專利名稱：用于加密蜂窩通信的隨機(jī)數(shù)生成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信網(wǎng)絡(luò)。具體說，本發(fā)明涉及一種以生成用于加密無線通信系統(tǒng)中傳輸為目的的隨機(jī)數(shù)據(jù)的新穎和改進(jìn)的方法。
背景技術(shù)：
無線通信的加密方案要求連續(xù)的隨機(jī)數(shù)據(jù)庫。有許多方法可以通過軟件產(chǎn)生具有良好頻譜特性的位。然而，任何軟件產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)基本上一定是偽隨機(jī)的，而不是真正的隨機(jī)，因為由軟件產(chǎn)生的所有數(shù)字序列都有周期性。這種偽隨機(jī)序列容易被第三方解讀。只有硬件生成的數(shù)據(jù)才可能是數(shù)學(xué)上隨機(jī)的。雖然，其他技術(shù)，例如使用按鍵電壓跳動或按鍵之間的延遲，已為人們所熟知，和這些或是偽隨機(jī)或不能提供連續(xù)隨機(jī)數(shù)據(jù)的技術(shù)相比，本發(fā)明還是具有顯著的優(yōu)勢。
當(dāng)前，還不存在一種理想的方法能夠從已有無線電話硬件中連續(xù)產(chǎn)生足夠的真實隨機(jī)數(shù)供給用于加密無線通信。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種用于通過使用傳統(tǒng)無線電話中已經(jīng)可用的硬件產(chǎn)生連續(xù)隨機(jī)數(shù)據(jù)位庫用于無線通信加密的新穎和改進(jìn)的方法。特別地，本發(fā)明使用傳播路徑的隨機(jī)性質(zhì)以及接收器的前端和它們在所接收信號特征上的影響來產(chǎn)生一組隨機(jī)數(shù)。本發(fā)明依據(jù)CDMA無線電話進(jìn)行描述，但其原理也很容易適用于其他無線調(diào)制技術(shù)。


結(jié)合附圖通過下面給出的詳細(xì)描述，本發(fā)明的特點、目標(biāo)和優(yōu)點將變得更明顯，圖中相同的標(biāo)號字符在整個說明中對應(yīng)一致圖1是本發(fā)明隨機(jī)數(shù)據(jù)采集方法的高層流程圖。
圖2是通過CDMA硬件設(shè)備的部分CDMA電話信號路徑的簡化圖。
圖3是接收自動增益控制電路的設(shè)備圖。
圖4是I/Q DC補(bǔ)償校正環(huán)路的設(shè)備圖。
圖5是時間跟蹤環(huán)路的設(shè)備圖。
具體實施例方式
圖1示出產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù)庫的示范方法的高層概述，通常需要用于來自公共CDMA電話硬件的加密。通過忽略或重新排列所說明的步驟，并且在不背離本發(fā)明范疇的情況下，可以很容易對該方法進(jìn)行修改。本發(fā)明在CDMA電話范圍中描述。然而，本發(fā)明同樣適用于其他調(diào)制技術(shù)。
在當(dāng)前的CDMA系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)以20微秒幀進(jìn)行發(fā)送。本發(fā)明的方法能夠在正常電話呼叫期間使用CDMA可用變量為等于20微秒的每個幀產(chǎn)生4個隨機(jī)數(shù)據(jù)位。本發(fā)明從所接收的信號中存在的真實隨機(jī)源產(chǎn)生數(shù)據(jù)，這些所產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)據(jù)位集中在隨機(jī)數(shù)據(jù)庫中，并且可用于加密處理。
在框100中，在示范實施例中，CDMA電話的接收自動增益控制(AGC)電路用于每20微秒產(chǎn)生2個隨機(jī)數(shù)據(jù)位。從接收AGC電路中產(chǎn)生隨機(jī)位在圖3中有詳細(xì)描述。自動增益控制單元在無線電話中用于將提供給解調(diào)器的帶內(nèi)能量保持在固定水平。由于傳播路徑中屏蔽、衰減和多路徑現(xiàn)象的變化，使得所接收的帶內(nèi)能量以隨機(jī)方式衰減。所接收的帶內(nèi)能量依據(jù)AGC的可變增益放大器進(jìn)行歸一化以提供第一組隨機(jī)位。因為可變增益放大器的增益持續(xù)變化，本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員可以理解可以以任意速率從AGC中提取隨機(jī)變量。而且，在隨機(jī)數(shù)生成器中可以提取超過或少于2個位。
在框102中，在示范實施例中，CDMA電話的同相(I)/正交相(Q)DC補(bǔ)償校正環(huán)路用于每20微秒產(chǎn)生一個隨機(jī)數(shù)據(jù)位。從補(bǔ)償校正環(huán)路元件中產(chǎn)生隨機(jī)位在圖4中有詳細(xì)描述。DC補(bǔ)償校正環(huán)路元件在無線電話中用于在模-數(shù)轉(zhuǎn)換206期間校正引入給所接收信號的較小DC補(bǔ)償。在隨機(jī)方式中，由于轉(zhuǎn)換處理對模擬信號特性的影響，給數(shù)字信號加入DC補(bǔ)償。DC補(bǔ)償校正環(huán)路依據(jù)增益放大和總和將所轉(zhuǎn)換信號的平均值歸一化為0以提供附加隨機(jī)位。因為DC補(bǔ)償是連續(xù)變化，本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員可以理解可以以任意速率從DC補(bǔ)償校正環(huán)路中提取隨機(jī)變量。而且，在隨機(jī)數(shù)生成器中可以提取超過或少于1個的位。
在框104中，在示范實施例中，CDMA電話的時間跟蹤環(huán)路用于每20微秒產(chǎn)生一個隨機(jī)位。從時間跟蹤環(huán)路元件中產(chǎn)生隨機(jī)位在圖5中有詳細(xì)描述。時間跟蹤環(huán)路元件在無線電話中用于不考慮傳播路徑延遲的波動而保持位同步。由于傳播路徑中屏蔽、衰減和多路徑現(xiàn)象的變化，使得傳播路徑延遲以隨機(jī)方式變化。時間跟蹤環(huán)路通過求和和尺度變化對所接收的信號進(jìn)行采樣和調(diào)整以提供附加隨機(jī)位。因為傳播路徑延遲是隨機(jī)變化的，因而，本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員可以理解可以以任意速率從時間跟蹤環(huán)路中提取隨機(jī)變量。而且，在隨機(jī)數(shù)生成器中可以提取超過或少于1個的位。
通過對接收AGC電路、同相/正交(I/Q)DC補(bǔ)償校正環(huán)路以及時間跟蹤環(huán)路的新穎使用，本發(fā)明的示范實施例在電話使用期間每幀間隔中產(chǎn)生4個隨機(jī)數(shù)據(jù)位。因為數(shù)據(jù)由硬件產(chǎn)生，它是真實隨機(jī)的，而不是軟件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，軟件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)其本質(zhì)上一定是偽隨機(jī)的。這種偽隨機(jī)數(shù)據(jù)序列非常容易被第三方解讀，而由本發(fā)明產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)據(jù)則不會。
圖2說明了在公共CDMA電話接收硬件設(shè)備的簡化部分信號路徑。圖2示出僅通過本發(fā)明使用的硬件產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù)的信號路徑。
天線202是變換器，它將RF(射頻)場轉(zhuǎn)換為AC(交流電)或反之亦然。接收天線截取RF能量，并且將AC傳送給電子裝置。所接收的模擬信號到達(dá)天線元件202，并且由接收解調(diào)器元件204下變頻為基帶模擬信號。在下變頻之后，信號傳送給模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器元件206。
模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路元件206將經(jīng)解調(diào)的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并且執(zhí)行附加處理。在模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換期間，給信號引入較小的直流電(DC)補(bǔ)償。在轉(zhuǎn)換信號之后，將數(shù)字化信號同時傳送給電話中的接收AGC電路元件208、DC補(bǔ)償校正環(huán)路元件210以及時間跟蹤環(huán)路元件212，在電話中，每接收到一幀就會生成隨機(jī)的數(shù)據(jù)位。每個新生成的隨機(jī)數(shù)據(jù)位輸入給隨機(jī)數(shù)選擇子系統(tǒng)元件214。
隨機(jī)數(shù)選擇子系統(tǒng)元件214由數(shù)字移位寄存器組成，在每次輸入新隨機(jī)位并移位時，寄存器就會生成新的隨機(jī)數(shù)。在示范實施例中，輸入和移位操作每20微秒發(fā)生一次。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員可以理解在此描述的原理可以用于提供其他時間間隔的隨機(jī)位。每20微秒，新的隨機(jī)數(shù)就提供給加密元件218。
標(biāo)準(zhǔn)的未加密無線傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好由數(shù)據(jù)生成元件216加密。標(biāo)準(zhǔn)傳輸數(shù)據(jù)可以包括數(shù)字化語音或其他通信數(shù)據(jù)。由數(shù)據(jù)生成元件216產(chǎn)生的未加密數(shù)據(jù)傳送給加密元件218。加密元件218采用數(shù)據(jù)加密處理，該處理使用由隨機(jī)數(shù)選擇子系統(tǒng)214產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)庫來加密標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。加密器218的經(jīng)加密數(shù)據(jù)輸出傳送給發(fā)送器元件220。
發(fā)送器元件220對經(jīng)加密的信號進(jìn)行調(diào)制，并且對其進(jìn)行處理用于由發(fā)送天線元件222發(fā)送。
元件222是裝置發(fā)送天線。將經(jīng)調(diào)制的加密信號提供給發(fā)送天線元件222，并生成RF電場。
圖3說明在本發(fā)明的示范實施例中用于每20微秒從輸入給接收AGC 208的解調(diào)數(shù)字接收信號生成2個隨機(jī)數(shù)據(jù)位的裝置。元件302說明了傳送給AGC電路的接收I/Q數(shù)據(jù)輸入路徑。I/Q數(shù)據(jù)是指由正交相移鍵控(QPSK)解調(diào)產(chǎn)生的同相和正交相數(shù)據(jù)采樣。AGC電路的功能是提供用于解調(diào)的恒定能量信號。在這種情況下，AGC 208從原始碼片級輸入I/Q采樣302產(chǎn)生隨機(jī)變化中間輸出，稱為接收AGC調(diào)整位(RX AGC ADJ)310。在CDMA技術(shù)中，時間通常以碼片單位進(jìn)行測量。其中，CDMA頻率為1.2288MHz，1碼片＝1/(1.2288MHz)＝813.8納秒。
在增益級元件中，所接收的信號與增益值進(jìn)行相乘。增益值依據(jù)無線電話硬件參數(shù)進(jìn)行變化。增益值根據(jù)硬件部件的內(nèi)部數(shù)字表示進(jìn)行變化。在部件中所表示的數(shù)字范圍由分配用于代表該值的位數(shù)決定。例如，4位數(shù)部件的范圍可以在-7到7，而8位微處理器的范圍可以在-128到128。如果部件值的范圍與無線電話控制微處理器裝置的范圍不匹配，為了使用控制微處理器的全部值域，對這些值進(jìn)行按比例增加或減少，因而不會丟失信息。
求和元件306每20微秒就將I/Q采樣和先前的采樣相加。將信號傳送給低噪聲放大器(LNA)以及接收線性元件308，它在本實施例中每20微秒就產(chǎn)生8個RX AGC ADJ位。元件308也對用于輸入給脈沖密度調(diào)制(PDM)元件312的信號進(jìn)行線性化。
PDM 312將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬，用于給其他不包含隨機(jī)數(shù)生成的硬件使用。
RX_AGC_ADJ的兩個最低有效位(LSB)以對應(yīng)于接收信號中白噪聲瞬時變化的方式進(jìn)行抖動。因為這兩個位是從數(shù)學(xué)上隨機(jī)白噪聲中獲得，因而可以示出它們也是數(shù)學(xué)上的隨機(jī)。
由接收AGC產(chǎn)生的隨機(jī)位提供給隨機(jī)數(shù)選擇子系統(tǒng)214。
圖4說明本發(fā)明示范實施例用于每20微秒從輸入給DC補(bǔ)償校正環(huán)路的經(jīng)解調(diào)數(shù)字接收信號中產(chǎn)生1個隨機(jī)數(shù)據(jù)位的裝置。DC補(bǔ)償校正環(huán)路的功能是校正由模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換處理所引入的I/Q補(bǔ)償。在輸入信號通過DC補(bǔ)償校正環(huán)路之后，I/O補(bǔ)償具有0的平均值。
RX數(shù)據(jù)，元件404將所接收的I/Q數(shù)據(jù)輸入給DC補(bǔ)償校正環(huán)路210。
接收頻譜倒置位生成器402向DC補(bǔ)償校正環(huán)路210提供接收頻譜倒置位輸入。頻譜倒置位取1或0值。頻譜倒置位用于從QPSK調(diào)制數(shù)據(jù)中提取I和Q分量。
DC環(huán)路增益元件408是DC補(bǔ)償校正環(huán)路210的第一增益級，它將輸入接收信號乘以頻譜倒置位。相乘的輸出產(chǎn)生所接收信號的I和Q分量。
增益級元件410是DC補(bǔ)償校正環(huán)路210的第二增益級。增益級元件410將所接收的信號乘以DC環(huán)路增益值。DC環(huán)路增益值依據(jù)CDMA硬件參數(shù)進(jìn)行變化。增益值根據(jù)硬件部件的內(nèi)部數(shù)字表示進(jìn)行變化。在部件中所表示的數(shù)字范圍由分配用于代表該值的位數(shù)決定。例如，4位數(shù)部件的范圍可以在-7到7，而8位微處理器的范圍可以在-128到128。如果部件值的范圍與無線電話控制微處理器裝置的范圍不匹配，為了使用控制微處理器的全部值域，對這些值進(jìn)行按比例增加或減少，因而不會丟失信息。
求和元件412每20微秒就將相乘的I/Q采樣和先前的采樣相加。元件412產(chǎn)生9位值用于輸入給脈沖密度調(diào)制器(PDM)元件414。
PDM 414將補(bǔ)償校正信號轉(zhuǎn)換為模擬，用于給其他不涉及隨機(jī)數(shù)生成的硬件使用。
在示范實施例中，DC補(bǔ)償校正環(huán)路用于通過提取由加法器412產(chǎn)生的總和值的最低有效位(LSB)，每20微秒產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù)的一位。9位總和的LSB是真正隨機(jī)的，因為當(dāng)它被量化，它具有輸入信號DC補(bǔ)償分量的瞬時變化。
由DC補(bǔ)償校正環(huán)路產(chǎn)生的隨機(jī)位提供給隨機(jī)數(shù)選擇子系統(tǒng)214。
圖5說明本發(fā)明示范實施例用于每20微秒從輸入給時間跟蹤環(huán)路212的經(jīng)解調(diào)數(shù)字接收信號中產(chǎn)生1個隨機(jī)數(shù)據(jù)位的裝置。時間跟蹤環(huán)路212的功能是跟蹤在隨時間流逝的接收信號傳送延遲中的變化。在所接收CDMA信號中的傳送延遲對于每個位來說并不相同，并且隨機(jī)變化。
為了跟蹤隨機(jī)變化傳播延遲，時間延遲環(huán)路接收每個被接收的I/Q采樣，并且通過將其前推半個碼片以產(chǎn)生前一I/Q采樣501，而通過后移半個碼片產(chǎn)生后一采樣503。
前采樣(502-504)以及后采樣(506-508)在乘法器502、504、506、508中進(jìn)行平方，經(jīng)平方的前I和Q采樣在求和器510中進(jìn)行相加以產(chǎn)生前采樣中的能量。經(jīng)平方的后I和Q采樣在求和器512中進(jìn)行相加以產(chǎn)生后采樣中的能量。減法器514為尺度變換元件516提供前和后采樣的能量偏差。
尺度變換元件516對能量值的偏差進(jìn)行尺度變換以產(chǎn)生時間跟蹤的相位值。在示范實施例中，時間跟蹤相位值為16位數(shù)。因為相位值是從所接收信號中固有的數(shù)學(xué)上隨機(jī)的傳播延遲中獲得，因而可以示出其LSB位也是數(shù)學(xué)上隨機(jī)的。
由時間跟蹤環(huán)路產(chǎn)生的隨機(jī)位提供給隨機(jī)數(shù)選擇子系統(tǒng)214。
雖然，本發(fā)明是在通過使用接收AGC電路、DC補(bǔ)償環(huán)路以及時間跟蹤環(huán)路來開發(fā)CDMA信號的隨機(jī)特性，從而產(chǎn)生連續(xù)數(shù)學(xué)上隨機(jī)數(shù)據(jù)的范圍中進(jìn)行描述，但本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員可以理解本發(fā)明的示例可以很容易地拓展到其他無線通信硬件以及信號特性例如頻率跟蹤環(huán)路、搜索器處理以及熱噪聲等。
前面對較佳實施例的描述是用于讓本領(lǐng)域的任意熟練技術(shù)人員能制造和使用本發(fā)明。對于本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員來說，對這些實施例各種修改將是顯而易見的，并且在不使用創(chuàng)造性的情況下，在此所定義的一般原理可以應(yīng)用于其他實施例。這樣，本發(fā)明并不是要局限于在此所示出的實施例，而是符合與在此所揭示的原理和新穎特征關(guān)聯(lián)的最寬范疇。
權(quán)利要求
1.一種用于在無線通信裝置中產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù)位的方法，其特征在于，所述方法包括下述步驟產(chǎn)生所接收的信號；和從所述經(jīng)處理的接收信號提取所述隨機(jī)數(shù)據(jù)位。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，處理所述所接收信號的所述步驟包括用接收自動增益控制電路處理所述所接收信號的步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，處理所述所接收信號的所述步驟包括用DC補(bǔ)償校正環(huán)路處理所述所接收信號的步驟。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，處理所述所接收信號的所述步驟包括用時間跟蹤環(huán)路處理所述所接收信號的步驟。
5.一種加密系統(tǒng)，其特征在于，包括隨機(jī)數(shù)選擇器子系統(tǒng)，用于從現(xiàn)有無線電話硬件中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)位生成隨機(jī)數(shù)；以及加密器，用于使用所述隨機(jī)數(shù)對信號進(jìn)行加密。
6.如權(quán)利要求5所述的加密系統(tǒng)，其特征在于，所述現(xiàn)有無線電話硬件包括接收自動增益控制電路。
7.如權(quán)利要求5所述的加密系統(tǒng)，其特征在于，所述現(xiàn)有無線電話硬件包括DC補(bǔ)償校正環(huán)路電路。
8.如權(quán)利要求5所述的加密系統(tǒng)，其特征在于，所述現(xiàn)有無線電話硬件包括CDMA時間跟蹤環(huán)路電路。
全文摘要
在無線通信中,發(fā)送裝置需要連續(xù)提供用于加密處理的隨機(jī)數(shù)據(jù)。本發(fā)明提供了一種用于使用在傳統(tǒng)CDMA電話中已經(jīng)使用的硬件產(chǎn)生連續(xù)真正隨機(jī)的數(shù)據(jù)庫。
文檔編號H04K1/02GK1382273SQ00814411
公開日2002年11月27日 申請日期2000年10月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月18日
發(fā)明者S·薩卡爾 申請人:高通股份有限公司