在载送话音或数据业务的数字无线电通信系统中，必须具有一 些信号保密措施。由于用无线电波发送的信息很容易被拥有适当接 收机的人截收，所以如果要得到保密，则必须在发送前对信息进行某 种加密。通常，加密涉及把信息与常称为密钥的东西组合起来，产生 加密信号，对信息加密。为了只使原定接收机能对加密信号解密，原 定接收机和基台必须拥有相同的密钥。
一种公知的加密技术依赖于密钥流发生器和模算术或有穷数 学。将多个密钥比特和一系列时钟脉冲提供给密钥流发生器，密钥流 发生器产生伪随机比特流，称为密钥流。然后，在发送机发送之前，将 密钥流比特逐位与信息位作模2和。接收机使用相同的密钥流发生 器，可产生相同的比特密钥流，将该相同的比特密钥流逐位对接收到 的加密数据流求模2差，从而恢复原始的信息。该技术的正确实现要 求发送机和接收机的密钥流发生器同步，以便接收机产生的并从加 密数据中减去的密钥流与发送机产生的并加至原始数据上的密钥流 一致。例如，在美国专利第5,148,485中揭示了一种加密技术，其发 明名称为“数字蜂窝式通信的加密系统”，它产生大量复杂的密钥流 比特，并能用普通用途的算术逻辑运算单元(ALU)实现，现整个援 引在此以作参考。
现有的系统中可找到各种获得同步的方法。在大多数加密系统 中，可将同步视为产生具体比特前，发送机和接收机之间在公共初始 状态所要用的时钟脉冲数方面的协同一致。但有些现有加密系统不 对所加的时钟脉冲数进行滚动计数，而是靠在帧的开始处将发送机 和接收机初始化为相同的状态，然后应用相同数目的时钟脉冲。后一 方案的缺点是，如果发送机和接收机在某一帧中不同步，则很难再重 新建立同步。
另一种类型的加密系统包括一计数器，它能保留先前产生的密 钥流比特(或比特组)的计数。该计数器的输出位与密钥位组合，产生 密钥流。由于发送机和接收机的计数器有规律地递增，所以它们具有 数字时间/日期时钟的特征，这类加密系统常称为时刻驱动加密系 统。
时刻驱动加密系统的优点在于，如果接收机的计数器与发送机 的计数器不同步，并且系统能为接收机提供当前发送计数器的值，则 接收计数器可马上重置为发送计数器的值，而不是返回起点并重复 整个时钟脉冲的历程。但该系统的困难在于要用足够高的频率提供 发送计数器的值，以免用较长的时间累积接收计数器的值相对发送 计数器的值偏离所引起的误差。
例如，在美国专利第5,060,266号揭示了一种连续同步技术，其 发明名称为“蜂窝式通信系统连续加密的同步”，该技术可用来使时 刻加密的系统同步并防止上述的误差累积，现整个援引在此以作参 考。
图1中示出了一常规的蜂窝式通信系统，它包括多个蜂窝区C1 -C10。每个蜂窝区有一个相关的基台B1-B10，每个基台根据公知 和现有的技术与移动电话交换局(MTSO)相连，然后再与公众电话 交换网(PSTN)相连。基台B1-B10与移动台m1-m3形成无线电 通信。位于每蜂窝区中的现用移动台m1-m3的数目基本上受到每 个蜂窝区内可用频道数目的限制。另外，移动台m1-m3在系统中 的位置是动态的。以下事实对于本领域的普通技术人员是显而易见 的，即实际的蜂窝区通信系统可包括成千个蜂窝区和上万部移动台。 一个蜂窝式通信系统包括属于某一运营公司的许多基台、移动台和 MTSO。在许多城市中，可以有不止一个这样的系统存在。
由于蜂窝式无线电系统中的每个蜂窝区C1-C10的面积可以 相当小，所以移动台m1-m3中的某个离开一蜂窝区并进入另一蜂 窝区的可能性很大。当移动台沿蜂窝区通信系统移动时，它们可能到 达某个蜂窝区的无线电覆盖边界，因此由另一个蜂窝区服务会更好。 由于蜂窝式通信系统最常受干扰而非噪声的限制，所以特殊的移动 台也可能由同一基台的另一信道服务会更好。将一建立的呼叫从某 一信道转接到另一信道的过程称为切换。基本上有三种形式的切换： 1)当移动台在同一蜂窝区中的不同信道间移动时，发生蜂窝区内的 切换，2)当移动台移至不同的相邻蜂窝区时，发生蜂窝区间的切换， 3)当移动台移至不同的相邻系统时，发生系统间的切换。
基台常常监视每个移动台并通过周期地测量信号强度、误码率 或其他一些动态质量标准来确定是否需要切换。对周围基台的测量 可以通过移动台的帮助来完成。如果对正服务于移动台的基台的测 量结果下降至某一预定电平以下，则蜂窝区通信系统对相邻蜂窝区 中或同一蜂窝区中其他信道的可用性进行确定，并通过话音信道上 中断话音通信的高速数据消息(空白加字符式数据消息)向移动台发 送指令，以便再调谐至新的频率。移动台使话音寂静并调谐至该空白 加字符式数据消息所表示的无线电信道。移动台调至新信道后继续 话音传输。
当对蜂窝式通信系统中传输数字化和加密时，会给切换过程带 来许多复杂问题。一个实际问题是，某基台中的加密系统计数器可能 与另一基台中相应的计数器完全不同步。在由商业性质不同的且常 常是竞争的实体运营基台的情况下，对于系统间切换，这一问题尤 为现实。由于明显的现实原因，移动台在同步方面受控于基台。切换 方面的基本问题是如何确保新基台的计数值对话音流或数据流的中 断最少。如果需要切换的新基台与旧基台不同步，那么切换时，新基 台必须向移动台发送新计数值，如果必要，该数值以后可用来使移动 台中的计数器复位。
在完成加密电话通信切换时的另一个实际问题是由陆地网各组 成部分间通信中的传输延迟引起的，例如诸基台与协调蜂窝式系统 运行的MTSO之间通信的时延。这类延迟会阻碍移动台准确地在新 基台开始发送新计数值的同时调谐新基台的频率。特别是，通常由 MTSO将命令移动台调谐新基台频率的空白加字符式数据消息发 送给旧基台，然后转送给移动台。与此同时，MSTO还向新基台发信 号，通知开始发送新计数值。但是，MTSO与旧基台间通信链路中的 传输延迟未必与MTSO与新基台间通信链路中的传输延迟相同。例 如，前一通信链路具有的信号中继器数可以与后一通信链路所具有 的不同。因此，从移动台调到新基台频率至新基台开始发送新计数 值，其时间间隔可以是不确定的。
美国专利第5,081,697号揭示了一种在双工蜂窝式无线电通信 系统中蜂窝区之间进行通信切换时，为加密系统建立同步和再同步 的方法和设备，其发明名称为“切换时加密系统的再同步”，并整个援 引在此以作参考。
如果基台能在同步的模式下运行，则整个系统性能的优点是，将 基本减少或消除完成切换的时间及由此在话音传输或数据传输中引 起的中断。类似GSM的系统万一接收到要求移动台切换至候选基 台的切换指令，系统会要求移动台获取候选切换基台的同步。因此， 对于GMS系统，由于要求移动台在切换之前给出同步信息，所以从 系统的角度看，不需要对加密系统同步化。通过这些系统，由于要求 建立了加密同步，所以不存在任何切换过程的延迟。GSM中有8个 时隙，所以可以从相邻的基台获得同步信息。由于移动台只用8个时 隙中的一个工作，在剩余7个时隙期间，移动台有时间获得同步信 息。
对于北美数字蜂窝式通信系统(即，EIA/TIA IS54B)或ADC 之类目前在3时隙TDMA模式下运行的系统，它们在发送和接收 用于读取相邻基台控制信道的时隙之间没有留下空余的时间。因此， ADC移动台不能在切换之前从候选基台获得加密同步信息，必须在 调到新基台频率之后才能这样做，从而使话音或数据传输中发生不 可接受之中断。对于ADC，在切换后消除完成加密再同步所用时间 的唯一办法是命令就加密使所有基台上的所有业务信道同步。不幸 的是，该方法对系统的要求太严格，而且可能是行不通的，尤其对于 系统间的切换。
可将系统同步视为三种复杂度递增的独立任务：蜂窝区内的同 步、蜂窝区间的同步和系统间的同步。例如，很容易在某区基台的所 有信道间提供同步(即，蜂窝区内的同步)。例如，参照图1，可使蜂窝 区C1内的所有业务信道和控制信道相互同步，可使蜂窝区C2内的 所有业务信道和控制信道相互同步，等等，所涉及的网络的复杂程度 比较小。系统同步的下一个等级是使蜂窝区C1-C10上的所有业务 和控制信道相互同步(即，蜂窝区间的同步)。该任务明显要复杂些。 最后，可以使属于不同系统运营者的所有蜂窝区间的系统同步化 (即，系统间的同步)。从实施的角度看，系统间的同步是一项极其困 难的任务。
例如由于某一信道易受严重干扰，所以蜂窝区内的切换常常发 生在同一蜂窝区内。如果存在蜂窝区内的同步，那么完成切换不需要 移动台对密码再同步，并由此消除了话音或数据传输中的间隙。例 如，可以比较容易地使同一蜂窝区内的控制信道和业务信道都同步。 移动台无需再建立密码同步便能使用命令在一业务信道通信时所用 的控制信道上同时捕获的密码同步信息，从而消除了对话中的间隙。
对于无密码同步的切换，移动台必须如美国专利5,081,679所 述，在发送之前从新基台获得同步信息，所述专利的发明名称为“切 换时加密系统的再同步”，该专利也已转让给本发明的同一受让人， 并援引在此以作参考。切换后，移动台停止与旧基台的通信，并且寻 找来自新基台的同步信息。当获得该信息时，移动台开始向新基台发 送。因此，由于用户信息(例如话音)永远不会通过不加密来发送，所 以可以确保安全，但尽管如此，在重建对话时需要一些延迟。
可以想象，许多混合系统将具有不同程度的同步。就效率而言， 移动台不应该在已经存在同步的地方试图重建密码同步。相反，当切 换信道之间不存在同步时，移动台应试图再同步其密码。因此，需要 确定何时要求同步以及用何种方式形成该同步。

本发明改善了切换时的上述密码再同步问题，它提供了一种可 选择表示何时必须再同步的方法和设备。如果旧信道和候选信道相 互同步，那么将其一种指示连同切换指令一起发送给移动台，从而不 再需要再同步，并使对话中的间隙最小。如果需要再同步，那么系统 提供一个有关较佳再同步类型的指示。
在基台和移动台交换加密数字数据的数字蜂窝式通信系统中， 提供了一种表示密码同步的方法，该方法包括将命令移动台调至新 信道的消息通过旧信道从基台发送至所述移动台。该消息可以是 ITCD或交接消息，它还包括是否需要对新信道进行密码再同步的 指示。移动台收到此消息后，该移动台获得一新的信道并根据指示使 其密码与新信道再同步或不进行再同步。通过这种做法，当新信道已 与旧信道同步时，无需进行再同步，从而实际减少了交换时间。
为了进一步优化交接时间，本发明的另一方面是，当需要进行密 码再同步时为再同步提供了同步的选择。通过这种做法，可对安全性 与交接速度作折衷。如果要安全性最佳，则移动台限制话音或数据消 息的发送，直至密码与新信道再同步。
在另一个实施例中，不加密码发送话音或数据消息，直至该密码 与新信道再同步。
在又一个实施例中，将一预定值分配给移动台中的码组计数器， 而将同一预定值分配给基台中的码组计数器。用预定值在移动台和 基台之间交换加密的数据，直至移动台从新信道接收到码组计数器 的新值，并用该新值替代码组计数。这样就顾及一般的安全性等级， 同时适当考虑交接速度。
在另一实施例中，当正在发送未加密的数据时，在移动台内将一 定时器置位。经过预定的时间间隔后，移动台为用户提供移动台不在 加密模式下运行的表示。从而避免因不知晓而长时间不加密通信的 情况。
结合附图，阅读以下描述，本发明的这些和其他特点和长处对本 领域的普通技术人员将是显而易见的，其中相同的参考标号对应相 同的部件。
附图概述
以下将参考附图描述本发明的实施例，其中
图1图示了蜂窝式无线电通信系统，它包括一移动电话交换局、 多个基台和多个移动台；
图2是根据本发明一实施例使用的移动台装置的示意方框图；
图3是根据本发明一实施例使用的基台装置的示意方框图；
图4a图示了TDMA帧结构；
图4b图示了TDMA帧结构，说明如何在同一频率上使数字控 制信道(DCCH)与业务信道(TCH)交错；
图4c图示了四个TDMA频率，它们的时隙是时间对准的(即， 同步的)；
图4d图示了三个TDMA频率，它们的时隙在时间上不对准 (即，不同步)；
图4e图示了三个TDMA频率，其中TCH所用的一个频率与 用作DCCH的频率时间对准，并且使用另一个TCH频率，其时隙与 DCCH频率不对准(即，不同步)；
图4f图示了接收ITCD消息后码组计数的递增；
图4g图示了接收FACCH交接消息后码组计数的递增；
图5是根据本发明用来建立双工同步的移动台/基台装置的示 意方框图；
图6为一流程图，示出了根据本发明一实施例所用的各种密码 管理选择。
本发明的最佳实施方式
为了说明而非限制的目的，在以下的描述中，叙述了诸如特殊的 电路、电路元件和技术等具体的细节，以便完全理解本发明。但是，对 于本领域的普通技术人员，显然本发明可以在其他不脱离这些具体 细节的实施例中应用。在其他例子中，省略了对已知方法、装置和电 路的详细描述，从而不必要的细节不会使本发明的说明难以理解。在 整个下文中，“话音”、“声音”、“数据”、“信息”及其派生词可以相互交 换使用，指正在通信的信息的数字表示。
为了使蜂窝式通信系统能播叫来话呼叫的移动台，并使移动台 能呼入系统中，现有的蜂窝式通信系统提供了一种所谓的控制信道， 以达到这一目的。例如，EIA/TIA IS-54B中有一例这样的控制信 道。由于使用了模拟调制方法，所以该控制信道称为模拟控制信道。 关于IS-54B将来的修正，可以预见，将使用的新控制信道会用与业 务信道所用方法相同的数字调制方法，即DQPSK(差分正交相移键 控)。上述待批的美国专利申请第08/147,254号描述了这样一种控制 信道，并被称作数字控制信道(DCCH)。在这样的系统中，每一 DCCH包括几个不同的逻辑信道。这些信道提供了用来播叫移动台 的手段(播叫信道)、系统信息的播发(BCCH)、业务信道的指定(接 入信道)，以及使移动台进入系统进行呼叫的手段(接入响应信道， ARCH)。BCCH可用来提供密码同步信息。CEN-HIGH字段和上 述待批的美国专利申请第07/956,640号所述的其他信息一起可以 被用来传递同步信息。
在BCCH上，可周期地发送密码同步信息。因此，当移动台处于 空闲模式(即，不进行任何呼叫活动)时，移动台可读取BCCH上提 供的同步信息。一旦为移动台指定了通信信道(或在其本身的DCCH 上通信)，“起始业务信道标志”(ITCD)信息会包含有关目标业务信 道(TCH)是否就密码与DCCH同步的信息(即，密码管理模式 (CMM))。类似地，FACCH上接收到的切换命令也包含CMM字 段。在一实施例中，CMM在ITCD或表示旧信道与候选TCH之间 是否存在同步的FACCH切换消息中为两个字节的字段。在CMM 表示移动台需要于切换信道后对密码再同步的情况下，如下文将作 更详细讨论那样，ITCD和/或切换消息会从CMM值中表明移动台 是应该用不加密码发送直至获得同步信息，还是停止发送直至获得 同步信息。这使本发明的初步部署在网络中的落实不会过于复杂，并 且可演变成实现大多数信道的同步。另外，在信道未同步的情况下， 蜂窝区通信运营者具有使安全可能性最大或使服务中断最小的灵活 性。
参照图1，根据公知的技术，每个蜂窝区C1-C10都配有多个声 音(或话音)信道和至少一个接入(或控制)信道。利用对移动台收、发 的信息，用控制信道监控移动台的工作情况。例如，所述信息可包括 来话呼叫信号、去话呼叫信号、播叫信号、播叫响应信号、位置登记信 号、话音信道指定、维修指令和切换指令。控制信道或话音信道可以 在模拟模式或数字模式或其组合模式下工作。在数字模式下，诸如话 音或控制信号等模拟消息在通过RF信道传输以前先要转换成数字 信号表示。诸如由计算机或数字化的话音装置产生的纯数据消息则 被格式化，然后直接通过数字信道发送。
在使用时分多路复用(TDM)的蜂窝式无线电通信系统中，多条 数字信道可以共享一公共的RF信道。RF信道被分为一系列的“时 隙”，每个时隙包含一串来自不同数据源的信息，并且被防护时间相 互隔开。如本领域中公知的那样，将许多时隙分成组，形成“帧”。每 帧的时隙数根据RF信道试图容纳的数字信道带宽而变化。例如，这 样的帧可以由3个时隙组成，每个时隙分配给一数字信道中。因此， RF信道将容纳3条数字信道。在本文所讨论的本发明的一个实施 例中，指定一个帧包含3个时隙。但应清楚地认识到，本发明的原理 同样适用于每帧使用任何数量时隙的蜂窝式无线电通信系统。
接着参考图2，图中示出了根据本发明一实施例所用的移动台 装置的示意方框图。通过数字信道可用图2所示的装置进行通信。经 传声器100检测并且移动台指定发送的话音信号作为输入提供给话 音编码器101，话音编码器101将模拟话音信号转换成数字数据比 特流。然后，根据数字通信的时分多址联接(TDMA)技术将数据比 特流分成许多数据组或消息。在该蜂窝式无线电通信系统中，快速对 应控制信道(FACCH)发生器102与基台交换监控消息。常规的 FACCH发生器以“空白加字符”的方式工作，这种方式用来使用户 数据帧停发，并代之以快速发送FACCH发生器102产生的控制消 息。
与FACCH发生器102的空白加字符操作相反，慢速对应控制 信道(SACCH)发生器103与基台连续交换控制消息。为SACCH发 生器的输出指定一个固定长度的字节(例如12位)，并将其作为每个 时隙的一部分包括在消息串(帧)中。信道编码器104、105和106分 别与话音编码器101、FACCH发生器102和SACCH发生器103相 连。每个信道编码器104、105和106通过用卷积编码技术处理来话 数据，来进行差错检测及恢复，这保护了话音码中重要的数据和循环 冗余校验(CRC)，其中话音编码帧的最高有效位(例如12位)被用来 进行7位差错校验计算。
再参照图2，信道编码器104和105与多路复用器107相连，多 路复用器107用于对具有FACCH监控消息的数字化话音消息进行 时分多路复用。多路复用器107的输出与2脉冲串交错器耦合，交错 器108把移动台将要发送的各数据消息(例如，包含260位的消息) 分成两个安置在两个连续时隙中的相同但分离的部分(每部分包含 130位)。用这种方式可以极大减少瑞利衰落的有害效应。2脉冲串 交错器108的输出作为输入提供给模2加法器109。在模2加法器 109处，通过模2加法用伪随机密钥流，逐位对将要发送的数据加 密。
信道编码器106的输出作为输入提供给22脉冲串交错器110。 22脉冲串交错器110将SACCH分成22个连续的时隙，每个时隙被 12位控制信息组成的字节占据。被交错的SACCH数据形成脉冲串 发生器111的一个输入。如下文所述那样，脉冲串发生器111的另一 个输入产生数据的“消息脉冲串”，每个消息脉冲串由时隙识别符 (TI)、数字话音彩色码(DVCC)、控制(或监控)信息和将要发送的数 据组成。
在一帧的每个时隙中发送的是时隙识别符和数字话音彩色码， 其中时隙识别符用来进行时隙识别和接收机同步，而数字话音彩色 码，确保对适当的RF信道译码。在本发明示例的帧中，定义了三个 不同的28位TI组，当在三个时隙的每一时隙中发送相同的8位 DVCC时，每个时隙有一个TI。如图2所示，在移动台中，与脉冲串 发生器111相连的同步字/DVCC发生器112提供TI和DVCC。脉 冲串发生器111合并模2加法器109的输出、22脉冲串交错器110 的输出和同步字/DVCC发生器112的输出，以产生一系列的消息脉 冲串，每个脉冲串由数据(260位)、SACCH信息(12位)、TI(28 位)、已编码的DVCC(12位)和12位定界位总共324位组成，它们 根据EIA/TIA IS-54标准规定的时隙格式结合成整体。
上文讨论了在一帧所具三个时隙的一个时隙中发送每一消息脉 冲串。脉冲串发生器111与均衡器113相连，而均衡器113则提供使 一个时隙发送与其余两个时隙发送同步所需的定时。均衡器113检 测从基台(主控台)发送至移动台(受控台)的定时信号，并由此使脉 冲串发生器111同步。均衡器113还可用来检查TI和DVCC的值。 脉冲串发生器111还与20ms帧计数器114相连，该计数器114用来 更新移动台每20ms(即，每发送一帧一次)施加的加密代码。加密代 码是加密单元115用数学算法并在每一移动台独有的密钥116的控 制下产生的。所述算法可用来产生伪随机密钥流。
脉冲串发生器110产生的消息脉冲串作为输入提供给RF调制 器117。RF调制器117用来根据π/4-DQPSK技术(π/4移位差分 正交相移键控)调制载波频率。该技术的使用意味着移动台将要发送 的信息是差分编码的，即两个比特码元可按4种可能的相位变化+ 或-π/4和+或-3π/4发送。发射频率合成器118将所选发送信道 的载波频率提供给RF调制器117。RF调制器117的经脉冲串调制 的载波信号输出由功率放大器119放大，然后通过天线120发送给 基台。
移动台通过与接收机122相连的天线121接收来自基台的经脉 冲串调制的信号。接收频率合成器123产生所选接收信道的接收机 载波频率，并提供给RF解调器124。RF解调器把接收到的载波信 号解调成中频信号。然后，IF解调器125进一步对中频信号解调，恢 复π/4-DQPSK调制前存在的原始数字信息。然后，此数字信息通 过均衡器113，到达码元检测器126，码元检测器126将均衡器114 提供的数字数据两比特码元格式转换成单比特的数据流。
码元检测器126产生两个不同的输出，第一输出由数字化的话 音数据和FACCH数据组成，而第二输出由SACCH数据组成。第一 输出提供给与2脉冲串去交错器128相连的模2加法器127。模2加 法器127与加密单元115相连，它通过逐位地减去与基台发送机加 密数据所用的相同的伪随机密钥流，对加密发送数据解密。模2加法 器127和2脉冲串去交错器128通过组装和重新安排从数字数据两 个连续帧导出的信息，重新构造话音/FACCH数据。2脉冲串去交 错器128与两个信道译码器129和130相连，两个译码器129和130 用编码的逆过程对卷积编码的话音/FACCH数据译码，并检查循环 冗余校验(CRC)位，以确定是否发生了差错。两个信道译码器129和 130以话音数据为一方，FACCH数据为另一方，检测双方的差别，并 将话音数据和FACCH数据分别送至话音译码器131和FACCH检 测器132。话音译码器131根据话音编码器的算法(如VSELP)处理 信道译码器129提供的话音数据，并产生表示由基台发送并由移动 台接收的话音信号的模拟信号。然后，在扬声器133播叫之前，可用 滤波技术提高模拟信号的质量。经FACCH检测器132检测的 FACCH消息被送至微处理器134。
码元检测器126的第二个输出(SACCH数据)提供给22脉冲 串去交错器135。22脉冲串去交错器135重新组装和安排遍布22个 连续帧的SACCH。22脉冲串去交错器135的输出作为输入提供给 信道译码器136。SACCH检测器137检测SACCH消息，并将控制 信息传送给微处理器134。
微处理器134控制移动台的活动和移动台与基台之间的通信。 微处理器134根据从基台接收到的消息和移动台进行的测量作出决 定。微处理器134还备有一终端键盘输入和显示输出单元138。键盘 和显示单元138允许移动台用户与基台交换信息。
接下来参考图3，图中示出了本发明所用基台装置的示意方框 图。将图2所示的移动台装置与图3所示的基台装置比较，可见在结 构和功能上，移动台和基台所用装置的大部分基本相同。为了方便和 一致，图3中用来表示这种相同装置的参考标号与图2中所用的相 同，但在图3中通过附加撇号“’”来区别不同。
但在移动台和基台装置之间存在一些细小的不同。例如，基台不 是只有一副而是有两副接收天线121’。与每副接收天线121’相关的 有接收机122’、RF解调器124’和IF解调器125’。另外，基台包括 一个与发射频率合成器118’相连的可编程频率组合器118A’。频率 组合器118A’和发射频率合成器118’根据适用的蜂窝区频率重复 使用方案选择基台将使用的RF信道。基台不包括与移动台中的用 户键盘和显示单元138相似的用户键盘和显示单元。它连有一信号 电平测试器100’，用于测量从每个接收机122’接收到信号并将输出 提供给微处理器134’。移动台和基台间装置的其他不同是本领域中 公知的。
如上所述和将在下文中使用的，“密钥流”一词是指二进制比特 或比特组的伪随机系列，它在例如RF信道等易于越权存取的介质 中发送或存储之前，被用来对已数字编码的消息和数据信号进行加 密。“密钥流发生器”是一种通过处理由多个比特组成的密钥来产生 密钥流的装置。简单地将密钥流模2加至将被加密的数据上，便可完 成加密。类似地，将密钥流的等同复制品从加密的数据中模2减去， 便可完成解密。在以下的描述中，“加密”、“加密编码”和“保密”等用 词，以及它们的派生词可交换使用。
一般地说，密钥流发生器提供一种由图2和图3中单元115和 115’分别表示的装置，用于将数量较少的由单元116和116’表示的 密码(即密钥)扩充成大量的随后将在发送(或存储)前用来对数据消 息加密的密钥流比特。为给编码后的消息解密，接收机必须“知道”加 密消息所用的有关密钥流比特的对照表。换句话说，接收机不仅必须 具有与发送机相同的密钥流发生器并产生与发送机相同的密钥流比 特，而且如果消息要准确解密，则接收机密钥流发生器还必须与发送 机密钥流发生器同步运行。通常，同步是通过从编码系统将每个内存 装置中参与生成密钥流比特的内容(诸如位、码组或消息计数等)连 续发送给译码系统来完成的。但可以通过使用诸如二进制计数器等 算术码组计数器，并且每产生一组新的密钥流位使这类计数器的值 递增一定数量的方法来简化同步。这种计数器可以形成实时时钟链 的一部分，即时、分和秒。依赖于后一种类型计数器的密钥流发生器 称为“时刻”驱动密钥流发生器，其在上文中已引用。
总体上讲，本发明使用了一种双工密码密钥流发生器，从而无论 是基台至移动台方向的同步还是从移动台至基台方向的同步都能在 另一方向建立同步。
接下来参照图4a，图中示出了如EIA/TIA IS-54B定义的 TDMA。业务信道按时分模式管理。例如，全速率信道由每第三个时 隙组成，例如时隙1和时隙4、时隙2和时隙5、以及时隙3和时隙6。 在后续TDMA帧中使用相同的时隙分配。图4b例示了如何将一条 全速率信道用作控制信道(DCCH)，并将其他两条信道分配为用来 载送用户业务(即话音或数据传输)的业务信道。DCCH的格式化可 以类似于上述关于TCH上所用FACCH的描述。正如对本领域的 普通技术人员为显而易见的那样，DCCH在交错方案和信道编码方 案中存在不同，但目的与FACCH信道类似。一个不同之处在于， DCCH上的一些消息(在某一称作BCCH的DCCH逻辑子信道上发 送)被送至所有锁于该蜂窝区的移动台。在上述待批的美国专利申请 第08/147,254号中，该信道用BCCH表示。BCCH包含播叫信息 (被发送给所有的移动台，即不定址消息)，该信息通知移动台蜂窝区 的特征，即系统所有者、业务清单、接入系统的规则等等。DCCH的 另一方面是为一特定的移动台分配具体的业务信道(定址消息)，所 请求的业务(例如话音呼叫等)将在该信道上进行。如果在控制信道 自身上的通信将以加密的模式进行，就通过控制信道本身和所用密 码双向形式固有的双重性建立同步关系。如果通过对空接口请求或 系统要求，则移动台可在不加密的BCCH上获得密码同步信息，然 后以加密模式接收并发射。
图4c示出了三个分配给一个基台的频率。频率f1上只示出了被 指定为DCCH的信道。其余信道可以载运诸如TCH或附加DCCH (如果需要)等其他业务，为蜂窝区服务，以节省容量。频率f1-f3上 的时隙都是时间对准的，即时隙在时间上不交错。时间对准表示为物 理对准。例如，图4d例示了不存在物理对准的情况。注意，相关的频 率(在切换的情况下)不能从相同的基台发出，但可以有相邻的基台 发射。因此，图4d是TDMA帧没有物理对准的一般表示，即不同 步。
在图4e中，例示了蜂窝区内的同步。频率f1用作DCCH的载 波，而频率f2(其播发基台与频率f1的相同)用作TCH的载波。假设 蜂窝区内同步，由此频率f2上的TCH与频率f1上的DCCH物理对 准(即时间对准)。第三频率f3由相邻的基台播发，但它不与DCCH 对准(即时间上有偏移)。该情况表示中等水平的系统同步，由某一特 定基台播发的所有信道都同步(即时间对准)。
图4f示出DCCH按常规传输加密用的同步信息的情况。一旦 移动台获得该消息，它就对每个新接收的时隙在内部用增1更新码 组计数器。因此码组计数值的范围覆盖箭头表示的三个时隙。码组 计数周围的()表示该值不是显发送，而是根据码组计数器的更新过 程与时隙逻辑相关。当分配给移动台TCH时，移动台将保持内部更 新过程，因此它总能使每个分配给其TCH的时隙与正确的计数值 相对应。在图4f中，分配给移动台TCH2。由于移动台需要处理时间， 所以它不能读到第一个TCH2的发生。在该例中，假设移动台读取的 第一时隙是TCH的第二种情况，用实线表示。由于移动台有一内时 钟在运行，所以移动台知道它将在TDMA帧中的什么地方接收和 发射，移动台还知道第一个所读TCH时隙上的码组计数器具有n+ 1的值。
由于系统同步是由运营者控制的，所以根据本发明的第一个方 面，将系统同步的表示在ITCD或交接消息中提供。如上所述，密码 管理模式(CMM)消息包含在ITCD或交接消息中。这些消息被播 送至特定的移动台，并且它们可以包括其他诸如信道编号、DVCC 等信息。
在本发明的一个实施例中，CMM包含一个两位码。例如，模式 00表示切换后不需要再同步，以及移动台在其开始在新信道上发送 时不需要等待码组计数器的消息。移动台得到新的TCH后，除了重 新调谐频率合成器并锁定在新TCH上所需的时间外，不中断地继 续发送加密的信息。
对于本领域的普通技术人员，不难明白可以用许多不同的方式 显传或隐传CMM信息。ITCD或切换消息内包含一个两位码的例 子只是作为一种说明而提供的，不能用它将本发明限制在该特定的 实施中，另外，两位码的简单举例旨在清楚地揭示本发明。
依照本发明的另一方面，CMM还表示所需的安全度或再同步 的方法。例如，如果切换时需要再同步，则可命令移动台采用三种不 同方法中的一种。如果要求最大的安全度(为了举例，CMM代码可 能对应为01)，则移动台停止发送直至与新的信道建立密码同步。移 动台可以在新信道上发送虚脉冲串以声明其存在，然后等待着从新 信道接收码组计数器的消息。一旦接收到码组计数器消息，移动台就 启动码组计数器的递增过程，使密码能沿正反两个方向工作，并恢复 发送。例如，该模式在上述美国专利第5,081,679号中作了进一步的 描述。
另外，如果安全度可与切换速度交换，那么与例如CMM代码 10对应的较低形式的安全度可以包含在ITCD或交接消息中。在该 模式下，移动台为码组计数器设置一个预定值，该预定值可以是一常 数，或者是移动台和基台都知道的某值的函数，例如信道编号、时隙 指示器、DVCC等等，并且移动台在用该值使密码起作用的情况下 继续发送，直至移动台接收到码组计数器的消息。一旦移动台接收到 码组计数器的消息，它就用该消息中的值代替预定值，并如上所述启 动码组计数器的递增过程。
最后，如果要使切换速度最佳，则例如移动台可接收CMM模式 11。在该模式下，移动台向新基站发送不用密码(即不加密)，并继续 这样做直至接收到码组计数器的消息。一旦移动台接收到码组计数 器的消息，移动台就用在该消息中接收到的值使密码起作用，并如上 所述启动码组计数器的递增过程。
如上所述，当在CMM模式11下工作时，移动台和基台“明码” 发送，就是说不使用密码保密，因此相当容易截取信号。如果移动台 不能成功地接收新的码组计数器消息，那么缺乏安全的状态会持续 几秒钟。为了避免长时间不用密码发送，移动台可以在新TCH上开 始发送之后起动一定时器。如果该定时器达到例如5秒，则移动台可 自动终止呼叫或用例如可闻警报警告用户。同样，如果在基台类似的 定时器达到期限，则系统可以终止呼叫或中断服务。其目的是使沿两 方向长时间不加密传输的危险最小。
本发明的一个特征是，它允许系统运营者慢慢地转移至全同步 的系统，而不增加严重的复杂性和成本负担。一个系统可以随着常规 升级和购买新设备逐渐变成同步。通过提供CMM，系统运营者可以 充分利用系统同步的改善，同时允许常规不同步的接用。另外，由于 当同步的ITCD或交接消息不可能时，移动台能用三种方法中的一 种作出响应，使密码再同步，所以运营者或移动台本身可以单独在再 同步最安全方式之间选择，或使切换期间的服务中断最少。
应该注意，在本发明最一般实施中的CMM不仅可以是简单的 通/断指示，还可以包含将在与ITCD的时间对应的TCH上使用的 码组计数器的值。另外，TDMA帧可以不物理对准，但ITCD和交接 消息可以包含与当前信道和目标信道的时间差有关的信息。对于本 领域的普通技术人员，不难明白可以用许多方法对物理对准信息和 CMM信息编码。例如，当一ITCD消息包含CMM而没有物理对准 信息时，移动台可以假设TDMA帧隐含对准。许多其他传递该信息 的不同的方法也是可行的。
另一个复杂情况是，如果移动台与某个基台很接近而离目标基 台很远，那么即使可以在基台之间使发送机同步(即蜂窝区间的同 步)，在移动台处接收到TDMA也可以不在所有的时间里对准。这 是电磁波以光速传播而非以无限速度传播的结果。系统可发送信息， 以校正交接消息中的不对准。例如，这在上述美国专利申请第08/ 203,028号中有所描述。为简便起见，本说明假设系统一使CMM起 作用，物理对准就调妥，并且对于较大的蜂窝区，不需要对准。
现参照图5，图中示出了根据本发明构造的双工加密系统的示 意方框图。图5所示的加密系统可沿话音信道的两个方向，即从基台 至移动台的方向和从移动台至基台的方向，对话音通信加密和解密。 密钥流发生器201和202分别在移动台和基台产生2N个伪随机输 出位(密钥流)。伪随机码位是多个固定二进制位和多个变化二进制 位的函数，后者在每组2N位产生后发生变化。例如，前者可包括密 钥215中的各二进制位；后者可包括码组计数器207和208的状态 值，但更一般的是，包括分别位于密钥流发生器201和202中的一些 或所有触发器或内存器件的状态值。在通信链路的一端，例如基台， 用2N位码组中的第一N个伪随机码位进行加密，同时用第二N个 伪随机码位解密。在另一端，例如移动台，反向使用，即用第一N个 位(1至N)解密，而用第二N个位(N+1至2N)加密。
加密和解密是这样进行的，即分别在通信链路一端的模2加法 器203和206中和另一端的模2加法器205和204中对密钥流位和 FACCH比特消息序列逐位进行模2加法运算。消息可以是话音编 码器帧或来自任何其他源的数据块，例如与数据业务有关的数据块。 每个模2加法器203、204、205和206可由多个异或(Exclusive OR) (XOR)门构成。由于模2加法和模2减法是相同的运算，所以接收 机处对用于发送机加密的相同密钥流的第二次加法可恢复原始消息 或FACCH位。这种逐位加密/解密技术可提高无线电传输误差的容 限，在该技术中错误接收的位在解密后只引起一位误差。然而，该加 密/解密技术并非本发明必不可缺的组成部分，例如也可用密钥流比 特来控制发送信号中所包含的消息或FACCH位的次序，即交叉换 位。同样，可以不脱离本发明的原理采用模2加法和交叉换位技术的 组合。可以看出，图5中所示的许多部件与图2和图3中的所示的类 似，并且尽管没有联系图5讨论，但以上已对其工作情况和功能作了 讨论。图5示出了信道编码和交错后进行的加密。对于本领域的普 通技术人员，不难理解也可以在信道编码前进行加密。
图6是一流程图，示出了根据CMM选项进行交接的过程。
尽管本发明已例示了获得业务信道的情况，但以下情况也认为 是落在本发明范围内的，即当命令移动台获取新控制信道时，也可用 上述各种技术提供同步信息。
尽管就特殊的实施例描述了本发明，但本领域的技术人员应认 识到，本发明不局限于此处所描述和说明的具体实施例。不脱离本发 明的实质或范围，通过上述说明书和附图便能合理地给出与所示和 所描述的实施例不同的实施例和修改方案，以及许多变化、改变和等 价的措施。尽管本文中就其较佳实施例详细描述了本发明，但应该理 解，该揭示只是对本发明的说明和举例，只是为了提供一个完整且能 实施的描述。因此，本发明只受所附权利要求书之精神和范围的限 制。
相关的申请
本申请涉及共同待批的美国专利申请第08/147,254号，其发明 名称为“在无线电通信系统中的通信方法”，由Raith等发明，于 1993年11月1日递交，并已转让给本发明的受让人，现援引在此以 作参考。本申请还涉及共同待批的美国专利申请第07/956,640号， 其发明名称为“数字控制信道”，由Raith等发明，于1992年10月5 日递交，并已转让给本发明的受让人，现援引在此以作参考。本申请 进一步涉及共同待批的美国专利申请第08/203,028号，其发明名称 为“移动通信中移动台从第一信道切换至第二信道的方法和设备”， 由Anderssoc等发明，于1994年2月28日递交，并已转让给本发明 的受让人，现援引在此以作参考。