DE10337512A1 - Hands-free or keyless access authentication system, especially for motor vehicles, in which measurement of the distance of an access transponder or unit from the vehicle is made by measuring a signal phase shift - Google Patents

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Abstract

Method for distance measurement for hands-free access authentication systems, whereby distance measurement is based on determination of the phase shift of a measurement signal travelling over the radio path. The invention also relates to a corresponding system for implementation of the inventive method.

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.The KEYLESS ENTRY / KEYLESS GO system is used to allow the holder of an authorized key (TR) access to a motor vehicle and then, after entering the vehicle to grant driving authorization. This requires a sequence of different procedures. First, the TR must be identified as authorized to access, a communication sequence is used to exchange user data. Finally, a distance measurement cycle is used to determine the exact position of the TR relative to the vehicle in order to determine the exact time of door unlocking and to prevent hostile intrusion. In addition, it is necessary to know if the TR is still outside or already inside the vehicle. This requires a very high accuracy in the distance measurement. In 1 the definition of indoor and outdoor space is clarified.

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.Currently are mainly used so-called inductive systems in which Low frequency electromagnetic fields transmitted by induction coils become. The distance between TR and car (BS) is measured by level measurement determined, i. the height the received RF level is proportional to the distance between the two Remote stations. Very high field strengths are necessary in this process to bridge only short distances. The Fields remain during the use of the vehicle, whereby all passengers by field strengths be burdened by up to 300 V / m. This poses a significant health risk represents.

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.Of the maximum measuring and communication range is only a few meters limited. Furthermore is a very high power consumption typical of these solutions. Since the key is battery operated, This high consumption represents a major disadvantage because it the battery life is greatly reduced.

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.each Access control procedure must provide a maximum level of security guarantee. This implies that no enemy intrusion, i. no switch off or bypassing the system possible may be. For the existing Keyless Entry / Keyless Go systems However, it is possible, the Distance measuring system by range extension, i. by interposing a radio link between BS and TR, far less than pretend the current distance. This makes it possible for an attacker to invade the vehicle without authorization.

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.There these systems predominantly in the frequency range around 433 MHz and 868 MHz work and the allowed Bandwidths in the two frequency bands are very limited, can also no high transfer rates be used for data communication. This is disadvantageous there with the respective key specific user data are connected (seating position, position of Inside and outside mirrors, etc.) and transmit them after the identification of the key Need to become.

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.The Vehicle then takes the necessary settings automatically before. Due to the low transmission bandwidth, these can user-specific data is transmitted very slowly. For this Need reason additional Sensors in the door handles be attached to a timely start of data communication to secure.

Erfindunginvention

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.to Avoid the above mentioned Disadvantages has been developed a new system in the high frequency range. Compared with the low-frequency, inductive systems, has The newly developed keyless entry system has the following advantages: low field strengths, therefore no health burden; fast data transmission, therefore no sensors in the door handles necessary; accurate and safe distance measurement. The decisive innovation lies in the implementation the distance measurement.

Das entwickelte Abstandsmessverfahren nutzt die Tatsache, dass die Phasenverschiebung eines Hochfrequenzsignals mit der Entfernung, welche die elektromagnetische Welle zurücklegt, in direktem Zusammenhang steht.The developed distance measurement uses the fact that the phase shift of a high-frequency signal with the distance which the electromagnetic Wave covers, is directly related.

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.The RF signal is generated in the BS, sent to the TR and from there again back to the BS. In the BS, in turn, the phase of the transmitted signal with the compared to the previously generated and thus directly the distance between BS and TR determined.

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 (fm) 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 fm moduliert. Das resultierende Signal am Ausgang des Mischers ist ein amplitudenmoduliertes HF-Signal mit fm 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 fm herunter. Die empfangene fm 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.The measuring principle is in the 2 shown. An oscillator (local oscillator) generates an HF sine signal (f 0 ) in the GHz range (eg 5.8 GHz) and thus controls a mixer. By means of a second oscillator, realizable for example by a DDS (direct digital synthesizer), the modulation signal (f m ) is generated. This has a frequency that is very small compared to f 0 (eg 5 MHz). Thus, the HF signal f m is modulated by means of the mixer. The resulting signal at the output of the mixer is an amplitude-modulated RF signal with f m as carrier and two secondary lines at f 0 distance. The AM-modulated carrier signal is radiated by means of an antenna to ei reflected object or received by a transponder (TR), sent back and received in the BS again by means of antenna. The subsequent receive mixer is also controlled by f 0, and thus mixes the input signal down to the f m . The received f m has undergone a phase shift f due to the transmission process and consequently represents itself as fm + f. A frequency-selective phase detector (eg a coherence rectifier) compares the two signals fm and fm + f and outputs as output a proportional direct voltage to f out.

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.If the measurement is performed only at a single modulation frequency, the uniqueness range is given by its wavelength. When Uniqueness range is called the maximum distance until to which each phase value of the modulation signal occurs only once can. About that In addition, the phase values repeat and the measured values give not the actual distance, but the shortened by the wavelength distance again. Now the measurement with a second, the first easy offset, modulation frequency repeated, is the uniqueness range only given by the difference of the two frequencies and can with appropriate choice, the wavelength exceed many times.

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 fm 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.The block diagram of the HF keyless entry system is in 3 shown. It consists of a phase-locked loop (PLL) regulated oscillator (VCO) which drives the L input of a mixer. A DDS (direct digital synthesizer) generates the modulation signal f m and thus drives the I input of the mixer. The amplitude modulated output signal is sent via an antenna to the TR. There it is amplified by a low-noise amplifier (LNA) and filtered by bandpass. An active mixer, here realized as a self-oscillating mixer (SOM), converts the carrier frequency into another frequency range (eg from 5.8 GHz to 2.44 GHz). After filtering and re-amplification, the TR sends the signal, which is now changed in the carrier frequency but not in its modulation properties, back to the BS. Received there, it is also converted by means of a SOM in an intermediate frequency band and then demodulated. At the output of the AM demodulator is now the shifted in phase modulation frequency.

Im folgenden Kohärenzgleichrichter wird sie mit der ursprünglich im DDS erzeugten fm verglichen. Als Ausgangssignal ergibt sich eine der Phasenverschiebung proportionale Gleichspannung V(f), welche dann in einem Mikroprozessor ausgewertet wird.In the following coherence rectifier, it is compared with the f m originally generated in the DDS. The output signal is a phase shift proportional DC voltage V (f), which is then evaluated in a microprocessor.

Dieser Vorgang wird bei mindestens einer weiteren fm wiederholt, um eine eindeutige Messung zu erreichen. Der Eindeutigkeitsbereich ist abhängig von der Differenz der beiden Modulationsfrequenzen:

Figure 00030001
This process is repeated at least one more f m to achieve a clear measurement. The uniqueness range depends on the difference between the two modulation frequencies:
Figure 00030001

Dabei ist rmm 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.Here r mm is the uniqueness range, c the speed of light and Dfm the difference of the two modulation frequencies. From this it can be seen that the size of the uniqueness range is not dependent on the modulation frequencies themselves, but only on their distance.

Wird nun z.B. eine Reihe aus den drei Frequenzen fm1 = 5,00 MHz, fm2 = 5,30 MHz und fm3 = 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 fm 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.If, for example, a series is measured from the three frequencies f m1 = 5.00 MHz, f m2 = 5.30 MHz and f m3 = 6.00 MHz, two different uniqueness ranges result, namely 10 km (for Dfm = 0.30 MHz) and 3 km (for Dfm = 1.00 MHz). I repeat the V (f) (DC voltage proportional to the phase difference at the coherence rectifier) after 3 or 10 km. This means that a key located at a distance of 1000 meters from the vehicle is measured at a distance of only 1 meter. When using the second modulation frequency f m 2 , however, results in a distance of 1001 m. By comparing the two results in the microprocessor, it is recognized that the key is out of the range for an access authorization and consequently no access authorization is granted. The safety of the system is maximized by selecting the modulation frequencies from the microprocessor in a pseudo-random manner.

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.In usually the maximum range of the radio link is between BS and TR are only a fraction of the uniqueness range. However, it could an attacker try by a so-called suitcase attack by Interconnection of a radio link between BS and TR, a range extension reach the system and thus unauthorized access to get to the vehicle. This is the systems currently in use, in which the distance determination is carried out by means of level measurement, quite possible and also already realized. In the RF system described above However, this is not possible for the reasons already described. This means a huge increase in security.

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.The invention relates to a high-frequency measuring system for determining the distance between two remote stations in connection with the granting of an access authorization. The system consists of two active remote stations, which are connected to each other via a radio link. The measurement of the distance takes place via the determination of the phase shift of the signal after passing through the entire radio link. The measurement is typically performed at at least two very close signal frequencies. Out of green the better realizability and the transmission properties, the measurement signal is modulated onto a high frequency carrier, transmitted and then demodulated again. This modulation process has no influence on the measurement result.

Claims (8)

Verfahren zur Abstandsmessung für berührungslose Zutrittsberechtigungssysteme, wobei die Messung des Abstandes über die Bestimmung der Phasenverschiebung eines Messsignals nach Durchlauf der Funkstrecke erfolgt.Method for distance measurement for non-contact Access authorization systems, whereby the measurement of the distance over the Determination of the phase shift of a measuring signal after passage the radio link takes place. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messung bei mindestens zwei Signalfrequenzen durchgeführt wird.The method of claim 1, wherein the measurement in at least two signal frequencies is performed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Messsignal auf einen Hochfrequenzträger aufmoduliert übertragen und anschließend wieder demoduliert wird.Method according to one of claims 1 or 2, wherein the measurement signal transmitted modulated on a high-frequency carrier and subsequently is demodulated again. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Modulationsfrequenzen von einem Mikroprozessor in einem Zufalls-Verfahren ausgewählt werden.Method according to one of claims 1 to 3, wherein the modulation frequencies be selected by a microprocessor in a random procedure. 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.Method according to one of claims 1 to 4, wherein the measuring signal is an RF signal, which generates in an object, sent to a user and from there again transferred back to the object becomes. 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.Method according to one of claim 5, wherein in the object the phase of the transferred Measurement signal compared to the previously generated measurement signal and thus directly determine the distance between object and user becomes. 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.System, in particular for carrying out the method according to one the claims 1 to 6, consisting of A) a high-frequency measuring system, B) two active remote stations over a radio link are connected to each other, C) an object in which the RF signal is generated and the phase of the transmitted Measurement signal compared to the previously generated measurement signal and thus directly determine the distance between object and user becomes. System nach Anspruch 7, wobei ein Mikroprozessor vorhanden ist, der die Modulationsfrequenzen auswählt.The system of claim 7, wherein a microprocessor is present, which selects the modulation frequencies.
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