DE60317195T2

DE60317195T2 - Datenverschlüsselung in der physikalischen Schicht eines Datenübertragungssystems

Info

Publication number: DE60317195T2
Application number: DE60317195T
Authority: DE
Inventors: Dacfey Dzung
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 2003-09-08
Filing date: 2003-09-08
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2023-09-09
Also published as: US7752430B2; EP1513279B1; US20050055546A1; ATE377303T1; ES2295543T3; EP1513279A1; SI1513279T1; DE60317195D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Verschlüsselungstechniken für Datenübertragung. Sie geht von einem Verfahren zum Verschlüsseln von Daten in der physikalischen Schicht eines Datenübertragungssystems aus, wie im Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Sowohl Signale von drahtloser Datenübertragung allgemein als auch Signale von Powerline Communication können mit zweckmäßigen Empfängern leicht abgefangen werden, was Verschlüsselungstechniken erforderlich macht, um für einen gewissen Grad an Vertraulichkeit zu sorgen. Auf die übertragenen Bits wird für gewöhnlich digitale Verschlüsselung in der Verbindungsschicht oder in höheren Protokollschichten des Kommunikationsprotokollstapels angewandt. Blockverschlüsselungstechniken permutieren Blöcke von Bits auf schlüsselabhängige Weise, während Stromchiffrierungen zunächst einen schlüsselabhängigen Pseudozufalls-Binärschlüsselstrom erzeugen, der dann mit der Klartext-Bitfolge XOR-verknüpft wird, um den Schlüsseltext zu erzeugen. Ein separates Schlüsselverwaltungsverfahren gewährleistet, dass sowohl der Sender als auch der berechtigte Empfänger den geheimen Schlüssel kennen und daher einen vertraulichen Datenübertragungsweg herstellen können. Ein Abhörer ohne Zugriff auf den Schlüssel kann den Klartext nicht einfach von einem abgefangenen Schlüsseltext wiederherstellen.
Das Ausführen von Verschlüsselung in einer bestimmten höheren Protokollschicht macht sie anwendungs- oder dienstspezifisch. Andere Dienste, die über unverschlüsselten niedrigeren Protokollschichten ausgeführt werden, bleiben ungeschützt oder müssen ihre eigene Verschlüsselung ausführen. Des Weiteren können einige Datenbits z. B. für Synchronisierung, Adressierung und andere Steuerfunktionen unverschlüsselt bleiben. So sind Abhörer, die so genannte „Sniffer" verwenden, in der Lage, die abgefangenen Datenpakete zu synchronisieren, Steuerinformationen zu lesen und den Binärschlüsseltext zu erhalten, der dann separat einer Kryptoanalyse unterzogen werden kann.
Das Ausführen der Verschlüsselung in der niedrigsten Protokollschicht des Informationstransferverfahrens, d. h. der physikalischen Kommunikationsschicht oder Modemschicht, wo die digitale Modulation stattfindet, überwindet die vorhergehend erwähnten Nachteile. Die US-Patentschrift 6157679 beschreibt ein Verfahren zum Verschlüsseln von Hochfrequenz-(Radio Frequency – RF)Einzelträger-2⁴-QAM-Signalen durch das direkte und sequentielle Übertragen abgeänderter QAM-Konstellationssymbole. Die Abänderung basiert auf einem Binärschlüsselstrom und bringt eine komplexe Konjugation von QAM-Symbolen mit sich, d. h. das Umdrehen des Vorzeichens ihrer Komponenten. Die Ausführung dieses Vorzeichenwechsels ist leicht, da sie keine Berechnung mit sich bringt. Wie bei allen Zeitbereichs-QAM führt indes die Intersymbolstörung der QAM-Symbole sogar ohne Verschlüsselung der QAM-Symbole Komplikationen für die Synchronisierung und Kanalentzerrung für den beabsichtigten Empfänger ein.
US 4 924 516 (1990, AT&T) zeigt ein Einkanal-QAM-Verschlüsselungsverfahren, das eine Phasenänderung und Verstärkungsänderung der QAM-Symbole in Übereinstimmung mit einer Pseudozufallsfolge mit sich bringt.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Datenverschlüsselungstechnik zu schaffen, die verhindert, dass Abhörer sich mit abgefangenen Datenpaketen synchronisieren und die gleichzeitig die Kanalentzerrung durch den beabsichtigten Empfänger erleichtert. Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zum Verschlüsseln von Daten gemäß Anspruch 1 und durch ein Modem zum Entschlüsseln von Daten gemäß Anspruch 7 gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind aus den abhängigen Patentansprüchen ersichtlich.
In der erfinderischen Verschlüsselungstechnik wird eine Verschlüsselung in der physikalischen Kommunikationsschicht mit orthogonalen Frequenzmultiplex-Übertragungschemata (Orthogonal Frequency Division Multiplex – OFDM) kombiniert. OFDM ist eine digitale Modulationstechnik, die besonders an Übertragungskanäle oder -bänder mit frequenzabhängigen Merkmalen (z. B. Rauschabstand), wie drahtlose oder Bowerline-Übertragung angepasst ist. Im Gegensatz zu Einzelträger-QAM, bringt OFDM-Modulation eine Überlagerung verschiedener Unterkanäle oder Zwischenträger mit sich, wobei Störungen zwischen Zwischenträgern vermieden werden und die Zwischenträgerentzerrung durch ein zyklisches Präfix erleichtert wird.
Mit anderen Worten führt die Erfindung Verschlüsselung in der physikalischen Protokollschicht, d. h. direkt auf der digitalen Modulationsebene des OFDM-Modulationsschemas, ein. Zu übertragende OFDM-Symbole umfassen verschiedene zugrunde liegende quadratur-amplitudenmodulierte (QAM) Symbole, die auf eine Weise abgeändert werden, die durch einen Verschlüsselungsschlüssel bestimmt ist. Insbesondere wird das Konzept der Stromchiffrierung insofern geändert, als dass eine verallgemeinerte Schlüsselstromfolge mit den Folgen der zugrunde liegenden QAM-Symbole verkettet wird. Die Erzeugung der Schlüsselstromfolge zieht Nutzen aus bekannten Verfahren zum Erzeugen kryptographisch sicherer Binärschlüsselströme. Das Ausführen der eigentlichen Verschlüsselung ist einfach.
In der vorliegenden Erfindung werden OFDM-Trainingssymbole ebenso wie OFDM-Symbole gewöhnlicher Daten periodisch eingefügt, verschlüsselt und übertragen. Am Empfänger werden die empfangenen OFDM-Trainingssymbole ausgewertet, um die Synchronisierung und Kanalschätzung zu erleichtern.
In einer bevorzugten Variante der Erfindung besteht die Schlüsselstromfolge aus Elementen, die zufällig aus einem Satz von K > 2 unterschiedlichen Werten ausgewählt werden. Dies ermöglicht unterschiedlichere Abänderungen der zugrunde liegenden QAM-Symbole als lediglich eine Änderung des Vorzeichens oder eine komplexe Konjugation, wodurch Signalerfassungsversuche durch einen Abhörer weiter behindert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Verschlüsselungsverfahren aus einer einfachen komplexen Multiplikation mit den Elementen der Schlüsselstromfolge, die durch die digitalen Signalprozessoren, die typischerweise zur Ausführung von OFDM-Modems verwendet werden, effizient ausgeführt werden kann. (Herkömmliche binäre Verschlüsselungsschemata erfordern bitweise Manipulationen, die auf solchen Prozessoren nicht effizient ausgeführt werden können). Wenn die Elemente der Schlüsselstromfolge von gleicher Amplitude sind, bleiben die Amplitude der QAM-Symbole und deshalb die übertragene Leistung der entsprechenden Unterkanäle unverändert.
Im Fall einer zugrunde liegenden 2^mQAM-Modulation, die 2^m Konstellationspunkte (oder potentielle QAM-Symbole) einbezieht, werden die Letzteren symmetrisch in den vier Quadranten der komplexen Ebene verteilt. Wenn die Operation dann einer kongruenten Rotation gleichkommt, befindet sich jedes abgeänderte Symbol wieder an einem regulären Konstellationspunkt. Die Anzahl K unterschiedlicher komplexer Elemente der Schlüsselstromfolge wird daher vorzugsweise auf 4 eingestellt und die Elemente selbst sind Vielfache von π/2. Eine andere mögliche QAM-Konstellation besteht aus 16 mit gleichen Zwischenräumen angeordneten Punkten auf einem Kreis, d. h. eine reine Phasenmodulation. Hier bewahrt K = 16 (Einheitswurzeln) auch die ursprünglichen Konstellationspunkte.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Verschlüsselungsverfahren in einer Pseudozufalls-Permutation der Konstellationspunkte, d. h. die QAM-Symbole werden durch andere QAM-Symbole ausgetauscht. Um die Leistungszuweisung an die Unterkanäle nicht aus dem Gleichgewicht zu bringen, findet die Permutation vorzugsweise zwischen Untermengen von Konstellationspunkten mit gleicher Amplitude statt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden Text mit Bezug auf bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen mit mehr Einzelheiten erklärt, die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind; es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Senderblockdiagramms, und
2 eine schematische Darstellung eines Empfänger blockdiagramms.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und ihre Bedeutungen werden in zusammengefasster Form in der Liste der Bezugszeichen aufgeführt. Grundsätzlich sind identische Teile in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt ein Senderblockdiagramm zum erfindungsgemäßen Aufbauen eines verschlüsselten OFDM-Symbols mit N Zwischenträgern. Die Datenbits, die, zusätzlich zu Bits höherer Schichten, Bits der physikalischen Schicht für die Synchronisierung und Kanalschätzung umfassen, werden an der Datenquelle 10 in Paketen vorbereitet und gehen seriell in den Datenblock von m_n (n = 0..N – 1) Bits ein und werden darin durch einen OFDM-Vektorisierer 11 geteilt. Diese Blöcke werden in einem QAM-Mapper 12 parallel verarbeitet, wobei jedem Block eine komplexe Zahl z_n zugeordnet, d. h. gemäß dem 2^m-QAM-Schema einem QAM-Symbol oder Konstellationspunkt zugeordnet und möglicherweise um eine Verstärkung g_n skaliert wird. Die Anzahl m_n von Bits und die Verstärkung g_n können vom Zwischenträgerindex n abhängig sein, wenn optimierte frequenzabhängige Bit- Loading- und Verstärkungszuteilungs-Schemata verwendet werden.
Im folgenden Verschlüsselungsschritt wird durch einen Verschlüssler 13 auf der Folge komplexer Zahlen z_n durch Multiplizieren mit einer verallgemeinerten komplexwertigen Schlüsselstromfolge {k_n} gearbeitet und es wird eine Schlüsseltextfolge v_n erhalten, d. h. vn = kn·zn
Die Erzeugung von {k_n}, einer k-stelligen Pseudozufallsfolge (Pseudo-Random Sequence PRS) mit z. B. K = 4 oder 8 im Schlüsselstromgenerator 18 wird unten beschrieben. Für den vorliegenden Fall von OFDM weist die bevorzugte Auswahl von {k_n} die folgende Form auf:
wo {φ_n} eine k-stellige Pseudozufallsfolge mit 0 ≤ φ_n < 2π ist. Das zeitdiskrete OFDM-Signal wird dann als eine Überlagerung der N modulierten Zwischenträger erzeugt, d. h.
was am effizientesten durch eine inverse schnelle Fourier-Transformation in IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) 14 berechnet wird. Das Hinzufügen eines so genannten zyklischen Präfixes in einem Präfix-Addierer 15 verringert die Zwischenträgerstörung am Empfänger. Schließlich findet in einem Mischer und Digital-Analog-Wandler (D/A) 16 eine Digital-Analog-Wandlung und möglicherweise ein Mischen oder eine Frequenzumsetzung auf die tatsächliche Trägerfrequenz statt, was das übertragene Signal x(t) ergibt.
Wie vorhergehend erwähnt, wird die Verschlüsselung durch eine k-stellige Schlüsselstromfolge {k_n} oder {φ_n} bereitgestellt. Schlüsselströme sind Pseudozufalisfolgen, die durch einen Verschlüsselungsschlüssel eindeutig bestimmt sind, und sie müssen von großer Länge (Periode) und (bei einem gegebenen Auszug der Folge) für jemanden, der den Verschlüsselungsschlüssel nicht kennt, unvorhersehbar sein. Das Erzeugen von Binärschlüsselströmen für Binärstromchiffrierung ist ein gut bekanntes Thema.
Für die vorliegende Anwendung kann eine k-stellige Schlüsselstromfolge {φ_n} einfach durch die Verwendung von log₂K aufeinander folgenden Ausgangsbits eines Binärschlüsselstrom-Generators erhalten werden. Diese Bits adressieren eine Tabelle mit K Einträgen, die das Mapping auf Werte von φ_n oder auf Re(k_n) = cos(φ_n) und Im (k_n) = sin(φ_n) enthält. Mit vernünftigen Auswahlen der Tabelleneinträge liefern kryptographisch gute Binärfolgen dann kryptographisch gute k-stellige {φ_n}. Offensichtlich muss die Größe des Verschlüsselungsschlüssels, der den Schlüsselstrom {φ_n} bestimmt, groß sein, um Brute-Force-Angriffe zu verhindern, und er sollte vorzugsweise 128 Bits oder mehr umfassen. Auch muss die Periode des Schlüsselstroms eine große Anzahl von OFDM-Symbolen abdecken, wobei für jedes OFDM-Symbol mit N Zwischenträgern N QAM-Symbole z_n, N·log₂(K) Bits des Binärschlüsselstroms verbraucht werden. Der Index n in {k_n} muss deshalb viele solcher OFDM-Symbole überzählen.
Die optimale Auswahl der K Stufen von φ_n (äquidistant zwischen 0 und 2π zugeordnet) ist abhängig von m_n oder, genauer gesagt, von den Konstellationspunkten der 2^m-QAM-Symbole z_n. Zum Beispiel würde die reguläre 2² = 4 Punktkonstellation mit K = 2² = 4 Stufen von φ_n (nämlich 0, π/2, π, 3π/2) kongruent gedreht werden, daher sollte K = 4 ausreichen, um diese QAM-Symbole z_n zu verschlüsseln. Andererseits kann ein höherer Wert von K zu bevorzugen sein, um eine durch einen Abhörer versuchte Leerlauf-Trägersynchronisation zu verhindern.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Empfängers, der im Prinzip einfach die durch den Sender ausgeführten Schritte umkehrt. Das empfangene Analogsignal y(t) wird im Abwärtsmischer und Analog-Digital-Wandler (A/D) 26 abwärts gemischt und digitalisiert und durchquert dann den zyklischen Präfix-Entferner 25. Ein schneller Fouriertransformator 24 berechnet die Symbole y_n(n = 0..N – 1), die dann im Entschlüssler 23 anhand der durch den Schlüsselstromgenerator 28 bereitgestellten Schlüsselstromfolge {k_n} entschlüsselt werden. Schließlich wird das Demapping und Serialisieren im QAM-Demapper 22 und Symbolserialisierer 21 ausgeführt.
Eine Kanalübertragungsfunktion h_n stellt eine mögliche Verzerrung des empfangenen Signals y_n an der n-ten Zwischenträgerfrequenz durch die Ausbreitungsmerkmale des Kanals dar. Daher wird eine Empfängerschätzung v_n der Schlüsseltextfolge angenähert durch: yn = hn·v ^n,und die Verzerrung wird im Entzerrer 30 korrigiert, d. h. die kombinierte Operation
entzerrt und entschlüsselt das QAM-Symbol z_n, das dann in den QAM-Deapper 22 eingegeben werden kann, um schließlich die übertragenen Datenbits wiederherzustellen. Dies erfordert, dass der Empfänger den Verschlüsselungs/Entschlüsselungsschlüsselund auch die genauen Taktgebungsinformationen kennt.
Die Synchronisation zum Erhalten dieser Taktgebungsinformationen und die Schätzung der Kanalübertragungsfunktion h_n sind die zwei entscheidenden Zusatzaufgaben des Empfängers. Wie in 2 bildlich dargestellt, werden diese Aufgaben durch eine(n) Synchronisiereinrichtung/Kanalschätzer 32 ausgeführt. Der Letztere korreliert das empfangene Signal gegen bekannte Repliken von „OFDM-Trainingssymbolen" 31, die der Sender periodisch in die Folge von „OFDM-Datensymbolen" einfügt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, auch die OFDM-Trainingssymbole 31, die zum Unterstützen der Synchronisierung und Kanalschätzung verwendet werden, zu verschlüsseln, d. h. sämtliche Trainingssymbole, die durch den Sender eingefügt werden, sollten durch eine Abänderung basierend auf k_n auf die gleiche Art und Weise wie die normalen Daten tragenden Symbole verschlüsselt werden. Der Empfänger, der sowohl den Schlüsselstrom {k_n} als auch die unverschlüsselten OFDM-Trainingssymbole 31 kennt, ist in der Lage, die verschlüsselten zeitabhängigen Trainingssignale zu erzeugen und diese auf die übliche Art und Weise zur Synchronisierung und Kanalschätzung zu verwenden. Ein Abhörer ohne Kenntnis des Verschlüsselungsschlüssels ist indes nicht einmal in der Lage, das abgefangene Signal zu synchronisieren. Dies stellt eine zusätzliche starke Schutzebene bereit. Vorzugsweise wird sichergestellt, dass der Schlüsselstrom {k_n}, der bekannten Klartext, wie insbesondere die Trainingssymbole 31 verschlüsselt, nicht zur Verschlüsselung anderer Daten wieder verwendet wird.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verschlüsseln von OFDM-Modulation durch Multiplizieren ihrer zugrunde liegenden QAM-Symbole mit einer komplexwertigen verallgemeinerten Schlüsselstromfolge.
Das Ausführen von Verschlüsselung in der physikalischen Schicht gewährleistet, dass alle Dienste und Anwendungen, die über das OFDM-Modem ausgeführt werden, gegen Abhören geschützt werden. Es wird auch vorgeschlagen, Trainingssymbole, die zur Synchronisierung und Kanalschätzung verwendet werden, in die Verschlüsselung einzuschließen. Nur der berechtigte Empfänger, der den Verschlüsselungsschlüssel kennt, ist daher in der Lage, das empfangene Signal korrekt zu synchronisieren und zu demodulieren, wohingegen Angreifer nicht einmal in der Lage sein werden, das verschlüsselte Signal zu erfassen.

10: Datenquelle
11: OFDM-Vektorisierer
12: QAM-Mapper
13: Verschlüssler
14: inverser schneller Fouriertransformator (Inverse Fast Fourier Transformer – IFFT)
15: Präfix-Addierer
16: Mischer und Digital-Analog-Wandler (D/A)
18: Schlüsselstromgenerator
21: Symbolserialisierer
22: QAM-Demapper
23: Entschlüssler
24: schneller Fouriertransformator (Fast Fourier Transformer – FFT)
25: zyklischer Präfix-Entferner
26: Abwärtsmischer und Analog-Digital-Wandler (A/D)
28: Schlüsselstromgenerator
31: OFDM-Trainingssymbole
32: Synchronisiereinrichtung/Kanalschätzer

Claims

Verfahren zum Verschlüsseln von Daten in der physikalischen Schicht eines Datenübertragungssystems, das die folgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen einer Schlüsselstromfolge {k_n}, – Zuordnen von jedem von einer Folge von Datenblöcken zu einem QAM-Symbol z_n, – Abändern jedes der QAM-Symbole z_n gemäß einem Element k_n der Schlüsselstromfolge {k_n} und, dadurch, Erzeugen verschlüsselter Symbole v_n, dadurch gekennzeichnet, dass: – die verschlüsselten Symbole v_n N≥ 2 unterschiedlichen Zwischenträgern eines orthogonalen Frequenzmultiplex-Übertragungsschemas (Orthogonal Frequency Division Multiplex – OFDM) zugeordnet werden, – OFDM-Trainingssymbole (31) an einem Sender periodisch eingefügt, gemäß Elementen der Schlüsselstromfolge {k_n} abgeändert und übertragen werden, – OFDM-Symbole (31) an einem Empfänger gemäß Elementen der Schlüsselstromfolge {k_n} verschlüsselt und durch eine(n) Synchronisiereinrichtung/Kanalschätzer (32) mit empfangenen übertragenen verschlüsselten Trainingssymbolen (31) verglichen werden, und dadurch, dass – eine Kanalübertragungsfunktion h_n oder Synchronisierungsinformationen daraus abgeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlüsselstromfolge {k_n} eine k-stellige Folge mit K > 2 ist, wobei jedes Element k_n der Schlüsselstromfolge {k_n} von K unterschiedlichen Werten ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die QAM-Symbole z_n mit den Elementen k_n der Schlüsselstromfolge {k_n} multipliziert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente k_n die Form
aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die QAM-Symbole z_n einen Satz von 2^m unterschiedlichen Konstellationspunkten bilden, dadurch gekennzeichnet, dass K = 4 und φ_n ein Vielfaches von π/2 ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass K der Anzahl unterschiedlicher Konstellationspunkte gleichkommt, und dadurch, dass die QAM-Symbole z_n untereinander permutiert werden.
Modem zum Entschlüsseln von Daten, die in der physikalischen Schicht eines orthogonalen Frequenzmultiplex-Datenübertragungssystems (Orthogonal Frequency Multiplex – OFDM) verschlüsselt sind, an einem Empfänger, wobei die Daten durch Abändern von jedem von einer Folge von QAM-Symbolen z_n und OFDM-Trainingssymbolen (31) gemäß einem Element k_n einer Schlüsselstromfolge {k_n} an einem Sender verschlüsselt werden, wodurch verschlüsselte Symbole v_n erzeugt werden, die an den Empfänger zu übertragen sind, wobei die verschlüsselten Symbole v_n N ≥ 2 unterschiedlichen Zwischenträgern eines orthogonalen Frequenzmultiplex-Übertragungsschemas zugeordnet werden, wobei das Modem eine(n) Synchronisiereinrichtung/Kanalschätzer (32) zum Vergleichen der empfangenen verschlüsselten OFDM-Trainingssymbole (31) mit verschlüsselten OFDM-Trainingssymbolen umfasst, die durch Abändern von OFDM-Trainingssymbolen (31) gemäß Elementen der Schlüsselstromfolge {k_n} am Empfänger erzeugt werden, und zum Ableiten einer Kanalübertragungsfunktion h_n oder von Synchronisierungsinformationen davon.