JP4482456B2 - 距離を測定する方法、システム及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、距離の測定で使用する方法および装置に関する。

別の装置との近接度、またはそれ自体の絶対位置を測定する無線装置が、ますます普及している。こうした装置は、セキュリティが問題となる適用分野で使用されることが増えている。第１の例は、親が自分の子供の所在を把握できるようにする子供の位置探知装置である。第２の例は、キー・ホルダをポケットに入れている車の所有者が自分の車に近づくだけでそのドアの解錠がトリガされる、車用のパッシブ・キーレス・エントリ・システムである。第３の例は、対象物に取り付けて、その所在を監視し、無許可の移動を検出できる無線タグである。こうした例では、システムは、第１の例の場合は児童誘拐者または実は追跡されたいと望まない利口な子供からの攻撃、また第２の例の場合は泥棒からの攻撃に対して頑強でなければならない。

近距離区域内での近接度検出のために使用することができる１つの技術が、「Designing a positioning system for finding things and people indoors」ＩＥＥＥ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ、１９９８年９月Ｊ．ＷｅｒｂおよびＣ．Ｌａｎｚｌ著に記載されている。この論文で、Ｗｅｒｂらは、追跡されている人が身に付けているタグにマスタ装置から信号を送信するシステムについて記述している。タグは信号を受信し、この信号を処理せずに異なる周波数で単に再送信するにすぎない。マスタ装置は、戻ってきた信号の到達時刻を測定し、その時刻をタグに向けて信号を送信した時刻と比較して、タグまでの距離を計算する。

こうした既知の技術は、第三者または近接度測定に関わっている当事者のうち自分の所在を偽りたいと望む者からの攻撃に対しては無防備である。この攻撃では、測定される到達時間が人為的に長くされ、したがってタグがマスタ装置から実際よりも離れて見えるように、追加の遅延を挿入することを備えることができる。こうした遅延の追加は相対的に簡単な手順であり得る。たとえば、ねじ込み式のアンテナを備えるシステムでは、既製のマイクロ波フィルタなど追加の遅延要素をアンテナと装置の間にねじで取り付けることもできる。タグは信号を瞬時に再送信できないので、タグ自体でいくらかの遅延が生じる。この固有の遅延は、工場において製造時に較正することができる。

他の既知の技術では、タグを中継器として使用するのではなく、タグから生成され送信される信号を使用する。ただし、タグからの送信をマスタ装置から送られてきた信号の受信によって開始させることもある。こうしたシステムもまた、追加遅延の挿入による攻撃に対して脆弱である。

攻撃の結果、タグがマスタ装置から実際よりも近くに見えることもある。これは、検出回路を簡単にするために、距離測定を行うのに使用する信号が通常は繰返し符号シーケンスを含んでいるからである。その結果、到達時刻には符号の継続時間の倍数に等しいあいまいさがあり、したがって測定された距離にあいまいさがある。つまり、たとえば１０マイクロ秒の継続時間を有する符号シーケンスでは、ｎ×１０マイクロ秒に等しい到達時刻のあいまいさが生じる。ただし、ｎはゼロを含む任意の整数である。したがって、測定された距離にはｎ×３ｋｍのあいまいさがあるので、マスタ装置は、たとえば１０ｍ先のタグと３０１０ｍ先のタグを区別することができない。したがって、３０１０ｍの距離にあるタグは、マスタ装置から１０ｍの距離に見えることがある。もちろん、３０１０ｍ先の距離からの受信信号ならば、１０ｍ先からの受信信号と比較して減衰しているはずであるが、攻撃者は、信号レベルを増幅することによってこの減衰を容易に補償することができる。

追加遅延の挿入による攻撃を、図１にタイミング図で示す。図１ａは、マスタ装置から時刻ｔ_０に送信された信号を示す。この信号は、２進チップ「１００１１」で始まり継続時間がｔ_ｐである繰返し拡散符号１０を含む直接シーケンス拡散スペクトラム（ＤＳＳＳ）信号である。図１ｂは、タグによって受信され再送信されて、時刻ｔ_１にマスタ装置に戻って受信された信号を示している。マスタ装置で測定された真の往復遅延ｔ_１−ｔ_０は、タグまでの真の伝播時間および戻り時間と、タグ中での固有の遅延を含んでいる。図１ｃは、システムが攻撃を受けている場合に時刻ｔ_２に受信されることがある信号２０を示している。攻撃者が追加遅延δ＝ｔ_２−ｔ_１を挿入した結果、合計の往復時間が１符号期間ｔ_ｐを超える。マスタ装置は、時刻ｔ_２に受信した信号２０と時刻ｔ_２−ｔ_ｐに受信した仮想信号３０を区別することができず、この往復遅延を真の往復遅延よりもはるかに短いΔ＝ｔ_２−ｔ_ｐ−ｔ_０として測定する。したがって、タグはマスタ装置に実際よりもはるかに近づいて見える。攻撃者は、追加遅延δを適切に選択することによって、見かけ上の距離に所望のいかなる値をとらせることもできる。

追加遅延の挿入による攻撃は、タグへの干渉によって実施することもでき、中継攻撃として実施することもできる。中継攻撃では、攻撃者は、タグからマスタ装置へ、また必要な場合にはマスタ装置からタグへも信号を中継するように中間装置を使用する。この中間装置において、適切な遅延を信号に挿入することによって、遠くのタグがマスタ装置に近接して見えることがある。こうした中継攻撃は、パッシブ・キー・ホルダをもっている車の所有者が自分の車から遠く離れている場合に、車泥棒が車のセキュリティ・システムを欺いて車のドアを解錠するために使用されてきた。

このあいまいさの問題は、長い符号を使用し信号送信中にそれを繰り返さない場合には避けることができるが、こうした長い符号を用いると相対的に受信器が複雑になる。

本発明の目的は、攻撃に対する距離測定の頑強性を改善することである。

本発明の第１の態様によれば、第１の装置において、第１および第２の成分を同時に備え、第１の成分が第１の繰返し符号を備え、第２の成分が第２の繰返し符号を備え、第１の符号と第２の符号の継続時間が等しくない信号を送信すること、第２の装置において、信号を受信すること、第１および第２の符号を検出すること、検出された第１および第２の符号からそれぞれ距離の第１および第２の指示値（indication）を求めること、距離の第１および第２の指示値を比較すること、ならびに距離の第１および第２の指示値が所定の許容範囲内で等しいことに応答して距離の第３の指示値を生成することを備える、第１の装置と第２の装置の間の距離を求める方法が提供される。

本発明の第２の態様によれば、第１および第２の成分を同時に備え、第１の成分が第１の繰返し符号を備え、第２の成分が第２の繰返し符号を備え、第１の符号と第２の符号の継続時間が等しくない信号を送信する手段を備える第１の装置、ならびに、信号を受信する手段と、第１および第２の符号を検出する手段と、検出された第１および第２の符号からそれぞれ距離の第１および第２の指示値を求める手段と、距離の第１および第２の指示値を比較する手段と、および距離の第１および第２の指示値が所定の許容範囲内で等しいことに応答して距離の第３の指示値を生成する手段とを備える第２の装置を備える、距離を求めるシステムが提供される。

本発明の第３の態様によれば、第１および第２の成分を同時に備え、第１の成分が第１の繰返し符号を備え、第２の成分が第２の繰返し符号を備え、第１の符号と第２の符号の継続時間が等しくない信号を受信する手段と、第１および第２の符号を検出する手段と、検出された第１および第２の符号からそれぞれ信号伝搬距離の第１および第２の指示値を求める手段と、伝搬距離の第１および第２の指示値を比較する手段と、ならびに伝搬距離の第１および第２の指示値が所定の許容範囲内で等しいことに応答して伝搬距離の第３の指示値を生成する手段とを備える、距離を求める装置が提供される。

本発明の第４の態様によれば、第１および第２の成分を同時に備え、第１の成分が第１の繰返し符号を備え、第２の成分が第２の繰返し符号を備え、第１の符号と第２の符号の継続時間が等しくない信号を生成し送信する手段を備える、距離測定システムでの使用に適した装置が提供される。

継続時間が異なる符号を同時に備える信号を使用することによって、攻撃者がその信号を検出することがより難しくなる。したがって、システムは攻撃に対してより頑強になる。

継続時間が異なる符号を同時に備える信号を使用し、各符号を使用して別々の距離測定を実施し、各測定の結果が同一または同様になることを必要とすることによって、攻撃者が、システムを欺く追加の遅延を実施することはより難しくなる。したがって、頑強性がさらに改善される。

一般に、継続時間が異なる符号を同時に繰り返し備える信号を使用する場合は、システムを首尾よく欺くために攻撃者が挿入すべき追加の遅延は、各構成符号の継続時間の公倍数である。最小公倍数（ＬＣＭ）の継続時間が、偽りとして容易に無視できる伝搬時間に、したがって距離に対応するように符号継続時間を選択することによって、システムは攻撃に対してさらに頑強になり得る。たとえば、連続測定が短い時間間隔で行われたにもかかわらず距離が大きく異なることを示している場合、不可能な動作速度を示しており、したがってシステムが攻撃にさらされていることを示している。

第１および第２の符号のそれぞれの継続時間が、互いに素の関係にある２つの数に比例していることが好ましい。こうした関係の結果、最小公倍数（ＬＣＭ）の継続時間は長くなり、それによって攻撃に対する頑強性が改善されることになる。

任意選択として、第１の装置によって送信される信号は、最初に第２の装置によって送信され第１の装置によって受信された信号を再送信したものでもよい。

次に、本発明を、添付図面を参照しながら、単に例によって説明する。

図２を参照すると、第１の装置１００および第２の装置２００を備える距離測定システムが示してある。第１の装置１００は、たとえば小包に貼付されたタグであり、第２の装置２００は小包を追跡するマスタ装置でよい。さらなる例では、第１の装置１００はキー・ホルダでよく、第２の装置２００は車のセキュリティ・ユニットでよい。動作に際しては、信号は、第２の装置２００から送信され、第１の装置１００によって受信され、別の周波数で第２の装置２００まで再送信して戻され、その周波数で受信され処理されて第１の装置１００と第２の装置２００の距離が求められる。

図３を参照すると、第２の装置２００の回路ブロック図が示してある。第１の符号を生成するための第１の線形フィードバック・シフト・レジスタを備える第１の符号発生器２１０、および第２の符号を生成するための第２の線形フィードバック・シフト・レジスタを備える第２の符号発生器２１５がある。第１および第２の符号は、それぞれＮ_１およびＮ_２で表される異なる数のチップを含むが、チップ・レートは共通であり、その結果第１の符号と第２の符号は継続時間が異なる。あるいは、第１および第２の符号は共通の数のチップを含むが、それぞれＣ_１およびＣ_２で表される異なるチップ・レートを有し、したがって、やはり第１の符号と第２の符号は継続時間が異なることもある。

動作に際しては、第１の符号発生器２１０は、全く同じに繰り返される第１の符号を含む第１の信号成分を生成し、それと同時に、第２の符号発生器２１５は、全く同じに繰り返される第２の符号を備える第２の信号成分を生成する。第１および第２の符号発生器２１０、２１５は、第１および第２の符号の生成時間ならびに生成レートを制御するためにクロック２１８に結合される。

第１および第２の符号発生器２１０、２１５それぞれからの出力は、第１および第２の信号成分を加算する加算手段２２０の入力にそれぞれ結合され、加算手段２２０からの出力は、第１および第２の信号成分で変調された搬送波を備える信号を送信する送信器２３０の入力に結合される。送信器２３０の出力は、サーキュレータ２４０を用いてアンテナ２５０に結合される。

アンテナ２５０は、送信信号が第１の装置１００によって受信され再送信された後でそれを受信するために、サーキュレータ２４０を介して受信器２６０の入力部に結合される。受信器２６０の出力部は、第１の符号を検出するために第１の符号検出器２７０の入力部に結合され、第２の符号を検出するために第２の符号検出器２７５の入力部に結合される。第１および第２の符号検出器２７０、２７５は、受信信号とそれぞれ第１および第２の符号の記憶済み参照コピーとの相関関係を明らかにするように、また検出された第１および第２の符号それぞれの伝搬時間を測定するように適合されている。第１および第２の符号検出器２７０、２７５は、伝搬時間を求めることを可能にする時間基準を提供するクロック２１８に結合されている。

第１および第２の符号検出器２７０、２７５それぞれからの出力は、第１および第２の符号検出器２７０、２７５による伝搬時間のそれぞれの測定値を比較するために比較手段２８０に結合される。２つの伝搬時間の測定結果が所定の許容範囲内で等しい場合は、比較手段２８０はこの伝搬時間を距離の値に変換し、第１の出力線２８１上の距離値をアプリケーション・プロセッサ２９０に引き渡し、具体的な適用例に応じてさらに処理を行う。たとえば、適用例が車のセキュリティ・システムの場合、アプリケーション・プロセッサ２９０は、この距離値が所定の閾値未満であって、キー・ホルダをもつ車の所有者が自分の車の近くにいることを示している場合に、その車のドアを解錠するように適合させることができる。他の例では、適用例が小包追跡システムの場合、アプリケーション・プロセッサ２９０は、この距離値が所定の閾値を越えていて、第１の装置１００を付けた小包が許可なく移動していることを示している場合に、警告を開始することができる。

２つの伝搬時間の測定値が所定の許容範囲内で等しくない場合、比較手段２８０は、アプリケーション・プロセッサ２９０に対して、距離測定システムが攻撃を受けているとの指示を第２の出力線２８２上に出す。この指示がアプリケーション・プロセッサ２９０によって処理される方式は具体的な適用例に応じて変わり、たとえば、この指示が単に無視されることもある。

図４を参照すると、第１の装置１００の概略回路ブロック図が示してある。受信器１６０は、サーキュレータ１４０を介してアンテナ１５０からの信号を受信するように結合されている。受信器の出力部は送信器１３０の入力部に結合され、送信器１３０は、受信信号を異なる周波数で再送信するようにサーキュレータ１４０を介してアンテナ１５０に結合されている。

好ましい実施形態では、符号長Ｎ_１およびＮ_２は互いに素の関係にある。こうした関係は、たとえば、第１の符号発生器２１０において、長さがＮ_１＝２^Ｍ−１チップである最長符号を生成するように構成されたＭ段の線形フィードバック・シフト・レジスタを使用すること、および第２の符号発生器２１５において、長さがＮ_２＝２^{（Ｍ＋１）}−１チップである最長符号を生成するように構成されたＭ＋１段の線形フィードバック・シフト・レジスタを使用することによって実施することができる。あるいは、符号チップ・レートＣ_１およびＣ_２が互いに素の関係であってもよい。

代替実施形態では、第１の装置１００が第２の装置２００から受信した信号を再送信する代わりに、この信号を第１の装置１００によって生成し送信してもよい。こうした第１の装置１００の実施形態を図５に示す。この実施形態は、第２の装置に関して先に示した諸要素と同等な以下の諸要素、すなわち第１および第２の符号発生器３１０、３１５（２１０、２１５に相当）、クロック３１８（２１８に相当）、加算手段３２０（２２０に相当）、送信器３３０（２３０に相当）、およびアンテナ３５０（２５０に相当）を備える。対応する第２の装置２００の実施形態は、図３を参照しながら前述した通りであるが、第１および第２の符号発生器２１０、２１５、加算手段２２０、ならびに送信器２３０は省略してある。クロック２１８の同期をとる既知の代替手段が、第１および第２の装置１００、２００に組み込まれている。

任意選択として、信号の第１および第２の成分の両方に対して、必ずしも共通の変調方式を使用する必要はない。たとえば、成分の一方で搬送波を周波数変調または位相変調して直接シーケンス拡散スペクトラム（ＤＳＳＳ）信号を形成し、他方の成分を、ＤＳＳＳスペクトラムをヌル情報が占める狭帯域振幅変調された搬送波としてもよい。

任意選択として、直交変調を使用して信号を生成することもできる。図６を参照すると、第１のミキサ４１０が、第１の符号発生器３１０によって生成される第１の成分に局部発振器４２０によって生成される同相の局部発振器信号を乗算し、第２のミキサ４３０が、第２の符号発生器３２０によって生成される第２の成分に直角位相の局部発振器信号を乗算する。得られた積は、加算手段３２０で合計される。

本発明では第１および第２の成分を同時に備える信号について述べてきたが、３つ以上の成分を同時に使用することを排除するものではない。

本明細書および特許請求の範囲において、要素の直前の単数表記（英語で「ａ」または「ａｎ」）は、こうした要素が複数存在することを排除するものではない。さらに、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という言葉は、列挙されている以外の他の要素またはステップの存在を排除するものではない。

本開示を読めば、当業者には他の変更形態も明らかになろう。こうした変更形態は、距離測定の技術分野および信号方式の技術分野で公知であって、本発明ですでに記述されている特徴の代わりにまたはそれに加えて使用することができる、他の特徴を含む。

追加遅延の挿入による攻撃を示すタイミング図である。 距離を測定するシステムの概略回路ブロック図である。 距離を求める装置の概略回路ブロック図である。 距離を測定するシステムで使用する装置の概略回路ブロック図である。 距離を測定するシステムで使用する装置の代替実施形態の概略回路ブロック図である。 距離を測定するシステムで使用する装置のさらなる代替実施形態の概略回路ブロック図である。

Claims (9)

1. 第１の装置と第２の装置の間の距離を求める方法であって、
   前記第２の装置において、
   第１および第２の成分をともに含む信号を送信するステップであって、前記第１の成分が第１の繰返し符号を有し、前記第２の成分が第２の繰返し符号を有し、前記第１の繰返し符号と第２の繰返し符号の継続時間が等しくない、ステップと、
   該信号が前記第１の装置により受信され再送信された後の信号を受信するステップと、
   前記第１および第２の繰返し符号を検出するステップと、
   検出された前記第１および第２の繰返し符号から、前記距離の第１および第２の指示値をそれぞれ求めるステップと、
   前記距離の前記第１および第２の指示値を比較するステップと、
   前記距離の前記第１および第２の指示値が所定の許容範囲内で等しいことに応答して前記距離の第３の指示値を生成するステップと
   を有する方法。
2. 前記第１および第２の繰返し符号のそれぞれの前記継続時間が、互いに素の関係にある２つの数に比例している、請求項１に記載の方法。
3. 距離の前記第１および第２の指示値の少なくとも一方が前記信号の伝搬時間の指示値である、請求項１または２に記載の方法。
4. 第１の装置及び第２の装置を備え、距離を求めるシステムであって、
   前記第１の装置は、信号を受信する手段と、該信号を再送信する手段とを有し、
   前記第２の装置は、
   第１および第２の成分をともに含む信号を生成し送信する手段であって、前記第１の成分が第１の繰返し符号を有し、前記第２の成分が第２の繰返し符号を有し、前記第１の繰返し符号と第２の繰返し符号の継続時間が等しくない、手段と、
   送信された信号を受信した前記第１の装置が再送信した後の信号を受信する手段と、
   前記第１および第２の繰返し符号を検出する手段と、
   検出された前記第１および第２の繰返し符号から、前記距離の第１および第２の指示値をそれぞれ求める手段と、
   前記距離の前記第１および第２の指示値を比較する手段と、
   前記距離の前記第１および第２の指示値が所定の許容範囲内で等しいことに応答して前記距離の第３の指示値を生成する手段と
   を備える距離を求めるシステム。
5. 前記第１および第２の繰返し符号のそれぞれの前記継続時間が、互いに素の関係にある２つの数に比例している、請求項４に記載のシステム。
6. 距離の前記第１および第２の指示値の少なくとも一方が前記信号の伝搬時間の指示値である、請求項４または５に記載のシステム。
7. 自装置と他の装置との間の距離を求める装置であって、
   第１および第２の成分をともに含む信号を生成し送信する手段であって、前記第１の成分が第１の繰返し符号を有し、前記第２の成分が第２の繰返し符号を有し、前記第１の繰返し符号と第２の繰返し符号の継続時間が等しくない、手段と、
   送信された信号を受信した前記他の装置が再送信した後の信号を受信する手段と、
   前記第１および第２の繰返し符号を検出する手段と、
   検出された前記第１および第２の繰返し符号から、前記信号の伝搬距離の第１および第２の指示値をそれぞれ求める手段と、
   前記伝搬距離の前記第１および第２の指示値を比較する手段と、
   前記伝搬距離の前記第１および第２の指示値が所定の許容範囲内で等しいことに応答して前記伝搬距離の第３の指示値を生成する手段と
   を備える距離を求める装置。
8. 前記第１および第２の繰返し符号のそれぞれの前記継続時間が、互いに素の関係にある２つの数に比例している、請求項７に記載の装置。
9. 第１および第２の成分をともに含む信号を生成し送信する前記手段が、
   前記第１の成分に同相の局部発振器信号を乗算する手段と、前記第２の成分に直交位相の局部発振器信号を乗算する手段と、得られた積を合計する手段とをさらに備える、請求項７に記載の装置。

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