宋素真, 桂 林, 杨 晨, 郑艺璇, 陈 璟, 朱玉绚

(上海第二工业大学a. 环境与材料工程学院;b. 计算机与信息工程学院,上海201209)

0 引言

手机支付,即利用短距离移动通信方式进行支付,是当前的一种主要支付方式,并广泛应用于人们的生活中。近场通信(near field communication,NFC)和射频识别(radio frequency identification,RFID)是手机支付中一种重要的短距离移动通信方式,却存在一些安全问题,如“中间人攻击”,从而截获重要信息。因此,工业界提出了基于可见光通信进行支付的技术方案[1],它可以应用于普通的支付场景[2-3],以及利用车灯通信系统进行车辆身份识别和费用支付的应用[4-5]。

可见光通信(visible light communication, VLC)是近些年来的热点研究领域,国内学者在VLC 领域取得了可喜的突破,可见光通信的通信速率已提高至10 Gb/s[6]。与此同时,一些研究人员也进行着可见光支付系统的设计。光启研究院[1]最早提出可见光通信应用于手机支付,发明了一种光子支付方法及系统专利,且成功研发并投向一系列围绕安全的光子产品,包括光子认证、光子门禁、光子防伪、光子支付等。光启已经与银联商务合作,共同推广手机的“刷光支付”。一些工程技术人员设计了可见光支付的系统[7],但是可见光支付的有效区域问题尚未有研究,该问题直接影响可见光通信的安全性。

因此,本文针对手机支付安全性问题,根据LED在自由空间传输模型[8-11],仿真了基于可见光通信手机支付时的有效区域问题,实验研究可见光通信信号在真实环境下的有效区域问题,通过对比仿真与实验结果,得到了真实环境下的朗伯指数。

1 系统模型与结构

1.1 手机支付系统中VLC 信号传输模型

手机支付系统可设计为双向无线可见光通信,下行链路的实现利用了非成像的无线可见光传输技术。本文采用功率为1 W 的LED 作为发射器,采用硅光电池作为接收器,实现高速下行数据传输;上行链路的实现需利用基于成像的无线可见光传输技术,需采用摄像头等作为接收器成帧捕捉图像光信息。本文目前实现了下行链路无线可见光通信系统,通过理论研究,上行链路中LED 作为发射端可以多次闪烁, 上行链路不会实现太高的通信速率,但是对于下行为主的数据传输类型的通信而言,上行链路主要用于传输数据量不大的信令信息、内容请求信息等。上行链路的接收端可利用摄像头捕捉发射端信息,手机摄像头在获取一帧图像时会进行多次快门曝光,因此,利用这一效应就能够捕捉LED 的高频闪烁,当手机快门曝光频率高于LED 闪烁频率时,能够无失真地得到LED 的闪烁图像,随后可用数字信号处理算法取出LED 闪烁频率及传送的数据信息。

在可见光手机支付系统中,信号从LED 等通过自由空间信道传输到接收器,大光束发散的LED 通常被认为朗伯光源,因此,它一般会遵循朗伯辐射定律。可见光通信LED 光传播满足朗伯分布,其朗伯光源的光强分布是利用余弦方程量化空间角度的关系来表明。在基于可见光通信LED 手机支付系统中,直射信号的强度远大于反射信号的强度,本文只考虑直射传输链路。下行链路发射端LED 功率为1 W 的白光,接收端采用硅光电池进行感光,硅光电池线性度好,接收面积大,进而完成下行链路的设计。LED 朗伯模型如图1 所示。发射端LED 为1 W白光,θ 为LED 的光发射角度;ψ1/2是LED 灯泡的半功率角,即照度为中心照度1/2 的角度;d 为LED与硅光电池阵列的直线接收距离;h 为LED 距离接收端水平面的高度;视场角(field of view,FOV)为硅光电池的有效接收角度,设置为60°;φ 为硅光电池光入射角,本次实验设定φ 始终小于FOV。

在LED 上获取基于VLC 的定位数据。基于朗伯特性,在模型中,当LED 与硅光电池阵列平行时,θ =φ,光直射传输信道的增益H(0)可表示为[6]:

图1 LED 朗伯传输模型Fig.1 LED Lambertian transmission model

式中:m 为LED 光源的朗伯辐射指数;A 为VLC 手机支付模块中光电二极管检测器的物理区域;θ 为角度相对于接收器轴的入射角;φ 为相对于LED 灯泡的入射角。m 的大小由LED 的半功率角ψ1/2决定,

m 值的大小表示LED 的发光指向性。当m=1时, 光源表示为一个纯粹的朗伯漫射器,当m > 1时, LED 会显示处更强的指向性。通常θ = ϕ,m = 1, cos ϕ = h/d, RF 强度由电子频谱分析仪(Tektronix,MDO3052 的频谱分析功能)测量:

式中: It和Ir分别为LED 灯泡发射器和定位模块接收器的光强度;C 为一个常数。

根据式(3)从而证明了r、d 和h 间的关系:

式中: (X,Y)表示接收端硅光电池阵列水平面坐标,从式(5)可以得到接收器的位置。

式中: φ 为LED 光入射角; cos φ 为LED 距离接收端水平面的高度h 与LED 与硅光电池阵列的直线接收距离d 的比值。硅光电池阵列建立水平面坐标系, 坐标表示为(X,Y), X、Y 的取值范围均为−30 ～30 mm。

由硅光电池坐标取值范围可得Wmax= 0.018,Wmin= 0。当h = 35 mm 时, (cos θ)max= 1,(cos θ)min=0.636 4;当h =70 mm 时,(cos θ)max=1,(cos θ)min=0.855 2。

1.2 手机支付有效区域

可见光通信应用于手机支付过程中,基于LED光源的朗伯特性,发射端发射、接收端接收角度限制,一定接收角范围内才可实现信号接收。随着发射端与接收端距离、接收角度的变化,信号呈现不同程度的传输,通信过程中会存在安全性问题。发送接收端距离变大,信号接收逐渐衰减,当接收端接收功率下降至一定程度时视为无效接收功率,即接收端接收不到信号,无法完成可见光通信。本文设定当接收功率<−90 dBm 时,接收端接收信号数据视为无效,即接收端接收不到信号。

2 系统仿真与结果分析

2.1 仿真设计与参数

为了测试本系统的性能,在MATLAB 软件中建立了可见光通信手机支付模型,LED 为1 W 白光, 接收端硅光电池为7×7 阵列矩阵, 测量区域为0.07 m×0.07 m, 矩阵各个测量点间隔为10 mm,LED 置于硅光电池阵列水平面一定高度,测量接收端的接收功率。在MATLAB 仿真环境下,定义接收端硅光电池为7×7 阵列矩阵, 建立水平面坐标系,硅光电池矩阵各个测量点间隔为10 mm,令硅光电池阵列某一坐标为(X,Y), X、Y 的取值范围均为−30 ～30 mm。LED 置于硅光电池阵列中心坐标上方一定高度h,设置h 分别为35、70 mm,具体的仿真参数如表1 所示。

表1 仿真参数Tab.1 Simulation parameters

2.2 仿真结果与分析

通过MATLAB 建模,令m = 1,仿真数据如图2 所示。

图2 m=1 时的仿真结果 (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,硅光电池阵列的cos φ 范围,求得各半功率较对应的朗伯指数,通过此估计方法计算不同的朗伯指数m 所对应的数据。当m = 5.5 时,测量误差最小如图3 所示。

图3 m=5.5 时的仿真结果(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 为硅光电池的光入射角,当φ=0 时,LED 位于接收端水平面中心坐标正上方,硅光电池阵列的中心位置,接收端接收功率最高。随着硅光电池坐标的移动,距离中心坐标越远,接收端接收功率越小。通过MATLAB 建模仿真, 仿真结果表明, 随着硅光电池水平面与LED距离h 的改变,接收有效区域也会随之改变,即h 会影响接收端有效接收区域。当m = 5.5 时,手机支付系统建模效果最好,安全性较好。

3 实验设计与结果分析

3.1 实验原理及实验装置

可见光通信系统主要由LED 光源发射端、光电检测的接收端及中间信道传输部分构成。原始待传输信号经调制加载到光信号上,接收端接收到传递来的光信号,进行光电转换,经过信号放大均衡等处理进而得到原始信号。在发射端,LED 将电信号转换为光信号进行传输;在接收端,硅光电池将接收到的光信号转换为电信号。

通过手机支付原理,实验采取额定功率1 W 白光LED 作为发射端,硅光电池作为接收端,通过信号发生器产生信号,RF 强度由电子频谱分析仪测量。硅光电池依次放置于7×7 阵列矩阵测量点上,矩阵各个测量点之间间隔为10 mm, 接收端硅光电池建立水平面坐标系,坐标表示为(X,Y),X、Y的取值范围均为−30 ～30 mm。LED 置于硅光电池阵列中心坐标上方一定高度h, 设置h 分别为35、70 mm。设置信号频率f =100、50 kHz,分别测量LED 和硅光电池距离h = 35、70 mm 的接收功率。

3.2 结果分析

1 W 白光LED 在偏置电压3.4 V、频率f =100 kHz 下,接收端测量区域为0.07 m×0.07 m,发射端利用信号发生器生成偏置正弦波形, 分别测量距离h = 35、70 mm 的接收功率,RF 强度由电子频谱分析仪测量。观察在设定接收区域内硅光电池接收功率,测量数据如图4 所示; 同时测量f =50 kHz 下,有效接收区域硅光电池接收功率,测量数据如图5 所示。

图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

图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

实验利用信号发生器生成偏置正弦波形,测量h=35、70 mm 时硅光电池的接收功率。RF 强度由电子频谱分析仪测量,当接收功率低于−90 dBm 时,视为无效接收区域。结果表明,当f =100 kHz,h=35 mm 时,测量区域中心接收功率为−75.2 dBm,除(−30, 20) mm、(−30, −30)mm、(30, 30) mm、(30,−30)mm 点外,硅光电池接收功率均高于−90 dBm,即为有效接收区域; h=70 mm 时, 测量区域中心接收功率为−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 点外区域为有效接收区域。发射端与接收端距离h 越大,测量区域中心功率越小,有效接收区域范围越小,即距离h 影响接收有效区域, 对手机支付的安全性产生影响。

当f =50 kHz,h=35 mm 时,测量区域中心接收功率为−73.1 dBm, 除(−30,−30)mm 点外为有效接收区域;h=70 mm 时,测量区域中心接收功率为−82.5 dBm,由于实验测量存在角度误差,数据分布不对称,除(−30,−30)mm 点外为有效接收区域。相同距离h 下,f = 50 kHz 的测量区域中心接收功率均大于f =100 kHz 时测量区域的中心接收功率,且接收有效区域较大,即输入信号频率也会影响硅光电池接收有效区域,当对手机支付的安全性产生影响。

4 总 结

本文针对手机支付安全性问题,研究了可见光通信应用于手机安全支付有效区域的问题, 通过MATLAB 建模与实验数据分析对比得出,硅光电池水平面与发射端LED 的距离h 会影响接收端有效接收区域,同时,输入信号频率也会影响有效接收区域。此现象表明可见光通信应用于手机支付时,需要对接收端有效区域进行计算与设计,解决手机支付过程中安全性问题。