可見光通信應用于安全支付有效區(qū)域的研究

宋素真, 桂 林, 楊 晨, 鄭藝璇, 陳 璟, 朱玉絢

(上海第二工業(yè)大學a. 環(huán)境與材料工程學院;b. 計算機與信息工程學院,上海201209)

0 引言

手機支付,即利用短距離移動通信方式進行支付,是當前的一種主要支付方式,并廣泛應用于人們的生活中。近場通信(near field communication,NFC)和射頻識別(radio frequency identification,RFID)是手機支付中一種重要的短距離移動通信方式,卻存在一些安全問題,如“中間人攻擊”,從而截獲重要信息。因此,工業(yè)界提出了基于可見光通信進行支付的技術(shù)方案[1],它可以應用于普通的支付場景[2-3],以及利用車燈通信系統(tǒng)進行車輛身份識別和費用支付的應用[4-5]。

可見光通信(visible light communication, VLC)是近些年來的熱點研究領(lǐng)域,國內(nèi)學者在VLC 領(lǐng)域取得了可喜的突破,可見光通信的通信速率已提高至10 Gb/s[6]。與此同時,一些研究人員也進行著可見光支付系統(tǒng)的設計。光啟研究院[1]最早提出可見光通信應用于手機支付,發(fā)明了一種光子支付方法及系統(tǒng)專利,且成功研發(fā)并投向一系列圍繞安全的光子產(chǎn)品,包括光子認證、光子門禁、光子防偽、光子支付等。光啟已經(jīng)與銀聯(lián)商務合作,共同推廣手機的“刷光支付”。一些工程技術(shù)人員設計了可見光支付的系統(tǒng)[7],但是可見光支付的有效區(qū)域問題尚未有研究,該問題直接影響可見光通信的安全性。

因此,本文針對手機支付安全性問題,根據(jù)LED在自由空間傳輸模型[8-11],仿真了基于可見光通信手機支付時的有效區(qū)域問題,實驗研究可見光通信信號在真實環(huán)境下的有效區(qū)域問題,通過對比仿真與實驗結(jié)果,得到了真實環(huán)境下的朗伯指數(shù)。

1 系統(tǒng)模型與結(jié)構(gòu)

1.1 手機支付系統(tǒng)中VLC 信號傳輸模型

手機支付系統(tǒng)可設計為雙向無線可見光通信,下行鏈路的實現(xiàn)利用了非成像的無線可見光傳輸技術(shù)。本文采用功率為1 W 的LED 作為發(fā)射器,采用硅光電池作為接收器,實現(xiàn)高速下行數(shù)據(jù)傳輸;上行鏈路的實現(xiàn)需利用基于成像的無線可見光傳輸技術(shù),需采用攝像頭等作為接收器成幀捕捉圖像光信息。本文目前實現(xiàn)了下行鏈路無線可見光通信系統(tǒng),通過理論研究,上行鏈路中LED 作為發(fā)射端可以多次閃爍, 上行鏈路不會實現(xiàn)太高的通信速率,但是對于下行為主的數(shù)據(jù)傳輸類型的通信而言,上行鏈路主要用于傳輸數(shù)據(jù)量不大的信令信息、內(nèi)容請求信息等。上行鏈路的接收端可利用攝像頭捕捉發(fā)射端信息,手機攝像頭在獲取一幀圖像時會進行多次快門曝光,因此,利用這一效應就能夠捕捉LED 的高頻閃爍,當手機快門曝光頻率高于LED 閃爍頻率時,能夠無失真地得到LED 的閃爍圖像,隨后可用數(shù)字信號處理算法取出LED 閃爍頻率及傳送的數(shù)據(jù)信息。

在可見光手機支付系統(tǒng)中,信號從LED 等通過自由空間信道傳輸?shù)浇邮掌?大光束發(fā)散的LED 通常被認為朗伯光源,因此,它一般會遵循朗伯輻射定律?？梢姽馔ㄐ臠ED 光傳播滿足朗伯分布,其朗伯光源的光強分布是利用余弦方程量化空間角度的關(guān)系來表明。在基于可見光通信LED 手機支付系統(tǒng)中,直射信號的強度遠大于反射信號的強度,本文只考慮直射傳輸鏈路。下行鏈路發(fā)射端LED 功率為1 W 的白光,接收端采用硅光電池進行感光,硅光電池線性度好,接收面積大,進而完成下行鏈路的設計。LED 朗伯模型如圖1 所示。發(fā)射端LED 為1 W白光,θ 為LED 的光發(fā)射角度;ψ1/2是LED 燈泡的半功率角,即照度為中心照度1/2 的角度;d 為LED與硅光電池陣列的直線接收距離;h 為LED 距離接收端水平面的高度;視場角(field of view,FOV)為硅光電池的有效接收角度,設置為60°;φ 為硅光電池光入射角,本次實驗設定φ 始終小于FOV。

在LED 上獲取基于VLC 的定位數(shù)據(jù)?；诶什匦?在模型中,當LED 與硅光電池陣列平行時,θ =φ,光直射傳輸信道的增益H(0)可表示為[6]:

圖1 LED 朗伯傳輸模型Fig.1 LED Lambertian transmission model

式中:m 為LED 光源的朗伯輻射指數(shù);A 為VLC 手機支付模塊中光電二極管檢測器的物理區(qū)域;θ 為角度相對于接收器軸的入射角;φ 為相對于LED 燈泡的入射角。m 的大小由LED 的半功率角ψ1/2決定,

m 值的大小表示LED 的發(fā)光指向性。當m=1時, 光源表示為一個純粹的朗伯漫射器,當m > 1時, LED 會顯示處更強的指向性。通常θ = ?,m = 1, cos ? = h/d, RF 強度由電子頻譜分析儀(Tektronix,MDO3052 的頻譜分析功能)測量:

式中: It和Ir分別為LED 燈泡發(fā)射器和定位模塊接收器的光強度;C 為一個常數(shù)。

根據(jù)式(3)從而證明了r、d 和h 間的關(guān)系:

式中: (X,Y)表示接收端硅光電池陣列水平面坐標,從式(5)可以得到接收器的位置。

式中: φ 為LED 光入射角; cos φ 為LED 距離接收端水平面的高度h 與LED 與硅光電池陣列的直線接收距離d 的比值。硅光電池陣列建立水平面坐標系, 坐標表示為(X,Y), X、Y 的取值范圍均為?30 ～30 mm。

由硅光電池坐標取值范圍可得Wmax= 0.018,Wmin= 0。當h = 35 mm 時, (cos θ)max= 1,(cos θ)min=0.636 4;當h =70 mm 時,(cos θ)max=1,(cos θ)min=0.855 2。

1.2 手機支付有效區(qū)域

可見光通信應用于手機支付過程中,基于LED光源的朗伯特性,發(fā)射端發(fā)射、接收端接收角度限制,一定接收角范圍內(nèi)才可實現(xiàn)信號接收。隨著發(fā)射端與接收端距離、接收角度的變化,信號呈現(xiàn)不同程度的傳輸,通信過程中會存在安全性問題。發(fā)送接收端距離變大,信號接收逐漸衰減,當接收端接收功率下降至一定程度時視為無效接收功率,即接收端接收不到信號,無法完成可見光通信。本文設定當接收功率

2 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

2.1 仿真設計與參數(shù)

為了測試本系統(tǒng)的性能,在MATLAB 軟件中建立了可見光通信手機支付模型,LED 為1 W 白光, 接收端硅光電池為7×7 陣列矩陣, 測量區(qū)域為0.07 m×0.07 m, 矩陣各個測量點間隔為10 mm,LED 置于硅光電池陣列水平面一定高度,測量接收端的接收功率。在MATLAB 仿真環(huán)境下,定義接收端硅光電池為7×7 陣列矩陣, 建立水平面坐標系,硅光電池矩陣各個測量點間隔為10 mm,令硅光電池陣列某一坐標為(X,Y), X、Y 的取值范圍均為?30 ～30 mm。LED 置于硅光電池陣列中心坐標上方一定高度h,設置h 分別為35、70 mm,具體的仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

2.2 仿真結(jié)果與分析

通過MATLAB 建模,令m = 1,仿真數(shù)據(jù)如圖2 所示。

圖2 m=1 時的仿真結(jié)果 (a)h=35 mm;(b)h=70 mmFig.2 Simulation results when m=1 (a)h=35 mm;(b)h=70 mm

由式(6)可得,硅光電池陣列的cos φ 范圍,求得各半功率較對應的朗伯指數(shù),通過此估計方法計算不同的朗伯指數(shù)m 所對應的數(shù)據(jù)。當m = 5.5 時,測量誤差最小如圖3 所示。

圖3 m=5.5 時的仿真結(jié)果(a)h=35 mm;(b)h=70 mmFig.3 Simulation result when m=5.5(a)h=35 mm;(b)h=70 mm

由于LED 光源具有朗伯特性,φ 為硅光電池的光入射角,當φ=0 時,LED 位于接收端水平面中心坐標正上方,硅光電池陣列的中心位置,接收端接收功率最高。隨著硅光電池坐標的移動,距離中心坐標越遠,接收端接收功率越小。通過MATLAB 建模仿真, 仿真結(jié)果表明, 隨著硅光電池水平面與LED距離h 的改變,接收有效區(qū)域也會隨之改變,即h 會影響接收端有效接收區(qū)域。當m = 5.5 時,手機支付系統(tǒng)建模效果最好,安全性較好。

3 實驗設計與結(jié)果分析

3.1 實驗原理及實驗裝置

可見光通信系統(tǒng)主要由LED 光源發(fā)射端、光電檢測的接收端及中間信道傳輸部分構(gòu)成。原始待傳輸信號經(jīng)調(diào)制加載到光信號上,接收端接收到傳遞來的光信號,進行光電轉(zhuǎn)換,經(jīng)過信號放大均衡等處理進而得到原始信號。在發(fā)射端,LED 將電信號轉(zhuǎn)換為光信號進行傳輸;在接收端,硅光電池將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

通過手機支付原理,實驗采取額定功率1 W 白光LED 作為發(fā)射端,硅光電池作為接收端,通過信號發(fā)生器產(chǎn)生信號,RF 強度由電子頻譜分析儀測量。硅光電池依次放置于7×7 陣列矩陣測量點上,矩陣各個測量點之間間隔為10 mm, 接收端硅光電池建立水平面坐標系,坐標表示為(X,Y),X、Y的取值范圍均為?30 ～30 mm。LED 置于硅光電池陣列中心坐標上方一定高度h, 設置h 分別為35、70 mm。設置信號頻率f =100、50 kHz,分別測量LED 和硅光電池距離h = 35、70 mm 的接收功率。

3.2 結(jié)果分析

1 W 白光LED 在偏置電壓3.4 V、頻率f =100 kHz 下,接收端測量區(qū)域為0.07 m×0.07 m,發(fā)射端利用信號發(fā)生器生成偏置正弦波形, 分別測量距離h = 35、70 mm 的接收功率,RF 強度由電子頻譜分析儀測量。觀察在設定接收區(qū)域內(nèi)硅光電池接收功率,測量數(shù)據(jù)如圖4 所示; 同時測量f =50 kHz 下,有效接收區(qū)域硅光電池接收功率,測量數(shù)據(jù)如圖5 所示。

圖4 接收功率 (a)f =100 kHz;h=35 mm;(b)f =100 kHz;h=70 mmFig.4 Received power (a)f =100 kHz;h=35 mm;(b)f =100 kHz;h=70 mm

圖5 接收功率 (a)f =50 kHz;h=35 mm;(b)f =50 kHz;h=70 mmFig.5 Received power (a)f =50 kHz;h=35 mm;(b)f =50 kHz;h=70 mm

實驗利用信號發(fā)生器生成偏置正弦波形,測量h=35、70 mm 時硅光電池的接收功率。RF 強度由電子頻譜分析儀測量,當接收功率低于?90 dBm 時,視為無效接收區(qū)域。結(jié)果表明,當f =100 kHz,h=35 mm 時,測量區(qū)域中心接收功率為?75.2 dBm,除(?30, 20) mm、(?30, ?30)mm、(30, 30) mm、(30,?30)mm 點外,硅光電池接收功率均高于?90 dBm,即為有效接收區(qū)域; h=70 mm 時, 測量區(qū)域中心接收功率為?85.4 dBm, 除(?30, 30) mm、(?30,?30) mm、(?20, ?20) mm、(?20, ?30) mm、(30,30)mm、(30, ?20)mm、(30, ?30)mm 點外區(qū)域為有效接收區(qū)域。發(fā)射端與接收端距離h 越大,測量區(qū)域中心功率越小,有效接收區(qū)域范圍越小,即距離h 影響接收有效區(qū)域, 對手機支付的安全性產(chǎn)生影響。

當f =50 kHz,h=35 mm 時,測量區(qū)域中心接收功率為?73.1 dBm, 除(?30,?30)mm 點外為有效接收區(qū)域;h=70 mm 時,測量區(qū)域中心接收功率為?82.5 dBm,由于實驗測量存在角度誤差,數(shù)據(jù)分布不對稱,除(?30,?30)mm 點外為有效接收區(qū)域。相同距離h 下,f = 50 kHz 的測量區(qū)域中心接收功率均大于f =100 kHz 時測量區(qū)域的中心接收功率,且接收有效區(qū)域較大,即輸入信號頻率也會影響硅光電池接收有效區(qū)域,當對手機支付的安全性產(chǎn)生影響。

4 總 結(jié)

本文針對手機支付安全性問題,研究了可見光通信應用于手機安全支付有效區(qū)域的問題, 通過MATLAB 建模與實驗數(shù)據(jù)分析對比得出,硅光電池水平面與發(fā)射端LED 的距離h 會影響接收端有效接收區(qū)域,同時,輸入信號頻率也會影響有效接收區(qū)域。此現(xiàn)象表明可見光通信應用于手機支付時,需要對接收端有效區(qū)域進行計算與設計,解決手機支付過程中安全性問題。