KR20160096127A - 릴레이 어택을 방지하기 위한 차량 제어 시스템 - Google Patents

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이 루오
존 난츠
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후프 노쓰 아메리카 오토모티브 파츠 엠에프지. 코프.
후프 휠스벡 운트 퓌르스트 게엠베하 운트 콤파니 카게
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Abstract

차량에 장착된 복수 개의 안테나에 의해 형성되는 각도와 자기 벡터를 분석하는 것에 의해 릴레이 어택(relay attack)을 방지하도록 구성된 자동차용 패시브 엔트리 시스템이 개시된다. 웨이크업 신호를 인식하고 웨이크업 신호 인식에 응답하여 제어 유닛을 위한 응답 신호를 생성하는 포브(fob)와 함께, 포브가 저전력 소비 모드인 경우에 포브가 파워업(power-up)하게 하도록 웨이크업 신호(wake-up signal)를 송출하고 차량에 커플링된 복수 개의 안테나를 통해 신호를 전송하도록 구성된 제어 유닛을 포함하는 차량이 제공된다. 포브는, 차량에 커플링된 복수 개의 안테나 각각으로부터 전송되는 신호를 수신하고, 복수 개의 안테나 각각의 상대 위치를 규정하는 자기 무결성(magnetic integrity)을 계산하도록 프로그래밍되는 컨트롤러를 포함한다. 컨트롤러는, 자기 무결성이 확인된 경우에는 차량에 대한 액세스를 허용하고, 자기 무결성이 확인되지 않은 경우에는 차량에 대한 액세스를 거부한다.

Description

릴레이 어택을 방지하기 위한 차량 제어 시스템{VEHICLE CONTROL SYSTEM TO PREVENT RELAY ATTACK}
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2013년 12월 3일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/911,225호 및 2014년 1월 4일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/975,447호의 이익을 주장하며, 상기 가특허출원 양자 모두는 참조에 의해 그 전체 내용이 본 명세서에 포함된다.
전통적으로, 도어 액세스와 자동차와 같은 차량을 시동하기 위한 승인은 물리적 키 및 잠금 시스템을 사용하여 달성되었다. 이러한 시스템에서, 도어에 올바른 키를 삽입하는 것 및 시동 잠금은 사용자가 차량에 들어가 구동할 수 있도록 하였다.
그러나, 최근에는 전통적인 키 시스템이, 사용자가 키 포브(key fob) 또는 키 카드와 같은 휴대용 통신 디바이스 상의 버튼을 누르는 것에 의해 사용자의 차를 원격 개방할 수 있는 자동차용 원격 조정 장치(Remote Keyless Entry; RKE)로 개량되거나 여러 경우에 대체된다. 이들 시스템에서, 구동하기 위한 승인은 통상적으로 물리적 키 및 잠금 시스템에 의해 계속해서 제공되었다. 그러나, 몇몇 경우에 물리적 키는 키 복사를 방지하기 위해 내장형 이모빌라이저 칩(immobilizer chip)을 포함하였다.
훨씬 더 최근에는, 복잡한 내장형 전자 시스템이 액세스를 제공하고 기능을 시작하며 운전자 안전 및 편의를 향상시키는 넓은 범위의 기능을 제공하는 데 통상적이었다. 이들 시스템은 PEPS(Passive Entry Passive Start) 시스템을 포함한다. PEPS 시스템에서, 원격 리시버 및 트랜스미터(또는 트랜스시버)는 키 포브 또는 카드와 같은 휴대용 통신 디바이스로 사용자에 의해 휴대된다. 휴대용 통신 디바이스는 성공적으로 작동될 때에 도어 잠금/잠금 해제와 같은 다양한 원격 차량 기능을 수행하거나, 엔진 시동을 가능하게 하거나 또는 외부/내부 조명을 활성화시키기 위해 차량 내의 모듈에 무선 주파수(RF)를 전송한다. 패시브 엔트리 시스템(Passive entry system)은 차량 내에 배치되는 전자 제어 모듈에 트랜스미터 및 리시버(또는 트랜스시버)를 포함한다. 트랜스시버는 통상적으로, 사용자에 의해 디바이스 활성화에 대한 요구가 개시(예컨대, 도어 핸들 리프팅)될 때를 결정하기 위하 하나 이상의 디바이스(예컨대, 도어 잠금 메커니즘)와 통신한다.
활성화에 대한 요구가 감지될 시에 트랜스시버는 패시브 엔트리 호출 신호를 송출한다. 포브가 ECU로부터 호출 신호를 수신할 시에 휴대용 통신 디바이스는 호출 신호가 유효한지 결정한다. 호출 신호가 유효 신호로 결정되면, 키 포브는 암호화 또는 롤링 식별 코드를 포함하는 출력 신호를 전자 제어 모듈에 자동 송출한다. 이후, 전자 모듈은 출력 신호의 유효성을 결정하고, 출력 신호가 유효한 것으로 결정되면 작동(예컨대, 도어 잠금 메커니즘이 도어를 잠금 해제함)을 수행하기 위한 신호를 디바이스에 발생시킨다.
패시브 엔트리 시스템은 릴레이 어택(relay attack)과 같은 보안 위협에 취약하다. 릴레이 어택은, 첫번째 절도범이 차량 도어 핸들을 리프팅하는 것에 의해 호출 신호의 활성화를 기동시킬 때 발생한다. 차량의 패시브 엔트리 시스템이 호출 신호를 송출하는데, 그 이유는 포브가 도어 핸들을 리프팅하는 사용자 근처에 있을 것으로 예상되기 때문이다. 첫번째 절도범이 호출 신호를 수신하는 리피터를 휴대하고, 차량의 잠금 해제를 위한 응답 신호를 송출할 수 있는 승인된 포브를 소유하는 사용자에게 매우 가까이에 있는 두번째 절도범에게 호출 신호를 재전송한다. 재전송 신호는 통상적으로, 저주파(Low Frequency; LF) 신호와는 대조적으로 장거리에 걸쳐 전송될 수 있는 UHF 신호이다. 역시 리피터 디바이스를 휴대하고 있는 두번째 절도범이 제1 절도범으로부터 UHF 신호를 수신한다. 상기 신호는 LF 신호로서 디코딩되고 승인된 포브를 휴대하고 있는 사용자에게 재전송된다. 포브는 두번째 절도범으로부터 재전송 신호를 수신하고, 이에 따라 수신된 호출 신호에 응답한다. 두번째 절도범은 내부에 유효 코딩 정보를 갖는 응답 신호를 수신하고, 이 신호를 첫번째 절도범에게 재전송한다. 첫번째 절도범은 인증된 응답 신호를 수신하여, 이 신호를 차량에 전송한다. 차량은 응답 신호를 수신하고, 신호를 인증하여, 차량 도어를 잠금 해제한다. PEPS 시스템도 또한 절도범이 차량을 시동할 수 있도록 한다. 본 개시는 전술한 타입의 릴레이 어택을 방지하기 위한 방법을 다룬다.
본 개시는, 차량에 장착된 복수 개의 안테나에 의해 형성되는 자기 벡터와 각도를 분석하는 것에 의해 릴레이 어택을 방지하도록 구성된 자동차를 위한 패시브 엔트리 시스템을 제공한다. 일양태에서, 본 개시는 포브가 저전력 소비 모드인 경우에 포브가 파워업(power-up)하게 하도록 그리고 차량에 커플링된 복수 개의 안테나를 통해 신호를 전송하도록 웨이크업 신호(wake-up signal)를 송출하게 구성된 제어 유닛; 및 웨이크업 신호를 인식하고, 웨이크업 신호 인식에 응답하여 제어 유닛에 대한 응답 신호를 생성하도록 구성된 포브를 포함하는 차량을 제공한다. 포브는 차량에 커플링된 복수 개의 안테나 각각으로부터 전송된 신호를 수신하고, 저장된 메모리로부터 일정값을 검색하며 복수 개의 안테나 각각의 상대 위치를 규정하는 자기 무결성(magnetic integrity)을 계산하도록 프로그래밍된 컨트롤러를 포함한다. 컨트롤러는 자기 무결성이 확인된 경우에는 차량에 대한 액세스를 허용하고, 자기 무결성이 확인되지 않은 경우에는 차량에 대한 액세스를 거부한다.
다른 양태에서, 본 개시는 자동차용 패시브 엔트리 시스템을 제공한다. 차량은, 포브가 저전력 소비 모드인 경우에 파워업하도록 그리고 차량에 구동 전류를 인가하고 차량에 커플링되는 복수 개의 안테나를 통해 신호를 전송하도록 웨이크업 신호를 송출하게 구성된 제어 유닛과, 웨이크업 신호를 인식하고 웨이크업 신호 인식에 응답하여 제어 유닛을 위한 응답 신호를 생성하는 포브를 포함한다. 포브는 차량에 커플링되는 복수 개의 안테나 각각으로부터 전송되는 신호를 수신하고, 안테나들 중 적어도 2개에 의해 전송되는 신호들 사이의 제1 각도를 계산하며, 안테나에 인가되는 구동 전류에서의 변화를 나타내는, 제어 유닛으로부터의 암호화 신호를 수신하고, 안테나들 중 적어도 2개의 의해 전송되는 신호들 사이의 제2 각도를 계산하도록 프로그래밍된 포브 컨트롤러를 포함한다. 포브 컨트롤러는 제1 각도를 제2 각도와 비교하여, 제1 각도가 제2 각도와 거의 동일한 경우에 차량 기능에 대한 액세스를 거부한다.
도 1은 개인 통신 디바이스 또는 토큰과 통신하도록 구성된 PEPS(Passive Start and Entry System)을 지닌 자동차의 블럭선도이다.
도 2는 릴레이 어택을 예시하는, 차량의 간략도이다.
도 3a는 키 포브와 통신하는 차량(12)에 대응하는 안테나를 포함하는 2개의 안테나 시스템과 대응하는 자기장을 예시하는 다이어그램이다.
도 3b는 3개의 안테나 시스템과 시스템에 있는 안테나에 의해 생성되는 자기장의 등각도를 예시하는 다이어그램이다.
도 4는 절도범에 의해 작동되는 릴레이로부터 차량을 구별하도록 변경될 수 있는 안테나에 인가되는 구동 전류를 예시하는 도면이다.
도 5는 절도범에 의해 작동되는 릴레이로부터 차량을 구별하도록 변경될 수 있는, 안테나에 인가되는 구동 전류의 다른 실시예를 예시하는 도면이다.
도 6은 차량 상의 안테나와 포브에 대응하는 벡터를 예시하는, 차량과 대응하는 포브의 평면도이다.
도 7은 차량 상의 안테나와 포브에 대응하는 벡터를 예시하는, 차량과 대응하는 포브의 대안의 평면도이다.
도 8은 차량 상의 안테나와 포브에 대응하는 벡터를 예시하는, 차량과 대응하는 포브의 다른 평면도이다.
도 9는 차량 상의 안테나와 포브에 대응하는 벡터를 예시하는, 차량과 대응하는 포브의 다른 평면도이다.
도 10은 RSA를 방지하기 위한 하나의 프로세스 단계 세트를 예시하는 블럭선도이다.
도 11은 RAS를 방지하기 위한 대안의 프로세스 단계 세트를 예시하는 블럭선도이다.
도 12는 차량 상의 안테나와 포브에 대응하는 벡터를 예시하는, 차량과 대응하는 포브의 다른 평면도이다.
도 13은 RSA를 방지하기 위한 대안의 프로세스 단계 세트를 예시하는 블럭선도이다.
이제 도 1을 참고하면, 개인 통신 디바이스 또는 토큰(14), 예컨대 포브, 카드 등과 통신하도록 구성된 PEPS(Passive Start and Entry System)를 지닌 자동차(12)가 도시되어 있다. 자동차(12)는, 저주파 트랜스미터(18)와 고주파 리시버(20), 예컨대 무선 주파수 리시버에 전기적으로 커플링되는 마이크로 컨트롤러(16)를 포함한다. 다른 구성 및 배치도 또한 가능함은 물론이다. 예컨대, 마이크로 컨트롤러(16)는 고주파 트랜스미터(도시하지 않음) 및/또는 저주파 리시버(도시하지 않음)에 전기적으로 커플링될 수 있다. 여기에서 "패시브 엔트리 시스템"이라는 용어는, 도난 방지 시스템이 적용될 수 있는 패시브 엔진 스타트 시스템을 포함한다.
여기에서 사용되는 "저주파"라는 구문은 통상적으로 3 내지 300 KHz 범위의 주파수를 일컫는다. "고주파" 또는 "초고주파"(UFH)라는 용어는 통상적으로 300 MHZ 내지 3 GHz 범위의 주파수를 일컫는다. 그러나, 다른 범위도 또한 가능하다. LF 신호는 가장 전형적으로는 125 KHz로 전송되는 반면, 고주파 신호는 가장 전형적으로 300 MHz 범위이다.
도 1에 예시한 실시예에서, 안테나(22, 24, 25)는 저주파 트랜스미터(18)와 전기적으로 커플링된다. 안테나(26)는 무선 주파수 리시버(20)와 커플링된다. 차량(12) 내에서의 안테나(22, 24, 25)의 위치는 마이크로 컨트롤러(16)에 의해 알려져 있다. 아래에서 설명하는 바와 같이, 이러한 위치 정보는 마이크로 컨트롤러(16) 및 포브(14)에 의해 사용되어, 안테나(22, 24, 25)에 대한 포브(14)의 위치를 결정할 수 있다. 예컨대, 안테나(22, 24, 25)는 각각 지붕 상에 또는 지붕 근처에 그리고 차량의 운전자의 사이드 도어 및 조수석의 사이드 도어 상에 또는 그 근처에 위치 설정될 수 있다. 다른 실시예에서, 추가의 안테나(뿐만 아니라 추가의 리시버 및/또는 트랜스미터)는 특히 트렁크와 같은 차량(12)의 다른 영역을 감시하기 위해 차량 전반에 걸쳐 위치 설정될 수 있다.
도 1의 마이크로 컨트롤러(16)는 엔진 시스템(28) 및 도어 시스템(30)과 커플링될 수 있다. 마이크로 컨트롤러(16)는 시스템(28, 30)의 작동을 제어/감시할 수 있다. 예컨대, 마이크로 컨트롤러(16)는, 적절한 자동차용 원격 조정 명령에 응답하여 도어 시스템(30)을 잠금 및 잠금 해제할 수 있다. 다른 실시예에서, 마이크로 컨트롤러(16)는 조명 시스템 또는 기온 제어 시스템을 제어하기 위해 PEPS 모듈에 의해 제어/감시되는 임의의 적절한 차량 시스템과도 또한 커플링될 수 있다.
도 1의 실시예에서, 포브(14)는 저주파 리시버(34) 및 고주파 트랜스미터(36), 예컨대 무선 트랜스미터와 전기적으로 커플링되는 마이크로 컨트롤러(32)를 포함한다. 다른 실시예에서, 마이크로 컨트롤러(32)는 고주파 리시버 및/또는 저주파 트랜스미터와 전기적으로 커플링될 수 있다. 다른 구성 및 배치도 또한 가능하다. 에너지 저장 유닛(37), 예컨대 배터리, 커패시터 등은 마이크로 컨트롤러(32), 저주파 리시버(34) 및 고주파 트랜스미터(36)에 전력을 공급한다.
3D 코일 안테나(38)가 저주파 리시버(34)와 전기적으로 커플링된다. 안테나(40)는 무선 주파수 트랜스미터(36)와 전기적으로 커플링된다. 다른 실시예에서, 포브(14)는 도어 잠금/잠금 해제와 같은 자동차용 원격 조정 기능 및 비상 경보, 뿐만 아니라 다른 기능과 연관된 버튼 및/또는 디스플레이(도시하지 않음)를 포함할 수 있다.
도 1의 실시예에서, 포브(14)의 저주파 리시버(34)는 차량(12)으로부터의 저주파 트랜스미터(18)를 통해 송출되는 웨이크업 신호를 수신한다. 웨이크업 신호는 마이크로 컨트롤러(34)가 다른 통신에의 참여 시에 그리고 다른 코드를 실행하기에 앞서 저전력 소비 모드로부터 파워업하도록 한다.
도어 시스템(30)의 도어 핸들 스위치(도시하지 않음)가 기동 펄스를 생성할 때, 예시적인 패시브 엔트리 시퀀스가 시작될 수 있다. 이 기동 펄스가 마이크로 컨트롤러(16)에 제공된다. 기동 펄스에 응답하여, 마이크로 컨트롤러(16)는 트리거 발생 기능을 생성한다. 저주파 트랜스미터(18)는 트리거 발생 기능과 연관된 전술한 저주파 웨이크업 신호를 발생시키도록 활성화된다. 저주파 웨이크업 신호는 안테나(22, 24, 25)를 통해 송출된다. 안테나(22, 24, 25)에 의해 각각 송출되는 저주파 웨이크업 신호는 이 저주파 웨이크업 신호를 송출하는 안테나를 나타내는 정보를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 저주파 웨이크업 신호는 안테나(22, 24, 25)에 대한 포브(14)의 배치를 용이하게 할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 저주파 리시버(34)는 저주파 웨이크업 신호 각각의 수신 신호 강도 표지자(Received Signal Strength Indicator; RSSI)를 측정하기 위한 적절한 회로(도시하지 않음)를 포함한다. 마이크로 컨트롤러(32)는 컨트롤러(16)에 보내지는 응답에 RSSI 정보를 포함한다. 컨트롤러(16)는, RSSI 정보에 기초하여 어느 안테나(22, 24, 25)가 포브(14)에 가장 가까운지를 결정한다. 안테나(22, 24, 25)에 대해 포브(14)를 로케이팅(locating)하는 것은, 포브(14)의 사용자가 패시브 기능이 요구되는 영역에 위치하는 것을 보장할 수 있다. 예컨대, 안테나(22, 24, 25)에 대해 포브(14)를 로케이팅하는 것은, 도어 핸들 스위치(도시하지 않음)가 활성화될 때에 포브(14)의 사용자가 도어 시스템(30) 외부에 위치하는 것을 보장할 수 있다. 이와 마찬가지로, 안테나(22, 24)에 대해 포브(14)를 로케이팅하는 것은, 포브(14)가 차량(12)의 객실 내에 위치하는 것을 나타낼 수 있다.
소정 실시예에서, 마이크로 컨트롤러(16)는, 마이크로 컨트롤러(32)에 의해 임의의 적절한 시험/응답 확인 시퀀스의 부분으로서도 알려진, 수학적 변환에서 시드 넘버로 사용되는 난수(random number)를 생성한다. 난수를 나타내는 정보를 포함하는 챌린지 신호(challenge signal)가 차량(12)으로부터 송출될 수 있다. 포브(14)는 챌린지 신호를 수신한다. 마이크로 컨트롤러(32)는 난수에 수학적 변환을 적용한다. 변환된 난수와 전술한 RSSI 정보 및 포브 식별자가 차량(12)에 보내지는 응답에 포함된다. 그 후, 마이크로 컨트롤러(16)가 포브 식별자와 변환된 난수를 체크하여 포브(14)를 확인할 수 있다.
전술한 바와 같은 컨트롤러(32)는, 예컨대 사용자가 차량(12)을 잠금 해제 및/또는 시동시키는 것을 허용할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 도어 상의 터치 센서나 버튼(도시하지 않음)이, 전술한 호출 프로세스를 시작하도록 컨트롤러(32)를 기동시킨다. 다른 실시예에서, 포브(14)의 사용자는, 예컨대 차량(12)을 잠금 해제 및/또는 시동시키기 위해 포브(14)를 압박/터치할 필요가 없다. 오히려, 사용자는 단순히 차량(12)에 액세스할 필요가 있다. 그러한 실시예에서, 컨트롤러(32)는 임의의 포브가 차량(12) 근처 내에 있는 것을 체크하기 위해 전술한 바와 같이 무선 신호, 예컨대 폴링 신호(polling signal)를 주기적으로 전송할 수 있다. 예시적인 메세지 레이트(message rate)는, 차량(12)에 접근하고 있는 사용자의 포브를 기동시키기 위해 대략적으로 초당 1회일 수 있다. 전술한 바와 같이, 통신 범위 내의 임의의 포브가 폴링 신호에 응답할 수 있다. 이후, 컨트롤러(32)는, 예컨대 사용자가 도어 핸들(도시하지 않음)을 잡아당기기 전에 전술한 호출 프로세스를 개시하고 완료할 수 있다.
다시 도 1로 돌아가면, 포브(14)는 앞서 소개한 바와 같이 컨트롤러(32)에 의해 송출되는 폴링 신호를 인식할 수 있다. 예컨대, 포브(14)는 수신된 폴링 신호에 내장되는 대응하는 식별자와 비교되는 하나 이상의 식별자를 저장할 수 있다. 폴링 신호에 내장된 식별자가 저장된 식별자들 중 하나와 일치하면, 포브(14)는 폴링 신호를 인식할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 포브(14)는 포괄 식별자와 국소 식별자를 저장할 수 있다. 포괄 식별자는 그러한 포브의 제조업자에 의해 제조되는 몇몇 포브 또는 포브 전부에 공통일 수 있고, 예컨대 제조업자에 의해 제조되는 포브 배치(batch)를 테스트하는 데 사용될 수 있다. 국소 식별자는 소정 차량에 대해 고유할 수 있고, 예컨대 폴링 신호를 통해 송출될 수 있다. 이와 같이, 상이한 차량에 대한 포브는 동일한 전체 식별자와 상이한 국소 식별자를 가질 수 있다.
도 1에 예시된 포브(14)는 저주파 리시버(34)와 연관된 메모리(도시하지 않음)("리시버 메모리") 및 마이크로 컨트롤러(32)와 연관된 메모리(도시하지 않음)("마이크로 컨트롤러 메모리")에 국소 식별자를 저장할 수 있다. 포브(14)는 마이크로 컨트롤러 메모리에 포괄 식별자를 저장할 수 있다. 예시적인 인식 프로세스 동안에, 포브(14)는 리시버 메모리에 저장된 국소 식별자의 사본과 마이크로 컨트롤러 메모리에 저장된 포괄 식별자의 사본에 대하여, 수신된 폴링 신호에 내장된 식별자를 비교할 수 있다. 수신된 식별자가 전술한 저장된 식별자들 중 임의의 식별자와 일치하면, 포브(14)는 폴링 신호 및 다른 통신 예측, 예컨대 응답 신호의 전송, 데이터 처리 등에서의 파워업을 인식한다. 수신된 식별자가 저장된 식별자와 일치하지 않으면, 포브(14)는 폴링 신호를 인식하지 않는다. 당업자에게 명백한 바와 같이, 포브(14)가 폴링 신호를 인식하면 배터리(37)로부터 더 많은 양의 전력을 소비하는데, 그 이유는 포브(14)가 폴링 신호를 인식하면 파워업하기 때문이다.
이제 릴레이 어택 이벤트에서의 도 2를 참고하면, 첫번째 절도범(42)이 전술한 바와 같이 도어 핸들을 리프팅하는 것과 같은 초기 이벤트를 수행하는 것에 의해 패시브 엔트리 시스템을 활성화환다. 첫번째 절도범(42)은 LF 안테나(22, 24, 25)를 통해 컨트롤러(32)에 의해 송출되는 LF 신호를 수신하기 위해 제1 리피터 디바이스(도시하지 않음)와 같은 제1 디바이스를 휴대한다. 전술한 바와 같이, LF 신호는 통상적으로 125 KHz로 송출된다. 제1 디바이스는 수신된 호출 신호(46)를 복조하고, 호출 신호(46)를 UHF 신호(예컨대, 800 MHz)로 재현하고자 한다. 호출 신호(46)는 고주파 또는 UHF 신호로서 두번째 절도범(44)이 휴대한 제2 리피터에 전송된다. 두번째 절도범은 인증 포브(14)를 휴대하고 있는 사용자에 매우 근접하게 위치한다. 첫번째 절도범(42)에 의해 전송되는 신호는 UHF 신호로서 전송되어, 통신 신호는 장거리(예컨대, LF 신호에 의해 도달될 수 있는 것보다 큼)에 걸쳐 재현 신호를 두번째 절도범(44)에게 보내기에 충분한 신호 강도를 갖는다. 그 결과, 포브(14)를 휴대하고 있는 사용자는 차량(12)에 매우 가까이 있을 필요는 없다; 오히려, 사용자는, 차량(12)에서의 첫번째 절도범의 행동이 인증 포브(14)를 휴대하고 있는 사용자에게 보이지 않도록 차량(12)으로부터 멀리 떨어진 거리에 있을 수 있다.
두번째 절도범(44)이 휴대한 제2 리피터 디바이스는 본래 호출 신호(46)를 재현하기 위해 UHF 신호를 수신하고 복조한다. 컨트롤러(32)에 의해 송출되는 본래 LF 신호를 복제하기 위해, UHF 신호 복조에 응답하여, 두번째 절도범(44)이 휴대한 제2 리피터 디바이스는 수신 신호의 데이터를 변조하고, 상기 데이터를 재현된 LF 신호로서 포브(14)에 전송한다. 제2 절도범(44)으로부터의 재현된 LF 신호는 근처 포브(14)에 의해 수신된다. 수신된 LF 신호의 데이터가 포브(14)에 저장된 인증 데이터와 일치하면, 응답 신호가 포브(14)에 의해 전송된다. 두번째 절도범(44)이 휴대한 제2 리피터 디바이스는 포브(14)에 의해 전송된 응답 신호를 수신한다. 응답 신호는 복조되고 재현된 응답 신호로서 첫번째 절도범(42)에게 재전송된다. 첫번째 절도범(42)이 휴대한 리피터 디바이스는 신호를 수신하고, 차량(12)에 액세스하기 위해 차량(12)의 컨트롤러(32)에 재현된 응답 신호를 송출한다.
두번째 절도범(44)에 의해 포브(14)로 송출되는 LF 통신 신호가 포브(14)의 메모리에 저장된 인증 데이터와 일치하지 않으면, 포브(14)는 비응답 상태로 남아 있고, 릴레이 어택이 좌절된다.
이제 도 3a를 참고하면, 예컨대 차량(12)에 대응하는 안테나[22(O), 24(O')]와 키 포브[14(P)]를 포함하는 2개의 안테나 시스템을 예시하는 다이어그램은 이 시스템에서 발생되는 자기장을 예시하는 것으로 도시되어 있다. 아래의 방정식은 시스템 내의 자기장, 거리 및 각도를 규정하는 데 사용된다:
좌표계:
1. 원점이 O인 XYZ
2. 원점이 O'인 X'Y'Z'
3. 원점이 P인 UVW
코일 안테나 O는 P w.r.t. UVWP 프레임에서
Figure pct00001
를 생성함
코일 안테나 O'은 P w.r.t. UVWP 프레임에서
Figure pct00002
를 생성함
안테나 O 및 안테나 O'으로부터의 H 자기장은 선형 관련됨
R = O에서부터 O'까지의 거리
안테나 O에 의해 포인트 P에서,
Figure pct00003
[수학식 1]
안테나 O'에 의해 포인트 P에서,
Figure pct00004
[수학식 2]
공간 내의 임의의 2개의 벡터에 있어서:
Figure pct00005
[수학식 3]
Figure pct00006
[수학식 4]
Figure pct00007
[수학식 5]
Figure pct00008
[수학식 6]
2개의 안테나 사이의 각도는, 릴레이 어택이 발생했는지의 여부를 결정하기 위해 포브에 의해 사용될 수 있다.
이제 도 3b를 참고하면, 차량(12)에 대응하는 안테나[22(A0), 24(A1), 25(A2)]와 대응하는 키 포브(14)를 포함하는 3개의 안테나 시스템의 등각도를 예시하는 다이어그램이 시스템 내의 안테나에 의해 생성되는 자기장을 예시하는 것으로 도시되어 있다. 아래에서 설명하는 바와 같이, 일정한 데이터(mO, ml , m2, R0, Rl , R2, k, 1, n), 포브와 안테나 사이의 상대 거리 및 안테나 시스템에 비교하여 포브의 위치에 대응하는 각도 데이터가 안테나들 사이의 통신의 자기 무결성을 계산하고, 이에 따라 신호가 인증 포브(14) 또는 다른 트랜스미터로부터 전송되었는지의 여부를 결정하는 데 사용될 수 있다. 아래의 방정식은 도 3에도 또한 도시한 바와 같은 안테나와 포브 사이의 자기 강도 벡터, 거리 및 각도를 규정하는 데 사용된다:
코일 안테나 A0는
Figure pct00009
를 생성함
코일 안테나 A1은
Figure pct00010
를 생성함
코일 안테나 A2는
Figure pct00011
를 생성함
R0 = A1에서부터 A2까지의 거리
R1 = A0에서부터 A2까지의 거리
R2 = A0에서부터 A1까지의 거리
rO = F에서부터 A0까지의 거리
rl = F에서부터 Al까지의 거리
r2 = F에서부터 A2까지의 거리
φ0 = rO와 안테나 A0 사이의 각도
φ1 = r0와 안테나 Al 사이의 각도
φ2 = r0와 안테나 A2 사이의 각도
ΔFA0A2에서, ∠FA0A2 = α0, ∠FA2A0 = α1으로 함
ΔFA1A2에서, ∠FA2A1 = α2, ∠FA1A2 = α3으로 함
ΔFA0A1에서, ∠FA1A0 = α4, ∠FA0A1 = α5로 함
ΔA0A1A2에서, ∠A1A0A2 = A, ∠A0A2A1 = B로 하고, ∠A0A1A2 = C로 함
Figure pct00012
[수학식 7]
Figure pct00013
[수학식 8]
Figure pct00014
[수학식 9]
Figure pct00015
[수학식 10]
Figure pct00016
[수학식 11]
Figure pct00017
[수학식 12]
Figure pct00018
[수학식 13]
Figure pct00019
[수학식 14]
Figure pct00020
[수학식 15]
Figure pct00021
[수학식 16]
Figure pct00022
[수학식 17]
Figure pct00023
[수학식 18]
mO, ml, m2는 구동 전류이고, R0, Rl, R2는 안테나들 사이의 거리이며, k, 1, n은 현 좌표계에서의 안테나들 사이의 각도이다.
상기 상수 및 방정식을 사용하여, 코일 안테나(22, 24, 25)로부터의 자기 벡터가 계산될 수 있다:
Figure pct00024
. 이 데이터는 안테나에 대한 배향(롤, 피치, 요)을 계산하기 위해 포브(14)에서 3D 코일 안테나(38)에 의해 수집되는 데이터와 조합될 수 있다. 상수(mO, ml, m2, R0, Rl, R2, k, 1, n)들 중 임의의 것이 소실되거나 부정확한 경우,
Figure pct00025
를 식별하는 방정식이 정확하게 풀릴 수 없다. 이들 조건 하에서, 자기장은 디바이스의 메모리에 저장된 미리 설정된 조건과 일치하지 않고, 자기 무결성은 존재하지 않는다. 이에 따라, 자기 무결성 계산은, 안테나들 사이의 통신이 차량에 대응하는 포브(14)에 의한 것인지의 여부 또는 릴레이 스테이션 어택(Relay Sation Attack; RSA)이 발생했는지의 여부를 평가하는 데 사용될 수 있다.
이제 도 4 및 도 5를 참고하면, 본 발명의 다른 양태에서 안테나(22, 24, 25)에 인가되는 구동 전류가, 절도범에 의해 작동되는 릴레이와 대조적으로 차량(12)을 구별하도록 변경될 수 있다. 안테나(22, 24, 25)로서 사용될 수 있는 2개의 안테나 구성(64, 66)이 도시되어 있다. 우선 도 4를 참고하면, 안테나(64)는 제1 유전율(μ1)의 중앙 부분(54), 제2 유전율(μ2)의 연결 섹션(56, 58)에 의해 중앙 부분(54)으로부터 분리된 좌우 선형 요소(50, 52)를 포함한다. 단부 섹션(60, 62)은 유전율 μ2를 갖는 재료로 구성된다. 이제 도 5를 참고하면, 안테나(66)는 구성에 있어서 유사하다. 여기에서, 좌우 선형 요소(50, 52)는 서로에 대해 각을 이루고, 여기에서는 약 90도의 각도로 도시되어 있다. 다른 각도도 또한 가능하다.
이제 도 1, 도 4, 도 5, 도 6 및 도 10을 참고하면, 차량(12), 대응하는 키 포브(14)(도 1 및 도 6) 및 RSA를 방지하기 위한 프로세스(70)가 도시되어 있다. 프로세스(70)는 차량 디바이스의 활성화(예컨대, 도어 핸들 리프팅)에 대한 요구가 개시될 때에 시작된다. 요구 접수 시, 단계 72에서 전술한 바와 같이 차량(12)에 있는 안테나(22)가 키 포브(14)에 있는 안테나(38)에 신호를 전송하여 키 포브(14)를 활성화시킨다. 단계 74에서, 키 포브(14)에 있는 컨트롤러(32)는, 안테나(22, 24)에 의해 생성되는 자기 강도 벡터에 대응하는, 키 포브(14) 내의 3D 코일에 의해 생성되는 벡터(V1, V2) 사이의 각도(β0) 를 계산한다. 컨트롤러(32)는 이 각도를 저장된 데이터와 비교하여, 안테나가 예상 위치에 있는지의 여부를 결정한다.
추가의 보안 단계에서, 단계 78에서는 차량(12)이 암호화 신호를 키 포브(14)로 전송하여, 안테나 요소(50, 52)에서의 구동 전류(L1/L2)의 변화를 식별한다. 단계 80에서, 안테나(22) 상의 구동 전류의 변화는 안테나(22)에서의 자기장에 변화를 유발하는데, 이것은 포브(14)에서의 벡터(V1')에 대한 상응하는 변화를 유발한다. 단계 82에서, 키 포브(14)에 있는 컨트롤러(32)는 벡터(V1', V2)들 사이의 각도(β0')을 계산한다. 그 후, 컨트롤러(32)는 β0와 β0'를 비교한다. β0 = β0'이면, 포브(14)로 신호를 보내는 전송 소스로부터 나온 구동 전류의 변화는 없고, RSA가 발생했을 가능성이 있다. 이들 환경 하에서, 도어 잠금, 시동 및 다른 피쳐는 기능 정지될 수도 있고, 잠금 상태로 유지될 수도 있어, 차량에 대한 액세스를 방지한다(단계 86). 대안으로서, β0 ≠ β0'이면, 차량에 액세스하기 위한 키 포브(14)로부터의 요구가 승인되고, 액세스가 허용된다. 차량에서의 기능에 액세스하기 위한 승인을 보장하기 위해, β0'의 예상값의 수학적 검증도 또한 계산될 수 있다.
이제 도 7 및 도 11을 참고하면, 차량(12), 키 포브(14) 및 RSA가 발생하였는지 여부를 평가하기 위한, 대응하는 프로세스(90)의 변형예가 도시되어 있다. 여기에서, 프로세스(90)는 도 3을 참고하여 전술한 자기 무결성 계산에 의존한다. 단계 92에서, 포브(14)는 전술한 바와 같이 활성화된다. 단계 94에서, 포브(14)에 있는 컨트롤러(32)는 포브(14)와 차량(12) 상의 안테나(22, 24, 25)에 의해 생성된 자기 강도 벡터(H)에 기초하여, 전술한 자기 무결성 계산을 수행한다. 단계 96에서, 컨트롤러(32)는 전술한 바와 같이 자기 벡터 방정식을 풀 수 있는지의 여부를 결정한다. 자기 무결성이 존재하면(단계 96), 컨트롤러(32)는 차량 기능에 대한 액세스를 허용할 수 있다. 이제 도 8을 참고하면, 추가의 보안 단계로서 도 10을 참고하여 전술한 바와 같이 안테나(22)에서의 구동 전류도 또한 조정될 수 있기 때문에, 전술한 바와 같이 비교를 위한 벡터(V1')를 생성할 수 있다. 차량 기능에 대한 액세스는 단지 자기 무결성이 입증되고 각도 조정이 입증될 때에만 허용될 수 있다. 대안으로서, 단계 96에서 자기 무결성이 확인되지 않으면, RSA가 발생했을 가능성이 크고, 도어와 다른 기능이 기능 정지되거나 잠길 수 있다(단계 100).
이제 도 9를 참고하면, 차량(12)의 변형예가 도시되어 있다. 여기에서, 안테나(25)는 후방 조수석측 도어에 인접하게 위치 설정된다. 키 포브(14)에서의 계산은 안테나(22, 24, 25)의 위치를 기초로 하여 이루어진다. 이러한 계산은 시스템에 있는 안테나들 사이의 관계의 자기 무결성을 식별하기 위해 단독으로 사용될 수도 있고, 전술한 바와 같이 안테나에서의 구동 전류 조정과 조합될 수도 있다.
이제 도 12를 참고하면, 차량(12)의 다른 대안의 실시예가 도시되어 있다. 여기에서는, 2개의 안테나가 사용되는데, 하나의 안테나(22)는 중앙 콘솔과 같은 차량 내에 또는 차량 상의 중앙 위치에 위치 설정되고, 다른 안테나(24)는 운전자측 도어에 인접하게 위치 설정된다. 이제 도 13을 참고하면, 도 12의 차량에 대한 액세스를 허용할지의 여부를 결정하기 위한 일련의 단계들이 도시되어 있다. 초기에, 단계 110에서는 포브(14)가 안테나(22 또는 24) 중 하나로부터 활성화된다. 단계 112에서, 포브(14)에 있는 컨트롤러(32)는 벡터(V1, V2)로 나타내는, 안테나(22, 24)로부터 전송되는 신호로부터 자기장 강도를 평가하고, 벡터들 사이의 초기 각도(β0)를 계산한다. 차량(12)과 포브(14) 사이의 통신의 활성화 시퀀스의 부분으로서, 난수(R0/R1)는 암호화되고 포브(14)로 보내지며, 이 난수는 데이터를 해독하는 저장된 키를 포함한다(단계 114). 구동 전류(R0)는 안테나(22, 24)들로 동시에 인가되어 제1 합성 벡터(V3)를 형성한다(단계 116). 그 후, 컨트롤러(32)는 벡터(V1, V3)들 사이의 제1 검증 각도(β1)를 계산한다(단계 118). 후속하여, 제2 구동 전류(R1)(IA1/IA2)가 안테나(22, 24)들로 동시에 인가되어, 합성 벡터(V3')를 형성한다. 그 후, 컨트롤러(32)는 벡터(V1, V3')들 사이의 제2 검증 각도(β2)를 계산한다(단계 122).
RSA가 발생했는지의 여부를 결정하기 위해, 이어서 컨트롤러(32)는 아래의 계산들 중 하나를 수행한다:
Figure pct00026
[수학식 19]
또는
Figure pct00027
[수학식 20]
상기 식에서, k는 포브(14)나 차량(12)의 메모리에 저장될 수 있는 상수이다. (단계 124) 상기 방정식이 만족되면, 차량 액세스에 대한 요구가 유효한 것으로 결정되고, 도어를 개방하거나 시동을 시작하는 것과 같은 기능을 수행하기 위한 액세스가 허락된다. 방정식이 만족되지 않으면(단계 126), 릴레이 스테이션 어택이 발생하였고, 차량이 기능 정지된다. 도어 및 시동에 대한 액세스가 이에 따라 방지된다.
시스템은 포브(14)에 있는 컨트롤러(32)에 의해 계산이 수행되는 것으로 설명되지만, 계산은 차량(12)에 있는 컨트롤러(16)에 의해 수행될 수도 있다. 상수 R0/R1과 k는 차량(12)이나 포브(14)에 있는 메모리에 저장될 수 있다. 이러한 검증은 또한 전술한 다른 검증 절차와 함께 사용될 수도 있다.
특정 실시예를 전술하였지만, 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 이루어질 수 있다는 점이 당업자에게 명백할 것이다. 예컨대, 자기 무결성의 계산은 키 포브(14)에 있는 컨트롤러(32), 차량(12)에 있는 컨트롤러(16) 또는 이들 양자의 컨트롤러에 의해 이루어질 수 있다. 차량(12) 및 포브(14)와 관련된 안테나의 개수는 변할 수 있고, 이에 따라 자기 무결성 방정식이 조정될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 프로세스(90)를 참고로 하여 전술한 바와 같은 안테나에서의 구동 전류를 조정하는 단계는 자기 무결성 계산 이전에 수행될 수 있다. 특정 실시예를 전술하였지만, 릴레이 어택이 발행하지 않은 것을 보장하는 다양한 레벨을 제공하기 위해 2개 또는 3개의 상이한 안테나들 사이의 각도를 측정하는 단계, 안테나들에 대한 키 포브의 위치를 결정하는 단계 및 안테나에서의 전류를 조정하는 단계를 포함하는 다양한 알고리즘이 전술한 바와 같이 다양한 순서로 구현될 수 있다는 점이 명백할 것이다. 추가로, 차량 및 키 포브 시스템에 의해 사용되는 릴레이 어택 방지 방법은 차량을 훔치고자 하는 시도를 더욱 저지하기 위해 간헐적으로 변경될 수 있다. 여기에서는, 포브를 키 포브로 설명하지만, 전술한 바와 같이 프로세서 무선 통신 디바이스를 포함하는 다양한 타입의 전자 장비가 본 출원에서 사용될 수 있다. 예컨대, 키 포브를 참고로 하여 설명한 기능들은 셀룰러 폰, 스마트 폰, 태블릿, 랩탑 및 다른 타입의 디바이스와 같은 개인용 통신 디바이스에 마련될 수 있다.
따라서, 전술한 방법 및 장치는 단지 예시적인 것이며, 본 발명의 범위를 제한하지 않고, 본 발명의 범위 내에 속하는 다양한 수정이 당업자에 의해 이루어질 수 있다. 본 발명의 범위를 공개하기 위해, 아래의 청구범위가 작성된다.

Claims (9)

  1. 자동차용 패시브 엔트리 시스템(passive entry system)으로서,
    포브(fob)가 저전력 소비 모드인 경우에 파워업(power-up)하게 하도록 웨이크업 신호(wake-up signal)를 송출하고, 차량에 커플링되는 복수 개의 안테나를 통해 신호를 전송하도록 구성된 제어 유닛; 및
    웨이크업 신호를 인식하고, 웨이크업 신호 인식에 응답하여 제어 유닛을 위한 응답 신호를 생성하도록 구성되는 포브(fob)
    를 포함하고, 포브는
    차량에 커플링된 복수 개의 안테나 각각으로부터 전송되는 신호를 수신하도록,
    메모리로부터 상수값을 검색하도록,
    복수 개의 안테나 각각의 상대 위치를 규정하는 자기 무결성(magnetic integrity)을 계산하도록, 그리고
    자기 무결성이 확인될 때에 차량에 대한 액세스를 선택적으로 허용하도록
    프로그래밍되는 포브 컨트롤러를 포함하는 것인 자동차용 패시브 엔트리 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 포브 컨트롤러는 안테나들 중 적어도 2개에 대응하는 신호에 상응하는 벡터들 사이의 각도를 계산하도록 프로그래밍되는 것인 자동차용 패시브 엔트리 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 제어 유닛은 복수 개의 안테나 중 적어도 하나에 대한 구동 전류를 변경하도록 더 프로그래밍되고, 포브 컨트롤러는 안테나들 중 적어도 2개에 대응하는 신호에 상응하는 벡터들 사이의 제2 각도를 계산하도록 프로그래밍되는 것인 자동차용 패시브 엔트리 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 포브 컨트롤러는 상기 각도와 제2 각도를 비교하도록 더 프로그래밍되는 것인 자동차용 패시브 엔트리 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어 유닛은, 상기 각도가 제2 각도와 동일할 때에 차량 잠금 및 차량 시동 중 적어도 하나를 기능 정지(immobilizing)하는 것인 자동차용 패시브 엔트리 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제어 유닛은, 상기 각도가 제2 각도와 동일할 때에 차량 잠금 및 차량 시동 중 적어도 하나에 대한 액세스를 가능하게 하는 것인 자동차용 패시브 엔트리 시스템.
  7. 자동차용 패시브 엔트리 시스템으로서,
    포브가 저전력 소비 모드에 있는 경우에 포브가 파워업하게 하도록 웨이크업 신호를 송출하고, 차량에 커플링된 복수 개의 안테나에 구동 전류를 인가하며, 복수 개의 안테나를 통해 신호를 전송하도록 구성된 제어 유닛; 및
    웨이크업 신호를 인식하고, 웨이크업 신호 인식에 응답하여 제어 유닛을 위한 응답 신호를 생성하는 포브
    를 포함하고, 포브는
    차량에 커플링된 복수 개의 안테나 각각으로부터 전송되는 신호를 수신하도록,
    안테나들 중 적어도 2개에 의해 전송되는 신호들 사이의 제1 각도를 계산하도록,
    안테나에 인가되는 구동 전류에서의 변화를 나타내는, 제어 유닛으로부터의 암호화 신호를 수신하도록,
    안테나들 중 적어도 2개의 의해 전송되는 신호들 사이의 제2 각도를 계산하도록,
    제1 각도를 제2 각도와 비교하도록, 그리고
    제1 각도가 제2 각도와 실질적으로 동일한 경우, 차량 기능에 대한 액세스를 거부하도록
    프로그래밍되는 포브 컨트롤러를 포함하는 것인 자동차용 패시브 엔트리 시스템.
  8. 자동차용 패시브 엔트리 시스템으로서,
    포브가 저전력 소비 모드인 경우에 포브가 파워업하게 하도록 웨이크업 신호를 송출하고, 차량에 커플링된 제1 및 제2 안테나를 통해 신호를 전송하도록 구성된 제어 유닛; 및
    웨이크업 신호를 인식하고, 웨이크업 신호 인식에 응답하여 제어 유닛을 위한 응답 신호를 생성하도록 구성된 포브
    를 포함하고, 포브는
    차량에 커플링된 제1 및 제2 안테나 각각으로부터 전송된 신호를 수신하도록,
    메모리로부터 저장된 일정한 검증값 - 포브 검증을 위해 제1 및 제2 안테나에 인가되는 구동 전류들의 비를 규정함 - 을 검색하도록,
    제1 안테나의 출력을 나타내는 벡터와, 제2 안테나의 출력을 나타내는 벡터 사이의 초기 각도를 계산하도록,
    메모리로부터 검색된 제1 안테나의 구동 전류에 대한 미리 정해진 구동 전류비로 제2 안테나를 동시에 구동하도록,
    미리 정해진 구동 전류가 인가된 후에 안테나의 출력을 기초로 합성 벡터를 계산하도록,
    메모리로부터 검색된 제1 안테나의 구동 전류에 대한 제2의 미리 정해진 구동 전류비로 제2 안테나를 동시에 구동하도록,
    미리 정해진 구동 전류가 인가된 후에 안테나의 출력을 기초로 제2 합성 벡터를 계산하도록,
    제1 안테나의 출력을 나타내는 벡터와 제1 합성 벡터의 출력 사이의 제1 검증 각도와, 제1 안테나의 출력을 나타내는 벡터와 제2 합성 벡터 사이의 제2 검증 각도를 계산하도록,
    초기 각도의 코사인과 제1 검증 각도의 코사인 간의 차이 및 초기 각도의 코사인과 제2 검증 각도의 코사인 간의 차이로서 검증비를 계산하도록,
    검증비를 미리 정해진 저장된 상수와 비교하도록, 그리고
    계산된 비가 검증비와 실질적으로 동일한 경우에 차량에 대한 액세스를 허용하도록
    프로그래밍되는 포브 컨트롤러를 포함하는 것인 자동차용 패시브 엔트리 시스템.
  9. 패시브 엔트리 시스템으로서,
    포브가 저전력 소비 모드인 경우에 포브가 파워업하게 하도록 웨이크업 신호를 송출하고, 차량에 커플링되는 복수 개의 안테나를 통해 신호를 전송하도록 구성된 제어 유닛; 및
    웨이크업 신호를 인식하고, 웨이크업 신호 인식에 응답하여 제어 유닛을 위한 응답 신호를 생성하도록 구성되는 포브
    를 포함하고, 포브는
    차량에 커플링되는 복수 개의 안테나 각각으로부터 전송되는 신호를 수신하도록,
    복수 개의 안테나 중 적어도 2개에 의해 생성되는 벡터들 사이의 각도를 계산하도록,
    복수 개의 안테나 중 하나에 대응하는 벡터와, 안테나들 중 적어도 하나에 대한 구동 전류의 변화에 기인하는 합성 벡터 사이의 제2 각도를 계산하도록,
    복수 개의 안테나 중 하나에 대응하는 벡터와, 안테나들 중 적어도 하나에 대한 구동 전류의 제2 변화에 기인하는 합성 벡터 사이의 제3 각도를 계산하도록,
    복수 개의 안테나 각각의 상대 위치를 규정하는 자기 무결성을 계산하도록, 그리고
    자기 무결성이 확인될 때에 차량에 대한 액세스를 선택적으로 허용하도록
    프로그래밍되는 포브 컨트롤러를 포함하는 것인 패시브 엔트리 시스템.
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