｍｌｅ）が署名分析および送信機認識のために使用される。

５４で、受信信号が、特徴抽出の準備をするために処理される。一例では、この処理は、受信信号のデジタル化およびダウン・サンプリングを含む。フィルタリングの後、時間信号の振幅が正規化され、移動局と基地局２２の受信経路の間の任意の周波数オフセットが補正される。かかるステップが講じられた後、周知の技法を使用して、伝送装置を識別するための特徴抽出が開始する。

図２の例では、５６で、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）が、伝送装置の少なくとも１つの一意の特性を示す複数の周波数を取得するために、既知の内容（たとえば、ＲＡＣＨプリアンブル）をもつ信号の選択された部分に使用される。離散フーリエ変換は、有限数の離散周波数での周波数値をもつフーリエ・スペクトルを生成するために、この例では信号のＲＡＣＨプリアンブル部分に作用する。離散フーリエ変換技法は周知である。

一例は、最高周波数成分の２倍を超える信号のサンプリングを含む。かかる例は、受信された無線周波数信号をダウンコンバートすることおよび毎秒１２．５サンプルのサンプリング率でそれを取得することを伴う。これは、スペクトルが０から６．２５ＭＨｚに亘る離散フーリエ変換成分をもたらす。

信号の有限サンプリングは、不連続の短縮された波形をもたらす。短縮された波形は、元の連続時間信号とは異なるスペクトル特性をもつ。短縮された波形の遷移エッジを最小化することによってサンプリングされた信号のスペクトル特性を改善するために、スムージング・ウインドウ（ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｗｉｎｄｏｗ）が適用される。一例は、サンプル・データを各ＲＡＣＨプリアンブルからウインドウ表示の重複する時間フレームに分割するステップを含む。これは、高速フーリエ変換アルゴリズムを使用した変換のための有限シーケンスの抽出を可能にする。

ランダム波形のフーリエ変換はランダムな結果を与えるため、スペクトル平均化が一例では使用され、その例では、ランダム・ノイズおよび一時的事象の影響を取り除いて、周波数内容の基礎となる信号のより明確な像を作成する。一例では、受信信号の各ＲＡＣＨプリアンブル部分の時間領域サンプルが、サンプルの重複するウインドウ表示のセグメントに分割される。そのセグメントは周波数変換され、結果として得られた周波数の振幅は、不要なノイズの影響を取り除き、ランダムな変化を低減するために平均化される。各ＲＡＣＨプリアンブルについての平均パワー・スペクトルは、次に、署名コンパレータ・モジュール３６への入力として使用されることができる。

いったん取得されると、伝送装置の一意の信号署名または特性を示すデータは、５８で伝送装置が既知であるかどうかを判定するために使用される。換言すれば、信号のＲＡＣＨプリアンブル部分への離散フーリエ変換の使用から取得された周波数は、その装置が既知のまたは基地局装置２２との通信を許可された装置であるかどうかを判定することを目的として、伝送装置の無線周波数指紋または署名の判定に使用される。

一例における伝送装置が既知であるかどうかの判定は、その伝送装置が既知の１セットのクラスのうちの１つに属するかどうかを判定することを含む。かかる一例においてデータベース３８は、受信信号のどのような特性が伝送装置の１つまたは複数の特定のクラス内に適合するかを示す情報を含む。その受信信号特性がそのクラスのうちの１つまたは複数と十分に一致するとき、その装置が中に属するクラスに応じて、その装置が既知または受け入れ可能な装置であるかどうかの判定が行われる。

一例は、最近傍分類アルゴリズムを使用してどの装置から信号が取得されたかを判定することを含む。最近傍アルゴリズムは、クラス・ラベルに基づいて領域に分割された多次元の特徴空間にマップされた訓練サンプルを含む。受信信号を伝送する装置のクラスは、ユークリッド距離メトリックを使用して最も近い訓練サンプルのクラスになると予測される。いったんその訓練セット内のあらゆるサンプルについて特徴が抽出されると、平均および標準偏差が正規化のために計算される。訓練セット内の各特徴次元は、別々に基準化され、ゼロ平均および単位変形をもつようにシフトされる。同一の正規化パラメータが、次に、装置を識別しようと試みる過程で、伝送装置からの各受信信号からの情報のセットに適用される。

一例は、投票アルゴリズムを利用してさらに堅固な分類技法を提供することを含む。かかる一例では、移動局が認識されているかどうかの判断は、移動局によって送信されるＲＡＣＨプリアンブルの数に基づく。装置ブロッカ・モジュール４０は、各ＲＡＣＨプリアンブルについての分類器（すなわち、信号コンパレータ・モジュール３６）の出力を得る。最も多くの票をもつクラスが、その装置が属するクラスであると考えられる。かかる手法は、基地局装置２２によって受信された、ノイズの多いまたは破損したＲＡＣＨプリアンブル・データを補正することを可能にする。

データベース３８内の既知のクラスのメンバとして移動局を識別することができることは、基地局装置２２とネットワークの別の部分の間の追加信号伝達を回避することを可能にする。署名コンパレータ・モジュール３６は、高いレベルの信頼度をもって特定の移動局のＲＡＣＨプリアンブルを分類することができない場合、移動局に追加のＲＡＣＨプリアンブル信号を請求することができる。これは、一例では、基地局装置２２でＲＡＣＨプリアンブルに応答しないことにより生じる。かかる状況において、移動局は、通常は途中で伝送電力を増やし、ＲＡＣＨプリアンブルを含む信号を何回か再伝送することになる。これは、基地局装置２２への追加のＲＡＣＨプリアンブル情報を提供し、それにより受信された１つまたは複数のＲＡＣＨプリアンブルに関連するノイズの影響を低減または最小化することによって移動局の識別を容易にすることができる。

いったん署名コンパレータ・モジュール３６がうまく移動局を識別することができると、肯定応答メッセージ（ＡＩＣＨ）が移動局に送信される。移動局が既知のまたは許可された装置として識別されないとき、否定応答を装置ブロッカ・モジュール４０から対応する移動局に送信することができる。かかる否定応答は、その装置が拒否され、基地局装置２２のセルにキャンプすることを許されないことを示す。

ある種の状況では、十分高い信頼度をもつ伝送装置の肯定識別または分類が、前述のＲＦ署名またはフィンガープリンティング技法に基づいて可能にならない。かかる場合には、いくつかの例は、基地局装置２２との通信を許可しようと試みることを目的として、移動局のＴＭＳＩまたはＩＭＳＩを検討することを含む。一例は、移動局にＭＳＣまたはＳＧＳＮ識別要求をスプーフィングすることを含む。別の例は、基地局２２で移動局からＴＭＳＩを取得し、次に、コア・ネットワークに信号を送って移動局のＴＭＳＩとＩＭＳＩの間のマッピング情報を取得することを含む。

いったん移動局が肯定的に受け入れられると、基地局装置２２がコア・ネットワークに通知しながら、ローカル・エリア符号更新手続きが生じる。移動局は、コア・ネットワークに信号を送ることによって、ＴＭＳＩ−ＩＭＳＩマッピングを解明する。いったん許可された伝送装置のセットに属するものとして完全な信頼度をもって確認されると、移動局は基地局装置２２によって受け入れられ、コア・ネットワークは通知を受ける。コア・ネットワークに問い合わせた後に、その移動局が許可されたセットに属さないと判定された場合、その移動局は拒否されることになる。

前述の例は、ピコまたはフェムト基地局が残りのマクロセル・インフラストラクチャとの過剰な対話なしにエンド・ユーザ伝送装置を迅速に検出することを可能にする。各ピコまたはフェムト基地局は、伝送装置によって伝送される信号の一意の特性に基づいて、装置を受け入れるまたは拒否することができる。

開示された例の１つの特徴は、それらが、上位層プロトコルに影響を及ぼすことのないように、物理層信号上で動作するということである。マクロセルで使用される標準への修正の必要はない。さらに、開示される例は、移動局自体へのいかなる変更も必要としない。例示的な技法の効率的な展開は、アンダーレイ・ネットワークのマクロセル通達範囲エリア内のオーバーレイ・セルの拡散によってもたらされる信号伝達トラフィックの潜在的な増加の大幅な低減をもたらす。

前記の説明は、本質的に、限定的ではなくて例示的なものである。本発明の本質を必ずしも逸脱することなく、開示された例の変更形態および修正形態が、当業者には明らかとなろう。本発明に与えられる法的保護の範囲は、以下の特許請求の範囲を検討することによってのみ判定されることができる。

Claims (10)

1. 伝送装置を識別する方法であって、
   信号を受信するステップと、
   前記信号の少なくとも１つの部分の離散フーリエ変換を使用して伝送装置の少なくとも１つの一意の特性を示す複数の周波数を生成するステップと、
   前記複数の周波数に基づいて、前記伝送装置が既知の装置であるかどうかを判定するステップとを備える、方法。
2. 前記伝送装置が移動局であり、前記受信信号が無線通信信号である、請求項１に記載の方法。
3. 前記信号の前記少なくとも１つの部分がランダム・アクセス・チャネル・プリアンブルを備える、請求項２に記載の方法。
4. 前記少なくとも１つの部分が既知の内容をもつような、同一のランダム・アクセス・チャネル・プリアンブル・シーケンスを基地局の近傍にあるすべての移動局に送信するように命令するステップを含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記複数の周波数が前記伝送装置が少なくとも１つの所定のカテゴリ内にあることを示すかどうかを判定するステップと、
   前記伝送装置が前記少なくとも１つのカテゴリ内にある場合に、前記伝送装置が既知の装置であると判定するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
6. 既知の装置に対応する少なくとも１セットの周波数を格納するステップと、
   生成された複数の周波数を前記少なくとも１つの格納されたセットの周波数と比較するステップと、
   前記生成された複数の周波数と前記格納されたセットの周波数の間に少なくとも選択されたレベルの一致がある場合に、前記伝送装置が既知の装置であると判定するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記生成された複数の周波数をサンプルの複数の重なり合うウインドウ表示のセグメントに分割するステップと、
   各セグメントを周波数変換して、対応する複数の結果として得られる周波数を提供するステップと、
   前記受信信号のパワー・スペクトル表示として、前記結果として得られた周波数の振幅の平均を判定するステップと、
   前記伝送装置が既知の装置であるかどうかを判定するために、前記パワー・スペクトル表示を使用するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
8. 複数の所定のカテゴリのそれぞれに対応する、前記伝送装置から受信された前記少なくとも１つの部分をもつ信号の数を判定し、最多数の信号をもつ前記カテゴリに前記装置が属することを判定することによって、前記装置が既知の装置であるかどうかを判定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
9. 信号を受信する受信機と、
   前記信号の少なくとも１つの部分の離散フーリエ変換を使用して伝送装置の少なくとも１つの一意の特性を示す複数の周波数を提供するフィンガープリンティング・モジュールと、
   前記複数の周波数が既知の伝送装置を示すかどうかを判定する署名コンパレータ・モジュールとを備える、基地局装置。
10. 既知の装置を示すデータベースを備え、前記署名コンパレータ・モジュールが前記複数の周波数が前記データベース内の情報と一致するかどうかを判定する、請求項９に記載の装置。

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