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2.4GHz移动支付通信距离及功耗控制方案


作者:曾华新 来源:《卡技术与安全》杂志 2012-02-08 11:04:31
摘要:文章简述了当前2.4GHz移动支付通信距离及功耗控制的优缺点,并介绍一种以角速度或加速度感应器触发的功耗控制,及RSSI[1]检测的距离控制的方法。

  2.4GHz射频通信自从被应用于移动支付领域后,如何控制通信距离及功耗就成为各种解决方案中的核心问题;此频段2400-2483.5MHz,属通用频段ISM[2],应用于工业、科学、医疗,其通信距离没有严格限制(如Bluetooth应用、Zigbee应用),但若应用于近距离移动支付上,则要求其通信距离严格限制在10CM范围内,且功耗不能太大,否则手机可能每天需充电,大大降低电池使用寿命,及影响用户正常使用。为此,本文提出一种,既能控制功耗,又能控制通信距离,且使用方便的新方案:加速度或角速度感应触发及RSSI能量检测。

    一、现有技术方案分析

    当前2.4GHz移动支付距离控制及功耗控制的技术方案有三种:射频屏蔽特征参数预定义的方式、125KHz射频能量感应触发的方式、磁场感应触发的方式,下面我们来共同探讨其优缺点。

    1.1 射频屏蔽特征参数预定义的方式

    此方案,在智能卡内预存对应手机的特征屏蔽参数,通过智能卡内射频屏蔽特征参数实现距离控制。

    特点:运营商需维护手机型号数据库,其内包含所有手机型号的屏蔽参数,以供用户下载,而且随着新手机的上市,数据库需不断更新。功耗控制方面较差,因智能卡需定时唤醒射频模块以探测周围射频读头,若时间间隔长,则功耗相对低,却不灵敏,若时间间隔短,则相对灵敏,却功耗高。因此,此方案明显制约着2.4GHz移动支付应用的推广。

    1.2 125KHz射频能量感应触发的方式

    此方案,在读头上集成2.4GHz射频通信模块及125KHz射频信号控制模块,在智能卡上集成能量感应模块,通过125KHz射频信号能量激活智能卡内能量感应模块,以唤醒射频模块工作,完成距离及功耗控制。优点:智能卡内射频模块的激活,及激活时的距离由读头控制;其缺点是:125KHz射频能量传输受手机外壳的材质影响,如当手机为金属外壳时,则智能卡内射频模块有可能无法被激活。其功耗控制较好,因智能卡无需轮询,其射频模块仅在被读头激活时才工作。由此,此方案有效控制了距离及功耗,但同样受到手机外壳材质的影响。

    1.3磁场感应的方式

    此方案,在读头上安装永磁铁,在智能卡上集成磁场感应器件,通过永磁体激活智能卡内磁感应器件,以唤醒射频模块工作,完成距离及功耗控制。优点:磁场的感应距离不受手机外壳材质的影响,塑料或金属材质是基本上没差别,磁场的衰减非常快。其缺点是:正因为磁场的作用距离非常近,用户必须记准所用手机的SIM卡座的位置,或在读头上安装一大块分布均匀的永磁铁,足以覆盖各种型号的手机;此外,现在大部分手机都已集成了磁场感应器件,也就是说,手机与智能卡都集成磁场感应器件时,因为移动支付的刷卡操作可能引起手机的误操作,如通话中意外挂机,若手机上能提供相关操作设置项,则可避免,若无相关设置项,则可能引起误动作。其功耗控制较好,智能卡内射频模块只有在被磁场激活时才工作。由此,此方案同样有效控制了距离及功耗,但在部分滑盖翻盖手机上可能会引起误挂机的操作。

    二、新技术方案:加速度或角速度感应触发及RSSI检测

    2.1方案实现

    系统结构如下:

    在智能卡上集成加速度或角速度感应器件,及具备RSSI功能的2.4GHz射频模块,一般2.4GHz射频模块都具备RSSI功能。

    RSSI检测的距离控制原理:射频信号传输的能量,与传输的距离的平方成反比,距离越近,信号越强,因此,可通过记录参考范围的信号强度值(RSSI值)作为特征参数,实现距离控制;参考范围,即通信的最大距离范围。

    特征参数测量过程:读头以同样的发射功率发出的连接请求信号,因不同手机的射频屏蔽特性不同,不同手机在相同距离上,其内智能卡的射频模块接收到的射频信号强度也不同,如同方案1.1,需射频屏蔽特征参数,但此参数存放在智能卡内,由智能卡单独完成参数测量,无需要运营商或设备生产商参与。射频屏蔽特征参数的测量过程如下:

    1.用户请求消费无关的操作(如查询余额等)
    2. 用户在读头前小范围内晃动激活智能卡
    3. 用户将手机靠近读头(选择参考范围)
    4. 用户确认当前显示的信息是属于本卡此过程仅需用户在将射频智能卡插入新手机后,才需执行,且一次就可。

    特征参数计算:采集数据的误差,有偶然的,也有射频模块ADC本身,需进行加权处理,尤其数据的差距较大时,权重可能需偏向信号强的数据,在加权平均计算后,获得特征参数。

    2.2方案特点

    (1)读头结构简化,无125KHz控制模块,无安装永磁铁,仅2.4GHz射频模块及相关通信接口模块;方便在现有的系统上集成。
    (2)无需维护手机屏蔽特征参数数据库,用户所用手机的屏蔽特征参数,由智能卡自行测量并保存在卡内,也方便用户使用。
    (3)无手机挂机的误操作问题,射频模块仅在用户激活时才工作,功耗低。加速度或角速度感应器件,在很多手机上可能已经集成了,与磁场感应器件不同的是,磁场感应器件在翻盖手机或滑盖手机上,常用于检测翻盖或滑盖的操作,其合盖的操作通常被默认为挂机,而加速度或角速度感应器件,则通常应用在游戏上, 如飞行、赛车等游戏, 作为方向盘控制使用,因此手机的晃动不会引起挂机的误操作,却可使智能卡内的感应器件发出中断信号,唤醒智能卡操作射频模块工作。
    (4)用户刷卡时的操作习惯是可选择的。加速度感应器一般提供几种感应档位及三种感应方向,即X方向,Y方向,Z方向;角速度感应器一般仅提供几种感应档位选择,无感应方向选择。用户在某读头上刷卡前,持手机在读头周围小范围内晃动一下,晃动的方式及晃动的力度,智能卡可提供菜单让用户选择,也可默认设置。
    (5) 通信距离双控制,其一,智能卡内射频模块激活时手机与读头的距离,由用户控制(可选择在读头附近小范围内晃动激活),其二,通信距离,由智能卡内射频模块的RSSI检测模块完成;仅要求所有读头以相同功率发射连接请求信号。

    加速度或角速度感应器在被意外晃动时,如手机跌落,也可能激活智能卡,但RSSI检测模块可控制通信距离,保证不与附近的读头通信,除非用户手机正好跌落在读头附近10cm范围内,且读头正在进行支付寻卡操作,则有可能发生误操作,这种概率极小;用户支付前,操作员需先输入消费金额,然后用户才可进行消费,因此也不会引起误动作。

    三、结束语

    本方案集成了前三种方案的优点,克服其缺点,成功解决了2.4GHz射频智能卡距离控制兼功耗控制上的难点;在近距离应用上,如移动支付,门禁,及在中距离应用上,如会议签到,停车场等, 具有非常广阔的前景。

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