JPH05336108A

JPH05336108A - 無線通信システム

Info

Publication number: JPH05336108A
Application number: JP4144126A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tsurumi; 博史鶴見; Koji Ogura; 浩嗣小倉; Atsushi Shinpo; 淳新保; Shuichi Obayashi; 秀一尾林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-06-04
Filing date: 1992-06-04
Publication date: 1993-12-17

Abstract

(57)【要約】【構成】ある信号モードで無線基地局７は、無線端末
１１に対して認証要求を行い（ステップ５０２）、無線
端末１１から認証応答が無線基地局７に送られる（ステ
ップ５０３）。この認証が正しくない場合、無線基地局
７は異なる暗号モードで無線端末１１に対して再送要求
を行い（ステップ５０４）、無線端末１１から再送が行
われる（ステップ５０５）。このようにして異なる暗号
モードで認証が行われる。【効果】秘話性に優れ、信頼性が高く、柔軟なサービ
スを行うことができる無線通信システムを提供すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コードレス電話、携帯
電話、自動車電話等の移動通信端末を有する無線通信シ
ステムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、携帯電話、自動車電話等の移動通
信端末を用いた無線通信システムが利用されている。こ
のような無線通信システムでは、通信の秘匿のために暗
号が利用される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、かかる無線
通信システムにおいては、無線区間の通信に暗号を使用
していても無線区間伝送路のフェージング、シャドウイ
ング等による受信誤りがあった場合に、受信側ではこれ
が伝送路誤りによる受信誤りであるのか、あるいは自端
末が本来と異なる暗号鍵を使用して悪意の通信を行って
いるのかの区別がつかないという問題があった。

【０００４】また、送信情報の内容にかかわらず、常に
単独の暗号モードを使用する場合には、端末において暗
号、復号の際に処理に長時間要したり、消費電流が増す
等の問題があった。

【０００５】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たもので、その目的とするところは、秘話性に優れ、信
頼性が高く、柔軟なサービスを行うことができる無線通
信システムを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ために本発明は、無線基地局と移動体端末との間で通信
を行う無線通信システムにおいて、発呼時において無線
基地局と移動体端末との間で暗号を用いて認証ができな
い場合、異なる暗号を用いて認証を行うことを特徴とす
る無線通信システムである。

【０００７】

【作用】本発明では、無線基地局と移動体端末との間で
暗号を用いて認証ができない場合、異なる暗号を用いて
認証を行うものである。

【０００８】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細
に説明する。

【０００９】図１は、本発明の一実施例に係る無線通信
システムの概略構成を示すものである。これは通常、セ
ルラ方式と呼ばれる無線通信方式である。同図におい
て、１は公衆網、３は無線制御局、５は同軸ケーブル、
光ファイバ、もしくは無線伝送路、７は無線基地局（Ｃ
Ｓ）、９はセル、１１は移動無線端末（以下無線端末と
称する。）を示す。そして、無線制御局３は記憶装置１
３を有している。

【００１０】このような無線通信システムにおいて、各
セル９内の無線端末１１は、それぞれ各セルの無線基地
局７と無線を用いて通信を行う。各無線基地局７は、同
軸ケーブルもしくは光ファイバ５等によって無線制御局
１３によって接続されている。加入された無線端末１１
や無線基地局７に関する情報は、記憶装置１３に保存さ
れる。このようなシステムで盗聴等のセキュリティー上
の問題があるのは、無線端末１１と無線基地局７の間で
ある。

【００１１】図２は、無線端末１１の構成を示すブロッ
ク図である。この無線端末１１は、アンテナ２１、無線
回路２３、変復調回路２５、暗号化復号化回路２７、制
御回路２９、受信電界強度検出回路３１、伝送路推定回
路３３、記憶回路３５を有する。

【００１２】変復調回路２５は、信号の変調および復調
を行う。暗号化復号化回路２７は、複数の暗号利用モー
ドを内蔵し、送信すべき信号に対して暗号化を行い、ま
た受信された信号に対して復号化を行う。制御回路２９
は、各部の制御を行う。受信電界強度検出回路３１は、
受信された受信電界の強度を検出する。伝送路推定回路
３３は、マルチパス等を検出する。符号Ｓ１は入力装置
３７から入力される局ＩＤ、暗号鍵、暗号利用モードの
変更等を示す信号である。

【００１３】図３は、無線基地局７の構成を示すブロッ
ク図である。この無線基地局７は、アンテナ４１、無線
回路４３、変復調回路４５、暗号化復号化回路４７、制
御回路４９、受信電界強度検出回路５１、伝送路推定回
路５３、記憶回路５５、インタフェース回路５７を有す
る。

【００１４】変復調回路４５は、信号の変調および復調
を行う。暗号化復号化回路４７は、複数の暗号利用モー
ドを内蔵し、送信すべき信号に対して暗号化を行い、ま
た受信された信号に対して復号化を行う。制御回路４９
は、各部の制御を行う。受信電界強度検出回路５１は、
受信された受信電界の強度を検出する。伝送路推定回路
５３は、マルチパス等を検出する。インタフェース回路
５７は、無線制御局３とのインタフェースを行う。

【００１５】図４は、無線端末１１と無線基地局７との
間で行われる暗号通信を示す図である。データＡは、暗
号化復号化回路２７により暗号化され、変復調回路２５
により誤り訂正符号がかけられ、無線回路２３から送信
される。受信側の無線基地局７では、無線回路４３によ
り受信され、変復調回路４５により無線伝送路で生じた
ビット誤りが訂正され、暗号化復号化回路４７により暗
号の復号が行われる。通常、暗号・復号は、トランスペ
アレントな伝送路を前提としているため、暗号化を行っ
た後で、復号化を行う前に、誤り訂正を行い、通信路等
で生じるビット誤りをなくしておく必要がある。ただ
し、無線伝送路の状態がフェージング等の影響で劣悪な
場合には、誤り訂正を行ってもビット誤りは完全に訂正
し切れないことがある。

【００１６】次に本実施例で用いらる暗号について述べ
る。暗号には大きく分けて、公開鍵暗号と慣用暗号の２
通りがある。このうち公開鍵暗号は、秘匿性が高く、鍵
の管理も簡単であるという利点があるが、処理時間が多
く、消費電力が多いという問題点があり、低消費電力が
望まれる移動通信端末用としては、慣用暗号が用いられ
る。この慣用暗号としては、“ISO International Stan
dard 8372 ：Information Prcessing-Modes of Operati
on for a 64-bit Block Cipher Algorithm”に記載され
ているように、ＥＣＢモード、ＣＢＣモード、ＣＦＢモ
ード、ＯＦＢモードの４種類の利用モードが知られてい
る。これらのモードを使用する際に問題となるのは、主
に次の３点である。

【００１７】（１）鍵を固定したとき、同じ平文のデー
タは同一暗号文として出力される。（２）伝送路で誤りが発生した場合には、復号後に誤り
波及効果が出る。

【００１８】（３）復号化の際に、フレーム同期、ブロ
ック同期が必要となる。

【００１９】ＥＣＢモードは、基本的な利用モードであ
り、上記（１）、（２）、（３）の問題があり、伝送路
誤りの多い無線通信システムでの適用には不向きであ
る。ＣＢＣモードは、上記（１）の問題は解決され、
（２）に対しても、伝送路誤りは、誤りのあった直後の
２ブロックにしか波及しないという特徴がある。ＣＦＢ
モードは、上記の問題の（３）について、同期はずれに
強いという利点がある。ＯＦＢモードは、（１）を解決
し、さらに（２）についても。伝送路の１ビット誤りが
１ビットの復号誤りにしかならないという特徴がある。
通常、雑音の多い伝送路では、２ビットの誤りが後に波
及しないＯＦＢモードの適用が考えられる。

【００２０】図５は、本実施例における通信シーケンス
を示す図である。

【００２１】無線端末１１（ＰＳ）と無線基地局７（Ｃ
Ｓ）との間で行われる認証手順は、ＥＣＢモードを使用
して行われる。すなわち、無線端末１１から自局のＩＤ
番号が無線基地局７に送られ発呼が行われると（ステッ
プ５０１）、無線基地局７は、発呼のあった無線端末１
１に対して無線端末認証のための認証要求を送る（ステ
ップ５０２）。通常は無線基地局７側で乱数が発生され
て、これが無線端末１１に送られる。

【００２２】無線端末１１では、自局の暗号鍵を用いて
送られてきた乱数を暗号化し、認証応答として無線基地
局７に送る（ステップ５０３）。無線基地局７では、デ
ータベースにある無線端末の暗号鍵で自局で発生した乱
数を暗号化し、無線端末１１から送られてきたものと比
較する（ステップＢ）。

【００２３】通常、無線通信では、伝送路においてフェ
ージング、シャドウイング、マルチパス等により受信誤
りが発生する。この時、ステップ５０３のフェーズの伝
送路上で誤りが発生すると、ステップＢのフェーズで受
信側の復号器出力が元の平文と異なるものとなる。しか
し、ステップＢで無線基地局が比較するのは、自局で発
生した乱数を暗号化したものと、無線端末から送られて
きたものであるので、たとえ暗号利用モードがＥＣＢモ
ードであっても、ビット誤りは伝送路で生じたビット誤
りだけで、いわゆるＥＣＢモードの誤り波及効果は出な
い。ただし、ＥＣＢモードでは無線基地局から送信され
る乱数（チャレンジ文）自体に誤りが生じた場合には、
無線基地局側で復号後に誤りが拡散する。したがって、
チャレンジ文に誤り訂正を強くかければＥＣＢモードで
も良いが、一般には、誤りが拡散しないＯＦＢモードの
方が良いと考えられる。

【００２４】図６は、この時の処理を示すものである。
まず最初に、ＯＦＢモードで暗号の通信が行われる。す
なわち、無線基地局７から６４ビットの乱数Ｍを、無線
端末１１に送信する。無線端末１１では、乱数Ｍに対し
て自局の暗号鍵Ｅk を用いて暗号化を行い（Ｃ＝Ｅk
^OFB（Ｍ））、無線基地局７に送り返す。無線基地局７
では、送られてきたＣを復号して（Ｍ＝Ｄk
^OFB（Ｃ））、無線基地局７に送信した暗号Ｍと比較す
る。もしくは、無線基地局７の秘密鍵を用いてＭを暗号
化して（Ｃ＝Ｅk ^OFB（Ｍ））、送られてきたＣと比較
することによって認証を行う。無線基地局７→無線端
末１１、無線端末１１→無線基地局７のいずれの伝送路
で伝送路誤りがあっても、誤り波及効果はない。なお、
この操作は、ＯＦＢモードの代わりに、非線形フィード
バックレジスタによるストリーム暗号によって成されて
もよい。

【００２５】比較の結果、２つが完全に同一であるかも
しくは所定の誤り率以下であれば、無線基地局７は無線
端末１１を正当な端末と見なす。ここで言う所定の誤り
率とは、音声データ送信時の所要受信誤り率、例えば１
０^-2〜１０^-3に設定される。無線端末１１が偽端末の場
合には、使用している鍵が異なるため、無線端末１１で
暗号化され送信されてきたデータは、無線基地局７が発
生した乱数を暗号化したものと全く異なる。

【００２６】この所要受信誤り率を満足していない場合
には、認証に続く音声データの伝送品質が保証されない
ので、無線基地局７から認証の再送要求がなされ（ステ
ップ５０４）無線端末１１から認証応答が再送される
（ステップ５０５）。すなわち、この場合、暗号モ−ド
を変えて、例えば、ＥＣＢモードにて認証を行う。

【００２７】図７はこのときの処理を示すもので、ＥＣ
Ｂモードでは、無線端末１１と無線基地局７に共通の既
知データＭを持たせておき、無線端末１１がＣ＝Ｅk
^ECB（Ｍ）なる暗号化を行い、無線既知局７に送信す
る。無線既知局７は、自局にあるデータＭからＣ＝Ｅk
^ECB（Ｍ）を生成し、無線端末１１から送られてきたも
のと比較する。この方法を用いれば、ＥＣＢモードであ
ってもビット誤りは伝送路で生じたビット誤りだけで、
いわゆるＥＣＢモードの誤り波及効果は出ず、誤りは伝
送路誤りに一致する。しかし、既知データＭが毎回同じ
である場合、伝送路上のＣを蓄積し、これを再送するこ
とにより、第三者であっても認証に成功するので、Ｍを
送信の度に変える必要があり、これは例えば送受時のカ
ウント（count ）を用いてＭ＝ｆ（count,PS-ID,CS-ID
）によって作成する。

【００２８】このように、暗号モードを変えて数回認証
手続きを行っても、正当な端末と認証されない場合に
は、無線基地局７は無線端末１１に対して警告信号の送
信、回線切断、特殊信号の送信等により、無線端末１１
のＲＯＭの消去等の操作を実施する。

【００２９】なお、認証用データの受信誤り率と、既知
ビットを測定して得た受信誤り率の２つを比較し、認証
用データの受信誤り率が既知ビットを測定して得た受信
誤り率と同程度かそれ以下であれば、誤りは伝送路で生
じたものであって、無線端末１１で不正な鍵による暗号
化が行われたものではないとして、無線端末１１を正当
なものと認めるようにしてもよい。

【００３０】正当な無線端末と認証された場合には通信
フェーズへ入る。以下、この通信フェーズについて述べ
る。

【００３１】この通信フェーズでは、基本的に伝送路の
ビット誤りが波及しないＯＦＢモード、もしくは処理時
間消費電流の点で有利な周波数スクランブルや、非線形
フィードバックシフトレジスタを利用したストリーム暗
号を使用して伝送が行われる。この通信フェーズにお
いて、伝送する情報の内容、伝送路の状況によって、使
用する暗号利用モードを適宜変更する。

【００３２】通信フェーズにおいて、制御情報や端末Ｉ
Ｄ、課金情報等の重要なデータは、１ビットたりとも誤
りなく伝送することが望ましいが、無線通信システムの
場合、劣悪な伝送路状態のため、適宜ＡＲＱを行う必要
がある。本実施例においては、このような送信情報に対
してはＥＣＢモードで伝送を行う。

【００３３】ＯＦＢモードでは、受信誤りを許容できな
い重要な情報部分に伝送路でビット誤りを生じていて
も、誤り波及効果がないので、復号出力の誤り数は伝送
路でのビット誤り数と対応している。したがって、重要
な情報部分に誤りを生じても、暗号ブロック内の既知ビ
ットやデータフォーマットに誤り波及が及ばない可能性
があり、重要な情報部分の誤りを見逃す可能性がある。

【００３４】これに対して、ＥＣＢモードを使用した伝
送では、伝送路での１ビット誤りが復号後受信情報全体
に波及するため、既知ビットや送信データのデータフォ
ーマットを観測することによって、重要な情報部分に誤
りが生じていることを知ることができる。この方法で
は、ＣＲＣ等の冗長ビットを付加することなく、制御信
号部分の誤りを検出できる。

【００３５】前述したように、音声通話時、データ送信
時、制御信号送信時、認証信号送信時等、伝送する情報
の内容に応じて暗号モードを選択する操作は、無線基地
局７の要求によって自動的に選択される。もしくは、デ
ータ送信時に無線端末１１の使用者からの要求によっ
て、無線端末１１の入力装置３７によって選択する。も
しくは、無線端末１１に音声データ識別装置を設け、予
め定められたプログラムに従って自動的に選択できるよ
うにしてもよい。

【００３６】なお、データ伝送中においても、随時交信
中の相手端末の認証を行うことがセキュリティー上望ま
しい。本実施例においては、無線端末１１もしくは無線
基地局７からの要求によって、ＯＦＢモードを暗号利用
モードとし、無線端末１１および無線基地局７間で既知
データ系列の送受信を行う。ＯＦＢモードでは、伝送路
の誤りが暗号復号後の誤りとなるため、データ系列を観
測することにより、受信誤りの検出を行うことができ
る。すなわち、無線基地局７および無線端末１１内の受
信電界強度検出回路３１、５１によって検出された受信
レベルと、受信誤り率とを記憶回路３５、５５に記憶さ
れている電界強度対受信誤り率データとを参照すること
により、受信電界強度が受信器の受信感度レベルよりも
十分に高いにもかかわらず、受信誤りが生じている場合
には、交信中の端末を偽端末と判定する。

【００３７】ここで、受信電界強度が受信器の受信感度
レベルよりも十分に高いにもかかわらず、受信誤りが生
じている場合、交信中の端末が偽端末であるという以外
に、例えば伝送路で生じるマルチパスの影響を受けてい
ることが考えられる。これは、マルチパスの影響でビッ
ト落ちや偽ビット挿入が生じ、プロック同期が不可能に
なっているからである。このような場合、無線基地局
７、無線端末１１からの要求によって、同期はずれに強
い１ビットＣＦＢモードの使用要求を行う。１ビットＣ
ＦＢモードでは、このような同期はずれから抜け出す能
力を備えているので、このモードを選択することによっ
て、受信誤りが同期はずれによる誤りであるか、、ある
いは交信中の端末が偽端末であるかを判定することもで
きる。また、再送要求を行う場合、暗号利用モードの
変更は、無線基地局７からの要求によって自動的に設定
してもよいし、無線端末１１で暗号利用モードを入力装
置３７によって変更できるようにしてもよい。

【００３８】かくして本実施例では、信頼性のある通信
が可能で、柔軟なサービスが提供できる。

【００３９】以上、無線基地局７から無線端末１１を認
証する場合について説明したが、逆に無線端末１１から
無線基地局７を認証することも必要となる。

【００４０】すなわち、近年、携帯電話、テレポイント
等に見られるように、周波数の有効利用と、端末の小形
化に伴うバッテリーの寿命の問題から送信電力を押さえ
るために、従来よりもさらにセル半径を小さくした、い
わゆるマイクロセル方式が主体となってきている。従
来、無線基地局は、サービス事業者の建物の屋上等に設
置されてきていたが、極小ゾーンにおいては、基地局の
大きさは、小形のものとなり、設置場所が増すことによ
って、必ずしも全ての基地局が、サービス事業者の目の
行き届く場所に設置されるとは限らないような状況が多
くなることが予想される。このような無線基地局は、従
来の無線通信システムでは考えられなかった、盗難、改
造、さらには子局端末の情報を盗み出すための装置とし
て悪用される恐れが出てくる。このような理由から、無
線端末１１から無線基地局７を認証する必要性が出てく
る。無線端末１１から無線基地局７を認証する場合に
は、前述した手順を逆にすればよい。

【００４１】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように本発明によ
れば、秘話性に優れ、信頼性が高く、柔軟なサービスを
行うことができる無線通信システムを提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る無線通信システムの
概略構成を示す図

【図２】無線端末１１の構成を示すブロック図

【図３】無線基地局７の構成を示すブロック図

【図４】無線端末１１と無線基地局７との間で行われ
る暗号通信を示す図

【図５】無線基地局７と無線端末１１との間の通信シ
ーケンスを示す図

【図６】ＯＦＢモードによる通信シーケンスを示す図

【図７】ＥＣＢモードによる通信シーケンスを示す図

【符号の説明】

１………公衆網３………無線制御局７………無線基地局１１………無線端末２１、４１………アンテナ２３、４３………無線回路２５、４５………変復調回路２７、４７………暗号化復号化回路２９、４９………制御回路３１、５１………受信電界強度検出回路３３、５３………伝送路推定回路３５、５５………記憶回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者尾林秀一神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】無線基地局と移動体端末との間で通信を
行う無線通信システムにおいて、発呼時において無線基地局と移動体端末との間で暗号を
用いて認証ができない場合、異なる暗号を用いて認証を
行うことを特徴とする無線通信システム。