基于智能卡和UWB技術(shù)的遙控家電網(wǎng)
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：梁志國 寇衛東 李華平， 樊 凱 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月26日
引 言
現代科學(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(zhù)寬帶化、高速化的方向邁進(jìn)，全球信息化的步伐越來(lái)越快，人類(lèi)進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò )化的生活時(shí)代。信息科技、計算機、控制技術(shù)以及自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展使人們的工作、生活實(shí)現全自動(dòng)成為可能，并為它們的實(shí)現創(chuàng )造了必不可少的條件。隨著(zhù)計算機和因特網(wǎng)在家庭中的迅速普及、智能設備的長(cháng)足進(jìn)步和無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人們對家用電器設備進(jìn)行遠程控制的夢(mèng)想逐漸成為現實(shí)。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 )結構。特別提出將智能卡系統嵌入到家庭網(wǎng)關(guān)以進(jìn)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、加密及數據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成，加上固化于卡中的智能 卡操作系統(COS )及應用軟件，一張智能卡即構成了一臺抗損、便攜的微型計算機。智能卡的硬件構成包括：CPU、存儲器(含RAM、ROM 和EEPROM 等)、卡與讀寫(xiě)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 智能卡的硬件結構
作為芯片核心的微處理器多采用8位字長(cháng)的CPU (更高位的CPU也正在開(kāi)始應用)，負責完成所有運算和數據交換功能?？▋鹊拇鎯ζ魅萘恳话愣疾皇呛艽?，其中，ROM 中固化的是操作系統代碼及自測程序，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(shí)數據或中間數據，例如短期密碼、臨時(shí)變量和堆棧數據等，容量通常不超過(guò)1 KB：EEPROM中則存儲了智能卡的各種應用信息，如加密數據和應用文件等，有時(shí)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(hù)開(kāi)發(fā)利用。智能卡操作系統COS的主要功能是控制智能卡和外界的信息交換，管理智能卡內的存儲器并在卡內部完成各種命令的處理?？ㄅc終端之間通過(guò)命令—— 響應對的形式交換信息。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(lái)強化智能卡的安全性腳。智能卡硬件的不可復制性可以保證用戶(hù)身份不會(huì )被仿冒。智能卡由合法用戶(hù)隨身攜帶，登錄時(shí)必須將智能卡插入專(zhuān)用的讀卡器讀取其中的信息，以驗證用戶(hù)的身份，用戶(hù)不能僅憑PIN 或僅憑智能卡獲取訪(fǎng)問(wèn)權，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據和程序提供一個(gè)安全的環(huán)境。正是這種特性使得智能卡系統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(lái)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(wú)線(xiàn)電技術(shù)是近年來(lái)在國際上新興的一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。2002年美國聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC)頒布了最新的UWB頻譜規劃 ，并規定只要一個(gè)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(mǎn)足FCC功率譜密度限制要求的信號，則這個(gè)信號就是超寬帶信號。FCC還規定了UWB系統在非授權的頻段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既不同于傳統的窄帶無(wú)線(xiàn)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(diǎn)：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(shí)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(shí)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，用傳統的收發(fā)機無(wú)法分辨和接收；③設備結構簡(jiǎn)單。UWB發(fā)射器直接用脈沖小型激勵天線(xiàn)，不需要功率放大器與混頻器；同時(shí)UWB接收機不需要中頻處理，因此，UWB系統結構的實(shí)現比較簡(jiǎn)單；④傳輸速率高。UWB極大的帶寬帶來(lái)極大的系統容量，是當今無(wú)線(xiàn)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(wú)載波狀態(tài)致使在脈沖重疊時(shí)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(diǎn)使得UWB尤其適用于家庭無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)。與傳統的工作在相對較窄頻譜內的其它幾種短距離無(wú)線(xiàn)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?xún)?，UWB可以發(fā)揮出高達數百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(diǎn)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)議也較為復雜。因此，將UWB用于智能家居系統中是非常完美的。
UWB與幾種近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的比較
3 遙控家電網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現
3．1 遙控家電網(wǎng)絡(luò )系統的組成
家電網(wǎng)絡(luò )的設備主要是信息家電，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通信標準的基礎上，實(shí)現對各信息家電的遠程控制，同時(shí)為通信網(wǎng)絡(luò )之間的數據交換以及信息共享等提供安全保障?；谥悄芸ê蚒WB技術(shù)的遙控信息家電網(wǎng)絡(luò )結構如圖2所示。
圖2 遙控家電網(wǎng)絡(luò )組成
3．2 遠程控制的實(shí)現
現代計算機網(wǎng)絡(luò )和電話(huà)網(wǎng)以及電力系統的發(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(hù)通過(guò)Intemet或公共電話(huà)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進(jìn)行身份識別，然后通過(guò)主控設備對家用信息電器進(jìn)行控制。家庭網(wǎng)關(guān)與外部網(wǎng)絡(luò )實(shí)現連接轉換功能；同時(shí)用來(lái)連接PC機、打印機、家電控制子網(wǎng)和其它高速率設備。家庭網(wǎng)關(guān)是一個(gè)嵌入式設備，具有服務(wù)器功能，它向家庭內部提供以太網(wǎng)連網(wǎng)方式。任何家電和設備都能直接或通過(guò)子網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接，實(shí)現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，傳遞給家庭內部的各種設備；支持家庭網(wǎng)絡(luò )內部各種設備之間的數據通信、多媒體交互式操作和即插即用功能，具有豐富的用戶(hù)界面和圖形控制功能，可以讓用戶(hù)方便直觀(guān)地操作和控制各項應用。
智能卡系統包括智能卡和嵌入在家庭網(wǎng)關(guān)內的智能卡認證體系，是用來(lái)進(jìn)行身份識別的一套安全系統，當用戶(hù)進(jìn)行遠程控制訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，首先要求讀入用戶(hù)身份信息：讀卡器讀取智能卡信息、用戶(hù)輸入密碼并予以確認，智能卡信息和用戶(hù)密碼信息經(jīng)智能卡認證體系進(jìn)行比較確認后，遠端用戶(hù)才可以通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)對家用電器設備進(jìn)行控制操作。一旦出現連續N次(可通過(guò)系統設定，一般為3次)信息輸入錯誤，則該端用戶(hù)在一定時(shí)間內(一天)不能訪(fǎng)問(wèn)此家庭網(wǎng)關(guān)。要實(shí)現基于智能卡系統的身份識別認證，在智能卡內要為此建立應用文件系統。此應用文件系統主要包括以下文件：MF下的DIR目錄文件、MF下的ADF(存放應用系統)、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(jìn)制文件、ADF下的變長(cháng)記錄文件(記錄用戶(hù)、Windows、卡片等記錄信息)。建立身份認證應用目錄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(shí)建立；一旦離開(kāi)當前ADF再進(jìn)入ADF時(shí)，將遵循文件的訪(fǎng)問(wèn)權限，需要通過(guò)認證當前ADF中的主控密鑰以達到建立文件的權限。智能卡文件系統如圖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(zhù)與智能卡(用戶(hù)攜帶)相匹配的信息，用戶(hù)從遠端登陸家庭網(wǎng)關(guān)時(shí)，只有匹配的智能卡通過(guò)認證并輸入用戶(hù)確認密碼后， 用戶(hù)才有權對家有電器進(jìn)行操控。智能卡系統的信息是可以變更的，而且只能是合法用戶(hù)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(yǔ)音信息 等等，用戶(hù)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(shí)現家電控制子網(wǎng)中的信息傳輸設備的互聯(lián)，同時(shí)為各種接入設備提供與家庭網(wǎng)關(guān)的接口，使各子網(wǎng)設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(shí)體。主控設備(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(hù)可以進(jìn)入任一個(gè)電器的控制選項界面，控制各個(gè)家庭控制子網(wǎng)設備，操作簡(jiǎn)單；②管理各種家庭控制子網(wǎng)設備的添加和刪除。當新的設備加入到家庭控制子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )系統時(shí)，子網(wǎng)關(guān)可以通過(guò)添加設備文件來(lái)添加新的設備，同時(shí)具有刪除設備的功能；③與各個(gè)通信模塊進(jìn)行數據交換。通信模塊(UWB模塊)是家電控制子網(wǎng)設備的通信核心，是子網(wǎng)設備的通信接口單元，支持家電控制子網(wǎng)內部各個(gè)設備與子網(wǎng)關(guān)之間的數據通信，即插即用，用戶(hù)可以直觀(guān)地操作和控制各個(gè)家電控制子網(wǎng)設備。
UWB技術(shù)的工作是通過(guò)在時(shí)間上順序發(fā)送一系列非常窄、功率非常低的沖擊脈沖來(lái)實(shí)現的。使用這樣的寬頻譜、低功耗、脈沖型的信號意味著(zhù)比傳統窄帶技術(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(xiàn)技術(shù)相比擬的通信質(zhì)量。UWB主要不足是發(fā)射功率過(guò)小限制了其傳輸距離，但對于家庭網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)這個(gè)傳輸距離(10 m)足夠了。UWB有兩大技術(shù)標準：多頻帶頻分復用(MB—OFDM)和直序列碼分多址(DS—CDMA)。DS—CDMA在每個(gè)超過(guò)1 GHz的頻帶內用極短時(shí)間脈沖傳輸數據，采用24個(gè)碼片的DS—ss(直接序列擴頻)實(shí)現編碼增益，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(gè)528MHz的子頻帶，每個(gè)子頻帶采用TFI—OFDM(時(shí)一頻交織正交頻率復用)方式，數據在每個(gè)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(huì )較遠。
目前，MB—OFDM 設計的芯片能以高達480Mbit／s的速度發(fā)送數據，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(shí)現、功耗很低，頻帶的利用率高，多個(gè)頻率子帶并列，可以避開(kāi)某些頻帶，靈活配置，速率的擴展性好。 3I3 系統的安全性分析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用等擴頻多址技術(shù)，使非授權者很難截獲傳輸的信息，因而安全性非常好。智能卡系統具有的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(shí)身份信息的多樣性，可有效解決“用戶(hù)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(shí)有效的彌補了身份認證的安全漏洞，增強了系統安全。
4 結束語(yǔ)
家庭網(wǎng)絡(luò )技術(shù)正朝著(zhù)系統融合、可定址TCP／IP的單晶片設計、控制網(wǎng)絡(luò )與Intemet的互連及高速通信晶片設計的方向發(fā)展。而智能卡和UWB技術(shù)的發(fā)展正好迎合了這種趨勢，把智能卡系統嵌入到家庭網(wǎng)關(guān)構成一個(gè)智能網(wǎng)關(guān)，可以有效提高系統的安全級別；UWB相比較于其它短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的優(yōu)越性將使其成為高速、短距離無(wú)線(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò )用的非常理想的技術(shù)標準。UWB的短距離、高傳輸速率的特點(diǎn)使其必將在無(wú)線(xiàn)局域(WLAN)和無(wú)線(xiàn)個(gè)人局局域網(wǎng)(WPAN)有著(zhù)廣闊的應用前景。
