JP6016643B2 - 無線電気通信における暗号化 - Google Patents

Description

本発明は、電気通信に関し、より詳細には、無線電気通信に関する。

知られているシステム（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｍｏｂｉｌｅ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｙｓｔｅｍ）（ＵＭＴＳ）では、暗号化されるメッセージもある。暗号化は、ＵＴＲＡＮ（ＵＭＴＳ ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ ｒａｄｉｏ ａｃｃｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋ）を介してコアネットワークから送信され、モバイル端末によって受信されるセキュリティ・モード・コマンドによって開始される。これに続いて、セキュリティ・モード応答がモバイル端末から送信され、コアネットワークによって受信される。

例えば、図１に示されているように、コアネットワーク（ＣＮ）２は、セッションまたはベアラ確立要求１を受信したとき、セキュリティ・モード・コマンド４をＵＴＲＡＮ６に送信する。これは、ＵＴＲＡＮ６に、セキュリティ・モード・コマンド４をモバイル端末（ユーザ機器、ＵＥ８）に転送させる。モバイル端末８は、セキュリティ・コンテキストと呼ばれることもある特定のパラメータ値を使用してその暗号化アルゴリズムを初期化することにより反応し、次いで、ＵＴＲＡＮ６にセキュリティ・モード応答１０を送信することにより確認応答し、ＵＴＲＡＮ６は応答１０をコアネットワーク２に転送する。その後、セッション確立応答１２などの暗号化されたＮＡＳ（Ｎｏｎ Ａｃｃｅｓｓ Ｓｔｒａｔｕｍ）メッセージがコアネットワーク２からＵＴＲＡＮ６を介してモバイル端末８に送信される。

この知られている手法では、セキュリティ・モード・メッセージは、後に続くメッセージを暗号化するために必要な暗号化情報を提供するので、暗号化されない。

背景技術の別の分野は、ＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）ネットワークである。いわゆるＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）ネットワークは、現在、ＵＭＴＳネットワークから発展させられているところである。Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎネットワークの背景技術に関しては、読者は３ＧＰＰ ＴＳ（Ｔｈｉｒｄ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｐａｒｔｎｅｒｓｈｉｐ Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ）２３．８８２を参照されたい。

読者は添付の特許請求の範囲の独立請求項を参照されたい。いくつかの好ましい特徴は、従属請求項に記載されている。

本発明の一例は、無線電気通信ネットワークにおいて、暗号化されたユーザデータをモバイル端末に伝送する方法である。本方法は、モバイル端末にデータパケットを送信するステップを備える。データパケットは、暗号化されたユーザデータを復元する際に使用されるべき暗号化情報の識別子と、上記暗号化情報を使用して暗号化されたユーザデータとの両方を備える。

本発明者らは、知られている手法では、セキュリティ・モード・コマンドおよび応答シグナリングがセッション確立手順において遅延を生じさせることが分かった。例えば、モバイル端末が別の基地局のカバレッジエリアに移動する場合、使用される暗号化鍵の変更があり得る。これは、新しい鍵を使用して暗号化されたデータが送信される前に、モバイル端末に新しい鍵を通知するためにセキュリティ・モード・コマンドおよび応答シグナリングを必要とする。この追加のシグナリングは、追加の遅延を生じさせる可能性がある。そのような遅延は、加入者にとっては厄介である可能性があり、プッシュ・トゥ・トークなど、コールセットアップ遅延に敏感なアプリケーションに問題を生じさせる可能性がある。

本発明のいくつかの実施形態では、そのような遅延を低減することができる。

次に、本発明の諸実施形態が、例として、添付の図面を参照しながら説明される。

セッション確立の一部分として暗号化を起動する知られている手法を示す図である（従来技術）。 本発明の第１の実施形態によるＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）ネットワークを示す図である。 図２に示されているネットワークにおけるセッション確立の一部分として暗号化を起動する手法を示す図である。 セッション確立時に送信されるＮＡＳメッセージの構造を示す図である。 ＮＡＳシグナリングメッセージがどのように暗号化されるかを示す図である。 ＬＴＥネットワークにおけるコアネットワークＣＮノード間のハンドオーバを示す図である。 ＬＴＥネットワークにおいて、ＲＲＣ（Ｒａｄｉｏ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ）接続確立の一部分として暗号化を起動することを示す図である。 本発明の第２の実施形態によるＵＭＴＳ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｍｏｂｉｌｅ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｙｓｔｅｍ）ネットワークを示す図である。 図８に示されているネットワークにおいてセッション確立の一部分として暗号化を起動する手法を示す図である。

最初に例示的ＬＴＥネットワークが説明され、次いで、結合メッセージを使用してセッション確立時に暗号化がどのように開始されるかが説明される。次いで、１つのネットワークノードとの接続から別のネットワークノードとの接続へのモバイル端末のハンドオーバ時に暗号化がどのように処理されるかが説明される。

次いで、代替の結合メッセージが説明される。

次いで、ＵＭＴＳネットワークである代替のネットワークが説明され、次いで、そのネットワークにおいて暗号化がどのように開始されるかが説明される。

Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎネットワーク
ＵＭＴＳ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｍｏｂｉｌｅ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｙｓｔｅｍ）ネットワークに基づくＬＴＥネットワーク１４は、基本的には図２に示されているとおりである。コアネットワークは、ＭＭＥ（Ｍｏｂｉｌｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｅｎｔｉｔｉｅｓ）を含む。各ＭＭＥ１６は、ＮＡＳメッセージ暗号化段階２６を含む。図２では、簡単にするために、コアネットワーク１８の１つのモバイル管理エンティティ（ＭＭＥ）１６、およびＬＴＥネットワーク１４の１つの基地局２０だけが示されている。ＬＴＥネットワークは複数の基地局を含む。図では、基地局はＬＴＥ専門用語によって「ｅノードＢ」としても示されている。セクタとも呼ばれるセルは、基地局の対応するアンテナによってサービスされる無線カバレッジエリアである。基地局２０は、通常、３つのセル２２を有し、各セルは、相互に１２０度の方位角で配置された３本の指向性アンテナ２４のうちの１本によってカバーされる。

使用時には、モバイルユーザ端末２８（しばしばＬＴＥ／ＵＭＴＳ専門用語でユーザ機器（ＵＥ）と呼ばれる）は、少なくとも１つの基地局２０の少なくとも１つのセル２２を介してモバイル管理エンティティ１６と通信する。そのようにして、モバイルユーザ端末はＵＴＲＡＮネットワーク２と通信する。

セッション確立時に暗号化を起動すること
本発明者らは、セキュリティ・モード・コマンドおよびＮＡＳ（Ｎｏｎ Ａｃｃｅｓｓ Ｓｔｒａｔｕｍ）メッセージ（セッション確立応答など）を単一の結合メッセージに結合することが可能であることが分かった。メッセージの第１の部分は、セキュリティ・モード・コマンドであり、この部分は暗号化されない。メッセージの第２の部分は、ＮＡＳメッセージであり、この部分は暗号化される。

図３に示されているように、セッション確立要求３０を受信したとき、モバイル管理エンティティ１６は、暗号化されていないセキュリティ・モード・コマンドおよび暗号化されたＮＡＳシグナリングメッセージからなる結合メッセージ３２を基地局２０に送信する。これは、基地局２０に、結合メッセージ３２をモバイル端末（ユーザ機器、ＵＥ２８）に転送させる。モバイル端末２８は、そのセキュリティ・コンテキストの初期化を実行し、次いで、基地局２０にセキュリティ・モード応答３４を送信することにより確認応答し、応答３４は基地局２０からモバイル管理エンティティ１６に転送される。その後、セッション確立応答３６などの暗号化されたＮＡＳ（Ｎｏｎ Ａｃｃｅｓｓ Ｓｔｒａｔｕｍ）メッセージがＭＭＥ１６から基地局２０を介してモバイル端末２８に送信される。

上記で言及された結合メッセージ３２は、図４に示されているとおりであり、暗号化されていないセキュリティ・コマンド３８および暗号化されたＮＡＳメッセージ４０からなる。セキュリティ・コマンド３８は、使用されるべき暗号化鍵の識別子、および、例えば暗号化の開始時間の識別子など、セキュリティ・コンテキスト情報を定義する情報要素からなる。ＮＡＳメッセージ４０は、セッション確立応答を構成する情報要素からなる。

結合メッセージの生成
ＬＴＥネットワーク１４では、ＮＡＳメッセージの暗号化は、コアネットワーク１８のそれぞれのノードにおいて暗号化段階２６によって行われる。ＮＡＳメッセージの暗号化は、ユーザデータの暗号化から独立している。

図５に示されているように、暗号化鍵など暗号化を実行するための情報と共に暗号化のためのＮＡＳメッセージが暗号化段階２６に入力され、そこから暗号化されたＮＡＳメッセージ４０が提供される。暗号化されたＮＡＳメッセージ４０は、暗号化されていないヘッダ情報３８に連結される。これは、ＭＭＥ１６が、一般に、別の暗号化されていないメッセージ部分との連結の前にＮＡＳメッセージの少なくとも一部分の暗号化を可能にするので、可能である。

ハンドオーバ時に暗号化を処理すること
ハンドオーバは、モバイル端末２８を、１つの基地局２０、したがってコアネットワーク・ノード１８との接続から、別の基地局（図示されていない）、したがって別のコアネットワーク・ノード（図示されていない）へ移すプロセスである。ハンドオーバは、ハンドオフとして知られている場合もある。

ハンドオーバ手順の一例が図６に示されている。最初、接続は基地局２０に対してであり、第１の暗号化鍵を使用することを必要とする。コアネットワーク・ノード１８が基地局２０を介してモバイル端末２８にハンドオーバ・コマンド４２を送信し、その後、別の基地局２０’、したがってコアネットワーク・ノード２０’への呼接続のハンドオーバ４４が実行される。次いで、「ハンドオーバ完了」メッセージ４６がモバイル端末２８から新しい基地局１８’、したがってコアネットワーク・ノード１８’に送信される。その後、コアネットワーク・ノードは、上記で論じられたように、暗号化鍵識別子を含む暗号化されていないセキュリティ・モード・コマンド５０と、その後に続くＮＡＳシグナリングメッセージなどのユーザデータの暗号化された部分５２とからなる結合メッセージ４８を送信する。したがって、例えば、コアネットワーク・ノードが暗号化変更を行う場合、新しいコアネットワーク・ノード１８’からの第１の結合メッセージ５０は、使用されるべき新しいセキュリティ・パラメータ値をセキュリティ・モード・コマンドで示し、暗号化されたフォームでＮＡＳシグナリングメッセージを含む。

他の同様の実施形態では、そうではなく、暗号化および暗号化構成がユーザ・プレーンで行われる場合は、ユーザ・プレーンにおける結合パケットは、ユーザデータに連結された暗号化されていないセキュリティ・モード・コマンドからなる。

もちろん、いくつかの実施形態では、暗号化鍵識別子を含む暗号化されていないセキュリティ・モード・コマンドと、その後に続く新しい暗号化鍵を使用して暗号化されたユーザデータの暗号化された部分とからなる結合メッセージを送信することによりその新しい暗号化鍵に交換することは、セル間のハンドオーバ以外の時に行われることもできる。例えば、他の実施形態では、古いセルおよび新しいセルは、同一のセルでもよい。

この例では、セルは、最初、古い暗号化パラメータを使用してモバイル端末と通信する。セルは、セッションの途中で、新しい暗号化パラメータおよび追加のユーザデータを含むパケットを送信する。モバイル端末が新しい暗号化パラメータを受信する。モバイル端末は、新しい暗号化パラメータを使用して、パケットの暗号化された部分を復号する。モバイル端末はまた、新しい暗号化パラメータを使用して暗号化されるその後のパケットを暗号化する際に後で使用するために、新しい暗号化パラメータを記憶する。

無線リソース制御
図７に示されているように、同様に、暗号化されていないセキュリティ・モード・コマンドおよび暗号化されたユーザデータ部分からなる結合メッセージが送信されてもよく、この場合、ユーザデータ部分は無線リソース制御（ＲＲＣ）メッセージからなる。図７に示されているように、ＲＲＣ接続要求５４が基地局２０”に送信され、それに応答して基地局によって、結合メッセージ５６、より詳細には、暗号化されていないセキュリティ・モード・コマンドとその後に続く（新しい鍵を用いて）暗号化されたＲＲＣ接続応答とを備える結合メッセージ５６が、基地局によってモバイル端末２８’に送信される。次いで、ユーザ端末２８’から、セキュリティ・モード応答が送信される。

別の例示的システム：ＵＭＴＳ
ネットワークは、モバイル電気通信のための広帯域ＣＤＭＡ（ｃｏｄｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｃｃｅｓｓ）ネットワークの１つのタイプであるＵＴＲＡＮ（ＵＭＴＳ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｍｏｂｉｌｅ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｙｓｔｅｍ）ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ ａｃｃｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋ）である。ＵＴＲＡＮネットワークは、基本的には図８に示されているとおりである。簡単にするために、ＵＴＲＡＮネットワーク６２の１つの無線ネットワークコントローラおよび２つの基地局だけが示されている。この図に示されているように、ＵＴＲＡＮネットワーク６２は基地局６４を含む。図では、各基地局６４はＵＭＴＳ専門用語によって「ノードＢ」としても示されている。セクタとも呼ばれるセルは、基地局の対応するアンテナによってサービスされる無線カバレッジエリアである。各基地局は、通常、３つのセル６６を有し、各セルは、相互に１２０度の方位角で配置された３本の指向性アンテナ６７のうちの１本によってカバーされる。各ＲＮＣ（ｒａｄｉｏ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）６８は、通常、いくつかの基地局６４、したがっていくつかのセル６６を制御する。基地局６４は、ＩｕＢインターフェースとして知られているそれぞれのインターフェース６９を介して、その基地局を制御するＲＮＣ（ｒａｄｉｏ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）６８に接続される。使用時には、モバイルユーザ端末７０（しばしばＵＭＴＳ専門用語でユーザ機器（ＵＥ）と呼ばれる）は、少なくとも１つの基地局６４の少なくとも１つのセル６６を介して、サービングＲＮＣ（ｒａｄｉｏ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）６８と通信する。そのようにして、モバイルユーザ端末はＵＴＲＡＮネットワーク６２と通信する。

ＲＮＣは、コアネットワーク７４のＳＧＳＮ（Ｓｅｒｖｉｎｇ Ｇａｔｅｗａｙ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｎｏｄｅ）７２に接続される。ＳＧＳＮ７２は、以下でさらに詳細に説明されるように、ＮＡＳメッセージ暗号化段階７６を含む。

セッション確立時に暗号化を起動すること：ＵＭＴＳの例
本発明者らは、セキュリティ・モード・コマンドおよびＮＡＳ（Ｎｏｎ Ａｃｃｅｓｓ Ｓｔｒａｔｕｍ）メッセージ（セッション確立応答など）を単一の結合メッセージに結合することが可能であることが分かった。メッセージの第１の部分は、セキュリティ・モード・コマンドであり、この部分は、暗号化されない。メッセージの第２の部分は、ＮＡＳメッセージであり、この部分は、暗号化される。

図９に示されているように、セッション確立要求７８を受信したとき、ＳＧＳＮ７２は、暗号化されていないセキュリティ・モード・コマンドおよび暗号化されたＮＡＳシグナリングメッセージからなる結合メッセージ８０をＲＮＣ６８、したがって基地局６４に送信する。これは、基地局６４に、結合メッセージ８０をモバイル端末（ユーザ機器、ＵＥ７０）に転送させる。

結合メッセージ８０は、暗号化されていないセキュリティ・コマンドおよび暗号化されたＮＡＳメッセージからなる。セキュリティ・コマンドは、使用されるべき暗号化鍵の識別子、および、例えば暗号化のための開始時間の識別子などのセキュリティ・コンテキスト情報を定義する情報要素からなる。メッセージ８０の暗号化されたＮＡＳメッセージ部分は、セッション確立応答を構成する情報要素からなる。

モバイル端末７０は、そのセキュリティ・コンテキストの初期化を実行し、次いで、セキュリティ・モード応答８２を基地局６４、したがってＲＮＣ６８に送信することにより確認応答し、応答８２はＲＮＣ６８からＳＧＳＮ７２に転送される。

一般
本発明は、本発明の本質的特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で実施することができる。説明された諸実施形態は、全ての点で例示としてだけであり、制限的ではないと考えられるべきである。したがって、本発明の範囲は、上記の説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の同等物の意味および範囲に含まれる全ての変更形態は、特許請求の範囲に含まれるものとする。

いくつかの略語
ＣＮ：コアネットワーク
ＵＭＴＳ：Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｍｏｂｉｌｅ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｙｓｔｅｍ
ＵＥ：ユーザ機器
ＮＡＳ：Ｎｏｎ Ａｃｃｅｓｓ Ｓｔｒａｔｕｍ（コアネットワーク・プロトコルとしも知られている）
ＭＭＥ：Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｅｎｔｉｔｙ
ＬＴＥ：Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ、ＵＭＴＳの後で標準化されるシステムのために３ＧＰＰで使用される用語
ＩＥ：情報要素
ＲＲＣ：Ｒａｄｉｏ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ（制御プロトコルのＲａｄｉｏ部分、あるいは制御プロトコルのＡｃｃｅｓｓ Ｓｔｒａｔｕｍ部分とも呼ばれる）
ＳＧＳＮ：Ｓｉｇｎａｌｌｉｎｇ Ｇａｔｅｗａｙ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｎｏｄｅ

Claims (10)

1. 無線電気通信ネットワークにおいて、暗号化されたユーザデータをモバイル端末に伝送する方法であって、暗号化されたユーザデータを復元する際に使用されるべき暗号化情報の識別子と、前記暗号化情報を使用して暗号化されたユーザデータとの両方を備えるデータパケットを前記モバイル端末に送信するステップを備え、
   前記デ−タパケットの受信に応じて、前記モバイル端末が前記識別された暗号化情報を使用してセキュリティ・コンテキストを初期化し、
   前記ネットワークがＵＭＴＳまたはＬＴＥネットワークを備え、
   前記モバイル端末が前記識別された暗号化情報を使用して前記ユーザデータを復元するステップと、
   暗号化情報の別の識別子を受信するまで、前記モバイル端末が後で受信されるデータパケット内の暗号化されたユーザデータを復元する際の使用のために前記識別された暗号化情報を記憶するステップをさらに備える、
   方法。
   
2. 前記暗号化情報が暗号化アルゴリズムを備える、請求項１に記載の方法。
   
3. 前記暗号化情報が暗号化鍵を備える、請求項１または２に記載の方法。
   
4. 前記ユーザデータがユーザ・シグナリング・データを備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
   
5. 前記ユーザ・シグナリング・データがＮＡＳメッセージまたはＲＲＣメッセージを備える、請求項４に記載の方法。
   
6. 前記ユーザデータがユーザ・トラフィック・データを備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
   
7. 前記データパケットがセキュリティ・モード・コマンドを備え、前記セキュリティ・モード・コマンドが前記暗号化情報の前記識別子を備える請求項１に記載の方法。
   
8. 暗号化されたユーザデータを復元する受信機において使用されるために適合され、第１の時間間隔で伝送される暗号化情報の識別子と、前記暗号化情報を使用して暗号化されたユーザデータとの両方を備える、データパケット内の暗号化されたユーザデータを伝送するように動作可能なＵＭＴＳまたはＬＴＥ無線電気通信基地局であって、
   前記基地局は、後で送信するデータパケット内の暗号化されたユーザデータを復元する際に使用する前記識別された暗号化情報を変更するために、暗号化情報の別の識別子を送信して、前記受信機に記憶された暗号化情報を更新させる、ＵＭＴＳまたはＬＴＥ無線電気通信基地局。
   
9. 受信機およびプロセッサを備えるモバイル無線電気通信端末であって、
   前記受信機が、暗号化されたユーザデータを復元する際に使用されるべき暗号化情報の識別子と、前記暗号化情報を使用して暗号化されたユーザデータとの両方を備えるデータパケットを受信するように動作可能であり、
   デ−タパケットの受信に応じて、前記モバイル端末が前記識別された暗号化情報を使用してセキュリティ・コンテキストを初期化し、
   前記プロセッサが、前記暗号化情報を使用して、前記暗号化情報を使用して暗号化された前記ユーザデータを復元するように動作可能であり、前記モバイル端末が、暗号化情報の別の識別子を受信するまで、後で受信されるデータパケット内の暗号化されたユーザデータを復元する際の使用のために前記暗号化情報を記憶するように動作可能であり、
   前記モバイル端末がＵＭＴＳまたはＬＴＥ無線電気通信端末であるモバイル無線電気通信端末。
   
10. モバイル端末が、無線電気通信ネットワークにおいて、暗号化されたユーザデータを受信する方法であって、
    前記モバイル端末が、第１の暗号化情報を使用して暗号化されたユーザデータを備える第１のデータパケットを受信するステップと、
    前記モバイル端末に記憶されている第１の暗号化情報を使用して前記モバイル端末において前記ユーザデータを復元するステップと、
    前記モバイル端末が、暗号化されたユーザデータを復元する際に使用されるべき更新された暗号化情報の識別子と、前記更新された暗号化情報を使用して暗号化されたユーザデータとの両方を備える次のデータパケットを受信するステップとを備え、
    デ−タパケットの受信に応じて、前記モバイル端末が前記識別された暗号化情報を使用してセキュリティ・コンテキストを初期化し、
    前記モバイル端末が、前記更新された暗号化情報を使用して暗号化された前記ユーザデータを復元するための前記暗号化情報を使用し、暗号化情報の別の識別子を受信するまで後で受信されるデータパケット内の暗号化されたユーザデータを復元する際の使用のために前記更新された暗号化情報を記憶する方法。

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