基于智能卡和UWB技術(shù)的遙控家電網(wǎng)

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：梁志國 寇衛(wèi)東 李華平， 樊 凱   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月26日

    引 言

    現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是網(wǎng)絡(luò)化、信息化，使互聯(lián)網(wǎng)朝著寬帶化、高速化的方向邁進，全球信息化的步伐越來越快，人類進入了網(wǎng)絡(luò)化的生活時代。信息科技、計算機、控制技術(shù)以及自動化技術(shù)的發(fā)展使人們的工作、生活實現(xiàn)全自動成為可能，并為它們的實現(xiàn)創(chuàng)造了必不可少的條件。隨著計算機和因特網(wǎng)在家庭中的迅速普及、智能設(shè)備的長足進步和無線電技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人們對家用電器設(shè)備進行遠程控制的夢想逐漸成為現(xiàn)實。本文仔細研究了智能卡的安全性能和U,WB的傳輸特性，在此基礎(chǔ)上給出了一種可行的遠程管理控制家用電器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。特別提出將智能卡系統(tǒng)嵌入到家庭網(wǎng)關(guān)以進一步增強智能家庭網(wǎng)絡(luò)的安全性能。

    1 智能卡

   智能卡是將具有存儲、加密及數(shù)據(jù)處理能力的集成電路芯片鑲嵌于塑料基片上制成的卡片。其硬件主要由微處理器和存儲器兩部分構(gòu)成，加上固化于卡中的智能 卡操作系統(tǒng)(COS )及應(yīng)用軟件，一張智能卡即構(gòu)成了一臺抗損、便攜的微型計算機。智能卡的硬件構(gòu)成包括：CPU、存儲器(含RAM、ROM 和EEPROM 等)、卡與讀寫終端通訊的I／O接口以及測試與安全邏輯，如圖1所示。

 

圖1 智能卡的硬件結(jié)構(gòu) 

    作為芯片核心的微處理器多采用8位字長的CPU (更高位的CPU也正在開始應(yīng)用)，負責(zé)完成所有運算和數(shù)據(jù)交換功能。卡內(nèi)的存儲器容量一般都不是很大，其中，ROM 中固化的是操作系統(tǒng)代碼及自測程序，其容量取決于所采用的微處理器，典型值為32 KB；RAM用于存放臨時數(shù)據(jù)或中間數(shù)據(jù)，例如短期密碼、臨時變量和堆棧數(shù)據(jù)等，容量通常不超過1 KB：EEPROM中則存儲了智能卡的各種應(yīng)用信息，如加密數(shù)據(jù)和應(yīng)用文件等，有時還包括部分COS代碼，容量通常介于2KB到32KB之間，這部分存儲資源可供用戶開發(fā)利用。智能卡操作系統(tǒng)COS的主要功能是控制智能卡和外界的信息交換，管理智能卡內(nèi)的存儲器并在卡內(nèi)部完成各種命令的處理?？ㄅc終端之間通過命令—— 響應(yīng)對的形式交換信息。CPU與COS的存在使智能卡能夠方便地采用PIN校驗、加密技術(shù)及認證技術(shù)等來強化智能卡的安全性腳。智能卡硬件的不可復(fù)制性可以保證用戶身份不會被仿冒。智能卡由合法用戶隨身攜帶，登錄時必須將智能卡插入專用的讀卡器讀取其中的信息，以驗證用戶的身份，用戶不能僅憑PIN 或僅憑智能卡獲取訪問權(quán)，在嘗試輸入PIN 失敗若干次之后(3次)智能卡鎖定。智能卡的基本特性是為數(shù)據(jù)和程序提供一個安全的環(huán)境。正是這種特性使得智能卡系統(tǒng)能夠被嵌入到智能家庭網(wǎng)關(guān)，以利用其特有的安全技術(shù)來增強家庭網(wǎng)絡(luò)的安全能力。

    2 超寬帶(UWB)技術(shù)

    超寬帶(ultra—wide bandwidth，UWB)脈沖無線電技術(shù)是近年來在國際上新興的一種無線通信技術(shù)。2002年美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)頒布了最新的UWB頻譜規(guī)劃 ，并規(guī)定只要一個信號在一10 dB處的絕對帶寬大于0．5 GHz或部分帶寬大于20％，并且滿足FCC功率譜密度限制要求的信號，則這個信號就是超寬帶信號。FCC還規(guī)定了UWB系統(tǒng)在非授權(quán)的頻段3．1～10．6 GHz之間的7．5 GHz的帶寬頻率為UWB所使用的頻率范圍 。UWB既不同于傳統(tǒng)的窄帶無線傳輸技術(shù)，也不同于3 G 蜂窩通信中的擴頻寬帶技術(shù)，UWB技術(shù)具有以下特點：① 頻譜寬、功耗低。超寬帶不需要產(chǎn)生正弦載波信號，可以直接發(fā)射跳時偽隨機碼(PN碼)和信息比特控制的沖激脈沖序列，因而具有很寬的頻譜和很低的平均功率，有利于與其它系統(tǒng)共存，提高頻譜利用率；② 保密性好。由于超寬帶信號采用了跳時擴頻，其射頻帶寬可達1 GHz以上，且發(fā)射功率頻譜密度極低，信號隱蔽在環(huán)境噪聲和其它信息號中，用傳統(tǒng)的收發(fā)機無法分辨和接收；③設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單。UWB發(fā)射器直接用脈沖小型激勵天線，不需要功率放大器與混頻器；同時UWB接收機不需要中頻處理，因此，UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)比較簡單；④傳輸速率高。UWB極大的帶寬帶來極大的系統(tǒng)容量，是當(dāng)今無線網(wǎng)最高速的接入方法，特別適合短距離(<10 m)通信技術(shù)：⑤多徑分辨能力強。超寬帶信號波形的無載波狀態(tài)致使在脈沖重疊時也只有很少的衰落。⑥ 輻射低。UWB輻射極低，只有一41 dBrn／MHz。這些特點使得UWB尤其適用于家庭無線局域網(wǎng)。與傳統(tǒng)的工作在相對較窄頻譜內(nèi)的其它幾種短距離無線局域網(wǎng)通信技術(shù)(如藍牙技術(shù)、HomeRF等)相比(如表1所示 )，UWB技術(shù)的優(yōu)勢較為明顯：10m以內(nèi)，UWB可以發(fā)揮出高達數(shù)百Mb／s的傳輸性能；IEEE802．11a或HomeRF在傳輸距離上的性能將強于UWB，但HomeRF速率太低，IEEE802．11a用在家庭網(wǎng)絡(luò)中則有點大材小用；因此把UWB看作藍牙技術(shù)的替代者可能更為適合，因后者傳輸速率遠不及前者，另外藍牙技術(shù)的協(xié)議也較為復(fù)雜。因此，將UWB用于智能家居系統(tǒng)中是非常完美的。 

UWB與幾種近距離無線通信技術(shù)的比較

    3 遙控家電網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)
 
    3．1 遙控家電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成 

    家電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備主要是信息家電，而嵌入式軟件、可編程邏輯器件和DSP芯片技術(shù)是信息家電的核心，信息家電平臺技術(shù)也是家庭網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一 。本文在基于智能卡技術(shù)和UWB通信標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對各信息家電的遠程控制，同時為通信網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換以及信息共享等提供安全保障。基于智能卡和UWB技術(shù)的遙控信息家電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

 

圖2 遙控家電網(wǎng)絡(luò)組成

    3．2 遠程控制的實現(xiàn) 

    現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡(luò)和電話網(wǎng)以及電力系統(tǒng)的發(fā)展，為遠程控制信息家用電器提供了多種方法和途徑。用戶通過Intemet或公共電話網(wǎng)登陸家庭網(wǎng)關(guān)，經(jīng)由嵌入在其中的智能卡認證系統(tǒng)進行身份識別，然后通過主控設(shè)備對家用信息電器進行控制。家庭網(wǎng)關(guān)與外部網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)連接轉(zhuǎn)換功能；同時用來連接PC機、打印機、家電控制子網(wǎng)和其它高速率設(shè)備。家庭網(wǎng)關(guān)是一個嵌入式設(shè)備，具有服務(wù)器功能，它向家庭內(nèi)部提供以太網(wǎng)連網(wǎng)方式。任何家電和設(shè)備都能直接或通過子網(wǎng)關(guān)進行連接，實現(xiàn)智能控制和信息交流；向家庭外部提供Ethernet，Cable Modem，ADSL等接口，使家庭網(wǎng)絡(luò)高速接入Internet。家庭網(wǎng)關(guān)支持多協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)功能和良好的Web性能，可以從不同的外部網(wǎng)絡(luò)接收信號，傳遞給家庭內(nèi)部的各種設(shè)備；支持家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各種設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信、多媒體交互式操作和即插即用功能，具有豐富的用戶界面和圖形控制功能，可以讓用戶方便直觀地操作和控制各項應(yīng)用。

    智能卡系統(tǒng)包括智能卡和嵌入在家庭網(wǎng)關(guān)內(nèi)的智能卡認證體系，是用來進行身份識別的一套安全系統(tǒng)，當(dāng)用戶進行遠程控制訪問時，首先要求讀入用戶身份信息：讀卡器讀取智能卡信息、用戶輸入密碼并予以確認，智能卡信息和用戶密碼信息經(jīng)智能卡認證體系進行比較確認后，遠端用戶才可以通過家庭網(wǎng)關(guān)對家用電器設(shè)備進行控制操作。一旦出現(xiàn)連續(xù)N次(可通過系統(tǒng)設(shè)定，一般為3次)信息輸入錯誤，則該端用戶在一定時間內(nèi)(一天)不能訪問此家庭網(wǎng)關(guān)。要實現(xiàn)基于智能卡系統(tǒng)的身份識別認證，在智能卡內(nèi)要為此建立應(yīng)用文件系統(tǒng)。此應(yīng)用文件系統(tǒng)主要包括以下文件：MF下的DIR目錄文件、MF下的ADF(存放應(yīng)用系統(tǒng))、ADF下的KEY文件、ADF下的私鑰文件和公鑰文件、ADF下的身份特征二進制文件、ADF下的變長記錄文件(記錄用戶、Windows、卡片等記錄信息)。建立身份認證應(yīng)用目錄ADF下的所有文件隨ADF的建立一次性完成，尤其是KEY文件必須和ADF同時建立；一旦離開當(dāng)前ADF再進入ADF時，將遵循文件的訪問權(quán)限，需要通過認證當(dāng)前ADF中的主控密鑰以達到建立文件的權(quán)限。智能卡文件系統(tǒng)如圖3 所示。
 

    以建立私鑰文件為例，通常建立某一文件需要按照以下流程，如圖4所示。

 

圖4 建立某一文件的流程(以建立私鑰文件為例)

    嵌入在家庭網(wǎng)關(guān)的智能卡認證體系儲存著與智能卡(用戶攜帶)相匹配的信息，用戶從遠端登陸家庭網(wǎng)關(guān)時，只有匹配的智能卡通過認證并輸入用戶確認密碼后， 用戶才有權(quán)對家有電器進行操控。智能卡系統(tǒng)的信息是可以變更的，而且只能是合法用戶才可更改其中身份信息。身份信息也是多樣的，可以是指紋信息、視網(wǎng)膜信息、語音信息 等等，用戶可以經(jīng)常變更身份信息或使用多重身份信息以提高家庭網(wǎng)絡(luò)的安全性能。主控設(shè)備(子網(wǎng)關(guān))是家電控制子網(wǎng)連接到家庭網(wǎng)關(guān)的物理接口。子網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)家電控制子網(wǎng)中的信息傳輸設(shè)備的互聯(lián)，同時為各種接入設(shè)備提供與家庭網(wǎng)關(guān)的接口，使各子網(wǎng)設(shè)備可以獲得各種服務(wù) 。家庭主網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和子網(wǎng)關(guān)在物理上可以是同一實體。主控設(shè)備(子網(wǎng)關(guān))主要具有以下功能：①給出友好的人機界面。用戶可以進入任一個電器的控制選項界面，控制各個家庭控制子網(wǎng)設(shè)備，操作簡單；②管理各種家庭控制子網(wǎng)設(shè)備的添加和刪除。當(dāng)新的設(shè)備加入到家庭控制子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時，子網(wǎng)關(guān)可以通過添加設(shè)備文件來添加新的設(shè)備，同時具有刪除設(shè)備的功能；③與各個通信模塊進行數(shù)據(jù)交換。通信模塊(UWB模塊)是家電控制子網(wǎng)設(shè)備的通信核心，是子網(wǎng)設(shè)備的通信接口單元，支持家電控制子網(wǎng)內(nèi)部各個設(shè)備與子網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)通信，即插即用，用戶可以直觀地操作和控制各個家電控制子網(wǎng)設(shè)備。

    UWB技術(shù)的工作是通過在時間上順序發(fā)送一系列非常窄、功率非常低的沖擊脈沖來實現(xiàn)的。使用這樣的寬頻譜、低功耗、脈沖型的信號意味著比傳統(tǒng)窄帶技術(shù)產(chǎn)生更低的信號干擾，在家庭網(wǎng)絡(luò)中使用可以提供與有線技術(shù)相比擬的通信質(zhì)量。UWB主要不足是發(fā)射功率過小限制了其傳輸距離，但對于家庭網(wǎng)絡(luò)來說這個傳輸距離(10 m)足夠了。UWB有兩大技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：多頻帶頻分復(fù)用(MB—OFDM)和直序列碼分多址(DS—CDMA)。DS—CDMA在每個超過1 GHz的頻帶內(nèi)用極短時間脈沖傳輸數(shù)據(jù)，采用24個碼片的DS—ss(直接序列擴頻)實現(xiàn)編碼增益，糾錯方式采用R-S碼和卷積碼。MB—OFDM 的核心是把頻段分成多個528MHz的子頻帶，每個子頻帶采用TFI—OFDM(時一頻交織正交頻率復(fù)用)方式，數(shù)據(jù)在每個子帶上傳輸。MB．OFDM將在性能方面具有優(yōu)勢(初期速度高達480Mbit／s)，而且由于OFDM技術(shù)使微弱信號具有近乎完美的能量捕獲，所以它的通訊距離也會較遠。

    目前，MB—OFDM 設(shè)計的芯片能以高達480Mbit／s的速度發(fā)送數(shù)據(jù)，相比較于DS—CDMA芯片在成本、體積和功耗上占有較大優(yōu)勢。MB—OFDM 技術(shù)是多頻帶方式，技術(shù)上易于實現(xiàn)、功耗很低，頻帶的利用率高，多個頻率子帶并列，可以避開某些頻帶，靈活配置，速率的擴展性好。 3I3 系統(tǒng)的安全性分析UWB信號的功率譜密度非常低，信號難以被檢測到，再加上采用的跳頻、直接序列擴頻或頻分復(fù)用等擴頻多址技術(shù)，使非授權(quán)者很難截獲傳輸?shù)男畔ⅲ蚨踩苑浅：?。智能卡系統(tǒng)具有的3因素身份認證：智能卡、身份信息和密碼確認，能有效抵抗各種攻擊和欺騙；同時身份信息的多樣性，可有效解決“用戶名+密碼”容易被遺忘、被竊取、被冒充的弊端，大大加強了身份認證的安全性，從而切實有效的彌補了身份認證的安全漏洞，增強了系統(tǒng)安全。 

    4 結(jié)束語

    家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正朝著系統(tǒng)融合、可定址TCP／IP的單晶片設(shè)計、控制網(wǎng)絡(luò)與Intemet的互連及高速通信晶片設(shè)計的方向發(fā)展。而智能卡和UWB技術(shù)的發(fā)展正好迎合了這種趨勢，把智能卡系統(tǒng)嵌入到家庭網(wǎng)關(guān)構(gòu)成一個智能網(wǎng)關(guān)，可以有效提高系統(tǒng)的安全級別；UWB相比較于其它短距離無線通信技術(shù)的優(yōu)越性將使其成為高速、短距離無線家庭網(wǎng)絡(luò)用的非常理想的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。UWB的短距離、高傳輸速率的特點使其必將在無線局域(WLAN)和無線個人局局域網(wǎng)(WPAN)有著廣闊的應(yīng)用前景。