JP4597520B2 - ハイブリッド通信ネットワークにおける認証 - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、2001年12月7日に出願された米国仮特許出願第60/340,172号（“Method and Apparatus for Effecting Handoff Between Different Cellular Communications Systems”）から優先権を主張しており、2002年2月14日に出願された米国特許出願（attorney docket number 020045）（“Method And Apparatus For Effecting Handoff Between Different Cellular Communications Systems”）および2002年1月17日に出願された第60/350,401号（“GSM Authentication, Encryption and Other Feature Support in a CDMA 1x Network Using a GSM-1x MSC”）に対して優先権を主張している。

発明の分野
本発明は、概ね、種々のセルラ通信システムにおいて認証するための方法および装置に関する。

いわゆる符号分割多重アクセス（code division multiple access, CDMA）変調技術は、多数のシステムユーザが存在する通信を容易にするためのいくつかの技術の中のほんの１つである。時分割多重アクセス（time division multiple access, TDMA）、周波数分割多重アクセス（frequency division multiple access, FDMA）、および振幅圧縮単側波帯（amplitude companded single sideband, ACSSB）のようなＡＭ変調方式も使用可能であるが、ＣＤＭＡは、これらの別の変調技術よりも、かなりの利点をもつ。多重アクセス通信システムにおけるＣＤＭＡ技術の使用は、米国特許第4,901,307号（“Spread Spectrum Multiple Access Communication System Using Satellite Or Terrestrial Repeaters”）に開示されており、これは、本譲受け人に譲渡され、この開示は、ここでは参考文献として取り入れられている。

米国特許第4,901,307号において、各々がトランシーバをもつ多数の移動電話システムのユーザは、符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）スペクトラム拡散通信信号を使用して、衛星中継器または地上基地局（セル基地局、すなわちセルサイトとしても知られている）を介して通信する。ＣＤＭＡの通信を使用するとき、周波数スペクトラムを何度も再使用して、システムユーザの容量を増加することができる。ＣＤＭＡ技術を使用すると、スペクトラム効率は、他の多重アクセス技術を使用して実現できるスペクトラム効率よりも、相当に高くなる。

従来のセルラー電話システムでは、使用可能な周波数バンドが通常は３０キロヘルツのバンド幅のチャネルへ分割される一方で、アナログＦＭ変調技術が使用される。システムサービス領域は、地理的に、可変サイズのセルへ分割される。使用可能な周波数チャネルは、組へ分割され、通常、各組は同数のチャネルを含む。周波数の組は、共通チャネルの干渉の可能性を最小化するように、セルへ割り当てられる。例えば、７つの周波数の組があり、かつセルが等寸法の六角形であるシステムについて検討する。１つのセル内のある１つの周波数の組は、このセルの最も近いまたは取り囲んでいる近傍の６個のセルでは使用されない。１つのセル内のある１つの周波数の組は、このセルの次に最も近い近傍の１２個のセルでも使用されない。

従来のセルラシステムにおいて、実行されるハンドオフ方式は、移動局が２つのセル間の境界を越えるときに、呼または他のタイプの接続（すなわち、データリンク）を持続できることが意図されている。一方のセルから他方のセルへのハンドオフは、呼または接続を処理しているセル基地局内の受信機が、移動局からの受信信号強度が所定の閾値よりも低くなったことに気付いたときに開始される。低い信号強度表示は、移動局がセル境界に近いにちがいないことを示唆する。信号レベルが所定の閾値よりも低くなると、基地局は、システム制御装置に、隣り合う基地局が現在の基地局よりも移動局信号をよりよい信号強度で受信するかどうかを判断するように要求する。

システム制御装置は、現在の基地局の照会に応答して、隣り合う基地局へ、ハンドオフ要求に関するメッセージを送る。現在の基地局に隣り合う基地局は、特定の走査受信機を用いて、移動局からの特定のチャネル上の信号を探す。隣り合う基地局の中の１つが、適切な信号レベルをシステム制御装置へ報告すると、ハンドオフが試みられる。

ハンドオフは、新しい基地局において使用されているチャネルの組から、アイドルチャネルが選択されるときに開始される。現在のチャネルから新しいチャネルへスイッチするように移動局へ命令する制御メッセージが、移動局へ送られる。同時に、システム制御装置は、第１の基地局から第２の基地局へ呼をスイッチする。

従来のシステムでは、新しい基地局へのハンドオフが成功しなかったときは、呼は中断される。ハンドオフが失敗する理由は多数ある。隣り合うセルにおいて呼を通信するのに使用可能なアイドルチャネルがないときは、ハンドオフは失敗する。他方の基地局が、実際は、異なる移動局が全く異なるセルにおいて同じチャネルを使用していると聞いているときに、この基地局が、問題の移動局について聞いたと報告する場合も、ハンドオフは失敗する。この報告の誤りにより、呼は間違ったセル、一般には通信を維持するのに信号強度が不十分であるセルへスイッチされる。さらに加えて、移動局が、チャネルをスイッチする命令を聞くことに失敗したときも、ハンドオフは失敗する。実際の動作経験において、ハンドオフが頻繁に失敗することが示されると、システムの信頼性が疑われる。

従来の電話システムにおける別の共通の問題は、移動局が２つのセル間の境界近くにあるときに発生する。この状況では、信号レベルは両方の基地局において変動する傾向がある。この信号レベルの変動の結果、“ピンポン”状態になり、呼を２つの基地局間で送ったり戻したりする要求が繰返される。このような余計で不要なハンドオフ要求により、移動局がチャネルスイッチ命令を不正確に聞くか、または命令を聞くのに完全に失敗する可能性が高まる。さらに加えて、ピンポン状態により、全チャネルが現在使用中であり、したがってハンドオフを受け付けるのに使用できないセルへ、呼が間違って転送されたときに、呼が中断される可能性が高まる。

米国特許第5,101,501号（“Method And System For Providing A Soft Handoff In Communications In A CDMA Cellular Telephone System”）は、本譲受人に譲渡され、この開示はここでは参考文献として取入れられるが、ここでは、ハンドオフ中に２つ以上のセル基地局を介して移動局との通信を与えるための方法およびシステムが開示されている。この環境において、セルラシステム内の通信は、移動局が出て行くセルに対応する基地局から、移動局が入って来るセルに対応する基地局への起こりうるハンドオフによって中断されない。このタイプのハンドオフは、セル基地局間の移動体との通信における“ソフト”ハンドオフとして考えられ、２つ以上の基地局または基地局のセクターが移動局へ同時に伝送する。このような“ソフト”ハンドオフ技術を使用すると、反復ハンドオフ要求が１組の基地局間で行われるピンポン状態の発生を相当に低減することが分かった。

向上したソフトハンドオフ技術は、米国特許第5,267,261号（“Mobile Station Assisted Soft Handoff In A CDMA Cellular Communications System”）内に開示されており、これは本譲受人に譲渡され、この開示はここでは参考文献として取入れられている。ソフトハンドオフ技術は、システム内の各基地局によって伝送される“パイロット”信号強度を移動局において測定することによって向上する。これらのパイロット強度の測定は、実行可能な基地局のハンドオフの候補の識別を容易にすることによって、ソフトハンドオフプロセスを助ける。

向上したソフトハンドオフ技術では、移動局が、隣り合う基地局からのパイロットの信号強度を監視することを定めている。測定された信号強度が所定の閾値を越えるとき、移動局は、信号強度メッセージを、移動局が通信している基地局を介して、システム制御装置へ送る。システム制御装置から新しい基地局および移動局への命令メッセージにより、新しいおよび現在の基地局を介しての、同時の通信を設定する。移動局が、移動局が通信している基地局の少なくとも１つに対応するパイロットの信号強度を検出するとき、移動局は、対応する基地局を示す測定された信号強度を、移動局が通信している基地局を介して、システム制御装置へ報告する。システム制御装置から、識別された基地局および移動局への、命令メッセージにより、対応する基地局を介しての通信を終了し、一方で他の基地局または基地局を介しての通信は継続する。

上述の技術は、同じセルラシステム内のセル間の呼転送に十分に適しているが、移動局が、別のセルラシステムから基地局によってサービスされているセルへ移動することよって、より困難な状況が生じる。このような“システム間”のハンドオフにおける１つの複雑な要因は、隣り合うセルラシステムが異なる特徴をもつことが多いことである。例えば、隣り合うセルラシステムは、異なる周波数で動作することが多く、異なるレベルの基地局の出力電力またはパイロット強度を維持する。これらの差異のために、移動局が、既存のモバイル支援型ソフトハンドオフ技術によって意図されるパイロット強度の比較、等を行うことが、事実上、妨げられる。

ソフトのシステム間のハンドオフを行うための資源を使用できないとき、サービスを中断せずに維持する場合は、一方のシステムから他方のシステムへの呼または接続のハンドオフのタイミングが重要になる。すなわち、システム間のハンドオフは、呼の転送またはシステム間の接続に成功する可能性が最も高い時間に実行しなければならない。このようなハンドオフ（ここではハードハンドオフと呼ばれる）では、移動局と一方のシステムとの間の通信を、移動局と他方のシステムとの間の通信が始まる前に止めなければならない。したがって、例えば、
（ｉ）新しいセルにおいて、アイドルチャネルが使用可能であるとき、
（ｉｉ）移動局が、現在のセル基地局との接触を失なう前に、実際には、新しいセル基地局の範囲内にあるとき、および、
（ｉｉｉ）移動局が、チャネルをスイッチする命令を受信することが保証される位置にあるときに限って、ハンドオフが試行される。

このようなハードのシステム間のハンドオフの各々は、異なるシステムの基地局間の“ピンポン”するハンドオフの要求の可能性を最小化するように行われることが理想的である。しかしながら、既存のハンドオフ手続きでは、いつ、および何れの基地局を介して、移動局が新しい周波数およびチャネル情報を供給され、かつ既存の呼または接続を転送するように命令されるかを識別することができないので、これは困難である。

既存のシステム間ハンドオフ技術のこれらのおよび他の欠点が、セルラ通信の品質を劣悪にしており、また競合するセルラシステムが急増し続けているので、性能をさらに劣化すると予測される。したがって、異なるセルラ通信システムの基地局間の呼または接続のハンドオフを確実に指示することができるシステム間ハンドオフ技術に対する必要が生じた。

米国特許第5,697,055号（“Mobile Station Assisted Soft Handoff In A CDMA Cellular Communications System”）は、本譲受人に譲渡され、この開示はここでは参考文献として取入れられており、これは、第１および第２のセルラシステムの基地局間と、移動局との通信のシステム間ハンドオフを行うための方法およびシステムを記載している。移動局において、第２のシステムの第２の基地局によって伝送される信号の量子化可能なパラメータが測定される。量子化可能なパラメータの測定値が第１の所定のレベルを超えると、移動局は、信号品質メッセージを、第１のシステムの第１の基地局を介して、第１の移動スイッチング制御局へ通信する。

その後で、チャネル要求メッセージは、第１の移動スイッチング制御局から、第２のシステム内の第２の移動スイッチング制御局へ通信される。さらに加えて、第２の基地局において、移動局から受信した信号の量子化可能なパラメータが測定される。量子化可能なパラメータの測定値が所定のレベルを超えるとき、第２の基地局は移動局との通信を設定する。その代りに、第１の基地局によって伝送される第１のパイロット信号の信号強度を、移動局において測定してもよい。第１のパイロット信号の測定された信号強度が、第２の所定のレベルよりも低くなり、それによって移動局の通信が設定されるとき、ハンドオフ要求メッセージは第２の基地局へ送られる。移動スイッチング制御局間に音声リンクを与えると、第１および第２のセルラシステム間の既存の接続を助け、ソフトのシステム間のハンドオフを行うことができる。

両方のシステムがＣＤＭＡベースであって、かつソフトハンドオフを行うことができる状況では、この構成は適切に働くが、システムの１つ以上がこのようなハンドオフを行うことができないときは、システム間のハンドオフをどのように処理するかに付いての問題が残る。例えば、いわゆるＧＳＭの標準規格は、ソフトハンドオフのための機構をもたない。したがって、エアーインターフェイスを使用して、ＣＤＭＡネットワークからＧＳＭネットワークへ、呼をハンドオフすることには問題がある。さらに加えて、ＣＤＭＡ２０００の機構は、ＧＳＭの認証を行うのに必要なデータを転送することができないので、ＧＳＭの認証を行うことができない。ＧＳＭにおける暗号化は、ＣＤＭＡ２０００における暗号化とは異なる。

この問題を取扱う１つのやり方では、ＧＳＭを変更して、ＧＳＭが、ＧＳＭ以外のシステム、例えばＣＤＭＡのシステムへハンドオフできるようにする。しかしながら、これに関連して、ＧＳＭは、相当前に設定されているので、オペレータは、隣り合う互換性の無いシステムに順応するために、既存の装置にコスト高の変更を加えるのを嫌がる。デュアルモードの移動局を支援して、新しいメッセージがエアーインターフェイスに加えられると、これらの新しいメッセージを支援するために、変更を行なわなければならない。明らかに、これはオペレータの観点から望ましくない。

ＣＤＭＡのシステムとＧＳＭのシステムとの間のハンドオフについての別の問題は、ＣＤＭＡおよびＧＳＭの認証が、２つの異なる方法および鍵を使用することである。ＧＳＭおよびＣＤＭＡ １Ｘにおける認証方法は基本的に同じであるが、鍵のサイズは異なる。ＣＤＭＡ １Ｘは、固有の質疑および計算（Unique Challenge and Count）方法のような、追加の手続きをもつ。固有の質疑および計算方法は、それぞれ、チャネルの乗っ取りおよび再実行の攻撃を防ぐ。

本発明は、上述の問題に対処する。

本発明の１つの態様にしたがうと、第１の移動スイッチング制御局によって制御される第１のセルラ通信システム内の第１の基地局から、第２の移動スイッチング制御局によって制御される第２の異なるセルラシステム内の第２の基地局へ、移動局を認証する方法であって、第２のセルラ通信システムにおいて、第２のセルラ通信システムの移動局へ割り当てられた秘密鍵と、第２のセルラ通信システムによって生成された乱数とにアルゴリズムを適用する結果として、認証符号を生成することと、第１のセルラ通信システムにおいて、秘密鍵および乱数にアルゴリズムを適用する結果として、認証符号を生成することと、第１のセルラ通信システムにおいて生成された認証符号を移動局へデータパケットで伝送することと、移動局から第２のセルラ通信システムへ、第１のセルラ通信システムにおいて生成された認証符号を伝送することと、第１のセルラ通信システムにおいて生成された認証符号を、第２のセルラ通信システムにおいて生成された認証符号と比較することとを含む方法を提供する。

本発明の上述の特徴および他の特徴は、個々に、その長所と共に、特許請求項に記載されており、添付の図面を参照して与えられた本発明の例示的な実施形態の次の詳細な記述を検討することにより、より明らかになるであろう。

図１は、例示的なセルラ電話システムの模式図である。示されているシステムは、一般に多数のシステム移動局または移動電話と、基地局との通信を助けるための種々のアクセス変調技術を使用する。このような多重アクセス通信システム技術は、時分割多重アクセス（time division multiple access, TDMA）、周波数分割多重アクセス（frequency division multiple access, FDMA）、符号分割多重アクセス（code division multiple access, CDMA）、および振幅圧縮された単側波帯のようなＡＭ変調方式を含む。例えば、上述で参照した米国特許第4,901,307号に開示されているＣＤＭＡのスペクトラム拡散変調技術は、多重アクセス通信システムの他の変調技術よりも相当に優れており、したがって好ましい。

一般のＣＤＭＡシステムでは、各基地局が、固有のパイロット信号を伝送する。これは、対応するパイロットチャネル上で“パイロット搬送波”を伝送することを含む。”パイロット信号は、変調されていない、直接拡散の、スペクトラム拡散信号であり、共通の疑似雑音（pseudorandom noise, PN）拡散符号を使用して、各基地局によって常に伝送される。パイロット信号は、コヒーレント復調の位相基準と、ハンドオフの判断に使用される信号強度測定値の基準とを与えることに加えて、移動局が最初のシステム同期、すなわちタイミングを得られるようにする。パイロット信号は、各々によって伝送される。

図１に示されているシステムにおいて、システム制御装置およびスイッチ10は、移動スイッチングセンター（mobile switching center, MSC）とも呼ばれ、一般に、複数の基地局12、14、および16に対してシステムの制御を与えるインターフェイスおよび処理回路（図示されていない）を含む。制御装置10は、また、公衆交換電話ネットワーク（public switched telephone network, PSTN）から適切な基地局への電話呼のルート設定を制御して、適切な移動局へ伝送する。制御装置10は、移動局から、少なくとも1つの基地局を介して、ＰＳＴＮへの呼のルート設定も制御する。このような移動局は、一般に、互いに直接に通信をしないので、制御装置10は、適切な基地局を介して、移動ユーザ間で呼を方向付ける。

制御装置10は、種々の手段によって、例えば、専用電話回線、光ファイバーリンク、またはマイクロ波通信リンクによって、基地局へ接続される。図１において、３つのこのような例示的な基地局12、14、および16は、セルラ電話を含む例示的な移動局18と共に示されている。矢印20ａおよび20ｂは、基地局12と移動局18との間の可能な通信リンクを定めている。矢印22ａおよび22ｂは、基地局14と移動局18との間の可能な通信リンクを定めている。同様に、矢印24ａおよび24ｂは、基地局16と移動局18との間の可能な通信リンクを定めている。

基地局サービス領域またはセルは、移動局が、常に、１つの基地局に最も近くなるような地理的形状に設計される。移動局がアイドル状態である、すなわち進行中の呼がないときは、移動局は、各近傍の基地局からパイロット信号の伝送を継続的に監視する。図１に示されているように、パイロット信号は、基地局12、14、および16によって、通信リンク20ｂ、22ｂ、および24ｂ上で、移動局18へ伝送される。その後で、移動局は、これらの個々の基地局から伝送されるパイロット信号強度を比較することによって、パイロット信号が何れのセル内であるかを判断する。

図１に示されている例において、移動局18は基地局16に最も近いと考えられる。移動局18が呼を開始するとき、制御メッセージは、最も近い基地局、ここでは、基地局16へ伝送される。基地局16は、呼要求メッセージを受信すると、システム制御装置10へ知らせ、呼番号を転送する。その後で、システム制御装置10は、呼をＰＳＴＮを介して、意図された受信者へ接続する。

呼がＰＳＴＮ内で開始されると、制御装置10は、呼情報を、領域内の全基地局へ伝送する。基地局は、返答において、ページングメッセージを、意図された受信移動局へ伝送する。移動局は、ページメッセージを聞くと、制御メッセージで応答する。制御メッセージは、最も近い基地局へ送られる。この制御メッセージは、この特定の基地局が移動局と通信していることをシステム制御装置へ知らせる。その後で、制御装置10は、最も近い基地局を介して、移動局へ呼をルート設定する。

移動局18は、最初の基地局、すなわち基地局16の受信可能領域の外へ移動すると、別の基地局を介して呼をルート設定することによって、呼を継続するように試みる。ハンドオフプロセスにおいて、呼のハンドオフを開始するか、または別の基地局を介してルート設定する種々の方法がある。

基地局ハンドオフ開始方法において、最初の基地局、すなわち基地局16は、移動局18によって伝送された信号が、一定の閾値レベルよりも低くなったことに気付く。その後で、基地局16はハンドオフ要求をシステム制御装置10へ送り、システム制御装置10は、要求を、基地局16の隣り合う全基地局12、14へ中継する。制御装置が送る要求は、チャネルに関係する情報（例えば、移動局18によって使用されるＰＮ符号系列）を含む。基地局12および14は、一般に、ディジタル技術を使用して、受信機を移動局によって使用されるチャネルへ同調させ、信号強度を測定する。基地局12および14の一方が、最初の基地局が報告した信号強度よりも、より強い信号を報告したときは、その基地局へハンドオフする。

その代りに、移動局自体は、いわゆる移動支援型ハンドオフを開始してもよい。各基地局は、とくに、基地局を識別するパイロット信号を伝送する。移動局は、サーチ受信機を備え、サーチ受信機を使用して、隣り合う基地局12および14のパイロット信号の伝送を走査し、また他の機能も実行する。隣り合う基地局12および14の一方のパイロット信号が、所与の閾値よりも強いことが分かると、移動局18は、この結果に対するメッセージを現在の基地局16へ伝送する。

移動局と基地局との間の対話プロセスにより、移動局は、基地局12、14、および16の中の1つ以上を介して通信することができる。このプロセスの間に、移動局は、受信するパイロット信号の信号強度を識別して、測定する。この情報は、移動局が通信している基地局を介して、ＭＳＣを通って通信される。ＭＳＣは、この情報を受信すると、移動局と基地局との間の接続を開始または終了し、それによって移動支援型ハンドオフに影響を与える。

上述のプロセスは、移動局が１つ以上の基地局と同時に通信する“ソフト”ハンドオフであるとも考えられる。ソフトハンドオフ中は、ＭＳＣは、移動局が異なるセル間の移動中に通信している各基地局から受信した信号を組合せるか、または選択することができる。同様に、ＭＳＣは、ＰＳＴＮから、移動装置が通信している各基地局へ信号を中継する。移動局が、同じセルラシステム内にない、すなわち同じＭＳＣによって制御されない２つ以上の基地局の受信可能領域内に位置するとき、移動支援型ハンドオフは、より複雑になる傾向がある。

ここで、異なるシステム内の基地局間でハンドオフを行う１つのアプローチを、図２を参照して記載する。図２には、セルラ通信ネットワーク30が模式的に示されており、セルラ通信ネットワーク30には、ＣＤＭＡ移動スイッチングセンター（CDMA mobile switching center, MSCc）に制御されるＣＤＭＡセルラシステム（例えば、IS-95 1X）と、ＧＳＭ移動スイッチングセンター(GSM mobile switching center, MSCg)に制御されるＧＳＭセルラシステムとが含まれる。図２には、ＣＤＭＡシステムのセルC1AないしC5A内にそれぞれ位置付けられている５つの例示的な基地局B1AないしB5Aと、ＧＳＭシステムのセルC1BないしC5B内にそれぞれ位置付けられている５つの基地局B1BないしB5Bとが図示されている。説明の便宜上、セルC1AないしC5AおよびC1BないしC5Bは円形に示されているが、セルは、一般に、他の形状に設計され、実際には、それらが位置している領域の地勢および地形に依存する形状をもつことが分かるであろう。とくに、セルC1AないしC3AおよびC1BないしC3Bは、第１と第２のセルラシステム間の境界に近いので、これらのセルは“境界”のセルと呼ばれる。したがって、各システム内のセルの残りを、“内部”セルと便宜上呼ぶことができる。

ＣＤＭＡおよびＧＳＭの両者のセルラシステム内の基地局から信号を受信して、反応することができる移動局を参照して、次の記述を与える。しかしながら、CDMA One、CDMA2000、CDMA 2000 1x、CDMA 2000 3x、HDR(High Data Rate Principle)、CDMA 1xEV、CDMA 1xEVDO、TDMA、TDSCDMA、W-CDMA、GPRS、等のような任意の対応の通信システムが使用されると考えられる。したがって、移動局は、２つのセルラシステムの異なる動作周波数に同調可能な受信チェーンをもつデュアルバンドトランシーバで構成される。このような移動局の模式図は、添付の図面の図３に与えられている。ここに示されているように、移動局40において、アンテナ42は、ダイプレクサー44を介して、ＣＤＡＭ送信および受信(T/Rx)チェーン46と、ＧＳＭ送信および受信(T/Rx)チェーン48とに接続されている。送信／受信チェーン46、48は、ＣＤＭＡおよびＧＳＭシステムの各々において一般的である。チェーンは、復調され変換されたデータを従来のベースバンド回路50へ適切に出力し、ベースバンド回路50から伝送されたデータを受信する。送信／受信チェーン46、48は、制御装置52によって制御され、制御装置52は、とくに、ＣＤＭＡまたはＧＳＭシステムからの命令信号に応答して、２つのチェーン間でスイッチする。したがって、この実施形態では、２つのチェーンは、同時にアクティブにならない。別の実施形態では、２つのチェーンは、同時にアクティブになってもよい。

別の実施形態では、移動局は、２つのセルラシステムの一方に同調可能な受信チェーンをもつ単一のトランシーバで構成される。このような移動局の模試図は、添付の図面の図５に与えられている。ここに示されているように、移動局53はアンテナ54を含む。ダイプレクサー55は、（これがＣＤＭＡのハンドセットであるときは）ＣＤＭＡ送信および受信(T/Rx)チェーン56に接続される。さもなければ、移動局53は、ＧＳＭの送信および受信(T/Rx)チェーン57へ接続される。送信／受信チェーン56、57は、ＣＤＭＡおよびＧＳＭの各システムにおいて一般的である。チェーンは、適切に復調されて変換されたデータを従来のベースバンド回路58へ出力し、ベースバンド回路58から伝送されたデータを受信する。送信／受信チェーン、すなわちチェーン56またはチェーン57の何れかは、制御装置59によって制御される。

再び図２において、ＣＤＭＡ移動スイッチングセンター（ＭＳＣｃ）は、公衆交換電話ネットワーク（ＰＳＴＮ）から適切な基地局B1AないしB5Aへの電話呼のルート設定を制御して、指定された移動局へ伝送する。ＣＤＭＡ移動スイッチングセンターＭＳＣｃは、第1のセルラシステムの受信可能領域内の移動局から、少なくとも１つの基地局を介して、ＰＳＴＮへの呼のルート設定も制御する。ＧＳＭ移動スイッチングセンターＭＳＣｇは、同様に動作して、基地局B1BないしB5Bの動作を支配し、ＰＳＴＮおよびＧＳＭのセルラシステム間で呼をルート設定する。ＭＳＣｃとＭＳＣｇとの間では、システム間データリンク34によって、制御メッセージ、等が通信される。

移動局がＣＤＭＡシステムの内部セル内に位置するとき、移動局は、一般に、各近傍の（すなわち、内部の、または境界の、あるいはこの両者の）基地局からのパイロット信号の伝送を監視するようにプログラムされる。その後で、移動局は、取り囲んでいる基地局から伝送されるパイロット信号強度を比較することによって、パイロット信号が何れの内部セル内にあるかを判断する。移動局が内部セルの境界に近付くと、例えば、米国特許第5,267,261号を参照して既に記載したように、移動支援型ハンドオフが開始される。

移動局が、境界セルC1AないしC3AまたはC1BないしC3Bの１つの中に位置するときは、状況が異なる。例えば、移動局がセルC2A内に位置するが、セルC2Bに近付いている場合について検討する。この場合に、移動局は、基地局B2Bから使用可能な信号レベルを受信し始め、これは基地局B2B、および移動局が現在通信している他の基地局へ報告される。使用可能な信号レベルが移動局または基地局によって受信される時間は、受信信号の１つ以上の量子化可能なパラメータ（例えば、信号強度、信号対雑音比、フレーム消去率、ビット誤り率、および／または相対的な時間遅延）を測定することによって判断される。機構は、上述の識別された米国特許第5,697,055号に記載されている機構と類似している。

両方のシステムがＣＤＭＡシステムであるときは、米国特許第5,697,055号に記載されているハンドオフ機構を使用して、セルC2AとセルC2Bとの間でハンドオフを行う。しかしながら、現在は、エアーインターフェイスを使用して、ＣＤＭＡネットワークからＧＳＭネットワークへ、呼をハンドオフするための機構がないといった問題がある。ＣＤＭＡの機構は、ＧＳＭの認証を行うのに必要なデータを転送できないので、ＧＳＭの認証は行うことができない。ＧＳＭにおける暗号化は、ＣＤＭＡにおける暗号化と異なる。新しいメッセージが、デュアルモードの移動局を支援するエアーインターフェイスへ加えられるとき、これらの新しいメッセージを支援するために、変更をしなければならない。これは望ましくない。

この問題を解決するために、移動局をＣＤＭＡネットワークからＧＳＭネットワークへ転送できるようにする命令を含む包括的メッセージを使用する。包括的メッセージは、ＧＳＭの認証および暗号化を行うのに必要なデータを伝達できなければならない。包括的メッセージは、ＧＳＭの補助的な特徴も支援することが好ましい。言い換えると、設定されたＧＳＭのプロトコルを、そのままの状態に維持して、既存のＧＳＭシステムにおける変更を最小にするようにしなければならない。ハンドオフ動作の一部は、加入者の識別子を設定することを含み、ハンドオフが実行されると、物理的接続（サイファリング）のためのシグナリングおよびデータの信頼性を維持することが必要である。加入者識別認証の定義および動作要件は、ＧＳＭ 02.09に与えられている。

さらに加えて、認証手続きを使用して、サイファリング鍵を設定する。したがって、認証手続きは、ネットワークが加入者識別を設定した後で、かつチャネルが暗号化される前に行われる。これ、すなわち認証手続き自体と、システム内における認証および暗号化鍵の管理とを実現するには、２つのネットワーク機能が必要である。

これを意図して、（ハンドオフ状況および非ハンドオフ状況の間に）いつでも動作することができる単方向または双方向のトンネリング機構を使用するといった発想がある。トンネリング機構の１つのタイプは、いわゆる、アプリケーションデータ配送サービス（Application Data Delivery Service, ADDS）メッセージおよびショートデータバーストメッセージであり、これは、ＣＤＭＡシステム内でＧＳＭパラメータをトランスペアレントに通す。ＧＳＭパラメータは、一般に、ＧＳＭの基地局制御装置（Base Station Controller, BSC）によって試験されないが、デュアルモード移動局によって必要とされる。ＡＤＤＳメッセージを、データバーストと共に使用すると、包括的ペイロードを、ネットワークの移動サービススイッチングセンター（ＭＳＣ）か、または他のネットワークの要素（例えば、ＳＭＳ、位置指定サーバ、ＯＴＡＳＰ）間で送ることができる。システムは、これを利用して、ＣＤＭＡのＢＳＣｃまたはＢＴＳｃの変更の必要なく、ＧＳＭ情報を、ネットワークと移動局との間で、終端間で送る。

図２に示されているネットワーク構成において、ＡＤＤＳメッセージは、タイミング情報および認証データのようなＧＳＭハンドオフデータを、ＭＳＣｃからＢＳＣｃを通って移動局へ伝達するのに使用される。その後で、移動局は、いわゆる移動アプリケーションプロトコル（Mobile Application Protocol, MAP）メッセージを使用して、ハンドオフデータを、ＧＳＭネットワーク内のＭＳＣｇへ伝達する。これは、ＭＳＣｇがＭＡＰメッセージ内のデータを解釈して、それにしたがって移動局を制御できるようにするのに、ＭＳＣｇをほんの僅かに変更するだけでよい。これ以外の代わりのデータ転送も、もちろん可能である。

移動局が、ＣＤＭＡシステムとＧＳＭシステムとの間の境界にあるとき（例えば、セルC2A内にあって、セルC2Bに近付いているとき）、移動局は、移動局がＧＳＭシステムへハンドオフされる状態であることを知らせるメッセージをＭＳＣｃへ再び送ることによって、ハンドオフプロセスを開始する。

セルデータベース（図示されていない）は、ハンドオフ手続きの一部として使用される。このデータベースを使用して、ＧＳＭネットワーク上の必須情報を移動局へ供給し、必要とされるときに、ＣＤＭＡのＭＳＣとＧＳＭとの間でハンドオフできるようにする。

ＧＳＭシステムでは、２つのタイプ、すなわち同期および非同期のハンドオフが使用可能である。実行を容易にするために、非同期のハンドオフが好ましい。したがって、移動局は、ハンドオフは、ＧＳＭへの非同期のハンドオフであると伝えられる。移動局は、ハンドオフ命令を受信した後で、ＧＳＭの基地局制御装置（GSM base station controller, BSCg）がＣＤＭＡのＭＳＣｃへ再び送られるＭＡＰハンドオフメッセージを再び受信するまで、移動局は、最初に、幾つかのアクセスバーストを、ＢＳＣｇへ送り、ＧＳＭ認証データを生成して、移動局へ送ることができる。ＧＳＭは、非同期ハンドオフの手続きをもち、非同期ハンドオフの手続きでは、データバーストを用いて、ＢＳＣｇが移動局のタイミングを得るのを助ける。したがって、ＡＤＤＳメッセージは、ハンドオフの特定の時間を指定する‘動作時間’メッセージを含む。このデータを１回受信するだけで、移動局は正常の伝送を開始する。

ＣＤＭＡとＧＳＭとの間のハンドオフの別の問題は、ＣＤＭＡおよびＧＳＭの認証が２つの異なる方法および鍵を使用することである。ＧＳＭおよびＣＤＭＡ １Ｘにおける認証方法は、基本的に同じであるが、鍵の大きさは異なる。ＣＤＭＡ １Ｘは、固有の質疑および計算方法のような追加の手続きをもち、これは、それぞれ、チャネルの乗っ取りおよび再実行の攻撃を防ぐ。ＧＳＭのＭＳＧｇに対する著しい変更を要求することなく、ＣＤＭＡの物理層をＧＳＭシステム内で使用するために、ＣＤＭＡの物理層上でＧＳＭ認証方法を再使用する。これは、２つの異なるタイプの認証センター、２つのタイプのＳＩＭカード、等を支援する必要がないといったシステムの長所を与える。

認証手続きは、システムと移動局との間の一連の交換から成る。システムは、予想不可能な数、ＲＡＮＤを移動局へ伝送する。次に、移動局は、Ａ３アルゴリズムとして知られているアルゴリズムを使用して、結果のＳＲＥＳを計算する。結果のＳＲＥＳは、ＲＡＮＤ数のサインとしても知られている。Ａ３アルゴリズムは、ＲＡＮＤおよび個々の加入者認証鍵Ｋｉを使用して、ＳＲＥＳを計算する。顧客が最初にサービスに加入するとき、加入者認証鍵Ｋｉが割り当てられ、システムの加入者識別モジュール（subscriber identity module, SIM）カードおよびホームロケーションレジスタ（Home Location Register, HLR）の両者に記憶される。Ｋｉは、暗号化の秘密鍵であり、したがって、ネットワーク上では伝送されない。最後に、移動局は、サインＳＲＥＳをシステムへ伝送し、ここで、ＳＲＥＳは妥当性について試験される。

上述のサイファリングおよび認証手続きの使用は、ハンドオフ手続きと無関係であることに注意すべきである。添付の図面の図４は、ＧＳＭのＭＳＣにおいてどのように認証が行われるかを示している。ＧＳＭにおける認証鍵は、Ｋｉと呼ばれ、１２８ビット長である。ネットワークは、同じく１２８ビット長の乱数（random number, RAND）を生成し、Ｋｉは、Ａ３アルゴリズムへ入力され、Ａ３は、入力データから３２ビットの結果（ＳＲＥＳ）を計算する。ＲＡＮＤ数は、さらに、エアーメッセージによって移動局へ伝送される。ＧＳＭシステムでは、各移動局は、スマートカード、すなわち、いわゆる、加入者識別モジュール（ＳＩＭ）カードを含む。認証のための標準のＳＩＭ命令は、ＧＳＭ 11.11に特定されている。これらの命令は、ＧＳＭアプリケーションの正しい機能を干渉しないときのみ実行することができる。ＳＩＭが、呼中に移動局から取り除かれるときは、ＧＳＭ 11.11に定められているように、呼は直ちに終了する。

移動局内のＳＩＭは、Ａ３のアルゴリズムを、受信したＲＡＮＤ数およびＫｉの局所的に記憶されたコピーへ適用することによってＳＲＥＳを計算する。計算の結果は再びＳＲＥＳであり、ネットワークによって計算されたＳＲＥＳと同じである。したがって、結果のＳＲＥＳは、移動局によってネットワークへ送られ、ネットワークによって計算されたＳＲＥＳの値と比較される。ＳＲＥＳの両方の値が同じであるときは、移動局は真正である。図２のシステムにおいて、ＲＡＮＤ数は、エアーインターフェイス上でＡＤＤＳメッセージを使用して伝送され、結果のＳＲＥＳは再び伝送される。

ＳＲＥＳの値は、Ａ８として知られているアルゴリズムにおいても使用され、Ａ８は、６４ビットの暗号化またはサイファリング鍵Ｋｃを計算する。移動局のＳＩＭによるＧＳＭの認証および暗号化アルゴリズムによって生成されるＫｃ鍵は、プライベートロングコードマスクの代わりに、ＣＤＭＡの物理層へ適用される。プライベートロングコードマスクは、一般に、ＣＤＭＡのＣＡＶＥアルゴリズムを使用して生成される。６４ビットのＫｃ鍵は、４２ビットのプライベートロングコードへ固有にマップされ、“プライベートロングコードマスク”の基礎として使用され、音声のプライバシーを与える。プライベートロングコードマスクは、ＣＤＭＡメッセージへ送られ、ＣＡＶＥアルゴリズムから生成されているときは同じであると解釈される。音声のプライバシーのために、このアプローチを使用すると、システムは、ハイブリッドＣＤＭＡ／ＧＳＭネットワーク内で、固有の認証センターおよび固有のＳＩＭタイプを維持することができる。

ＧＳＭは、フレームレベルで暗号化を行う。各フレームは、フレーム番号および６４ビットのＫｃ鍵を使用して暗号化される。６４ビットのＫｃ鍵は、図４を参照して記載されているように得られる。フレーム番号およびＫｃマスクは、各フレームへ適用される。ＣＤＭＡ １Ｘシステムでは、暗号化は、４２ビットのプライベートロングコードを使用して行われる。図２のハイブリッドシステムでは、Ｋｃとプライベートロングコードとのマッピングアルゴリズムのマッピングを用いて、Ｋｃ鍵を使用して、４２ビットのプライベートロングコードマスクを得る。このマッピングは、ＭＳＣｃにおいて行なわれ、その後で、ＭＳＣｃは、何れのプライベートロングコードを使用するかを、そのままＢＳＣへ伝える。

ＡＤＤＳの動作により、地上ネットワークの要素（例えば、ＭＳＣ、ＳＭＳ、ＰＤＣ）と移動局との間でトランスペアレントなサービスを転送することができる。システムは、この動作を使用して、認証情報ＲＡＮＤをＭＳへ転送し、ＳＲＥＳをＭＳＣへ再び転送する。ＡＤＤＳメッセージング動作は、ＭＳＣｃからＢＳＣｃへ進み、ページングチャネルによって移動局へデータを送ることができるようにする。ＡＤＤＳ転送動作は、ＢＳＣｃからＭＳＣｃへ進み、アクセスチャネルによって移動局からネットワークへデータを送ることができるようにする。ＡＤＤＳ配送動作は、ＭＳＣｃからＢＳＣｃへ、またはＢＳＣｃからＭＳＣｃへ進み、移動局とネットワークとの間で、トラヒックチャネルによってデータを送ることができるようにする。ＡＤＤＳパラメータは、“ＡＤＤＳユーザパート（ADDS User Part）”として定められ、アプリケーションデータメッセージのフォーマットを示す６ビットの“データバーストタイプ”を含む。ＡＤＤＳ動作は、サービス別のデータを含むＡＤＤＳユーザパートのパラメータを使用する。認証動作は、ＡＤＤＳユーザパートを使用して、認証データを伝達する。記載のシステムは、移動局によって解釈される“ＧＳＭ−ＭＡＰ認証”という名称の新しいデータバーストタイプを使用する。

認証プロセスに関する情報を記憶するためのデータベースが受信側に存在するか、または受信側によってアクセス可能であるときはいつでも、例示の実施形態を実行できることに注意すべきである。例示的な実施形態のプロセッサを使用して、一方の当事者で一方の暗号化方式を実行し、他方の当事者で他方の暗号化方式を実行してもよい。異なる当事者との通信は無線媒体によって行われるので、中間の資源へ物理的に接続する必要なしに、例示的な実施形態の基本的な実行を行なってもよい。

当業者は、ここに開示されている実施形態に関係して記載されている種々の例示的な論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズムのステップが、電子ハードウエア、コンピュータソフトウエア、またはこの両者の組合せとして実行されることも分かるであろう。種々の例示的な構成要素、ブロック、モジュール、回路、およびステップを、上述で全体的に機能に関して記載した。このような機能が、ハードウエアとして実行されるか、またはソフトウエアとして実行されるかは、全体的なシステムに課された特定の応用および設計の制約に依存する。熟練した技能をもつ者は、これらの環境におけるハードウエアおよびソフトウエアの互換性を認識し、各特定の応用において、記載された機能をどの位最良に実行するが分かる。例えば、ここに開示されている実施形態に関係して記載されている種々の例示的な論理ブロック、フローチャート、ウインドウ、およびステップは、特定用途向け集積回路（application specific integrated circuit, ASIC）、プログラマブル論理装置、ディスクリートなゲートまたはトランジスタ論理、例えば、ＦＩＦＯ内のレジスタのようなディスクリートなハードウエア構成要素、１組のファームウエア命令を実行するプロセッサ、従来のプログラマブルソフトウエアおよびプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（field programmable gate array, FPGA）または他のプログラマブル論理装置、あるいはその組み合わせと共に、ハードウエアまたはソフトウエアにおいて構成または実行される。プロセッサは、マイクロ制御装置であってもよいが、その代わりに、従来のプロセッサ、制御装置、マイクロ制御装置、または状態機械であってもよい。ソフトウエアは、ＲＡＭメモリ、フラッシュメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、ハードディスク、取り外し可能ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、レジスタ、または他の磁気または光記憶媒体内にあってもよい。この技術に熟練した技能をもつ者は、例えば、上述で全体的に参照したデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、シンボル、およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁界または磁粒、光の界または粒子、あるいはその組み合わせによって適切に表現されることも分かるであろう。

好ましい実施形態を参照することによって本発明を記載したが、問題の実施形態は単なる例であって、本発明の特許請求項およびそれに相当するものに説明されている本発明の意図および技術的範囲から逸脱しないならば、適切な知識および技能をもつ者には、変形および変更が思い付くことが十分に分かるであろう。

セルラシステムの模式図。 ２つのセルラシステム間の境界の模式図。 デュアルモードの移動局の模式図。 ＧＳＭシステムにおけるデータ交換の模式図。 シングルモードの移動局の模式図。

符号の説明

12,14,16,B1BないしB5B・・・基地局、18,53・・・移動局、20,22,24・・・通信リンク、30・・・セルラ通信ネットワーク、34・・・システム間データリンク、C1CないしC5C・・・セル、40・・・ベースバンド回路。

Claims (10)

1. 第１の移動スイッチング制御局によって制御される第１のセルラ通信システム内の第１の基地局から、第２の移動スイッチング制御局によって制御される第２の異なるセルラ通信システム内の第２の基地局へ移動局を認証する方法であって、
   前記第２のセルラ通信システムにおいて、前記第２のセルラ通信システムについて前記移動局に割り当てられた秘密鍵と、前記第２のセルラ通信システムによって生成された乱数とにアルゴリズムを適用して認証符号ＳＲＥＳを生成することと；
   前記第１のセルラ通信システムにおいて、前記秘密鍵および前記乱数へアルゴリズムを適用してＳＲＥＳを生成することと；
   前記第１のセルラ通信システムにおいて生成された前記ＳＲＥＳを前記移動局へ第１のデータパケットで伝送することと；
   前記移動局から前記第２のセルラ通信システムへ、前記第１のセルラ通信システムにおいて生成された前記ＳＲＥＳを伝送することと；
   前記第１のセルラ通信システムにおいて生成された前記ＳＲＥＳを、前記第２のセルラ通信システムにおいて生成された前記ＳＲＥＳと比較することと；
   を備えた方法。
2. 前記第１のセルラ通信システムはＣＤＭＡシステムを含み、かつ、
   前記第１のデータパケットはＡＤＤＳメッセージを備えた、請求項１記載の方法。
3. 前記第１のセルラ通信システムにおいて生成された前記ＳＲＥＳは、前記第１のデータパケットとは異なる第２のデータパケットにおいて、前記第２のセルラ通信システムへ伝送される、請求項１記載の方法。
4. 前記第２のセルラ通信システムはＧＳＭシステムを備える、請求項３記載の方法。
5. 前記第１のセルラ通信システムが、第１の移動スイッチング制御局によって制御される第１の基地局を含み、前記第２のセルラ通信システムが、第２の移動スイッチング制御局によって制御される第２の基地局を含み、前記方法は、
   前記移動局において、前記第１の基地局によって伝送された信号のパラメータを測定することと；
   前記移動局において、前記第２の基地局によって伝送された信号のパラメータを測定することと；
   前記パラメータが所定の条件に達すると、信号品質メッセージを前記移動局から前記第１の基地局を介して前記第１の移動スイッチング制御局へ通信することと；
   前記第１の移動スイッチング制御局において、前記第２の移動スイッチング制御局へのチャネル要求メッセージのための情報を生成することと；
   前記第１の移動スイッチング制御局から前記移動局へ前記情報を通信することと；
   前記移動局において、前記第１の移動スイッチング制御局からの前記情報から、前記第２の移動スイッチング制御局へのチャネル要求メッセージを生成することと；
   前記移動局から前記第２の移動スイッチング制御局へ前記チャネル要求メッセージを通信することと；
   を備えた、請求項１記載の方法。
6. 前記パラメータは信号強度に対応する、請求項５記載の方法。
7. 第１の移動スイッチング制御局によって制御される第１のセルラ通信システム内の第１の基地局から、第２の移動スイッチング制御局によって制御される第２の異なるセルラシステム内の第２の基地局へ移動局を認証する装置であって、
   前記第２のセルラ通信システムにおいて、前記第２のセルラ通信システムについて前記移動局に割り当てられた秘密鍵と、前記第２のセルラ通信システムによって生成された乱数とにアルゴリズムを適用して認証符号ＳＲＥＳを生成するための手段と；
   前記第１のセルラ通信システムにおいて、前記秘密鍵および前記乱数へアルゴリズムを適用してＳＲＥＳを生成するための手段と；
   前記第１のセルラ通信システムにおいて生成された前記ＳＲＥＳを前記移動局へ第１のデータパケットで伝送するための手段と；
   前記第１のセルラ通信システムにおいて生成された前記ＳＲＥＳを、前記移動局から前記第２のセルラ通信システムへ伝送するための手段と；
   前記第１のセルラ通信システムにおいて生成された前記ＳＲＥＳを、前記第２のセルラ通信システムにおいて生成された前記ＳＲＥＳと比較するための手段と；
   を備えた装置。
8. 前記第１のセルラ通信システムはＣＤＭＡシステムを備え、
   前記第１のデータパケットはＡＤＤＳメッセージを備える、請求項７記載の装置。
9. 前記第１のセルラ通信システムにおいて生成された前記ＳＲＥＳは、前記第１のデータパケットとは異なる第２のデータパケットで、前記第２のセルラ通信システムへ伝送される、請求項７記載の装置。
10. 前記第２のセルラ通信システムはＧＳＭシステムを備える、請求項９記載の装置。

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