JP3630202B2

JP3630202B2 - 無線通信装置の順方向通信路用暗号化器

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Publication number: JP3630202B2
Application number: JP17348196A
Authority: JP
Inventors: ビー．ミツィコフスキーセミヨン; アレキサンダーリーズジェームズ
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1995-07-03
Filing date: 1996-07-03
Publication date: 2005-03-16
Anticipated expiration: 2016-07-03
Also published as: EP0757459B1; DE69634717D1; EP0757459A2; JPH0926750A; EP0757459A3; US6330333B1; DE69634717T2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信の領域一般に関するものであり、より特定するに、本発明は、無線通信用暗号システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
毎日、何百万人ものユーザーが、無線システムを用いて、通信を行っている。このような通信は、音声及びデータ伝送を含むものである。これらのシステムのユーザーのすべてではないにしても、ほとんどは、通信の内容が公然に得られるものとなることを望んではいないのである。むしろ、一般には、ユーザーは通信の内容を、秘密に保っておくことを望んでいるといえる。残念なことに、暗号によって適切な保護措置がなされないことには、侵入者は、ある種の無線システムにおける通信を容易に盗聴可能なのである。例えば、ほとんどのアナログ無線システムは、傍受から通信を保護することを行っていない。盗聴者は、単に適切な周波数に受信器（ラジオ）を合わせる（チューニングする）ことで、伝送内容にアクセス可能である。
【０００３】
現在のデジタル無線通信システムのなかには、ユーザーのプライバシーを保護する保護措置をとっているものもある。例えば、電気通信産業協会（Ｔｅｌｅ−ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）では、スペクトル拡散無線通信システムのための標準を起案している。この標準案の現時点での版（ヴァージョン）は、ＰＮ−３４２１と記された（ＩＳ−９５ａとして公表される）ＭｏｂｉｌｅＳｔａｔｉｏｎ−−ＢａｓｅＳｔａｔｉｏｎＣｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙＳｔａｎｄａｒｄｆｏｒＤｕａｌ−−ＭｏｄｅＳｐｒｅａｄＳｐｅｃｔｒｕｍＣｅｌｌｕｌａｒＳｙｓｔｅｍとして、１９９４年１２月に発行された（以降、標準案と称する）。その教示する内容は、ここで、参照のために取り入れられる。標準案で記述されたスペクトル拡散システムは、通常の言葉では、符号分割多重化アクセス（ＣｏｄｅＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ）あるいは、ＣＤＭＡと称されている。標準案では、プライバシーを増すため、伝送に先だって、音声あるいはデータ信号を暗号化する計画を含んでいる。このように、音声あるいはデータの伝送の真の受け取り手のみが、伝送内容を得るべきなのである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
標準案により特定されている暗号システムにおいて、これまで認識されていなかった問題は、標準案に従って暗号化された伝送を、盗聴者が、容易にかつすばやく、暗号解析（暗号解読）を行い、それにより伝送内容にアクセスすることを許容しているということにある。標準案で記述された順方向トラヒック通信路（チャネル）は、伝送に先立ち、キー信号（鍵信号）をもって、入力音声あるいはデータ信号を暗号化することを必要としている。また、標準案は、入力信号が、排他的ＯＲ関数（すなわち、ｍｏｄ２、つまり、２で除した剰余、を加える。）により、長符号配列と結合され、暗号化された出力信号を生成することを特定している。
【０００５】
標準案は、公然に知られた配列と、長符号マスクとして知られる、専用の４２ビットのパターンから、長符号配列を生成することを要する。公然に利用可能な配列は、線形桁送りレジスター（線形シフトレジスター）として概念化されることの可能なものに配置されている。線形桁送りレジスターの出力は、長符号マスクのビットと結合される。結合の線形的な性質のため、長符号配列は、専用の長符号マスクのビットに線形に依存している。このことより、盗聴者が、長符号配列の４２ビットへアクセスすることで、無線通信を復号化することを可能にしているのである。盗聴者は、長符号マスクの未知の４２ビットに依存している４２の線形方程式を創り出すため、長符号配列からのビットを利用することが可能であろう。しかしながら、標準案では、長符号配列のビットの直接の伝送を要求していない。さらに、排他的ＯＲ関数は、長符号配列のビットと未知の入力信号とを結合させるもので、このようにすることで、長符号配列を転化させるのである。このことは、盗聴者が、うまく暗号化された伝送を暗号解析（暗号解読）する機会を、最小限にするはずである。標準案については、（但し）この点は当てはまらない。それは、入力信号が、誤り訂正のため、３８４ビットのフレームを形成するように処理されるという方法をとっていることによる。
【０００６】
盗聴者は、入力信号の各フレームにおける最後の１６ビット内の関係を認識することで、暗号化された伝送を暗号解析（暗号解読）することが可能である。特定するに、盗聴者は、２を法とする（モジュロ２の）数の合計が０を生成するように、各フレームにおける最後の１６ビットから選択された、入力信号のビットを結合することが可能である。対応する入力ビットの合計が０であるような、出力信号の（ｍｏｄ２による）ビットを加えることで、盗聴者は、長符号配列のビットの結合を表しているデータを得ることが可能である。実質的には、盗聴者は、出力信号への入力信号の影響をキャンセルすることが可能なのである。長符号配列の各ビットは、４２ビットの長符号マスクに線形に依存している。このようなことから、長符号マスクのビットに線形に依存している方程式を創り出すため、盗聴者は、出力信号の既知のビットを結合することが可能である。データについての連続するフレームが、通信が開始した後、１秒以下以内に、通信の復号化（暗号解読）を許容するような４２の方程式を生じさせるのである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施例は、実質的には、暗号化された伝送について暗号解析（暗号解読）する、盗聴者の能力を排除あるいは減少させるものである。特定するに、本発明の典型的な実施例は、所定の周波数で変化する回転長符号マスクを創り出す長符号マスク生成器を含んでいる。これにより、デシメートされた（大幅に減らされた）長符号配列から線形性を取り除き、長符号マスクを決定して、従って、暗号化された出力信号について暗号解析（暗号解読）することをより困難とするものである。
【発明の実施の形態】
【０００８】
電気通信産業協会（ＴｈｅＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，ＴＩＡ）は、無線通信システムのための標準を設定している。ＴＩＡは、スペクトル拡散無線通信システム用の基準を起案している。標準案で記述されたシステムは、符号分割多重化アクセス（ＣｏｄｅＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ，ＣＤＭＡ）と呼ばれている。標準案の一部では、無線通信におけるプライバシーの必要性を論じている。標準案の現時点での版（ヴァージョン）は、ＰＮ−３４２１と記された（ＩＳ−９５ａとして公表される）ＭｏｂｉｌｅＳｔａｔｉｏｎ−−ＢａｓｅＳｔａｔｉｏｎＣｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙＳｔａｎｄａｒｄｆｏｒＤｕａｌ−−ＭｏｄｅＳｐｒｅａｄＳｐｅｃｔｒｕｍＣｅｌｌｕｌａｒＳｙｓｔｅｍとして、１９９４年１２月に発行された。（以降、標準案と称する。）その教示する内容は、ここで、参照のために取り入れられる。以下で概説されたような標準案の詳細な分析を元にすると、標準案に従って組み立てられた通信システムは、暗号システムの設計において、以前は未知であった脆弱性のため、その暗号処理手順にもかかわらず、盗聴者による攻撃を受けやすい。本発明の実施例は、暗号化された通信へのセキュリティを増した、順方向通信路回路及びその方法を備えることで、標準案の暗号処理手順におけるこのような脆弱性に打ち勝つことを可能とするものである。
【０００９】
標準案で特定された順方向通信路回路を詳細に検討することは、本暗号化システムの脆弱性についての理解を提供するものといえる。図１は、標準案に従った、基地局における１０で一般的に示された、順方向通信路回路のブロック線図である。順方向通信路回路１０は、典型的には、通信路符号器（チャネル符号器１２、ブロックインタリーバ１４、線形暗号器１６を含んでいる。
【００１０】
通信路符号器１２は、デジタル入力信号Ｉを処理する。例えば、入力信号Ｉは、無線ネットワークにおける、符号化されたデジタル音声、データ、あるいは伝送のための、その他の適切な信号を含みうる。通信路符号器１２、及びブロックインタリーバ１４は、信号Ｉの連続するビットが、伝送の間に失われたり、飛ばされたりしているとき、順方向通信路回路１０の出力への影響を最小化する。通信路符号器１２は、典型的には、フレーム特性（フレームクオリティー）指示器１８、後部符号器２０、畳み込み符号器２２、記号反復回路２４の直列な結合を含んでいる。ブロックインタリーバ１４と共に、通信路符号器１２は、処理された信号Ｅを出力する。
【００１１】
線形暗号器１６は、キー信号Ｇを生成し、処理された信号Ｅを暗号化する。線形暗号器１６は、典型的には、デシメータ２８と長符号生成器２６の直列な結合を含んでいる。長符号生成器２６は、長符号マスクと呼ばれる、専用の入力信号Ｍからビット配列を生成する。長符号生成器２６による出力である、信号Ｆは、長符号配列と呼ばれている。デシメータ回路２８は、長符号配列のビットの６４のうち１つを信号Ｇとして出力する。デシメータ２８の出力は、排他的ＯＲ関数のような、モジュロ２の（２を法とする）加算器の入力に結合されている。通信路符号器１２は、また、モジュロ２の（２を法とする）加算器３０の入力に結びつけられている。モジュロ２の（２を法とする）加算器３０は、信号Ｅの暗号化されたものを多重化器３２へと出力する。出力制御ビット信号ＰＣＢは、また、多重化器３２に供給されている。多重化器３２は、信号Ｏを図１の順方向通信路回路１０の出力として出力する。デシメータ３３は、デシメータ２８と多重化器３２の制御入力の間に結びつけられている。
【００１２】
動作中は、順方向通信路回路１０は、入力信号Ｉを受け取り、処理して、伝送用の暗号化された出力信号Ｏを供給している。入力信号Ｉは、ビットのフレームとして受け取られる。各フレームにおけるビット数は、入力信号に含まれた情報を元に変化しうる。例えば、最大データレートの場合における各フレームは、１７２ビットであるが、一方では、最も低いデータレートの場合においては、各フレームは、わずか１６ビットしか含まない。記号反復回路２４は、各データレートの場合の信号Ｅにおける全体のビット数が同じとなるように、畳み込み符号器２２の出力を複製する。以下の分析における助けとするため、信号Ｅ、Ｇ、Ｏは、長さ３８４ビットのバイナリベクトルとみなされる。また、各ベクトルは、２つの下付き添字を有している。第一の添字ｆは、ベクトルを生成する際のデータのフレームを呼称するものであり、第二の添字ｊは、ベクトルの要素あるいはビットを呼称するものである。
【００１３】
通信路符号器１２は、入力信号Ｉを操作し、伝送の間に生じるバーストエラーの影響を低減させる。フレーム特性（フレームクオリティー）指示器１８は、入力信号Ｉの各フレーム末端位に所定数のビットを添加することで、最初に信号Ａを創り出す。後部符号器２０は、０に等しい８ビットの後端部のセットを添加することで、信号Ｂを創り出す。畳み込み符号器２２は、信号Ｂの２倍のビットをもつ信号Ｃを創り出す。典型的な畳み込み符号器は、図２における２２ａで一般的に示されている。畳み込み符号器２２ａは、後部符号器２０から信号Ｂを受け取る線形桁送りレジスター（シフトレジスター）３４を含んでいる。信号Ｂの現時点でのビット同様、ビット位置３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｅ、３４ｇ及び３４ｈは、排他的ＯＲ関数のような、モジュロ２の（２を法とする）加算器３６に結びつけられており、畳み込み符号器２２ａの第一の出力を提供する。さらに、信号Ｂの現時点でのビット同様、ビット位置３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｈは、排他的ＯＲ関数のような、モジュロ２の（２を法とする）加算器３８に結びつけられており、畳み込み符号器２２ａの第二の出力を提供する。インタリーバ３９は、畳み込み符号器２２ａの２つの出力をインタリーブして、出力信号Ｃを提供する。このようなことから、畳み込み符号器２２ａの出力ビットである、信号Ｃは、信号Ｂのビットの線形結合、例えば、モジュロ２での（２を法とする）合計である。記号反復回路２４及びブロックインタリーバ１４は、さらに信号Ｃを操作して、信号Ｅを生成する。信号Ｅのビットは、２４ビットの１６グループで配列されている。最大データレートの場合において、信号Ｅのビットは、以下の表１で示されている。
【表１】

【００１４】
表１における数は、畳み込み符号器２２からの信号Ｃでのビット位置を呼称しているということが認められる。さらに、表１における各カラム（縦行）は、２４ビットの１６グループのうちの一つを表している。通信路符号器１２の動作は、公開されており、従って、潜在的な盗聴者は、表１において含まれた情報にはアクセスが可能である。
【００１５】
線形暗号器１６は、信号Ｅと合計される（２を法として）信号Ｇを創り出す。長符号生成器２６は、専用の長符号マスクＭから、推定上、専用とされる長符号配列を創り出している。２６ａで一般的に示された、典型的な長符号生成器は、図３に示されている。長符号生成器２６ａは、４２ビットを有する、公然に知られた量を含む線形フィードバック桁送りレジスター（線形フィードバックシフトレジスター）４０を含んでいる。桁送りレジスターの各ビットは、対応するＡＮＤゲート４２において、専用長符号マスクＭの対応するビットと結合される。各ＡＮＤゲートの出力は、加算器４４と結び付けられている。加算器４４は、モジュロ２の（２を法とする）、あるいは排他的ＯＲの、加算器を含んでいる。加算器４４は、ＡＮＤゲート４２の出力を共に加算し、長符号配列Ｆのビットを生成する。ＦとＭの間の関係は、次の数１の式のように表現されることが可能である。
【数１】

ここで、ｘ_{ｉ，ｆ，ｊ}とは、ｆ番目のフレームの処理の間にｊ回ステップをえた後の、線形フィードバック桁送りレジスター４０のｉ番目のセルの内容であり、ｍ_ｉとは、長符号マスクのｉ番目のビットであり、Ｆ_ｆ，ｊとは、ｆ番目のフレームの開始からの、長符号配列のｊ番目のビットである。デシメータ２８は、信号Ｆの全部で６４ビットのうち１つを、信号Ｅを暗号化するため利用される信号Ｇとして出力する。従って、信号Ｇの各ビットは、また、次の数２の式のように表現されることが可能である。
【数２】

【００１６】
ブロックインタリーバ１４からの信号Ｅは、モジュロ２の（２を法とする）加算器３０において、線形暗号器１６の信号Ｇと、モジュロ２として（２を法として）合計される。信号Ｅは、モジュロ２とする（２を法とする）算術で、信号Ｇに加算されるのである。モジュロ２の（２を法とする）加算器３０による、各ビット出力について、多重化器３２は、モジュロ２の（２を法とする）加算器３０の出力、あるいはＰＣＢ信号を、順方向通信路回路１０の出力信号Ｏとして伝送する。ＰＣＢ信号は、信号Ｅでの２４ビットの各グループにおける最初の１７ビットの対を上書きする出力制御信号である。従って、信号Ｏでの２４ビットの各グループについての最後の７ビットのみが、ＰＣＢ信号の影響からフリーである。（影響を受けない。）
【００１７】
伝送を暗号化するため用いられる長符号配列Ｆは、長符号マスクＭ（式１での）に線形に依存している。さらに、信号Ｄのビットが、既知の線形代数方程式により、信号Ｉのビットと関連付けられているように、通信路符号器１２は、入力信号Ｉのビットを操作している。従って、潜在的な盗聴者が、入力信号Ｉの影響を取り除くように、出力信号Ｏを操作することが可能であるとすれば、その盗聴者は、長符号マスクＭの未知のビットに線形に依存するデータを有することになるであろう。このようなデータをもって、盗聴者は、長符号マスクＭを決定するため、線形方程式を解く標準的な技術を利用することが可能となる。
【００１８】
通信路符号器１２による信号Ｅの出力ビットは、長符号マスクＭのビットのみに依存する線形方程式を創り出すように結合されることが可能である。このような関係をみるため、順方向通信路回路１０の数学的記述を考えてみよう。まずは、（簿記を付けるように）詳細な表記を行う。ＰＣＢ信号の影響のため、盗聴者が頼りにできる唯一のビットは、出力信号Ｏでの２４ビットの各グループの内、最後の７ビットである。従って、ｆ番目のフレームで、ビットの各グループの最後の７ビットに属するすべてのビット位置ｊについて、順方向通信路回路１０の出力は、以下の等式、数３で記述可能である。
【数３】

各フレームにおいて、数３の等式は、順方向通信路回路１０への信号Ｉ入力の１１２ビットの値を支配している。上の数２の等式は、Ｇが、長符号マスクの未知のビットｍ_ｉに依存していることを示している。ベクトルＥは、盗聴者にとっては知られていない。従って、ｍ_ｉにのみ依存する方程式を創り出すため、ベクトルＥの影響が取り除かれなくてはならない。２４ビットの各グループにおける最初の１７ビットのなかで、ｊのすべての値について、α_ｊが０となり、数４の等式が成り立つように、ベクトルαが見いだされることが可能であるとすれば、出力ベクトルＯへのＥの影響は取り除かれることが可能である。
【数４】

数４の等式は、ベクトルαとＥの、モジュロ２での（２を法としての）ドット積（内積）を指していることが示されている。ベクトルαでは、Ｅとのドット積（内積）が、０に等しい、Ｅのビット合計を創り出すように、ビットが選択される。数３の等式における各ベクトルとαのドット積（内積）をとると、以下の等式、数５が生成する。
【数５】

数４の等式を、数５の等式に代入すると、以下の数６の式となる。
【数６】

数２の等式において、上で議論されたように、信号Ｇは、信号Ｆのデシメートされたものであり、従って、各ビットは、長符号マスクｍ_ｉのビットに線形に依存している。このようなことから、数６の等式は、以下の数７の等式のように拡張されることが可能である。
【数７】

数２の等式を数７の等式に代入すると、以下の数８の等式が現れる。
【数８】

これは、線形方程式であり、ここで、長符号マスクのビットｍ_ｉは、唯一の未知のものである。従って、４２の方程式を生成するため、十分なデータが集められているとすれば、盗聴者は、長符号マスクのビットを決定するために既知の技術を利用することが可能である。盗聴者は、最初に数３の等式を満たすベクトルαを識別しなくてはならない。通信路符号器１２は、このことを可能にするものである。
【００１９】
数３の等式を満たすベクトルαを見つけるため、畳み込み符号器２２を通じて、信号Ｂでのデータの最後の１６ビットをトレースする。ここで、最後の８ビットについては、後部符号器２０により設定されたものとして、０となっているものとしよう。さらに、先の方の８ビットは、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈであり、ここで、ａとは、８つの０というビットが（後に）続いているビットであるものとしよう。すると、信号Ｃの最後の１６ビットは、以下のようになる。
【数９】

【００２０】
モジュロ２の（２を法とする）数の合計が０を生じる、信号Ｃのビットの結合は、数３の等式を満たしている。例えば、ビットｃ_３８３及びｃ_３８４の合計は、それらのビットが等しいことから、０である。記号反復及びインタリーブの後には、信号Ｃのビット３８３及び３８４は、それぞれ、信号Ｅのビット１９２と３８４とになることが認められる。従って、結果としてこれらの２つのビットの合計となるベクトルαは、以下の（２６）の等式のように、長符号マスクＭのビットｍ_ｉにおける線形方程式を生じるであろう。
【数１０】

（２６）の等式は、次のように書き換え可能である。
【数１１】

【００２１】
（２７）の等式において、唯一の未知のものは、長符号マスクのビットｍ_ｉである。結果としてベクトルαとなる、その他の結合は、以下のようなものである。
【数１２】

従って、最大（データ）レートの場合において、盗聴者は、一つのデータフレームから、出力信号Ｏへの入力信号Ｉの影響をキャンセルする、少なくとも８つのビットの結合を創り出すことが可能である。丁度６つのデータフレームをもって、盗聴者は、長符号マスクＭの４２ビットの値を決定するために必要な４２の以上の方程式を創り出すことが可能である。このようなデータは、１秒以下以内に集められることが可能である。より低い（データ）レートの場合においては、盗聴者の手間はいくらか単純化される。以下の表２は、信号Ｅのビットを、畳み込み符号器による信号Ｃの出力における（番号と同じ）ように、各ビットに対するビット位置の番号と共に示している。
【表２】

各ビットは、８回繰り返されていることが認められる。従って、低い（データ）レートの場合は、盗聴者は、単一のデータフレームをもって、長符号マスクＭのビットを決定することが可能である。このように、低い（データ）レートの場合においては、長符号マスクＭのビットを決定する方程式を創り出すことは、より容易である。
【００２２】
図４は、１１０において一般的に示され、スペクトル拡散技術を実施しており、本発明の教示するところに従って構成された、無線システムのブロック線図である。無線システム１１０は、移動交換局（ＭｏｂｉｌｅＳｗｉｔｃｈｉｎｇＣｅｎｔｅｒ，ＭＳＣ）１１４に結びつけられ、それと通信している、複数の基地局１１２を含んでいる。ＭＳＣ１１４は、一つ以上のローカル局（市内局）１１８と一つ以上の市外局１２０を含む公衆交換電話回線網（ｐｕｂｌｉｃｓｗｉｔｃｈｅｄｔｅｌｅｐｈｏｎｅｎｅｔｗｏｒｋ，ＰＳＴＮ）に結びつけられ、それと通信している。ＰＳＴＮ１１６は、さらに、ローカル局（市内局）１１８及び市外局１２０に結びつけられ、それと通信している固定端末１２２を含んでいる。固定端末は、例えば、銅線、光ファイバーケーブル、及びそれに類するものを含む、任意の適切な通信ケーブルにより、ＰＳＴＮに結びつけられうる。また、無線システム１１０は、一つ以上の無線端末１２４を含んでいる。各無線端末１２４及び各基地局１１２の順方向通信路は、従来のシステム及び方法と比較して、伝送におけるプライバシーの増加を提供するため、以下で記述されたような暗号化器を含んでいる。
【００２３】
動作中は、無線システム１１０は、基地局１１２と無線端末１２４との間で暗号化された信号を伝送する。例えば、無線端末１２４への通信は、固定端末１２２において開始されうる。ローカル局（市内局）１１８とＭＳＣ１１４は、固定端末１２２を適切な基地局１１２へと接続する。基地局１１２は、固定端末１２２からの信号を暗号化し、その暗号化された信号を伝送する。適切な無線端末１２４は、暗号化された信号を受け取る。無線端末１２４は、信号を復号化して、通信を完了する。
【００２４】
図５は、１１２において一般的に示され、本発明の教示するところに従って構成された、基地局の一つの実施例のブロック線図である。基地局１１２は、無線端末１２４へと信号を伝送する順方向通信路１２６を含んでいる。また、基地局１１２は、無線端末１２４からの信号を受け取る逆監視通信路（リバースチャネル）１２８を含んでいる。順方向通信路１２６は、専用長符号マスクの非線形関数であるキー信号を創り出す暗号化器１３０を含んでいる。従って、順方向通信路１２６は、伝送におけるプライバシーの増加を提供している。
【００２５】
順方向通信路１２６は、ＭＳＣ１１４に結びつけられている通信路符号器１３２を含んでいる。順方向通信路１２６は、さらに、ビットインタリーバ１３４、暗号化器１３０、ウオルシュ関数変調器１３６、直角位相（直交位相）拡散器１３８、直角位相（直交位相）搬送波変調器１４０、ＲＦ送信器１４２の直列の結合を含んでいる。ＲＦ送信器１４２はアンテナ１４４に結びつけられている。逆監視通信路（リバースチャネル）１２８は、ＲＦ受信器１４６、直角位相（直交位相）搬送波復調器１４８、直角位相（直交位相）逆拡散器１５０、逆拡散器１５２、ウオルシュ記号復調器１５４、ビットデインタリーバ１５６、通信路復号器（チャネル復号器１５８の直列の結合を含んでいる。
【００２６】
動作中は、順方向通信路１２６は、アンテナ１４４での伝送のために、ＭＳＣ１１４からの信号を処理し、暗号化する。ＭＳＣ１１４は、デジタル信号を通信路符号器１３２に供給する。通信路符号器１３２は、伝送後の誤り訂正のために信号を符号化している。ビットインタリーバ１３４は、エラーバーストの影響を最小限化するように、信号のビット配列を再配置する。暗号化器１３０は、ビットインタリーバ１３４からの信号を暗号化するため、非線形のキー信号を利用している。ウオルシュ関数変調器１３６は、選択されたウオルシュ関数を信号に掛けることで、信号を変調する。直角位相拡散器１３８は、固定端末１２２と無線端末１２４間の伝送に固有の、選択されたＰＮ（ｐｓｅｕｄｏ−ｎｏｉｓｅ）符号をもって信号を拡散する。直角位相搬送波変調器１４０は、アンテナ１４４での、ＲＦ送信器１４２による伝送のため信号を変調する。
【００２７】
逆監視通信路（リバースチャネル）１２８は、アンテナ１４４及び受信器１４６において、無線端末１２４から信号を受信する。直角位相搬送波変調器１４８は、処理のため、搬送波から信号を復調する。直角位相逆拡散器１５０は、適切なＰＮ信号を用いて、無線端末１２４からの信号を逆拡散する。逆拡散器１５２は、専用キー信号を用いて、さらに無線端末１２４からの信号を逆拡散する。ウオルシュ記号復調器１５４は、適切なウオルシュ関数をもって、信号を復調する。ビットデインタリーバ１５６は、信号におけるビットを再配置し、無線端末１２４により実行されたインタリーブ（交互配置）操作を元に戻す。通信路復号器１５８は、誤り訂正技術を用いて、無線端末１２４からの信号における誤りを訂正する。
【００２８】
図６は、１２４において一般的に示され、本発明の教示するところに従って構成された、無線端末のブロック線図である。無線端末１２４は、基地局１１２へ信号を伝送する逆監視通信路（リバースチャネル）１６０を含んでいる。また、無線端末１２４は、基地局１１２から信号を受信する順方向通信路１６２を含んでいる。順方向通信路１６２は、専用長符号マスクの非線形関数であるキー信号を創り出す復号化器１６４を含んでいる。従って、順方向通信路１６２は、伝送におけるプライバシーの増加を提供している。
【００２９】
無線端末１６８は、入出力（Ｉ／Ｏ）装置１６６を含んでいる。入出力（Ｉ／Ｏ）装置１６６は、スピーカー及びマイクロフォンを含みうる。選択的には、入出力（Ｉ／Ｏ）装置１６６は、適切なデータポートを含みうる。逆監視通信路（リバースチャネル）１６０は、入出力（Ｉ／Ｏ）装置１６６に結びつけられた音声符号器１６８を含んでいる。音声符号器１６８は、通信路符号器１７０、ビットインタリーバ１７２、ウオルシュ関数変調器１７４、拡散器１７６、直角位相拡散器１７８、直角位相搬送波変調器１８０、ＲＦ送信器１８２の直列の結合に結びつけられている。ＲＦ送信器１８２は、アンテナ１８４に結びつけられている。逆監視通信路（リバースチャネル）１６２は、ＲＦ受信器１８６、直角位相搬送波復調器１８８、直角位相逆拡散器１９０、ウオルシュ関数変調器１９２、復号化器１６４、ビットデインタリーバ１９４、通信路復号器１９６、音声復号器１９８の直列の結合に結びつけられている。音声復号器１９８は、入出力（Ｉ／Ｏ）装置１６６に結びつけられている。
【００３０】
動作中は、逆監視通信路（リバースチャネル）１６０は、アンテナ１８４での伝送のため、ユーザーからの信号を処理する。音声符号器１６８は、入出力（Ｉ／Ｏ）装置１６６からのデジタル信号を符号化する。通信路符号器１７０は、伝送の後の誤り訂正のため信号を符号化する。ビットインタリーバ１７２は、誤りバーストの影響を最小限化するように、信号におけるビット配列を再配置する。ウオルシュ関数変調器１７４は、選択されたウオルシュ関数を信号に掛けることで、信号を変調する。拡散器１７６は、キー信号を用いて、ウオルシュ関数変調器１７４からの信号を拡散する。直角位相拡散器１７８は、固定端末１２２と無線端末１２４の間の伝送に固有の、選択されたＰＮ（ｐｓｅｕｄｏ−ｎｏｉｓｅ）符号をもって信号を拡散する。直角搬送波変調器１８０は、アンテナ１８４での、ＲＦ送信器１８２による伝送のため信号を変調する。
【００３１】
順方向通信路１６２は、アンテナ１８４及び受信器１８６において、基地局１１２から信号を受信する。直角位相搬送波変調器１８８は、処理のため、搬送波から信号を復調する。直角位相逆拡散器１９０は、適切なＰＮ信号を用いて、基地局１１２からの信号を逆拡散する。ウオルシュ関数復調器１９２は、適切なウオルシュ関数をもって、信号を復調する。復号化器１６４は、専用キー信号を用いて、基地局１１２からの信号についてスクランブルを解く。ビットデインタリーバ１９４は、信号におけるビットを再配置し、基地局１１２により実行されたインタリーブ（交互配置）操作を元に戻す。通信路復号器１９６は、誤り訂正技術を用いて、基地局１１２からの信号における誤りを訂正する。音声復号器１９８は、入出力（Ｉ／Ｏ）装置１６６への信号を復号し、伝送を完了させる。
【００３２】
図７は、１３０において一般的に示された、図５の順方向通信路１２６で用いられる、暗号化器の実施例である。暗号化器１３０は、長符号マスク生成器２００、長符号生成器２０２、デシメータ２０４の直列の結合をもって、キー信号を生成する。デシメータ２０４の出力は、モジュロ２の（２を法とする）加算器２０６の第一の入力に結びつけられている。加算器２０６の第二の入力はビットインタリーバ１３４に結びつけられている。
【００３３】
動作中は、長符号マスク生成器２００は、長符号マスクと呼ばれるビット配列を生成する。長符号マスク生成器２００は、データフレーム毎に一つといったように、選択された周波数を有する長符号マスクを生成する。長符号生成器２０２は、長符号マスクを用いて長符号配列と呼ばれるビット配列を生成する。長符号生成器２０２は、図３の長符号生成器２２ａを含みうる。長符号生成器２０２の出力ビットは、長符号マスクの回転する性質のため、長符号マスクのビットと線形の依存性を有していない。長符号マスク生成器２００の典型的な実施例は、図９及び図１０に関連して、以下で記述されている。デシメータ２０４は、長符号生成器２０２から、既知の周波数を有するビット出力を選択する。例えば、デシメータ２０４は、長符号生成器２０２による６４のビット出力のうち１つを出力しうるのである。加算器２０６は、デシメータ２０４からの信号とビットインタリーバ１３４からの信号を（２を法として）加える。
【００３４】
図８は、１６４において一般的に示された、図６の順方向通信路１６２で用いられる、復号化器の実施例である。復号化器１６４は、長符号マスク生成器２０８、長符号生成器２１０、デシメータ２１２の直列の結合をもって、キー信号を生成する。デシメータ２１２の出力は、モジュロ２の（２を法とする）加算器２１４の第一の入力に結びつけられている。加算器２１４の第二の入力は、ウオルシュ記号変調器１９２に結びつけられている。
【００３５】
動作中は、復号化器１６４は、キー信号を生成し、基地局１１２から受信した信号の暗号を復号化する。そのように、復号化器１６４は、暗号化器１３０で生成されたキー信号と同一なキー信号を独立に生成している。そこで、長符号マスク生成器２０８は、長符号マスクと呼ばれるビット配列を生成する。長符号マスク生成器２０８は、データフレーム毎に一つといったように、選択された周波数を有する長符号マスクを生成する。長符号生成器２１０は、長符号マスクを用いて長符号配列と呼ばれるビット配列を生成する。長符号生成器２１０は、図３の長符号生成器２２ａを含みうる。長符号生成器２１０の出力ビットは、長符号マスクの回転する性質のため、長符号マスクのビットと線形の依存性を有していない。長符号マスク生成器２０８の典型的な実施例は、図９及び図１０に関連して、以下で記述されている。デシメータ２１２は、長符号生成器２１０から、既知の周波数を有するビット出力を選択する。例えば、デシメータ２１２は、長符号生成器２１０による６４のビット出力のうち１つを出力しうるのである。加算器２１４は、デシメータ２１２からの信号とウオルシュ関数復調器１９２からの信号を加える。
【００３６】
図９は、２００ａにおいて一般的に示され、本発明の教示するところに従って構成された、長符号マスク生成器の実施例である。図９及び図１０で示された回路は、暗号化器１３０に関連してのみ記述されていることが認められる。しかしながら、図９及び図１０の教示するものは、復号化器１６４にも等しく適用可能である。長符号マスク生成器２００ａは、プライバシーマスク生成器２１６を含んでいる。プライバシーマスク生成器２１６は、参照用テーブル（ルックアップ表）２１８及びポインタ生成器２２０に結びつけられている。参照用テーブル（ルックアップ表）２１８は、イネイブルな入力（接続可能な入力）を含むものである。ポインタ生成器２２０は、リセット入力を含んでいる。ポインタ生成器２２０は、ポインタあるいはアドレスを供給するため、参照用テーブル（ルックアップ表）２１８へ結びつけられている。参照用テーブル（ルックアップ表）２１８は、長符号マスク生成器２００ａの長符号マスク出力を供給するものである。
【００３７】
動作中は、長符号生成器２０２による長符号配列出力のビットが、長符号マスクについての同様のビットの線形結合とならないように、長符号マスク生成器２００ａは、回転する長符号マスクを生成するのである。このように、長符号マスク生成器２００ａは、標準案において特定された暗号システムに比較すると、伝送を暗号解析（暗号解読）する際の困難を増加しているものである。
【００３８】
呼の設定に際し、プライバシーマスク生成器２１６は、例えば、認証後プロセスの必須の部分として、５２０ビットの専用マスクを生成する。専用マスクにおけるビット数は、特定の無線通信システムの要件に適合するように、変化されることが可能であることは認められるところである。５２０ビットの専用マスクでは、プライバシーマスク生成器２１６は、当該専用マスクの５１２ビットの最下位ビット（下から５１２ビット）を、参照用テーブル（ルックアップ表）２１８へと供給する。例えば、５１２ビットは、それぞれ３２ビットを有する１６の語に組織化されることが可能である。選択的には、標準案において現在特定されている、４２ビットといったような、一語当たりの任意の適切なビット数を有する、任意の適切な語数を含みうるのである。プライバシーマスク生成器２１６は、残りの８ビットをポインタ生成器２２０へと供給する。ポインタ生成器２２０は、参照用テーブル（ルックアップ表）２１８における語の一つのアドレスに対応するポインタを生成する。ポインタ生成器２２０により選択された語は、例えば、図７の長符号生成器２０２に供給される。ポインタ生成器２２０は、既知の周波数を有する、新しいポインタを生成する。例えば、ポインタ生成器２２０は、ビットインタリーバ１３４からの各データフレームについて、新しいポインタを生成する。このようにして、長符号生成器２００ａは、ビットインタリーバ１３４からのデータを暗号化する際に用いられるための、回転する長符号マスクを生成するのである。
【００３９】
ハンドオフがなされる間は、長符号マスク生成器２００ａは、無線端末１２４への長符号マスクが、新たな基地局１１２の長符号マスク１１２と同期化されることを確実にするためのステップをとる。例えば、ハンドオフに先だって、信号メッセージの一部として伝達されたリセット信号が、ポインタ生成器２２０を、基地局１１２及び無線端末１２４の両方における、初期の、既知である設定にリセットする。さらに、ハンドオフ処理の時間の間、リセット信号にリンクしているイネイブルな信号（接続可能な信号）は、参照用テーブル（ルックアップ表）２１８による長符号マスク出力を、当該長符号マスクの既知の設定、すなわち、初期設定にリセットする。さらに加えて、イネイブルな信号（接続可能な信号）は、長符号マスク生成器２００ａが、当該長符号マスクの値を回転させることを停止させる。ハンドオフが、一旦完了すると、イネイブルな信号（接続可能な信号）は、参照用テーブル（ルックアップ表）２１８をスタートさせて、回転する長符号マスクの出力を開始する。
【００４０】
図１０は、２００ｂにおいて一般的に示され、本発明の教示するところに従って構成された、長符号マスク生成器の別の実施例である。長符号マスク生成器２００ｂは、プライバシーマスク生成器２２２を含んでいる。プライバシーマスク生成器２２２は、参照用テーブル（ルックアップ表）２２４及びポインタ生成器２２６に結びつけられている。参照用テーブル（ルックアップ表）２２４は、イネイブルな入力（接続可能な入力）を含んでいる。さらに、ポインタ生成器２２６は、リセット入力を含んでいる。ポインタ生成器２２６は、アドレスあるいはポインタを供給するため、参照用テーブル（ルックアップ表）２２４へ結びつけられており、参照用テーブル（ルックアップ表）２２４による長符号マスク出力を制御する。参照用テーブル（ルックアップ表）２２４の出力は、モジュロ２の（２を法とする）加算器２２８への第一の入力へ結びつけられている。レジスタ２３０は、スイッチ２３２と、加算器２２８への第二の入力の間に結びつけられている。スイッチ２３２への第一の入力は、加算器２２８の出力へと結びつけられており、フィードバックループを備えている。さらに、スイッチ２３２への第二の入力は、論理的に低い方の値（論理的に低レベルの値）に結びつけられている。
【００４１】
動作中は、長符号生成器２０２による長符号配列出力のビットが、長符号マスクについての同様のビットの線形結合とならないように、長符号マスク生成器２００ｂは、回転する長符号マスクを生成するのである。このように、長符号マスク生成器２００ｂは、標準案において特定された暗号システムに比較すると、伝送について暗号解析（暗号解読）する際の困難を増加しているものである。
【００４２】
呼の設定に際し、プライバシーマスク生成器２２２は、例えば、認証後プロセスの必須の部分として、５２０ビットの専用マスクを生成する。専用マスクにおけるビット数は、特定の無線通信システムの要件に適合するように、変化されることが可能であることは認められるところである。５２０ビットの専用マスクでは、プライバシーマスク生成器２２２は、当該専用マスクの５１２ビットの最下位ビット（下から５１２ビット）を、参照用テーブル（ルックアップ表）２１８へと供給する。例えば、５１２ビットは、それぞれ３２ビットを有する１６の語に組織化されることが可能である。選択的には、標準案において現在特定されている、４２ビットといったような、一語当たりの任意の適切なビット数を有する、任意の適切な語数を含みうるのである。プライバシーマスク生成器２２２は、残りの８ビットをポインタ生成器２２６へと供給する。ポインタ生成器２２６は、参照用テーブル（ルックアップ表）２２４における語の一つのアドレスに対応するポインタを生成する。ポインタ生成器２２０により選択された語は、加算器２２８に供給され、レジスタ２３０の内容と（２を法として）加算される。
【００４３】
最初は、レジスタ２３０は、スイッチ２３２により、すべて論理的に低い値を含むように設定されている。従って、初期の長符号マスクは、ポインタ生成器２２６により参照用テーブル（ルックアップ表）２２４から選択された語である。スイッチ２３２は、現時点での長符号マスクをレジスタ２３０へと供給するように、スイッチを行う。ポインタ生成器２２６は、既知の周波数を有する新たなポインタを生成する。例えば、ポインタ生成器２２６は、ビットインタリーバ１３４からの各データフレーム毎について、新たなポインタを生成しうる。このことが、いわゆる、回転する長符号マスクと称されうるのである。加算器２２８は、長符号マスクを生成するように、レジスタ２３０の内容に参照用テーブル（ルックアップ表）２２４の出力を（２を法として）加算する。このように、長符号マスクは、参照用テーブル（ルックアップ表）２２４の現時点での出力、及び加算器２２８による、前の長符号マスク出力に依存している。
【００４４】
ハンドオフがなされる間は、長符号マスク生成器２００ｂは、無線端末１２４への長符号マスクが、新たな基地局１１２の長符号マスク１１２と同期化されることを確実にするためのステップをとる。例えば、ハンドオフに先だって、信号メッセージの一部として伝達されたリセット信号が、ポインタ生成器２２６を、基地局１１２及び無線端末１２４の両方における、初期の、既知である設定にリセットする。さらに、ハンドオフ処理の時間の間、リセット信号にリンクしているイネイブルな信号（接続可能な信号）は、参照用テーブル（ルックアップ表）２２４による長符号マスク出力を、当該長符号マスクの既知の設定、すなわち、初期設定にリセットする。さらに加えて、イネイブルな信号（接続可能な信号）は、長符号マスク生成器２００ｂが、当該長符号マスクの値を回転させることを停止させる。ハンドオフが、一旦完了すると、イネイブルな信号（接続可能な信号）は、参照用テーブル（ルックアップ表）２２４をスタートさせて、回転する長符号マスクの出力を開始する。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の実施例により、盗聴者の、暗号化された伝送について暗号解析（暗号解読）するという能力を、実質的に排除あるいは減少させることが可能となった。例えば、変化する回転長符号マスクを創り出す長符号マスク生成器を含むことで、長符号配列から線形性を取り除き、長符号マスクを決定することにより、暗号化された出力信号を暗号解析（暗号解読）することを、より困難としたといえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、電気通信産業協会（ｔｈｅＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）により、ＰＮ−３４２１として１９９４年１２月に公表された標準案に従った、スペクトル拡散無線通信システムの順方向通信路回路のブロック線図である。
【図２】図２は、図１の順方向通信路回路において用いられる、畳み込み符号器のブロック線図である。
【図３】図３は、図１の順方向通信路回路において用いられる、長符号生成器の実施例のブロック線図である。
【図４】図４は、本発明の教示するところに従って構成された、非線形スクランブラーを組み込んでいるスペクトル拡散無線インフラストラクチャーのブロック線図である。
【図５】図５は、図４のスペクトル拡散無線システムにおける、基地局のブロック線図である。
【図６】図６は、図４のスペクトル拡散無線システムにおける、無線端末のブロック線図である。
【図７】図７は、図５の基地局において用いられる、暗号化器の実施例である。
【図８】図８は、図６の無線端末において用いられる、復号化器の実施例である。
【図９】図９は、図７の暗号化器及び図８の復号化器において用いられる、長符号マスク生成器の実施例である。
【図１０】図１０は、図７の暗号化器及び図８の復号化器において用いられる、長符号マスク生成器の別の実施例である。
【符号の説明】
１０順方向通信路（順方向チャネル）
１２通信路符号器（チャネル符号器
１４ブロックインタリーバ
１６線形暗号化器
１８フレーム特性（フレームクオリティー）指示器
２０後部符号器
２２、２２ａ畳み込み符号器
２４記号反復回路
２６、２６ａ長符号生成器
２８デシメータ
３０モジュロ２の（２を法とする）加算器
３２多重化器
３３デシメータ
３４線形桁送りレジスター（線形シフトレジスター）
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３５ｅ、３４ｆ、３４ｇ、３４ｈビット位置
３６、３８モジュロ２の（２を法とする）加算器
３９インタリーバ
４０線形フィードバック桁送りレジスター（線形フィードバックシフトレジスター）
４２ＡＮＤゲート
４４加算器
１１０無線システム
１１２基地局
１１４移動交換局（ＭｏｂｉｌｅＳｗｉｔｃｈｉｎｇＣｅｎｔｅｒ，ＭＳＣ）
１１６公衆交換電話回線網（ＰｕｂｌｉｃＳｗｉｔｃｈｅｄＴｅｌｅｐｈｏｎｅＮｅｔｗｏｒｋ，ＰＳＴＮ）
１１８市内局
１２０市外局
１２２固定端末
１２４無線端末
１２６、１６２順方向通信路（順方向チャネル）
１２８、１６０逆監視通信路（リバースチャネル）
１３０暗号化器
１３２、１７０通信路符号器（チャネル符号器
１３４、１７２ビットインタリーバ
１３６、１７４ウオルシュ関数変調器
１３８、１７８直角位相拡散器
１４０、１８０直角位相搬送波変調器
１４２、１８２ＲＦ送信器
１４４、１８４アンテナ
１４６、１８６ＲＦ受信器
１４８、１８８直角位相搬送波復調器
１５０、１９０直角位相逆拡散器
１５２逆拡散器
１５４ウオルシュ記号復調器
１５６ビットデインタリーバ
１５８、１９６通信路復号器（チャネル復号器
１６４復号化器
１６６入出力（Ｉ／Ｏ）装置
１６８音声符号器
１７６拡散器
１９２ウオルシュ関数変調器
１９４ビットデインタリーバ
１９８音声復号器
２００、２０８長符号マスク生成器
２０２、２１０長符号生成器
２０４、２１２デシメータ
２０６、２１４モジュロ２の（２を法とする）加算器
２１６、２２２プライバシーマスク生成器
２１８、２２４参照用テーブル（ルックアップ表）
２２０、２２６ポインタ生成器
２２８モジュロ２の（２を法とする）加算器
２３０レジスター
２３２スイッチ
Ｉ（デジタル）入力信号
Ｍ専用入力信号
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｏ、信号
Ｆ長符号配列（信号）
Ｇキー信号（鍵信号）

Claims

（Ａ）選択された周波数で変化する長符号マスクを生成する、長符号マスク生成器と、
（Ｂ）前記長符号マスク生成器に応答し、前記長符号マスクから長符号配列を創り出す長符号生成器であって、前記長符号配列は、前記長符号マスク生成器内に記憶された語に基づく、長符号生成器と、
（Ｃ）前記長符号配列から少なくとも１個のビットを選択し、デシメートされた長符号配列を生成するデシメータと、
（Ｄ）前記デシメートされた長符号配列により、情報担持信号を符号化する、組み合わせ論理回路と
を含む無線通信装置の順方向通信路用暗号化器。
前記長符号マスク生成器が、
（Ａ１）プライバシーマスクを生成し、保存する、プライバシーマスク生成器（２１６）と、
（Ａ２）アドレスを生成するポインタ生成器（２２０）と、
（Ａ３）前記アドレスおよび前記プライバシーマスクに応答し、前記アドレスおよび前記プライバシーマスクに基づいた長符号マスクを出力する、ルックアップ表（２１８）と
を含むことを特徴とする、請求項１の暗号化器。
前記長符号マスク生成器が、
（Ａ１）プライバシーマスクを生成し、保存する、プライバシーマスク生成器（２２２）と、
（Ａ２）アドレスを生成するポインタ生成器（２２６）と、
（Ａ３）前記アドレスおよび前記プライバシーマスクに応答し、前記アドレスおよび前記プライバシーマスクに基づいた長符号マスクを出力する、ルックアップ表（２２４）と、
（Ａ４）前記ルックアップ表に応答し、前記ルックアップ表の現出力値と、前記現出力値の出力時点より前の時点の前記長符号マスク生成器の出力値とを結合し、新たな長符号マスク出力値を提供するフィードバックループと
を含むことを特徴とする、請求項１の暗号化器。