(57)【要約】  無線インタフェースと固有の時間発生器とを備え互いに離間された少なくとも３つの無線ノードから成る無線ノードセットを有する無線環境への、無線ノードおよび物体の帰属をチェックする方法であって、この場合、少なくとも２つの無線ノードは、互いに既知の距離を有する基準無線ノードであり、少なくとも１つの無線ノードはテスト無線ノードであり、基準無線ノードの無線環境へのこのテスト無線ノードの帰属をチェックする。測定プロセス中、無線ノードセットの無線ノードにより信号が送信および受信され、その際に無線ノードセットのうち少なくとも２つの無線ノードはトランシーバとして動作し、少なくとも１つの無線ノードはもっぱら送信機として、あるいはもっぱら受信機としてまたはトランシーバとしても動作する。評価プロセスは２つの評価ステップを含み、第１の評価ステップにおいて、受信した信号を用いて、無線ノードセットのうち２つの無線ノード間のシステム伝送関数および／または時間オフセットを特定し、第２の評価ステップにおいて、第１の評価ステップによるシステム伝送関数および／または時間オフセットに基づき、両方の無線ノードに対する物体の少なくとも１つの距離情報を特定し、かつ／または両方の無線ノード同士の少なくとも１つの距離情報を特定する。第１の評価ステップおよび第２の評価ステップを、第１のラウンドにおいて少なくとも１回、２つの基準無線ノードについて、さらに第２のラウンドにおいて少なくとも１回、１つの基準無線ノードおよび１つのテストノードについて実施する。比較プロセスにおいて、第１のラウンドの少なくとも１つの結果を第２のラウンドの少なくとも１つの結果と比較し、さらに基準システムの無線環境へのテスト無線ノードおよび／または物体の帰属を、比較プロセスの少なくとも１つの結果に基づき肯定または否定する。
2021509235.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに離間された少なくとも３つの無線ノードから成る無線ノードセットを有する無線環境への無線ノードおよび物体の帰属をチェックする方法であって、
前記無線ノードセットの各無線ノードは、それぞれ１つの無線インタフェースと固有の時間発生器とを有し、
前記無線ノードの前記時間発生器間にそれぞれ時間オフセットが存在し、
前記無線ノードセットのうち少なくとも２つの無線ノードは、基準無線ノードであり、各基準無線ノードからさらなる基準無線ノードまでの距離は、既知であり、前記基準無線ノードは、１つの無線環境を有する１つの基準システムを形成し、
前記無線ノードセットのうち少なくとも１つの無線ノードは、テスト無線ノードであり、前記基準システムの前記無線環境への少なくとも１つの前記テスト無線ノードの帰属をチェックし、
前記方法は、測定プロセス、次いで評価プロセス、さらに比較プロセスを含み、
前記測定プロセス中、前記無線ノードセットの無線ノードにより信号を送信および受信し、
前記測定プロセス中、前記無線ノードセットのうち少なくとも２つの無線ノードがトランシーバとして動作し、少なくとも１つの無線ノードが前記測定プロセス中、もっぱら送信機として、あるいはもっぱら受信機としてまたはトランシーバとして動作し、
前記評価プロセスは、第１の評価ステップと第２の評価ステップとを含み、
前記第１の評価ステップにおいて、受信した信号を用いて、前記無線ノードセットのうち２つの無線ノード間のシステム伝送関数を、かつ／または前記無線ノードセットのうち２つの無線ノードの前記時間発生器間の時間オフセットを特定し、
前記第２の評価ステップにおいて、前記第１の評価ステップによる前記システム伝送関数および／または前記時間オフセットに基づき、前記２つの無線ノードの前記無線環境における１つの物体から前記２つの無線ノードまでの少なくとも１つの距離情報を特定し、かつ／または前記２つの無線ノード同士の少なくとも１つの距離情報を特定し、
前記評価プロセス中、第１のラウンドにおいて、前記第１の評価ステップおよび前記第２の評価ステップを、基準無線ノードの少なくとも１つのペアについて少なくとも１回実施し、
前記評価プロセス中、第２のラウンドにおいて、前記第１の評価ステップおよび前記第２の評価ステップを、１つのテスト無線ノードと１つの基準無線ノードとについて少なくとも１回実施し、
前記比較プロセスにおいて、前記評価プロセスの前記第１のラウンドの少なくとも１つの結果を、前記評価プロセスの前記第２のラウンドの少なくとも１つの結果と比較し、さらに
前記基準システムの前記無線環境への前記テスト無線ノードおよび／または前記物体の帰属を、前記比較プロセスの少なくとも１つの結果に基づき肯定または否定する、
方法。
【請求項２】
前記測定プロセスは、少なくとも２つの測定ラウンドを含み、
各測定ラウンドにおいて相前後して各トランシーバからそれぞれ送信期間中に、１つの搬送波周波数を有する送信信号を送信し、送信した前記送信信号を少なくともさらなる前記トランシーバにより受信期間中に受信し、
前記トランシーバの前記送信信号は、少なくとも１つの測定ラウンド中、互いにコヒーレントであり、
各測定ラウンドの前記搬送波周波数は、他のすべての測定ラウンドの前記搬送波周波数とは異なり、
１つの無線ノードが前記測定プロセス中、送信機として動作している限り、少なくとも１つの前記送信機はそれぞれ、前記測定ラウンドのうち１つの測定ラウンドの前または間または後の少なくとも１つの追加送信期間中、１つの搬送波周波数を有する送信信号を送信し、前記送信信号を前記トランシーバにより受信する、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記無線ノードセットは、少なくとも４つの無線ノードを含み、前記測定プロセス中、前記無線ノードセットのうち少なくとも３つの無線ノードがトランシーバとして動作する、
請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記無線ノードセットは、少なくとも４つの無線ノードを含み、前記測定プロセス中、前記無線ノードセットのうち少なくとも２つの無線ノードが、前記測定プロセス中、もっぱら送信機として、あるいはもっぱら受信機としてまたはトランシーバとして動作する、
請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記無線ノードセットは、少なくとも４つの無線ノードを含み、前記無線ノードセットのうち少なくとも３つの無線ノードが基準無線ノードとして前記基準システムを形成する、
請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
各測定ラウンド内において、２番目のものとして送信する前記送信信号および後続の各送信信号を、少なくとも同じ測定ラウンド中に受信した信号の一部分から形成する、
請求項２から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記測定プロセス中、前記測定ラウンドを複数回にわたり反復し、前記送信信号の前記搬送波周波数は、反復のたびに周波数範囲内のそれぞれ予め規定された値をとり、前記受信した信号を１つの測定周波数範囲内で特定する、
請求項２から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
各送信信号は、前記送信期間中、前記測定周波数範囲の最大で１％となる帯域幅を有する、
請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記評価プロセスにおいて、前記第１のラウンド中も前記第２のラウンド中も、複数の物体に対しそれぞれ１つの距離情報を特定し、前記第１のラウンドによる前記距離情報をそれぞれ、前記第２のラウンドによる対応する前記距離情報と比較する、
請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
少なくとも前記測定プロセスおよび前記評価プロセスを複数回にわたり反復して、複数のシステム伝送関数を特定し、前記第１のラウンドの結果に基づき、少なくとも１つの物体または前記テスト無線ノードの第１の運動プロフィルを求め、前記第２のラウンドの結果に基づき、前記物体または前記テスト無線ノードの第２の運動プロフィルを求め、前記比較プロセスにおいて前記第１の運動プロフィルを前記第２の運動プロフィルと比較する、
請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記テスト無線ノードの第１の運動プロフィルを慣性センサにより求め、前記比較プロセスにおいて第２の運動プロフィルと比較し、前記第２の運動プロフィルを、複数の第１のラウンドの結果に基づき、かつ／または複数の第２のラウンドの結果に基づき求める、
請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
少なくとも前記測定プロセスおよび前記評価プロセスの前記第１のラウンドを複数回にわたり反復し、前記比較プロセスにおいて、複数の前記第１のラウンドの結果を前記第２のラウンドの少なくとも１つの結果と比較する、
請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに離間された少なくとも３つの無線ノードから成る無線ノードセットを有する無線環境への無線ノードおよび物体の帰属をチェックする方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周波数領域での位相および基準信号からの位相差の測定に基づき距離を求めるために、数多くの方法が存在している。基本原理は、例えば米国特許第３２４３８１２号明細書などにより、５０年以上前から知られている。この方法は、数十年来、様々な用途に適用されている。多数の刊行物のほか、一連の多数の特許も存在している。
【０００３】
独国特許発明第１０２００９０６０５０５号明細書、独国特許出願公開第１０２００９０６０５９３号明細書、独国特許発明第１０２００９０６０５９２号明細書から、または独国特許出願公開第１０２００９０６０５９１号明細書からも、２つの無線ノード間の距離測定のための択一的方法が公知である。
【０００４】
ワイヤレス電子アクセスシステム内における認証方法は、典型的には暗号化方法を利用する。権限付与されたすべての関与者はたいてい、鍵ならびに使用すべき認証アルゴリズムに関する知識を有する。かかるワイヤレスアクセスシステムに対するリレーアタックから防御するため、様々なコンセプトが開発された。距離の特定に基づく方法は、一般的にはディスタンスバウンディング（Distance-Bounding）と呼ばれる。この場合の欠点は、今日では既に距離の特定についての操作も可能なことである。
【０００５】
A. R. S. C. Hildur Olafsdottir, "On the Security of Carrier Phase-based Ranging", https:// www.researchgate.net/publication/254008732_Physical-layer_attacks_on_chirp-based_ranging_systems, Proceedings of Cryptographic Hardware and Embedded Systems (CHES)から、信号ベクトル測定に基づきリレーアタックを認識するディスタンスバウンディング方法が公知である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような背景から本発明の課題は、従来技術をさらに発展させる装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、請求項１の特徴を備えた無線環境への無線ノードおよび物体の帰属をチェックする方法により解決される。従属請求項には、本発明の有利な実施形態が記載されている。
【０００８】
本発明の対象によれば、互いに離間された少なくとも３つの無線ノードから成る無線ノードセットを有する無線環境への無線ノードおよび物体の帰属をチェックする方法が提案され、その際に無線ノードセットの各無線ノードはそれぞれ無線インタフェースと固有の時間発生器とを有し、無線ノードの時間発生器間にそれぞれ時間オフセットが存在する。無線ノードセットのうち少なくとも２つの無線ノードは基準無線ノードであり、この場合、各基準無線ノードからさらなる基準無線ノードまでの距離は既知であり、基準無線ノードは１つの無線環境を有する１つの基準システムを形成する。無線ノードセットのうち少なくとも１つの無線ノードはテスト無線ノードであり、この場合、基準システムの無線環境への少なくとも１つのテスト無線ノードの帰属がチェックされる。
【０００９】
この方法は、測定プロセスと評価プロセスと比較プロセスとを含む。
【００１０】
測定プロセス中、無線ノードセットの無線ノードにより信号が送信および受信され、この場合、測定プロセス中、無線ノードセットのうち少なくとも２つの無線ノードはトランシーバとして動作し、少なくとも１つの無線ノードは測定プロセス中、もっぱら送信機として、あるいはもっぱら受信機としてまたはトランシーバとして動作する。
【００１１】
評価プロセスは第１の評価ステップと第２の評価ステップとを含み、この場合、第１の評価ステップにおいて、受信した信号を用いて、無線ノードセットのうち２つの無線ノード間のシステム伝送関数、および／または無線ノードセットのうち２つの無線ノードの時間発生器間の時間オフセットが特定され、第２の評価ステップにおいて、第１の評価ステップによるシステム伝送関数および／または時間オフセットに基づき、両方の無線ノードの無線環境の１つの物体からこれら両方の無線ノードまでの少なくとも１つの距離情報が特定され、かつ／または両方の無線ノード同士の少なくとも１つの距離情報が特定される。
【００１２】
評価プロセスにおいて、第１のラウンドで第１の評価ステップおよび第２の評価ステップが、基準無線ノードの少なくとも１つのペアについて少なくとも１回、実施され、第２のラウンドで第１の評価ステップおよび第２の評価ステップが、１つのテスト無線ノードと１つの基準無線ノードについて少なくとも１回、実施される。
【００１３】
比較プロセスにおいて、第１のラウンドの少なくとも１つの結果が第２のラウンドの少なくとも１つの結果と比較され、さらに基準システムの無線環境への無線ノードおよび／または物体の帰属を、比較プロセスの少なくとも１つの結果に基づき肯定または否定する。
【００１４】
自明のとおり、基準無線ノードの距離は少なくとも互いに相対的に既知である一方、テスト無線ノードの絶対的または少なくとも相対的なポジションは未知である。基準無線ノードは、それらの距離関係を介して基準座標系に対する基礎を形成する。環境におけるテスト無線ノードおよび／または物体のポジションは、この座標系内で最初は未知であり、この方法を用いることで求めることができる。
【００１５】
自明のとおり、無線ノードセットの無線ノードを、基準無線ノード各々に対し少なくとも相対的な距離情報が存在することを除き、区別する必要がない。特に例えば各無線ノードは、受信ユニット、送信ユニット、信号プロセッサおよび少なくとも１つのアンテナを含む。
【００１６】
１つの無線ノードが複数のアンテナを含むならば、それら複数のアンテナのうち１つのアンテナから、または複数のアンテナから、送信信号が放射される。例えば複数のアンテナが、１つの送信期間中に順番に相前後して放射を行う。このため送信期間が例えば複数の時間窓に分割されており、この場合、複数のアンテナのうちそれぞれ１つのアンテナが１つの時間窓中に送信を行う。自明のとおり、信号の受信も相応に編成することができる。
【００１７】
無線信号に加え、つまり測定プロセス中に送信もしくは受信される信号に加え、同じインタフェースを介して、もしくは同じ送信ユニットと同じアンテナとを用いて、データ信号を交換することができる。その際にさらなるデータ伝送が、測定プロセスの信号と同じ周波数範囲で、または異なる周波数範囲で行われる。択一的に、各無線ノードはさらなるデータインタフェースを有し、その際にこのさらなるインタフェースは有線でも構成されており、または無線で構成されている。同じまたは異なるインタフェースを介したさらなるデータ伝送によって、例えば求められた信号ベクトルならびに無線ノードの大まかな時間同期合わせなどのようなデータの交換が可能となる。
【００１８】
自明のとおり、測定プロセス中の無線ノードの機能は、その無線ノードが基準無線ノードのグループに所属するのかテスト無線ノードのグループに所属するのかとは無関係である。基本的に考えられるのは、テスト無線ノードは本発明による方法の第１のラウンドではトランシーバとして動作し、第２のラウンドではもっぱら送信機としてまたはもっぱら受信機として動作する、ということである。相応のことは基準無線ノードについても当てはまる。
【００１９】
測定プロセス中に送信も受信も行うすべての無線ノードを、トランシーバと称する。測定プロセス中にもっぱら送信モードで動作し少なくとも１つの送信信号を送信する無線ノードを、送信機と称する。これに対し、測定プロセス中にもっぱら受信モードで動作し少なくとも１つの信号を受信する無線ノードを、受信機と称する。
【００２０】
評価プロセスを用いることで、関与する無線ノードの個々の時間発生器間の時間オフセットおよび／またはシステム伝送関数が特定される。ここで前提とするのは、少なくとも１つの測定ラウンド内で信号間のコヒーレンスが生じている、ということである。
【００２１】
評価プロセスの第１のラウンドにおいて、基準システム内の、つまり少なくとも２つの基準無線ノード間の、無線信号の少なくとも１つの交換が評価される。つまり少なくとも、１つの基準無線ノードから送信され１つの基準無線ノードにより受信された信号が、システム伝送関数および／または時間オフセットを特定するために評価される。好ましくは、評価ステップは第１のラウンドにおいて複数回にわたり反復され、特に各反復において、無線ノードセットの基準無線ノードの異なるペアについて実施される。
【００２２】
評価プロセスの第２のラウンドにおいて、相応にテスト無線ノードと基準無線ノードとの間の無線信号の交換が評価され、つまりテスト無線ノードから送信され基準無線ノードにより受信された少なくとも２つの信号、または基準無線ノードから送信されテスト無線ノードにより受信された少なくとも２つの信号、またはテスト無線ノードと基準無線ノードとの間で交互に交換される少なくとも２つの信号が評価される。
【００２３】
ごく一般的には、２つの無線ノード間の伝送特性を記述する関数を、つまり伝播媒体を介した信号の伝送を記述する関数を、システム伝送関数と称する。
【００２４】
周波数空間では、無線ノード間の伝送特性を周波数領域において表現するいわゆる伝達関数が特定される。しばしば伝達関数は略して伝送関数とも称される。
【００２５】
時間領域では伝播媒体の伝送特性に関して、チャネルインパルス応答という用語も一般的である。
【００２６】
自明のとおり、フーリエ変換を用いることで、取り込まれた値を周波数領域から時間領域に変換することができ、その逆も可能である。
【００２７】
補足的に、固有値法もしくは信号分類法も適用される。
【００２８】
システム伝送関数に含まれる伝送特性は、２つの無線ノード間の直接的な伝送経路も、物体での反射により、かつ／または屈折により、かつ／または回折により生成される間接的な伝送経路も含む。このようにすることで、反射および／または屈折および／または回折により伝送経路に影響をもたらすすべての物体が、システム伝送関数に含まれ、もしくはそれらの物体をシステム伝送関数から抽出することができる。
【００２９】
複数の伝送経路をいっそう良好に分解できるようにするために有利であるのは、測定ラウンドをいっそう頻繁に反復し、１つの帯域幅（予め定められた周波数範囲）にわたり周波数ステップ幅で搬送波周波数を変化させることであり、このことによりその周波数範囲内でいっそう多くの量のサンプリングポイントが求められる。
【００３０】
信号について予め定められた周波数範囲の帯域幅は、様々な長さの信号パスを解明するこの方法の能力にとって決定的なものである。周波数ベースの測定プロセスであるならば、周波数ステップ幅によって、距離を一義的に求めることができる範囲が特定され、かつ同時に、一義的に特定可能な時間オフセットの量が制限される。
【００３１】
直接的な伝送経路に基づき、無線ノード間の距離情報を特定することができる。通常、一義的なポジションを二次元または三次元の空間で表すことができない。むしろ多義的な距離しか求めることができず、つまり同じ距離または同じ距離和または同じ距離差分を有する線または面しか求めることができない。
【００３２】
したがって距離情報は典型的には、１つの無線ノードに対しまたは２つの無線ノードに対し相対的な、距離または累積距離または距離差分の等値線または等値面である。二次元の場合には例えば、１つの無線ノードの周囲の１つの円が等値線として、同じ距離を有するすべての点を含む。三次元空間の場合には、等値面が相応に球面として形成されている。２つの無線ノードから１つの物体までの距離の和だけが既知であるならば、距離情報として両方の無線ノードの周囲の楕円形の等値線もしくは楕円体を求めることができ、これは物体に対し和が等しいすべての距離もしくはすべての等しい距離和を含む。距離差分が求められる場合には、求めることができる等値線もしくは等値面として双曲線もしくは双曲面が生じる。
【００３３】
物体は反射によって間接的な伝送経路を引き起こすことから、対応する間接的な伝送経路から距離情報を求めることができ、つまり無線ノードからその物体までの距離または累積距離または距離差分の等値線または等値面を求めることができる。例えば物体の個数および距離など環境に関してシステム伝送関数の解析から得られる情報を無線環境と称する。
【００３４】
比較プロセスは、求められた量同士の少なくとも１つの、好ましくは複数の比較を含み、妥当性チェックを成すものである。
【００３５】
基準システム内の間接的な伝送経路の解析によって、基準システムの無線環境が捕捉され、もしくはその環境内の物体の個数、種類および位置によって規定される無線環境の特性が捕捉される。テスト無線ノードと基準無線ノードとの間の間接的な伝送経路の評価によって、拡張された無線環境が捕捉され、つまり特に、テスト無線ノード付近における物体の個数、種類および位置も捕捉される。
【００３６】
テスト無線ノードが基準システム付近に存在しているならば、基準システムの無線環境について求められた特性と、拡張された無線環境について求められた特性とは、かなりの度合いで一致を示す。この場合にはテスト無線ノードは、基準システムと同じ環境内に存在している。これらの無線環境間の偏差が示唆するのは、テスト無線ノードは同じ無線環境内に存在しておらず、つまりは基準システムに対し十分に空間的に近いところには存在していない、ということである。
【００３７】
テスト無線ノードと基準無線ノードとの間の直接的な伝送経路を付加的に評価することによって、テスト無線ノードから基準システムまでの距離に関する情報が得られる。
【００３８】
典型的にはテスト無線ノードは、信号を反射する少なくとも１つの物体のところに存在しており、例えばテスト無線ノードを含む鍵を携行する人のところに存在している。このことによって、テスト無線ノードから基準システムまでの距離に関する情報を求めるために、２つの可能性が生じる。一方では、直接的な距離情報を、つまりテスト無線ノードの距離／累積距離／距離差分の等値線または等値面を、テスト無線ノードと基準システムの無線ノードとの間のシステム伝送関数の直接的な伝送経路から、求めることができる。他方では、物体のところに存在するテスト無線ノードに関する間接的な距離情報を、つまり対応する物体から基準システムまでの距離または累積距離または距離差分の等値線または等値面を、２つの基準無線ノード間のシステム伝送関数の、この物体における反射により生成された間接的な伝送経路から、求めることができる。求められたこれらの距離情報間の偏差によって示唆されるのは、テスト無線ノードが前提とされているように物体のところに存在してはいない、ということである。
【００３９】
基準無線ノード間の既知の距離と、システム伝送関数から求められた対応する距離との比較も、妥当性テストとして用いることができる。
【００４０】
自明のとおり、本発明による方法によって伝達されるすべての値もしくは信号ベクトルを、進行中のプロセスを相応に保護する目的で、適切な暗号化メカニズムによって保護することができる。したがって例えば、関与するもしくは権限付与された無線ノードのみに先験的に既知である経時的に可変の数列を各信号ベクトルに割り当てることができる。
【００４１】
本発明による方法によって、様々な比較に基づき妥当性テストを実施することができる。特に、余分な技術的コストをかけることなく、単に信号およびシステム伝送関数の解析に基づくことで、無線ノード間の多数の関係を求めることができる。このようにして妥当性テストのための大きなデータベースが生成され、これは環境に関する、ならびに対応する結果の経時的追跡に関するスタティックな情報も、ダイナミックな運動プロフィルも、含むことができる。
【００４２】
時間制限および距離制限（ディスタンスバウンディング）のコンセプトを、本発明による方法によって無線環境識別（Radio Environment ID）へと拡張することによって、新たなセキュリティコンセプトが実現される。公知の方法は、相応の暗号化方法による無線データ通信を介した認証、通常のデータフレームを利用した僅かなチャネル帯域幅による周期時間測定のような技術を、複数の無線チャネルまたは付加的なセンサ機構の組み込みへと拡張するのに、特に適している。この方法は例えば、一例として自動車分野などにおけるアクセスシステムに対する代替または補足として適しており、自動車の側における距離レーダといったさらなるレーダシステム、駐車センサ機構、配向のための慣性センサ機構、温度、空気圧などと、もしくは鍵の側における慣性センサ機構と、簡単な手法で組み合わせることもできる。
【００４３】
本発明による方法によって、関与する無線ノードの環境の捕捉および解析を通して、リレーアタックのロバストかつ効果的な識別および防御が可能となる。その際にこの方法を、無線通信のために確立された標準、例えばBluetooth, Bluetooth Smartまたは Zigbeeに簡単に組み込むことができる。しかも、「スマートフォン」およびタブレットなど、移動通信のために広く普及したソリューションへの組み込みの複雑さを低減することができる。
【００４４】
第１の発展形態において、測定プロセスは少なくとも２つの測定ラウンドを含み、その際に各測定ラウンドにおいて相前後して、各トランシーバからそれぞれ１つの送信期間中に、１つの搬送波周波数を有する送信信号が送信され、送信された送信信号が少なくとも、さらなるトランシーバにより１つの受信期間中に受信され、トランシーバの送信信号は少なくとも１つの測定ラウンド中、互いにコヒーレントであり、各測定ラウンドの搬送波周波数は他のすべての測定ラウンドの搬送波周波数とは異なり、１つの無線ノードが測定プロセス中、送信機として動作している限り、少なくとも１つの送信機はそれぞれ、複数の測定ラウンドのうち１つの測定ラウンドの前または間または後の少なくとも１つの追加送信期間中、１つの搬送波周波数を有する送信信号を送信し、その際にこの送信信号がトランシーバにより受信される。
【００４５】
自明のとおり、存在している限りは、各受信機は、トランシーバから少なくとも２つの測定ラウンド中に送信された信号のすべてまたは少なくとも一部を受信する。
【００４６】
さらなる無線ノードが測定プロセス中、トランシーバとしても動作している限り、このトランシーバはさらなるトランシーバとして、少なくとも２つの測定ラウンドに関与する。
【００４７】
さらなる無線ノードが送信機として動作している限り、自明のとおり、追加送信期間とトランシーバの送信期間とは重なり合っておらず、もしくは複数の無線ノードは同時には送信を行わない。追加送信期間は、１つまたは複数またはすべての測定ラウンドに組み入れられており、したがって追加送信期間は、複数のトランシーバの送信期間のうち１つの送信期間の後に、かつ１つのさらなるトランシーバの１つのさらなる送信期間の前に、位置している。択一的に追加送信期間は、１つまたは複数またはすべての測定ラウンドの前および／または後に位置している。好ましくは、送信機は各測定ラウンド中に１回、送信を行い、その際に送信機の送信信号の搬送波周波数は、測定ラウンドごとに異なる値をとる。特に好ましくは、送信機の送信信号の搬送波周波数は、トランシーバの搬送波周波数と同じようにして変更される。
【００４８】
測定ラウンドは好ましくは複数回にわたり反復され、その際に搬送波周波数は、反復されるたびに予め定められた周波数範囲内で変更される。例えばいわゆる周波数掃引が実施される。送信信号は好ましくは変調されていない。
【００４９】
第１の実施形態によれば、無線ノードセットは少なくとも４つの無線ノードを含み、この場合、測定プロセス中、無線ノードセットのうち少なくとも３つの無線ノードがトランシーバとして動作する。
【００５０】
第２の実施形態によれば、無線ノードセットは少なくとも４つの無線ノードを含み、この場合、測定プロセス中、無線ノードセットのうち少なくとも２つの無線ノードが、もっぱら送信機として、あるいはもっぱら受信機としてまたはトランシーバとして動作する。
【００５１】
第３の実施形態によれば、無線ノードセットは少なくとも４つの無線ノードを含み、この場合、無線ノードセットのうち少なくとも３つの無線ノードが基準無線ノードとして基準システムを形成する。
【００５２】
自明のとおり、上述の３つの実施形態を任意に組み合わせることもでき、その場合には無線ノードセットに含まれる無線ノードの最小数がそれ相応に増やされる。
【００５３】
さらなる発展形態において、各測定ラウンド内において、２番目のものとして送信される送信信号およびそれに続く各送信信号が、少なくとも同じ測定ラウンド中に受信した信号の一部分から形成される。これによって既にさらなる送信信号によって、事前に受信された送信信号に関する、および相応に以前の伝送経路に関する情報が伝達される。これによって例えば、最初に送信を行ったトランシーバは、受信した第２の送信信号に基づき２経路のシステム伝送関数を求めることができる。さらなる可能性として、第２の信号によって時間オフセットに対する情報が伝達され、これによって第２の信号を受信した無線ノードは、受信した信号ベクトルと時間オフセットとから、１経路の伝達関数を求めることができる。
【００５４】
別の実施形態において、測定プロセス中、測定ラウンドが複数回にわたり反復され、この場合、送信信号の搬送波周波数は、反復のたびに周波数範囲内のそれぞれ予め規定された値をとり、受信された信号が１つの測定周波数範囲内で特定される。
【００５５】
例えば周波数掃引が実施され、その際に搬送波周波数が、測定プロセス中に測定ラウンドが反復されるたびに、それぞれ一定の値だけ予め定められた周波数範囲内で増加または低減される。掃引を僅かな実装コストで実現することができる。一般により簡単であるのは、多数のより狭い周波数ステップにわたり位相関係を維持することである。ただし法的規定ゆえにこの実装は、多くの適用事例に関して許容された送信出力内に制限されている。
【００５６】
搬送波周波数のいっそう不規則な変更を周波数ホッピングとも称する。個々の反復各々についてそれぞれ異なる周波数もしくは搬送波周波数の値が例えば、ルックアップテーブルに格納されているか、または予め定められた数学的関数に従って設定される。例えば、周波数ホッピングを、疑似ノイズシーケンスに基づき実施することができ、これによって障害源に対し高いロバストネスが達成される。同時にこの方法のこの実装によれば、様々な法的規定および規制規準を遵守しながら、いっそう大きい送信出力を使用できるようになる。したがって、この方法の使用をいっそう広い到達距離に拡張することができる。
【００５７】
さらなる発展形態において、各送信信号は送信期間中、測定周波数範囲の最大で１％となる帯域幅を有する。
【００５８】
さらなる実施形態によれば、評価プロセスにおいて、第１のラウンド中も第２のラウンド中も、複数の物体に対しそれぞれ１つの距離情報が特定され、第１のラウンドによる距離情報がそれぞれ、第２のラウンドによる対応する距離情報と比較される。複数またはすべての間接的な伝送経路が評価され、それに伴い環境内における複数の物体が、またはすべての物体も、識別されるならば、これらを比較に利用することができ、これによって妥当性テストの信頼性が高められる。
【００５９】
別の実施形態において、少なくとも測定プロセスおよび評価プロセスが複数回にわたり反復されて、複数のシステム伝送関数が特定され、この場合、複数の第１のラウンドの結果に基づき、少なくとも１つの物体またはテスト無線ノードの第１の運動プロフィルが求められ、複数の第２のラウンドの結果に基づき、物体またはテスト無線ノードの第２の運動プロフィルが求められ、比較プロセスにおいて第１の運動プロフィルが第２の運動プロフィルと比較される。１つの物体の運動プロフィルを、または複数の物体の運動プロフィルも、経時的に求めることができ、妥当性テストのために利用することができる。
【００６０】
さらなる発展形態によれば、テスト無線ノードの第１の運動プロフィルが慣性センサにより求められ、比較プロセスにおいて第２の運動プロフィルと比較され、第２の運動プロフィルは、複数の第１のラウンドの結果に基づき、かつ／または複数の第２のラウンドの結果に基づき求められる。
【００６１】
自律的に姿勢を求めることができるセンサを慣性センサと称する。例えばホールセンサによって配向が求められ、例えばＭＥＭＳによって直線加速度または回転加速度を求めることができる。圧力測定および／または温度測定も、姿勢を求めるために用いられる。
【００６２】
別の実施形態によれば、少なくとも測定プロセスおよび評価プロセスの第１のラウンドが複数回にわたり反復され、比較プロセスにおいて、複数の第１のラウンドの結果が第２のラウンドの少なくとも１つの結果と比較される。
【００６３】
次に、図面を参照しながら本発明について詳しく説明する。この場合、同種の部材には同一の参照符号が付されている。描かれている実施形態は極めて概略的に示されており、つまり間隔ならびに横方向および縦方向の広がりは縮尺どおりではなく、特段の記載がない限り、互いに導出可能な幾何学的関係も有していない。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】第１の実施形態における基準システムおよびテスト無線ノードを示す図である。
【図２】第２の実施形態における基準システムおよびテスト無線ノードを示す図である。
【図３】リレーアタックが発生した場合の無線環境の連鎖を示す図である。
【図４】リレーアタックを識別および防御するために分類法およびパターン認識法と連携して、拡張された無線環境ＩＤを形成することを示す図である。
【図５】測定コンステレーションについての概観を示す図である。
【図６】経時的な測定シーケンスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６５】
１  無線環境の定義およびモデリング
本発明による方法の内容は、テスト無線ノードを、複数の基準無線ノードから成る１つのシステムの無線環境内におけるその帰属（存在）に関してチェックすることである。この目的で、無線ノード（テスト無線ノードと基準無線ノード）間の伝送特性を求め、無線ノードと物体との位置関係を求めるためにこれを利用しようというものである。
【００６６】
１つの無線環境は、複数の基準無線ノードから成る１つのシステムの周囲の空間であり、この空間はその特性において、物理的な（例えば自由空間減衰）、構造的な（例えば壁）、もしくはシステムに起因する境界条件（例えば最大出力電力）によって規定されている。基準無線ノードは空間的に分散されており、相互間の距離もしくは位置は既知である。このため基準無線ノードはそれらの位置関係を介して、１つの基準システム座標系を形成している。
【００６７】
電磁放射エネルギーのソースおよびシンクとして自身のアンテナを備えた無線ノードについて。無線ノードは自身のアンテナ（放射器とも称する）を用いることで、電気信号を電磁波に変換することができ、これとは逆に電磁波のエネルギーを電気信号に変換することができ、次いでこの電気信号をさらに処理することができる。
【００６８】
以下の説明に関しては、空間もしくは物体の寸法に比べれば小さい無線ノードはそれらのアンテナと共に、電磁エネルギーの点状ソースおよび点状シンクと見なされる。
【００６９】
この方法による無線ノードは、それぞれ１つの固有のタイムベースＴを有し、これによって時間発生器Ｚ（Ｔ）がすべてのシーケンスを制御し、それに基づき送信信号が生成され、受信信号が評価される。この方法が実施される中で、時間オフセットおよび周波数オフセットを考慮しなければならず、それらの作用を補正しなければならない。この補正についての詳細は本明細書の対象ではない。この補正が実行されることが、以下の考察では前提とされる。
【００７０】
電磁波の伝播について。電磁波の伝播は、波が伝播する媒体の電気的および磁気的な特性によって規定される。電磁波は、アンテナから放射状および直線状に伝播する。１つの経路に沿った伝播を、伝送関数
【数１】
2021509235.tif 000003
を有する線形時不変系によって表現することができる。１つの経路は、振幅特性α＝ｅ−αｄ（第１の項）と位相特性
【数２】
2021509235.tif 000004
とを介して特徴づけられる。αは減衰係数を表し、ｄは各アンテナ間のパスの電気長を表す。位相特性は、商ｄ／ｃによって決定的に規定される。これは群遅延時間ｔｇとも称され、ここでｃは光の速度である。項ｅ−ωｔｇは、周波数領域における波のｔｇだけの遅延を表す。
【００７１】
１つの無線環境において、空気中の伝播は特に重要であり、その際に波は界面で反射、屈折、回折および散乱する可能性があり、ここで界面とは、空気とは異なる伝播特性を有する立体への移行部のことであると解することができ、それらの立体のことを以下では物体とも称することにする。
【００７２】
したがって物体は、空気とは異なる電気的な材料特性を有する立体であり、これは入射してくる電磁波を基本的には反射させるが、回折、散乱または屈折によっても伝播特性に影響を及ぼす。物体は、電磁波を生成できないし、電磁エネルギーを電気信号に変換することもできない。
【００７３】
ここで述べておくと、界面において位相の跳躍的変化が引き起こされる可能性がある。しかも立体もしくは物体を通り抜けることで、屈折により伝播方向に、さらには波の伝播速度に、影響が及ぼされる。以下の考察に関しては、この作用についてこれ以上は立ち入らない。なぜならばそのことによって、記載内容全体を根本的に変更することなしには、選択されたモデルがいっそう複雑に構成されることになってしまうからである。
【００７４】
基本的に、２点間の放射の伝播に関して、直接的な経路に沿った伝播と、物体での反射を経て進行する間接的な経路に沿った伝播とを区別する。以下の説明において、波の伝播はビームにより表され、これに伴い（ビームの）反射個所は物体表面の１つの点として単純化される。説明をわかりやすくする目的で、物体は点状の反射個所として単純化され、これに伴い界面における連続条件の維持が暗黙的に含意される。
【００７５】
間接的なパスは直接的なパスよりも長い。つまり電磁波はアンテナを用いて生成され、反射個所を介して受信アンテナまで間接的に伝播し、そこにおいてエネルギーの一部分が電気信号に変換される。
【００７６】
受信アンテナにおいて、各々のパスを介して伝播したエネルギーの重畳として電磁界分布が発生する。ｎ個の伝播経路であれば、個々の伝播経路のチャネル伝送関数の重畳として、チャネル伝送関数
【数３】
2021509235.tif 000005
が生じる。このとき、時間領域へのチャネル伝達関数Ｈ（ｊω）の対応する変換を考察すると、チャネルインパルス応答
【数４】
2021509235.tif 000006
が発生する。
【００７７】
さらにここでわかるのは、個々の信号パスは、ファクタαｉにより減衰されて、それぞれ群遅延時間ｔｇ，ｉだけ遅延させられた個別インパルスδ（ｔ）として、チャネルインパルス応答中に表現される、ということである。
【００７８】
ここで呈示した特性によれば、無線環境を伝送特性に関して、空間内の無線ノードおよび物体の空間的分布によりモデリングすることができる。この場合、
・複数の無線ノードのアンテナ間の伝送特性は、伝播パスの線形時変系によって規定されている。
・伝播パスはビームとして表現され、それらの伝送関数は、伝播速度およびパスの長さによって規定されている。
・無線ノードはそれらのアンテナと共に、１つの座標系内の点として単純化され、その際にアンテナは電磁エネルギーのソースおよびシンクとして動作し、それらの給電信号もしくは受信信号は、線形時変伝送システムの入力量を形成し出力量も形成する。
・物体は、１つの座標系内の点として単純化され、その際に相応の伝播ビームもしくは経路の反射個所がそれぞれ表現される。
【００７９】
この方法に関しては、以下のような測定プロセスが前提とされる。すなわちこの測定プロセスの場合、複数の無線ノードおよび物体を有する１つの環境内において、無線ノードを利用することによって相応の入力信号を生成することができ、さらなる処理のために相応の出力信号を供給することができる。
【００８０】
この測定プロセスは、時間領域においても周波数領域においても動作することができる。時間領域では、好ましくはパルス状の信号波形を利用して、チャネルインパルス応答を取得するための基礎が作り出される。周波数領域では、好ましくはランプ周波数信号を適用することによって、チャネル伝達関数を取得するための基礎が作り出される。この測定プロセスによれば、周波数領域においてシステム伝送関数Ｍｉｊ＝Ｆ（Ｈｉｊ（ｊω）；Ｔｏｆｆｓｅｔ，ｉｊ，ｆｏｆｆｓｅｔ，ｉｊ）の導出が行われ、もしくは対応するチャネルインパルス応答ｈｉｊ（ｔ）もしくはチャネル伝達関数Ｈｉｊ（ｊω）による時間領域における等価表現ｍｉｊ＝ｆ（ｈｉｊ（ｔ）；Ｔｏｆｆｓｅｔ，ｉｊ，ｆｏｆｆｓｅｔ，ｉｊ）の導出が、第１の評価ステップにおいて行われる。チャネルインパルス応答もしくはチャネル伝達関数は、無線ノードｊのポジションＰｊ（ｘｊ，ｙｊ，ｚｊ）から無線ノードｉのポジションＰｉ（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）への電磁波の伝播特性を記述しており、ただしポジションＰｊ（ｘｊ，ｙｊ，ｚｊ）において点状ソースにより電磁波が生成され、ポジションＰｉ（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）において、その電磁波のエネルギーが無線ノードｉのアンテナ（点状エネルギーシンク）により電気信号に変換され、無線ノードによりさらに処理される。タイムベースＴｉ間のオフセットから相応の時間オフセットが生じ、それらのオフセットはＴｏｆｆｓｅｔ，ｉｊ＝Ｔｉ−Ｔｊにより規定されている。この場合、Ｔｉｊ＝−Ｔｊｉが成り立つ。
【００８１】
以下の考察に関しては、最初にこの測定プロセスおよび第１の評価ステップが完了しているものとし、関与する無線ノードについてシステム伝送関数が存在している。公知の方法の場合には、パスもしくは累算パスもしくは差分パスの個数および長さが求められた。評価の１つの可能性として、時間領域におけるシステム伝送関数の表現すなわちチャネルインパルス応答が利用され、この場合、信号遅延により時間がずらされているパスを、ディラックのインパルスとしてそのまま導出可能である。測定プロセスが周波数領域において実施されたならば、時間領域における等価表現を最初に求めなければならない。
【００８２】
２  距離情報からの位置情報の導出
以下では、前述の関数もしくは求められたパスに基づく位置情報の導出について言及することにする。
【００８３】
図１には、３つの無線ノードＦ１，Ｆ２，ＦＥの無線ノードセットと物体ＰＯとから成る相応の最小コンフィギュレーションが、二次元で描かれている。この空間にこの方法を当てはめることは、明確にこの方法の一部分である。この描写は、見やすくなるよう平面的な表現として単純化されている。無線ノードＦ１およびＦ２は、トランシーバとして動作する。さらなる無線ノードである無線ノードＦＥは、測定プロセス中、３つの異なる動作モードのうち１つの動作モードで動作する。モード１において、ここでは第３の無線ノードであるさらなる無線ノードＦＥは、トランシーバＦ１およびＦ２のようにトランシーバとして動作する。モード２において、さらなる無線ノードＦＥは、もっぱら送信機もしくはトランスミッタとして動作し、モード３ではもっぱら受信機もしくはレシーバとして動作する。すべての無線ノードについて当てはまるのは、送信動作は割り当てられた時間範囲内でしか行われず、無線ノードセットのうち２つの無線ノードが同時には送信を行わない、ということである。
【００８４】
４つのユニット（３つの無線ノードおよび１つの物体）は二重円として描かれており、その際に内円は、相違をシンボリックに表すものである。破線の内円は物体を表す。黒く塗り潰された内円は、もっぱらトランシーバとして動作する無線ノードＦ１もしくはＦ２を表す。塗り潰されていない内円は、３つの異なるモードのうちの１つで動作するさらなる無線ノードＦＥを表す。
【００８５】
無線ノードセットの無線ノードのうちの２つについて、相互間の距離が既知である。それらの無線ノードは基準無線ノードであり、基準システムを形成する。それらの無線ノードは、空間内のそれぞれ異なるポジションに存在している。したがってそれらの無線ノードは、基準座標系を導入するための基礎を成すものであり、この基準座標系の次元は、空間内でそれぞれ異なるポジションを有する基準無線ノードの個数により規定され、これにより位置関係を導出できるようになる。
【００８６】
ここで呈示した前提に従い、これらのユニットは空間内の点Ｐｉ（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）として単純化され、これらは対応する円の中心点に存在している。伝播経路は、ユニットに属する点において始まり終了するビームによって表現される。実線のビームは、無線ノード間の直接的な伝播経路を表す。破線で描かれたビームは、物体に向かうもしくは物体から到来する伝播経路を表す。電磁波は物体のところで反射し、その後、受信モードにある無線ノードによって処理されるようになる。２つの矢印を有するビームは、伝播パスが双方向で進む、ということを表す。１つの矢印だけしかないビームは、伝播パスが単方向でしか進まない、ということを表す。多くの考えられるコンフィギュレーションの中から、３つのコンフィギュレーションを取り上げることにする。
【００８７】
２．１  コンフィギュレーション：基準ノード：ＦＥ，Ｆ２  テストノード：Ｆ１
第１のコンフィギュレーションの場合、さらなる無線ノードＦＥはもっぱら受信モードで動作する。基準無線ノードはさらなる無線ノードＦＥおよび第２のトランシーバＦ２であり、それらのポジションもしくは距離は既知である。テスト無線ノードは、トランシーバとして動作する無線ノードＦ１である。このコンフィギュレーションの場合、無線ノード間のすべての時間オフセットを求めることができ、つまりは周波数領域における４つのシステム伝送関数Ｍ１２、Ｍ２１、ＭＦＥ，１、ＭＦＥ，２もしくは時間領域におけるｍ１２、ｍ２１、ｍＦＥ，１、ｍＦＥ，２を求めることができる。
【００８８】
無線ノードは点として単純化されたので、無線ノードのところでは反射は生じない。したがって上述のシステム伝送関数各々は、２つの伝播経路Ｗ１およびＷ２に関する情報を含み、ここでＷ１は、無線ノード間の長さＤ（Ｗ１）を有する直接的な経路であり、Ｗ２は、点Ｐ４における物体での反射を介した個々の無線ノード間の長さＤ（Ｗ２）を有する間接的な経路である。
【数５】
2021509235.tif 000007
【００８９】
直接的なパスから求められた距離ＤＰ１，Ｐ２およびＤＰ１，Ｐ３を用いることで、ポジションＰ２もしくはＰ３を中心として半径ＤＰ１，Ｐ２もしくはＤＰ１，Ｐ３を有する２つの円が得られる。テスト無線ノードのポジションは、これらの両方の円の交点に存在する。２つの交点が存在するので、このコンフィギュレーションにおいてテストノードに関するポジション特定は一義的ではない。
【００９０】
物体のポジションを、間接的な経路Ｄｉｊ（Ｗ２）を介して特定することができる。対応する間接的なパスの長さは、１つの三角形の二辺の辺長和を成しており、これらの辺はそれぞれ、関与する両方の無線ノードのポジションにおいて始まり１つの共通の点で終了し、１つの楕円（３Ｄでは１つの楕円体）を生じさせ、この楕円の外周（３Ｄでは外面）上に物体が存在している。したがって物体のポジション特定は、１つの楕円の形状を有する１つの等値線（３Ｄでは１つの等値面）に関してのみ可能である。物体の位置特定のために基準ノードだけしか用いなければ、１つの楕円についてしかパラメータ化できず、したがってこの楕円についてしか位置特定に利用できない。この楕円は、基準無線ノードのポジションＰ２およびＰ３においてその焦点を有し、ここで三角形の二辺の和は長さＤＦＥ，１（Ｗ２）＝ＤＰ４，Ｐ２＋ＤＰ３，Ｐ４を有する。この楕円は、図１の中には描かれていない。
【００９１】
テストノードを取り入れることで見出された結果もさらに位置特定に利用すれば、それぞれ異なる焦点を有する３つの楕円についてパラメータを特定することができる。物体は、これら３つの楕円の交点に存在している。すなわち、
第１の楕円：焦点：Ｐ１およびＰ２、三角形の辺長和Ｄ２，１（Ｗ２）＝ＤＰ４，Ｐ１＋ＤＰ２，Ｐ４
第２の楕円：焦点：Ｐ１およびＰ３、三角形の辺長和Ｄ３，１（Ｗ２）＝ＤＰ４，Ｐ１＋ＤＰ３，Ｐ４
第３の楕円：焦点：Ｐ２およびＰ３、三角形の辺長和Ｄ３，２（Ｗ２）＝ＤＰ４，Ｐ２＋ＤＰ３，Ｐ４
【００９２】
２．２  コンフィギュレーション：基準ノード：Ｆ１，Ｆ２  テストノード：ＦＥ
呈示された第２のコンフィギュレーションの場合、さらなる無線ノードＦＥはテストノードであり、もっぱら受信モードで動作する。トランシーバＦ１およびＦ２は、基準システムを形成する基準ノードである。したがって無線ノードＦ１およびＦ２のポジションは既知である。このコンフィギュレーションの場合、無線ノード間のすべての時間オフセットを求めることはできず、したがって周波数領域における２つのシステム伝送関数Ｍ１２、Ｍ２１もしくは時間領域におけるｍ１２、ｍ２１だけしか、完全に求めることができない。
【００９３】
システム伝送関数は、やはり２つの伝播経路Ｗ１およびＷ２に関する情報を含み、ここでＷ１は、無線ノード間の長さＤ（Ｗ１）を有する直接的な経路であり、Ｗ２は、点Ｐ４における物体での反射を介した個々の無線ノード間の長さＤ（Ｗ２）を有する間接的な経路である。
【数６】
2021509235.tif 000008
【００９４】
無線ノードＦ１とＦ２との間の距離は既知であるので、測定のチェックのためだけに結果を利用することができる。これらの無線ノードを用いても、テスト無線ノードについてのさらなる位置関係を直接的に生成することはできない。
【００９５】
両方の関数は、互いに逆数関係にあるチャネル特性ゆえに密な関係にあるため、間接的な経路Ｗ２に関して抽出可能な情報は等価である。したがってそれらの結果からは、１つの楕円に関する位置情報だけしか抽出できず、詳しくは楕円の焦点Ｐ１およびＰ２、三角形の辺の和Ｄ２，１（Ｗ２）＝ＤＰ４，Ｐ１＋ＤＰ２，Ｐ４だけである。この楕円の位置は図１に描かれている。
【００９６】
ここで言えるのは、周波数領域におけるシステム伝送関数ＭＦＥ，２，ＭＦＥ，１もしくは時間領域におけるｍＦＥ，２，ｍＦＥ，１の代わりに、求められた時間オフセットＴｏｆｆｓｅｔ，２１＝−Ｔｏｆｆｓｅｔ，１２を用いることで、距離差分伝達関数ＨΔ（ＦＥ，１；ＦＥ，２）（ｊω）もしくは時間領域におけるその等価関数ｈΔ（ＦＥ，１；ＦＥ，２）（ｊω）を求めることができる、という点である。この関数の構成要素は、Ｆ２からノードＦＥに伝播する電磁波の遅延に関する、もしくはこれに対し相対的な、Ｆ１からノードＦＥに伝播する電磁波の遅延の差を含む。この関数の抽出可能な遅延によって、距離差分ΔＤ（ＦＥ，１；ＦＥ，２）＝ＤＰ３，Ｐ１−ＤＰＰ３，Ｐ２が得られる。この抽出可能な距離差分を用いることで、無線ノードＦＥの位置情報に関して平面内に１つの双曲線（もしくは３Ｄでは双曲線体）を特定することができる。この双曲線のパラメータは以下のとおりである。すなわち焦点：Ｐ１およびＰ２、それぞれ焦点において始まり双曲線上で１つの点において終了する三角形の辺の和の距離差分ΔＤ（ＦＥ，１；ＦＥ，２）＝ＤＰ３，Ｐ１−ＤＰ３，Ｐ２。この双曲線は図１に描かれている。
【００９７】
このコンフィギュレーションの場合、テストノードの位置は空間内の１つの双曲線関数に沿って制限されており、物体の位置は空間内の１つの楕円の外周上に制限されている。帰属ということに関して、特に双曲線は１つの挑戦である。それというのも考えられるポジションの空間は、長い絶対的な距離を有するポジションも含むからである。
【００９８】
ここで言えるのは、テスト無線ノードが１つのインターバル中にもっぱら送信だけを行い、さもなくば信号を受信しない、という（このコンフィギュレーションに対しテスト無線ノードの視点からは）相補的なテスト無線ノードの動作の仕方であっても、テスト無線ノードに関して、位置情報としてパラメータ化された１つの双曲線しかもたらさない、という点である。
【００９９】
２．３  コンフィギュレーション：すべての無線ノードがトランシーバとして動作
自明のとおり、３つの無線ノードＦ１，Ｆ２，ＦＥすべてがトランシーバとして動作するコンフィギュレーションは、最大量の利用可能な受信信号を供給する。この測定体制は、３つのシステム伝送関数を求めることに基づくものであり、その際に無線ノード間の距離を求めることができる。つまり２つの基準無線ノード間の距離は既知であるので、測定結果の比較によって測定のチェックを行うことができる。２つの距離測定によって既に、平面内でテスト無線ノードのポジション特定が可能であり、その際に２つのポジションが相応の距離条件を満たす。したがってポジション特定は両義的である。
【０１００】
物体のポジションを、間接的な経路を介して特定することができる。対応する間接的なパスの長さは、１つの三角形の二辺の距離または長さの和を成しており、これらの辺はそれぞれ、関与する両方の無線ノードのポジションにおいて始まり１つの共通の点で終了し、１つの楕円（３Ｄでは１つの楕円体）を生じさせ、この楕円の外周上に物体が存在している。したがって物体のポジション特定は、１つの楕円の形状を有する１つの等値線に関してのみ可能である。物体の位置特定のために基準ノードだけしか用いなければ、１つの楕円しかパラメータ化することができず、したがってこの楕円しか位置特定に利用することができない。テストノードを取り入れることで生じた結果もさらに位置特定に利用すれば、それぞれ異なる焦点を有する３つの楕円についてパラメータを特定することができる。物体は、これら３つの楕円の交点に存在している。
【０１０１】
２．４  結論
トランシーバとして動作する無線ノードと、もっぱら送信モードまたは受信モードで動作する無線ノードとに基づくシステムの構造によって、多数のバリエーションが可能となり、このことによってシステム特性の予想が困難になる。
【０１０２】
３つの無線ノードに制限された最小コンフィギュレーションによれば一方では、位置情報の限定された抽出だけしか行うことができない。したがって抽出された位置情報の信頼性を高める目的で、基準システムの無線ノードの個数を増やすことが有用であると思われる。
【０１０３】
ただし、特定の空間への可動性および接近を例えば壁で囲うなど他のやり方で制限する多数の適用事例が存在する。かかる事例においては、２つの基準無線ノードだけしか設けられていないシステムであっても、テストノードの位置に関して信頼性のある情報をもたらすことができ、物体の識別を支援することができる。
【０１０４】
３  伝播特性を求めるための基準ノードシステムの説明
３．１  基準無線ノードシステムおよび資格付与されたテスト無線ノードに関する特徴認識
最初に、無線ノードおよび物体の位置情報を、システム伝達関数を用いて抽出するための可能性について説明した後、方法の一例について、チャレンジ−レスポンス認証法に基づくリレーアタックの識別および防御と関連させながら、例示的に説明することにする。
【０１０５】
システム環境内の伝播特性を測定するために、アンテナ（および対応する送信／受信機能）は、システムが電磁放射を送信しかつそれを再び受信するように構成される。同時に送信および受信することを含むいっそう複雑なアプローチは、この方法の構成要素であるが、この実施例の一部ではない。最も簡単な事例の場合、送信用に１つのアンテナだけが用いられる一方、他のすべてのアンテナは受信モードで動作させられる。図２には、それぞれ１つのアンテナが装備されている互いに離間された５つの基準無線ノードと１つのテスト無線ノードとから成る基準システムが示されている。
【０１０６】
この環境を特徴づけるためアンテナＡＮＴ１〜ＡＮＴ５を、それらがエネルギーを特に重要な領域に決定的に放射するよう、露出された個所にポジショニングするのが望ましい。順々に（ラウンドロビンで）それぞれ１つのポジションから基準信号が送信され、次いでこの信号が他のすべてのアンテナにより受信される。その後、複素信号ベクトル
【数７】
2021509235.tif 000009
を抽出するためにこれらの受信信号が用いられ、その際に決定的には有効信号エネルギーが測定結果から抽出される。これらの信号ベクトルから、無線ノード間のチャネル伝送関数
【数８】
2021509235.tif 000010
と、時間オフセットおよび周波数オフセット
【数９】
2021509235.tif 000011
とを特定することができる。すべての測定が実施された後、求められたすべての信号ベクトル
【数１０】
2021509235.tif 000012
を統合する行列
【数１１】
2021509235.tif 000013
が生じる。
【０１０７】
既述のように、チャネル伝達関数
【数１２】
2021509235.tif 000014
は、測定値の基本的な構成要素であり、ノードｉとｊとの間の伝播特性もしくは種々の伝播パスに関する情報を含む。チャネル伝達関数の１つの重要な特性は、この関数の逆数関係の性質である（伝送特性は方向には依存しない）。すなわち、
【数１３】
2021509235.tif 000015
この特性は完全性解析に影響を及ぼす。この制約に留意しながら上述の特性を、位置に依存する鍵の生成および対応する暗号化技術の実装のためにも用いることができる。逆フーリエ変換を介してチャネルインパルス応答
【数１４】
2021509235.tif 000016
を導出することができ、これを介して直接的および間接的なパスの長さを抽出することができる。
【数１５】
2021509235.tif 000017
逆フーリエ変換に対する代案は、固有値解析または信号分類である。
【０１０８】
要素
【数１６】
2021509235.tif 000018
は、送信および受信されるエネルギーを分離することができる限りでは（高い分離特性が必要とされる）、個々のポジションにおけるシステム特性を表す。これによれば、このアンテナそれ自体の伝送関数の様子が生じる。この特性が実装されていなければ、対角要素はすべてゼロである。
【０１０９】
細分化された処理のためには、周波数オフセットおよび時間オフセットなど、抽出の枠内で発生するシステム固有のパラメータが必要とされる。理想的な時間基準からの、つまりは水晶許容範囲からの偏差により決定的に規定される周波数オフセットは、比較的長い期間にわたり安定していると見なすことができる。ただし時間オフセットは多くの未知のものに依存しており、それらは測定過程ごとに新たなコンステレーションを形成する。よって、計算された時間オフセットは、１つの測定過程の長さにわたってのみ有効であり、この期間内では決定論的であるとして扱うことができる。しかも、システム構成要素の個々の認識を可能にするさらなる個々のパラメータも存在する。これは理想的な特性からの固有の偏差を表し、相応のモデルおよび比較法を介して導出可能である。
【０１１０】
１つのシステムは通常、別の構成要素と相互に作用し、それらの構成要素はいっそう大きい全体システムの一部分であり、それゆえシステムリソースにアクセスすることになる。１つのアクセスシステムの事例では、さらなる物体を識別してアクセス領域へのそれらのアクセスを可能にするように、解決手段が整合されている。それらの存在（付加的な反射による伝播特性の変化）およびそれらの機能（電磁放射、妨害放射の送出）だけで、それらはある程度、無線環境を変化させ、もしくは無線環境を拡張する。
【０１１１】
これらの変化について以下で考察することにする。図２には、鍵（資格付与された構成要素）が存在しているときのアクセスシステムの例として、既に上述のように拡張された無線環境Ａ*が示されている。この具体的な事例では、鍵の作用を広い意味合いで理解されたい。それというのも、鍵はその携行者（人間）と関連して無線環境に作用を及ぼすからである。テスト無線ノードの携行者を、物体として認識することができる。この場合、テスト無線ノードと、携行者により表現されるテスト無線ノード物体との結び付きが発生する。
【０１１２】
テストノードおよび相応に対応づけられた物体が加入すると、伝播条件の変化が引き起こされる。最も簡単な事例の場合、アクセスシステムは、変化させられた伝播特性のみに基づいて、環境内の変化を推定することができる。運動プロフィルに至るまでの位置情報の抽出は、受動的な物体についても可能である。
【０１１３】
能動的な事例の場合、すべてのアンテナは（付加的な構成要素のアンテナも含め）、基準信号を送信しかつ電磁エネルギーを受信することができ、受信された信号は、例えば有効信号および妨害信号の推移に関してもノイズ特性に関しても解析される。システムが少なくとも１つのテスト無線ノードによって拡張されることで、測定結果の行列の拡張がもたらされる。
【数１７】
2021509235.tif 000019
測定プロセスにテスト無線ノードを含めることによって、拡張された無線環境Ａ*の特有の特徴が発生するように、無線環境Ａの特徴を拡張することができる。図２には、テスト無線ノード、例えば鍵内に含まれるテスト無線ノードが測定プロセスに取り入れられるときに、拡張された測定オプションが描かれている。
【０１１４】
相応の行列ＭＡが、付加的な無線ノードごとに１行および１列だけ大きくなって、行列ＭＡ*となる。
【数１８】
2021509235.tif 000020
行列要素
【数１９】
2021509235.tif 000021
は基本的に、チャネル伝達関数
【数２０】
2021509235.tif 000022
と、リンク固有の時間オフセットおよび周波数オフセットとによって形成される（リンクとは２つの構成要素間の結び付きを意味する）。
【０１１５】
チャネル伝達関数はこのとき、付加的な構成要素による伝播特性の受動的な変化も含むし、測定シーケンスに組み入れることで発生した付加的な特性も含む。これに応じて、チャネルインパルス応答
【数２１】
2021509235.tif 000023
の拡張された行列ももたらされ、これは伝播パスの変化に関する情報を含む。ここで注意が大切であるのは、伝播条件がすべての側面において変化したわけではないので、行列ＭＡおよび行列ＭＡ*の要素は互いに独立したものではない、という点である。特徴抽出および対応する完全性テストおよび妥当性テストにおいて、このことを利用することができる。
【０１１６】
同様のことは、周波数オフセットおよび時間オフセットなどのように抽出の枠内で発生したシステム固有のパラメータについても当てはまるし、個々の構成要素のさらに抽出された固有の特性についても当てはまる。
【０１１７】
３．２  リレーアタックの事例における無線環境の変化
このセクションでは、リレーアタックの事例における無線フィールド識別／完全性チェックのパラメータ／特徴の変化について言及する。リレーアタックは根本的に信号の転送に基づくものであるので、この攻撃を複数の無線環境の連鎖と見なすべきであり、それらの無線環境は、各々それ自体がそれらの相互作用の形態で、基準ノード信号およびテスト無線ノード信号の伝播およびそれらの評価に影響を及ぼし、ひいては新たな無線環境を形成する。図３には、この種の攻撃におけるコンステレーションが概略的に示されている。結果として、ここではＡ−で表された１つの無線環境が発生する。この無線環境を、個々の無線環境の作用が結合したものと見なすことができる。
【０１１８】
テスト無線ノードＡＮＴ６は、ある無線環境においてその帰属／存在に関してチェックすべき構成要素として、基準無線ノードＡＮＴ１，ＡＮＴ２，ＡＮＴ３，ＡＮＴ４およびＡＮＴ５から成るアクセスシステムもしくは基準システム１の到達距離外に存在している。ある攻撃が、アタッカ２および３によるリレーシステムを介して行われ、このリレーシステムは、第１のアタッカ２のアンテナＡＮＴ７，１およびＡＮＴ７，２ならびに第２のアタッカ３のアンテナＡＮＴ８，１およびＡＮＴ８，２を経由して形成される。第１のアタッカ２はアクセスシステムの環境に加わり、その際にＡ*環境特性を形成する一方、第２のアタッカ３は鍵所有者つまりテスト無線ノードＡＮＴ６に近づく。より詳しく見ると、リレーアタックにおいて３つの無線環境が相互作用に関わるのがわかる。すなわち、
・アクセスシステム１の環境Ａの特性を担う付加的な構成要素が存在するときのアクセスシステム１の拡張された環境Ａ*  ＡＮＴ１〜５⇔ＡＮＴ７，１。この場合、アンテナＡＮＴ７，１およびＡＮＴ７，２による第１の攻撃システム２は、アクセスシステム１の環境Ａにおいて、資格付与されたシステム（４）が存在しているならば生成されるであろうものと同様の伝播条件の変化を生成する。
・２つのアタッカ２と３との間のリレーシステムの環境Ｂ（ＡＮＴ７，２⇔ＡＮＴ８，１）
・鍵もしくはテスト無線ノードＡＮＴ６の環境Ｃ（ＡＮＴ８，２⇔ＡＮＴ６）
【０１１９】
時間および距離の制限（ディスタンスバウンディング）に関係するセキュリティ措置を信号ベクトル測定に基づき自身のストラテジに取り入れるリレーアタック（テロリストアタック）は、（A. R. S. C. Hildur Olafsdottir, "On the Security of Carrier Phase-based Ranging", https://www.researchgate.net/publication/254008732_Physical-layer_attacks_on_chirp-based_ranging_systems, Proceedings of Cryptographic Hardware and Embedded Systems (CHES)に示されているように）最短パスの表現に傾注するものである。信号特性の変更によって、群遅延時間に起因する位相シフトの影響が相殺される。その際に、この方法に内在する周期性およびそれに付随して現れる距離の多義性が利用される。
【０１２０】
この場合、特性の点で無線環境ＡおよびＡ*に対し高度な共通性を有し、したがって環境Ａの抽出された特徴に対する完全性テストおよび妥当性テストのために相応の結び付きを形成する、あらゆる一連の要素が生じる（それらはいわば、アクセスシステムが環境を評価する特徴抽出の出発点を形成する）。しかも、リレーシステムを介して無線環境Ａ→Ａ*、ＢおよびＣを互いに結び付けるコンフィギュレーションが発生する。一方では、アクセスシステム１の環境ＡもしくはＡ*と、リレーシステム２および３の環境Ｂを特徴づける情報が、鍵システム４の環境Ｃに移され、そこにおいて鍵によって受信される。他方では、鍵無線環境Ｃおよびリレー無線環境Ｂの情報／特徴が、リレーシステムを介してアクセスシステムの基準無線ノードへと搬送される。個々の無線環境は、いわばそれらの反射特性において重畳される。データ通信を介して、鍵とアクセスシステムとは暗号化された形態で通信を行うことができ、その際、特徴チェックの様々な結果を互いに交換することができるが、リレーシステムはそれに作用を及ぼすことができない。このことによって、両方の側（アクセスシステムとタグ）において様々の特徴を評価する際にコーディネートされた手法が可能となる。
【０１２１】
テスト無線ノードによるアクセス要求の前段階で、アクセスシステムはデータベースを構築し、これを最新の状態に維持する。このデータベースは、アクセスシステム１の無線環境Ａに限定される。
【０１２２】
システムがアクセス要求を受け取るとただちに、測定プロセスが付加的な鍵構成要素４の分だけ拡張されたときに生じる付加的な行および列を含む拡張された行列が発生する。これらの結果は、特徴抽出および妥当性チェックのために利用される。
【０１２３】
資格付与されたアクセスとリレーアタックの識別とは区別される。求められた測定値は、この２つのカテゴリについて評価される。複数の特性／テストに関して抽出された（測定された）信号ベクトルの行列が肯定的に評価されれば、そのアクセス要求は資格付与されたアクセスと見なされることになる。求められた信号ベクトルは、信号ベクトル行列ＭＡ*に特有の形態に相応する。リレーアタックの場合、求められた信号ベクトル行列は、信号ベクトル行列ＭＡ−に特有の形態に相応し、このことから相応の特性／テストに基づきリレーアタックを識別することができる。これら両方の行列は、以下の式において完全に表現されている。
資格付与されたアクセス：
【数２２】
2021509235.tif 000024
リレーアタック：
【数２３】
2021509235.tif 000025
【０１２４】
無線フィールドＡ内の存在に基づく同値。このセクションではまずは、アクセスシステムの環境における伝播特性の変化を表す構成要素について傾注する。
【０１２５】
最初に、このカテゴリに割り当てられた行列要素
【数２４】
2021509235.tif 000026
、ただしｉ，ｊ＝１〜５、について考察する。
【０１２６】
リレーシステム（ＡＮＴ７，１⇔ＡＮＴ７，２）の部分システム２はアクセスシステム１の環境内に位置しているので、このシステムの存在によっても以下のような信号ベクトル内の変化しか生成しない。すなわちこの変化は、無線環境Ａから考えられる環境Ａ*（つまりはＡ*の特徴空間の一部）への遷移に関しては最初の順序として妥当な変化である。とはいえ測定結果は、アクセスシステムの領域内での動きを著しく効果的に表し、したがって運動プロフィルを抽出できるようになる。ここでテスト無線ノードにおける（例えば鍵内、スマートフォン内の）慣性センサ機構によって解析を拡張すれば、鍵側における動きの特徴がアクセスシステム側の動きとどの程度まで一致しているのかについて、妥当性テストにより検証することができ、このようにして攻撃を検出することができる。
【０１２７】
無線フィールドＡ*の付加的な要素に関する同値。最初に、鍵４もしくはテスト無線ノードＡＮＴ６およびリレーシステム２および３もしくはＡＮＴ７，１⇔〜⇔ＡＮＴ８，２をそのまま取り入れることで導出される信号ベクトルについて考察する。権限付与されたアクセスの場合、鍵は無線環境Ａ*の一部であるのに対し、リレーアタックの場合、３つの伝達関数の連鎖が発生する。すなわち、
・ＡＮＴ１−５⇔ＡＮＴ７，１→Ａ*
・ＡＮＴ７，２⇔ＡＮＴ８，１→Ｂ
・ＡＮＴ８，２⇔ＡＮＴ６→Ｃ
モデルにおいてこの過程を表現する目的で、対応するチャネル伝送関数が環境Ａ*、ＢおよびＣに結合される。したがってリレーアタックの際の信号ベクトル行列内における変化を、以下の関係によって表現することができる。
資格付与されたアクセス：
【数２５】
2021509235.tif 000027
リレーアタック：
【数２６】
2021509235.tif 000028
【０１２８】
リレーアタックシステム２のＡＮＴ７，１は無線環境Ａ*の一部であるので、要素
【数２７】
2021509235.tif 000029
は、資格付与された要素
【数２８】
2021509235.tif 000030
の空間の一部であり、ただしすべてｊ＝１〜５、さらに要素
【数２９】
2021509235.tif 000031
は、要素
【数３０】
2021509235.tif 000032
の資格付与された空間の一部であり、ただしすべてｉ＝１〜５である。
【０１２９】
これに対し、要素
【数３１】
2021509235.tif 000033
は、無線環境Ｂ内の伝播条件を表しており、要素
【数３２】
2021509235.tif 000034
は、無線環境Ｃの伝播特性を反映している。これらの環境を進行する際、環境ＢおよびＣを介した直接的なパスに加え、これらの環境内に存在する間接的な伝播経路も反映される。
【０１３０】
アクセスシステムに対して、環境Ａ*に相応する鍵４の距離を表現する目的で、周波数領域に基づく方法を利用した場合には、位相特性を整合させる必要がある。A. R. S. C. Hildur Olafsdottir, "On the Security of Carrier Phase-based Ranging", https://www.researchgate.net/publication/254008732_Physical-layer_attacks_on_chirp-based_ranging_systems, Proceedings of Cryptographic Hardware and Embedded Systems (CHES)に記載されているように、このことは通常、距離周期（ディスタンス−ラップ−アラウンドDistance-Wrap-Around）の倍数により反復される位相特性の多義性を利用することによって行われる。周波数ステップ幅が既知であれば、対応する遅延が挿入され、これによって直接的な伝播経路がいわば環境Ａ*の認識のために有効な領域にシフトされる。
【０１３１】
しかしこの補正によっても、本来の直接的なパスと（リレーシステムＢおよび鍵Ｃの個々の無線環境内に）存在している間接的なパスとの関係はそのままにされており、つまり環境ＢおよびＣのすべての間接的なパスは、鍵側およびアクセスシステム側における測定結果に現れる。環境ＢおよびＣに間接的なパスが存在しているならば、それらのパスによって、空間Ａ*内の正当な特徴分布に対し偏差が引き起こされることになり、それらの偏差を妥当性テストおよび完全性テストによって識別することができる。それぞれ鍵もしくはアクセスシステムに伝達されるリレー信号を、環境ＢおよびＣの間接的なパスの影響について清算することは（これはリレーシステムによって行われなければならない）、直接的なパスの補正の複雑さを何倍も上回る複雑さをもたらすことになる。
【０１３２】
しかも、リレーシステム２、３の内部の特性による影響も予期することができる。
・ＡＮＴ７，１｜ＡＮＴ７，２
・ＡＮＴ８，１｜ＡＮＴ８，２
【０１３３】
一方では、位相特性の整合によって、例えばデバイスに固有の特性（周波数オフセット）または測定過程に固有の特性（時間オフセット）のような別の特有の特徴に影響が及ぼされる、ということが見込まれる。実装（例えば周波数変換および無線を介した伝送、自由空間減衰を補正するための増幅を伴うアクティブな双方向ケーブル接続など）に応じて、検出可能な歪みがもたらされる。
【０１３４】
検出のために、上述の時間オフセットおよび周波数オフセットに加え、様々なシステムパラメータの捕捉および制御が勧められる。これについては、受信機および送信機の相応の増幅調整および発振器の求められた位相オフセットが考慮の対象となる。測定された直接的なパスを操作する目的で、攻撃システムは位相特性を変更する一方で、システムおよび接続に依存するこれらのパラメータの追跡によって、リレーシステムに課される要求が高められる。それというのも、すべての歪みを検出閾値よりも小さく維持しなければならないからである。
【０１３５】
最後に述べておきたいのは、間接的な伝播経路に関する不一致を検出できることに加え、狭帯域の周期時間測定によって伝播特性の操作に対し狭い制限も設定される、ということである。
【０１３６】
４  拡張された特徴セットに対する完全性テストおよび妥当性テスト
これまでのセクションでは、無線ノードおよび物体の認識について、基準システムの無線環境の完全性をチェックするためにシステム伝達関数を評価することと関連させて説明してきた。その際に最初に、測定技術的に求められたシステム伝達関数と関連させて物体および無線ノードの表現を実現する相応のモデルについて説明した。その後、システム伝達関数から抽出された伝播経路に基づく位置情報の導出について示した。これらに加え、周波数領域におけるシステム伝達関数の解析について説明した。補足として、周波数オフセット、時間オフセットおよび位相オフセットなど、接続に固有のパラメータを特徴解析に組み入れた。
【０１３７】
図４には、無線ノードおよび物体の認識による伝達関数の解析を介した無線環境の完全性チェックによって、チャレンジ−レスポンスに基づく認証法を使用するアクセスシステムのセキュリティがどのようにして高められるか、について描かれている。
【０１３８】
狭帯域の時間ベースの周期時間測定方法によって既に実現されるような、滞在ゾーンを確立する簡単な方法（ディスタンスバウンディング）を補うことができ、それによってセキュリティを高めることができる。基準システムとテスト無線ノードとの側で求められた時間オフセットおよび周波数オフセットを取り入れることで、さらなる関連するテストを定義できるようになり、つまりは信頼レベルを高めることができるようになる。
【０１３９】
絶対的な時間および距離を測定するための既存の可能性と関連して、無線ノードをその無線環境内で一義的に識別できるようにする特徴空間が発生する。チャネル占有スキャンおよび記録の統計によって、妨害フィールドの影響に対する推定が可能となり、やはり対応する完全性テストに作用を及ぼすことができる。既述の特徴に加えて、運動プロフィルを抽出するためにさらなるセンサ機構を利用する可能性も存在する。この目的で、物体の姿勢もその運動も検出する慣性センサ機構が提供される。
【０１４０】
例えばサポートベクター法（英語ではSupport Vector Machine）などの分類解析を介して、測定結果の妥当性および完全性ひいては環境内における無線ノードの存在を検証することができる。
【０１４１】
環境固有の物体および無線ノードの識別およびそれに応じた位置情報の算出への拡張によって、センサデータを位置関係に単純化できるようになり、つまりは完全性チェックに取り入れ可能な高価値の特徴を生成できるようになる。しかも、求められた測定データによって、付加的な品質パラメータの導出に利用可能な優決定方程式系がもたらされる。
【０１４２】
さらなる物体の認識による拡張によっても、分類品質が強化される。
【０１４３】
この場合、以下を区別する。すなわち、
・基準無線ノードと構造的に結合された基準物体、
・テスト無線ノードと構造的に結合されたテスト物体、
・基準物体およびテスト物体のすぐ近くの環境内の環境物体。
【０１４４】
この手法によって、完全性チェックを定量的かつ定性的に実装できるようになる。肯定的にチェックすべき最小数のテストを確定するために考えられる手法には、以下の観点を含めることができる。
１．（そもそも）物体が基準システムにより認識されて、位置関係（最も簡単な事例では距離、距離差分の等値線、あるいは距離和または累積距離の等値線も）が抽出されたか？
２．テストノードを取り入れることで物体が認識されたか、もしくはテストノードの測定結果において認識されたか？
３．テスト無線ノードが基準システムにより認識されて、位置関係（最も簡単な事例では距離、距離差分の等値線、あるいは距離和または累積距離の等値線も）が抽出されたか？
４．物体認識
ａ．物体の求められた位置情報が、予め定められた許容範囲内でテスト無線ノードの位置情報と一致しており、したがって物体がテスト無線ノード物体であると推定できるか？
ｂ．基準システムにより基準無線ノードを利用して求められた物体が、基準システムによりテスト無線ノードを取り入れることで求められた物体と意味のある関係にあるか？例えば、
ｉ．テストノードを取り入れることで付加的な物体が識別されるか？
ｉｉ．テスト無線ノードを取り入れた物体認識の結果は、もっぱら基準ノードを使用した物体認識の結果を裏付けているか？例えばポジション特定における信頼レベル（Confidence Level）が上がっているか、またはＲＡＩＭ（Receiver Autonomous Integrity Monitoring）を利用した信頼レベルが下がっているか？
ｃ．求められた位置情報に従い、テストノードおよびテストノード物体が基準ノード座標系内の予め定められた領域内に存在しているか？
ｉ．テストノードが基準システムまでの最大距離内に存在しているか？（ディスタンスバウンディング）
ｉｉ．テストノードがターゲットポジション周囲のゾーン内に存在しているか？（ゾーニング）
５．運動プロフィル
ａ．測定プロセスにテスト無線ノードを取り入れることで基準システムにより求められた物体運動プロフィルの信頼レベル（Confidence Level）が上がっているか、または例えばＲＡＩＭ（Receiver Autonomous Integrity Monitoring）を利用した信頼レベルが下がっているか．．．。
６．センサ融合
ａ．物体および無線ノードの認識により抽出された運動プロフィルの特有の特徴のチェック
ｂ．慣性センサ機構をベースとする運動プロフィルの評価に基づく位置測定ベースの運動認識の特有の特徴の比較
【０１４５】
この場合、通常、もっぱら基準無線ノードの測定結果を利用して得られた結果が、テスト無線ノードを付加的に取り入れたことで得られた結果と比較される。ここですぐにわかるのは、この手法により多くの特有のセンサデータを求めることができる、という点である。したがって、大量のデータを迅速に所定数の判定基準に低減する目的で、高価値の特徴の抽出が重要である。その際にＫＩ法を用いることもできる。
【０１４６】
５  測定プロセス
図５には、無線測定用途のための本発明による方法のさらなる択一的な実施形態を実施するための、３つの無線ノードＦ１、Ｆ２およびＦＥの配置構成が図式的に示されている。３つの無線ノード各々はそれぞれ、受信ユニットＲＸ、送信ユニットＴＸ、データインタフェースＤＳ１もしくはＤＳ２もしくはＤＳ３（無線インタフェースと同一でもよい）、および固有の時間発生器Ｚ（ｔ）もしくはＺ（ｔ’）もしくはＺ（ｔ’’）を有する。さらにこれらの無線ノードは、受信した信号ベクトルを入力信号ベクトルとして送信ユニットに供給できるようにするユニットを有する。送信信号は、チャネル伝達関数によって規定されている伝播媒体（ＰＭ）を介して、無線ノード間で伝送される。
【０１４７】
無線ノードを区別するために、対応する量はダッシュ（例えばｆ’ｐ、ω’ｐ、ｔ’，．．．の周波数および時間）によって表されている。
【０１４８】
所属の時間発生器Ｚ（ｔ）、Ｚ（ｔ’）およびＺ（ｔ’’）はそれぞれ１つの水晶発振器を含み、個々の無線ノードの個々のタイムベースｔ、ｔ’もしくはｔ’’のためのタイムスケールを予め定める。
【０１４９】
時間発生器はそれぞれ、個々の無線ノード内のシーケンス制御のための時間基準を生成する。このシーケンス制御によって、個々の無線ノード内のすべての関連する機能ブロックの経時的特性が制御される。シーケンス制御によって、周波数変更に対する時点も予め定められる。
【０１５０】
ここで述べておくと、時間長ＴＭＵ、Ｔ’ＭＵもしくはＴ’’ＭＵはそれぞれ予め定められた最小タイムインターバルを表し、この場合、最小タイムインターバルは測定単位時間ＴＭＵとも呼ばれる。
【０１５１】
ここで前提とするのは、時間発生器が個々のタイムベースから導出された等しい単位で進む、ということである。時間発生器間に周波数オフセットが存在するというのであれば、方法を実施するためにこの周波数オフセットを補正しなければならない。
【０１５２】
図６には、３つの無線ノードを用いた本発明による方法のシーケンスが、個々の時間軸ｔもしくはｔ’もしくはｔ’’上に、具体的に示されている。個々のタイムベース間には、それぞれ時間オフセットＴｏｆｆｓ，１もしくはＴｏｆｆｓ，２が存在する。
【０１５３】
１つのステップシーケンスは３つのステップから成り、この場合、第１のステップＳ１において、無線ノードＦ１が送信モードで初期信号ＴＦ１を送信し、この信号は両方の無線ノードＦ２およびＦＥにより受信され、第２のステップＳ２において、無線ノードＦ２が応答信号ＴＦ２を送信し、この信号は無線ノードＦ１およびトランスポンダＦＥにより受信され、さらに第３のステップＳ３において、無線ノードＦＥが応答信号ＴＦＥを送信し、この信号は無線ノードＦ１およびＦ２により受信される。
【０１５４】
このステップシーケンスはタイムインターバルＴＳＦを占め、複数回にわたり反復され、その際に周波数ωｐ、ω’ｐ、ω’’ｐがステップ幅ωｓｔｅｐだけ変更され、ここでインデックスｍは反復を表す。送信信号は、少なくとも１つのステップシーケンス中、つまりタイムインターバルＴＳＦ中、コヒーレントである。
【０１５５】
ここで述べておくと、この方法は以下を含む。すなわち、
・個々の無線ノードのために１つまたは複数の送信窓もしくは受信窓を有するステップ、
・個々の無線ノードの時間長ＴＳＦ、Ｔ’ＳＦもしくはＴ’’ＳＦを有する少なくとも２つのステップを含むステップシーケンス、
・時間長ＴＺ、Ｔ’Ｚもしくは時間長Ｔ’’Ｚを有する一連のステップシーケンスとしての測定サイクル、
・一連の測定サイクル。
【０１５６】
各ステップシーケンスは送信領域および受信領域を有し、これらの領域はそれぞれ送信窓と受信窓とに分割されている。送信窓もしくは受信窓の時間長は、ＴＭＵ、Ｔ’ＭＵもしくはＴ’’ＭＵである。
【０１５７】
ここで述べておくと、インデックスｎは、複数のステップシーケンスのうち１つのステップシーケンス内において時間窓の位置を表し、期間ＴＳＦ＝ｎｍａｘ・ＴＭＵを有する。このインデックスは、値範囲ｎ＝０，１，．．．（ｎｍａｘ−１）を有しており、この場合、ｎｍａｘは測定サイクルの具体的な設計により規定される。
【０１５８】
インデックスｍは、測定サイクル内においてステップシーケンスの位置を表し、ただしｍ＝０，１，．．．（ｍｍａｘ−１）である。ｍｍａｘは具体的な実装により規定され、特に、伝送関数を求めるべき周波数の個数に依存している。一連のステップシーケンスは測定サイクルと称せられる。無線ノードＦＩの１つの測定サイクルは、長さＴＺ＝ｍｍａｘ・ＴＳＦを有する。無線ノードＦ２の１つの測定サイクルは、長さＴ’Ｚ＝ｍｍａｘ・Ｔ’ＳＦを有する、という具合である。
【０１５９】
位相コヒーレンスに関して述べると、トランスポンダの送信ユニットおよび受信ユニットは、時間発生器Ｚ（ｔ）ならびに時間および周波数シーケンス制御と共に、位相コヒーレントな領域を形成している。
【０１６０】
無線ノードの位相コヒーレントな領域が、要求される時間長に関して、すなわち任意の個数のステップに関して、特徴としているのは、送信ユニットが送信を行う１つのステップシーケンス内のすべてのインデックスｎについての送信信号ＴＦＫ（ｍ，ｎ）の位相ポジションと、受信ユニットが受信を行う１つのステップシーケンス内のすべてのインデックスｎについての受信ベクトルＲＦＫ（ｍ，ｎ）を求めるための基準位相との間に、固定的な関係がある、ということである。
【０１６１】
位相コヒーレンスが１つのステップシーケンスに制限されているならば、コヒーレンス長は無線ノードＦ１についてＴＳＦとなり、もしくは無線ノードＦ２についてＴ’ＳＦとなる、という具合である。位相コヒーレンスが１つの測定サイクルに拡げられるならば、無線ノードＦ１についてコヒーレンス長はＴＺであり、もしくは無線ノードＦ２についてコヒーレンス長はＴ’Ｚである、という具合である。一連の測定サイクルにおいて、コヒーレンス長は相応にこれら一連の測定サイクルの時間長まで長くなる。
【０１６２】
自明のとおり、過渡応答プロセスによって特徴づけられている移行領域は、コヒーレンスに対する要求からは除外されている。個々の無線ノードの位相コヒーレンスに関する要求ゆえに、無線ノード同士の位相コヒーレンスが得られるのは、時間発生器が所定の時間オフセットだけで異なっており、その他の点では両方のノードが、ＴＭＵ、Ｔ’ＭＵもしくはＴ’’ＭＵに基づく同じ経時的な流れに従っており、受信特性と送信特性とが互いに相補的な場合である。
【０１６３】
無線ノードの受信ユニットＲＸは、受信された信号を時間離散表現に移行させる。受信結果ＲＦ１、ＲＦ２およびＲＦＥを以下では受信ベクトルと称する。
【０１６４】
受信ベクトルＲＦＫ（ｍ，ｎ）は複素数の形式を有しており、その際に値は受信された信号の値に比例しており、個々のタイムベースに対し相対的に離散的な時点で特定され、例えばＦ２についてはタイムベースｔ’に対し相対的に時点ｔ’＝ｎ・*Ｔ’ＭＵ＋ｍ・Ｔ’ＳＦで特定される。
【０１６５】
しかもトランスポンダＦＴは、受信信号ＲＦＫから関数Ｆ（ＲＦＫ，．．）を用いて、信号ベクトルＶＦＫを求め、データインタフェースＤＳ−ＦＫを用いることで交換するように、設計されている。
【０１６６】
対応する表現について、略語ＦＫは個々の無線ノードに関連づけられたものである。
【０１６７】
本発明による方法の第１のモードを実施できるようにする目的で、無線ノードは付加的に、信号ベクトルＶＦＫを送信ユニットＴＸに伝達し、送信ユニットＴＸを用いてさらに処理し、それに基づいて次の送信信号を生成するように、設計されている。
【０１６８】
時間および周波数制御部ＺＦＳ１もしくはＺＦＳ２は、時間単位ＴＭＵに基づき動作し、すべての関連する状態変更（信号ベクトルのサンプリング、ＲＸ／ＴＸ−ＴＸ／ＲＸの移行、周波数変更）が、個々の時間発生器により予め定められたタイムベースと固定的に結び付けられており、それらに関連づけ可能である、ということを保証する。
【０１６９】
無線ノードの時間および周波数制御部ＺＦＳは、以下の役割も担っている。すなわち、信号およびベクトルの間のコヒーレンスが要求された長さにわたり維持されたままになるようにし、つまり過渡応答プロセスを考慮し、すべての機能ユニットが移行領域においても線形の調整領域にあるようにする（特に周波数発生器、ＰＬＬ）。
【０１７０】
これにより時間および周波数制御部ＺＦＳはそれぞれ、位相コヒーレントな領域ＰＤを形成し、この領域において高周波合成、対応する送信ベクトルの生成、および受信ベクトルの抽出が、互いに位相の面で固定的な関係におかれている。
【０１７１】
１つのステップシーケンスの反復によって１つの測定サイクルが形成され、この場合、ステップシーケンスが完了するたびにｍが増分され、ωｐが要求に従って選定される。周波数掃引の事例では、ωｐが測定サイクルごとにωｓｔｅｐだけ高められる。
【０１７２】
仕様選定にあたり、個々の過渡応答プロセスにも、大まかな同期合わせにより達成可能な最大の時間オフセット変動の限界にも、留意しなければならず、それに応じてステップ遅延インターバルもしくはガードインターバルＴＳＶを設計しなければならない。
【０１７３】
求められた信号ベクトルに基づき、システム伝達関数の周波数離散サンプリングが行われる。これによって、時間オフセットおよび周波数オフセットを、また、対応するチャネル伝達関数も、別個に求めることができるようになる。
【０１７４】
６  まとめ
周波数領域ベースの信号ベクトル測定システムに対するリレーアタックストラテジについて発表されたアプローチは、直接的なパスの位相特性のみに傾注するものである。しかしながらここで呈示した技術つまり本発明による方法は、多経路の波伝播の特性を取り入れて、簡単な手法で付加的に妨害エネルギー分布に対する推定を下すことができるようにするものである。周波数オフセットなど無線ノード固有の特性、および時間オフセットなど測定シーケンスに起因するランダムなパラメータと結び付けることで、ある１つの環境を一義的に識別する拡張された特徴セットが生じる。
【０１７５】
分類およびパターン認識のための機械学習法を取り入れた妥当性テストおよび完全性テストを用いることで、環境ベースの安全な認証のためにそれらの特徴を使用することができ、つまりは首尾よくリレーアタックを検出して防御することができる。
【０１７６】
成功を収めるリレーアタックを実施するために使用される信号の解析および変更にかかる手間は、著しく煩雑であり現在の技術的手段では実現不可能と見なされる。
【図１】
2021509235.tif 000035
【図２】
2021509235.tif 000036
【図３】
2021509235.tif 000037
【図４】
2021509235.tif 000038
【図５】
2021509235.tif 000039
【図６】
2021509235.tif 000040
【手続補正書】
【提出日】平成31年4月30日(2019.4.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
独国特許発明第１０２００９０６０５０５号明細書、独国特許出願公開第１０２００９０６０５９３号明細書、独国特許発明第１０２００９０６０５９２号明細書から、または独国特許出願公開第１０２００９０６０５９１号明細書からも、２つの無線ノード間の距離測定のための択一的方法が公知である。米国特許出願公開第２００５／０２２８６１３号明細書から、拡張可能なポジション測定システムが公知である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
A. R. S. C. Hildur Olafsdottir, "On the Security of Carrier Phase-based Ranging", https:// www.researchgate.net/publication/254008732_Physical-layer_attacks_on_chirp-based_ranging_systems, Proceedings of Cryptographic Hardware and Embedded Systems (CHES)から、信号ベクトル測定に基づきリレーアタックを認識するディスタンスバウンディング方法が公知である。
米国特許出願公開第２０１４／０３７５４２０号明細書から、それぞれ異なる距離測定の比較によりリレーアタックを防御する方法が公知である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに離間された少なくとも３つの無線ノードから成る無線ノードセットを有する無線環境への無線ノードおよび物体の帰属をチェックする方法であって、
前記無線ノードセットの各無線ノードは、それぞれ１つの無線インタフェースと固有の時間発生器とを有し、
前記無線ノードの前記時間発生器間にそれぞれ時間オフセットが存在し、
前記無線ノードセットのうち少なくとも２つの無線ノードは、基準無線ノードであり、各基準無線ノードからさらなる基準無線ノードまでの距離は、既知であり、前記基準無線ノードは、１つの無線環境を有する１つの基準システムを形成し、
前記無線ノードセットのうち少なくとも１つの無線ノードは、テスト無線ノードであり、前記基準システムの前記無線環境への少なくとも１つの前記テスト無線ノードの帰属をチェックし、
前記方法は、測定プロセス、次いで評価プロセス、さらに比較プロセスを含み、
前記測定プロセス中、前記無線ノードセットの無線ノードにより信号を送信および受信し、
前記測定プロセス中、前記無線ノードセットのうち少なくとも２つの無線ノードがトランシーバとして動作し、少なくとも１つの無線ノードが前記測定プロセス中、もっぱら送信機として、あるいはもっぱら受信機としてまたはトランシーバとして動作し、
前記評価プロセスは、第１の評価ステップと第２の評価ステップとを含み、
前記第１の評価ステップにおいて、受信した信号を用いて、前記無線ノードセットのうち２つの無線ノード間のシステム伝送関数を、かつ／または前記無線ノードセットのうち２つの無線ノードの前記時間発生器間の時間オフセットを特定し、
前記第２の評価ステップにおいて、前記第１の評価ステップによる前記システム伝送関数および／または前記時間オフセットに基づき、前記２つの無線ノードの前記無線環境における１つの物体から前記２つの無線ノードまでの少なくとも１つの距離情報を１つの結果として特定し、
前記評価プロセス中、第１のラウンドにおいて、前記第１の評価ステップおよび前記第２の評価ステップを、基準無線ノードの少なくとも１つのペアについて少なくとも１回実施し、
前記評価プロセス中、第２のラウンドにおいて、前記第１の評価ステップおよび前記第２の評価ステップを、１つのテスト無線ノードと１つの基準無線ノードとについて少なくとも１回実施し、
前記比較プロセスにおいて、前記評価プロセスの前記第１のラウンドの少なくとも１つの結果を、前記評価プロセスの前記第２のラウンドの少なくとも１つの結果と比較し、さらに
前記基準システムの前記無線環境内における前記テスト無線ノードの存在を、前記無線環境への帰属として、前記比較プロセスの少なくとも１つの結果に基づき肯定または否定する、
方法。
【請求項２】
前記第２の評価ステップにおいて、前記第１の評価ステップによる前記システム伝送関数および／または前記時間オフセットに基づき、前記２つの無線ノード同士の少なくとも１つの距離情報を特定する、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記測定プロセスは、少なくとも２つの測定ラウンドを含み、
各測定ラウンドにおいて相前後して各トランシーバからそれぞれ送信期間中に、１つの搬送波周波数を有する送信信号を送信し、送信した前記送信信号を少なくともさらなる前記トランシーバにより受信期間中に受信し、
前記トランシーバの前記送信信号は、少なくとも１つの測定ラウンド中、互いにコヒーレントであり、
各測定ラウンドの前記搬送波周波数は、他のすべての測定ラウンドの前記搬送波周波数とは異なり、
１つの無線ノードが前記測定プロセス中、送信機として動作している限り、少なくとも１つの前記送信機はそれぞれ、前記測定ラウンドのうち１つの測定ラウンドの前または間または後の少なくとも１つの追加送信期間中、１つの搬送波周波数を有する送信信号を送信し、前記送信信号を前記トランシーバにより受信する、
請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記無線ノードセットは、少なくとも４つの無線ノードを含み、前記測定プロセス中、前記無線ノードセットのうち少なくとも３つの無線ノードがトランシーバとして動作する、
請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記無線ノードセットは、少なくとも４つの無線ノードを含み、前記測定プロセス中、前記無線ノードセットのうち少なくとも２つの無線ノードが、前記測定プロセス中、もっぱら送信機として、あるいはもっぱら受信機としてまたはトランシーバとして動作する、
請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記無線ノードセットは、少なくとも４つの無線ノードを含み、前記無線ノードセットのうち少なくとも３つの無線ノードが基準無線ノードとして前記基準システムを形成する、
請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
各測定ラウンド内において、２番目のものとして送信する前記送信信号および後続の各送信信号を、少なくとも同じ測定ラウンド中に受信した信号の一部分から形成する、
請求項３から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記測定プロセス中、前記測定ラウンドを複数回にわたり反復し、前記送信信号の前記搬送波周波数は、反復のたびに周波数範囲内のそれぞれ予め規定された値をとり、前記受信した信号を１つの測定周波数範囲内で特定する、
請求項３から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
各送信信号は、前記送信期間中、前記測定周波数範囲の最大で１％となる帯域幅を有する、
請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記評価プロセスにおいて、前記第１のラウンド中も前記第２のラウンド中も、複数の物体に対しそれぞれ１つの距離情報を特定し、前記第１のラウンドによる前記距離情報をそれぞれ、前記第２のラウンドによる対応する前記距離情報と比較する、
請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
少なくとも前記測定プロセスおよび前記評価プロセスを複数回にわたり反復して、複数のシステム伝送関数を特定し、前記第１のラウンドの結果に基づき、少なくとも１つの物体または前記テスト無線ノードの第１の運動プロフィルを求め、前記第２のラウンドの結果に基づき、前記物体または前記テスト無線ノードの第２の運動プロフィルを求め、前記比較プロセスにおいて前記第１の運動プロフィルを前記第２の運動プロフィルと比較する、
請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
前記テスト無線ノードの第１の運動プロフィルを慣性センサにより求め、前記比較プロセスにおいて第２の運動プロフィルと比較し、前記第２の運動プロフィルを、複数の第１のラウンドの結果に基づき、かつ／または複数の第２のラウンドの結果に基づき求める、
請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
少なくとも前記測定プロセスおよび前記評価プロセスの前記第１のラウンドを複数回にわたり反復し、前記比較プロセスにおいて、複数の前記第１のラウンドの結果を前記第２のラウンドの少なくとも１つの結果と比較する、
請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
【国際調査報告】
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2021509235.tif 000042
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