趙曉萌 周俊杰

(1．廣東省科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)中心，廣東 廣州 510000；2．廣東省高性能計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510000)

基于可見光通信的移動(dòng)支付信息交互系統(tǒng)

趙曉萌1，2周俊杰1，2

(1．廣東省科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)中心，廣東 廣州 510000；2．廣東省高性能計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510000)

隨著“移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)”經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對移動(dòng)支付信息交互的需求和技術(shù)方案也越來越多。目前，常見的移動(dòng)支付信息交互方式有傳統(tǒng)接觸式IC卡、基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的信息交互以及非接觸卡(RFID、NFC)等，但I(xiàn)C卡方式只能離線使用，充值和信息交互不方便；基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的方式需要安裝專用通信模塊并給運(yùn)營商支付費(fèi)用；RFID和NFC也需要另外安裝讀寫設(shè)備，且僅有部分高端手機(jī)內(nèi)置NFC模塊，并未得到普及。針對此，設(shè)計(jì)了一種采用普通智能手機(jī)，基于可見光通信的移動(dòng)支付信息交互系統(tǒng)。首先，設(shè)計(jì)了基于短距可見光通信技術(shù)的信息交互系統(tǒng)架構(gòu)；其次基于系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)；最后，結(jié)合可見光通信協(xié)議分析了系統(tǒng)信息交互的安全性。該系統(tǒng)具有安全便利、低成本以及易于普及等特點(diǎn)。

可見光通信；移動(dòng)支付；信息交互；信息安全

1 引言

可見光通信(Variable Light Communication，VLC)作為一種熱門的通信技術(shù)，具有可靠性高、保密性好、無電磁干擾、無需頻譜認(rèn)證等優(yōu)勢[1,2]。普通照明白光LED帶寬和傳輸速率有限，不適用于傳輸大容量數(shù)據(jù)。但是在手機(jī)（閃光燈）上普及度高，攜帶方便，可用于數(shù)據(jù)交換、電子支付等環(huán)境。目前的支付系統(tǒng)信息交互有預(yù)接觸式IC卡、聯(lián)網(wǎng)式、非接觸式（NFC、RFID）。預(yù)付費(fèi)支付系統(tǒng)，如水表、電表、燃?xì)獗淼?，通過智能卡或邏輯加密卡來傳遞預(yù)存數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能，用戶只能去管理單位的網(wǎng)點(diǎn)辦理充值，耗費(fèi)時(shí)間。而管理單位也無法及時(shí)掌握終端設(shè)備的狀態(tài)信息。聯(lián)網(wǎng)式支付系統(tǒng)，如自動(dòng)售貨機(jī)，部分共享單車等，解決了用戶、終端設(shè)備與管理單位之間的交互問題，但需要在終端設(shè)備中安裝通信模塊，需要給運(yùn)營商支付網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用，增加了運(yùn)營成本。近年來基于RFID[3]以及NFC[4]技術(shù)出現(xiàn)了一些應(yīng)用，但由于基礎(chǔ)設(shè)施不完善，手機(jī)上的NFC功能也僅出現(xiàn)在少數(shù)高端機(jī)型上，所以在日常生活領(lǐng)域并未大范圍普及。

目前幾乎全部的智能手機(jī)，包括中低端產(chǎn)品，都標(biāo)配了閃光燈和圖像傳感器，與其他技術(shù)方案相比，利用手機(jī)閃光燈LED作為發(fā)射端，圖像傳感器作為接收端，是一種便利、低成本、易于普及的移動(dòng)支付信息交互解決方案。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于VLC的移動(dòng)支付信息交互系統(tǒng)主要由4個(gè)部分組成，終端設(shè)備、用戶、管理單位、第三方支付平臺(tái)，彼此之間建立安全的通信信道，并由金融業(yè)務(wù)，金融邏輯和業(yè)務(wù)邏輯相聯(lián)系，如圖1所示。金融業(yè)務(wù)和金融邏輯用于銀行，第三方支付系統(tǒng)和管理單位三者之間的資金交易；業(yè)務(wù)邏輯指用戶通過手機(jī)以及支付中間件進(jìn)行充值、退款、余額查詢等與管理單位的交互。

圖1 移動(dòng)支付信息交互系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 VLC智能終端硬件基本結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 VLC終端設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

VLC終端設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示，主控制單元通常情況下處于低功耗休眠狀態(tài)，可通過中斷喚醒；存儲(chǔ)模塊用于記錄用戶歷史數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息；LCD顯示模塊用于顯示使用信息及提示終端狀態(tài)；防拆干擾檢測用于防止惡意拆卸，破壞終端正常運(yùn)行；VLC通信單元部分包括VLC接收模塊，VLC發(fā)射模塊和安全模塊。VLC模塊采用非接觸通信方法和協(xié)議，負(fù)責(zé)與手機(jī)、安全模塊和主控MCU之間的信息交互。安全模塊則執(zhí)行與安全相關(guān)的算法加密，并存儲(chǔ)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。系統(tǒng)上電或復(fù)位時(shí)須從存儲(chǔ)單元中恢復(fù)之前的狀態(tài)數(shù)據(jù)，而且終端設(shè)備運(yùn)行中需要及時(shí)檢測系統(tǒng)缺電、破壞或干擾信號，并發(fā)出相應(yīng)提醒。當(dāng)系統(tǒng)缺電、拆解、受干擾、金額不足時(shí)直接鎖定系統(tǒng)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 手機(jī)接口

手機(jī)端需要精準(zhǔn)控制攝像頭和閃光燈以實(shí)現(xiàn)和終端設(shè)備的雙向光通信。以安卓系統(tǒng)為例，自Android 5.0后新增了android.hardware.camera2包用于攝像頭及閃光燈的開發(fā)，包中有幾個(gè)重要的API：CameraCaptureSession用于控制預(yù)覽和拍照、攝像頭管理CameraManager以及攝像頭支持特性描述CameraCharacteristics[5]。配置攝像頭及閃光燈的主要流程如圖3所示。首先需通過CameraCharacteristics獲取設(shè)備功能特性以確認(rèn)該設(shè)備可用于可見光通信，具體是獲取Camera-Characteristics.INFP_SUPPORT_HARDWARE_LEVEL，等級越高權(quán)限越大。其次，在配置攝像頭及閃光燈時(shí)，調(diào)用open-Camera后回調(diào) CameraDevice.stateCallback，在 onOpened中createCaptureSession，然后回調(diào)CameraCaptureSession.State-Callback，在CameraCaptureSession.StateCallback下寫onConfigured方法以完成對攝像頭及閃光燈的配置。其中LENS_FOCUS_DISTANCE為調(diào)節(jié)焦距，CONTROL_AF_MODE為自動(dòng)對焦模式，SENSOR_SENSITIVITY為調(diào)節(jié)感光度，CONTROL_AE_MODE為自動(dòng)曝光模式。

圖3 Camera2攝像頭、閃光燈配置

3.2.2 可見光通信標(biāo)準(zhǔn)

對于短距離可見光通信，IEEE802.15.7[6]定義了可見光通信物理層(PHY)以及媒體訪問控制層(MAC)并提出“可見光波長帶寬計(jì)劃”。將波長從380nm至780nm的可見光通信波段劃分為7個(gè)光帶，用3位bit標(biāo)識不同的光帶ID號，PHY層包括可見光收發(fā)器與底層管理模塊，采用CSK調(diào)制，根據(jù)不同光帶ID號將數(shù)據(jù)調(diào)制在不同波長的光波上并行傳輸[7]。PHY數(shù)據(jù)單元幀結(jié)構(gòu)包括物理層頭文和物理層載荷。而MAC層作用是向高級層提供物理信道的訪問服務(wù)并保證可靠性，其幀結(jié)構(gòu)如表1所示，包括MAC數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位。數(shù)據(jù)層由應(yīng)用層生成，經(jīng)逐層處理發(fā)送到MAC層形成數(shù)據(jù)傳送單元。數(shù)據(jù)信息可以由一系列記錄組成并以數(shù)據(jù)包的形式封裝在每一個(gè)通信幀當(dāng)中。

表1 MAC幀結(jié)構(gòu)

3.2.3 通信功能實(shí)現(xiàn)

首先需要建立管理單位、手機(jī)、終端設(shè)備之間的通信協(xié)議，以各系統(tǒng)的ID信息作為標(biāo)識建立可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，通過手機(jī)完成管理單位與終端設(shè)備之間的加密信息交換，系統(tǒng)功能示意圖如圖4所示。系統(tǒng)流程圖如圖5所示，VLC模塊與主控MCU通信采用串口連接。終端內(nèi)VLC模塊檢測外部VLC設(shè)備，當(dāng)光照達(dá)到閾值，VLC模塊IRQ中斷引腳返回標(biāo)志信號，MCU判斷設(shè)備ID、發(fā)出的信號頻段及子載波是否匹配，進(jìn)而控制VLC模塊與手機(jī)交換通信參數(shù)和信息，終端設(shè)備在接收到請求命令后，按照手機(jī)發(fā)出的光編碼信號建立合適的子載波并選擇傳輸速率，響應(yīng)后在LCD上顯示當(dāng)前用戶請求以及儲(chǔ)存在設(shè)備中的相關(guān)信息，并將信息通過編碼信號回傳給手機(jī)，再通過手機(jī)將該信息發(fā)送給管理單位。管理單位收到用戶請求后，響應(yīng)請求并回傳相應(yīng)信息。用戶在通過手機(jī)LED閃光燈發(fā)送編碼信號與終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，完成充值、退款以及狀態(tài)數(shù)據(jù)查詢等；若光照未達(dá)到閾值或子載波不匹配，則MCU保持休眠狀態(tài)。該設(shè)計(jì)大大降低系統(tǒng)待機(jī)功耗，并能及時(shí)響應(yīng)用戶操作，帶來良好的交互體驗(yàn)。

圖4 數(shù)據(jù)交換示意圖

4 可靠性分析

在基于可見光通信的移動(dòng)支付信息交互系統(tǒng)中，可靠性包括通信的抗干擾能力以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴１鞠到y(tǒng)所采用短距離光通信，不易被攻擊。其干擾主要來自其它光通信系統(tǒng)，為防止不同光通信系統(tǒng)之間的干擾，需對特定頻率的光載波建立子載波[8]。關(guān)于安全性，由于本系統(tǒng)主要是兩個(gè)設(shè)備之間的一對一通信，可參考安全套接層(Secure Sockets Layer,SSL)握手協(xié)議[9]，如圖6所示。首先規(guī)定一個(gè)密鑰協(xié)商機(jī)制，包括加密算法以及算法所使用密鑰，其次確定一個(gè)認(rèn)證方式。具體操作如下：手機(jī)向終端設(shè)備發(fā)送通信請求，其中包括隨機(jī)產(chǎn)生的通信ID1、通信協(xié)議版本、本次請求密鑰K1以及加密算法S1；終端設(shè)備收到請求后確認(rèn)通信協(xié)議版本以及加密算法能否匹配，若匹配則生成通信ID2，向移動(dòng)設(shè)備發(fā)送ID2、設(shè)備終端證書、響應(yīng)密鑰K2；雙方利用各自從對方獲得的通信ID及密鑰K通過約定的加密算法生成共享密鑰Z，將共享密鑰Z、雙方接收到的對方密鑰及通信ID存入tag中并相互交換進(jìn)行驗(yàn)證，最終雙方可通過共享密鑰進(jìn)行真實(shí)數(shù)據(jù)交換。而手機(jī)和管理單位的通信則使用正常的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信。關(guān)于通信完整性及可靠性，參照IEEE802.15.7標(biāo)準(zhǔn)，通過信道掃描選定一個(gè)合適的邏輯信道和一個(gè)未被占用的協(xié)調(diào)器；含有數(shù)據(jù)發(fā)送、接收和確認(rèn)機(jī)制，為解決重復(fù)幀的問題，對具有相同目標(biāo)地址的多個(gè)MAC幀進(jìn)行封裝，并使用一個(gè)確認(rèn)幀進(jìn)行確認(rèn)；MAC數(shù)據(jù)包中含有安全信息，根據(jù)上層要求對數(shù)據(jù)加密、認(rèn)證及重傳保護(hù)，避免MAC幀被篡改。

圖5 VLC通信功能實(shí)現(xiàn)流程圖

圖6 密鑰協(xié)商流程

5 結(jié)語

本文結(jié)合可見光通信技術(shù)的通信協(xié)議設(shè)計(jì)了能夠雙向數(shù)據(jù)交換的可見光通信移動(dòng)支付系統(tǒng)。首先介紹了系統(tǒng)架構(gòu)，包括用戶基于可見光通信使用手機(jī)實(shí)現(xiàn)與終端設(shè)備的信息交換并作為中間媒介將信息傳遞給管理單位的過程；其次，系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括基于短距可見光通信技術(shù)的軟硬件設(shè)計(jì)以及移動(dòng)設(shè)備的可見光通信功能實(shí)現(xiàn)，并利用SSL及VLC標(biāo)準(zhǔn)提高了系統(tǒng)的可靠性、安全性及抗干擾能力，保證終端設(shè)備與管理單位之間安全快速地進(jìn)行信息交換，提高了管理單位的管理效率以及用戶的體驗(yàn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]CW Chow，CH Yeh，Y Liu and YF liu．Digital signal processing for light emitting diode based visible light communication[J]．IEEE PHOTONICS SOCIETY NEWSLETTER，2012，26(5)：9-13．

[2]Haruyama．Visible light communication using sustainanle LED lights[C]．Itu Kaleidoscope：Building Sustainable Communities，2013：1-6．

[3]Landt J．The history of RFID[J]．Potentials IEEE，2005，24(4)：8-11．

[4]Haselsteiner E．Security in Near Field Communication(NFC)[J]．Workshop on Rfid Security Malaga，2006．

[5]明日科技．Android項(xiàng)目開發(fā)實(shí)戰(zhàn)入門[M]．長春：吉林大學(xué)出版社，2017．

[6]IEEE802．15．7，Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light[S]．

[7]洪文昕，禹忠，韋瑋，等．短距離可見光通信技術(shù)進(jìn)展與IEEE802．15．7[J]．光通信技術(shù)，2013，37(7)：8-11．

[8]可見光通信標(biāo)準(zhǔn)化白皮書[Z]．中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，2016．

[9]Chou W．Inside SSL：the secure sockets layer protocol[J]．IT professional，2002，4(4)：47-52．

Management System of Mobile Payment Based on Short-range Visible Light Communication

Zhao Xiaomeng Zhou Junjie
(1.Guangdong Science&Technology Infrastructure Center,Guangzhou 510033,Guangdong;2.Guangdong Provincial Key Laboratory of High Performance Computing,Guangzhou 510033,Guangdong)

With the rapid development of mobile internet,the demand for management of mobile payment information is increasing.Nowadays there are many normal interactive mode of mobile payment information like IC card,interactive mode based on mobile internet,Near Field Communication and so on,but these means have some disadvantages.In view of the problem,a management system of mobile payment based on short-range Visible Light Communication is proposed.Firstly,the system architecture is designed.Secondly,the software and hardware are designed.Finally,the security of information interaction of the system is analyzed based on Visible Light Communication protocols.The system has many advantage,such as security,convenience,low cost and quick popularization.

Visible Light Communication;mobile payment;information interaction;information security

TN99；TN929.5

A

1008-6609(2017)10-0010-04

趙曉萌（1981-），男，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，碩士，工程師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與光通信。

廣東省前沿與關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)基金資助，項(xiàng)目編號：2014B010120002。