DE602005004670T2

DE602005004670T2 - Sichere kontaktlose kommunikationsvorrichtung und verfahren

Info

Publication number: DE602005004670T2
Application number: DE602005004670T
Authority: DE
Inventors: Francois Dehmas; Elisabeth Crochon; Francois Vacherand
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2005-09-26
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2025-09-27
Also published as: JP2008515261A; US20070293142A1; FR2875976A1; WO2006035178A1; EP1794918A1; ATE385633T1; EP1794918B1; FR2875976B1; JP4879902B2; DE602005004670D1

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die Erfindung betrifft eine Teletransmissionsvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren, insbesondere für tragbare Objekte (des Typs Karte, Billet bzw. Ticket, Etikett, usw.), die zum Beispiel durch induktive Kopplung mit einer ortsfesten Station (des Typs Kartenleser, Etikettenabtaster, usw.) verbunden sind.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung mit einem Sender und einem Empfänger, zwischen denen eine gesicherte Transmission gewährleistet ist. Sie betrifft insbesondere – aber nicht ausschließlich – den Fall, wo der Sender ein Sender einer Chipkarte ist, und der Empfänger ein Chipkartenlesegerät ist.
Ihre Anwendung betrifft alle Gebiete, wo Daten kontaktlos mittels Kopplung ausgetauscht werden, zum Beispiel gemäß einer nicht einschränkenden Liste zwischen einem tragbaren Objekt und einer ortsfesten Station, und insbesondere das Gebiet der Identifikation von Gegenständen oder Objekten, das Gebiet der Zugangskontrolle, zum Beispiel zu Datendiensten, oder das Gebiet der Mautzahlung mittels Karte.
STAND DER TECHNIK
Das dem vorliegenden Erfinder erteilte Patent FR 2 776 865 offenbart ein Kommunikationssystem zwischen einem Sender einer Karte und einem Empfänger, dargestellt in der 1.
Ein Datenaustauschsystem umfasst einen Empfänger 1, zum Beispiel einen Kartenleser, und einen oder mehrere Sender 10, angebracht auf tragbaren Objekten bzw. Gegenständen. Der Empfänger 1 umfasst einen Frequenzgenerator 2, zum Beispiel einen Oszillator, in Serie geschaltet mit einer Lastimpedanz rA und einem abgestimmten Kreis 6. Der abgestimmte Kreis 6 umfasst in Serie eine kapazitive Impedanz 5 und eine induktive Impedanz 3. Eine Detektionsschaltung 9, die Detektionseinrichtungen umfasst, dargestellt in Form einer Diode 7, zum Beispiel kapazitiv mit Verstärkungs- und Verarbeitungsschaltungen 8 gekoppelt, ist parallelgeschaltet mit dem abgestimmten Kreis 6.
Der Sender 10 des tragbaren Objekts umfasst ein System von elektronischen Schaltungen 11, verbunden mit den Anschlüssen eines Resonanzkreises 19, zum Beispiel in Form einer Kapazität 13, parallelgeschaltet zu einer induktiven Wicklung 12.
Im Betrieb sind der Sender 10 des tragbaren Objekts und die Empfängerschaltung 1 durch ihre jeweilige induktive Last 3 bzw. 12 induktiv miteinander gekoppelt.
Der Sender 10 des tragbaren Objekts wird zum Beispiel von einer Quelle 2 ferngespeist. Dies ist bei den Kartenlesern oft der Fall.
Eine Kopplungsvariante erhält man, wenn man eine Lastimpedanz 18b variiert, die mit dem Resonanzkreis 19 seriengeschaltet oder, wie dargestellt in der 1, parallelgeschaltet ist. Die Veränderungen der Lastimpedanz 18b und folglich der Kopplung werden in dem Empfänger 1 detektiert. So ermöglicht eine Steuerung des Werts der Impedanz der Last 18b, Daten des Senders 10 zum Empfänger 1 zu übertragen.
Eine detailliertere Realisierungsart des Senders 10 des in dem vorerwähnten Patent beschriebenen tragbaren Objekts ist in der 2 dargestellt. Wie in dem Beispiel der 1 umfasst der Sender 10 des tragbaren Objekts ein eine Antenne 12 bildendes induktives Element, zum Beispiel eine leitfähige Wicklung, an deren Anschlüssen eine Kapazität 13 angeschlossen ist, zur Realisierung eines Resonanzkreises 19. Ein Spannungsgleichrichter 15 ist zur Antenne 12 parallelgeschaltete, um die von der Antenne 12 empfangene Wechselspannung in Gleichstrom umzusetzen, mit dem die nicht dargestellten Verarbeitungs- und Speichereinrichtungen 14 durch eine Versorgungsleitung Vdd gespeist werden.
Der Gleichrichter 15 ist eine Graetz-Brücke, verbunden mit den beiden Anschlüssen der Wicklung 12 durch Anschlusspunkte 15a und 15c. Ein Anschlusspunkt 15b des Gleichrichters ist direkt mit einer Ausgangsleitung Vss des Senders 10 des tragbaren Objekts verbunden.
Ein Anschlusspunkt 15d des Gleichrichters 15 ist mit einem Eingang 18c einer Modulatorschaltung 18 verbunden. Der Modulator 18 umfasst einen elektronischen Dipol 18b, parallelgeschaltet zu einem Schalttransistor 18a. Der Schalter 18a und der Dipol 18b sind in der Leitung Vdd parallelgeschaltet, zwischen einem Ausgangspunkt des Gleichrichters 15 und einem Eingangspunkt Ve eines Differentialverstärkers 16b. Die auf das Niveau dieses Eingangs Ve gebrachte Spannung, bezogen auf den Punkt Vss, ist die geregelte Spannung Vdd.
Der elektronische Dipol 18b des Modulators 18 wird so gewählt, dass zwischen den Punkten 18c und 18d des Modulators 18 ein Spannungsabfall herrscht, wenn der Transistor 18a geöffnet ist. Wenn der Transistor 18a geschlossen ist, muss der durch den Modulator eingeführte Spannungsabfall kleiner sein und vorzugsweise vernachlässigbar.
Bei der oben beschriebenen Realisierung ist der elektronische Dipol 18b ein Element mit einer nichtlinearen Strom-Spannungscharakteristik, derart dass die Spannung an seinen Anschlüssen praktisch konstant ist, was ermöglicht, eine Modulationstiefe des Qualitätskoeffizienten des tragbaren Objekts auf einem praktisch konstanten Wert zu halten.
Der elektronische Dipol 18b kann ein Widerstand oder eine Diode oder auch eine ZENER-Diode oder sogar ein Transistor sein, bei dem Gate und Drain verbunden sind. Der elektronische Dipol 18b kann auch aus einer Vielzahl von seriengeschalteten Dioden bestehen. Die Elemente 14–18 bilden zusammen die in der 1 dargestellte elektronische Schaltung 11.
Bekanntlich kann man die Antwort des Senders 10 an den Empfänger 1 digital verschlüsseln mit Hilfe eines Schlüssels, den der Empfänger kennt und der benutzt wird, um die empfangene verschlüsselte Mitteilung zu entschlüsseln.
Das Verschlüsseln der durch den Sender gesendeten Daten erfordert eine bestimmte Anzahl Operationen. Diese Anzahl kann groß sein wie im Falle der Verschlüsselung des Typs RSA (Rivest, Shamir, Adleman). Zudem erfordern einige Verschlüsselungsalgorithmen das Speichern eines Schlüssels, den ein Dritter dank eines Angriffs des Typs DPA (Differential Power Analysis) extrahieren kann.
Das Patent US 5 955 969 beschreibt ein Kommunikationssystem, das einen Signalstörsender umfasst, um eine verfrühte Kommunikation zwischen einem Abfragesender und einem Transponder zu verhindern.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, die ermöglichen, eine Detektion der durch den Sender gesendeten und vom Empfänger empfangenen Mitteilung schwieriger zu machen.
Die Erfindung ermöglicht, auf jegliche Verschlüsselung zu verzichten und im Klartext zu senden. Die Größe und der Preis des Senders werden dadurch reduziert, denn es ist nicht mehr notwendig, Code-Speichereinrichtungen und Verschlüsselungseinrichtungen vorzusehen. Es besteht nicht mehr das Risiko der die Sicherheit einer Kommunikation gefährdenden Detektion eines Codes durch Intrusion.
Zudem, selbst dann, wenn eine Kommunikation aufgezeichnet wird, ist diese Kopie nutzlos, da unverständlich.
Bei einer Kommunikation ohne physischen Kontakt zwischen dem Sender und dem Empfänger kann ein Eindringling die ausgetauschten Signale abfangen. Nach der Erfindung stört der Empfänger die durch den Sender abgestrahlten Signale, so dass nur der Empfänger die empfangenen Signale entschlüsseln kann.
Die Grundidee ist, dass die durch den Sender abgestrahlten Signale durch den Empfänger gestört werden, der dann anschließend das durch den Sender abgestrahlte Signal wieder herstellen kann, indem er Störeffekte, die er selbst erzeugt hat, eliminiert.
Das Schaltbild der 3 veranschaulicht das Grundprinzip. In der 3 sieht man zwischen dem Sender 10 und dem Empfänger 1 einen Kanal C eines von dem Sender 10 gelieferten Signals s und eines von dem Empfänger stammenden Störsignals b. Das Signal s ist ein Datensignal, erzeugt durch eine Modulation eines Parameters einer Trägerfrequenz des Signals s, zum Beispiel die Amplitude, die Frequenz oder die Phase. Das Geräusch b stört das durch den Sender abgestrahlte Signal s. Das Störgeräusch betrifft denselben Parameter, dessen Modulation benutzt wird, um das Nutzsignal s zu übertragen. Der Kanal C existiert als solcher nicht, sondern es handelt sich um den Raum zwischen dem Sender und dem Empfänger. Im Falle eines Kartenlesers handelt es sich um den Bereich oder Raum, der in dem Lesegerät zur Einführung der Karte vorhanden ist, um einen Datenaustausch zwischen der Karte und dem Lesegerät zu ermöglichen. Ein eventueller Spion E würde nur ein Signal s' + b' extrahieren, welches das transformierte Signal bzw. Überlagerungssignal der sich in dem Kanal C ausbreitenden Signale s und b ist. Die Signale s' und b' unterscheiden sich von s und b, da sie Umformungen unterzogen wurden, zum Beispiel einer Tiefpassfilterung durch die Sendeantennen im Falle von HF-Wellen.
Das durch die zu diesem Zweck durch vorgesehene Einrichtungen abgestrahlte Rauschen hat solche Eigenschaften, dass es unmöglich ist, die gesendeten Daten des Signals s nur aufgrund der Kenntnis des Signals s' + b' zu rekonstruieren, das sich zwischen dem Sender und dem Empfänger in dem Kanal C ausbreitet.
Deswegen hat das Rauschsignal b die folgenden Eigenschaften:
Es ist unabhängig von den übertragenen Daten. Es ist also unmöglich, s oder s' nur aufgrund des Signals s' + b' zu rekonstruieren.
Sein Spektralband deckt das des durch den Sender abgestrahlten Signals s ab.
Die Amplitude der spektralen Leistungsdichte des Rauschens ist größer als die des Signals in dem Nutzband des Signals s. Das Nutzband des Signals s ist der zur Übertragung des Signals strikt notwendige Frequenzbereich. Auf diese Weise ist es nicht möglich, das Signal durch einfache Tiefpassfilter vom Rauschen zu trennen. Deshalb ist die Rauschleistung so, dass das Signal in dem Rauschen untergeht, das heißt dass die Amplitude des Rauschens so groß ist, dass man aus ihm das Signal nicht mehr ohne eine entsprechende Fehlerrate extrahieren kann. Deshalb ist das Signal-Rausch-Verhältnis S/B der Leistung PB des Signals s im Verhältnis zu der Leistung Pb des Rauschsignals kleiner als ein vorherbestimmter Pegel. Vorzugsweise ist das Rauschen nicht reproduzierbar, also generell zufällig.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein gesichertes Kommunikationsverfahren zwischen einem Sender und einem Empfänger, bei dem ein Pegelbereich der durch den Sender abgestrahlten Leistung und ein Frequenzband, innerhalb dem die Abstrahlung stattfindet, dem Empfänger bekannt oder durch ihn detektierbar sind, wobei dieses Verfahren umfasst:

– das Senden eines Senderspeisungssignals durch den Empfänger, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger während wenigstens der gesamten Sendedauer ein von den Nutzdaten unabhängiges Rauschsignal sendet, dessen Spektralband das Frequenzband abdeckt, innerhalb dem die Aussendung stattfindet, und das einen solchen Leistungspegel hat, dass das Verhältnis aus Pegel des durch den Sender abgestrahlten Signals zu Pegel des durch den Empfänger abgestrahlten Signals größer ist als ein vorherbestimmter Wert, dass der Empfänger von dem empfangenen Signal das Rauschsignal abzieht, um ein Nutzsignal zu erhalten.

Die Erfindung ist besonders an das Gebiet der kontaktlosen Übertragung angepasst, zum Beispiel in dem Fall, wo der Sender eine Chipkarte ist und der Empfänger ein Chipkartenlesegerät. Das Lesegerät erzeugt ein Kartenspeisungssignal. Die Karte hat eine Unterträger-Sendefrequenz, die dem Lesegerät bekannt ist und die zum Beispiel eine ganzzahlige geteilte oder vielfache Frequenz des abgestimmten Kreises des Lesegeräts ist. Im Allgemeinen wird die Karte in einen Kommunikationsraum bzw. -bereich eingeführt, der in dem Lesegerät zur Aufnahme der Karte vorgesehen ist. Die Einführung der Karte modifiziert die Impedanz der Lesegerätkreise, so dass die Detektion dieser Impedanzmodifikation eine Information darstellt, gemäß der ein Signal gesendet wird.
Vorzugsweise erhält man das durch den Empfänger gesendete Rauschsignal durch eine Zufallsmodulation des Senderspeisungssignals durch den Empfänger, wobei die Modulation auf denselben physikalischen Parameter wie den bei dem gesendeten Signal modulierten wirkt, zum Beispiel die Phase, die Frequenz, die Amplitude.
Wenn das Sendesignal ein digitales Signal mit im Voraus bekannter Bitperiode ist, ist es vorteilhaft, dem modulierten Parameter des Rauschsignals in jeder Bitperiode des gesendeten Signals einen neuen Zufallswert zu geben, und dies synchron zu diesem Signal. Die Zufallsziehung des Werts des gewählten Parameters erfolgt synchron mit der Bitperiode des gesendeten Signals. Da die Modulation ein breites Spektrum hat, ist man sicher, dass das Spektralband des Störgeräusches breiter ist als das Spektralband des Sendesignals, wobei die Leistungsdichte in der Umgebung der Trägerfrequenz des Sendesignals stärker ist.
Vorzugsweise ist der modulierte Parameter eine Zufallsvariable, die einem gaußschen Gesetz oder einem einheitlichen oder Einheits-Nullmittelgesetz (loi uniforme de moyenne nulle) folgt. Auf diese Weise vermeidet man eine Modifikation der elektrischen Leistung, die vom Empfänger zum Sender übertragen wird.
Vorzugsweise wird der Pegel der Rauschleistung in Abhängigkeit von einem Wert bestimmt, der vorher so festgelegt wird, dass das Signal für einen Eindringlich, der ohne Kenntnis des durch den Empfänger abgestrahlten Rauschsignals versucht, das Signal mitzuhören, eine Bitfehlerrate (BER) aufweist, die höher ist als ein vorher festgelegter Wert. Wenn das Sendesignal des Senders wenigstens eine Aussendung eines Bits mit bekanntem Wert zu einem bekannten Zeitpunkt umfasst, benutzt man gemäß einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens die Aussendungszeitpunkte der bekannten Werte, um die Verformungen der Signale im Verlauf von Sendung und Empfang zu ermitteln.
Während der anderen Empfangsperioden berechnet man ein reelles Rauschsignal, indem man die vorhergehend ermittelten Verformungen benutzt. Dieses berechnete Rauschsignal wird dann von dem empfangenen Signal abgezogen.
Die Erfindung betrifft auch ein Chipkartenlesegerät mit Einrichtungen zu Erzeugung eines Speisungssignals eines Senders der Karte, zum Beispiel einen lokalen Oszillator, und mit einem Aufnahmeraum bzw. -bereich für eine Karte, was eine Kopplung zwischen Stromkreisen der Karte und Sende-Empfangseinrichtungen des Lesegeräts ermöglicht, die mit den Einrichtungen zur Erzeugung des Speisungssignals gekoppelt sind, wobei der Empfänger umfasst:
Speisungssignal-Modulationseinrichtungen umfasst, um das Speisungssignal zu modulieren,
einen Zufallssignalgenerator, gekoppelt mit den genannten Speisungssignal-Modulationseinrichtungen,
Verarbeitungseinrichtungen des durch den Empfänger empfangenen Signals, wobei diese Einrichtungen mit dem Zufallsignalgenerator, den Sende-Empfangseinrichtungen und den Modulationseinrichtungen gekoppelt sind,
Subtraktionseinrichtungen, gekoppelt mit den Antenneeinrichtungen und den Modulationseinrichtungen, um von dem in den Sende-Empfangseinrichtungen präsenten Signal das Modulationssignal abzuziehen, und Detektionseinrichtungen, gekoppelt mit den Subtraktionseinrichtungen, um das Nutzsignal zu detektieren.
Bei einer Realisierungsvariante umfassen die in den Verarbeitungseinrichtungen präsenten Signale Schalteinrichtungen, die entsprechend ihrer Stellung ermöglichen, wie oben angegeben, von dem in den Sende-Empfangseinrichtungen präsenten Signal das Modulationssignal abzuziehen, oder von dem in den Sende-Empfangseinrichtungen präsenten Signal ein bekanntes Bild des Nutzsignals abzuziehen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nun werden Realisierungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie Realisierungsvorrichtungen des Verfahrens beschrieben, wobei Bezug genommen wird auf folgende beigefügte Zeichnungen:
die 1, schon beschrieben, die ein Realisierungsbeispiel einer bekannten Sende-Empfangseinrichtung nach dem Stand der Technik ist, bei der die Kommunikationssicherung mittels Verschlüsselung eines gesendeten Datensignals durch den Sender erfolgt;
die 2, schon beschrieben, die ein detaillierteres Realisierungsbeispiel eines Senders nach dem Stand der Technik darstellt, bezogen auf dasjenige der 1;
die 3, schon beschrieben, die Schaltbild darstellt, welches das Prinzip veranschaulicht, auf dem die Erfindung beruht;
die 4, die eine theoretische Kurve darstellt, welche das Verhältnis aus Anzahl der falschen empfangenen Bits zu Anzahl der gesendeten Bits als Funktion des Signal-Rausch-Verhältnisses bzw. Rauschabstands liefert;
die 5, die ein Schaltbild darstellt, das dazu dient, die Transformationen des Sendesignals und des durch den Empfänger gesendeten Rauschens in einem Übertragungskanal zwischen einem Sender und dem genannten Empfänger zu veranschaulichen;
die 6, die ein Schaltbild eines Empfängers in Form von Funktionsblöcken ist, der Modulationseinrichtungen einer für den Sender bestimmten Speisungsfrequenz umfasst, und Einrichtungen zum Trennen des Empfängerrauschens und eines durch den Sender gesendeten Nutzsignals;
die 7a bis 7d, die Diagramme von Signalen darstellen:
7a zeigt das durch einen Sender gesendete Nutzsignal s,
7b zeigt den Strom in der Antenne 3 des Empfängers ohne Störung,
7c zeigt das durch eine Modulationsschaltung des Empfängers erzeugte Geräusch,
7d zeigt einen Strom in einer Antenne des Empfängers in Präsenz des Rauschens und des Nutzsignals.
die 8a bis 8e, die Diagramme der verschiedenen Signale darstellen, die während der Verarbeitung des kombinierten Rausch-/Nutzsignals präsent sind, wobei die 8a das Nutzsignal wie vom Sender gesendet darstellt,
die 8b den in der Antenne des Lesegeräts präsenten Strom darstellt, ohne ein durch den Empfänger gesendetes Rauschen,
die 8c den in der Antenne des Lesegeräts präsenten Strom darstellt, in Präsenz des durch den Empfänger gesendeten Rauschens,
die 8d das in den Verarbeitungseinrichtungen des Antennensignals des Empfängers präsente Signal nach Subtraktion des Rauschens,
die 8e das Differenzsignal zwischen dem in Teil d dargestellten nicht gestörten Signal und dem entstörten Signal, das heißt, dessen Rauschen subtrahiert worden ist, dargestellt in Teil d.
In den Zeichnungen sowohl nach dem Stand der Technik als auch nach der Erfindung tragen Elemente mit gleicher Funktion dieselben Bezugszeichen.
DETAILLIERTE DARSTELLUNG SPEZIELLER REALISIERUNGSARTEN
Ein erstes Realisierungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun für den Fall beschrieben, wo die Modulation des durch den Sender gesendeten Signals eine Phasenmodulation oder Modulation des Typs BPSK (Binary Phase Shift keying) ist.
f_p sei die Trägerfrequenz des durch den Sender gesendeten Signals s.
T sei die Dauer eines Bits (f_p >> 1/T)
und V sei die Amplitude der Trägerfrequenz.
Dann ist die spektrale Leistungsdichte Γ(f) des Signals:
In dieser Formel bezeichnet sinc einen Sinus cardinalis gemäß der Definition
Das durch das Signal benutzte Frequenzband hat eine Breite von 2/T und ist um f_p herum zentriert. Nehmen wir ein Rauschen b(t) der Form:
mit

b_k: = gaußsche Zufallsvariable mit Nullmittel und Einheitsvarianz,
σ: = Justierungskonstante des Rauschpegels,

Dieses Rauschen entspricht dem Hinzufügen eines gaußschen Rauschens zu den Symbolen im Basisband.
Die spektrale Leistungsdispersion Γ(f) dieses Rauschens ist:
Das Rauschen entspricht einer Zufallsfolge von Modulationsamplituden. Dieses Rauschen fügt dem maskierten Signal die Amplitude des gesendeten Signals hinzu.
Man hat also dieselbe spektrale Leistungsdispersion wie bei dem Signal s, außer dass V durch σ ersetzt wird. Das Spektralband des Rauschens ist also dasselbe wie beim Signal.
Man muss noch den minimalen Koeffizienten σ bestimmen, damit die Störung wirksam ist.
Die theoretische Kurve, als solche bekannt, welche das Verhältnis aus Anzahl der falschen empfangenen Bits zu Anzahl der gesendeten Bits (Bitfehlerrate oder BER) als Funktion des Signal-Rausch-Verhältnisses V²/σ² (Verhältnis Signalleistung zu Rauschleistung) liefert, ist in der 4 dargestellt.
Wenn man also eine Fehlerrate über 0,3 anstrebt, muss das Signal-Rausch-Verhältnis kleiner als –5,7 dB sein (Rauschleistung 3,7 mal höher als die Signalleistung).
Wenn also V = 1 Volt ist, muss σ √3,7 ≈ 1,9 Volt sein.
Generell ist es vorzuziehen, wenn der Pegel der Rauschleistung in Abhängigkeit von einem vorher festgelegten Wert bestimmt wird, um bei Unkenntnis des durch den Empfänger gesendeten Rauschsignals eine Bitfehlerrate zu erhalten, die höher ist als ein vorher festgelegter Wert.
Damit das Rauschen nicht durch zwei gleiche bzw. ähnliche Empfänger reproduzierbar ist, beruht es vorzugsweise auf dem Zufallsprinzip.
Die Erzeugung des Rauschens erfolgt mit Hilfe eines Zufallsphänomens, zum Beispiel dem Rauschen in einer Funktion eines Transistors, um die Erzeugung des gleichen Rauschens durch einen Dritten zu verhindern.
Es ist dann klar, dass zwei Empfänger identischer Herstellung nicht dasselbe Rauschsignal erzeugen, da dieses Signal in dem Beispiel ein thermisches Rauschen ist. Dies bedeutet, dass es da an der Quelle der Rauscherzeugung ein von außen abhängiges echtes Zufallsphänomen geben muss.
Damit das Rauschen unvorhersehbar ist und das zukünftige Rauschen nicht nur von dem vorhergehenden Rauschen abhängt, empfiehlt es sich, keine logischen Schaltungen zu verwenden, welche Pseudozufallsphänomene liefern, sondern vielmehr Signale physischen Ursprungs wie das thermische Rauschen eines Transistors. Je nach benutztem Kommunikationsprotokoll kann das durch den Sender gesendete Signal s in bestimmten Momenten bekannt sein bzw. bekannt werden, wenn nämlich das zukünftige Rauschen nur von dem vorhergehenden Rauschen abhängt, kann man während dieser Perioden daraus das Rauschen ableiten und in der Folge die gesamte Rauschkette.
In der Folge wird der Eliminierungsmodus des Geräusches durch den Empfänger beschrieben, der dazu dient, das gesendete Signal s wiederherzustellen.
Zwischen seiner Aussendung durch den Empfänger und seinem Empfang durch die Detektionsschaltungen des Empfängers wurde das Rauschsignal diversen Faltungen unterzogen, verursacht durch die Elektronik und den Übertragungskanal C, wie schematisiert in der 5. Diese Figur zeigt schematisch den Sender 10, den Kanal C und den Empfänger 1. Der Empfänger 1 umfasst einen Sender 22 des Rauschens b und einen Empfänger 23 des Rauschens b' und des Signals s', die jeweils eine Transformierte des Rauschens b durch eine Faltung H₂ in dem Kanal C und eine Transformierte des Signals s durch eine Faltung H₁ in dem Kanal C sind. Aus Gründen der Vereinfachung wurden alle Faltungen des Rauschens in einer einzigen Faltung H₂ in dem Kanal zusammengefasst.
Damit der Empfänger, b kennend, b' eliminieren kann, muss er die Faltung H₂ bewerten. Diese Bewertung kann zum Beispiel während einer Initialisierungsphase der Kommunikation erfolgen.
Da die Kommunikation kontaktlos ist, kann das Filter H₂ sich im Laufe der Kommunikation entwickeln. Es empfiehlt sich also vorzugsweise, die Entwicklung dieses Filters im Laufe der Kommunikation zu verfolgen.
Es wird nun eine spezielle materielle Art der Anwendung der Erfindung mit Bezug auf die 6 beschrieben. Die 6 zeigt ein Schaltbild in Form von Funktionsblöcken eines Sender/Empfänger-Systems wie dargestellt in der 1. Der Empfänger ist zur Realisierung der Erfindung verbessert worden. In Bezug auf die in der 1 dargestellte Schaltung wurde die Detektionsschaltung 7–9 durch einen Modul 33 zur Trennung des Rauschens b' und des Nutzsignals s' ersetzt. Die Schaltung umfasst zudem eine Modulationsschaltung 31 einer für den Sender bestimmten Speisungsfrequenz, die Einrichtungen 33 zur Trennung des Rauschens des Empfängers und eines durch den Sender gesendeten Nutzsignals und einen Zufallssignalgenerator 32. Die Trenneinrichtungen 33 des Empfängerrauschens und des durch den Sender gesendeten Nutzsignals sind einerseits so mit der Modulationsschaltung 31 gekoppelt, dass sie das durch diese Schaltung 31 erzeugte Modulationssignal erhalten, und andererseits mit einem Punkt 34 der Empfängerschaltung, wo das durch einen Sender 10 gesendete und durch magnetische Kopplung durch die Antenne 3 des Empfängers 1 empfangene Signal präsent ist. Das Signal der Antenne 3 ist repräsentativ für eine Kombination der durch den Empfänger 1 empfangenen Signale, der Rauschsignale bzw. des Rauschsignals und des Nutzsignals.
Die Trenneinrichtungen 33 des Empfängerrauschens und des Nutzsignals sind gekoppelt mit dem Zufallssignalgenerator 32. Dank dieser Verbindung wird bei der Einführung einer Karte mit einem Senderkreis in den Empfänger 1 eine Veränderung der Impedanz des abgestimmten Kreises 6 detektiert und zum Zufallssignalgenerator 32 übertragen. Der Zufallssignalgenerator 32 ist mit den Trenneinrichtungen 33 des Empfängerrauschens und des Nutzsignals gekoppelt.
Der Betriebsablauf sieht vor, dass eine Karte mit einem Sender 10 in einen zu diesem Zweck in dem Lesegerät 1 vorhandenen Raum eingeführt wird. Sie bewirkt eine Veränderung der Impedanz des abgestimmten Kreises 6, die durch die Einrichtungen 33 detektiert wird, wobei diese Detektion die Aussendung eines Aktivierungssignals des Zufallsrauschgenerators 32 durch die Einrichtungen 33 verursacht. Das durch den Zufallsrauschgenerator erzeugte Zufallsrauschen empfängt die Modulationsschaltung 31, die damit die durch den Trägerfrequenzgenerator 2 gesendete Trägerfrequenz moduliert. Diese Modulation kann, wie dargestellt in der 6, die Form einer Modulation des Werts eines Widerstands rs annehmen, der die Resonanzschaltung 6 zusätzlich zu der Last rA 4 belastet. Dieser Fall entspricht einer Amplitudenmodulation. In dem Fall, wo das gesendete Signal durch den Sender 10 Phasen- oder frequenzmoduliert wird, wird der Ausgang 34 des Modulators 31 an eine Phasen- bzw. Frequenzmodulationsschaltung gelegt. Solche Phasen- oder Frequenzmodulationsschaltungen sind bekannt. Das Zufallsrauschen reicht aus, das in dem Kanal C präsente Signal-Rausch-Verhältnis auf einen solchen Pegel zu bringen, dass das Nutzsignal in ihm untergeht, wie weiter oben erläutert. Die Einrichtungen 33, welche die Modulation, die repräsentativ ist für das von der Modulationsschaltung 31 stammende Rauschen und das in der Antenne 3 präsente gestörte Nutzsignal s' + b' separat erhalten, trennen zum Beispiel durch Subtraktion das Rauschen vom Nutzsignal und liefern auf einem Ausgang 35 das Nutzsignal s.
In dem dargestellten Beispiel ist der Sender eine kontaktlose ferngespeiste Karte und der Empfänger 1 ist ein HF-Wellen-Lesegerät mit einer Empfangsfrequenz von fc = 13,56 MHz. Der Zweck ist, die Aussendung des Senders 10 der Karte zu stören. Das System aus Sender 10 und Empfänger 1 arbeitet auf eine an sich bekannte Weise entsprechend dem durch die ISO-Norm 14443 für kontaktlose Chipkarten definierten Protokoll.
Diese Norm legt folgendes fest, dass die niedrigste Bitrate f_c/128 (~106 kbit/s) beträgt.
Der Sender 10 der Karte sendet die Information an das Lesegerät 1, zum Beispiel mittels Lastmodulation, wie weiter oben im Verbindung mit dem in der 2 dargestellten Stand der Technik: das Lesegerät 1 sendet ein nichtmoduliertes Signal mit f_c = 13,56 MHz. Dieses Signal wird durch die Antenne 3 erzeugt, die das durch den Frequenzgenerator 2, zum Beispiel einem Oszillator 2 erzeugte Signal erhält. Der Sender 10 der Karte erzeugt einen Unterträger der Frequenz f_s = f_c/16 = 847,5 kHz durch Modulation seiner Last.
Der Unterträger wird phasenmoduliert: ein Bit entspricht 8 Perioden des Unterträgers.
Der Sender 10 der Karte beginnt seine Sendung mit einem Unterträger der Phase Φ_O während einer Dauer TR1. Diese Phase Φ_O entspricht einer "1". Die Phase Φ_O + 180° entspricht einer "0".
Das durch den Generator 32 erzeugte Rauschen ist so, dass es die Detektion der Phase des Unterträgers verhindert. Nehmen wir an, die Modulation der Last 18b der Karte 10 zur Erzeugung des Nutzsignals s führt eine Amplitudenmodulation ein. Diese Modulation wird eingeführt durch eine Veränderung des in den 2 und 6 dargestellten Widerstands 18b. Der Empfänger 1 moduliert erfindungskonform die Amplitude des 13,56 MHz-Trägers durch ein Rechtecksignal der Frequenz f_s = f_c/16 = 847,5 kHz mit Zufallsamplitude (die auch negative Werte annehmen kann). Die Amplitude dieses f_s = f_c/16-Unterträgers erhält man durch Zufallsziehung bei jedem durch den Zufallssignalgenerator 32 gesendeten Bit.
Das erzeugte Rauschen belegt dasselbe Spektralband wie das Nutzsignal. Wenn man annimmt, dass die algebraische Amplitude des Unterträgers einem gaußschen Gesetz folgt, wird – um einen Bitfehlerrate von über 30% zu erhalten – die Varianz dieser Amplitude gewählt wie weiter oben in Verbindung mit der 4 erläutert. Die Varianz des Modulationsindex des Rauschens muss größer sein als das 3,7-fache des Quadrats des Modulationsindex des Signals. Man erinnert, dass der Modulationsindex des Rauschens bei einer bestimmten Trägeramplitude proportional zu der Amplitude des Unterträgers ist.
Es folgen nun Kommentare bezüglich der Resultate in Verbindung mit der 7. Diese Figur stellt Signaldiagramme dar. Sie umfasst die Teile a bis d.
Der Teil a zeigt das Nutzsignal s, gesendet durch die Senderkarte 10. Es handelt sich um ein Impulssignal mit den logischen Werten 1 und 0.
Der Teil b zeigt den Strom in der Antenne 3 des Empfängers ohne Störung. Die Modulation ist eine Phasenmodulation, wobei das Signal hier durch die Phase des Unterträgers "getragen" wird. Wie weiter oben erläutert, entspricht die Phase Φ_O einer "1" und die Phase Φ_O + 180° entspricht einer "0".
Der Teil c veranschaulicht das durch die Modulationsschaltung 31 erzeugte Geräusch, gesteuert durch den Zufallssignalgenerator 32.
Schließlich zeigt der Teil d den Strom in der Antenne 3 in Präsenz des Geräusches und des Nutzsignals.
Bei der Simulationsaufzeichnung der Diagramme der 7 betrug die Varianz des Modulationsindex des erzeugten Rauschens (10%)², während der Modulationsindex des ohne Rauschen empfangenen Signals ungefähr 1% beträgt. Der Abstand zwischen der den Sender 10 tragenden Karte und dem simulierten Lesegerät 1 betrug ungefähr 4 cm. Das Signal-Rausch-Verhältnis betrug folglich –20 dB, was einer Bitfehlerrate von ungefähr 45% entspricht.
Das elektromagnetische Feld in Höhe der Antenne 3 ist die Resultierende der durch das Lesegerät 1 und die Karte 10 erzeugten Felder. Das durch das Lesegerät 1 erzeugte Rauschfeld ist sehr viel stärker als das durch das Nutzsignal der Karte 1 erzeugte. In dem resultierenden Feld wird das die zu übertragenden Daten tragende Nutzsignal durch das Rauschsignal maskiert.
Festzustellen ist jedoch, dass das durch die Karte erzeugte Feld in einem in Bezug auf den Abstand zwischen Lesegerät und Karte sehr kleinen Abstand von der Karte vorherrschend ist. Aber naturgemäß bewegt sich die Karte während ihrer Benutzung und kann sich irgendwo in dem Betriebsraum bzw. Betriebsbereich des Lesegeräts 1 befinden. Es diesem Grund ist es unmöglich, eine Spionagevorrichtung anzubringen, die sich sehr viel näher bei der Karte befinden würde als das Lesegerät.
Beim Subtrahieren des Rauschens b' von dem kombinierten Rausch-/Nutzsignal s' + b' ermöglicht die Form des erzeugten Rauschens, sich der Bewertung des vorhergehend beschriebenen Filters H2 zu entledigen. Über eine Dauer eines Bits ist das Rauschen proportional zu dem nachfolgenden Signal: b0(t) = c(t + τ)·cos(2πft + ϕ)wo c(t) zwischen +1 und –1 variierendes periodisches Rechtecksignal der Periode 1/f_s ist. Die Konstante τ hängt von dem Anfangszeitpunkt ab. Man hat also: b(t) = K·b0(t)wo K eine Zufallszahl von einheitlicher Wahrscheinlichkeitsdichte zwischen –a und a ist. Wenn der Träger zum Beispiel eine nichtmodulierte Amplitude von 1 V hat, wählt man, um einen Modulationsindex von 20% zu haben, a = 0,2 V.
Für jede Bit, das der Sender 10 der Karte sendet, liefert der Zufallszahlgenerator 32 mittels Zufallsziehung die Zahl K, die nur dem Lesegerät bekannt ist, und nur ihm, da sie in die Einrichtungen 33 eingespeist wird.
Der Mittelwert der Amplitude des durch das Lesegerät 1 gesendeten Rauschsignals ist zeitlich stabil, denn der Mittelwert der durch das Rauschen induzierten Amplitudenverschiebung ist null. Der Einfluss dieses Geräusches auf die Regelungsparameter der Spannung der Karte 10 für die Fernspeisung kann folglich in erster Annäherung vernachlässigt werden. In diesem Fall ist das System linear.
Aufgrund der Linearität des Systems ist das Rauschen bei seiner Rückkehr in das Lesegerät folgendermaßen: b'(t) = K·b0'(t)
Die Kenntnis von b₀'(t) genügt, um das Rauschen abzuziehen.
Der Empfänger digitalisiert das Signal mit einer Abtastfrequenz f_e. Die nächste Initialisierungssequenz ermöglicht, das Referenzrauschen aufzuzeichnen:

• Kein Rauschen während wenigstens eines Bits (K = 0) und man speichert das Signal.
• K = Ko(K₀) während wenigstens eines Bits und der Sender 10 der Karte sendet das gleiche Bit wie im vorhergehenden Schritt. Man subtrahiert von diesem Signal das des vorhergehenden Schritts und man teilt das Ganze durch K₀. So erhält man das Referenzrauschen, das abgespeichert wird.

Diese Sequenz kann während der vorhergehend beschriebenen Zeit TR1 realisiert werden.
Anschließend – das Lesegerät kennt K – erfolgt die Subtraktion des Rauschens zum Beispiel durch Phasenumkehrung des Rauschsignals, Multiplikation mit K und Addition zum kombinierten Signal. Diese Methode hat den Vorteil, eine begrenzte Anzahl durchzuführender Operationen zu haben.
Die 8 zeigt Diagramme der verschiedenen Signale, die bei der Verarbeitung des kombinierten Rausch-/Nutzsignals präsent sind. Sie umfasst die Teile a bis e.
Teil a zeigt das Nutzsignal wie durch die Karte 10 gesendet.
Teil b zeigt den in der Antenne 3 des Lesegeräts 1 präsenten Strom ohne das durch den Empfänger 1 gesendete Rauschen.
Teil c zeigt den in der Antenne 3 des Lesegeräts 1 präsenten Strom mit dem durch den Empfänger 1 gesendeten Rauschen.
Teil d zeigt das in den Verarbeitungsrichtungen 33 des Signals der Antenne 3 präsente Signal nach Subtraktion des Rauschens.
Teil e zeigt das Differenzsignal zwischen dem ungestörten Signal, dargestellt in Teil b, und dem entstörten Signal, das heißt dessen Rauschen subtrahiert wurde, dargestellt in Teil d.
In der 8 kann man das rauschlose Signal, dargestellt in Teil b, mit dem gestörten Signal vergleichen, von dem man das Rauschen subtrahiert hat, dargestellt in Teil d. Diese Differenz ist in Teil e dargestellt. Die benutzte Abtastfrequenz ist 4 × f_c. Man sieht, dass am Anfang jedes Bits die Differenz ziemlich groß ist, sich aber sehr schnell reduziert. Diese Differenz beruht auf den Schnittstellen zwischen den aufeinanderfolgenden Paaren (Bit; Rauschen)(globale Reaktionszeit des Systems). Wenn der Pegel stabilisiert ist, das heißt kurz nach dem Anfang des Bits, hat das Restrauschen eine solche Amplitude, dass der Modulationsindex, den es induziert, kleiner als 0,1% ist. Dies drückt sich durch die Tatsache aus, dass in der Kurve e das Differenzsignal am Anfang jedes Bits eine relativ große Amplitude hat, die nach ungefähr 1/5 der Dauer eines Bits quasi auf Null zurückgeht.
Im Verlauf einer Kommunikation mit Bewegung der Karte 10 in Bezug auf das Lesegerät 1 kann sich das Referenzrauschen entwickeln und man muss die Aufzeichnung folglich anpassen. Das in der ISO-Norm 14443 beschriebene Protokoll sieht vor, dass jedes Byte von einem 0-Bit und einem 1-Bit umgeben ist. Man kann diese bekannten Bits benutzen, um das aufgezeichnete Referenzrauschen zu aktualisieren.
IN DER BESCHREIBUNG GENANNTE REFERENZEN
Diese Liste der durch den Anmelder genannten Referenzen dient nur dazu, dem Leser zu helfen und ist nicht Teil der europäischen Patentschrift. Obwohl sie mit einem Höchstmaß an Sorgfalt erstellt worden ist, können Fehler oder Weglassungen nicht ausgeschlossen werden und das EPA lehnt in dieser Hinsicht jede Verantwortung ab. In der Beschreibung genannte Patentschriften

• FR 2776865 • US 5955969 A

Claims

Gesichertes Kommunikationsverfahren zwischen einem Sender (10) und einem Empfänger (1), bei dem ein Pegelbereich der durch den Sender (10) abgestrahlten Leistung und ein Frequenzband, innerhalb dem die Abstrahlung stattfindet, bekannt oder detektierbar sind durch den Empfänger (1), wobei das Verfahren umfasst: – das Senden eines Senderspeisungssignals durch den Empfänger (1), – Das Senden eines Nutzdatensignals mittels Modulation eines Parameters einer Trägerfrequenz des genannten Nutzdatensignals durch den Sender, bei dem der Sender (1) ein von den gesendeten Daten unabhängiges Rauschsignal sendet, mit einem Spektralband, welches das Frequenzband abdeckt, innerhalb dem die Sendung stattfindet, und einem solchen Leistungspegel, dass das Verhältnis aus Leistungspegel des durch den Sender (10) abgestrahlten Signals zu Leistungspegel des durch den Empfänger (1) abgestrahlten Signals größer ist als ein vorherbestimmter Wert, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (1) das gesendete Nutzdatensignal erhält, indem er das Rauschsignal von dem empfangenen Signal abzieht, und dadurch, dass das Rauschsignal während wenigstens der gesamten Sendedauer des von dem Sender (10) stammenden Nutzdatensignals gesendet wird.
Gesichertes Kommunikationsverfahren zwischen einem Sender (10) und einem Empfänger (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das durch den Empfänger (1) gesendete Rauschsignal durch eine Zufallsmodulation des Speisungssignals des Senders (10) durch den Empfänger (1) erzeugt wird, wobei diese Modulation auf denselben Parameter wie dem für das Sendesignal benutzten angewandt wird.
Gesichertes Kommunikationsverfahren zwischen einem Sender (10) und einem Empfänger (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendesignal ein digitales Signal mit im Voraus bekannter Bitperiode ist, und dadurch, dass eine Zufallsziehung des Werts des Parameters, auf den die Rauschmodulation angewandt wird, synchron mit dem gesendeten Signal erfolgt.
Gesichertes Kommunikationsverfahren zwischen einem Sender (10) und einem Empfänger (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation des Parameters, auf den die Rauschmodulation angewandt wird, einem gaußschen Gesetz oder einem einheitlichen oder Einheits-Nullmittelgesetz (loi uniforme de moyenne nulle) folgt.
Gesichertes Kommunikationsverfahren zwischen einem Sender (10) und einem Empfänger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauschpegel bestimmt wird in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Wert um ohne Kenntnis des durch den Empfänger (1) abgestrahlten Rauschsignals eine Bitfehlerrate zu erhalten, die höher ist als ein vorbestimmter Wert.
Gesichertes Kommunikationsverfahren zwischen einem Sender (10) und einem Empfänger (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem das Sendesignal des Senders (10) wenigstens eine Aussendung eines Bits von bekanntem Wert zu einem dem Empfänger (1) bekannten Zeitpunkt und von Bits mit unbekanntem Wert zu den anderen Sendezeitpunkten umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die bekannten Sendezeitpunkte eines Bits von bekanntem Wert benutzt werden, um Verformungen der Signale im Sende-Empfangsverlauf zu bewerten, wobei diese bewerteten Verformungen während der anderen Zeitpunkte benutzt werden, um ein reales Rauschsignal zu berechnen, welches das Rauschsignal wird, das von dem durch den Empfänger empfangenen Signal abgezogen wird.
Lesevorrichtung oder Empfänger (1) für Chipkarte (10) mit Erzeugungseinrichtungen (2) eines Speisungssignals eines Senders (10) der Karte, wobei ein Kartenaufnahmevolumen eine Kopplung zwischen Kreisen (11–13) der Karte (10) und Sende-Empfangseinrichtungen (3) des Lesers (1), gekoppelt mit den Speisungssignal-Erzeugungseinrichtungen (2), ermöglicht, umfassend: Speisungssignal-Modulationseinrichtungen (31), um das Speisungssignal zu modulieren, einen Zufallssignalgenerator (32), gekoppelt mit den genannten Speisungssignal-Modulationseinrichtungen (31), Verarbeitungseinrichtungen (33) des durch den Empfänger (1) empfangenen Signals, wobei diese Einrichtungen (33) mit dem Zufallsignalgenerator (32), den Sende-Empfangseinrichtungen (3) und den Modulationseinrichtungen (31) gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass diese Verarbeitungseinrichtungen (33) des durch den Empfänger (1) empfangenen Signals das in den Sende-Empfangseinrichtungen (3) präsente Signal und das Modulationssignal trennen, um ein durch den Sender (10) der Karte gesendetes Nutzsignal wiederzufinden bzw. wiederherzustellen.