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JP3258670B2 - 情報の暗号化の方法 - Google Patents

情報の暗号化の方法

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JP3258670B2
JP3258670B2 JP51334097A JP51334097A JP3258670B2 JP 3258670 B2 JP3258670 B2 JP 3258670B2 JP 51334097 A JP51334097 A JP 51334097A JP 51334097 A JP51334097 A JP 51334097A JP 3258670 B2 JP3258670 B2 JP 3258670B2
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ボディン，ローランド
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テレフオンアクチーボラゲツト エル エム エリクソン（パブル）
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は時分割多元接続型式（TDMA方式）の移動無線
システムにおける固定回路網と移動局との間の情報の暗
号化の方法に関する。
より詳しくは、本発明は、回路網による移動体につい
ての、多数のタイムスロットが同じ使用者（移動局）に
対して使用される時、より安全なやり方で伝送される情
報を暗号化する方法に関する。
背景技術の説明 欧州において一般的なGSM回路網は時分割多元接続（T
DMA）を使用する移動無線回路網である。他の移動無線
回路網の様にGSM回路は授権検査と伝送されるメッセー
ジの暗号化を採用する。GSM回路網に関して、このこと
は、1994年５月にETSI（欧州電気通信標準化機構）によ
り発行された「GSM仕様書03.20」に規定され、以下これ
をETSI/GSM03.20と呼ぶ。授権検査と暗号化において使
用される種々のアルゴリズムはこの参考文献に記載され
ている。
アルゴリズムA3は回路網と加入者装置の間の実際の授
権検査を行うのに使用され、アルゴリズムA5は伝送され
るべきペイロード（payload）情報の暗号化のために使
用され、またアルゴリズムA8は、加入者授権キーKiと乱
数変数RANDから、暗号化キーKcを形成するため使用され
る。
一般に、与えられた接続に対してフレーム当たり１個
のタイムスロットのみがTDMA型式の時分割移動無線シス
テムにおいて使用され、これはETSI/GSM05.02を見よ。
２個又はそれより多いタイムスロットで必ずしも連続
的でないタイムスロットを伝送フレームにおいて使用す
ることが提案されており、これについては1995年８月29
日付のETSI/STC SMG3、Ｔ doc SMG3 WPA95A（ノキ
ア（Nokia）電気通信）を見よ、特にポイント５「HSCSD
アーキテクチャ」を見よ。これは単位時間当たり大量の
情報を伝送可能にする利点を提供する（特にデータ伝送
に適用できる）が、帯域幅を増加する欠点をもつ。
発明の要約 GSMシステムにおいて、前述に従って、一つの同じ無
線伝送に対して１個のタイムスロットではなくて２個又
はそれより多いタイムスロットを含めることは、暗号化
と授権検査を採用しようとする時に何等かの問題を生じ
る。
最も明白な手順はタイムスロットの各々を別個に処理
し、情報を前に知られた原理に従って処理することであ
ろう。しかしこの様な手順は、現存するシグナリングプ
ロトコル及び回路網側と移動局側の両方の機器の徹底的
な修正を必要とする。
現存する標準及び機器に対するこの様な修正を可能な
最大限に避けることが望ましい。同一のフレーム内の全
部のタイムスロットに対して及びある与えられたフレー
ム番号に対して同じ疑似ランダムシーケンスの使用が、
上述のETSI文献、ETSI/T doc SMG3、「第一HSCSD段階
２草案」に提案されている。この方法についての欠点
は、暗号化の安全と手順の簡単性との間の妥協を必要と
する事である。同一の使用者に属する２つの別個のバー
ストが、このやり方で、同じ暗号化シーケンス（疑似ラ
ンダムシーケンス）を使用して伝送されると、この暗号
化の影響は、簡単なEXOR演算を実行することにより比較
的簡単に除去できる。
本発明の目的は、従ってシグナリングプロトコル及び
／又はシステム機器に本質的な変更を必要とすることな
く同一の伝送に対して２個又はそれより多いタイムスロ
ットが使用されるTDMA型式の移動無線システムにおける
信頼性のある暗号化の方法を提供することである。
これに関して、本発明の方法の特徴は請求項１に述べ
られている。本発明の別の方法の特徴は請求項３に述べ
られている。その上の本発明の方法の特徴は請求項４及
び５に述べられている。
図面の簡単な説明 上述の本発明の方法を添付の図面を参照してより詳細
に説明する。
図１は、移動無線システムにおいて授権検査手順の間
の回路網側と移動局側の間のシグナリングを概略的に示
す。
図２は、図１に示すシステムにおける既知の情報暗号
化を示すブロック図である。
図３は、本発明の２つの方法において使用されるアル
ゴリズムを象徴するブロック図である。
図４は、本発明の第３の方法において使用されるアル
ゴリズムを象徴するブロック図である。
好ましい実施例の詳細な説明 図１は、移動無線システム、例えばGSMシステムの簡
単化された概略図である。このシステムは回路網側「回
路網」と移動局側「移動体」をもつ。回路網側は基地局
システムBSSを含み、これは移動交換センタMSCに接続さ
れ、これは次に公衆電話網（図示なし）に接続される。
基地局システムBSSは、典型的には基地トランシーバ局B
TSと基地局コントローラBSC（図示なし）を含む。実際
には、複数の基地局システムが回路網側上で移動交換セ
ンタMSCに接続され、他方移動局側は複数の移動局を含
み、これらは基地局システムBSSと同時に通信できる。
回路網側と移動局側は、図１で参照符号TRで表される空
中インタフェースを越えて無線信号により情報を伝送す
る。
実際の情報が回路網と所定の移動局MSの間で送信され
受信される前に回路網は移動局MSの授権を検査する義務
がある。この授権検査は既知の原則に従って実施され、
これにより回路網、即ち基地局システムBSSは、乱数
（いわゆる「ランダム呼び掛け」）RANDを専用の制御チ
ャネルDCCHに載せて移動局MSへ送る。
移動局MSは乱数RANDを受け、この乱数から及び移動局
自身のキーKiから、上述のETSI/GSM03.2.の第50頁に記
載される様な所定のアルゴリズムA3に従い応答SRES（署
名された応答）を形成する。
同時に、移動局MSは別のアルゴリズムA8に従いキーKi
から暗号化キーKcをコンパイルし、応答SRESのみが基地
局システムBSSに送られるが、他方では暗号化キーKcは
移動局において以下に述べる様に実施される暗号化にお
いて使用される。基地局システムBSSにおいては、移動
局MSにおいて発見される同じ従来のアルゴリズムA3及び
A8に従い移動交換センサ（MSC）により計算されたSRES
の対応する値と比較がなされる。一致する結果が得られ
ると、移動局は授権されたと認められ、通信が継続でき
る。継続された情報伝送はその後、ETSI/GMS03.20の第4
8−49頁に記載される様に所定のアルゴリズムA5に従っ
て暗号化される。
この様に、回路網はアルゴリズムブロックANを含み、
これはアルゴリズムA3及びA8を記憶し、これに従い授権
検査を行い、アルゴリズムA5に従い暗号化を行う。移動
局MSは対応するアルゴリズムブロックAMを含み、これは
記憶し、同じアルゴリズムA3及びA8に従い授権検査を実
行し、アルゴリズムA5に従い暗号化を行う。
暗号化キーKcは、移動電話交換センタに知られている
移動局の暗号化キーKiに基づいて移動交換センタ（MS
C）により発生する。授権検査を行うのに引き続いて、
（アルゴリズムA5）、移動電話交換センタMSCはキーKc
を基地局システムBSSに送り、ペイロード情報の暗号化
は同意された暗号化キーKcの援助により開始することが
できる。
図２は、ペイロード情報が暗号化され、上述のノキタ
（NOKITA）提案に従い２個のタイムスロットTS1、TS2に
より伝送するためフォーマットされるやり方を概略的に
示す。
通常、ペイロード情報は、例えば音声フレームから各
々が114ビットの１個又はそれより多いブロックに分割
される。１個のこの様なブロックはアルゴリズムA5に従
い暗号化され、与えられたタイムスロットのバーストの
間中に送られ、別の隣接するブロックと相互薄層構造と
するのは随意である。次の暗号化されたブロックがこれ
に従う。図２に示す様に、与えられたフレーム内の２個
のタイムスロットが利用できるときは、一つの情報ブロ
ックは今や２個のサブブロックB1とB2に分割され、各々
は114ビットを含み、また各ブロックは図２に示す２つ
のEXOR演算を実行することにより、通常の様に114ビッ
トの同じ疑似ランダムシーケンスPSで暗号化される。
疑似ランダムシーケンスPSは、タイムスロットTS1、T
S2がその中に位置しているフレームであってそれらの情
報（ブロックB1とB2）が暗号化されるフレームの順序数
FNから得られる。２個の暗号化された情報ブロックBK1
とBK2が得られ、これらのブロックは次に既知のやり方
（図２でＸの印あり）で同期及びトレイニング（traini
ng）シーケンスを挿入することによりフォーマットが作
られる。前に述べた様に、この暗号化方法の欠点は、同
じ暗号化シーケンスが２個の別個のタイムスロットに対
して２回使用されることで、これは暗号化されない情報
が２個のタイムスロットの各々から暗号化された情報の
間のEXOR演算により回復できることを意味する。
本発明によれば、タイムスロットの順序数又はこの数
の等価が暗号化する時に追加のパラメタとしてフレーム
内に挿入される。この結果、同じフレーム内の２個のタ
イムスロットにおいて伝送する時、伝送される情報は独
立して暗号化され、その暗号化保障は、フレーム番号
（暗号化キーに加えて）のみが使用される場合に較べて
更に強化される。もし、通常の様に、使用者がフレーム
当たり１個のタイムスロットのみを使用するならば、使
用者の授権キーは一定のタイムスロットに対して独特で
あるのでタイムスロットに依存した暗号化は必要がな
い。入力パラメタ（コードキーKc、フレーム番号FN）を
本発明に従いフレーム内のタイムスロットの順序数に直
接依存して修正することにより、前述の様に、シグナリ
ングプロトコルに対して、又は無線機器に対して何等本
質的な変更を必要とすることなく元のアルゴリズムを適
用することが可能である。
図３は、本発明に従い修正した入力の大きさと共に元
のアルゴリズムA5の使用を示すブロック図である。
図３におけるブロックABは、GSM03.2.に従って特定さ
れている元のアルゴリズムA5を表す。暗号化キーKcは、
今や関連するタイムスロットの順序数TSn＝TS1に従って
修正され、即ちこの関連するタイムスロットとはその間
に図２に従った最初のブロックB1が送信されるであろう
フレーム内のタイムスロットである（原則は同じである
が、隣接するブロックと相互薄層構造になっている可能
性がある）。これに関し、円１は暗号化キーの修正され
た値Kc′を得るための計算アルゴリズムALG1を表す。同
じアルゴリズムはそのフレーム内の全部のタイムスルッ
トに使用することができ、それにより ALG1（Kc、TSn）＝Kcn′． 全部の暗号化キーを修正する必要はなく、１つのキー
は与えられたタイムスロットに対して通常の暗号化キー
Kcと一致するかも知れない。
同様に、フレームの順序数FNは、そのフレーム内の関
連するタイムスロットの順序数 TSn＝TS1に依存して修
正され、そのフレーム内で図２の第１のブロックB1が送
信される。円２は、フレームの順序数の修正された値F
N′を求めるための計算アルゴリズムALG2を象徴する。
同じアルゴリズムはそのフレーム内の全部のタイムスル
ットに使用することができ、それにより ALG2（FN、TSn）＝FNn′． この２つのアルゴリズムALG1とALG2が等しいことは必
要ない。
更に、修正されたフレーム番号FNn′の１つは通常のF
Nと一致するかも知れない。
上述の両方の場合において、図２に示されるのと同じ
方法で使用される修正された疑似ランダムシーケンスP
S′ｍの形式の出力の大きさが得られる。
シーケンスPS′ｍは、また次のいずれかにより発生で
きることが理解されるであろう。
ａ）修正された値Kc′を暗号化キー上に単独で使用し、
変更されない値FNをフレーム番号上に使用することによ
り、即ちアルゴリズム２は使用されない、又は ｂ）修正された値FN′をフレーム番号FN上に単独で使用
し、変更されない値を暗号化キーKc上に使用することに
より、即ちアルゴリズム１は使用されない。
図４は、図３のブロック図と同様なブロック図である
が、今やアルゴリズムA5へは全く変更されない入力値K
c、FNが与えられる。その代りに、Kc及びFNから得られ
る通常の疑似ランダムシーケンスPSを修正するための円
３で象徴されるアルゴリズムALG3に対する制御値として
タイムスロット順序数TSn（又は前記順序数に等価な
値）が使用される。このアルゴリズムALG3は、新しいシ
ーケンスPS′ｍを得るように、疑似ランダムシーケンス
PSにおける一定の順列、シフト、値の再整理等に含まれ
てもよい。このシーケンスは、再定式化の前に114ビッ
トのブロックに随意に分割してもよく、また１個又はそ
れより多くのブロック内のこれらの値は、新しい値を得
るために各ブロック内の変化しない数のビット（114）
と混合できる。
図３におけるアルゴリズムALG1、２を図４によるアル
ゴリズムALG3と組合わせることも可能である。
上述の提案された方法の実施例は送信の場合に関す
る。着信情報が暗号解読される受信の場合には、KcとFN
の値及びシーケンスPSは、前述の様に同意されたアルゴ
リズムALG1、ALG2及びALG3に従いKc′、FN″、及びPS′
ｍにそれぞれ修正されることは理解されるであろう。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】時分割多元接続概念に従い動作する移動無
    線システムにおける固定回路網（MSC、BSS）と移動局
    （MS）の間に伝送される情報を暗号化する方法であっ
    て、そこに情報は少なくとも２個のブロック（B1、B2）
    に分割され、フレームシーケンスにおける各フレーム中
    の前記ブロックに対応する少なくとも２個のタイムスロ
    ット（TS1、TS2）中で伝送れ、またそこに暗号化は ａ）暗号化キー（Kc）と、情報が伝送されるフレームの
    順序数（FN）とから所定の暗号化アルゴリズム（A5）に
    従い疑似ランダムシーケンス（PS）を形成し、 ｂ）暗号化された情報（BK1、BK2）を得るために、前記
    疑似ランダムシーケンス（PS）と暗号化されていない情
    報の各ブロック（B1とB2）の間で論理演算（EXOR）を遂
    行することにより達成されるものにおいて、 ｃ）修正された暗号化キー（Kc′）を得るように、所定
    のアルゴリズム（ALG1）に従い且つタイムスロット（TS
    n）の順序数に依存して暗号化キー（Kc）を修正し、 ｄ）使用されるタイムスロットの各々から得られる、結
    果としての修正された暗号化キー（Kc′）から且つ前記
    暗号化アルゴリズム（A5）に従って修正された疑似ラン
    ダムシーケンス（PS′ｍ）を形成し、 ｅ）修正された疑似ランダムシーケンス（PS′ｍ）と暗
    号化されていない情報の夫々のブロック（B1とB2）に前
    記論理演算（EXOR）を遂行する、ことを特徴とする情報
    を暗号化する方法。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の方法であって、ｅ）に従
    い遂行される演算を、タイムスロットの順序数が前記修
    正された暗号化キーを形成するため既に使用されたタイ
    ムスロット（TS1）に属する情報ブロック（B1）に対し
    て実行する、ことを特徴とする情報を暗号化する方法。
  3. 【請求項３】時分割多元接続概念に従い動作する移動無
    線システムにおける固定回路網（Ｎ）と移動局（MS）の
    間に伝送される情報を暗号化する方法であって、そこに
    情報は少なくとも２個のブロック（B1、B2）に分割さ
    れ、フレームシーケンスにおける各フレーム中の前記ブ
    ロックに対応する少なくとも２個のタイムスロット（TS
    1、TS2）中で伝送され、またそこに暗号化は ａ）暗号化キー（Kc）と、情報が伝送されるフレームの
    順序数（FN）とから所定の暗号化アルゴリズム（A5）に
    従い疑似ランダムシーケンス（PS）を形成し、 ｂ）暗号化された情報（BK1、BK2）を得るために、前記
    疑似ランダムシーケンス（PS）と暗号化されていない情
    報の各ブロック（B1とB2）の間で論理演算（EXOR）を遂
    行することにより達成されるものにおいて、 ｃ）所定のアルゴリズム（ALG2）に従い且つ関連するタ
    イムスロット（TSn）の順序数に依存して前記フレーム
    番号（FN）を修正し、 ｄ）使用されるタイムスロットの各々に対して修正され
    た得られたフレーム番号（FN′）から且つ前記暗号化ア
    ルゴリズム（A5）に従って修正された疑似ランダムシー
    ケンス（PS′ｍ）を形成し、 ｅ）暗号化されていない情報のそれぞれのブロック（B1
    とB2）に対する該修正された疑似ランダムシーケンス
    （PS′ｍ）に前記論理演算（EXOR）を遂行する、ことを
    特徴とする情報を暗号化する方法。
  4. 【請求項４】時分割多元接続概念に従い動作する移動無
    線システムにおける固定回路網（Ｎ）と移動局（MS）の
    間に伝送される情報を暗号化する方法であって、そこに
    情報は少なくとも２個のブロック（B1、B2）に分割さ
    れ、フレームシーケンスにおける各フレーム中の前記ブ
    ロックに対応する少なくとも２個のタイムスロット（TS
    1、TS2）中で伝送され、またそこに暗号化は ａ）暗号化キー（Kc）と、情報が伝送されるフレームの
    順序数（FN）とから所定の暗号化アルゴリズム（A5）に
    従い疑似ランダムシーケンス（PS）を形成し、 ｂ）前記疑似ランダムシーケンスと暗号化されていない
    情報（INFO1）の各ブロックの間で論理演算（EXOR）を
    遂行することにより達成されるものにおいて、 ｃ）所定のアルゴリズム（ALG1）に従い且つ関連するタ
    イムスロット（TSn）の順序数に依存して前記暗号化キ
    ー（Kc）を修正し、 ｄ）使用されるタイムスロットの各々に対して修正され
    た得られた暗号化キー（Kc′）から且つ前記暗号化アル
    ゴリズム（A5）に従って修正された疑似ランダムシーケ
    ンス（PS′ｍ）を形成し、 ｅ）所定のアルゴリズム（ALG2）に従い且つ関連するタ
    イムスロット（TSn）の順序数に依存して前記フレーム
    番号（FN）を修正し、 ｆ）得られた修正されたフレーム番号（FN′）から前記
    暗号化アルゴリズム（A5）に従って修正された疑似ラン
    ダムシーケンス（PS′ｍ）を形成し、 ｇ）暗号化されていない情報の各ブロック（B1とB2）に
    対する該修正された疑似ランダムシーケンス（PS′ｍ）
    に前記論理演算（EXOR）を遂行する、ことを特徴とする
    情報を暗号化する方法。
  5. 【請求項５】時分割多元接続概念に従い動作する移動無
    線システムにおける固定回路網（Ｎ）と移動局（MS）の
    間に伝送される情報を暗号化する方法であって、そこに
    情報は少なくとも２個のブロック（B1、B2）に分割さ
    れ、フレームシーケンスにおける各フレーム中の前記ブ
    ロックに対応する少なくとも２個のタイムスロット（TS
    1、TS2）中で伝送され、またそこに暗号化は ａ）暗号化キー（Kc）と、情報が伝送されるフレームの
    順序数（FN）とから所定の暗号化アルゴリズム（A5）に
    従い疑似ランダムシーケンス（PS）を形成し、 ｂ）前記疑似ランダムシーケンスと暗号化されていない
    情報（INFO1）の各ブロックの間で論理演算（EXOR）を
    遂行することにより達成されるものにおいて、 ｃ）タイムスロットの順序数（TSn）に依存して前記疑
    似ランダムシーケンス（PS）から修正された疑似ランダ
    ムシーケンス（PS′ｍ）を形成し、該タイムスロット内
    を修正された疑似ランダムシーケンスで暗号化される情
    報ブロック（B1又はB2）が所定のアルゴリズム（ALG3）
    に従って伝送され、 ｄ）暗号化されていない情報の各ブロック（B1とB2）に
    対する該修正された疑似ランダムシーケンス（PS′ｍ）
    に前記論理演算（EXOR）を遂行する、ことを特徴とする
    情報を暗号化する方法。
JP51334097A 1995-09-27 1996-09-18 情報の暗号化の方法 Expired - Lifetime JP3258670B2 (ja)

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CN (1) CN1140974C (ja)
AU (1) AU712649B2 (ja)
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