CN104299295A - 具有基于时间的防盗特征的被动远程无钥匙进入*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有基于时间的防盗特征的被动远程无钥匙进入***。一种用于防止通过攻击车辆的被动远程无钥匙进入***的双盗贼方法的安全漏洞的方法。所述方法包括在RKE钥匙扣和车辆之间的RF消息的空中传播时间的测量。使用在钥匙扣和车辆之间的多个往返行程，来放大由消息覆盖的距离，并从而允许空中传播时间的精确测量。

Description

具有基于时间的防盗特征的被动远程无钥匙进入***

相关申请的交叉引用

本专利申请要求共同审理中的美国临时专利申请No.61/846,133的优先权和权益，该专利申请的申请日为2013年7月15日，发明名称为“PASSIVEREMOTE KEYLESS ENTRY SYSTEM WITH TIME BASED ANTI-THEFTFEATURE”，其全部内容在此通过引用被并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于防止通过攻击车辆的被动远程无钥匙进入***的双盗贼方法的安全漏洞的方法。

背景技术

现今的车辆通常装备有电子进入***。这些***允许进入车辆且(在一些***中)起动和操作车辆，而不使用传统的机械钥匙或需要由所有者进行任何其它明显的解锁动作。在这些通常被称为“被动”远程无钥匙进入(“RKE”)***的***中，由车辆将低频(“LF”)无线电信号(典型地大约125KHz)传送至由车辆所有者携带的钥匙扣(fob)，并且该钥匙扣通过向车辆返回射频(“RF”)信号(例如315MHz或434MHz)来响应。当从授权的钥匙扣接收到RF信号时，车辆将解锁车门来允许驾驶员进入车辆。

更具体地，当驾驶员接近车辆且提拉车门手柄时，驾驶员与车门手柄的接触将在车辆处被电子地检测到(例如通过当手柄被提拉时断开机械开关、或者通过静电检测触摸、或者通过驾驶员的手指打断光束)。当检测到驾驶员与车门手柄接触时，在车辆处的RKE控制器将触发控制器内的LF发射器。LF发射器将产生在车门附近的LF场，该LF场继而被钥匙扣内的LF接收器检测到。当检测到合适的LF场，钥匙扣将构成调制在RF信号上的数字消息(数据报)，且将其发送回车辆。车辆内的RF接收器将解调并解码该数字消息，并且如果消息的内容指示该消息来自授权的钥匙扣，则将解锁车门。有时使用类似的方法来启用车辆仪表板上的“发动机起动”按钮，借此所有者甚至可以操作车辆而无需使用机械钥匙。

识别码和加密传统上被用于确保在钥匙扣和车辆之间的通信链接是安全的。这些代码和加密非常难以复制。因此，获得进入车辆所需的钥匙扣消息不能轻易地被盗贼合成。然而，即使使用这些代码和加密，仍然存在潜在的弱点。一个已知的弱点包括，当携带钥匙扣的人员实际上已经从车辆走远时，两个盗贼协力来拦截并且立即使用真实的钥匙扣消息来欺骗车辆RKE***使其相信钥匙扣在车辆附近。

在图1中示出了双盗贼情形。在这一情形中，每个盗贼携带一个RF中继装置。在一个装置处接收到的无线电信号经由一个不同的、装置至装置频率信道被中继到另一个装置。在该另一个装置处，无线电信号回到它们的原始频率信道并且被再广播。

当携带钥匙扣的人员离开车辆且走远时，第一盗贼将使他自己和他的装置位于所述车辆附近。第二盗贼将跟随携带钥匙扣的人员，由此使第二盗贼的装置保持在钥匙扣附近。第一盗贼将接近车辆且提拉车门手柄，触发车辆内的LF发射器。第一盗贼的装置将被设计为接收由车辆内的LF发射器发射的LF信号，来将LF信号频移到不同的、装置至装置频率信道，并且向第二盗贼广播频移后的信号。

第二盗贼的装置将经由装置至装置频率信道来接收频移后的信号。该装置将把该信号频移回其原始的LF信道并且随后再传送它。在第二盗贼的装置附近的钥匙扣将接收该LF信号，并且只要装置至装置通信处理没有严重破坏LF信号，该钥匙扣将把它解释为来自车辆的合法LF询问。钥匙扣将从而通过组装用于进入车辆的数据报(包括全部的关联的安全代码和加密)来响应，并且随后把数据报作为RF消息传送。

第二盗贼的装置将被设计为接收由钥匙扣传送的RF信号，来将RF信号频移到不同的、装置至装置频率信道，并且将频移后的信号广播回第一盗贼。第一盗贼的装置将经由装置至装置频率信道接收频移后的信号。该装置随后将把钥匙扣信号恢复(频移)回其原始RF信道并且再传送它。在第一盗贼的装置附近的车辆将接收恢复后的RF信号并且解码包含的数据报。只要装置至装置通信处理没有严重破坏RF信号，并且假没关联的安全代码和加密由授权钥匙扣产生，车辆将把该RF信号识别为来自钥匙扣的合法RF响应。车辆从而将通过允许进入车辆、解锁车门且(在一些***中)允许起动和操作车辆来响应。

从而，概括地说，通过使用这种技术，所述两个盗贼不需要理解和合成由钥匙扣使用的安全代码和加密，而是触发钥匙扣来产生合法进入消息且随后将该消息传输回车辆来获准进入车辆。

发明内容

本发明提供了一种用于击败对被动RKE***的双盗贼攻击的方法。

根据本发明的一个示例性实施例，提供了一种用于防止车辆的被动远程无钥匙进入***的安全漏洞的方法，包括以下步骤：在车辆和远程钥匙扣之间多次往返发送无线电信号，测量用于完成多次往返行程的总时间，以及使用测量的总时间来评价钥匙扣和车辆之间的连接的安全性。

根据本发明的另一个示例性实施例，提供了一种用于具有响应于远程钥匙扣的被动无钥匙进入***的车辆的防盗方法。所述方法包括以下步骤：从车辆询问钥匙扣，按照与接收到对前一询问的有效响应的一定时关系从车辆发起下一询问，重复发起步骤直到已经从钥匙扣接收到了预定数量的有效响应，测量完成该预定数量的有效响应所需的总时间，以及分析测量的时间以确定是否允许至少一个车辆功能。

附图说明

在参考附图阅读下面的描述时，对于与本发明相关的领域的技术人员，本发明的前述和其它特征和优点将变得明显，其中：

图1(已经在上面描述)示出了用于避开传统的被动RKE***的安全特征的已知双盗贼情形；

图2是包括车辆的LF询问和来自钥匙扣的RF响应的被动RKE***的框图；

图3是在理解根据本发明的“多次往返行程”定时概念时有用的时序图；以及

图4是示出了用于五十次往返行程的传送时间根据钥匙扣和车辆之间的距离而变化的方式的曲线图。

具体实施方式

本发明将可用在任何传统的被动RKE***(例如在附图2中用框图形式示出的***)中。如图2所示，***包括与便携式、电池供电的钥匙扣通信的车载RKE控制器。钥匙扣很小并且将便于由车辆操作者在他的/她的口袋或手中、在颈索上或在包中等随身携带。

车载RKE控制器具有已知的构造并且将包括例如微控制器，该微控制器包括***时钟发生器、中央处理单元(CPU)、程序存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可编程计时器、模数和数模转换器、中断控制器、串行接口等。RKE控制器操作各种车辆***(未分别示出)，包括进入控制、点火控制和其它***。RKE控制器的机能由在存储于ROM中的程序的控制下工作的CPU管理。

RKE控制器将响应于与钥匙扣交换的无线电通信而操作受控的***。为了这一目的，RKE控制器将包括：(a)RF天线和RF收发器，用于在例如315MHz的载波频率上从钥匙扣接收RF消息和向钥匙扣发送RF消息，以及(b)一个或多个LF天线和LF发射器，用于在例如125kHz的频率处产生局部LF场，用于触发钥匙扣发送RF消息。

钥匙扣将类似地装备有LF和RF天线，使得钥匙扣可从车辆上的LF天线接收LF信号广播，并且可以从车辆上的RF天线接收RF信号和向车辆上的RF天线传送RF信号。LF和RF天线连接至发射器/接收器，发射器/接收器继而连接至钥匙扣控制器且由其控制。控制器可以是专用集成电路(“ASIC”)，被配置为状态机或编程的微型计算机。在任一情形中，控制器将监控钥匙扣上的按钮(例如图中按钮A和B)的状态，并且响应于由拿着钥匙扣的人员执行的按钮按压而经由RF天线广播合适的RF消息。钥匙扣控制器还将使得发射器/接收器收听由车辆广播且由钥匙扣的LF或RF天线接收的LF或RF询问或信号，并且将响应于接收的LF或RF信号经由它的RF天线广播合适的RF消息。该消息将通过安全代码和加密传送。

根据本发明，提出了一种用于击败双盗贼情形的防盗方法。该方法可被实施在例如图2中示出的***中。该方法包括测量在钥匙扣和车辆之间的通信交换的空中传播时间。

RF信号以光速传播。50米距离的RF往返行程因而仅耗费333nS。在不使用昂贵的、较高功率、较高频率的装置的情况下，很难直接测量如此短的时间。尽管传播时间短，本发明考虑利用各种技术来实施空中传播时间的测量。

首先，本发明考虑通过要求RF信号在钥匙扣和车辆之间进行多次往返行程而放大空中传播时间。多次往返行程的使用有效地使传播距离延长到实际距离的倍数，由此将空中传播时间增加相应的量。更容易精确地测量这一更长的空中传播时间的长度。

理论上，在空中传播时间测试期间从车辆传送至钥匙扣的信号可以是LF(125KHz)信号。然而，由于低频引入的复杂性，包括车辆或钥匙扣侧的多个控制电路和实际LF电路的实现之间的通信延迟和低速，当前优选的是在空中传播时间测试期间仅使用RF信号。从而，在空中传播时间测试期间，较高频率RF信号(例如315MHz)将被优选用于车辆至钥匙扣和钥匙扣至车辆的两个方向的通信。

为了简化空中传播时间测试，在测试中使用的RF消息是特殊的、短测试消息，而不是完整的钥匙扣数据报。在车辆和钥匙扣之间的通常的握手之后，进行空中传播时间测试。即，车辆将首先发送传统的LF询问信号，并且钥匙扣将用包括具有进入请求和合适的代码和加密的数据报的RF响应来响应。在此之后，但仅当握手过程已经成功完成且已经确认了数据报是由授权的钥匙扣产生时，空中传播时间测试将被启动。

空中传播时间测试将优选地被设计为防止盗贼伪造所有者的钥匙扣的空中传播时间测试响应。不同的格式(例如数据或比特的数量)将被用于测试的不同循环，并且改变的序列被加密(仅对匹配的钥匙扣和车辆RKE控制器是已知的)。因为盗贼将不知晓改变的序列，所以盗贼将不能模仿所述改变并且必须继续使钥匙扣保持在通信回路中。其它方法可用来确保空中传播时间测试的安全。例如，可以在过程的开始和结束处传送识别码以提供源认证。

这些概念的实施，尤其是“多次行程”概念的计时细节，可通过参考图3而被更好理解，图3是在钥匙扣和车辆中的RKE控制器之间循环的测试信号的时序图。时序图的上轨迹的实线部分描述由车辆中的RKE控制器传送的RF空中传播测试信号，下轨迹的实线部分描述由钥匙扣传送的RF空中传播测试信号。上轨迹的虚线部分表示在车辆中的RKE控制器处接收的钥匙扣信号，下轨迹的虚线部分表示在钥匙扣处接收的车辆信号。

图3中示出的过程按如下进行。

-在车辆侧，RKE控制器经由RF传送特定比特(在图中示出的例子中是两个比特)。

-信号从车辆通过空中或/和其它装置传播至钥匙扣耗费“ta”时间。

-钥匙扣接收信号。该信号的第一比特的上升沿触发钥匙扣控制器内的计时器(时间计数器)。

-在“df”时间计数(钥匙扣处的响应延迟)之后，钥匙扣向车辆发送回响应的RF信号。钥匙扣保持df的测量值以在随后的步骤中使用。

-信号从钥匙扣通过空中或/和其它装置传播至车辆将再次耗费“ta”时间。

-车辆中的RKE接收器接收RF响应。该响应信号的第一比特的上升沿触发车辆RKE控制器内的计时器(时间计数器)。

-在车辆侧的dv时间(车辆处的响应延迟)之后，车辆向钥匙扣发送回RF信号。车辆保持dv的测量值以在空中传播时间计算中使用。

-上面的过程重复“n”次。

在第n次往返行程完成时，由车辆RKE控制器测量的总行程时间T1将合计达：

T1＝2＊n＊ta+n＊df+(n-1)＊dv    (1)

在车辆处，这一T1行程时间由RKE控制器中的微型计算机中或与之关联的计时器测量。在车辆处的延迟dv是已知的，因为同一个车辆时钟被用于测量该间隔和用于测量T1间隔。然而，在钥匙扣处的延迟df不是已知的，因为在钥匙扣处的时钟与在车辆处的时钟可能没有很好地同步，并且可能因而比在车辆处的时钟运行得更快或更慢。为了以相对高的精度计算空中传播时间(2＊n＊ta)，希望知道在车辆时钟循环中的df的持续时间。

为了确定钥匙扣延迟df的持续时间，钥匙扣延迟df首先被增加测量的延迟df的已知的“x”倍，随后重复测试循环过程。换句话说，将用固有的钥匙扣延迟df执行一次测试过程，并且将随后在钥匙扣处用刻意增加至df＊x的钥匙扣延迟来第二次执行测试过程。如上所述，第一过程将产生总过程时间T1。第二过程将产生总过程时间T2：

T2＝2＊n＊ta+n＊df＊x+(n-1)＊dv    (2)

通过等式(2)减去(1)，我们得到：

T2-T1＝ΔT＝n＊df＊(x-1)    (3)

并因此，

n＊df＝ΔT/(x-1)    (4)

我们可以将结果(4)***回等式(1)中来获得独立于df的结果：

T1＝2＊n＊ta+ΔT/(x-1)+(n-1)＊dv    (5)

因此，n往返行程空中时间是：

Airtime＝2＊n＊ta＝T1-ΔT/(x-1)-(n-1)＊dv    (6)

在该等式右侧的全部数字或者是由车辆RKE控制器的同一个时钟计数的间隔，或者是简单预定义的数字(x)。从而，与车辆处的RKE控制器关联的微控制器可以使用等式(6)计算airtime(2＊n＊ta)。测量的空中时间将直接取决于钥匙扣和车辆之间的距离，并且从而将允许检测由盗贼进行的干预。

图4示出了对于正常操作和盗贼延迟操作将测量的空中传播时间之间的差异。钥匙扣和车辆之间的距离在横轴上表示，得到的空中时间(以微秒(μs)为单位)在纵轴上表示。空中传播时间是分隔钥匙扣和车辆的距离的线性函数。该图表假设采用了50个往返行程。在该图中，“正常操作”(钥匙扣接近车辆；没有盗贼)的空中传播时间是零点几微秒(μs)，然而当钥匙扣是30米远时空中传播时间约为10μs。(30米距离只是展现双盗贼情形的一个可能距离的例子)。

这一实际空中传播时间10μs虽然比一个行程时间大得多，但仍然是很小的。空中传播时间将是整个测量的T1或T2的一小部分，因为在车辆处和在钥匙扣处的延迟要大得多。如果在车辆处和在钥匙扣处的延迟时间例如都等于200μs，那么在50个往返行程上的这些延迟时间的总和将大约是200＊2＊50＝20ms。空中传播时间(Airtime)与总测量时间(T1或T2)的比率从而是10μs/20ms或者约为500ppm。我们可以把钥匙扣和车辆时钟之间的校准保持在上述数字的十分之一内：1/500＝50ppm。通过这一校准，残余时钟差将不会实质上影响空中时间确定。

当驾驶员接近车辆时经历的正常的airtime将被存储在与车辆处的RKE控制器关联的微控制器内的存储器中。如果计算的airtime比存储的airtime超出多于预设量，那么即使钥匙扣数据报包括正确的代码和加密，进入请求也将被忽略。

在上面的过程中，通过用不同的钥匙扣延迟df执行两次空中传播时间测试，从测量中分解出钥匙扣处的延迟。如果钥匙扣被设计为不需要第二遍测试就可以在车辆RKE控制器处精确地估计钥匙扣延迟df，则可以不需要第二空中传播时间测试。例如，钥匙扣时钟和延迟时间df可在初始制造期间在工厂中被校准到车辆时钟，或者替代地，钥匙扣时钟和延迟时间df可被表征或建模，并且该表征或建模被存储在车辆RKE控制器中，并在此后用于调整空中传播时间测量。

当钥匙扣被匹配至车辆RKE控制器时，在RKE控制器中的信息的存储可随后完成。即，钥匙扣和RKE控制器可被编程，使得当钥匙扣被配对至特定车辆RKE控制器时，表征数据能够经由RF链路被下载至RKE控制器，并且随后被存储在控制器中以随后用于确定df值。这些方法将减少频率归零处理时间。

在任一情形中，可以应用已知技术(例如温度补偿)来帮助确保时钟频率随着时间保持相对稳定，或者可以使用内在稳定的时钟设计。

在车辆中，车辆延迟时间dv的精确测量将取决于诸如硬件开关时间、响应时间和上升沿测量的事物。如果需要的话，这些要素可以被校准并且内置到查找表(相对于温度)中。然而，大部分误差将时常以高斯方式变化，并且由于使用多倍往返行程而将自过滤。在任何情形中，因为计算是基于车辆侧计数器的计数数字，所以空中传播时间测量过程将需要相对高频的时钟计数器。大部分时钟误差也将随着测量时间而归零。

可以使用其它技术来进一步增强***的安全。在车辆处，将限制将被允许的没有正确响应的车门手柄拉动次数，以约束盗贼使用多次尝试来破坏被动RKE安全的能力。

此外，在空中传播测试过程期间可以在钥匙扣处使用两种功率电平用于RF传送。在测试期间钥匙扣将在一些通信循环中以高功率传送，在其它通信循环中以低功率传送。功率电平的序列将再次被加密(仅对匹配的钥匙扣和车辆RKE控制器已知)，来防止盗贼伪造所有者的钥匙扣空中传播测试响应而不经过所有者钥匙扣。如果在空中传播测试过程中没有检测到功率电平的正确序列，则RKE控制器将拒绝进入请求并拒绝进入车辆。

除了提供测试过程的另外认证，这种两种功率电平的使用将迫使两个盗贼被相对大的距离地分开。由第一盗贼携带的接近车辆的装置将必须能够模仿使用的功率电平，从而那个装置将需要能够进行高功率传送。由第二盗贼携带的接近所有者的装置将必须“收听”低功率电平传送，以确定没有错过测试的任何循环。从而，装置将必须展示相对高的接收灵敏度。如果这两个装置相对接近(例如在一百英尺的级别)，则由第一装置进行的高功率传送(打算供车辆接收)将谬误地被第二装置接收(由于它的高接收灵敏度)。第二装置将不会认识到该信号来源于第一装置而不是钥匙扣，从而第二装置将把该信号发送回第一装置。由此产生的反馈环将破坏数据并从而扰乱盗贼操作。盗贼操作距离(两个装置之间的距离)将必须相对大以避免这一自耦接。然而，如果盗贼被分离开相对长的距离，那么将相应地增加空中传播时间并且简化了欺骗的检测。

从本发明的上述描述中，本领域技术人员将认识到改进、改变和修改。本技术领域内的这些改进、改变和修改意图由所附的权利要求覆盖。

Claims (20)

1.一种用于防止车辆的被动远程无钥匙进入***的安全漏洞的方法，包括以下步骤：在车辆和远程钥匙扣之间多次往返发送无线电信号，测量用于完成多次往返行程的总时间，以及使用测量的总时间来评价所述钥匙扣和所述车辆之间的连接的安全性。

2.根据权利要求1所述的方法，其中往返发送无线电信号的步骤包括以下步骤：连续多次询问所述钥匙扣以及接收来自钥匙扣的响应，并且其中测量的所述步骤包括测量接收全部响应所需的时间的步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其中连续多次询问所述钥匙扣的步骤包括以下步骤：询问所述钥匙扣，按照与对前一询问的有效响应的接收的一定时关系发起下一询问，以及重复发起步骤直到已经从所述钥匙扣接收到预定数量的有效响应。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述钥匙扣响应并不全是相同的，并且其中所述方法还包括评价所述钥匙扣响应中的差以证实所述响应来自授权的钥匙扣的步骤。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述钥匙扣响应中的至少一个与所述钥匙扣响应中的另一个在幅值上不同，并且其中所述方法还包括评价所述钥匙扣响应的幅值以证实所述响应来自授权的钥匙扣的步骤。

6.根据权利要求1所述的方法，其中使用测量的总时间的步骤包括只有所述测量的总时间低于阈值时才启用至少一个车辆功能的步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，其中启用的所述步骤包括只有所述测量的总时间低于阈值时才启用车辆进入和车辆操作中的至少一个的步骤。

8.根据权利要求6所述的方法，还包括调整所述测量的总时间和所述阈值中的至少一个来补偿由所述钥匙扣引入的定时变化的步骤。

9.根据权利要求8所述的方法，其中调整的所述步骤包括存储表征所述钥匙扣的信息并且使用存储的信息来进行所述调整的步骤。

10.根据权利要求8所述的方法，其中调整的所述步骤包括根据温度来调整所述测量的总时间和所述阈值中的至少一个的步骤。

11.一种用于具有响应远程钥匙扣的被动无钥匙进入***的车辆的防盗方法，所述方法包括以下步骤：

从所述车辆询问所述钥匙扣，

按照与对前一询问的有效响应的接收的一定时关系从所述车辆发起下一询问，

重复发起步骤直到已经从所述钥匙扣接收到预定数量的有效响应，

测量完成所述预定数量的有效响应所需的总时间，以及

分析测量的时间来确定是否允许至少一个车辆功能。

12.根据权利要求11所述的方法，其中从所述车辆询问的第一步骤包括传送低频RF信号的步骤。

13.根据权利要求12所述的方法，其中在第一步骤之后的至少一个询问步骤包括传送高频RF信号的步骤。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括从所述钥匙扣传送对于每个所述询问的响应的步骤。

15.根据权利要求14所述的方法，其中传送响应的步骤包括传送这样的响应的步骤，其中所述响应中的至少两个响应的模式彼此不同，并且其中所述方法还包括在所述车辆处评价所述模式以证实所述响应由授权的钥匙扣产生的步骤。

16.根据权利要求15所述的方法，其中传送彼此不同的响应的步骤包括传送这样的响应的步骤，其中所述响应中的至少一个响应具有与所述响应中的另一个响应不同的幅值。

17.根据权利要求11所述的方法，还包括测量温度的步骤，并且其中分析的步骤包括使用测量的温度来调整所述分析的步骤。

18.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：第一次和第二次执行询问、发起、重复和测量步骤以产生相应的第一和第二总时间，第一次和第二次中的一次在所述钥匙扣处引入钥匙扣响应的已知延迟，并且使用第一和第二总时间之间的差来提供已减少了对钥匙扣特性的依赖的补偿时间。

19.根据权利要求11所述的方法，其中询问所述钥匙扣的步骤包括以下步骤：检测用于车门的操作的请求，响应于所述请求提供所述询问，以及响应于时间上紧密地发生的多个请求而拒绝提供所述询问。

20.根据权利要求19所述的方法，其中检测用于车门的操作的请求的步骤包括检测人与车辆的门的手柄的接触的步骤。