用於基於無線信道特性產生偽隨機量的設備和方法

2023-05-07 00:45:31

專利名稱：用於基於無線信道特性產生偽隨機量的設備和方法
背景申請者的發明涉及使用無線信道特性以便在多個收發機上產生偽隨機量(例如，它們可被用作為在使用碼分復用的通信或碼分多址(CDMA)系統的通信中的擴展序列或被用作為在時分多址(TDMA)或CDMA系統中的跳變序列)的設備和方法。
在無線通信系統中對安全通信的廣泛需要是顯見的。僅作為兩個例子，涉及金融交易的信息常通過無線電交換，法律實施官員經常必須通過無線電進行語音和/或數據通信。在這兩個例子中，通信被幾乎完全秘密地實施是很關鍵的，即便潛在的偷聽者可以得到強信息信號。蜂窩無線電話的使用者在他們的通信中也希望保密，這些通信可以在行動電話和基站之間的鏈路上或在移動臺之間的直接鏈路上傳輸。
提供安全的一個方法是按照一些用戶事先同意使用的系統加密被通信的信息。幾種加密方法已經在文獻中被描述，例如，數據加密標準(DES)和公共密鑰(PKC)。如在「保密和認證密碼學的介紹(Privacy and AuthenticationAn Introduction to Cryptography)」(作者是W.Diffie等，刊登在Proc.IEEE第67卷，1979年3月，第397到427頁上)中所解釋的，傳統的保密系統一般是可以把普通文本(未加密的信息)以種種方式轉換到保密文本或反過來的指令集合、硬體、或電腦程式，這些方式中的一個方式通過一個某些用戶知道但對其他人保密的密鑰被選擇。DES是傳統的加密系統。
流行的PKC系統利用這樣的事實，即尋找大的質數在計算上是容易的，但分解兩個大質數的乘積在計算上是困難的。PKC系統對其他象DES的保密系統有一個優點，即一個PKC系統使用一個不同於加密密鑰的解密密鑰。這樣一個PCK用戶的加密密鑰可以被公布以被其他用戶使用，避免了安全發布密鑰的困難。請參看，例如，「一種獲得數字籤名和公共密鑰保密系統的方法(A method of obtaining DigitalSignatures and Public-Key Cryptosystems)」(作者是R.I.Rivest等，刊登在Commun.of the ACM，21卷，1978年二月，第120到126頁)；和「公共密鑰密碼學的第一個十年(The First Ten Years of Public-KeyCryptography)」(作者是W.Diffie，刊登在Proc.IEEE，第76卷，1988年5月，第560-577頁)。
對一個傳統的系統或PKC系統，消息的保密在很大程度上依賴於密鑰的長度，如在「保密系統的通信理論(Communication Theory ofSecrecy Systems)」(作者是C.E.Shannon，刊登在Bell Sys.Tech.J.，28卷，1949年10月，第656到715頁)中所描述的。
不幸的是，經常的情況是，兩個用戶(如兩個警官)事先並不共有一個密鑰，這使得通過傳統加密系統進行保密的實時通信不可能。甚至一個PKC系統也要求用戶產生一個偽隨機量。而且，流行的PKC系統未被證明是安全的，並困擾於計算的複雜度和必須交換的信息量的苛刻要求。當新的進攻PKC系統的方法出臺時，PKC系統將退到更長的交換矢量(實際上，是更大的質數)和更複雜的計算。結果，傳統的和PKC保密系統對於許多通信情況是不理想的。
使任意無線通信系統的任務複雜的是大氣擾動造成的無線信道變動性，系統用戶的相對移動，從建築和車輛對無線信號的反射的改變等。這些信道變動性造成被通信的信息的錯誤，許多努力被花費在克服這些錯誤上。例如，一些蜂窩無線電話系統把要發送的模擬信息轉換成數字信息，數字信息然後按照一個分組糾錯碼被變換。這樣的蜂窩無線系統在TIA/EIA/IS-95-A(這是一個對北美CDMA通信系統的中期標準，由電信工業協會和電子工業協會(TIA/EIA)出版)中被規定，這個標準的內容在此引用，以供參考。
在這樣的一個CDMA系統中，每個無線信道，或無線載波信號具有一特定的頻率，相應於各個數字比特的擴展序列，用於對來自數據源(例如，一個話音交談的數字編碼部分)的信息比特序列進行編碼。要被通信的信息序列通過把信息序列與擴展序列合併而被擴展，或被映射為一個的更長的序列。結果，信息序列的一個或多個比特被一個N「碼片」(chip)值的序列代表。碼片序列，即擴展信息序列，然後被用於調製無線載波信號的頻率。
例如，在一個發射機中，一個二進位信息符號b(±1)可以通過把b與一個擴展序列x相乘而被擴展；例如，擴展序列x可以是+1，-1，+1，-1，包含四個二進位碼片。本質上，擴展的過程要用一個四碼片的擴展符號代替每一個二進位信息符號當b＝+1時，是+1，-1，+1，-1；當b＝-1時，是-1，+1，-1，+1。在這個被叫做「直接擴展」的過程中，每個擴展符號實際是一個信息符號和擴展序列的乘積。
在被叫做「非直接擴展」的第二種擴展形式中，不同的可能的信息符號被不同的、不一定是相關的、擴展序列代替。這樣的從信息符號到擴展符號的映射可以被看作為分組編碼的一種形式。在一般情況下，一個單一的M進位信息符號(即一個可以取M種可能值的任一個值的符號)被映射到M個可能的擴展符號中的一個符號。在二進位情況下，符號b＝+1可以被序列x＝+1，-1，+1，-1代替，符號b＝-1可以被序列y＝+1，+1，-1，-1代替。
在直接或非直接擴展中，信息符號可以從差分符號d獲得。例如，一個在時間n的二進位信息符號b(被表示為b(n))可以按照下面的關係由在時間n-1的信息符號(被表示為b(n-1))和在時間n的差分信息符號d(被表示為d(n))決定b(n)＝b(n-1)d(n)即d(n)＝b(n)b*(n-1)其中*表示復共軛。另外，將會看到，上面描述的信息符號可以由先前的信道編碼和/或擴展步驟產生。
這樣擴展的一個優點是，從許多信源來的信息可以同時以同樣的無線頻帶被發送，條件是被用於代表不同信源信息序列的擴展序列相互間幹擾不太嚴重。實際上，不同的擴展序列相應於不同的通信「信道」。
傳統CDMA通信的各個不同方面在「關於蜂窩系統的容量(On theCapacity of a Cellular System)」(作者是K.Gilhosen等，刊登在IEEETrans.Veh.Technol.，40卷，1991年5月，第303-312頁)中被描述。CDMA通信系統的其它方面在美國專利「用於移動無線通信的使用Bent序列的多址接入編碼(Multiple Access Coding using Bent Sequences forMobile Radio Comonunications)」(專利申請號是08/291,693，Bottomley等人於1994年8月16日提交)，下面的美國專利文件授予Dent的美國專利第5,151,919號；授予Dent等的第5,353,352號，以及被允許的美國專利申請第08/155,557號(1993年11月22日提交)中被描述。這些專利和專利申請在這裡被特意引用，以供參考。
為了使信道之間由於在時間和頻率上的重疊而帶來的幹擾最小化，擴展序列應儘可能的隨機，(這樣，CDMA信道)也可相互間正交，即擴展序列的互相關必須是零。(如果兩個二進位序列正好在它們的一半的比特位置上不同，則它們正交。)另一方面，N位長度的擴展序列只有N個正交。
可以看到，通過把信息序列與一組正交擴展序列中的一個序列合併而對此信息序列進行的擴展，是與通常的分組編碼過程相似的。在許多通信系統中，要被通信的信息序列被進行糾錯的分組編碼。在正交分組編碼中，一個數目N的信息比特被轉換為2N個N比特正交碼字中的一個。解碼這樣的一個正交碼字包括把它與所有的2N個碼字組的成員相關。給出最大相關值的碼字的二進位序號給出了所希望的信息。例如，如果一個接收的16比特碼字與16個正交的16比特長的具有序號0-15的碼字的集合的每一個進行相關，在第10個碼字上產生最大的相關，其中的信息信號是4比特二進位碼字1010(即十進位表示的整數10)。這樣的一個碼被稱為一個[16，4]正交分組碼。通過反轉所有的碼字比特，每個碼字可以傳送再一個信息比特。這種類型的編碼被叫做雙正交分組編碼。
這樣編碼的一個重要特徵是，與所有在一個集合裡的正交分組碼字的同時相關可以通過一個快速沃爾施(Walsh)變換(FWT)器件被有效地執行。例如在一個[128，7]分組碼的情況下，128個輸入信號取樣被變換成一個128點的沃爾施譜，其中在這個譜中的每一個點代表輸入信號取樣與碼字集中的一個碼字相關的值。一個適用的FWT處理器在授予Dent的美國專利第5,357,454號中被描述，這個專利在這裡被引用，以供參考。
如上面所提到的，典型的CDMA系統把一個信息序列擴展為分組糾錯碼字，然後把分組碼字與對於每個用戶是唯一的碼序列結合。在美國專利第5,353,352號中所描述的系統中，把分組碼字與一個並不進一步對信息序列擴展的加擾掩碼合併。
在CDMA(或TDMA)系統中的另一種對抗幹擾的技術是通常所說的跳頻。跳頻是一種用於通過改變與連接有關的數據符號被調製到的所使用的載波頻率，保證最壞情況的幹擾情形不持續超過一個跳頻周期(而不是持續一個整個連接的時間)的技術。這個特徵一般被稱作幹擾源分集。跳頻還提供了對抗對於移動臺慢速移動的衰落的頻率分集。而且，跳頻還能被用於消除頻率規劃(這在微蜂窩區中具有特殊的重要性)的困難任務。這可以被實現，如果一個系統中的所有小區使用同樣的頻率但每個小區具有不同的跳頻序列。這樣的系統已被叫做跳頻多址(FHMA)系統。
在一個跳頻系統中，每個小區能使用所有可用的頻率，但是在由一個偽隨機跳頻序列發生器決定的不同時間上。這樣的發生器可以以若干方式被構造，例如，以便產生任何兩個小區同時選擇同樣頻率(被稱為非正交跳頻)的隨機概率，以便保證所指定的小區或移動臺決不會同時選擇同樣的頻率(被稱為正交跳頻)，或以便得到一個前兩種技術的混合(例如，在同一個小區中的信號正交跳頻，而相對於鄰小區的信號是非正交的)。
在CDMA系統中的擴展序列和在CDMA或TDMA系統中的跳頻序列共同有所希望的偽隨機特性，這種偽隨機特性被設計成有助於減小整個系統的幹擾。傳統的系統借使用偽隨機發生器來產生這些類型的序列。這些偽隨機數發生器有若干缺點。例如，在它們可以產生的偽隨機序列的數目上，它們典型地是受限制的。而且，這些裝置需要大量的存儲器以利於序列的產生。使用偽隨機數發生器作為在無線通信系統中的基站和移動站的部件的另外的一個缺點是，它們必須使用一個複雜的共同輸入的方法來保證正在相互通信的一個基站和一個移動站產生同樣的偽隨機序列以使它們能夠，例如，正確地擴展和解擴CDMA複合信號。
概要按照申請者的發明，無線信道的特性被用於建立和交換偽隨機量(它們可以被發射機和接收機利用以執行不同的信號處理功能，例如，擴展，解擴和跳頻序列的產生)。這些特性是無線信道相位的短期可逆性和快速空間去相關性。換言之，對一個短時間間隔(在幾個毫秒的量級)，一個無線信道的衝激響應，不包括熱噪聲，從位於位置A的天線向位於位置B的天線看，與從位置B向位置A看的信道的衝激響應是一樣的。偽隨機量可以通過等效於限定距離解碼過程的計算來被建立，被決定的偽隨機量可以被用於處理後續的數據傳輸。
申請者還認識到了，所測量的量可能不總是足夠隨機的以便在象擴展和跳頻這樣的信號處理中被作為偽隨機量使用。例如，可以有這樣的序列，它們被產生成具有成串的二進位0和1，這使它們不適合作為偽隨機序列使用。這樣，按照本發明的一個方面，基於對無線信道特性的分析而產生的序列被進一步篩選以保證它們足夠隨機以便用於不同的信號處理技術中。例如，一個隨機性檢驗器可以被用於如在這裡描述的那樣所建立的序列。
在一個方面，申請者的發明提供了建立偽隨機序列的方法，用於處理在第一無線收發機和第二無線收發機之間的連接中所涉及的信號，包括的步驟有，在第一無線收發機中，發射多個正弦信號，每個正弦信號有各自的預定頻率和預定初始相位；在第二無線收發機中，檢測由第一無線收發機發射的多個正弦信號，並在一個預定的時間間隔後發射多個正弦信號。這個方法進一步包括，在第一和第二無線收發機的每一個無線收發機中，決定從另一個無線收發機接收的多個正弦信號中的每個信號的相位的步驟；確定所接收的一對正弦信號的相位之間的差值；把每個差值量化為多個相位判決值的相應的一個值；以及使用多個量化的差值作為在後續信號處理中的偽隨機序列。
這個方法可以進一步包括在後續信號處理中在使用序列前檢驗建立的序列的隨機性的步驟。用於基於無線信道特性產生和使用偽隨機量的其它方法和系統在這裡被描述。
附圖簡述下面參考實施例更詳細地描述申請者的發明，該實施例僅以例子的形式被給出並在附圖中被描述，其中

圖1A，1B描述了一個示例性的多層蜂窩系統；圖2是一個示例性蜂窩移動無線電話系統的方塊圖；圖3是描述一個通信系統的方塊圖；圖4是描述一個使用用於建立密鑰序列的單音梳的通信系統的方塊圖；圖5顯示相位空間判決區域；圖6顯示隨機變量Ψ的概率密度函數；圖7是一個使用用於建立密鑰序列的引導符號的通信系統的方塊圖；圖8是示例性的隨機性檢驗器的方塊圖；圖9A是一個用來總的說明時隙和頻率跳變的矩陣；圖9B是按照本發明的示例性跳變序列發生器的方塊圖；圖10是一個總的說明按照本發明的示例性的實施例的CDMA發射機和接收機的單元的方塊圖；以及圖11顯示按照申請者的發明的通信系統的性能。
詳細描述雖然下面的描述是在包括便攜或移動無線電話和/或個人通信網絡的蜂窩通信系統的範疇內，但本領域的技術人員將會明白，申請者的發明可以被用於其它的通信應用。系統概述圖1A，1B描述了一個示例性的多層蜂窩系統。由一個六邊形代表的傘狀宏小區10(參看圖1A)是包括許多宏小區A1-A7，B1-B7(參看圖1B)的覆蓋蜂窩結構的一部分。每個傘狀小區可以包括基礎的微小區結構。該傘狀小區和一個基礎的微小區的無線覆蓋可以重疊或也可以幾乎不重疊。傘狀小區10包括相應於城市街道區域的由被圈在虛線內的區域代表的微小區20和由被圈在短劃線內的區域代表的微小區30，以及覆蓋一個建築物的各個樓層的微微小區40、50和60。
簡單地說，控制信道被用於建立呼叫，把有關移動站的位置和參數通知基站，以及把有關基站的位置和參數通知移動站。基站收聽由移動站發送的呼叫接入請求，而移動站又收聽尋呼消息。一旦收到呼叫接入消息，必須決定哪一個小區對這個呼叫負責。一般地，這由在附近小區接收到的移動站的信號強度來決定。下一步，指定的小區被(例如)移動交換中心(MSC)命令調諧到一個可用的話音信道，該信道是從能接入到指定小區的話音信道組中被分配的。
圖2是一個示例性的與圖1A、1B所示的蜂窩結構一起使用的蜂窩移動無線電話通信系統的方塊圖。這個通信系統包括與各自的宏小區，微小區，微微小區有關的基站110；移動站120和MSC140。每個基站有一個控制和處理單元130，它與MSC通信，MSC又被連接於公用交換電話網(未顯示)。每個基站還至少包括一個話音信道收發機150和一個控制信道收發機160，它們被控制和處理單元130控制。移動站170包括一個類似的用於與收發機150、160交換信息的話音和控制信道收發機170，和一個類似的用於控制話音和控制信道收發機170的控制和處理單元180。該移動站的收發機170還能與另外一個移動站的收發機170交換信息。
在給出了對示例性無線通信系統總的概述後，(在該系統中可以實施按照本發明的技術)，下面描述一個無線信道中的內在隨機性怎樣被利用來作為偽隨機序列發生器的替代物。考慮包括所有具有被包括在Galois域GF(M＝2m)中的元素的矢量的n維矢量空間，即，所有的r＝(r1，r2，…，rn)，其中ri∈GF(M＝2m)。(下面，矢量或序列由黑體字表示，標量和函數由普通體字表示。)對於某一漢明半徑t，Mn個矢量r是被裝入S個球的t-球，即，具有半徑t的非接觸的球的最大數目是S。一個球中的矢量被映射成包含那個球中心的一個代表。令S個代表的集合是{c1，c2，…，cs}。每個代表矢量ci具有長度n並可以被映射成一個具有長度mn的二進位矢量k。令對應的二進位矢量集合是K＝{k1，k2，…，ks}。
如果發射機和接收機可以以高的概率建立一個被包含在集合K中的公共序列ki，那麼序列ki可以用於對一個從發射機到接收機通信的信息序列進行擴展，或用於建立一個在信息序列的通信期間要被使用的跳頻序列。另外，如果一個偷聽者能確定該公共序列ki的概率幾乎是零，那麼安全的通信也已達到-不用引入附加的加密和解密算法來實現密碼安全。
按照申請者的發明構造的球，在無線信道和系統硬體中的噪聲和其它不一致的情況下，增大了發射機和接收機建立這樣一個公共序列ki的概率。一般地，發射機建立一個序列rT，接收機建立一個不同的序列rR。如果序列rT、rR落入同樣的球內，它們將被映射成集合K中的同一個序列k。
這樣，申請者的發明提供了用於建立兩個序列(一個在發射機，另一個在接收機)以使兩個序列以高的概率落入同樣的球內的方法和設備。這些序列由於時變無線信道的複雜性質將經常展現偽隨機特性。那些不是偽隨機的序列，如果需要，可以被檢測和排除。而且，兩個序列不在同一個球中的很少的情況被很快檢測到，使建立一個公共序列的過程被重複。與一個任意的矢量相關的球以低的硬體複雜度被實時地有效地決定。本發明的第一個示例性的實施例現在將在加密和在加密中使用的密鑰序列的建立的範疇中被描述。然後，作為偽隨機量所建立的序列的更一般的用法將被探索。序列建立一般化的通信鏈路包括兩個通信信道一個信道從第一用戶的發射機到第二用戶的接收機，一個信道從第二用戶的發射機到第一用戶的接收機。人們可以認為這個鏈路包括到想獲取由第一用戶和第二用戶交換的信息的偷聽者的第三個信道。這個簡單情形被顯示於圖3，其中顯示了第一用戶A，第二用戶B，和偷聽者E。一般地，AB信道、BA信道、和AE信道的特性都隨時間變化。在每個信道中的熱噪聲由加性噪聲項ni(t)，i＝1，2，3代表。
雖然它們隨時間變化，A-B信道的衝激響應與B-A信道的衝激響應(除了熱噪聲以外)是一樣的，也就是說，在幾個毫秒的量級的短的時間間隔上，鏈路是可逆的。將會明白，當熱噪聲(和其它可能的非理想性)被包括時，鏈路不是可逆的。
還有，理解下面這一點是重要的，即A-B信道和B-A信道的衝激響應不同於第一用戶到偷聽者的A-E信道和第二用戶到偷聽者的B-E信道的衝激響應。這些差別的出現是因為隨著空間位置的變化信號的相位快速地去相關。
建立序列的兩種方法在下面加以描述。單音梳下面緊接著的描述包括一次發送兩個單音，但如在後面所描述的，將會看到一次可發送兩個以上的單音。
參考圖4，假設第一收發機(例如被第一用戶A所使用的收發機)在第k個信令間隔[kT，(k+1)T]發射包括具有頻率f1和f2、並具有相等的初始相位偏移φ和能量E的兩個正弦波的信號s(t)。被發射的信號s(t)可以以多種方式中的任一方式被產生，例如，通過對兩個適當的振蕩器401、403或一個頻率合成器的輸出信號進行放大和相加，並通過調製一個載波信號把結果上變頻到一個適當的傳輸頻率。忽略掉調製，被發射的信號s(t)由下式給出s(t)=2E/Tcos(2f1t+)+2E/Tcos(2f2t+)]]>式1
通常，被發射的信號s(t)由天線輻射，並穿過諸如空氣那樣的通道，該通道借引入由於多徑傳播的時變衰落和加入具有雙邊帶功率譜密度N0/2的高斯白噪聲n(t)而改變發射的信號。通道的作用由方塊404用圖表示。
接收機對它從通道得到的信號進行下變頻和放大(下變頻器和放大器在圖4中未被顯示)，並把所得到的信號r(t)與接收機自己本地產生的cos(2πf1t)和cos(2πf2t)相關。如圖4所示，每個相關可以由適當的混合器405、407和可復位的積分器409、411執行，(積分器對混合器的輸出信號在連續的時間間隔T＝1/2πfi中進行積分)，雖然本領域的技術人員所熟知的許多其它的器件也可以被使用。由相關器產生的輸出信號被低通濾波器413、415按常規濾波，以便抑制(上變頻的)和信號以及也許由於鄰近的無線信號引起的分量。
假設正弦波cos(2πf1t)和cos(2πf2t)正交並至少被信道的相關帶寬相隔，在第k個信令間隔由第二收發機(例如第二用戶B)接收的信號r(t)由下式給出r(t)=212(k)E/Tcos(2f1t+1(k))+222(k)E/Tcos(2f2t+2(k))+n(t)]]>其中幅度係數Λi(k)，i＝1，2是獨立的、同分布的隨機變量。
對一個受到瑞利(Rayleigh)分布衰落的信道，變量Λi(k)具有由下式給出的瑞利概率密度
式2其中σ2＝E{Λ2i(k)}是信道的一個特性，以及E{.}表示相對於pΛ的數學期望。相位項θ1(k)和θ2(k)是相互獨立的隨機變量，每個有一個在間隔[-π，π]上均勻分布的概率密度。
對接收信號r(t)的類似表示式可以對於具有其他特性的通信信道被導出，例如，萊斯(Rice)分布衰落。例如，萊斯分布信道的概率密度由下式給出
式3其中I0(.)是零階修正的貝塞爾函數，以及s2是直接視距分量的功率。
在第二用戶B的收發機中，被濾波的相關器輸出信號被提供到一個差分相位檢測器417，這個檢測器在每個時間間隔T產生一個在相位項θ1(k)和θ2(k)之間差別的估計值。連續的相位差別估計值被提供給一個量化器419，它分配多個預定的相位值中的相應的一個相位值給每個相位差別估計值。按照申請者的發明，只要求不同時間間隔的相位差別估計值互相是不相關的。(在下面，時間標號k將被丟掉，如果不會造成歧義的話。)由接收機B的差分相位檢測器417產生的基帶差分信號由下式給出UB＝2Λ1Λ2Eexp[j(θ1-θ2)]+Λ1N1+Λ2N2*式4＝XB+jYB其中N1和N2是具有零均值和方差為σ2＝2EN0的復值高斯隨機變量，「*」表示共軛。相位差別估計值由ΦB＝tan-1YB/XB給出。如上面指出的，第二用戶B把相位差別估計值量化為M個預定的相位值中的一個，產生一個量化器輸出信號Q(ΦB)。圖5描繪了M＝4的相位-空間判決區域。在這個圖中，被估計的相位ΦB(它可取0到360°間的任何值)被量化為四個值。例如，間隔範圍
被劃分成4個區域(如圖5中所示)，其中區域R1是間隔
和[315°，360°]區域R2是間隔[45°，135°]區域R3是間隔[135°，225°]區域R4是間隔[225°，315°]如果ΦB∈R1，量化輸出Q(ΦB)＝0°。
如果ΦB∈R2，量化輸出Q(ΦB)＝90°。
如果ΦB∈R3，量化輸出Q(ΦB)＝180°。
如果ΦB∈R4，量化輸出Q(ΦB)＝270°。
然後這些相位可以(例如)被映射成信息比特0°→00，90°→01，180°→11，270°→10。
差分相位檢測器或相位測量裝置417可以產生對基帶信號的瞬時相位的模擬測量值或數字測量值。一個適當的差分檢測器是在授予Dent的美國專利第5,084,669號和授予Holmqvist的美國專利第5,220,275號中所描述的兩個相位檢測器的組合，這兩個專利在這裡被特意引用以供參考。
通過每當k＝1，2，…，n時重複上面的估計-量化過程，第二用戶B建立一個量化相位差別估計值序列，由下式給出rB=[Q(1B),Q(2B),...,Q(nB)].]]>式5這個由量化器419產生的相位值的序列rB被存儲在一個緩存器421中，例如隨機存取存儲器、移位寄存器、或等效的器件，該緩存器421具有的長度由最小距離糾錯解碼器423的各參數決定。在接收機B中的糾錯解碼器423變換量化的相位差別估計值序列並產生一個相應於接收機密鑰序列kB的輸出信號。可替換地，或者與產生密鑰相結合，如下面對於圖8所討論的，相位值序列rB可以被轉送到一個隨機性檢驗器。
實際上，緩存器421的大小由所想要的密鑰序列的長度所決定。如果解碼器423具有分組長度N和維數k，那麼緩存器的時延對這個例子是N，其中梳包括在N次中的每一次同時只發送的兩個單音。如下面描述的，可以同時發送兩個以上的單音，因而這減小了緩存器的時延。例如，如果T個單音被同時發送，則每次可以量化T-1個相位差，緩存器時延是N/(T-1)。
被緩存器421產生的矢量rB有N個元素，每個是M進位的，這樣，N-元素的矢量是很多種的最小距離解碼器423的任何一個的輸入。一種有用的解碼器是限定距離解碼器，它是一個低複雜度的解碼器，在「差錯控制編碼的理論和實踐(Theory and Practice of Error Control Codes)」(作者是R.Blahut，Addison-Wesley，Reading，MA，1983，第7章)中被描述，此節內容在這裡被特意引用以供參考。解碼器423把由緩存器產生的N個符號映射成另外N個符號，即所感興趣的密鑰序列kB，如下面更詳細地描述的。
將會看到，在接收機中實行的信號處理操作可以在數字域中由一個適當的數位訊號處理(DSP)裝置執行。有了這樣一個配置，幾乎任何類型的調製可以通過對DSP裝置編程以適當地處理接收信號的數字取樣而被檢測，例如在授予Dent等的美國專利申請第07/967/027號(「多模式信號處理」)所描述的，這個文件在這裡被特意引用以供參考。將會看到，DSP裝置可以以硬連線邏輯電路被實現，或者最好的是，作為一個集成數位訊號處理器，例如一個專用集成電路(ASIC)，被實現。當然，將會明白，一個ASIC可以包括對執行所需要的功能最優的硬連線邏輯電路，當速度或另外的性能參數比可編程數位訊號處理器的通用性更重要時，這是一個通常所選擇的安排。
在一種方式中並且用與上面類似的硬體，第一用戶A從第二用戶B發射的信號建立它自己的量化相位差別估計值序列。經過一個可忽略的第一用戶發射後的延時，即一個與信道相關帶寬相比要小的延時，第二用戶B發射包含具有頻率f1和f2以及相等的相位偏移和能量的兩個正弦波的信號。換言之，第一用戶A發射，然後第二用戶B發射，然後第一用戶A發射，等等，以一種交織的方式，以保持可逆性的假設。
假設第一用戶A是相對於基站或其他收發機(第二用戶B)以100km/小時的速度移動的無線電話，並使用在900MHz範圍的射頻載波。如果第一用戶的發射和第二用戶的發射之間的延時是10微秒，無線電話在各延時中將僅移動0.28mm，這是一個與0.3m的波長相比可以忽略的距離。這樣，從不同反射體散射的信號應該是很強地相關的。另外，一個10微秒的延時比通常允許所有的由於多徑傳播的信號射線到達第二用戶所需的時間長，並比保證信道可逆性所需的幾個毫秒短。如果運動更慢或延時更短，信道的可逆性會更準確。
這樣，第一用戶A形成一個由下式給出的基帶差分信號(它自己的差分相位檢測器的輸出)UA＝2Λ1Λ2Eexp[j(θ1-θ2)]+Λ1V1+Λ2V2*＝XA+jYA式6其中V1和V2獨立於N1和N2。由第一用戶A產生的估計的相位差是ΦA＝tan-1YA/XA。將會看到，由於信道的可逆性，UA和UB的唯一區別是加性高斯噪聲。
通過連續重複估計-量化過程，第一用戶A建立一個由下式給出的相位差別估計值序列rA=[Q(1A),Q(2A),...,Q(nA)].]]>式7這個序列被存儲在第一用戶的收發機的緩存器421中並被提供給第一收發機中的相應的糾錯解碼器。
從這些被發送的信號，偷聽者E可以得到一個由下式給出的基帶差分信號UE＝2Λ3Λ4Eexp[j(θ3-θ4)]+Λ3V3+Λ4V4*式8＝XE+jYE其中Λi，i＝1，2，3，4相互獨立。偷聽者的估計的相位差是ΦE＝tan-1YE/XE。另外，θi，i＝1，2，3，4，是相互獨立的隨機變量。偷聽者E能建立一個由下式給出的相位差別估計值序列rE=[Q(1E),Q(2E),...,Q(NE)]]]>式9如上面提到的，被建立的三個序列或矢量rA、rB和rE中的每一個是輸到相應的糾錯解碼器的輸入信號。由解碼器產生的輸出信號對應於密鑰序列kA、kB、kE。將要指出，不需要在發射機A、B實行加密。解碼器限制了可能的密鑰的數目來增加第一用戶和第二用戶建立同一密鑰的概率，如下面更詳細地被介紹。
為了解釋為什麼單音f1、f2必須具有足夠分開的頻率以使它們的相位獨立的原因，令=(1-2)-(3-4).]]>式10
以及定義g(x)=1-2421-2cos2x+cosxcos-1(-cosx)(1-2cos2x)3/2]]>式11其中2=J02(D)/[1+(1-2)22];]]>J0是零階貝塞爾函數；ωD是由於在發射機和接收機之間的相對移動引起的都卜勒頻移；τ是傳輸時延；σ是多徑信號射線間的一個時延擴展。那麼，如在「微波移動通信(Microwave Mobile Communications)」(W.C.Jakes，Jr編輯，JohnWiley and Sons 1974年出版的第一章)中解釋的，ψ是一個具有由下式給出的概率密度函數的隨機變量p=420g(x)[g(x+)+g(x-)]dx]]>式12圖6顯示了對參量α2的五種不同值的作為ψ/π的函數的概率密度函數pψ。對於40KHz的頻率分隔(ω1-ω2)和5微秒的時延擴展σ(即使對ωDτ＝0的最壞情況，α2＜0.4)，隨機變量ψ幾乎均勻地分布。在這種情況下，量化器把相位差別估計值量化成具有相等概率1/M的M個相位值中的每一個相位值。這個系統的安全性依賴於單音的相位通過通信信道被去相關的程度。如果去相關幾乎是完全的，那麼，一個偷聽者為破壞這個系統必須做的工作量接近於對密鑰序列kA、kB進行窮舉搜索的工作量。
將會看到，前面的分析通過使兩個單音具有相同的能量和相等的初始相位偏移而被簡化，例如，這通過鎖相環可以很容易得到。一般地，只需要這些參數被預定，即事先被兩個收發機知道，但這樣的一個系統比上面描述的系統更複雜。
還有，前面的分析只考慮了在任何一次發送的兩個單音，但一般地，梳可以包括兩個以上的同時發送的單音，並且前面的分析適用於這樣一個單音梳的連續對。實際上，序列rA、rB可以通過同時發送一個適當數量的單音的梳並估計和量化每個連續的單音對的相位差而同時產生。兩個或更多的單音的同時發送是希望的，因為那樣就容易控制單音的初始相位，導致一個複雜度降低的系統。
而且，在一對單音中的單音間的頻率分隔不必等於另一對間的頻率分隔。也就是說，「梳」可以有不均勻放置的「齒」。還有，不必考慮僅是連續的單音對；也就是說，一對中的「齒」可以被其它「齒」分隔。例如，如果梳包含以上升頻率的順序排列的10個單音f1，f2，…，f10，隨機變量ψ的必要的均勻分布(見式12)可以通過配對得到，比如說單音f1和f4；f2和f5；f3和f6；等等。只需每對中的單音是正交隔開的，即如上所述頻率分隔必須是足夠的。引導(pilot)符號代替上述的發送正弦波的一個梳，序列kA、kB可以僅基於若干引導符號(例如，是用來同步第一收發機和第二收發機的操作而被發送的比特)而被建立。這樣的同步比特典型地被包含在傳統蜂窩無線電話系統中發射的消息的特定的同步域，這對於本領域的技術人員是熟知的。基於引導符號來建立序列的兩種方法在下面被描述。
一個序列k可以通過對引導符號進行硬判決解碼和把解碼的引導符號的結果序列映射到球的中心而被粗略地建立。據信，在由第一用戶解碼的序列中的任何錯誤將與由第二用戶解碼的序列中的錯誤一樣。這樣，兩個引導符號序列將被映射到同一個球並產生同一個密鑰。即使由第一用戶解碼的序列和由第二用戶解碼的序列中的錯誤有一點不同，但兩個序列還將以高的概率被映射到同一個球，並產生同樣的密鑰。這種方法的一個可能的缺點是需要許多引導符號使偷聽者在計算上難於窮盡所有可能性。如果引導符號是蜂窩無線電話系統中的同步比特，那麼現在相信，至少需要60比特。
將會看到，必要的引導符號不必被一起發送，即不必在一個CDMA信道的一幀中或一個TDMA信道的一個時隙中使用所有的同步比特。例如，一幀中的同步比特的任何一個或多個可以與其它幀的任何一個或多個同步比特一起被使用。這些幀只需要由一個比上面描述的信道的相關時間長的時間間隔來分隔。
一種基於引導符號來建立序列的更精煉的方法是使用信道狀態信息而不是硬判決解碼。在這種方法中，第一和第二用戶對已知的引導符號進行內插並對內插器的輸出進行量化，形式類似於上面對於基於單音梳來建立序列的方法所描述的方式。
例如，對接收的信號進行必要的下變頻、放大、濾波後，第二用戶對CDMA幀的同步部分中的每個比特決定一個相位估計值。當然，第一和第二用戶可以同意使用另外一組已知的比特。第二用戶對已知比特決定在每個相位估計值和各自的預定相位之間的差值。這些相位差別估計值然後被量化並被提供給一個在上面結合通過發送單音梳來建立序列所描述的最小距離解碼器或提供給一個在下面結合擴展序列或跳頻序列的產生所描述的隨機性檢驗器。
圖7是一個用於實行這種使用引導符號的「精煉方法」的系統的方塊圖。在第一收發機中，要被發射的數據由加密器701按照密鑰序列進行加密。當然，在密鑰序列被建立前，加密器將簡單地傳遞要被發射的數據而不改動。復用器703把要被發射的被加密的數據和已知的引導符號合併，該引導符號可以是用於傳統無線電話中的同步和開銷信令的比特。引導符號只須以已知的相位被發射。被復用器703形成的交織的數據和引導符號的序列被提供給脈衝整形器和上變頻器705以便通過通常以衰落和加性高斯白噪聲為特徵的通信信道發送信息。
在進行接收的第二收發機中，從信道接收的信號，如需要的話，被下變頻，並被通過一個匹配濾波器707。由匹配濾波器707產生的信號被一個適當控制的開關709(或分樣器)分為一個包括接收的被發送的數據的信號和一個包括接收的引導符號的信號。一個內插器711測量接收的引導符號的相位並形成在每個測量的相位(一般已經被信道衰落旋轉)和相應的引導符號已知的發送的相位之間的差值。內插器711最好低通濾波這些相位差別估計值。被內插器711產生的相位差值被量化器713量化，並被存於緩存器715以便累加足夠的相位差值。相位差值的序列然後被解碼器717解碼以便產生一個以上關於圖4所述的密鑰序列。
被內插器711產生的相位差值還被提供給一個解調器719(例如一個糾錯解碼器)以恢復被發送的數據。解調器719還接收被發送的數據，該數據可能已通過一個適合於同步相位差值和被發送的數據的延時器件721。假設接收的數據在發射前被按照密鑰序列進行了加密，由解調器719產生的加密的發送數據和由解碼器717產生的密鑰序列被提供給解密器723以恢復被發送的數據。
以一種類似於上述的方法和硬體，發射機基於從接收機的發送建立它自己的密鑰序列，此密鑰序列可以被用於解密從接收機來的加密的傳輸。球封裝(packing)和聯合假設k已給定以及球被預定，把一個任意的序列映射到球的一般問題是NP-難度的，即這個問題的計算複雜度與可能的球的數目是成比例的。對於這個安全傳輸和擴展的應用，球的數目是極其大的。然而，加上一個簡單的結構到候選序列k上(相應於球的代表c)能減小計算複雜度到一個可接受的水平。
按照申請者的發明，候選序列的集合被限於一個線性分組糾錯碼的序列集。球的半徑然後被這樣的碼的糾錯能力(即這個碼能糾正的錯誤的個數)決定，接收序列r可以通過適當的已知的解碼過程被映射到候選序列k。
作為一個特殊的例子，線性Bose-Chaudhuri-Hocquenghem(BCH)碼可以被用作候選序列k的集合；這樣的碼可以借使用Peterson-Gorenstein-Zierler過程或Berlekamp-Massey過程或任何一個用於對循環碼解碼的過程(如在上面引用的R.Blahut編著的書中所述)以低的複雜度被解碼。如果碼參數是(n，k)，具有最小漢明距離d並具有碼符號字母表GF(2m)，那麼長為mn的候選序列可以從一個大小為2mn的集合被建立。這個球的漢明半徑t，或等效地，這個碼的糾錯能力，由t≤[(d-1)/2]給出。(球不必很擠地封裝)。
具有適當的隨機性的接收的序列rA、rB和rE是輸到執行Berlekamp-Massey過程的糾錯解碼器的輸入。這些解碼器的輸出是序列kA、kB和kE。另外，還要指出，發射機不需要實行加密。解碼器顯著地限制了可能序列的數目，因此增加了第一和第二用戶間的序列一致的可能性。可以指出，在很高的信噪比(SNR)時可以不需要解碼器，雖然這樣的高SNR在一個實際的通信系統中將很難獲得。隨機性檢驗以前的示例性實施例解釋了某個無線信道特性的內在隨機性如何可以被利用以獲得密鑰序列而不使用傳統的偽隨機量的產生並且不需要通過空中接口交換偽隨機量。但是，申請者已經認識到了對這些技術的另外應用，例如，包括決定偽隨機跳頻序列和擴展序列。
因為通信信道的隨機性，存於緩存器421或715的序列r是隨機的。那些序列在使用直接序列擴展頻譜或跳頻擴展頻譜技術的一個基本通信系統中將是理想的。而且，在多個用戶擴展頻譜通信系統中不同的用戶可以同意使用不同的序列。
另一方面，在許多情況下，存於緩存器的序列r將包含連續二進位0和1的串。這樣的序列在需要高度隨機的量時不適合作為信號處理技術使用，例如，不適合用作CDMA系統中的擴展序列，因為它們的互相關特性不是所希望的。因此，存於緩存器421或715的序列被提供作為輸到隨機性檢驗器的輸入，以保證序列的譜有恰當的形狀。
圖8是一個適當的隨機性檢驗器的方塊圖，包含一個統計處理器801和一個質量處理器803。統計處理器801檢驗序列r的隨機性，並產生代表隨機性質量的輸出信號q。質量處理器803實質上是一個由比較器控制的開關，它接收信號q和相應的序列r並且決定q值是否可以接受，即是否q超過一個預定的質量門限λ，例如，是否q≥λ。如果是這樣，相應的序列r被用作直接擴展系統中的擴展序列或作為跳頻系統中的頻率合成器的控制信號，如將在下面描述的。如果q值是不可接受的，例如如果q≤λ，則相應的序列r不被使用，這個序列可以從緩存器中刪除。
一般地，可被接受的q值，也就是說，適合於質量處理器803的門限λ的值，取決於信道和特殊的應用的情況。例如當用戶得知信道不是嚴重負載時一個較低的q值是可被接受的。考慮一個現在正在被用於僅支持一個連接的擴展頻譜信道。對第二個試圖接入這個信道的用戶，一個相對低的q值對於序列r可以被接受，因為由僅一個另外的連接造成的相互幹擾預期是相當低的。總之，在低業務量的情況下，相當少的用戶間的相互幹擾是可以接受的，即使那些用戶沒有使用具有理想互相關特性的擴展序列，這樣允許一個較低的門限λ。
統計處理器801優選地通過一個適當地編程的微處理器實現以快速實施對於序列r的譜的白性的t-檢驗和對於高斯性的Kurtosis檢驗。檢驗一個包含元素r(1)，r(2)，r(3)，…，r(N)的序列r的一個原因是決定假設這個序列由一個白的、高斯信源(理想的)產生是否合理。另外，最好去除序列中的任何直流偏置(歸一化為一個零均值)。
由統計處理器801執行的第一個步驟是通過按照下式決定序列的均值r來去除直流偏置r=1Ni=1Nr(i)]]>然後從每個序列元素中減去r以得到一個歸一化的序列r.
接著，對歸一化的序列實行相關檢驗，相關檢驗包括從下式決定方差σ2的步驟並從下式決定參數
2=1Ni=1Nr2(i)]]>^=i=1N-1r(i)r(i+1)(N-1)2]]>在這一點上，一個t-檢驗的門限可以被選擇並且對ρ＝0的假設是否被支持進行檢驗。如果不是，序列r被排除。t-檢驗在文獻中是熟知的並在(例如) 「統計理論及工程應用(Statistical Theory withEngineering Applications)」(作者A.Held，Wiley Inter-Science 1952年出版，第609頁)中被描述，其內容在這裡被特意引用，以供參考。
作為第三個步驟，統計處理器801通過從下式決定參數β2來執行Kurtosis檢驗2=i=1Nr4(i)4]]>Kurtosis檢驗的門限以通常的方式被選擇，並進行檢驗以決定參數β2是否是能接受的。如果Kurtosis檢驗失敗了，序列r被排除。對於不同的N值可以設置不同的超出概率的門限等，例如在「正規性檢驗的一個進一步發展(A Further Development of Tests for Normality)」(作者E.S.Pearson，發表於Biometrika的第XXII卷，1930年7月，第239到249頁)中所描述的。這些不同的門限以下面的方式影響CDMA系統的性能。對一個大的λ值，系統將保證好的序列產生，這樣許多用戶可以同時以有限的相互幹擾接入信道。然而，對於大的λ值，系統將引入更多的時延，因為隨機性檢驗可以在到達一個超過門限的序列前拒絕許多序列。對稍小的λ值，可以容納較少的用戶，但是序列建立更快。
將會看到，上述的t-檢驗和Kurtosis檢驗「在計算上是溫和的」，就是說，它們只需要小量的簡單的算術計算。結果，這些檢驗可以由容易提供的廉價的微處理器對幾個候選序列並行地被執行。跳頻圖9A顯示了在示例性通信系統中的時隙和頻率跳變。那些本領域的技術人員將會看到，在這裡描述的技術仍同等地單獨適用於時隙跳變和頻率跳變，而不是如這裡描述的組合方式。在圖9A中，每個業務信道包括在每個幀的一個載波上的一個時隙。對一個特定信道(即時隙和載波頻率的組合)，時隙和載波頻率都逐幀地變化。用於一個特定信道的時隙/載波序列被叫做跳變序列，在一個給定的小區中使用的一個跳變序列可以與該小區中使用的另一個跳變序列正交但並不與其它小區中使用的跳變序列正交，如前所述。
在圖9A中，顯示了對兩個這樣的TDMA幀的時隙/載波的矩陣。在幀n中，一個特定的信道包括在時隙6中的載波頻率N上的一個突發，如在矩陣中的標為『X』的方塊所示。在下一個幀n+1中，同樣的信道使用另一個載波頻率和時隙，如按照偽隨機跳變序列被標為『X』的方塊所表示的。現在將參考圖9B描述用於決定這個跳變序列的示例性的系統。
其中，一個跳變率時鐘901提供一個對每個所希望的時隙和載波頻率的變化被選擇定時的時鐘脈衝。這個時鐘脈衝被用於觸發鎖存器903以使存於其中的偽隨機序列r被輸出。同時，一個如上面對於序列建立所述被決定並如上面對於圖8所述被計算以保證它有適當的隨機性的新的偽隨機量被鎖存到器件903。輸出的偽隨機序列被輸入到模M加法器905，該加法器可以任選地被提供來對從鎖存器903接收的偽隨機量正交化。加法器905進行模M(在頻率存儲器907中的頻率數)的操作。偽隨機量和正交偏置還可以被限制到0到M-1的範圍以使模M加法器905的輸出不超過頻率存儲器907中提供的地址範圍。這樣，一旦地址被提供給頻率存儲器907，一個存於其中的相應的頻率將作為被選擇的頻率被輸出，以使移動站或基站調諧它相應的接收機或發射機。這樣，一個通常被找到來代替鎖存器903的偽隨機數發生器已被一個更簡單的部件代替。擴展序列圖10說明了一個按照本發明的可以被用於提供CDMA發送和接收的示例性的發射機1000和接收機1100。在發射機中，一個輸入數據信號將在信道編碼方框1001被提供，其中數據通過糾錯碼被編碼。在方框1003，所得到的符號序列被交織，以及在方框1005，信號採用由圖8的隨機性檢驗器提供的偽隨機序列被擴展，這個序列在圖10中被標識為一個獨特的碼r。如前述，在這個示例性實施例中的擴展碼通過如上所述的檢驗無線信道的特性被決定。所得到的信號然後被用於在方框1007調製一個RF載波並被通過天線1009發射。
接收機，通常以1100表示，然後在方框1101處解調信號並在方框1103中使用與方框1005中所使用的對被發射的信號進行擴展的擴展碼相同的獨特的擴展碼解擴信號。另外，接收機將通過以前述的方式檢驗無線信道來決定獨特的擴展碼。這樣被決定的序列在被提供作為獨特的擴展碼r之前則被提供給如圖8所示的隨機性檢驗器。除了這些功能外，由方框1105代表的信道估計器和速率合併器把所得到的信號與同一個信號的回聲或前-回聲合併。方框1003和1001的相反功能分別在去交織1107和信道解碼方框1109中被執行。性能分析為了估計申請者的序列一致系統的性能，假設下面一些事項是有益的Gi＝{θA∈Ri，θB∈Ri}，Bi＝{θA∈Ri，θE∈Ri}。第一和第二用戶間的符號一致的概率由下式給出Pg=Pr{Ui=1MPr(Gi)}=i=1M[Pr(ARi)]2]]>式13第一用戶和偷聽者間的符號一致的概率由下式給出Pb=Pr{Ui=1MPr(Bi)}=1M]]>式14一個在判決區域中估計的相位θ的概率密度函數可以如下地被推導出。首先，假設Δ＝θ1-θ2被給定並等於零。考慮下面的等式U＝2Λ1Λ2E+Λ1N1+Λ2N2*＝X+jY
X＝2Λ1Λ2E+Re(Λ1N1+Λ2N2*)Y＝Im(Λ1N1+Λ2N2*)其中，在Λ1和Λ2的條件下，E{X}＝2Λ1Λ2E
μ；E(Y)＝α方差(X)＝方差(Y)=2EN0(12+22)=02,]]>X和Y的聯合條件概率密度函數由下式給出P(x,y|1,2)=1202exp{-[(x-)2+y2]/202}]]>變量的變換是R=X2+Y2,]]>和=tan-1YX]]>θ和R的聯合條件概率密度函數由下式給出p(r,|1,2)=r202exp{-(r2+2-2rcos)/202}]]>在間隔r∈
上積分，可以看到，θ的概率密度函數被給出為p(|)=12exp(-)]]>+12(cos)exp(-sin2)[1-Q(2cos)]]]>其中=122212+22EN0]]>可以看到，Δ′在區間[-π，π]上均勻分布。利用由Ri＝[-πi/M，πi/M]，i＝1，…，M給出的區域，在判決區域中的所希望的估計相位θ的概率被給出為Pr(Ri)=120-Rip(-|)Pddd]]>現在考慮一個具有最小漢明距離d、維數k以及分組長度n的線性分組碼的使用。令t＝[(d-1)/2]是可以被解碼器糾正的錯誤的個數。由第一和第二用戶建立的序列一致的概率是兩個接收的矢量在一個碼字的相同解碼區域中的概率。
令c是一個具有漢明權1的碼字。三個矢量c、rA和rB是可用的。重新排列這些矢量的坐標不影響性能分析。一個這樣的排列如下所示
可以證明序列一致以及序列是c的概率可以被給出為Pl=j=0lk=0n-1m1=0l-jm2=0jm3=0km4=0n-l-kn(1-Pg)Pgn-]]>式15其中β＝m1+m2+m3+m40≤j+k≤t0≤m1+j-m2+k-m3+m4≤t這樣，相互一致的概率被給出為Pr(kA=kB)=1A1P1]]>其中A1是這個碼的加權列舉函數。由偷聽者建立的序列一致的概率PB被一個類似的用pb代替pg的等式給出。在不使用解碼器的條件下，Pr(kA＝kB)＝Pr(rA＝rB)＝png，並且Pr(kA＝kE)＝Pr(rA＝rE)＝1/Mn。
討論在這樣的序列一致系統中涉及的折衷是重要的。一個小的維數k值產生一個具有好的糾錯能力的碼，但是當k減小時，一個窮舉搜索可以被進行的速度是指數型上升的。碼參數的選擇是關鍵的，因為碼限制了候選序列空間的大小，但是該減小不應該產生不安全的系統。
對一個大的判決區域的數目M，一個更大的碼可以被使用，因此增加了系統的計算保密；另外，Pb減小，這造成一個好的概率的保密。但是這不足以得到一個好的加密系統。增加M，熱噪聲的影響變為主導，需要增加Eb/N0(比特能量與噪聲能量的比)以達到以一定的概率保密的序列的一致。因此，在計算保密、概率保密和發送能量之間有一種折衷。
作為另一個例子，考慮使用一個在GF(32)上的(31，13)Reed-Solomon碼。碼的大小(可能的碼字或比特序列的個數)是3213＝265，並且其計算保密實際上比DES256(一個使用數字加密標準的系統的一個序列，包括56個保密比特和8個奇偶檢驗比特)的計算保密好。這樣一個Reed-Solomon碼的最小漢明距離是18。
圖11顯示了一個使用這樣的Reed-Solomon碼的安全通信系統的性能。還顯示了一個(61，11)Reed-Solomon碼的性能和兩個未編碼系統的性能。從圖11可以看到，通過一個信道解碼器的使用，由第一和第二用戶建立的密鑰不一致的概率是10-8，此時信號噪聲比Eb/N0對於M＝64和M＝32分別是11dB和13dB。這和一個沒有解碼器的通信系統相比較分別有大約9dB和4dB的增益。而且，Pr(kA＝kE)≈0，Pr(rA＝rE)≈0(兩個都是大約10-41)。
在這樣一個系統中，解碼器的使用對第一和第二用戶是希望的，雖然沒有如上所述地嚴格要求，但是一個解碼器的使用並不有助於偷聽者。
申請者的基於一個無線信道的可逆性的序列一致方法和設備提供了優越的計算保密和概率保密。使用申請者的發明，長的任意密鑰序列可以被共享，並且一個密鑰序列甚至在通信「對話期間」也可以被改變。在蜂窩無線電話系統中，所希望的是至少每當一個移動站向一個通信系統註冊時建立一個新的密鑰序列，甚至也許更頻繁地，如對每個呼叫或每當一個預定的時間間隔到時的時候。
代替使用線性分組碼，安全通信系統可使用通過每個用戶傳送的2M個正交單音的梳。這樣一個梳系統與分組碼系統具有同樣的性能，但是梳系統要求更大的帶寬，正如由正交信令所需要的，以及一個更複雜的用於產生單音的頻率合成器。
在任一個系統中，對安全的性能測量被取成概率性的，與完全保密的Shannon測量不同。具體地，在分組碼系統中，兩個用戶建立同一個密鑰序列的概率接近於1而偷聽者建立同一個序列的概率基本上為0。這是概率性保密。還有，可能的密鑰序列的個數是足夠大的，以致於通過窮舉搜索找到正確序列是不實際的。這是計算性保密。
另外，申請者的發明的示例性的實施例已經被描述，其中序列建立被用於決定一個偽隨機量而不是一個密鑰序列。按照這些示例性的實施例，一個隨機性檢驗器可以被提供以排除那些對於本目的不夠隨機的序列。提供了這樣的偽隨機量可以被用於其中的兩個示例性的應用，具體的是擴展序列的決定和跳變序列的決定。但是，本領域的技術人員將看到，按照本發明所產生的偽隨機量可以被用作為要求偽隨機量作為輸入的任何功能的一部分。例如，在其中需要對於通過無線信道連接的移動站和基站來說是已知的偽隨機量的基站或移動站中所實施的任何功能，可以按照本發明來被實施。
雖然申請者的發明的具體實施例已經被描述和說明，但應該明白，本發明不局限於其中。本申請考慮了屬於被下面的權利要求限定的申請者的發明的構思和範圍內的任何的和全部的修改。
權利要求
1.一種建立偽隨機序列的方法，用於在一個無線通信系統中的第一無線收發機和第二無線收發機之間進行通信，包括的步驟有在第一無線收發機中，發射多個正弦信號，每個正弦信號有各自的預定頻率和預定初始相位；在第二無線收發機中，檢測由第一無線收發機發射的多個正弦信號，並在一個預定的時間間隔後發射多個正弦信號；在第一和第二無線收發機的每一個無線收發機中，決定從另一個無線收發機接收的多個正弦信號中的每個信號的相位；在第一和第二無線收發機的每一個無線收發機中，確定所接收的一對正弦信號的相位之間的差值；在第一和第二無線收發機的每一個無線收發機中，把每個差值量化為多個相位判決值的相應的一個值；在第一和第二無線收發機的每一個無線收發機中，使用多個量化的差值作為一個可能的偽隨機序列。
2.權利要求1的方法，其特徵在於，進一步包括步驟評估所述的可能的偽隨機序列的隨機性並基於所述的評估有選擇地輸出所述的可能的偽隨機序列作為一個偽隨機序列。
3.權利要求2的方法，其特徵在於，進一步包括步驟把所述隨機性與一個隨機性門限比較。
4.權利要求3的方法，其特徵在於，其中所述的比較步驟進一步包括基於系統負載選擇所述隨機性門限。
5.權利要求2的方法，其特徵在於，其中有選擇地輸出的步驟包括步驟使用所述偽隨機序列作為CDMA無線通信系統中的一個擴展序列。
6.權利要求2的方法，其特徵在於，其中有選擇地輸出的步驟進一步包括步驟使用所述偽隨機序列作為一個跳變序列。
7.一種建立偽隨機序列的方法，用於在第一無線收發機和第二無線收發機之間進行通信，包括的步驟有在第一無線收發機中，發射包括多個比特的預定的數字字；在第二無線收發機中，檢測由第一無線收發機發射的預定數字字，並在一個預定的時間間隔後發射預定的數字字；在第一和第二無線收發機的每一個無線收發機中，對從另一個無線收發機接收的預定的數字字中的多個比特的每一個比特進行硬判決解碼；在第一和第二無線收發機的每一個無線收發機中，把硬判決解碼的多個比特按照預定的分組碼映射成一個可能的偽隨機序列。
8.權利要求7的方法，其特徵在於，進一步包括步驟評估所述可能的偽隨機序列的隨機性並基於所述評估有選擇地輸出所述可能的偽隨機序列作為一個偽隨機序列。
9.權利要求8的方法，其特徵在於，進一步包括步驟把所述隨機性與一個隨機性門限比較。
10.權利要求9的方法，其特徵在於，其中所述的比較步驟進一步包括基於系統負載選擇所述隨機性門限。
11.權利要求8的方法，其特徵在於，其中所述有選擇地輸出的步驟包括步驟使用所述偽隨機序列作為CDMA無線通信系統中的一個擴展序列。
12.權利要求8的方法，其特徵在於，其中所述有選擇地輸出的步驟進一步包括步驟使用所述偽隨機序列作為一個跳變序列。
13.一種建立偽隨機序列的方法，用於在第一無線收發機和第二無線收發機之間進行通信，包括的步驟有在第一無線收發機中，發射包括多個比特的預定的數字字；在第二無線收發機中，檢測由第一無線收發機發射的預定數字字，並在一個預定的時間間隔後發射預定的數字字；在第一和第二無線收發機的每一個無線收發機中，決定從另一個無線收發機接收的多個比特的每個比特的相位；在第一和第二無線收發機的每一個無線收發機中，確定每個所決定的相位和相應的預定的相位之間的差值；在第一和第二無線收發機的每一個無線收發機中，把每個差值量化為多個相位判決值的相應的一個值；在第一和第二無線收發機的每一個無線收發機中，按照預定的分組碼把多個量化的差值解碼為一個可能的偽隨機序列。
14.權利要求13的方法，其特徵在於，進一步包括步驟評估所述的可能的偽隨機序列的隨機性並基於所述的評估有選擇地輸出所述的可能的偽隨機序列作為一個偽隨機序列。
15.權利要求14的方法，其特徵在於，進一步包括步驟把所述隨機性與一個隨機性門限比較。
16.權利要求15的方法，其特徵在於，其中所述比較的步驟進一步包括基於系統負載選擇所述隨機性門限。
17.權利要求14的方法，其特徵在於，其中所述有選擇地輸出的步驟包括步驟使用所述偽隨機序列作為CDMA無線通信系統中的一個擴展序列。
18.權利要求14的方法，其特徵在於，其中所述有選擇地輸出的步驟進一步包括步驟使用所述偽隨機序列作為一個跳變序列。
19.一種用於建立偽隨機序列的設備，用於在第一無線收發機和第二無線收發機之間進行通信，包括在第一無線收發機中，用於發射多個正弦信號的裝置，每個正弦信號有各自的預定頻率和預定初始相位；在第二無線收發機中，用於檢測由第一無線收發機發射的多個正弦信號，並在檢測到開始之後的預定的時間發射多個正弦信號的裝置；在第一和第二無線收發機的每一個無線收發機中，用於決定從另一個無線收發機接收的多個正弦信號中的每個信號的相位的裝置；在第一和第二無線收發機的每一個無線收發機中，用於確定所接收的一對正弦信號的相位之間的差值的裝置；在第一和第二無線收發機的每一個無線收發機中，用於把每個差值量化為多個相位判決值的相應的一個值的裝置；在第一和第二無線收發機的每一個無線收發機中，用於按照預定的分組碼把多個量化的差值解碼為一個可能的偽隨機序列的裝置。
20.權利要求19的設備，其特徵在於，進一步包括用於評估所述的可能的偽隨機序列的隨機性並基於所述的評估有選擇地輸出所述的可能的偽隨機序列作為一個偽隨機序列的裝置。
21.權利要求20的設備，其特徵在於，進一步包括用於把所述隨機性與一個隨機性門限比較的裝置。
22.權利要求21的設備，其特徵在於，其中所述用於比較的裝置進一步包括基於系統負載選擇所述隨機性門限。
23.權利要求20的設備，其特徵在於，其中所述用於有選擇地輸出的裝置進一步包括用於使用所述偽隨機序列作為CDMA無線通信系統中的一個擴展序列的裝置。
24.權利要求20的設備，其特徵在於，其中所述用於有選擇地輸出的裝置進一步包括用於使用所述偽隨機序列作為一個跳變序列的裝置。
25.一種用於建立偽隨機序列的設備，用於在第一無線收發機和第二無線收發機之間進行通信，包括在第一無線收發機中，用於發射包括多個比特的預定的數字字的裝置；在第二無線收發機中，用於檢測由第一無線收發機發射的預定數字字，並在一個預定的時間間隔後發射預定的數字字的裝置；在第一和第二無線收發機的每一個無線收發機中，用於對從另一個無線收發機接收的預定的數字字中的多個比特的每一個比特進行硬判決解碼的裝置；在第一和第二無線收發機的每一個無線收發機中，用於把硬判決解碼的多個比特按照預定的分組碼映射成一個可能的偽隨機序列的裝置。
26.權利要求25的設備，其特徵在於，進一步包括用於評估所述可能的偽隨機序列的隨機性並基於所述評估有選擇地輸出所述的可能的偽隨機序列作為一個偽隨機序列的裝置。
27.權利要求26的設備，其特徵在於，進一步包括用於把所述隨機性與一個隨機性門限比較的裝置。
28.權利要求27的設備，其特徵在於，其中所述用於比較的裝置進一步包括基於系統負載選擇所述隨機性門限。
29.權利要求26的設備，其特徵在於，其中所述用於有選擇地輸出的裝置進一步包括用於使用所述偽隨機序列作為CDMA無線通信系統中的一個擴展序列的裝置。
30.權利要求26的設備，其特徵在於，其中所述用於有選擇地輸出的裝置進一步包括用於使用所述偽隨機序列作為一個跳變序列的裝置。
31.一種用於建立偽隨機序列的設備，用於在第一無線收發機和第二無線收發機之間進行通信，包括在第一無線收發機中，用於發射包括多個比特的預定的數字字的裝置；在第二無線收發機中，用於檢測由第一無線收發機發射的預定數字字，並在一個預定的時間間隔後發射預定的數字字的裝置；在第一和第二無線收發機的每一個無線收發機中，用於決定從另一個無線收發機接收的多個比特的每個比特的相位的裝置；在第一和第二無線收發機的每一個無線收發機中，用於確定每個所決定的相位和相應的預定的相位之間的差值的裝置；在第一和第二無線收發機的每一個無線收發機中，用於把每個差值量化為多個相位判決值的相應的一個值的裝置；在第一和第二無線收發機的每一個無線收發機中，用於按照預定的分組碼把多個量化的差值解碼為一個可能的偽隨機序列的裝置。
32.權利要求31的設備，其特徵在於，進一步包括用於評估所述的可能的偽隨機序列的隨機性並基於所述的評估有選擇地輸出所述的可能的偽隨機序列作為一個偽隨機序列的裝置。
33.權利要求32的設備，其特徵在於，進一步包括用於把所述隨機性與一個隨機性門限比較的裝置。
34.權利要求33的設備，其特徵在於，其中所述用於比較的裝置進一步包括基於系統負載選擇所述隨機性門限。
35.權利要求32的設備，其特徵在於，其中所述用於有選擇地輸出的裝置進一步包括用於使用所述偽隨機序列作為CDMA無線通信系統中的一個擴展序列的裝置。
36.權利要求32的設備，其中所述用於有選擇的輸出的裝置進一步包括用於使用所述偽隨機序列作為一個跳變序列的裝置。
37.一種無線站包括一個用於檢測無線信道的預定特性的無線收發機；和一個用於使用所述的檢測的預定特性以決定一個偽隨機序列的處理器。
38.權利要求37的無線站，其特徵在於，其中所述預定的特性包括在由所述無線收發機接收的多個信號之間的相位差。
39.權利要求38的無線站，其特徵在於，其中所述處理器進一步包括用於基於所述相位差決定一個可能的偽隨機序列的裝置；和用於評估所述的可能的偽隨機序列並有選擇地輸出所述的可能的偽隨機序列作為所述偽隨機序列的隨機性檢驗器。
40.權利要求39的無線站，其特徵在於，其中所述隨機性檢驗器進一步包括門限比較器，用於決定所述可能的偽隨機序列是否超過預定的隨機性門限。
41.權利要求37的無線站，其特徵在於，進一步包括跳變序列產生器，用於基於所述偽隨機序列周期地選擇一個頻率，所述的選擇的頻率被用來調諧所述無線收發機。
42.權利要求37的無線站，其特徵在於，進一步包括擴展器件，用於對所述無線收發機中使用的數據符號進行擴展和解擴，所述的擴展器件使用所述偽隨機序列來決定所述擴展序列。
43.權利要求37的無線站，其特徵在於，其中所述無線站是移動站。
44.權利要求37的無線站，其特徵在於，其中所述無線站是基站。
全文摘要
無線信道的特性被用於建立在信息通信中所使用的偽隨機序列。這些特性是無線信道的相位的短期可逆性和快速空間去相關性。因為這些無線信道特性的可逆性,通過無線信道進行通信的收發機通常將都決定同一個序列。雖然所決定的序列在偽隨機功能的應用中並不總是足夠隨機的,但隨機檢驗器可以被提供以排除那些不夠隨機的序列。示例性的偽隨機通信功能包括CDMA系統中的擴展序列的選擇和TDMA或CDMA系統中的跳變序列的選擇。
文檔編號H04J13/00GK1179248SQ96192658
公開日1998年4月15日 申請日期1996年1月19日 優先權日1995年1月20日
發明者A·A·哈斯桑, J·E·赫爾希伊, S·謝納克舒 申請人:艾利森公司