专利名称：用于测量距离的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在测量距离时使用的方法和装置。
测量其与其他设备的接近度或其绝对位置的无线设备已经变得越来越普遍。它们被越来越多地用在安全是一大问题的应用中。一个例子是孩子定位设备，其能够让父母明了自己孩子的下落。第二个例子是车用无源无钥进入系统，其中在口袋里具有钥匙链的车主接近就足以起动汽车来打开车门了。第三个例子是无线标签，其可以附到物体上以监控该物体的下落并检测未经许可的动作。在这些例子中，所述系统必须坚固以抵御在第一个例子下来自儿童拐卖者，或实际上来自不想被跟踪的有计谋的孩子的攻击以及在其他例子情况下来自盗贼者的攻击。
一种可以用于在局部范围内检测接近度的技术在1998年9月，IEESpectrum，J.Werb和C.Lanzl.的“Designing a positioning system forfinding things and people indoors”中有所说明。在该文章中Werb等描述了一种其中从主单元发送信号到被跟踪人所携带的标签上的系统。所述标签接收信号并在没有对其进行处理的情况下简单地以不同的频率转发该信号。主单元测量返回信号的到达时间，将其与发送信号到标签的时间进行比较并计算距标签的范围。
这种已知的技术容易受到第三方或在接近度测量时所涉及的想要谎报其下落的一方的攻击。这种攻击可能包括插入附加的延迟，以便测量到人为的较长的到达时间，结果标签看起来似乎比其实际离主单元要远。添加这种延迟可能是一个相当简单的过程例如，在一个具有拧入式天线的系统中，可以在天线与设备之间拧入附加的延迟元件例如现成的微波滤波器。所述标签本身将产生一定的延迟，因为其不能即时转发信号。这种固有的延迟可能会在制造时在工厂里得到校准。
其它的已知技术使用从标签产生和发送的信号，而不是使用标签作为转发器，尽管从标签传输可以通过接收从主单元发送的信号进行初始化。这种系统通过插入附加的延迟也容易受到攻击。
攻击还会导致标签看起来似乎比其实际更接近主单元。这是因为，为了许可简单的检测电路，用于进行距离测量的信号典型地包括重复码序列。因此在到达时间等于多个码的持续时间时存在不确定性，从而在测量的距离上不确定。这样的话，例如，具有10μs的持续时间的码序列导致在到达时间等于n×10μs时不确定，其中n为包含0的整数。因而，在n×3km的测量范围内存在不确定性，这样主单元就不能在比方说10m和3010m的标签之间进行区分。因此在3010距离的标签就看起来似乎是离主单元10km。当然在3010km距离范围内接收的信号与在10m范围内接收的信号相比将会被削弱，但是攻击者通过增强信号电平可以很容易补偿这种削弱。
通过插入附加延迟进行攻击由
图1中的时序图进行说明。图1a)示出了在时间t0从主单元发送信号。该信号为包含重复扩展码10的直接序列展频(DSSS)信号，其以二进制码‘10011’开始并且具有持续时间tp。图1b)示出了在时间t1在主单元接收回的已通过标签接收并发送的信号。在主单元所测量的真正的往返延迟t1-t0包括到达标签和又返回的真正飞行时间，以及标签中固有的延迟。图1c)示出了信号20，其为系统受到攻击时在时间t2接收到的信号。攻击者插入额外的延迟δ＝t2-t1，从而整个往返时间超过了一个码周期tp。主单元无法告知在时间t2接收到的信号20与在t2-tp接收到的假想信号30之间的差异，并且测得往返延迟为Δ＝t2-tp-t0，其比真正的往返延迟要短很多。因而标签看起来似乎比其实际更加接近主单元。攻击者通过适当选择附加的延迟δ可以使视距采用任何期望的值。
通过插入附加延迟进行攻击可以通过窜改标签来实现，或者可以实现作为中继(relay)攻击。在中继攻击中，攻击者使用一中间设备中转从标签到主单元的信号，同时如果需要还中转从主单元到标签的信号。通过在所述中间设备插入适当的延迟到所述信号中，远处的标签可以看起来接近主单元。这种中继攻击已经被偷车贼使用，以当携带无源钥匙链的车主远离他的汽车时欺诈汽车安全系统以打开车门。
如果在信号传输期间使用长码并且不重复则可以避免不确定的问题，但是这种长码会导致接收器相当复杂。
本发明的一个目的是提高距离测量的坚固性以抵御攻击。
根据本发明的第一个方面，提供了一种确定第一设备与第二设备之间的距离的方法，包括在第一设备发送包含同时存在的第一和第二分量的信号，其中第一分量包括重复的第一编码，第二分量包括重复的第二编码，并且第一和第二编码具有不同的持续时间，以及在第二设备接收所述信号；检测第一和第二编码；从所检测的第一和第二编码中确定各自的第一和第二距离指示；比较该第一和第二距离指示；并且响应第一和第二距离指示在一预定容许量内相等而产生第三距离指示。
根据本发明的第二个方面，提供了一种用于确定距离的系统，包括具有用于发送包含同时存在的第一和第二分量的信号的装置的第一设备，其中第一分量包括重复的第一编码，第二分量包括重复的第二编码，并且第一和第二编码具有不同的持续时间，以及第二设备，具有用于接收信号的装置，用于检测第一和第二编码的装置，用于从所检测的第一和第二编码中确定各自的第一和第二距离指示的装置，用于比较该第一和第二距离指示的装置，以及用于响应第一和第二距离指示在一预定容许量内相等而产生第三距离指示的装置。
根据本发明的第三个方面，提供了一种用于确定距离的设备，包括用于接收包含同时存在的第一和第二分量的信号的装置，其中第一分量包括重复的第一编码，第二分量包括重复的第二编码，并且第一和第二编码具有不同的持续时间；用于检测第一和第二编码的装置，用于从所检测的第一和第二编码中确定各自的信号传播距离的第一和第二指示的装置，用于比较该第一和第二传播距离指示的装置，以及用于响应第一和第二传播距离指示在一预定容许量内相等而产生第三传播距离指示的装置。
根据本发明的第四个方面，提供了一种适合在用于测量距离的系统中使用的设备，包括用于产生和发送包含同时存在的第一和第二分量的信号的装置，其中第一分量包括重复的第一编码，第二分量包括重复的第二编码，并且第一和第二编码具有不同的持续时间。
通过使用包含同时存在的具有不同持续时间的编码的信号，对于攻击者来说要检测该信号变得更加困难。因而该系统抵御攻击更为坚固。
通过使用包含同时存在的具有不同持续时间的编码的信号，使用每个编码执行单独的距离测量，并且需要每个测量结果产生相同或相似的结果，对于攻击者来说要实现附加的延迟来欺诈系统变得更为困难。因而系统的坚固性进一步提高。
一般而言，当使用包含同时存在的具有不同持续时间的重复码时，将由攻击者产生以成功欺诈系统的附加延迟为组成码的持续时间的公倍数。通过选择所述码的持续时间以使最小公倍数(LCM)持续时间等于飞行时间，以及因此可以很容易被低估为错误的距离，系统抵御攻击甚至可以更加坚固。例如，相隔较短的时间间隔进行连续测量而普遍指示不同的距离，会指示不可能的运动速度，从而表示系统已遭受到攻击。
更可取的是，第一和第二编码各自的持续时间与具有相对素数关系的各个数字成比例。这种关系导致较长的最小公倍数(LCM)持续时间，从而提高抵御攻击的坚固性。
可选的是，由第一设备发送的信号可以是由第一设备接收的通过第二设备初始发送的信号的转发。
下面仅仅为了举例说明将参照附图对本发明进行描述，其中图1是表示通过插入附加延迟进行攻击的计时图，图2是用于测量距离的系统的示意框图，图3是用于确定距离的设备的示意框图，图4是用在测量距离的系统中的设备的示意框图，图5是用在测量距离的系统中的设备的一个可选择的实施例的示意框图，图6是用在测量距离的系统中的设备的另一个可选择的实施例的示意框图。
参照图2，示出了一种用于测量距离的系统，包括第一设备100和第二设备200。第一设备100例如可以是附加到包裹上的标签，第二设备200可以是用于跟踪包裹的主单元。作为另一个示例，第一设备100可以是一个钥匙链，第二设备200可以是一个车用安全单元。在操作时从第二设备200发送信号，由第一设备100接收并以不同的频率转发回第二设备200，其中信号被接收并处理以确定第一设备100与第二设备200之间的距离。
参照图3，示出了第二设备200的示意框图。具有第一编码发生器210，包括用于产生第一编码的第一线性反馈移位寄存器，以及第二编码发生器215，包括用于产生第二编码的第二线性反馈移位寄存器。第一和第二编码包括不同的码片(chip)数量，分别由N1和N2表示，但是具有共同的码片率(chip rate)，这会导致第一和第二编码具有不同的持续时间。可选择的是，第一和第二编码可以包括共同数量的码片但是码片率不同，分别由C1和C2表示，这也会导致第一和第二编码具有不同的持续时间。
在操作时，第一编码生成器210产生包括相同重复的第一编码的第一信号分量，第二编码生成器215同时产生包括相同重复的第二编码的第二信号分量。第一和第二编码生成器210、215连接到用于控制第一和第二编码的产生时间和产生率的时钟218。
来自第一和第二编码发生器210、215的输出连接到用于使第一和第二信号分量相加的加法装置220的各个输入，并且来自加法装置220的输出连接到用于发送信号的发送器230的输入，该信号包括用第一和第二信号分量调制的载波。发送器230的输出通过循环器240连接到天线250。
天线250通过循环器240连接到接收器260的输入，接收器260用于在信号已被第一设备100接收并转发之后接收所发送的信号。接收器260的输出连接到用于检测第一编码的第一编码检测器270的输入，并连接到用于检测第二编码的第二编码检测器275的输入。第一和第二编码检测器270、275适于使接收的信号与存储的各个第一和第二编码的参考副本关联，并适于测量所检测的第一和第二编码中的每个编码的飞行时间。第一和第二编码检测器270、275连接到时钟218，时钟218为它们提供时间控制标记以能够确定飞行时间。
第一和第二编码检测器270、275中每一个的输出连接到比较装置280，比较装置280用于比较由第一和第二编码检测器270、275测量的各自的飞行时间。如果两个飞行时间的测量结果在一预定的容许量内相等，则比较装置280将飞行时间转换成距离值并在第一输出端281将所述距离值提供给用于根据特定的应用进行进一步处理的应用处理器290。例如，如果该应用为车用安全系统，则如果所述距离值低于预定的阈值，这表示具有钥匙链的车主接近车辆，则应用处理器290可适于打开车门锁。作为另一个示例，如果该应用为包裹跟踪系统，则如果所述距离值高于预定阈值，这表示携带第一设备100的包裹在没有授权的情况下正在被移动，则应用处理器290可以启动警报。
如果两个飞行时间的测量结果在所述预定容许量内不相等，则比较装置280在第二输出端282发出测量距离的系统处在攻击下的指示给应用处理器290。这种指示被应用处理器290处理的方式取决于具体的应用，并且这种指示例如可以被简单忽略。
参照图4，示出了第一设备100的示意框图。存在一个接收器160，连接以通过循环器140从天线150接收信号。接收器的输出连接到发送器130的输入，发送器130通过循环器140连接到天线150以便以不同的频率转发所接收的信号。
在一个优选实施例中，编码长度N1和N2具有相对素数关系。这种关系可以通过例如在第一编码发生器210中使用线性反馈移位寄存器，该移位寄存器具有M阶，被配置成产生具有长度为N1＝2M-1的最大长度的编码，和在第二编码发生器215中使用线性反馈移位寄存器，该移位寄存器具有M+1阶，被配置成产生具有长度为N1＝2(M+1)-1的最大长度的编码来实现。可选择的是，编码码片率C1和C2可以具有相对素数关系。
在一个可选择的实施例中，代替转发从第二设备200接收的信号的第一设备100，所述信号可以由第一设备100产生并进行发送。这种第一设备100的一个实施例在图5中示出，并且包括以下等同于上述涉及第二设备的表示元件；第一和第二编码发生器310、315(与210、215相同)，时钟318(与218相同)，加法装置320(与230相同)以及天线250(与250相同)。第二设备200相应的实施例如上所述参照图3描述，除了第一和第二编码发生器210、215，加法装置220和发送器230外被省略。可选择的是，使时钟218同步的已知装置包含在第一和第二设备100、200当中。
可选的是，对于信号的第一和第二分量不必使用共同的调制方案。例如，一个分量可以是对形成直接序列展频(DSSS)信号的载波进行频率或相位调制，另一个分量可以是低带宽调制载波，其在DSSS频谱中占据零讯号。
可选的是，该信号可以使用正交调制器产生。参照图6，第一混频器410使由第一编码发生器310产生的第一分量乘以由本地振荡器420产生的同相本地震荡信号，第二混频器430使由第二编码发生器320产生的第二分量乘以正交相位本地震荡信号。所产生的乘积在加法装置320中相加。
虽然已在包含同时存在的第一和第二分量的信号方面对本发明进行了说明，但是并不排除使用多于两个同时存在的分量。
在本说明书和权利要求书中，元件之前的单词“一”或“一个”并不排除存在多个这样的元件。此外，单词“包括”并不排除存在除所列的元件或步骤之外的其他元件或步骤。
从本公开物的阅读中，对于本领域技术人员来说将会很明显的进行其他修改。这种修改可以涉及在距离测量领域以及信号传输领域已经公知的其他特征，并且代替或除了在此已经描述的特征之外也可以使用上述这些特征。
权利要求
1.一种确定第一设备(100)与第二设备(200)之间的距离的方法，包括，在第一设备发送(330)包含同时存在的第一和第二分量的信号，其中第一分量包括重复的第一编码，第二分量包括重复的第二编码，并且第一和第二编码具有不同的持续时间，以及在第二设备接收(260)所述信号；检测(270，275)第一和第二编码；从所检测的第一和第二编码中确定(270，275)各自的第一和第二距离指示；比较(280)该第一和第二距离指示；并且响应第一和第二距离指示在一预定容许量内相等而产生(282)第三距离指示。
2.如权利要求1中所述的方法，其中第一和第二编码各自的持续时间与具有相对素数关系的各个数字成比例。
3.如权利要求1或2中所述的方法，进一步包括从第二设备发送(230)所述信号，以及在第一设备接收(160)从第二设备发送的信号，其中在第一设备的发送包括转发(130)从第二设备接收的信号。
4.如权利要求1、2或3中所述的方法，其中第一和第二距离指示中至少一个是信号的飞行时间的指示。
5.一种用于确定距离的系统，包括第一设备(100)，具有用于发送包含同时存在的第一和第二分量的信号的装置，其中第一分量包括重复的第一编码，第二分量包括重复的第二编码，并且第一和第二编码具有不同的持续时间，以及第二设备(200)，具有用于接收信号的装置(260)，用于检测第一和第二编码的装置(270，275)，用于从所检测的第一和第二编码中确定各自的第一和第二距离指示的装置(270，275)，用于比较该第一和第二距离指示的装置(280)，以及用于响应第一和第二距离指示在一预定容许量内相等而产生第三距离指示的装置(281)。
6.如权利要求5中所述的系统，其中第一和第二编码各自的持续时间与具有相对素数关系的各个数字成比例。
7.如权利要求5或6中所述的系统，所述第二设备进一步包括用于产生和发送信号的装置(210，215，230)，并且所述第一设备进一步包括用于接收由第二设备发送的信号的装置(160)，其中用于发送(130)的装置连接以转发从第二设备接收的信号。
8.如权利要求5、6或7中所述的系统，其中第一和第二距离指示中至少一个是信号的飞行时间的指示。
9.一种用于确定距离的设备，包括用于接收包含同时存在的第一和第二分量的信号的装置(260)，其中第一分量包括重复的第一编码，第二分量包括重复的第二编码，并且第一和第二编码具有不同的持续时间，用于检测第一和第二编码的装置(270，275)，用于从所检测的第一和第二编码中确定各自的信号传播距离的第一和第二指示的装置(270，275)，用于比较该第一和第二传播距离指示的装置(280)，以及用于响应第一和第二传播距离指示在一预定容许量内相等而产生第三传播距离指示的装置(281)。
10.如权利要求9中所述的设备，包括用于产生和发送信号的装置(210，215，220，230)。
11.如权利要求10中所述的设备，其中第一和第二编码各自的持续时间与具有相对素数关系的各个数字成比例。
12.一种适合在用于测量距离的系统中使用的设备，包括用于产生和发送包含同时存在的第一和第二分量的信号的装置(310，315，320，330)，其中第一分量包括重复的第一编码，第二分量包括重复的第二编码，并且第一和第二编码具有不同的持续时间。
13.如权利要求12中所述的设备，其中第一和第二编码各自的持续时间与具有相对素数关系的各个数字成比例。
14.如权利要求12或13所述的设备，其中用于产生和发送包含同时存在的第一和第二分量的信号的装置进一步包括用于使第一分量乘以同相本地震荡信号的装置(410)，用于使第二分量乘以正交相位本地震荡信号的装置(430)，以及用于使所产生的乘积相加的装置(320)。
全文摘要
一种使用无线信号测量距离的设备(200)，所述信号包括两个同时存在的发送分量。这两个分量中每一个都包括各自的重复码，两个编码具有不同的持续时间。在接收到所述信号后，为每个编码单独计算传播距离并进行比较(280)。只有当两个计算结果产生相同的结果时所计算的距离才被认为是有效的。所述两个编码的持续时间最好是与具有相对素数关系的数字成比例。所述信号通过执行距离计算的相同设备(200)产生并发送，该信号通过远程设备(100)被转发回所述设备，或者可以通过该远程设备(100)产生并发送。
文档编号G01S13/82GK1723398SQ200380105646
公开日2006年1月18日 申请日期2003年11月21日 优先权日2002年12月11日
发明者M·S·威尔科克斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司