DE10209855A1

DE10209855A1 - Sicherheitseinrichtung gegen unbefugten Zugang zu einem Objekt oder gegen unbefugte Benutzung eines Objekts und Verfahren zum Betreiben der Sicherheitseinrichtung

Info

Publication number: DE10209855A1
Application number: DE2002109855
Authority: DE
Inventors: Heinz Herbrik; Andreas Kohn; Torsten Thiel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-03-06
Filing date: 2002-03-06
Publication date: 2003-09-25
Also published as: FR2836880A1; FR2836880B1

Abstract

Die Sicherheitseinrichtung weist eine objektseitige Sende- und Empfangseinheit und mehrere tragbare Codesignalgeber (4, 5 und 6) auf. Jeder Codesignalgeber (4-6), der ein ausgesendetes Fragesignal der Sende- und Empfangseinheit empfangen hat, generiert ein Antwortsignal mit einem für den Codesignalgeber (4-6) charakteristischen Merkmal und sendet dies zur Sende- und Empfangseinheit zurück. Die Sende- und Empfangseinheit empfängt die Antwortsignale der Codesignalgeber und ordnet dem empfangenen Signal im Zeitbereich mathematisch eindeutig über eine Transformationsgleichung ein Ausgangssignal in einem Bildbereich zu. Die transformierten Anwortsignale werden im Bildbereich mit den gespeicherten Unterscheidungsmerkmalen der einzelnen Codesignalgeber (4-6) verglichen und die Codesignalgeber (4-6) aufgrund dieses Vergleichs identifiziert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sicherheitseinrichtung gegen unbefugten Zugang zu einem Objekt oder gegen unbefugte Benutzung eines Objekts und Verfahren zum Betreiben der Sicherheitseinrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer objektseitigen Sende- und Empfangseinheit und mehreren tragbaren Codesignalgebern, die mit der Sende- und Empfangseinheit bidirektional kommunizieren können.

Aus der Offenlegungsschrift DE 199 26 748 A1 ist eine Sicherheitseinrichtung bekannt, die eine Sende- und Empfangsstation aufweist, die in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen oder als Reaktion auf ein auslösendes Ereignis ein Fragesignal aussendet. Mehrere Codesignalgeber generieren nach dem Empfang des Fragesignals gleichzeitig ein Antwortsignal und senden dieses zur Sende- und Empfangsstation aus. Alle Codesignalgeber senden das Antwortsignal mit gleicher Hauptträgerfrequenz und Datenrate aus.

Jeder Codesignalgeber weist einen eigenen Hilfsträgerfrequenzgenerator auf. Dessen niederfrequente Komponente wird mit eine codierte Information des Codesignalgebers moduliert und das Ausgangssignal des ersten Modulators über einen zweiten Modulator mit dem hochfrequenten Träger moduliert. Diese beiden Modulationen ergeben das zu übertragende Signal. Die Empfangsstation empfängt alle Antwortsignale gleichzeitig und kann diese über geeignete Filter auf verschiedene Kanäle aufteilen und so die Antwortsignale der jeweiligen Codesignalgeber identifizieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitseinrichtung und ein Verfahren zum Schutz gegen unbefugten Zugang zu einem Objekt oder gegen unbefugte Benutzung eines Objekts zu schaffen, die eine Identifikation eines einzelnen Codesignalgebers bzw. einen Zugriff auf einen einzelnen Codesignalgeber ermöglichen und dessen gesendete Daten aus allen gesendeten Antwortsignalen einem Codesignalgeber zuzuordnen, ohne dass sich die Codesignalgeber dabei gegenseitig stören oder beeinflussen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sicherheitseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 gelöst.

Dabei weist die Vorrichtung eine objektseitige Sende- und Empfangseinheit und mehrere tragbare Codesignalgeber auf. Jeder Codesignalgeber, der ein ausgesendetes Fragesignal der Sende- und Empfangseinheit empfangen hat, generiert ein Antwortsignal und sendet dies zur Sende- und Empfangseinheit zurück. Die Sende- und Empfangseinheit empfängt die Antworten der Codesignalgeber, die in etwa gleichzeitig eintreffen.

Das im Zeitbereich empfangene Eingangssignal wird mathematisch eindeutig über eine Transformationsgleichung einem. Ausgangssignal in einem Bildbereich zugeordnet.

Jedes Antwortsignal eines Codesignalgebers weist eine dem Codesignalgeber im Bezug auf die Sende- und Empfangseinheit eindeutig zugeordnetes Unterscheidungsmerkmal auf, das im Bildbereich eindeutig einem Codesignalgeber zugeordnet werden kann. Die Antwortsignale der Codesignalgeber weisen weiter Authentifizierungs- und Steuerdaten auf.

Die transformierten Antwortsignale werden im Bildbereich mit den gespeicherten Unterscheidungsmerkmalen der einzelnen Codesignalgeber verglichen und die Codesignalgeber aufgrund dieses Vergleichs identifiziert.

Dadurch, dass alle Codesignalgeber zeitgleich antworten und die empfangenen Antwortsignale schnell transformiert werden, wird die Reaktionszeit der Sicherheitseinrichtung und des Verfahrens verkürzt.

Eine Bewertung der transformierten Antwortsignale im Bildbereich ermöglicht eine zumindest qualitative Einschätzung der Entfernung der Codesignalgeber vom Fahrzeug, d. h. es kann eine Rangfolge der Codesignalgeber nach dem Kriterium der Entfernung zur objektseitigen Sende- und Empfangseinheit erstellt werden. Die Sende- und Empfangseinheit kann so beispielsweise zunächst die Steuerdaten des ihr am nächsten befindlichen Codesignalgebers bearbeiten.

Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Mehrere Ausführungsbeispiele werden im folgenden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Teils eines Codesignalgebers,

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Sicherheitseinrichtung, und

Fig. 4 ein Frequenzspektrum der transformierten Antwortsignale.

Die in Fig. 1 dargestellte Sicherheitseinrichtung weist eine in oder an einem Objekt 1 angebrachte Sende- und Empfangseinheit auf. Die Sende- und Empfangseinheit umfasst mindestens einen Sender 2 und mindestens einen Empfänger 3. Der Sender 2 und der Empfänger 3 arbeiten im Niederfrequenzbereich, beispielsweise bei einer Frequenz von 125 kHz und/oder im Hochfrequenzbereich, beispielsweise bei einer Frequenz von 433 MHz. Sender 2 und Empfänger 3 können zu einer einzigen Baugruppe zusammengefasst sein. Des Weiteren weist die Vorrichtung mehrere Codesignalgeber 4, 5, 6 auf, die beispielsweise in einem Schlüsselgriff oder in einer Chipkarte (auch als sog. Smart-Card bezeichnet) integriert sein können.

Die Codesignalgeber 4 bis 6 sind mit einem Empfänger 16 und/oder Sender 15 (vgl. Fig. 2) ausgestattet, die ebenfalls im Nieder- und/oder Hochfrequenzbereich arbeiten.

Ein die objektseitige Sende- und Empfangseinheit steuerndes Steuergerät 8 veranlasst in regelmäßigen oder unregelmäßigen zeitlichen Abständen oder auf ein Auslösesignal hin, den Sender 2 zum Aussenden eines beispielsweise niederfrequenten Fragesignals (Suchtelegramms). Das Auslösesignal kann z. B. durch Betätigen einer Taste 7 außen am Objekt 1 oder durch Empfangen eines durch Betätigen einer Taste eines der Codesignalgeber 4 bis 6 ausgesendetes Signal ausgelöst werden.

Empfängt der Codesignalgeber 4, 5 und/oder 6 dieses Fragesignal über seinen Empfänger 16 und die dazugehörige Antenne 18, so veranlasst eine Steuereinheit 19 der Codesignalgeber 4, 5 oder 6 das Generieren eines Antwortsignals und das Aussenden des Antwortsignals in einem vorbestimmten Frequenzbereich.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird das empfangene Signal in einem Demodulator 20 von seinem hochfrequenten Trägersignal getrennt.

Das Antwortsignal enthält eine, von einem Codegenerator 11 (vgl. Fig. 2) erzeugte codierte Information, die Authentifizierungs- und Steuerdaten enthält, und ein dem Codesignalgeber eindeutig zugeordnetes Merkmal, beispielsweise ein Signal das eine vorbestimmte Frequenz eines Hilfsträgerfrequenzgenerators 10 aufweist. Ein erster Modulator 12 (vgl. Fig. 2) moduliert die codierte Information mit der Frequenz des Hilfsträgers. Diese Hilfsträgerfrequenz ist jedem Codesignalgeber 4 bis 6 der Sicherheitseinrichtung eindeutig zugeordnet. Das Ausgangssignal des ersten Modulators 12 wird einem zweiten Modulator 14 (vgl. Fig. 2) zugeführt, wo es mit der Hauptträgerfrequenz 13 moduliert wird. Das Signal am Ausgang des zweiten Modulators 14 stellt das Antwortsignal eines Codesignalgebers dar und wird über dessen Sender 15 und Antenne 17 (vgl. Fig. 2) ausgesendet.

Die von den Codesignalgebern 4 bis 6 gesendeten Antwortsignale werden von dem Empfänger 3 über einen Empfangskanal, der aufgrund seiner Bauteile auf den Frequenzbereich des Antwortsignals abgestimmt ist, empfangen. Das Steuergerät 8 oder eine separate Auswerteschaltung transformiert die empfangenen Antwortsignale vom Zeitbereich in einen Bildbereich und wertet im Bildbereich das transformierte Bildsignal aus.

Eine Transformationsgleichung definiert die Zuordnung eines Eingangssignals im Zeitbereich zu einem Bildsignal im Bildbereichbereich.

Eine in der Nachrichtentechnik häufig verwendete Transformation ist beispielsweise die Fourier-Transformation. Durch die Fourier-Transformationsgleichung

mit
t - Zeit
f - Frequenz
wird der Amplitudenfaktor S(f) berechnet, d. h. das Signal s(t) im Zeitbereich wird in ein Signal S(f) im Bildbereich, hier dem Frequenzbereich transformiert. Der Amplitudenfaktor S(f) hat die Dimension "Amplitude mal Zeit" oder gleichbedeutend "Amplitude geteilt durch Frequenz". Daher wird auch die Fourier-Transformierte eines Signals als Amplitudendichtespektrum bezeichnet.

In der digitalen Signalverarbeitung wird zur Abbildung eines Signals vom Zeitbereich in den Frequenzbereich beispielsweise die "diskrete Fourier-Transformation" (DFT)

in einem Fenster n = 0 . . . M verwendet.

Die DFT ordnet einem zeitdiskreten Eingangssignal ein frequenzdiskretes Spektrum zu. Für die Berechnung der DFT stehen sehr effiziente Algorithmen beispielsweise in Form der "schnellen Fourier-Transformation" (FFT) zur Verfügung (vgl. hierzu beispielsweise Oppenheim, A. V., Schafer, A. W. (1989): Discrete Signal Processing (Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ)).

Bei der Auswertung des Ausgangssignals der Transformation, dem Amplitudendichtespektrum der Antwortsignale, wird jeweils die Amplitude bei der Frequenz des Hilfsträgers des jeweiligen Codesignalgebers 4 bis 6 mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen. Wird dieser Schwellenwert überschritten, so hat der Codesignalgeber 4, 5 oder 6 mit der entsprechenden Frequenz des Hilfsträgerfrequenzgenerators 10 geantwortet.

Nachdem die Anwesenheit eines Codesignalgebers 4 bis 6 festegestellt wurde, wird anhand der Authentifizierungsdaten überprüft, ob der Codesignalgeber 4 bis 6 berechtigt ist, die in den Steuerdaten enthaltene Steuerfunktion auszuführen. Ist der Codesignalgeber 4 bis 6 berechtigt, die Funktion anzufordern, so wird die gewünschte Aktion von dem Steuergerät 8 ausgeführt. Beispielsweise kann hier ein Zugang zum Objekt 1 ermöglicht werden.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Teils eines tragbaren Codesignalgebers 4 bis 6. Dieser Teil kann insoweit für alle zur Sicherheitseinrichtung gehörenden Codesignalgeber 4 bis 6 gleich sein.

Ein Hilfsträgerfrequenzgenerator 10 erzeugt ein Hilfsträgerfrequenzsignal mit einer Frequenz von z. B. 100 kHz. Ein erster Modulator 12 moduliert das Hilfsträgerfrequenzsignal mit dem von dem Codegenerator 11 erzeugten Codesignal. Das Ausgangssignal des ersten Modulators 12 wird eingangsseitig an einen zweiten Modulator 14 angelegt, der dieses Signal mit der Hauptträgerfrequenz von hier beispielsweise 433 MHz moduliert, die von einem Hauptträgerfrequenzsignalgenerator 13 erzeugt wird. Das Ausgangssignal des zweiten Modulators 14 wird über einen Sender 15 und eine Antenne 17 zum Empfänger 3 der objektseitigen Sende- und Empfangseinheit ausgestrahlt.

Da mehrere Codesignalgeber 4 bis 6 vorhanden sind, ist jedem der Sicherheitseinrichtung zugeordneten Codesignalgeber 4 bis 6 eine eigene Hilfsträgerfrequenz, z. B. im Abstand von 100 kHz, zugeordnet. Der erste Codesignalgeber 4 hat dann beispielsweise eine Hilfsträgerfrequenz von 100 kHz, der zweite Codesignalgeber 5 eine Hilfsträgerfrequenz von 200 kHz und der dritte Codesignalgeber 6 eine Hilfsträgerfrequenz von 300 kHz, usw. Die ausgesendeten Datenraten und die Hauptträgerfrequenzen sind für alle Codesignalgeber 4 bis 6 gleich.

Als Codesignalgeber 4 bis 6 eignen sich insbesondere Codesignalgeber mit einem aktiven oder passiven Reflektor (Backscatter-Verfahren), wie sie beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 199 57 557 A1 beschrieben werden.

In Fig. 3 ist ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.

Die von den Codesignalgebern 4 bis 6 auf ein Aufforderungssignal hin generierten und ausgesendeten Antwortsignale werden von der Sende- und Empfangseinheit empfangen (Schritt 401). Das empfangene Gesamtsignal wird von einer Transformationseinheit des Steuergeräts 8 oder einer separaten Auswerteeinheit vom Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiert, d. h. es wird eine umkehrbar eindeutige Abbildung des Gesamtsignals in den Frequenzbereich durchgeführt (Schritt 402).

In einem Frequenzbereich zwischen den Frequenzen f_start und f_Ende wird nun in vorgegebenen Frequenzschritten Δf (hier Δf = 100 kHz) überprüft, ob die Leistungsamplitude des empfangenen Signals P (f) eine vorgegebene Leistungsschwelle P_Schwelle (f) übersteigt (Schritte 403-407). Wird die Leitungsschwelle P_Schwelle (f) überschritten, so hat der zu dieser Hilfsträgerfrequenz gehörige Codesignalgeber 4, 5 oder 6 auf das Anforderungssignal geantwortet und das Antwortsignal dieses Codesignalgebers 4 bis 6 wird ausgewertet (Schritt 405).

Der Empfänger 3 oder das Steuergerät 8 sind so ausgelegt, dass bei korrekten Authentifizierungsdaten die in den Steuerdaten enthaltene Steuerfunktion ausgelöst wird, beispielsweise wird ein Schloss des Objekts 1 entriegelt.

Korrekte Authentifizierungsdaten liegen dann vor, wenn die Authentifizierungsdaten der Codesignalgeber 4 bis 6 mit dem im Objekt 1 gespeicherten oder vom Objekt 1 erwarteten Daten übereinstimmen und der Codesignalgeber 4 bis 6 die entsprechende Berechtigung aufweist, die in den Steuerdaten geforderte Funktion auszulösen.

Aufgrund der unterschiedlichen Hilfsträgerfrequenzen der Antwortsignale der einzelnen Codesignalgeber 4 bis 6 können so die codierten Informationen der einzelnen Antwortsignale der Codesignalgeber 4 bis 6 aus allen empfangen Antwortsignalen extrahiert, decodiert und den einzelnen Codesignalgebern 4 bis 6 zugeordnet werden.

In der Fig. 4 ist ein Frequenzspektrum der transformierten Antwortsignale dargestellt, wie es von der Sende- und Empfangseinheit ausgewertet wird. In dem hier dargestellten Beispiel werden die Basisbandkomponenten 41 des Frequenzspektrums nicht berücksichtigt. Für die Hilfsträgerfrequenzen der Codesignalgeber wird ein Vergleich der Amplitude von S(f) mit dem vorbestimmten Schwellenwert S₁ durchgeführt. Im hier dargestellten Beispiel haben alle drei zur Sicherheitseinrichtung gehörigen Codesignalgeber 4 bis 6 geantwortet. Die Amplituden von S_i(f) überschreitet für die Frequenzen 100, 200 und 300 kHz den vorbestimmten Schwellenwert S₁.

Auch ist aufgrund der Amplituden von S(f) im Frequenzbereich eine Bestimmung der Entfernung der einzelnen Codesignalgeber 4 bis 6 vom Fahrzeug und somit das Erstellen einer Entfernungsrangliste möglich. So kann beispielsweise immer derjenige Codesignalgeber 4, 5 oder 6 mit der größten Amplitude von S(f) bevorzugt werden. Im hier dargestellten Beispiel mit S₅(200 khz) > S₆(300 kHz) > S₄(100 kHz) würde sich die folgende Reihenfolge ergeben: Der Codesignalgeber 5, der mit einer Hilfsträgerfrequenz von f_H = 200 kHz sendet, befindet sich am nächsten zum Objekt 1, gefolgt von Codesignalgeber 6 (f_H = 300 kHz). Codesignalgeber 4 (f_H = 100 kHz) ist vom Objekt 1 am weitesten entfernt.

Die Form der Transformationsgleichung ist für den Erfindungsgegenstand unwesentlich, vielmehr ist es von Bedeutung, dass die einzelnen Codesignalgeber 4 bis 6 der Sicherheitseinrichtung anhand von Merkmalen im Bildbereich unterschieden werden können.

Claims

1. Sicherheitseinrichtung gegen unbefugten Zugang zu einem Objekt (1) oder gegen unbefugte Benutzung eines Objekts (1), die zumindest eine objektseitige Sende- und Empfangseinheit und mehrere tragbare Codesignalgeber (4, 5 und 6) aufweist, bei der die Codesignalgeber (4, 5 und 6), die ein von der Sende- und Empfangseinheit ausgesendetes Fragesignal empfangen, daraufhin ein Antwortsignal generieren, das Antwortsignal zur Sende- und Empfangseinheit senden, die Sende- und Empfangseinheit das Antwortsignal empfängt und die Sicherheitseinrichtung eine Transformationseinheit aufweist, die das empfangenen Antwortsignal vom Zeitbereich in einen Bildbereich transformiert, indem einem Eingangssignal ein vorbestimmtes Ausgangsignal mathematisch eindeutig zugeordnet wird.

2. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1, die eine Vergleichseinheit aufweist, die die Amplitude der Antwortsignale im Bildbereich für vorbestimmte Frequenzen mit vorbestimmten Schwellenwert vergleicht.

3. Verfahren zum Betreiben einer Sicherheitseinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 2, bei dem die empfangenen Antwortsignale in den Bildbereich transformiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem zum Transformieren der Antwortsignale eine Fourier-Transformation verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem zum Transformieren der Antwortsignale eine diskrete Fourier-Transformation verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem zum Transformieren der Antwortsignale eine schnelle Fourier-Transformation verwendet wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 6, bei dem die Anwesenheit eines Codesignalgebers (4 bis 6) aufgrund dessen festgestellt wird, dass das transformierte Signal (S(f)) für eine vorbestimmte Frequenz (f) einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht und/oder überschreitet.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 6, bei dem Amplituden (S(f)) im Bildbereich zum Ermitteln eines Abstands oder einer Reihenfolge der tragbaren Codesignalgeber (4 bis 6) nach der Entfernung von der objektseitigen Sende- und Empfangseinheit verwendet wird.