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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein handfreies Zugangssystem für Kraftfahrzeuge,
das heißt ein
drahtloses Kommunikationssystem, das es erlaubt, das Fahrzeug ohne
Schlüssel
zu besteigen. Dieses System kann außerdem zur handfreien Entriegelung
des Fahrzeugs, das heißt
zur Entriegelung ohne Schlüssel
benutzt werden.
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Ein
solches System weist im Allgemeinen eine Identifikationseinrichtung
auf, die von einem Benutzer getragen werden soll und dazu dient,
eine bidirektionale drahtlose Fernverbindung mit einer in dem Fahrzeug
befindlichen zentralen Steuereinheit aufzubauen, um den Benutzer
zu authentifizieren und Blockierungs-/Freigabemittel der Schlösser der Türen zu steuern,
wenn der Benutzer als berechtigt erkannt worden ist. Die Initialisierung
des Kommunikationsprotokolls kann durch Betätigung des Außengriffs
der Tür
für einen
handfreien Zugang aktiviert werden oder durch Drücken eines Startknopfes im Fall
des handfreien Startmodus. Das System kann die bidirektionale Verbindung
aufbauen, wenn die Identifikationseinrichtung sich in einem geringeren Abstand
als einem vorgegebenen Grenzabstand vom Fahrzeug befindet, der im
Allgemeinen in der Größenordung
von einigen Metern liegt, um einerseits Interferenzen mit anderen
Signalquellen der Umgebung zu vermeiden und andererseits die Funktion
des Systems in einer Entfernung zu verhindern, in der sich der Benutzer
zu weit von dem Fahrzeug entfernt befindet, um die durch das System
ausgelösten
Aktionen erkennen zu können.
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Bestimmte
gegenwärtig
verwendete Systeme schlagen den Einsatz von auf magnetischer Induktion
mit kurzer Reichweite basierender Systeme vor, um die Identifikationseinrichtung,
die sich in dem durch die Antennen des Fahrzeugs erzeugten elektromagnetischen
Feld befindet, gleichzeitig mit Energie zu versorgen und ihr Informationen
von der Zentraleinheit des Fahrzeugs zu übertragen. Allerdings ermöglicht ein
solches System nur eine Kommunikationsverbindung in einem sehr geringen
Abstand vom Fahrzeug, der in der Größenordnung von einigen Zentimetern
liegt. Andere aktuelle Systeme schlagen den Einsatz von niederfrequenten
Trägerwellen
in der Größenordnung
von 125 kHz für
die Kommunikation von dem Fahrzeug zur Identifikationseinrichtung und
ultrahochfrequente Trägerwellen
beispielsweise in der Größenordnung
von 434 oder 868 MHz im europäischen Bereich
und von 315 oder 902 MHz im Bereich der USA vor. In diesem Fall
benötigt
die Identifikationseinrichtung jedoch eine Batterie, zur Versorgung
der eigenen elektrischen Schaltkreise. Um den elektrischen Energieverbrauch
zu minimieren, kann man beispielsweise vorsehen, dass die Identifikationseinrichtung
während
jeweils 10 ms langen Perioden 9 ms im Ruhezustand und 1 ms im Betriebszustand
ist.
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Selbstverständlich ist
die bidirektionale Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und der Identifikationseinrichtung
verschlüsselt,
um jegliche ungewollte Betätigung
des Systems zu verhindern und es gegen Übeltäter zu sichern. In 1 der beigefügten Zeichnungen
ist ein Beispiel eines bereits bekannten Verschlüsselungssystems dargestellt.
In 1 ist ein Fahrzeug
V dargestellt, das in seiner Zentraleinheit einen Speicher 1 mit
einem geheimen Schlüssel
K und einen Zufallszahlengenerator 2 aufweist, wobei die
erzeugten Zufallszahlen R beispielsweise eine Länge von 56 Bit aufweisen. Die
Zufallszahl R wird, wie durch den Pfeil 3 dargestellt,
in Richtung Identifikationseinrichtung I ausgestrahlt. Gleichzeitig
wird die gleiche Zufallszahl R in einem Mischer 4, der
an seinem Eingang mit dem Speicher 1 und dem Zufallszahlengenerator 2 verbunden
ist, mit dem geheimen Schlüssel
K gemäß einer
assoziativen komplexen Funktion f gemischt. Der Mischer 4 liefert
an seinem Ausgang ein Signal, das der Mischung des geheimen Schlüssels K
und der Zufallszahl R entspricht, nämlich das Signal f(R,K). Dieses
Signal wird in einem mit dem Ausgang des Mischers 4 verbundenen
Speicher 5 abgespeichert. Das Signal wird, wie durch den
Pfeil 6 dargestellt, in Form eines Signals einer Länge von beispielsweise
28 Bit zu der Identifikationseinrichtung I ausgesandt. In dem Fahrzeug
V wird das Signal f(R,K) erneut mit dem geheimen Schlüssel K in
einem Mischer 7 gemischt, der an seinem Eingang mit den
Speichern 1 und 5 verbunden ist. Der Mischer 7 mischt
die beiden Signale gemäß einer
assoziativen komplexen Funktion g. Das Fahrzeug V speichert dann
in einem mit dem Ausgang des Mischers 7 verbundenen Speicher 8 das
für die
Mischung repräsentative
Signal, nämlich
das Signal g(R,f,K).
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Neben
der Identifikationseinrichtung wird der gleiche geheime Schlüssel K in
einem Speicher 11 abgespeichert und ein Mischer 14 mit
derselben assoziativen Funktion f empfängt am Eingang den von dem
Speicher 11 der Identifikationseinrichtung I gelieferten
geheimen Schlüssel
und die durch die Identifikationseinrichtung empfangene, vom Fahrzeug stammende
Zufallszahl R. Die Identifikationseinrichtung I speichert das Signal
vom Ausgang des Mischers 14 in einem Speicher 15 und
vergleicht das Signal in einem Komparator 16 mit dem gemäß Pfeil 6 von
dem Fahrzeug V stammenden Signal. Wenn die beiden Signal unter Berücksichtigung
der jeweiligen Verzögerungszeiten
der Ausrüstung
und der Übertragung
des Signals in die autorisierte Übertragungszone,
nicht identisch sind, unterbricht die Identifikationseinrichtung
die Kommunikationsverbindung als nicht autorisiert. Wenn sich die
beiden Signale dagegen entsprechen wird das Signal in einem Mischer 17 mit
dem durch den Speicher 11 der Identifikationseinrichtung
I gelieferten geheimen Schlüssel
gemäß derselben
assoziativen Funktion g gemischt. Das Signal am Ausgang des Mischers 17 wird
in einem Speicher 18 der Identifikationseinrichtung 18 abgespeichert,
um anschließend
gemäß Pfeil 9 in Form
eines Signals einer Länge
von beispielsweise 20 Bit zum Fahrzeug gesendet zu werden. Schließlich wird
das durch den Pfeil 9 empfangene Signal mit dem von dem
Speicher 8 des Fahrzeugs empfangenen Signal in einem Komparator 10 verglichen.
Wenn sich die beiden Signale unter Berücksichtigung der Verzögerungen
auf Grund der Antwortzeiten der Ausrüstung und der Signalübertragung
in die autorisierte Zone entsprechen, wird die weitere Kommunikation autorisiert
und die Zentraleinheit des Fahrzeugs kann, je nach Fall, die Freigabe
oder die Sperrung der Schlösser
der Türen
des Fahrzeugs steuern. Es versteht sich, dass auch ein anderes Verschlüsselungsprotokoll
verwendet werden kann, um die Datenübertragung zu sichern.
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Jedoch
existiert trotz dieses Verschlüsselungsprotokolls
eine Möglichkeit,
das System zu überwinden,
ohne den geheimen Schlüssel
oder die unterschiedlichen assoziativen Funktionen des Verschlüsselungsprotokolls
zu kennen. Dieses unerlaubte Zugriffsverfahren ist in 2 dargestellt. Bei diesem
Verfahren geht man davon aus, dass der Benutzer U, der die Identifikationseinrichtung
I trägt, sich
in einem Abstand vom Fahrzeug V befindet, der größer ist als der autorisierte
Kommunikationsabstand, beispielsweise 10 bis 100 m vom Fahrzeug entfernt.
In diesem Fall kann ein mit einer ersten Relaisschaltung 20 ausgerüsteter Angreifer
sich dem Fahrzeug V bis auf einen Abstand nähern, der für eine Kommunikationsverbindung
mit diesem ausreicht, beispielsweise einen Abstand in der Größenordnung
von 1 bis 5 m. Der Angreifer löst
den Beginn der Kommunikation aus, beispielsweise indem er am Außengriff
der Tür
zieht. Dies bewirkt die Ausstrahlung des niederfrequenten Signals
vom Fahrzeug zur Relaisschaltung 20, wie dies durch den
Zickzackpfeil 21 angedeutet ist. Das durch das Fahrzeug
ausgesandte Signal 21 wird von einer Spule 22 der
Relaisbox 20 empfangen, die mit einem Empfänger 23 bei 125
kHz verbunden ist. Der Empfänger 23 ist
mit einem breitbandigen Hochfrequenzsender, beispielsweise in der
Größenordnung
von mehreren MHz, verbunden. Der Sender 24 strahlt über seine
Antenne 25, wie durch den Pfeil 26 dargestellt,
in Richtung einer zweiten Relaisbox 30 aus, die von einem
weiteren Angreifer getragen wird, der dem Benutzer U dicht folgt.
Da der Informationsaustausch zwischen den beiden Relaisboxen 20 und 30 bei
sehr hoher Frequenz stattfindet, ist es möglich, diese Kommunikation über große Entfernungen
durchzuführen.
Die zweite Relaisbox 30 weist eine Antenne 31 zum Empfang
des von der Relaisbox 20 emittierten Signals 26 auf.
Die Antenne 31 ist mit einem Breitbandempfänger mit
derselben Frequenz wie der Sender 24 der ersten Relaisbox 20 verbunden.
Das so empfangene Signal wird bei einer niederen Frequenz von 125
kHz durch einen Sender 33 weiter übertragen, der mit einer Sendespule 34 verbunden
ist, um in Richtung der Identifikationseinrichtung I ein Signal 35 auszusenden,
das dem von dem Fahrzeug ausgesandten Signal 2 entspricht.
Da es sich bei dem Signal 35 um die Wiederholung des authentischen
Signals des Fahrzeugs handelt, wird es durch die Identifikationseinrichtung
I erkannt und dieses sendet wiederum ihr Antwortsignal 36 auf,
wobei das Antwortsignal 36 mit hoher Frequenz ausgestrahlt
und von einer Antenne 37 der zweiten Relaisbox 30 empfangen wird
und beispielsweise bei 434 MHz liegen kann. Die Antenne 37 ist
mit einem Empfänger 38 verbunden,
der das 434 MHz-Signal in ein Signal mit einer anderen Frequenz
umwandelt, beispielsweise 315 MHz. Dieses Signal wird dann von einem
Breitbandsender 39 über
eine Antenne 40 in Richtung der ersten Relaisbox 20 ausgesandt,
wobei der Frequenzunterschied nötig
ist, damit die beiden Signale nicht interferieren. Selbstverständlich unterscheidet
sich die Frequenz des von der zweiten Relaisbox 30 zurückgestrahlten
Signals 41 sowohl von der Frequenz des Signals 26 als
auch von der des Signals 26. Das Signal 41 wird
von einer Antenne 27 der ersten Relaisbox 20 aufgefangen,
wobei die Antenne 27 mit einem Breitbandempfänger derselben
Frequenz wie der Sender 39 verbunden ist. Der Empfänger 28 ist mit
einem Sender 29 verbunden, der das 315 MHz-Signal in ein
434 MHz-Signal umwandelt, das über
die Antenne 42 der ersten Relaisbox 20 zum Fahrzeug
V ausgestrahlt wird, wie dies durch den Zickzack-Pfeil 43 dargestellt
ist.
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Es
genügt,
wenn die Angreifer Relaisbox verwenden, die eine Breitbandverbindung
haben, beispielsweise mehr als 50 MHz, was möglich ist, denn die Angreifersysteme
müssen
sich natürlich
nicht an entsprechende Reglementierungen halten. Die zusätzliche Übertragungszeit
auf Grund des Abstandes kann also in der Größenordnung von einigen Nanosekunden
liegen, was vernachlässigbar
ist im Vergleich zu den notwendigen Zeitkonstanten bei einer normalen
autorisierten Übertragung.
Als Beispiel kann die gesamte Kommunikationsverbindung in der Größenordung
von 20 bis 40 ms liegen und die gesamte Betriebsdauer des Systems
zum Auslösen
der Freigabe oder der Sperrung der elektrischen Schlösser kann
in der Größenordnung
von 100 ms liegen.
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Um
einen solchen unerlaubten Angriff zu detektieren und die Kommunikationsverbindung
zu unterbrechen kann eine Lösung
darin bestehen, die Ausbreitungszeit der ultrahochfrequenten Radiowellen
zu messen und die gemessene Zeit mit einer vorgegebenen Zeit zu
vergleichen, die einer Kommunikationsverbindung in einem eingeschränkten autorisierten
Bereich um das Fahrzeug herum entspricht. Die Ausbreitungszeit ist
wegen der entsprechenden Abstände
sehr kurz und liegt in der Größenordnung von
einigen Nanosekunden bis einige 10 Nanosekunden. Um derartig kurze
Zeiten unterscheiden zu können,
greift man üblicherweise
auf eine sehr große Bandbreite
zurück,
die in der Größenordnung
von 10 MHz liegt. Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, eine
deutlich geringere Bandbreite nützen
zu können,
beispielsweise in der Größenordnung
von 1 MHz wie etwa bei einer Frequenz von 433,9 MHz.
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EP-A-676
650 beschreibt eine Vorrichtung zur Abstandsmessung durch eine synchrone Übertragung
von Daten zwischen einer Sende/Empfangs-Station, die mit einer numerischen
Phasenverriegelungsschaltung versehen ist, und einem Transponder,
der ebenfalls mit einer numerischen Phasenverriegelungsschaltung
versehen ist.
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EP-A-983916
beschreibt ein System gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu vermeiden
und ein handfreies Zugangssystem für Kraftfahrzeuge bereit zustellen, das
einen Angriff auf das System feststellen kann, insbesondere durch
Zwischenschaltung von Relaisinstrumenten, wobei die Übertragungszeit
des Signals zwischen dem Fahrzeug und der Identifikationseinrichtung
ausgewertet wird.
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Hierzu
schlägt
die Erfindung ein handfreies Zugangssystem für Kraftfahrzeuge vor, wie es
im Anspruch 1 definiert ist.
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Vorteilhaft
weist das Bestimmungsmittel der Zentraleinheit einen Mischer auf,
der einerseits das am Ausgang der binären Entscheidungseinheit mit dem
Referenztakt abgegebene Signal und andererseits das von der Zentraleinheit
mit dem vorgegebenen Takt erzeugte verschlüsselte Signal so mischen kann,
dass am Ausgang des Mischers ein Signal abgegeben wird, das für die aufeinanderfolgenden
zeitlichen Verschiebungen jedes Bits des verschlüsselten Antwortsignals charakteristisch
ist, wobei der Mischer mit einem Integrator zur Bildung der Summe der
Antwortzeiten verbunden ist, die zu jedem Bit-Zeitverschiebungsimpuls
des Signals gehören, wobei
der Ausgang des Integrators mit wenigstens einem ersten Komparator
verbunden ist, um die Summe der Antwortzeiten mit dem ersten vorgegebenen
Schwellwert zu vergleichen. In diesem Fall kann man vorsehen, dass
durch den Integrator ermittelte Summe der Antwortzeiten festgehalten
wird, wenn die zentrale Steuereinheit den Empfang des letzten Bit
des von der Identifikationseinrichtung stammenden verschlüsselten
Antwortsignals detektiert.
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Gemäß einem
weiteren Merkmals ist der Ausgang des Integrators mit wenigstens
einem zweiten Komparator verbunden, um die Summe der Antwortzeiten
mit einem anderen vorgegebenen Schwellwert zu vergleichen, der niedriger
als der erste vorgegebene Schwellwert ist, oberhalb welchem eine
Verbindung jenseits des vorgegebenen Maximalabstands detektiert
wird.
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Gemäß noch eines
weiteren Merkmals weist die Identifikationseinrichtung einen Detektor
für das Ende
des Datenübertragungsblocks
des Abfragesignals auf, welcher die Ausstrahlung des verschlüsselten
Antwortsignals mit dem Referenztakt durch die Identifikationseinrichtung
auslösen
kann, wenn das Ende des Datenübertragungsblocks
des Abfragesignals detektiert wird. In diesem Fall kann man vorsehen,
dass der Detektor des Endes des Datenübertragungsblocks entweder
Daten des Endes der Abfrage in dem Abfragesignal oder Daten des
Beginns der Abfrage in dem Abfragesignal erkennen kann, um daraus
das Ende des Datenübertragungsblocks
in Abhängigkeit
von einer bestimmten Anzahl von der Zentraleinheit stammender Bits
abzuleiten, die von der Identifikationseinrichtung empfangen werden müssen.
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Man
kann vorsehen, dass die Identifikationseinrichtung einen Oszillator
als Generator der radiofrequenten Trägerwelle aufweist, dessen Ausgang mit
einem Phasen- oder Amplitudenmodulator verbunden ist, der durch
das verschlüsselte
numerische Antwortsignal der Identifikationseinrichtung gesteuert wird.
Die Identifikationseinrichtung kann außerdem eine binäre Entscheidungseinheit
aufweisen, deren Bezugstakt durch die erste Phasenverriegelungsschaltung
geliefert wird, wobei die binäre
Entscheidungseinheit am Eingang das Abfragesignal empfängt, um
am Ausgang ein numerisches Signal mit dem Bezugstakt abzugeben,
welches das Abfragesignal repräsentiert,
beispielsweise um dieses Signal mit einem entsprechenden von der
Identifikationseinrichtung erzeugten Signal zu vergleichen.
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Vorteilhaft
wird das am Ausgang von der binären
Entscheidungseinheit der Zentraleinheit abgegebene Signal von letzterer
mit einem entsprechenden verschlüsselten
numerischen Signal verglichen, das von der Zentraleinheit zur Authentifizierung
der Identifikationseinrichtung erzeugt wird.
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Man
kann außerdem
vorsehen, dass die Zentraleinheit einen als Generator der radiofrequenten
Trägerwelle
dienenden Oszillator aufweist, der mit einem Phasen- oder Amplitudenmodulator
verbunden ist, der durch das von der Zentraleinheit erzeugte numerische
Abfragesignal gesteuert wird. Gemäß einer besonderen Ausführungsform
kann die Zentraleinheit nacheinander das Ausschalten und anschließend das
Einschalten des Oszillators der Zentraleinheit steuern, so dass
dieser in der Emissionsphase des Abfragesignals und dann in der
Empfangsphase des Antwortsignals ist.
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Die
Erfindung wird besser verständlich
und weitere Ziele, Details, Merkmale und Vorteile werden im Laufe
der folgenden detailliert erläuternden
Beschreibung einer speziellen Ausführungsform der Erfindung deutlich
werden, die jedoch nur illustrativ und nicht einschränkend unter
Bezugnahme auf beigefügte
schematische Zeichnungen wiedergegeben wird, in denen:
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1 ein synoptisches Funktionsschema des
Verschlüsselungsprotokolls
zur Sicherung der bidirektionalen Datenübertragung zwischen einem Fahrzeug
und einer Identifikationseinrichtung ist;
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2 ein synoptisches Funktionsschema
eines Angriffsmittels auf das Verschlüsselungssystem durch Einsatz
von zwei Relaisschaltungen ist;
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3 ein vereinfachtes synoptisches
Funktionsschema eines erfindungsgemäßen handfreien Zugangssystems
ist;
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4 ein detaillierteres synoptisches
Funktionsschema ist, das dem Schema der 3 entspricht;
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4A ein synoptisches Funktionsschema eines
Details der in 4 dargestellten
Identifikationseinrichtung ist;
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5 mehrere Zeitreihen darstellt,
welche die vollständigen
Abfragedaten-Übertragungsblöcke illustrieren,
die von dem Fahrzeug und der Identifikationseinrichtung ausgestrahlt
und empfangen werden;
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6 eine Darstellung eines
partiellen und vergrößerten Abschnitts
der durch den Pfeil VI bezeichneten Zeitreihen der 5 ist, während der Abfragesequenz durch
das Fahrzeug; und
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7 eine partielle und vergrößerte Ansicht eines
Abschnitts der durch den Pfeil VII bezeichneten Zeitreihen der 5 ist, während der Antwortsequenz der
Identifikationseinrichtung.
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Im
Folgenden wird auf die 3 und 4 Bezug genommen, die das
erfindungsgemäße handfreie
Zugangssystem in einfacher beziehungsweise detaillierterer Form
darstellen.
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Das
Kraftfahrzeug V weist in seiner Zentraleinheit einen Mikrokontroller 50 auf,
der sich im Allgemeinen in einem Halbschlafzustand oder in Weckbereitschaft
befindet. Wenn der Benutzer den äußeren Griff
der Tür
betätigt,
wird ein Aktivierungssignal zum Mikrokontroller 50 geschickt,
wie dies durch den Pfeil 51 symbolisiert wird. Als Antwort
sendet der Mikrokontroller ein durch den Pfeil 52 dargestelltes
allgemeines Versorgungssignal aus, um die verschiedenen elektronischen
Komponenten der Zentraleinheit mit Energie zu versorgen. Dann erzeugt
der Mikrokontroller 50 ein Wecksignal e mit niedrigem Takt
sk, beispielsweise in der Größenordnung
von 2 bis 100 Kb/s auf der Leitung V5. Die Leitung V5 ist mit einem Sender 53 zum
Ausstrahlen der Signale über
eine Antenne 54 zur Identifikationseinrichtung I verbunden,
wie dies durch den Pfeil E symbolisiert ist. Der Sender 53 weist,
wie in 4 besser erkennbar
ist, einen Oszillator 55 zur Erzeugung einer hochfrequenten
Trägerwelle,
beispielsweise bei einigen hundert MHz, auf, wobei der Oszillator über die
Leitung 52 gespeist wird. Der Oszillator 55 ist
mit einem Phasenmodulator 56 oder einem Amplitudenmodulator verbunden,
wobei letzterer eine Modulation von 50 % und 100 % generiert, je
nach dem ob der übertragene Bitwert
0 oder 1 ist, dessen Ausgang mit der Antenne 54 verbunden
ist.
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Das
beispielsweise mit einer Amplitude in der Größenordung von 2 V effektiv
ausgestrahlte Signal E wird von einer Antenne 100 der Identifikationseinrichtung
I mit einer Abschwächung
in der Größenordnung
von –40
dBm empfangen, was einem Abschwächungskoeffizient
von 100fach entspricht, das heißt,
das durch die Identifikationseinrichtung empfangene Signal weist
eine Amplitude in der Größenordnung
von 20 mV auf. Die Antenne 100 ist über die Leitung I1 mit einem
Radiofrequenzfilter 101 (der nur in 4 dargestellt ist) verbunden, um parasitäre Frequenzen
zu beseitigen. Der Ausgang der Filters 101 ist mit einer
Verzweigung verbunden, die einerseits zu einem Empfänger mit
niedrigem Takt und geringem Verbrauch 102 und andererseits
zu einem logarithmischen Verstärker 103 führt, der
an seinem Ausgang ein Signal in der Größenordung von 2 V effektiv
abgeben kann und als Hochfrequenzempfänger dient. Die Signale mit
der niedrigen Frequenz sk werden nicht durch den Verstärker 103 übertragen aber
verlaufen im Wesentlichen durch den Empfänger 102. Wie man
in 4 deutlicher erkennt,
umfasst der Empfänger 102 nacheinander
einen radiofrequenten Hüllempfänger 104 zur
Wiederherstellung der niederfrequenten Signale auf der Leitung I5,
die denjenigen auf der Leitung V5 entsprechen. Der Ausgang des Hüllempfängers 104 ist
mit einem niederfrequenten Verstärker 105 verbunden,
dessen Ausgang mit einem Decoder für die Weckfrequenz 106 verbunden
ist. Zu Beginn der Kommunikation mit dem Fahrzeug ist nur der Decoder 106 permanent durch
die Batterie der Identifikationsvorrichtung mit Strom versorgt.
Anders ausgedrückt
werden die Aufweckdaten e durch den Decoder 106 entschlüsselt, bevor
ein Weckbefehl zum Mikrokontroller 107 am Ausgang des Decoders 106 abgeschickt
wird. Der Mikrokontroller 107 weckt dann alle anderen elektronischen
Komponenten der Identifikationseinrichtung. Folglich werden die
folgenden Daten, nämlich
die Signale R, f und s über
den Verstärker 103 zu
dem Mikrokontroller 107 gesandt.
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Nach
Ausstrahlung der Weckdaten e, erzeugt der Mikrokontroller 50 des
Fahrzeugs V mit dem langsamen Takt sk des Mikroprozessors ein numerisches
Signal, das eine Zufallszahl R mit einer Länge von beispielsweise 56 Bit
darstellt, sowie ein numerisches Signal mit einer Länge von
beispielsweise 28 Bit, das die Funktion f(R,K) repräsentiert und
ein Signal beispielsweise mit einer Länge von 100 bis 5000 Bit, welches
die Betriebsdaten s darstellt, beispielsweise Daten zur Wartung
und Regelung des Fahrzeugs usw. (vergleiche 5), wobei die Signale R, f, s von einem
Pufferspeicher 58 empfangen werden, um am Ausgang die Signale
mit hohem Takt fk auf der Leitung V7 abzugeben. Der Ausgang des
Pufferspeichers 58 ist mit einem Phasen- oder Amplitudenmodulator 56 verbunden,
um die Phase der durch den Oszillator 55 erzeugten Trägerwelle
zu modulieren, wobei jedes Signal in Form eines radiofrequenten
Signals über
die Antenne 54 in Richtung der Identifikationseinrichtung
I übertragen wird.
Der gesamte Datenübertragungsblock
V2 der Signale über
die Antenne 54 ist in 5 dargestellt. Speziell
in 6 wurde in einem
größeren Maßstab ein
Ausschnitt des Abfragedatenblocks auf der Leitung V2 dargestellt.
Jedes Abfragebit wird über
eine mit hoher Frequenz oszillierende Welle übertragen, deren Bitdauer beispielsweise
in der Größenordnung von
500 ms bei einem Takt fk in der Größenordung von 2 Mb/s liegt.
Selbstverständlich
kann die Frequenz fk noch geringer sein, was mit einer entsprechend
längeren
Bitdauer verbunden wäre.
Eine Verarbeitungseinheit der Zeitbasis 60 das Fahrzeugs
V kann Zeitsignale mit niedrigem Takt sk und hohen Takt fk auf der
Basis eines von einem Quarz 69 gelieferten Signals abgeben.
Selbstverständlich
ist die Zentraleinheit 60, wie durch den Doppelpfeil 61 angedeutet,
mit dem Mikrokontroller 50 verbunden. Die Einheit 60 steuert
nacheinander den Halt oder den Start des Oszillators 55 des
Senders 53 und einen Verstärker 65 eines Empfängers 62 der
Zentraleinheit.
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Die
Identifikationseinrichtung I empfängt über ihre Antenne 100 auf
der Leitung I1 ein Signal, das dem von dem Fahrzeug V ausgestrahlten
Abfragesignal entspricht mit einer Verzögerungszeit δ, die der
Ausbreitungszeit des Signals zwischen dem Fahrzeug und der Identifikationseinrichtung
entspricht. Das Signal passiert dann den Verstärker 103, wobei letzterer
an seinem Ausgang ein auf der Leitung 112 der 6 dargestelltes Signal abgibt,
das der einhüllenden
des von dem Fahrzeug stammenden und von der Identifikationseinrichtung
empfangenen analogen Signals entspricht. In 6 erkennt man, dass das Signal I12 am
Ausgang des Verstärkers 103 eine
zinnenförmige
Allgemeinform aufweist, wobei die abfallenden und steigenden Flanken
O geneigt sind und abhängig
von der Signalverformung über
die Sende- und Empfangsfilter des Fahrzeugs beziehungsweise der
Identifikationseinrichtung in einem bestimmten Wertebereich variieren
können. Diese
geringfügigen
Variationen des Signals I12 werden durch dreifache Linien auf den
ansteigenden und abfallenden Flanken O der Zinnen des Signals I12 symbolisiert.
Zur Wiederherstellung des Signals I12 ist der Ausgang des Verstärkers 103 mit
einer Rückformeinheit 108 verbunden,
die am Ausgang ein Rechtecksignal I2 als Funktion des Durchgangs
des analogen Signals I12 bei 0 Volt am Ausgang des Verstärkers 103 liefert.
Die Rückformeinheit 108 ist
mit einer binären
Synchronisationseinheit mit Phasenverriegelungsschaltung 135 verbunden.
Wie besser in 4 erkennbar,
weist die Einheit 135 ausgehend vom Ausgang der Rückformeinheit 108 eine
Verzweigung zwischen einerseits einer Phasenverriegelungsschaltung 109 und
andererseits einer binären Entscheidungseinheit 115 auf.
Wie besser in 4A erkennbar,
weist die Phasenverriegelungsschaltung 109 einen Mischer 130 auf,
der einerseits das Signal vom Ausgang der Rückformeinheit 108 und
andererseits ein Signal von einem spannungsgesteuerten Oszillator 132 empfängt. Der
Mischer 103 liefert am Ausgang ein Fehlersignal, das von
einer Filterschleife empfangen wird, die aus einem Tiefpassfilter
erster Ordnung 131 besteht, die eine Fehlerspannung zur
Steuerung des Oszillators 132 abgibt, um die Oszillationen
zu beschleunigen oder zu verzögern,
je nachdem ob das Signal am Ausgang des Oszillators 132 gegenüber dem
von der Rückformeinheit 108 abgegebenen
Signal verzögert
ist oder diesem vorausläuft,
um die Signale zu synchronisieren. Der Ausgang des Oszillators 132 ist
ebenfalls mit einer binären
Entscheidungseinheit 115 verbunden, um dieser die präzise Bezugsphase
des Sendesignals des Fahrzeugs zu liefern. So kann die binäre Entscheidungseinheit 115 am
Ausgang ein analoges Signal abgeben, das den Bits des empfangenen,
von dem Fahrzeug stammenden Abfragesignals mit einem Bezugstakt
f'k entspricht,
der von der Phasenverriegelungsschaltung 109 abgegeben
wird, was die Synchronisation dieses Taktes mit demjenigen fk des Fahrzeugs
ermöglicht.
Der Ausgang der binären
Entscheidungseinheit 115 ist mit einer Verzweigung zwischen
einerseits einem Detektor für
das Ende des Datenblocks 119 und andererseits einem Pufferspeicher 118 verbunden,
der das Signal vom Ausgang der binären Entscheidungseinheit 115 mit
dem erhöhten
Bezugstakt fk empfängt,
um den langsamen Takt sk des Mikrokontrollers 107 der Identifikationseinrichtung
I wiederherzustellen, damit letztere das Abfragesignal authentifizieren
kann, wie beispielsweise im Schritt 16 der 1 dargestellt ist. Alternativ kann die
analoge Phasenverriegelungsschaltung numerisch realisiert werden,
in dem man einen sehr schnell bei 100 MHz oder mehr arbeitenden
Teiler einsetzt, der von einem Quarz gesteuert und mit einer Zähllogik
verbunden ist.
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Der
Detektor für
das Endes des Datenübertragungsblocks 119 kann
Abschlussdaten der Abfrage in dem Abfragesignal erkennen, um letztlich
das Antwortsendesignal der Identifikationseinrichtung auszulösen. Als
Variante kann der Detektor 119 Anfangsdatendaten der Abfrage
in dem Abfragesignal erkennen und das Ende der Abfrage des Signals durch
die Identifikationseinrichtung dadurch ermitteln, dass die vorgegebene
Anzahl der Abfragebits bekannt ist, die von der Abfrageeinrichtung
des Fahrzeugs V empfangen werden müssen. So ist es nicht möglich, dass
ein Angreifer den Detektor 119 dadurch überlistet, indem er das Sendesignal
des Fahrzeugs V verkürzt,
denn der Detektor 119 wartet entweder die Bits am Ende
der Abfrage oder die vorgegebene Bitanzahl nach dem Beginn der Abfrage
ab. Funktionell ist der Detektor 119 Teil einer Kontrolleinheit
der Zeitbasis 116, die über
die Leitung 117 mit dem Mikrokontroller 107 verbunden
ist, und die Taktsignale sk und fk liefert. Der Bezugszeittakt f'k wird von der Phasenverriegelungsschaltung 109 am
Detektor 119 geliefert, wie dies durch einen Pfeil dargestellt
ist. Der Pufferspeicher 118 kann die Signale r, f und s
zum Mikrokontroller 107 der Identifikationseinrichtung
senden. In der Identifikationseinrichtung wird der Bezugszeittakt
f'k durch die Phasenverriegelungsschaltung 109 und,
im Gegensatz zum Fahrzeug V, nicht durch einen Quarz geliefert.
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Am
Ende des Empfangs des Abfragesignals durch die Identifikationseinrichtung
kann der Detektor des Datenblockendes 119 einerseits den
Start eines Oszillators zur Erzeugung von radiofrequenten Trägerwellen 113,
der Teil eines Senders 111 der Identifikationseinrichtung
ist, und andererseits die Funktion eines Pufferspeichers 110 auslösen, der von
dem Mikrokontroller 107 das Signal g mit geringem Takt
sk empfängt,
um an einem Ausgang das Signal g mit hohem Bezugstakt f'k abzugeben, wie
dies auf der in 7 dargestellten
Linie I6 dargestellt ist. In Folge des verschlüsselten Antwortsignals g, können auch
Servicedaten s von der Identifikationseinrichtung zum Fahrzeug V übertragen
werden, wie dies in 5 dargestellt
ist. Das verschlüsselte
Antwortsignal g steuert einen Phasen- oder Amplitudenmodulator 114,
der Teil des Senders 111 ist, wobei der Modulator 114 am
Eingang die von dem Oszillator 113 abgegebene Trägerwelle
empfängt
und am Ausgang mit einer Antenne 112 zur Ausstrahlung des Antwortsignals
RE zum Fahrzeug V verbunden ist. Der gesamte Sendedatenblock des
Antwortsignals der Identifikationseinrichtung ist auf der Linie
I4 in 5 dargestellt.
Das Antwortsignal RE kann mit einer effektiven Amplitude von 2V
ausgestrahlt werden. Am Ende der Ausstrahlung des Signals RE bewirkt die
Einheit 116 das Anhalten des Oszillators 113 und des
Pufferspeichers 110.
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Unter
der Voraussetzung, dass sich die elektromagnetischen Signale mit
Lichtgeschwindigkeit, das heißt
3×108 m/s ausbreiten, kann man festhalten, dass
die Übertragungsdauer
der Signale in der Größenordnung
von 3 ns pro Meter Entfernung zwischen Fahrzeug und Identifikationseinrichtung
I liegt. Anders gesagt beträgt
die Ausbreitungsdauer δ für den Hin-
und Rückweg
zwischen dem Fahrzeug V und der in einem Abstand von etwa 5 Meter
befindlichen Identifikationseinrichtung I in etwa 30 ns. Zu dieser Ausbreitungsdauer δ kann man
die Antwortzeiten der elektronischen Schaltkreise addieren, die
in der Größenordnung
von einigen Nanosekunden oder einigen 10 Nanosekunden, abhängig von
der Bandbreite des Trägers,
liegen können.
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Das
von der Identifikationseinrichtung I ausgestrahlte Antwortsignal
RE wird von einem Empfänger 62 über eine
Antenne 63 mit einer Abschwächung in der Größenordnung
von –40
dBm empfangen, was einem hundertfachen Abschwächungskoeffizienten entspricht,
das heißt
das Signal wird von dem Fahrzeug mit einer Amplitude in der Größenordnung
von 20 mV empfangen. Wie besser in 4 dargestellt
ist, weist der Empfänger 62 einen
Radiofrequenzfilter 64 auf, der mit der Antenne 63 verbunden
ist, dessen Ausgangssignal an den Eingang eines logarithmischen
Verstärkers 65 geliefert
wird, der einen Verstärkungsfaktor
von 80 dB aufweist, was es erlaubt, einen bis zu zehntausendfachen
Verstärkungskoeffizienten
zu erreichen und insbesondere am Ausgang des Verstärkers 65 ein
Signal in der Größenordnung
von 2V effektiv abzugeben. Der Verstärker 65 wird durch
eine Einheit 60 gesteuert und ist am Ausgang mit einer
Rückformschaltung 66 verbunden,
die der Einheit 108 der Identifikationseinrichtung entspricht.
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Der
Ausgang der Rückformschaltung 66 ist mit
einer binären
Synchronisationseinheit mit Phasenverriegelungsschaltung 70,
die der Einheit 135 der Identifikationeinrichtung I entspricht,
verbunden. Wie besser in 4 erkennbar,
ist der Ausgang der Rückformschaltung 66 mit
einer Verzweigung zwischen einerseits einer binären Entscheidungseinheit 67 und
andererseits einer Phasenverriegelungsschaltung 68 verbunden,
die am Ausgang ein Signal V8 in Richtung einer binären Entscheidungseinheit 67 abgibt,
welches dem Bezugstakt rk entspricht. Die Struktur der Phasenverriegelungsschaltung 68 entspricht
derjenigen der Schaltung 109 der Identifikationseinrichtung
I. Die binäre
Entscheidungseinheit 67 liefert am Ausgang ein Signal V10,
welches dem verschlüsselten
Antwortsignal g entspricht, das von der Identifikationseinrichtung
I ausgestrahlt wird. Wie man in 7 erkennt,
ist das Signal V8 gegenüber dem
Signal I2 um die Ausbreitungsdauer des Signals δ versetzt. Der Ausgang der binären Entscheidungseinheit 67 ist
mit einer Verzweigung verbunden zwischen einerseits einem Pufferspeicher 72,
der den Takt rk des Signals V10 zur Abgabe mit einem niedrigen Takt
sk an den Mikrokontroller 15, damit er das Antwortsignal
g, wie beispielsweise im Schritt 10 der 1 angedeutet, authentifiziert, und, andererseits, einem
Eingang eines logischen Exklusiv-ODER-Gatter 73. Zur Authentifizierung
des von der Identifikationseinrichtung stammenden, empfangenen Antwortsignals
g erzeugt die Zentraleinheit des Fahrzeugs ein entsprechend verschlüsseltes
Signal g, wie dies im Schritt 8 der 1 angedeutet ist. Es ist anzumerken,
dass der Vergleich zwischen den beiden Funktionen g durch Autokorrelation
der Signale durchgeführt
wird, wobei eine akzeptable Autokorrelationsschwelle beispielsweise auf
90 % festgesetzt wird, unter Berücksichtigung,
dass ein Autokorrelationsniveau von 50 % dem Vergleich von zwei
Zufallssignalen entspricht.
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Der
Mikrokontroller 50 liefert das eigene Signal g zum Fahrzeug
in einem Pufferspeicher 74 mit einem Takt sk, damit der
ihn mit einem Takt fk zum anderen Eingang des Logikgatters 73 zurückschickt. In
der Linie V11 ist das Signal g dargestellt, welches exakt dem von
der Identifikationseinrichtung erzeugten und, wie in 8 dargestellt, auf der Linie I6 ausgestrahlten
Signal g entspricht, allerdings mit einer zeitlichen Verschiebung
von 2δ.
Das Logikgatter 73 mischt die Signale V10 und V11, um am
Ausgang nur die auf Grund der Ausbreitungszeit der Signale zwischen
dem Fahrzeug V und der Identifikationseinrichtung I entstehenden
Verschiebungen auszugeben, wie dies in der Linie V12 dargestellt
ist. Der Ausgang des Logikgatters 73 ist mit dem Eingang
eines Integrators 75 verbunden, der am Ausgang ein Signal V13
liefert, das in Abhängigkeit
von der Zeit für
jede Zinne C entsprechend der Ausbreitungszeit des Signal treppenstufenartig
ansteigt. Die Linie V13 ist mit einer Verzweigung zwischen einerseits
einem ersten Komparator 76, der an einem anderen Eingang
einen Grenzwert 76a empfängt, welcher dem Abstand des unerlaubten
Angriffs, beispielsweise 5 bis 10 Meter, entspricht und andererseits
einem zweiten Komparator 77, der an seinem anderen Eingang
einen weiteren Grenzwert 77a empfängt, der niedriger als der Wert 76a ist
und der dem autorisierten Kommunikationsabstand, beispielsweise
1 bis 2 Meter entspricht. Je nachdem ob die Amplitude des Ausgangssignals auf
der Linie V13 größer ist
als der Grenzwert 76a oder nicht, wird ein Angriffsversuchssignal
oder kein solches Signal über
die Leitung 78 von dem ersten Komparator 76 zum
Mikrokontroller 50 gesandt. In entsprechender Weise wird,
wenn die Amplitude des Ausgangssignals auf der Linie V13 größer als
der Wert 77a, aber kleiner als der Wert 76a ist,
von dem zweiten Komparator 77 ein Signal zum Mikrokontroller 50 über die
Leitung 79 gesandt, das anzeigt, dass die Kommunikationsverbindung
jenseits des erlaubten Abstandes stattfindet, ohne jedoch einen
Angriffsversuch darzustellen. Der Integrator 75 kann die Summe
der zeitlichen Elementarverschiebungen bis zum Ende des Anti-Angriffs-Datenblocks bilden,
wie dies durch den Pfeil 75a angedeutet ist, soweit nicht die
Kommunikationsverbindung vorab durch die ersten und zweiten Komparatoren 76 und 77 unterbrochen
wird. Die Summenbildung der zeitlichen Verschiebungen auf der Leitung
V13 erlaubt es, sich von Auflösungsbeschränkungen
und Messunsicherheiten zu befreien, die mit so geringen Ausbreitungszeiten
wie 50 ns verbunden sind, die 10 % einer Bitdauer von 500 ns ausmachen.
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Schließlich kann
der Mikrokontroller 50 verschiedene Ausgangssignale an
die anderen Komponenten des Fahrzeugs über die in den 3 und 4 dargestellte
Leitung 80 liefern.
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Gemäß einer
Variante kann man die Antennen 54 und 63 des Fahrzeugs
V durch eine einzige Antenne 82 ersetzen, die in 4 durch gestrichelte Linien
dargestellt ist, wobei die Antenne 82 mit einem in 4 gestrichelt dargestellten
Diplexer 81 verbunden ist, um je nachdem zwischen dem Empfangs- und
Sendemodus umzuschalten. In entsprechender Weise kann man die Antennen 100 und 112 der
Identifikationseinrichtung durch eine einzelne Antenne 121 ersetzen,
die mit einem Duplexer 120 verbunden ist, wie dies in 4 durch gestrichelte Linien
dargestellt ist. Die Duplexer 81 und 120 können auch
untereinander kommunizieren, wie dies durch den Doppelpfeil T dargestellt
ist.