JP5422037B2 - セルラー無線システムにおける無線基地局鍵を生成する方法と装置 - Google Patents

Description

本発明はセルラー無線システムにおいて安全な（セキュリティを保証した）通信を提供するための方法とデバイスとに関する。

ＥＰＳ（エヴォルブド・パケット・システム）は、第３世代パートナーシップ・プロジェクト（３ＧＰＰ）の中で標準化されたセルラ通信の標準規格である。ＥＰＳは、より高速なユーザビットレートに対する需要を満足するために設計された第３世代セルラシステムのうちのＬＴＥ（ロング・ターム・エヴォリューション）方式の一部である。ＥＰＳの中では、アクセス層（ＡＳ：アクセス・ストラタム）トラフィックは暗号化の手段によって保護される。特に、ユーザプレーンは、情報の機密性が保護され、無線リソース制御（ＲＲＣ）シグナリングは、情報の機密性と完全性（インテグリティ）の双方が保護されている。暗号化を施すための鍵は、Ｋ＿ｅＮＢと呼ばれる暗号鍵から導出される。

移動局（またはユーザ装置（ＵＥ）とも呼ばれる）が１つの基地局からハンドオーバを行うときには、ハンドオーバ元であるソース基地局のＫ＿ｅＮＢは、ハンドオーバ先であるターゲットｅＮＢ（ターゲット・エヴォルブド・ノードＢ）に配信される前に、ソースｅＮＢ（ソース・エヴォルブド・ノードＢ）（すなわち基地局）においてＫ＿ｅＮＢ＊と呼ばれる鍵に変換される。現在では、ターゲットｅＮＢが、ユーザターゲットｅＮＢのセル無線ネットワーク一時識別子（Ｃ−ＲＮＴＩ：セル・レディオ・ネットワーク・テンポラリ・アイデンティファイア）とともにＫ＿ｅＮＢ＊を変換する。これにより、変換により取得された暗号鍵を使用してＵＥとターゲット基地局との間に連続した暗号化を提供することが可能になる。

さらに、意図したターゲットセルが特定の移動局を収容するべく用意されるばかりでなく、他の基地局もまたそのことができなければならないことが取り決められている。根底にある理由は、無線リンクの障害からの回復、特にハンドオーバの失敗からの回復を助けることである。ターゲット基地局ばかりではなく、他の基地局によっても受け入れを行いやすくするために、ソース基地局ｅＮＢは、鍵情報と端末アイデンティティトークン（ＴｅＩＴ）とを、それら「用意されるべき」基地局のセット（組）に送信する。典型的には、ソース基地局ｅＮＢは、鍵情報と端末アイデンティティトークン（ＴｅＩＴ）とを、ターゲット基地局に隣接して配置されている基地局やソース基地局に隣接して配置されている基地局に対して送信する。しかしながら、同一のセキュリティトークンが「用意されるべき」基地局セットに含まれる全てのｅＮＢによって共有されるとすれば、これらの内のいずれも、少なくともＡＳ保護がイネーブルされるまでは、移動局としてマスカレードすることができるであろう。

現在提案されている標準規格での問題点は、変換された鍵（変換鍵）Ｋ＿ｅＮＢ＊で同じものが全ての基地局によって使用されてはならないとしている点である。これは、これにより、「用意されるべき」基地局セットに含まれる全ての基地局が、ハンドオーバの後に基地局によって終局的に使用されることになるＫ＿ｅＮＢを生成することが可能になるからである。この点に関してはＳＡ３への寄与文書ＴｄＳ３ａ０７０９７５を参照されたい。提案された１つの解決策は、システムが、基地局の「用意されるべき」基地局セットに含まれる所与の基地局ｅＮＢに対して、Ｋ＿ｅＮＢの変換に使用する初期データを生成することである。この初期データは、次に、対応する基地局鍵Ｋ＿ｅＮＢ＊とともに、基地局ｅＮＢに転送される。

しかしながら、現行の通信システムにおける複雑さの低減とセキュリティの強化に対する要求は常に存在する。従って、セルラー無線システムにおける安全な通信を提供するための改善された方法に対する必要性が存在する。

本発明の目的は、セルラー無線システムにおける安全な通信を提供するための改善された方法を提供することである。

この目的は、他の目的も含めて、添付の特許請求の範囲に記載した方法と、無線システムノードと、ユーザ装置とによって達成することができる。従って、移動局と無線基地局との両方に知られたデータを使用して無線基地局鍵および／または端末アイデンティティトークンを生成することにより、追加的なセキュリティネットワーク要素または追加的なシグナリングを設ける必要なく、安全な通信の確立と強化を行うことができる。

１つの実施形態に従えば、セルラー無線システムにおいて、導出された無線基地局鍵（導出無線基地局鍵）が生成される。この導出無線基地局鍵は、決定されたパブリック（公開された）データビットの組および無線基地局とユーザ装置との間の安全な通信のために使用される現行の暗号鍵に応答して生成される。パブリックデータは、例えば、無線アクセス技術（ＲＡＴ：レディオ・アクセス・テクノロジー）に関連するデータビットであってよい。このデータビットの例としては、物理セルアイデンティティ（物理セル識別情報）を識別するためのデータビット等である。これにより、それぞれの無線基地局に特化した暗号基地局鍵がそれぞれの無線基地局に対して導出され、それによって、システムにおけるセキュリティが強化される。さらに、それぞれの無線基地局に特化した暗号鍵を導出するときに、追加的なシグナリングを使用する必要がなく、そして／または、特定な入力データを生成する必要がなく、これら特化した鍵を導出することができるのである。これらにより、複雑さを低減できるとともに、高度なセキュリティを提供することができる。

１つの実施形態に従えば、無線システムにおける無線基地局に接続されたユーザ装置ＵＥを識別するための端末アイデンティティトークン（端末識別トークン）が生成される。ＵＥは、現行の暗号化鍵に関連した安全な通信を介して無線システムと通信を行うよう適合している。端末アイデンティティトークンを生成するときに、ＵＥとソース無線基地局との双方に知られた１組のデータビットが決定される。そして、端末アイデンティティトークンは、その決定された１組のデータビット、端末アイデンティティ（端末識別情報）、および現行の鍵に応答して生成される。それぞれの無線基地局に特化した端末アイデンティティトークンが導出され、それによってシステムにおけるセキュリティが強化される。

１つの実施形態に従えば、無線システムにおけるユーザ装置ＵＥを識別する方法が提供される。ＵＥは、現行の暗号化鍵に関連する安全な通信を介して無線システムと通信を行っている。第１の端末アイデンティティトークンは、ユーザ装置が現在接続されている無線基地局において生成される。そして、第１の端末アイデンティティトークンは、無線システムにおける複数の他の無線基地局に分配される。さらに第２の端末アイデンティティトークンがユーザ装置の中で生成される。第２のトークンは、他の無線基地局のうちの１つに送信される。第２のトークンが無線局によって受信されると、第１および第２の端末アイデンティティトークンを比較することによりユーザ装置が識別される。第１および第２の端末アイデンティティトークンはどちらも、端末アイデンティティと現行の鍵とに応答して生成される。これにより、接続を失いつつある端末は、安全な識別手順を介してシステムに再接続することができる。

本発明はまた、上記に記載した本方法を実行するよう適合されたノードおよびユーザ装置に拡張することができる。

本発明に従ったノードおよびユーザ装置は、本方法を使用することにより、無線システムにおける安全な通信を実施するための、より有効で、かつ、より安全な手順を提供するであろう。これは、暗号鍵または端末アイデンティティトークンを導出するときに、無線基地局およびユーザ装置にとって利用可能なデータを使用することにより得ることができる。

本発明は、限定的でない例と添付の図面とによって、以下でより詳細に記述される。

セルラー無線システムの外観を示す図である。 無線基地局鍵を生成するための手順において実行されるステップを示すフローチャートである。 移動している移動局の認証性の検証を行う準備をするときに、ソース無線基地局において実行されるステップを示すフローチャートである。 移動局の認証性を検証するときに、ターゲット無線基地局において実行されるステップを示すフローチャートである。 セルラー無線システムに対する移動局の認証性を検証するときに、移動局において実行されるステップを示すフローチャートである。 無線基地局の外観を示す図である。 ユーザ装置の外観を示す図である。

典型的な実施形態における以下の記述は、ＬＴＥシステムに対して記述されるであろう。しかしながら、本発明はＬＴＥシステムに限定されることはなく、無線基地局に関連する移動局から、またその移動局に対して送信されるデータを保護するために、無線基地局鍵を使用する任意の無線システムにも適用可能である。

図１は、移動局（ユーザ装置（ＵＥ）という用語も使用される）１０１に対して暗号化した通信を提供するセルラー無線システム１００の外観図を示す。ＵＥ１０１は、データを無線基地局１０３へ送信し、また、データを無線基地局１０３から受信する。セルラー無線システムがＬＴＥシステムである場合には、無線基地局１０３には、一般にｅＮＢ（ｅｖｏｌｖｅｄ ＮｏｄｅＢ）という用語が使用される。ＵＥ１０１がセルラー無線システム１００によってカバーされる地理的エリアの辺りを移動する場合、ＵＥ１０１は時には、１つの無線基地局から別の無線基地局へと接続のハンドオーバを行う必要が生ずることがある。また時には、ＵＥはセルラー無線システム１００との接続を失って、従ってセルラー無線システムに再接続を行う必要が生ずる場合がある。これらどちらのシナリオにおいても、セルラー無線システム１００とＵＥ１０１との間では安全な接続が維持されることが望ましい。

ＵＥが無線基地局１０３によってカバーされるエリアから無線基地局１０５によってカバーされるエリアに向かって移動する場合には、セルラー無線システムは、ソース無線基地局１０３からターゲット無線基地局１０５へのハンドオーバに対する準備を行う。また、時には、移動局１０１がどの無線基地局に向かってハンドオーバを行うかを予測することが困難である場合があるので、この場合には、いくつかの他の無線基地局もまたハンドオーバに対して準備するであろう。この「用意すべき」無線基地局は、図１では単一の無線基地局１０７で示されている。

移動局１０１と、ハンドオーバの後に接続が転送される無線基地局１０５、１０７との間で継続される安全な通信に使用することができる、新しい無線基地局鍵がハンドオーバの間に導出される必要がある。この新しい基地局鍵は、変換されたまたは導出された基地局鍵と名付けることができる。セルラー無線システムがＬＴＥシステムである場合には、この変換された鍵（変換鍵）はＫ＿ｅＮＢ＊という記号で表すことができる。

本発明の１つの視点に従えば、「用意されるべき」基地局セットの中の、ユニークな（一意の）変換無線基地局鍵Ｋ＿ｅＮＢ＊を生成するための情報は、移動局ＵＥと無線基地局ｅＮＢの両方に知られた（または通知された）アイデンティティの最下位ビットに基づくことができる。例えば、９ビットのＥ−ＵＴＲＡＮ物理セルアイデンティティ（ここではＰｈｙＣｅｌｌ−ＩＤで示す）、または、無線アクセス技術（ＲＡＴ）コンテキストによって決定されるセルに特化したいずれか他のデータを使用することができる。１つの実施形態に従えば、変換は、ソース基地局鍵Ｋ＿ｅＮＢおよびＰｈｙＣｅｌｌ＿ＩＤビット等のセルデータを入力として持つ、擬似ランダム関数（ＰＲＦ）またはハッシュ関数を利用することができる。また、他の入力パラメータも含むことができる。他のパラメータの例としては、Ｃ−ＲＮＴＩ、または、その鍵がいつ使用できるかを識別するデータ等の、ユーザに特化した任意の他の情報であってよい。

移動局は、自分の無線アクセス技術（ＲＡＴ）コンテキストからＰｈｙＣｅｌｌ＿ＩＤビットを知るであろう。上記の典型的な実施形態においては、所与の基地局ｅＮＢに対するターゲット基地局鍵Ｋ＿ｅＮＢ＊のＰｈｙＣｅｌｌ＿ＩＤを使用しての導出は、１つの典型的な実施形態においては次式で書くことができる。
Ｋ＿ｅＮＢ＊＝ＰＲＦ（Ｋ＿ｅＮＢ＿Ｓｏｕｒｃｅ，ＰｈｙＣｅｌｌ＿ＩＤ ｂｉｔｓ，Ｏｔｈｅｒ＿ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ）
本発明の別の視点に従えば、端末アイデンティティトークンＴｅＩＴは、対応した様式によって形成することができ、また基地局ｅＮＢごとにユニーク（一意）にすることができる。すなわち、端末アイデンティティトークンＴｅＩＴはまた、移動局アイデンティティ、ソース基地局ｅＮＢの基地局鍵Ｋ＿ｅＮＢ、および受信基地局ｅＮＢのＰｈｙＣｅｌｌ＿ＩＤビットにＰＲＦを適用することにより導出することができる。他の入力パラメータも含むことができる。他のパラメータの例としては、Ｃ−ＲＮＴＩ、または、その鍵がいつ使用できるかを識別するデータ等の、ユーザに特化した任意の他の情報であってよい。

さらに、移動局がそのアイデンティティを証明することを要求される場合には、移動局は対応するアイデンティティトークンを生成するよう適合されることができる。これは典型的に、ハンドオーバの際に、ユーザ装置が新しい無線基地局に接続して、システムがユーザ装置のアイデンティティを検証する必要がある場合、または、ユーザ装置への接続が失われて、ユーザ装置がシステムに再接続する必要がある場合にあり得る。

１つの実施形態に従えば、端末アイデンティティトークン１（ＴｅＩＴ１）は次式で定義することができる。
ＴｅＩＴ１＝ＰＲＦ（Ｋ＿ｅＮＢ＿Ｓｏｕｒｃｅ，Ｔｅｒｍｉｎａｌ＿ＩＤ，ＰｈｙＣｅｌｌ＿ＩＤ ｂｉｔｓ，Ｏｔｈｅｒ＿ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ）
図２は、移動局１０１とセルラー無線システム１００との間の安全な接続に対する基地局暗号化鍵を生成するときに実行されるステップを示すフローチャートである。図２において、この安全な接続は、ソース無線基地局１０３からターゲット無線基地局１０５、１０７にハンドオーバされる。最初にステップ２０１において、システムはハンドオーバがあり得ることを検出する。例えば、システムは、無線測定に基づいて、移動局１０１がソース無線基地局のセル境界に近接していると判定することができる。次に、ステップ２０３において、ソース無線基地局は、変換した基地局鍵（変換基地局鍵）を生成し、それをターゲット基地局１０５に送信する。ステップ２０３においては、ソース基地局１０３はまた、変換基地局鍵を、「用意されるべき」無線基地局１０７のセットに送信することもできる。変換基地局鍵は、上記に従って導出することができる。１つの実施形態に従えば、ソース基地局はまた、ステップ２０５において端末アイデンティティトークンも送信する。端末アイデンティティトークンは、例えば、上記で記述したトークンＴｅＩＴ１として生成されたトークンであってもよい。その後に、ステップ２０７に示すように、従来の様式でハンドオーバを実行することができる。

本発明の別の実施形態に従えば、ソース基地局ｅＮＢは、「用意されるべき」基地局セットに含まれる全ての基地局に対して、共通トークンＴｅＩＴ３を分配するよう構成されてもよい。このトークンは、少なくとも端末アイデンティティとＫ＿ｅＮＢとを入力とする第２のＰＲＦからの出力に対して適用されたＰＲＦの出力であってよい。他の入力パラメータも含めることができる。他のパラメータの例としては、Ｃ−ＲＮＴＩ、または、その鍵がいつ使用できるかを識別するデータ等の、ユーザに特化した任意の他の情報であってよい。

１つの典型的な実施形態に従えば、移動局が自分のアイデンティティトークン情報ＴｅＩＴ２を送信する時に、端末アイデンティティと基地局鍵Ｋ＿ｅＮＢとのＰＲＦを送信する。受信基地局は、端末から受信したＴｅＩＴ２に外部ＰＲＦを適用し、その結果をアイデンティティトークン（すなわち、ソース基地局から受信したＴｅＩＴ３）と比較することができる。これら２つの量に対応がとれた場合には、端末アイデンティティは確立されたと判定される。異なる表現をすれば、端末アイデンティティトークン２および３は次式で書くことができる。
ＴｅＩＴ２＝ＰＲＦ（Ｋ＿ｅＮＢ＿Ｓｏｕｒｃｅ，Ｔｅｒｍｉｎａｌ＿ＩＤ，Ｏｔｈｅｒ＿ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ）
ＴｅＩＴ３＝ＰＲＦ（ＴｅＩＴ２，Ｏｔｈｅｒ＿ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ２）
基地局において行う、移動局から受信したＴｅＩＴ２とソースｅＮＢから受信したＴｅＩＴ３との比較は次式のように実行することができる。
ＴｅＩＴ３＝？＝ＰＲＦ（ＴｅＩＴ２，Ｏｔｈｅｒ＿ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ２）
ここで、＝？＝は比較操作を表す。

上記の記述においては、Ｔｅｒｍｉｎａｌ＿ＩＤは、例えば、ソース基地局ｅＮＢの中の端末に割り当てられたＣ−ＲＮＴＩであってよいし、または、その鍵がいつ使用できるかを識別するデータ等の、ユーザに特化した任意の他の情報であってよい。

従って、例えば、ＵＥ１０１に対する接続が失われて、ＵＥ１０１はセルラー無線システム１００に再接続する必要がある場合には、ＴｅＩＴ３アイデンティティトークン情報にアクセスを有する全ての無線基地局は、アイデンティティトークンＴｅＩＴ２を送信する移動局の認証性を検証することができる。

１つの実施形態に従えば、ターゲット基地局ｅＮＢに対する変換基地局鍵Ｋ＿ｅＮＢ＊は、「用意されるべき」基地局セットに含まれる無線基地局ｅＮＢに対する場合と同じ様式で導出することができる。従って、移動局がハンドーバに失敗して、意図するターゲット基地局ｅＮＢに対する再接続を試みる場合に、ターゲット基地局ｅＮＢは、他の「用意された」全ての基地局ｅＮＢと同じタイプの情報を受信することができる。

図３は、移動している移動局の認証性を検証するための準備をするときに、ソース無線基地局において実行されるステップを示すフローチャートである。最初にステップ３０１において、ソース無線基地局は、端末アイデンティティトークンを複数の他の無線基地局に送信することを決定する。端末アイデンティティトークンを送信する理由は、例えば、ハンドオーバ手順が進行中であるということでよい。ステップ３０３において、端末アイデンティティトークンは、例えば、上記で記述したＴｅＩＴ３として生成することができる。次に、ステップ３０５においてトークンは他の無線基地局に送信される。これらの他の無線基地局は、典型的には、移動局が近い将来に接続する可能性がある、隣接した無線基地局であってよい。

図４は、移動局の認証性を検証するときに、ターゲット無線基地局において実行されるステップを示すフローチャートである。最初にステップ４０１において、ターゲット無線基地局は、ソース無線基地局からトークンアイデンティティＴｅＩＴ３を受信する。次に、ステップ４０３において、ターゲット無線基地局は、移動局から端末アイデンティティトークンＴｅＩＴ２を受信する。その後に、ステップ４０５において、ターゲット基地局は、トークンアイデンティティＴｅＩＴ３を端末トークンアイデンティティＴｅＩＴ２と比較する。最後に、ステップ４０７において、ターゲット無線基地局は、ステップ４０５における比較に基づいて移動局の認証性を検証する。

図５は、セルラー無線システムに対する、移動局の認証性を検証するときに、移動局において実行されるステップを示すフローチャートである。最初にステップ５０１において、移動局は認証メッセージを送信するよう起動される。例えば、ハンドオーバの際に、または接続が失われて、移動局がセルラー無線システムの無線基地局に対する自分自身の（再）認証を行う必要がある場合である。次に、ステップ５０３において、移動局は端末アイデンティティトークンを生成する。この端末アイデンティティトークンは上記で記述した端末アイデンティティトークンＴｅＩＴ２として生成することができる。最後に、ステップ５０５において、移動局は、セルラー無線システムが移動局を認証できるにように、セルラー無線ネットワークの無線基地局に認証メッセージを送信する。

図６は、上記に従って、変換暗号無線基地局鍵を生成するよう適合された典型的な無線基地局１０３を示す。無線基地局は、上記に従って暗号鍵または端末アイデンティティトークンを生成するときに使用するデータを選定するためのモジュール６０１を備える。モジュール６０１は、上記に従って暗号鍵または端末アイデンティティトークンを生成するよう適合されたモジュール６０３に接続される。典型的な無線基地局１０３はまた、無線基地局に接続しているＵＥを、上記で記述した端末アイデンティティトークンを使用して識別するよう適合された識別器モジュール６０５を備えることができる。

図７は、上記に従って端末アイデンティティトークンを生成するよう適合された、典型的なユーザ装置（ＵＥ）１０１を示す。ＵＥは、上記に従って端末アイデンティティトークンを生成するときに使用するデータを選定するためのモジュール７０１を備える。モジュール７０１は、上記に従って端末アイデンティティトークンを生成するよう適合されたモジュール７０３に接続される。モジュール７０３において生成された端末アイデンティティトークンは、モジュール７０３に接続されたトークン送信機７０５によって送信することができる。

本明細書に記述した方法とシステムとを使用することにより、セルラー無線システムにおいて、ハンドオーバを行う状況と移動局の認証を要求する状況のいずれの状況においても、安全な通信を実施するための、より有効な手順を提供することができるであろう。

Claims (6)

1. セルラー通信システムと接続可能なユーザ装置と接続する、該セルラー通信システムのソース無線基地局で無線基地局鍵を生成する方法であって、
   前記ユーザ装置と前記ソース無線基地局との間の通信に使用されている現行の暗号鍵と所定のデータのセットとに応じて前記無線基地局鍵を生成するステップを有し、
   前記所定のデータのセットは、特定のターゲット無線基地局に関連付けられているセルのセル識別情報から導出された、前記ユーザ装置と前記ソース無線基地局の両方にとって既知の物理セル識別情報ビットであることを特徴とする方法。
2. 前記無線基地局鍵を生成する際に入力データとして追加で入力されたパラメータを使用するステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 擬似ランダム関数を使用して前記無線基地局鍵を生成するステップを有することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. セルラー無線システムにおいてソース無線基地局として使用され、無線基地局鍵を生成するノード装置であって、
   現行の暗号鍵と関連付けられているセキュアな通信を介して前記ソース無線基地局と通信しているユーザ装置と、前記ソース無線基地局との両方にとって既知であって、ターゲット無線基地局に関連付けられているセルのセル識別情報から導出された物理セル識別情報ビットであるデータのセットを決定する手段と、
   前記決定されたデータのセットと、前記現行の暗号鍵とに応じて前記無線基地局鍵を生成する手段と
   を備えることを特徴とするノード装置。
5. 前記無線基地局鍵を生成する際に入力データとして追加で入力されたパラメータを使用する手段を備えることを特徴とする請求項４に記載のノード装置。
6. 擬似ランダム関数を使用して前記無線基地局鍵を生成する手段を備えることを特徴とする請求項４または５に記載のノード装置。

Images