DE10337512A1 - KEYLESS ENTRY / KEYLESS GO Abstandsmessverfahren für berührungslose Zutrittsberechtigungssysteme - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abstandsmessung für berührungslose Zutrittsberechtigungssysteme, wobei die Messung des Abstandes über die Bestimmung der Phasenverschiebung eines Messsignals nach Durchlauf der Funkstrecke erfolgt.

Description

• Das KEYLESS ENTRY / KEYLESS GO System dient dazu, dem Träger eines berechtigten Schlüssels (TR) den Zutritt zu einem Kraftfahrzeug zu gestatten und anschließend, nach Betreten des Fahrzeugs die Fahrberechtigung zu erteilen. Dazu ist eine Sequenz verschiedener Verfahren notwendig. Zuerst muss der TR als zutrittsberechtigt identifiziert werden, eine Kommunikationssequenz dient zum Austausch von Benutzerdaten. Ein Abstandsmesszyklus dient schließlich dazu, die genaue Position des TR relativ zum Kfz zu ermitteln, um den genauen Zeitpunkt der Türentriegelung festzulegen und ein feindliches Eindringen zu verhindern. Außerdem ist es notwendig zu erkennen, ob sich der TR noch außerhalb oder bereits innerhalb des Fahrzeugs befindet. Dazu ist eine sehr hohe Genauigkeit bei der Abstandsmessung nötig. In 1 ist die Definition von Innen- und Außenraum verdeutlicht.
• Derzeit werden vorwiegend sogenannte induktive Systeme verwendet, bei denen niederfrequente elektromagnetische Felder durch Induktionsspulen übertragen werden. Der Abstand zwischen TR und Kfz (BS) wird dabei durch Pegelmessung ermittelt, d.h. die Höhe des empfangenen HF-Pegels ist proportional zum Abstand der beiden Gegenstationen. Bei diesem Verfahren sind sehr hohe Feldstärken notwendig um nur kurze Entfernungen zu überbrücken. Die Felder bleiben während der Benutzung des Fahrzeugs bestehen, wodurch alle Insassen durch Feldstärken von bis zu 300 V/m belastet werde. Dies stellt ein erhebliches Gesundheitsrisiko dar.
• Der maximale Mess- und Kommunikationsbereich ist auf nur wenige Meter beschränkt. Außerdem ist ein sehr hoher Stromverbrauch typisch für diese Lösungen. Da der Schlüssel batteriebetrieben ist, stellt dieser hoher Verbrauch einen großen Nachteil dar, weil dadurch die Batterielebensdauer stark reduziert wird.
• Jedes Verfahren zur Zutrittssicherung muss ein maximales Maß an Sicherheit gewährleisten. Dies beinhaltet, dass kein feindliches Eindringen, d.h. kein Ausschalten bzw. Umgehen des Systems möglich sein darf. Bei den bestehenden Keyless Entry / Keyless Go Systemen ist es allerdings möglich, dem Abstandsmesssystem durch Reichweitenverlängerung, d.h. durch Zwischenschalten einer Funkstrecke zwischen BS und TR, einen weit geringeren als den aktuellen Abstand vorzutäuschen. Dadurch ist es einem Angreifer möglich, unberechtigterweise in das Fahrzeug einzudringen.
• Da diese Systeme vorwiegend im Frequenzbereich um 433 MHz und 868 MHz arbeiten und die zulässigen Bandbreiten in den beiden Frequenzbändern nur sehr eingeschränkt sind, können auch keine hohen Übertragungsraten zur Datenkommunikation genutzt werden. Dies ist deshalb nachteilig, da mit dem jeweiligen Schlüssel spezifische Nutzerdaten verbunden sind (Sitzposition, Stellung der Innen- und Außenspiegel, usw.) und diese nach der Identifizierung des Schlüssels übertragen werden müssen.
• Das Fahrzeug nimmt daraufhin die nötigen Einstellungen automatisch vor. Durch die geringe Übertragungsbandbreite können diese nutzerspezifischen Daten nur sehr langsam Übertragen werden. Aus diesem Grund müssen zusätzliche Sensoren in den Türgriffen angebracht werden, um einen rechtzeitigen Start der Datenkommunikation zu sichern.
• Erfindung
• Zur Vermeidung der oben angeführten Nachteile wurde ein neues System im Hochfrequenzbereich entwickelt. Im Vergleich mit den niederfrequenten, induktiven Systemen, hat das neu entwickelte Keyless-Entry-System folgende Vorteile: geringe Feldstärken, daher keine Gesundheitsbelastung; schnelle Datenübertragung, deshalb keine Sensoren in den Türgriffen nötig; genaue und sichere Abstandsmessung. Die entscheidende Neuerung liegt in der Durchführung der Abstandsmessung.
• Das entwickelte Abstandsmessverfahren nutzt die Tatsache, dass die Phasenverschiebung eines Hochfrequenzsignals mit der Entfernung, welche die elektromagnetische Welle zurücklegt, in direktem Zusammenhang steht.
• Das HF-Signal wird in der BS erzeugt, zum TR gesendet und von dort wieder zur BS zurückübertragen. In der BS wiederum wird die Phase des übertragenen Signals mit der des vorher generierten verglichen und somit direkt der Abstand zwischen BS und TR ermittelt.
• Das Messprinzip ist in der 2 dargestellt. Ein Oszillator (local oscillator) erzeugt ein HF-Sinussignal (f₀) im GHz-Bereich (z.B. 5,8 GHz) und steuert damit einen Mischer an. Mittels eines zweiten Oszillators, realisierbar z.B. durch einen DDS (direct digital synthesizer), wird das Modulationssignal (f_m) erzeugt. Dieses hat eine Frequenz, die im Vergleich zu f₀ sehr klein ist (z.B. 5 MHz). Damit wird mittels des Mischers das HF-Signal f_m moduliert. Das resultierende Signal am Ausgang des Mischers ist ein amplitudenmoduliertes HF-Signal mit f_m als Träger und zwei Nebenlinien im Abstand von f₀. Das AM-modulierte Trägersignal wird mittels Antenne abgestrahlt, an einem Gegenstand reflektiert oder von einem Transponder (TR) empfangen, wieder zurückgesandt und in der BS wiederum mittels Antenne empfangen. Der nachfolgende Empfangsmischer wird ebenfalls von f₀ gesteuert und mischt folglich das Eingangssignal auf die f_m herunter. Die empfangene f_m hat durch den Übertragungsvorgang eine Phasenverschiebung f erfahren und stellt sich folglich als fm+f dar. Ein fequenz-selektiver Phasendetektor (z.B. ein Kohärenzgleichrichter) vergleicht die beiden Signale fm und fm+f und gibt als Ausgangssignal eine zu f proportionale Gleichspannung aus.
• Falls die Messung nur bei einer einzigen Modulationsfrequenz durchgeführt wird, ist der Eindeutigkeitsbereich durch deren Wellenlänge gegeben. Als Eindeutigkeitsbereich wird die maximale Entfernung bezeichnet, bis zu der jeder Phasenwert des Modulationssignals nur einmal vorkommen kann. Darüber hinaus wiederholen sich die Phasenwerte und die Messwerte geben nicht die eigentliche Entfernung, sondern den um die Wellenlänge verkürzten Abstand wieder. Wird nun die Messung mit einer zweiten, zur ersten leicht versetzten, Modulationsfrequenz wiederholt, ist der Eindeutigkeitsbereich nur noch durch die Differenz der beiden Frequenzen gegeben und kann bei entsprechender Wahl die Wellenlänge um ein Vielfaches übersteigen.
• Das Blockschaltbild des HF-Keyless Entry-Systems ist in 3 dargestellt. Es besteht aus einem, über eine Phasenregelschleife (PLL) geregelten, Oszillator (VCO), welcher den L-Eingang eines Mischers ansteuert. Ein DDS (direct digital synthesizer) erzeugt das Modulationssignal f_m und treibt damit den I-Eingang des Mischers. Das amplitudenmodulierte Ausgangssignal wird über eine Antenne zum TR gesendet. Dort wird es durch einen rauscharmen Verstärker (LNA) verstärkt und mittels Bandpass gefiltert. Ein aktiver Mischer, hier als Selbstschwingender Mischer (SOM) realisiert, setzt die Trägerfrequenz in einen anderen Frequenzbereich um (z.B. von 5,8 GHz auf 2,44 GHz). Nach Filterung und erneuter Verstärkung sendet der TR das nun zwar in der Trägerfrequenz aber nicht in seinen Modulationseigenschaften geänderte Signal an die BS zurück. Dort empfangen, wird es ebenfalls mittels eines SOM in ein Zwischenfrequenzband umgesetzt und anschließend demoduliert. Am Ausgang des AM-Demodulators steht nun die in der Phase verschobene Modulationsfrequenz an.
• Im folgenden Kohärenzgleichrichter wird sie mit der ursprünglich im DDS erzeugten f_m verglichen. Als Ausgangssignal ergibt sich eine der Phasenverschiebung proportionale Gleichspannung V(f), welche dann in einem Mikroprozessor ausgewertet wird.
• Dieser Vorgang wird bei mindestens einer weiteren f_m wiederholt, um eine eindeutige Messung zu erreichen. Der Eindeutigkeitsbereich ist abhängig von der Differenz der beiden Modulationsfrequenzen:

  
• Dabei ist r_mm der Eindeutigkeitsbereich, c die Lichtgeschwindigkeit und Dfm die Differenz der beiden Modulationsfrequenzen. Hieraus ist zu ersehen, dass die Größe des Eindeutigkeitsbereichs nicht von den Modulationsfrequenzen selbst, sondern nur von deren Abstand abhängig ist.
• Wird nun z.B. eine Reihe aus den drei Frequenzen f_m1 = 5,00 MHz, f_m2 = 5,30 MHz und f_m3 = 6,00 MHz gemessen, ergeben sich zwei unterschiedliche Eindeutigkeitsbereiche, nämlich 10 km (für Dfm = 0,30 MHz) und 3 km (für Dfm = 1,00 MHz). Die V(f) (Gleichspannung proportional zur Phasendifferenz am Kohärenzgleichrichter) wiederholen s ich erst nach 3 bzw. 10 km. Dies bedeutet, dass e in Schlüssel der sich im Abstand von 10001 m vom Fahrzeug entfernt befindet, mit einem Abstand von nur 1m gemessen wird. Bei der Verwendung der zweiten Modulationsfrequenz f_{m 2} ergibt sich allerdings ein Abstand von 1001 m. Durch den Vergleich der beiden Ergebnisse im Mikroprozessor wird erkannt, dass sich der Schlüssel außerhalb des Bereichs für eine Zutrittsautorisierung befindet und folglich wird keine Zutrittsberechtigung erteilt. Die Sicherheit des Systems wird dadurch maximiert, dass die Modulationsfrequenzen vom Mikroprozessor in einem pseudo-zufälligen Verfahren ausgewählt werden.
• In der Regel wird die maximale Reichweite der Funkstrecke zwischen BS und TR nur einen Bruchteil des Eindeutigkeitsbereichs betragen. Allerdings könnte ein Angreifer durch eine sogenannte Kofferattacke versuchen, durch Zwischenschaltung einer Funkstrecke zwischen BS und TR, eine Reichweitenverlängerung des Systems zu erreichen und sich somit unberechtigterweise Zutritt zum Fahrzeug zu verschaffen. Dies ist bei den derzeit eingesetzten Systemen, in denen die Abstandsbestimmung mittels Pegelmessung durchgeführt wird, durchaus möglich und auch bereits realisiert worden. In dem oben beschriebenen HF-System ist dies aus den bereits beschriebenen Gründen jedoch nicht möglich. Dies bedeutet eine enorme Steigerung der Sicherheit.
• Beschrieben wird die Erfindung eines Hochfrequenz-Messsystem zur Bestimmung des Abstandes zweier Gegenstellen in Verbindung mit der Erteilung einer Zutrittsberechtigung. Das System besteht aus zwei aktiven Gegenstellen, die über eine Funkstrecke miteinander Verbunden sind. Die Messung des Abstandes erfolgt über die Bestimmung der Phasenverschiebung des Signals nach Durchlauf der gesamten Funkstrecke. Die Messung wird typischerweise bei mindestens zwei, sehr eng beieinanderliegenden Signalfrequenzen durchgeführt. Aus Gründen der besseren Realisierbarkeit und der Übertragungseigenschaften wird das Messsignal auf eine Hochfrequenzträger aufmoduliert, übertragen und anschließend wieder demoduliert. Dieser Modulationsvorgang hat keinen Einfluss auf das Messergebnis.

Claims (8)

1. Verfahren zur Abstandsmessung für berührungslose Zutrittsberechtigungssysteme, wobei die Messung des Abstandes über die Bestimmung der Phasenverschiebung eines Messsignals nach Durchlauf der Funkstrecke erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messung bei mindestens zwei Signalfrequenzen durchgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Messsignal auf einen Hochfrequenzträger aufmoduliert übertragen und anschließend wieder demoduliert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Modulationsfrequenzen von einem Mikroprozessor in einem Zufalls-Verfahren ausgewählt werden.
5. Verfahren nach einem d er Ansprüche 1 bis 4, wobei das Messsignal ein HF-Signal ist, welches in einem Objekt erzeugt, zu einem Nutzer gesendet und von dort wieder zum Objekt zurückübertragen wird.
6. Verfahren nach einem der Anspruch 5, wobei im Objekt die Phase des übertragenen Messsignals mit der des vorher generierten Messsignals verglichen und somit direkt der Abstand zwischen Objekt und Nutzer ermittelt wird.
7. System, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bestehend aus A) einem Hochfrequenz-Messsystem, B) zwei aktiven Gegenstellen, die über eine Funkstrecke miteinander verbunden sind, C) einem Objekt, in dem das HF-Signal erzeugt wird und die Phase des übertragenen Messsignals mit der des vorher generierten Messsignals verglichen und somit direkt der Abstand zwischen Objekt und Nutzer ermittelt wird.
8. System nach Anspruch 7, wobei ein Mikroprozessor vorhanden ist, der die Modulationsfrequenzen auswählt.