CN100446049C - 无线激活系统、方法及设备 - Google Patents

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Abstract

一种无线激活系统，诸如无钥匙汽车门禁系统，使用重复编码序列(mk)在发送器设备(400)和接收器设备(200)之间通信。通过在发送器设备和接收器设备同步地改变序列持续时间，或通过改变序列中码元或切片的数目，或通过改变码元或切片速率，使得未授权方检测编码序列并中继编码序列以实现在接收设备(200)未授权的激活困难多了。

Description

无线激活系统、方法及设备
本发明涉及一种无线激活系统，在其中使用的装置，以及一种无线激活的方法，例如，它们可用于诸如对车门上的锁无线激活与去除激活之类的远程控制应用，或者可用于给人、动物或物体加标签。
无钥匙汽车门禁系统正变得越来越普遍(common-place)，在该系统中钥匙扣(key fob)装在口袋中的车主在接近时足以对车门解锁。图1示出了这样的系统，该系统在由车主A持有的钥匙扣10与车载设备20之间采用双向通信。典型地，车载设备产生使用125KHz信号的磁场M以使得它被限制于几米的范围内。该钥匙扣检测磁场M，然后用例如在800-900MHZ的范围内的UHF编码信号S响应。当车载设备对从钥匙扣接收到的有效编码信号S满意时，该车载设备对车门解锁。可替换地，可将UHF或微波频带用于汽车到钥匙扣的通信和钥匙扣到汽车的通信。
无钥匙汽车门禁系统可被扩展至“无钥匙开”(Keyless Go)系统，在这种系统中甚至不必在点火开关中插入钥匙来启动汽车的引擎。而代替为司机按下按钮，只要钥匙扣在附近汽车引擎就启动。
已知的无钥匙汽车门禁系统易受被称为“中继攻击”(relayattack)的影响。中继攻击在图2中示出。靠近汽车的小偷C使用第一中继攻击装置30来检测汽车周围的磁场M并将磁场M的参数P传送到同伙B，同伙B靠近车主A。同伙B使用第二中继攻击装置40来接收磁场M的参数P，并产生模仿由车载设备20产生的磁场M的伪造磁场M′。即使车主A可能距车数百米乃至数千米，车主的钥匙扣10通过发送编码信号S作出响应。第二中继攻击装置40将编码信号S中继到第一中继攻击装置30，第一中继攻击装置30依序将编码信号S中继到车载设备20。车载设备20通过对车门解锁来对编码信号S作出反应，小偷C就能够偷车了。
减轻中继攻击的一种方法是测量编码信号S的飞行时间，并且仅若飞行时间测量表明钥匙扣非常接近汽车时对车门解锁。然而，用于测量飞行时间的实际方案会造成模糊，使得通过在从钥匙扣向车载设备中继的编码信号S中插入延迟，能够使钥匙扣看起来比它实际上更靠近汽车。因而，甚至已知的保护系统也易受中继攻击的攻击。
标记系统也易受中继攻击的攻击。在这样的系统中，给人、动物或物体配备用于向接收器设备发送信号的发送器设备，接收器设备估计发送器设备的距离，并且如果该距离变得比预定值大，或可替换地，取决于该应用，比预定值小，则产生警报。通过中继攻击，能够欺骗接收器设备做出对距离的错误估计。
本发明的一个目的是使中继攻击困难得多。
根据本发明的第一方面，提供一种无线激活系统，该系统包括具有用于产生并发送编码信号的装置的第一设备，其中所述编码信号的各个连续发送包括来自一系列编码序列的一连续的编码序列；以及第二设备，其具有用于与第一设备同步产生编码序列系列的装置，用于接收所述编码信号的装置，用于检测由第一设备发送的所述连续编码序列的装置，用于产生所述编码信号的飞行时间的指示的装置，以及用于响应与由第二设备最近产生的连续编码序列相应的所检测连续编码序列和在预定值范围内的飞行时间的指示的结合，产生激活信号的装置，其中所述编码序列系列包括不同持续时间的编码序列。
根据本发明的第二方面，提供一种无线激活方法，该方法包括在第一设备产生并发送编码信号，其中所述编码信号的各个连续发送包括来自一系列编码的一连续的编码序列；以及在第二设备与第一设备同步产生编码序列系列，接收所述编码信号，检测由第一设备发送的所述连续的编码序列，产生所述编码信号的飞行时间的指示，以及响应与由第二设备最近产生的连续编码序列相应的所检测连续编码序列和在预定值范围内的飞行时间的指示的结合，产生激活信号，其中所述编码序列系列包括不同持续时间的编码序列。
根据本发明的第三方面，提供用在无线激活系统中的发送器设备，该设备包括用于产生并发送编码信号的装置，其中所述编码信号的各个连续发送包括来自一系列编码序列的一连续的编码序列，并且其中所述编码序列系列包括不同持续时间的编码序列。术语“发送器设备”不排除也包含接收器的设备的可能，但为方便仅用于标识适用于产生并发送编码信号的设备。
根据本发明的第四方面，提供用在无线激活系统中的接收器设备，该设备包括用于产生编码序列系列的装置，用于接收编码信号的装置，用于检测由编码信号表示的编码序列的装置，用于产生所述编码信号的飞行时间的指示的装置，以及用于响应与最近产生的编码序列相应的所检测编码序列和在预定值范围内的飞行时间的指示的结合，产生激活信号的装置，其中所述编码序列系列包括具有不同持续时间的编码序列。术语“接收器设备”不排除也包含发送器的设备的可能，但为方便仅用于标识适用于接收编码信号、响应地产生激活信号的设备。
各个编码信号包括许多相同的编码序列。通过在不同的编码信号中采用不同持续时间的编码序列，中继攻击装置要预测所发送编码序列的持续时间变得更加困难，对于中继攻击装置来检测该编码序列更加困难，并且对于中继攻击装置来计算并在被中继的信号中插入欺骗接收器装置相信由远距离发送器装置激活所需的延迟更加困难。
不同持续时间的编码序列可通过在编码序列中采用不同数目的码元或切片切片(chip)来实现，或者通过采用不同的码元或切片速率(chip rate)来实现。
现在仅以一个无钥匙汽车门禁系统的例子，参照以下附图来描述本发明。
图1是无线激活系统的示意图；
图2是在中继攻击下无线激活系统的信号流图；
图3是根据本发明用在无线激活系统中的接收器设备的示意框图；
图4是根据本发明用在无线激活系统中的发送器设备的示意框图；
图5示出编码信号的一个系列。
首先，解释一下在所计算的飞行时间中的模糊是如何出现的。为说明这个问题，我们考虑一个例子，在其中编码信号sj(j＝1，N)为具有1M切片/s的切片速率的直接序列扩展频谱信号，并且其中发送器设备的发送功率为-20dBm以便确保电池寿命长。为了使接收器设备能够简单，各个编码信号sj包括在编码信号sj之内同样重复的短编码序列mk(k＝1，P)，而不是发送单个的长编码序列。例如，编码信号s1可具有相应于10μs持续时间的10切片的长度。为了确保编码信号sj的可靠检测，当编码信号sj预期要收到时，接收器设备在一段时间窗口期间启用它的接收器。为了采用-20dBm的功率水平按1m的精确度测量10m的距离，接收器设备一般需要接收1ms持续时间的信号以便充分地使噪声平均，因而将接收器时间窗口的持续时间选择为大约1ms。由于编码信号sj的可变传播距离，在接收器设备编码信号sj到达的准确时间不确定，以及为确保当接收器在整个时间窗口期间被启用时1ms的信号被接收，所发送的编码信号sj比时间窗口长，并包括为2ms的整个持续时间内重复的编码序列mk，编码序列m1作为其组成部分的编码信号s1在图5中示出。
适于用在车载设备中并根据本发明采用的接收器设备200在图3中示出。其包括发射器(Tx)220，它连接到天线230用于发射磁场M，并连接到诸如微处理器的处理装置(μp)210用于控制磁场M的产生。另外有低噪声放大器(LNA)110，用于从天线100接收编码信号s1。LNA 110的输出连接到混频器120的第一输入，在混频器120处通过与由本机振荡器源130产生并连接到混频器120的第二输入的本机振荡器信号混频，LNA 110的输出被向下转换。混频器的输出连接到低通滤波器140的输入，低通滤波器140的输出连接到模数转换器(ADC)150。ADC 150的输出连接到检测器160的输入，用于检测编码信号sj。检测器160包括缓冲器165，用于存储在接收器时间窗口接收并从ADC150的输出传送的所接收的部分编码信号sj。检测器160还包括循环寄存器167，用于存储包括相同连接的编码序列mk的参考编码信号。缓冲器165的输出和循环寄存器167的输出连接到乘法器168的各输入，乘法器168的输出连接到积分器166的输入，以及积分器166的输出连接到处理装置210的输入。工作时，存储在缓冲器165中的信号和存储在循环寄存器167中的参考编码信号之间的相关通过在乘法器168中将这些信号相乘以及在积分器166中对该结果进行积分来完成，并对循环寄存器167中参考编码信号的连续的循环移位重复这些步骤。由于短编码序列mk的采用，在至多与该编码序列mk的长度相应的循环移位的数目之内，在积分器166的输出出现相关峰值。处理装置210处理由积分器166提供给它的相关信号，以便确定相关峰值出现的时间并估计编码信号sj的飞行时间。为使飞行时间能够被计算，处理装置210连接到时钟(CLK)240。由检测器160检测的信号被处理装置210使用来调整时钟240，以便于保持它与发送编码信号的设备(也就是具有时钟440的发送设备400，下面将参照图4描述)同步。处理装置210从飞行时间计算接收器设备200距钥匙扣的距离，并且如果该距离在预定限度之内，则在输出270上产生激活信号，该激活信号连接到汽车锁定系统(SYS)300，激活信号会导致汽车门被解锁。
因为编码信号sj包括相同连接的编码序列mk，如果编码信号sj被延迟多个编码序列mk持续时间，则在检测器160的输出观察到类似的相关峰值，所以在所计算的编码信号sj的飞行时间中存在模糊。在持续时间10μs的编码序列m1的情况下，存在n×10μs的模糊，其中n是整数。这导致在所计算的传播距离中存在n×3km的模糊。
通过确保模糊比需要测量的任何距离较大，并且通过从所测量的距离中减去各单位的模糊距离直到获得小于模糊距离的数字，可解决该模糊。例如，对于无钥匙汽车门禁系统，由于该系统不需要在更长的距离范围工作，所以只需要测量直到大约20m的距离。如果钥匙扣超过3km远，不足的信号功率将传播到车辆以使得能够进行距离测量。如果采用编码序列m1的测量产生3.01km的传播距离，通过减去n×3km的模糊距离可容易地断定钥匙扣距离车辆10m。然而，在中继攻击下，在编码信号的功率水平由中继攻击装置30增强的情况下，钥匙扣可能实际上距离车辆3.01km。
作为另外一个例子，钥匙扣可能距离车辆1km，因为司机太远，所以在这一距离接收器设备200应确定它不应对编码信号s1作出反应。然而，中继攻击装置30或40可插入6.7μs的额外延迟，造成接收设备200测量出3.01km的距离并在允许n×3km的模糊之后断定钥匙扣仅距离车辆10m，因而错误地允许了对车辆的进入。
根据本发明，通过让编码序列的持续时间改变来提供防止中继攻击的保护。存在一预定编码信号sj(j＝1，N)集，其中各个编码信号sj包括来自编码序列集mk，k＝1，p的预定编码序列。可选择编码序列mk以具有低的互相关性。编码序列mk的不同持续时间的数目和该编码序列mk的不同值P的数目可能小于N，也就是编码序列mk在编码信号sj的预定集内不必是唯一的。对一对特殊的发送器设备和接收器设备编码信号sj有可能是唯一的，或者对一对特殊的发送器设备和接收器设备编码信号sj发送的顺序有可能是唯一的。
在该示例性实施例中，已发送包括10切片长度的编码序列m1的编码信号s1，下一个发送的编码信号将是s2，并且s2将包括11切片长度的编码序列m2。通过采用编码序列m2，时间模糊增加到11μs并且距离模糊按300m来增加至n×3.3km。现在如果钥匙扣距离车辆1km而中继攻击装置30或40插入6.7μs的额外延迟，接收设备200将测量出3.01km的距离并断定，在允许模糊之后钥匙扣距车辆3.01km，因而不允许进入车辆。
下一个要发送的编码信号将是s3且s3包括9切片长度的编码序列m3。通过采用编码序列m3，时间模糊减到9μs且距离模糊按300m减到n×2.7km。现在如果钥匙扣距离车辆1km而中继攻击装置30或40插入6.7μs的额外延迟，接收设备200将测量出3.01km的距离并断定，在允许模糊之后钥匙扣距车辆310m，因而不允许进入车辆。在这种情形下，如果中继攻击装置30或40要成功地欺骗接收设备200来断定钥匙扣仅有10m远，中继攻击装置30或40将需要插入5.7μs的额外延迟。通过改变编码序列mk的持续时间，中继攻击装置30或40要检测编码信号sj变得困难多了，并且要估计并实现为欺骗接收器设备200所需的延迟变得困难多了。在图5中，示出了编码信号s1、s2和s3，共同示出了包括编码序列mk的一般化的编码信号sj。
参照图4，图4示出了根据本发明并适于用在钥匙扣中的发送器设备400的示意框图。它包括连接到接收天线480的接收器(Rx)470，用于检测由车载设备发送的磁场M。接收器470的输出连接到控制装置(μC)410的输入，以及控制装置410的输出连接到发射器(Tx)420的输入。在检测到磁场M时，控制装置410通过连接到发送天线430的发射器420初始化编码信号sj的发送。用于在编码信号sj中发送的编码序列mk从查找表(LUT)460中提供给发送器420。由连接来对LUT460寻址的模(modulo)N计数器450从LUT460中选择供发送用的编码序列。模N计数器450由时钟(CLK)440计时并循环地从0至N-1计数。各个编码信号sj的持续时间取决于编码序列mk的持续时间，并取决于在各个编码信号sj中发送的编码序列的数目，其可由控制装置410改变。
再参照图3，在接收设备200中与存储在发送设备200的LUT460中的编码序列mk相同的参考编码序列，存储在连接到检测器160的查找表(LUT)260中，参考编码序列提供给循环寄存器167，由此形成参考编码信号。
检测器160的组元适用于检测不同持续时间的编码序列mk，并且处理装置210适用于对不同持续时间的编码序列mk来确定飞行时间。
从LUT260中选择进行相关的参考编码序列的工作由连接来寻址LUT260的模N计数器250完成。模N计数器550由时钟(CLK)240计时并循环地从0到N-1计数。时钟240连接到处理装置210并且响应于对接收的编码序列mk的检测可被调整，以便使时钟240与发送设备400中的相应时钟440同步。这样，选择哪个编码序列mk被发送和接收分别取决于发送设备400的计数器450和接收器设备200的计数器250的当前值，并且解码器160被保持同步以对由发送器设备400发送的编码序列相关。
可进行准备以防发送器设备400和接收器设备200中的计数器450、250变得不同步，例如由于在不通信情况下的延长期间。应付这种情形的一种方法是，接收设备200对一范围的编码序列相关，而不是对单一的编码序列mk相关，编码序列的所述范围对应于非同步可能存在的程度。按这种方法，即使接收设备200可能对哪个编码序列是在先发送的留有不确定的余地，仍可确保接收设备200将对由发送器设备400最近发送的大部分编码序列作出反应。
可采用选择编码序列mk的其他方法。例如，可以选择在预定编码序列系列中的下一编码序列mk用于编码信号sj的各个连续发送。如果采用了这种方法，那么如果发送器设备400发送了接收设备200未能接收的编码信号sj，这可能因为信号强度不足，那么发送器设备400和接收器设备200可变得不同步。为应付这种情形，接收设备200可对一范围的编码序列相关，而不是对单一的编码序列mk相关，编码序列的范围对应于非同步可能存在的程度。
倘若持续时间变化得足够频繁以致未授权的检测难以进行，则每一连续的编码信号sj中编码序列的持续时间不必与在前发送的编码信号中的编码序列的持续时间不同。例如，在发送预定数目的编码信号之后或在预定时间周期过去之后，编码序列的持续时间可能变化，该变化在发送器设备400中由时钟440或控制装置410来控制，在接收设备中由时钟240或处理装置210来控制。
作为改变编码序列的持续时间的结果，编码信号的持续时间可以按比例改变。在编码信号内编码序列重复的数目可由控制装置410来改变以保持编码信号的近似不变持续时间。
类似地，接收器时间窗口的持续时间可随编码序列的变化着的持续时间而按比例地改变，或者可替换地，缓冲器165和循环寄存器167的长度可适用检测编码信号的近似不变持续时间。
虽然采用直接序列展频序列来描述了实施例，但是可替换地，编码序列可以包括跳频序列。
本发明不限于无钥匙汽车门禁系统和用于给人、动物或物体加标签的系统，可用在需要根据飞行时间或传播距离测量的无线激活的其他应用中。
在本说明书和权利要求书中，在元件前的用语“一”不排除多个此类元件的存在。另外，用语“包括”不排除除那些所列元件之外的其他元件的存在。

Claims (29)

1、一种无线激活系统，包括具有用于产生并发送一组预定编码信号的装置(460，420)的第一设备(400)，其中每个编码信号包括来自一连串编码序列的预定编码序列，其中编码信号的各个连续发送包括来自所述一连串编码序列中的一连续编码序列；以及第二设备(200)，其具有用于与第一设备同步也产生所述一连串编码序列的装置(210，240，250，260)，用于接收每个编码信号的装置(110)，用于检测由第一设备发送的连续编码序列的装置(160)，用于产生每个编码信号的飞行时间的指示的装置(210)，以及用于响应与由第二设备最近产生的连续编码序列相应的所检测连续编码序列和在预定值范围内的飞行时间的指示的结合，产生激活信号的装置(210)，其中所述一连串编码序列包括不同持续时间的编码序列。
2、如权利要求1所述的无线激活系统，其特征在于，所述不同持续时间的编码序列包括不同码元或切片持续时间的编码序列。
3、如权利要求1所述的无线激活系统，其特征在于，所述不同持续时间的编码序列包括不同数目的码元或切片的编码序列。
4、如权利要求1、2或3所述的无线激活系统，其特征在于，用于产生并发送各编码信号的装置(460，420)包括，用于响应预定时间周期的过去，来改变所发送的连续编码序列的持续时间的装置(440)。
5、如权利要求1、2或3所述的无线激活系统，其特征在于，用于产生并发送各编码信号的装置包括，用于响应预定数目的编码信号的发送，来改变所发送的连续编码序列的持续时间的装置(410)。
6、如权利要求1、2或3所述的无线激活系统，其特征在于，所述用于产生激活信号的装置(210)对在预定限度之下的飞行时间的指示作出响应。
7、如权利要求6所述的无线激活系统，其特征在于，所述第二设备(200)还包括，响应于激活信号来激活或去除激活锁定装置的装置(300)。
8、如权利要求7所述的无线激活系统，其特征在于，所述第二设备(200)还包括锁定装置(300)。
9、如权利要求7所述的无线激活系统，其特征在于，所述无线激活系统是车辆安全系统。
10、如权利要求1至3中任一项所述的无线激活系统，其特征在于，所述用于产生激活信号的装置(210)对在预定限度之上的飞行时间的指示作出响应。
11、如权利要求10所述的无线激活系统，其特征在于，所述第二设备(200)还包括，响应于激活信号来产生警报的装置(300)。
12、如权利要求11所述的无线激活系统，其特征在于，所述无线激活系统是用于给人、动物或物体加标签的系统。
13、如权利要求1至3中任一项所述的无线激活系统，其特征在于，各个编码序列包括扩展频谱序列。
14、如权利要求13所述的无线激活系统，其特征在于，所述扩展频谱序列是跳频序列。
15、一种无线激活方法，包括在第一设备(400)产生并发送一组预定编码信号，其中每个编码信号包括来自一连串编码序列的预定编码序列，其中编码信号的各个连续发送包括来自所述一连串编码序列中的一连续编码序列；以及在第二设备(200)与第一设备同步产生所述一连串编码序列，接收各编码信号，检测由第一设备(400)发送的所述连续编码序列，产生每个编码信号的飞行时间的指示，和响应与由第二设备(200)最近产生的连续编码序列相应的所检测连续编码序列和在预定值范围内的飞行时间的指示的结合，来产生激活信号，其中所述一连串编码序列包括不同持续时间的编码序列。
16、如权利要求15所述的无线激活方法，其特征在于，所述不同持续时间的编码序列包括不同码元或切片持续时间的编码序列。
17、如权利要求15所述的无线激活方法，其特征在于，所述不同持续时间的编码序列包括不同数目的码元或切片的编码序列。
18、如权利要求15、16或17所述的无线激活方法，其特征在于，响应于预定时间周期的过去来改变所发送的编码序列的持续时间。
19、如权利要求15、16或17所述的无线激活方法，其特征在于，响应于预定数目的编码信号的发送来改变所发送的编码序列的持续时间。
20、一种用在无线激活系统中的发送器设备(400)，包括用于产生并发送一组预定编码信号的装置(460，420)，其中每个编码信号包括来自一连串编码序列的预定编码序列，其中编码信号的各个连续发送包括来自所述一连串编码序列中的一连续编码序列，并且其中所述一连串编码序列包括不同持续时间的编码序列。
21、如权利要求20所述的发送器设备(400)，其特征在于，所述具有不同持续时间的编码序列包括具有不同码元或切片持续时间的编码序列。
22、如权利要求20所述的发送器设备(400)，其特征在于，所述具有不同持续时间的编码序列包括具有不同数目的码元或切片的编码序列。
23、一种用在无线激活系统中的接收器设备(200)，包括用于产生一连串编码序列的装置(210，240，250，260)，用于接收编码信号的装置(110)，用于检测由编码信号传送的编码序列的装置(160)，用于产生所述编码信号的飞行时间的指示的装置(210)，以及用于响应与最近产生的编码序列相应的所检测编码序列和在预定值范围内的飞行时间的指示的结合，产生激活信号的装置(210)，其中所述一连串编码序列包括具有不同持续时间的编码序列。
24、如权利要求23所述的接收器设备(200)，其特征在于，所述具有不同持续时间的编码序列包括具有不同码元或切片持续时间的编码序列。
25、如权利要求23所述的接收器设备(200)，其特征在于，所述具有不同持续时间的编码序列包括具有不同数目的码元或切片的编码序列。
26、如权利要求23、24或25所述的接收器设备(200)，其特征在于，还包括响应于预定时间周期的过去，来改变所产生的编码序列的持续时间的装置(240)。
27、如权利要求23、24或25所述的接收器设备(200)，其特征在于，还包括响应于预定数目的连续编码序列的产生，来改变所产生的编码序列的持续时间的装置(210)。
28、如权利要求23至25中任一项所述的接收器设备(200)，其特征在于，所述用于产生激活信号的装置(210)对在预定限度之下的飞行时间的指示作出响应。
29、如权利要求23至25中任一项所述的接收器设备(200)，其特征在于，所述用于产生激活信号的装置(210)对在预定限度之上的飞行时间的指示作出响应。
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