CN101904117B

CN101904117B - 多个耦合模式间的切换

Info

Publication number: CN101904117B
Application number: CN200880121373.7A
Authority: CN
Inventors: K·克拉邦德; S·科罗伊; H·巴尔杜斯; F·加洛
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2028-12-17
Also published as: EP2241031A1; JP2011509006A; US9002263B2; US9913077B2; US20100311326A1; CN101904117A; WO2009081337A1; EP2241031B1; US20150189463A1; JP5684573B2

Abstract

一种用于在多个耦合模式中传输的设备具有传输模块(11)、至少一个外围模块(18)和用于多个耦合模式的每一个的天线(16，17)。进一步地，在多个耦合模式之间切换的方法中，在第一和第二耦合模式的至少轮询和监听阶段之间执行切换。该设备和方法实现了在例如近场通信和身体耦合通信之间的无缝切换。这种耦合或切换对进行安全交易特别有用，由此通过身体耦合通信，查询体佩标签，其为通过与交易终端的近场通信发起的交易提供安全码。

Description

多个耦合模式间的切换

技术领域

本发明涉及一种用于在多个耦合模式间切换的设备和方法。

背景技术

到目前为止，对通信的需求稳定地增长，并且现在已到达通信装置在当今生活和社会中无处不在的程度。并且，在多种通信可能性中，无线通信已将其自身建立为一种日常通信需要的选择，如果说该选择在某些情况下不优于有线通信解决方案，该选择等同于有线通信解决方案。取决于使用的技术和传输功率，利用无线通信，可桥接从数百公里到数百毫米的任何距离。

近年来，对在短距离(例如数厘米)上通信的不同方法和在达数米距离上通信的不同方法进行了广泛地研究。

例如，智能卡和射频识别(RFID)标签的组合被广泛地用于各个领域，例如运输(售票、道路收费、行李标签)、金融(借记卡和信用卡、电子钱包、商用卡)、通信(用于GSM电话的SIM卡)和追踪(访问控制、存货管理、资产追踪)。例如，在公共运输的电子售票过程中，旅客仅在旋转栅门或入口点处的读取器上刷他/她的卡。该卡的RFID标签被耦合到读取器，且相应的费用从该卡扣除。

短距离通信方法的另一个例子是身体耦合通信(body coupledcommunication，BCC)。BCC是一种允许在身体上和接近身体(达大约15cm)的电子设备通过近场静电耦合来交换数字信息的无线技术。通过调制电场并静电(电容)耦合微微安(picoamp)电流到身体来传输信息。身体将这微小的电流传导到安装在身体上的接收器。环境(空气和地面)为传输的信号提供了返回路径。

短距离通信方法的另一个例子是近场通信(near fieldcommunication，NFC)，其中通过网络技术的短距离通信在两个没有物理连接的设备间建立。这种设备可以点对点地或基于客户端-服务器互相通信。对于不需要用户配置的各种设备(例如移动电话)之间的简单安全通信，NFC是最佳的。为了使两个设备通信，用户让它们紧靠在一起或者甚至使它们接触。设备的NFC接口将自动连接并配置它们自身以形成例如点对点网络。NFC还可以通过交换配置和会话数据来引导其他协议，如Bluetooth^TM或无线以太网(WiFi)。

然而，NFC具有两个严重的局限。一方面，通信距离受限于大约10-20cm，这对执行期望的行为不总是足够的。因此，总是需要将使能NFC的设备放在相应的读取终端附近。另一方面，考虑到通信距离，由于偷听通信是可能的，因此金融或其他安全性很关键的交易是不安全的。

发明内容

因此本发明的一个目的是提供一种设备和方法，借助这种设备和方法可减轻在短距离通信中、特别是在近场通信中的上述和其他缺点。

该目的可通过根据权利要求1的设备和根据权利要求9的方法来实现。

因此，在本发明的第一方面提出了用于在多个耦合模式中传输的设备，包括：传输模块、至少一个外围模块和用于多个耦合模式中的每一个的天线。

该设备使得能够将近场通信和身体耦合通信结合。两种技术的整合允许使用基于低协议级别协作的单个硬件的电感耦合和电容耦合之间的无缝切换成为可能。换句话说，可提供一种被配置来在近场通信网络中和在身体耦合通信网络中操作的设备。

所提出的设备是有利的，因为身体耦合通信覆盖范围为整个身体，即设备可留在口袋里且只要用户触摸它就可以与另一个设备进行通信。并且，将移动近场通信交易与使用身体耦合通信的认证过程相结合使该交易安全，因为由于非常短通信距离，偷听几乎是不可能的。

所提出的设备的至少一个外围模块可包括接收器电路、滤波器和匹配模块。匹配模块可包括针对所述多个耦合模式中至少一个的至少一个匹配电路。针对每个耦合模式的不同匹配电路是有利的，因为在这种情况下可以减少干涉效应。

可为多个耦合模式中的每一个来配置所述至少一个外围模块，其包括：用于多个耦合模式中每一个的接收器电路、用于多个耦合模式中每一个的滤波器和用于多个耦合模式中的每一个的匹配电路。这种配置是有利的，因为可为相应的耦合模式优化通过外围模块的各个信号路径。

第一耦合模式可以是电感耦合模式，而第二耦合模式可以是电容耦合模式。电感耦合模式可用于近场通信，而电容耦合模式可用于身体耦合通信。此外，传输模块和至少一个外围模块可被集成到单个模块中。

所提出的设备可用在移动电话中。

在本发明的另一个方面，提出一种在多个耦合模式间切换的方法，其中切换在第一和第二耦合模式的至少轮询和监听阶段之间进行。

该方法使得能够将近场通信和身体耦合通信结合。这是有利的，因为身体耦合通信覆盖范围为整个身体，即设备可留在口袋里，而只要用户触摸它就可以与另一个设备进行通信。并且，将移动近场通信交易与使用身体耦合通信的认证过程相结合使该交易安全，因为由于非常短通信距离，偷听几乎是不可能的。

根据所提出的方法，该切换可以周期性地进行。第一耦合模式可以是电感耦合模式，第二耦合模式可以是电容耦合模式。电感耦合模式可用于近场通信，而电容耦合模式可用于身体耦合通信。在电感耦合模式的轮询阶段，可轮询多个电感耦合机构中的一个或多个，并且在电感耦合模式的监听阶段，可接收来自多个电感耦合机构的应答。

另外，第一和第二耦合模式中至少一个的监听阶段和轮询阶段可以交替地发生。第一耦合模式的轮询阶段和监听阶段的时间可以与第二耦合模式的轮询阶段和监听阶段的时间相等。

所提出的方法可以实现为可在计算机上运行并存储在计算机程序产品的机器可读介质上的计算机程序。

所提出的解决方案使用单个硬件实现了以两种不同通信介质操作的应用，所述两种不同通信介质具有不同的优势和使用模式以及不同的物理传播性能。它兼容电感耦合模式的现有应用和电容耦合模式的现有应用，从而给予一个设备近场通信和身体耦合通信的全部优点。

此外，该设备允许实现仅使用身体耦合通信、仅使用近场通信或者使用身体耦合通信和近场通信的新应用。特别是最后一种选择，其允许开发使用两种技术的应用和服务，这在单独使用任意一种技术或在两个不同设备上并行使用两种技术的情况下都是不可能。

所提出的解决方案还兼容其他近场通信解决方案以及其他身体耦合通信解决方案。

此外，利用所提出的解决方案，现存的近场通信应用可被容易地扩展以使用身体耦合通信。从而可扩展身体耦合通信的应用领域。

另外，相对于网络中的其他设备，根据所提出解决方案的设备可在近场通信网络和身体耦合通信网络这两者中运行，就像它是普通设备一样。因此，利用所提出的解决方案，在不同技术(近场通信/身体耦合通信)间的模式切换提供了多技术能力的透明性。因此，当与设有多技术能力的设备通信时，简单的近场通信或身体耦合通信应用可正常地运行。

此外，相同硬件的使用允许近场通信介质和身体耦合通信介质在低层(例如开放系统互连(OSI)七层模型的二层)上的同步，且允许在用于两种技术的设备上软件栈的共享。由于减少了用于应用的所需代码量，导致了更容易和更好的代码开发和可维护性。这种在低层的两种通信模式的低层同步加速了应用，而不影响用户体验。

软件栈的抽象级别完全允许如“轮询”(其将是对近场通信和身体耦合通信设备的轮询，生成在两个网络上出现的所有设备的列表)这样的通用功能，但不阻止特定的应用执行仅涉及一种技术的功能。

由于该设备在特定的时间点上运行于电感耦合模式或电容耦合模式，因此这两种模式间没有干扰。此外，不必在各个模块间执行屏蔽(shielding)来减少任何干扰。因此，设备的数据率能够得以增加，因为可以降低设备的任何重传率。

所提出的解决方案的一个优点是功率仅由一个设备消耗，并且以集中化方式管理功率，从而当使用所述两种技术时没有功率浪费。

其他有利的开发在从属权利要求中得以定义。

附图说明

现在基于参考附图的实施例描述本发明，在附图中：

图1展示了根据该实施例的示例性设备的示意性配置；

图2展示了根据该实施例的模式切换模块的有限状态自动化；和

图3展示了根据该实施例的应用的流程图。

具体实施方式

图1展示了根据一个实施例的设备即硬件模块10的示意配置。传输模块11执行被传输信号的生成。该信号可以是认证信号、会话信号或数据信号。传输模块11可被耦合至任何发送设备、请求设备和/或接收设备。在图1所示的示例性硬件模块10中，传输模块11与接收器电路12相连接。接收器电路12向传输模块11的内部接收平台提供接收的信号。滤波器13与传输模块11和接收器电路12相连接。滤波器13被配置为减少所传输信号的谐波，并且如果需要的话执行阻抗变换。滤波器13可以是电磁兼容性(EMC)滤波器或任何其他能够减少谐波和/或阻抗变换的滤波器。在图1所示的示例性硬件模块10中，滤波器13是EMC滤波器。匹配模块或匹配电路14与EMC滤波器13相连接。匹配电路14充当阻抗变换块。它可包括用于多个耦合模式中每一个的一个匹配电路，或者用于任意数量的多个耦合模式的一个匹配电路，例如用于两个耦合模式的一个匹配电路。例如，匹配电路14可包括至少两个分离的匹配电路(电容的/电感的)。匹配电路14与混频器15相连接。此外，用于生成电场和接收身体耦合通信(BCC)包的电容天线16以及用于生成磁场和接收近场通信(NFC)包的电感天线17与混频器15相连接。附图标记18表示包括接收器电路12、EMC滤波器13和匹配电路14的外围模块。

传输模块11和外围模块18可集成在单个模块中。在同一设备内使用传输模块和外围模块的不同配置也是可能的。取决于这些不同配置、用于电感耦合模式和电容耦合模式的通用模块或用于这些耦合模式中任意一种的单独模块，NFC技术和BCC技术可以互相协作来共享处于不同协议等级的通用软件和硬件。电感耦合模式可用于NFC，而电容耦合模式可用于BCC。

在两个不同的设备上使用这两种技术，通常以收纳(host)这两个设备的装置内部的软件以高协议等级完成该协作。另一方面，在同一设备或集成电路(IC)上使用这两种技术，也可以通常以固件或者甚至以该设备或IC自身内部的硬件以低协议等级完成该协作。

这两种技术的集成允许基于低协议等级协作使用单个硬件来实现电感耦合和电容耦合之间的无缝切换。

设备或硬件模块10可被集成在例如移动电话、智能电话、个人数字助理、智能卡、信用卡、多媒体播放器、表、钥匙、手持计算机和/或膝上型计算机中。可实现仅使用电感耦合模式、仅使用电容耦合模式或使用电感和电容耦合模式的附加应用。特别是后一个选择允许开发使用这两种技术的应用，并提供使用一个单个技术或在两个不同设备上并行地使用这两种技术不能实现的服务。

在图2中展示了模式切换模块的有限状态自动化。每个NFC/BCC设备包含模块“模式切换”。优选地，模式切换模块以软件实现。然而，以硬件实现也是可能的。模式切换模块实现了NFC模式和BCC模式之间的无缝切换。该过程实现了NFC轮询和监听与BCC轮询和监听之间良好的轮换时间。在NFC模式中，设备必须轮询和监听三种不同类型的NFC设备(NFC-B、NFC-F和NFC-A)。在BCC模式中，该设备轮询和监听BCC设备。

在NFC模式中，该设备轮询例如根据所应用技术分组的以下类型的设备：

● NFC-A：ISO/IEC 14443类型A卡服从的(compliant)、Mifare卡和仿真卡的NFC电话(例如诺基亚6131NFC)

●NFC-B：ISO/IEC 14443类型B卡服从的和仿真卡的NFC电话

●NRC-F：FeliCa卡和FeliCa电话(例如来自富士通的F902iS)

在NFC模式中，该设备进一步针对例如根据所应用技术分组的以下类型的设备：

●NFC-A：在地铁旋转栅门顶部上的读取器设备、销售点服从NFC-A的设备、装备NFC的移动电话(例如诺基亚6131NFC)和任意ISO/IEC14443类型A读取器

●NFC-B：在地铁旋转栅门顶部上的读取器设备、销售点服从NFC-B的设备、装备NFC的移动电话(例如诺基亚6131NFC)和任意ISO/IEC14443类型B读取器

●NFC-F：在地铁旋转栅门顶端的读取器设备、销售点NFC-F兼容设备、装备NFC的移动电话(例如诺基亚6131NFC)和任意FeliCa读取器

例如，模式切换模块支持以下情况的一个或多个：

-设备周期性地执行NFC轮询/监听和BCC轮询/监听

-具有进行中的BCC通信的设备周期性地执行NFC轮询/监听

-具有进行中的NFC通信的设备周期性地执行BCC轮询/监听

-设备具有进行中的NFC和BCC通信这两者

NFC和BCC轮询/监听状态之间的各种状态转换顺序是可能的。例如，即使未在图2中示出，NFC轮询、BCC轮询、NFC监听和BCC监听，或NFC监听、BCC轮询、NFC轮询和BCC监听等状态转换顺序可发生。

在轮询阶段期间，设备、模块或单元的状态被周期性地请求，从而可通过硬件和软件来确定该状态。在监听阶段期间，相应的设备、模块或单元等待轮询请求。如果相应的设备、模块或单元接收到这种轮询请求，它向后发送应答至少一次。

模式切换应当相等地共享两个模式(NFC和BCC)之间的时间，其中

t_L是在此期间设备处于NFC监听阶段的时间，和

t_P是在此期间设备处于NFC轮询阶段的时间。

监听阶段和轮询阶段可交替地发生。监听阶段和轮询阶段可等长。也可以是监听阶段或轮询阶段比相应的其他阶段长。进一步地，第一耦合模式(例如NFC模式)的轮询阶段和监听阶段的时间可以等于第二耦合模式(例如BCC模式)的轮询阶段和监听阶段的时间。然而，也可能的是，模式的阶段单独地或总和地长于另一个模式的相应阶段。

当设备处于NFC模式的轮询阶段(即状态24)时，它将一个接着一个地轮询一个或多个NFC技术(NFC-B、NFC-F、NFC-A)，即状态24a、24b和24c。为了公平，模式切换模块不应当允许BCC相比任何其他技术(例如NFC-A)轮询更多的时间。因此，t_BCCP被定义为在此期间设备轮询其他BCC设备的时间。即，t_BCCP被定义为

t_BCCP＝t_P/n，

其中n是在NFC模式期间被轮询的不同技术的数目。这为所有技术提供了好的舒适等级。

当设备在NFC模式的监听阶段(即状态23)时，它将检测任何到来的(incoming)RF场，选择一个特定的技术，或状态23a、或23b或23c，然后如果轮询请求来自该技术，则发送应答。从而，在一个NFC监听阶段期间极有可能仅监听一种技术。

典型的BCC应用，如病人监护，需要BCC设备非常规律地传输生命表征并且不能支持在接收信息更新之前等待三个NFC监听阶段。因此，一个监听阶段将专用于NFC技术，而下一个将单独专用于BCC。因此，t_BCCL被定义为在此期间设备监听其他BCC设备传输的时间。即，t_BCCL被定义为

t_BCCL＝t_L。

基于此，NFC-BCC设备轮询和监听NFC技术和BCC的周期的总时间t_NFC-BCC可被定义为

t_NFC-BCC＝t_P+t_L+t_BCCP+t_BCCL＝t_P+t_L+t_P/n+t_L＝(n+1)t_P/n+2t_L

在BCC模式的轮询阶段(即状态22)，设备启动持续时间为t_BCCP的计时器。然后，它在状态26中发送广播轮询命令BCC_POLL_REQ直到该定时器结束。这与上述NFC模式切换非常不同，因为在NFC模式中该设备将继续轮询不同技术的顺序，并且在改变所轮询的技术之前不得不等待响应。

在此，处于BCC模式的设备将在它继续轮询时收集应答。不需要轮询设备让信道空闲以收集响应，因为将通过载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)来在应答设备和轮询设备之间共享介质。在发送新的轮询请求之前，设备将检测到信道繁忙并且随后收集应答。该选择由网络的网状结构直接施加(impose)。实际上，BCC设备应当能够同时与任何其他BCC设备通信，并在一个轮询阶段尽可能多地收集应答，包括在这个特定的轮询阶段期间出现的BCC设备。取决于在该设备上运行的应用的需要，在轮询阶段后它对每个应答做出反应。对于每个应答，它将接收的响应设备的ID传递给应用层。

在BCC模式的监听阶段(即状态21)中，该设备启动持续时间为t_BCCL的计时器。然后，它等待轮询命令BCC_POLL_REQ。如果它接收到这种请求，它在状态25向后发送应答BCC_POLL_RES。尽管理论上设备可以在某时仅响应轮询命令，但是可能发生由于轮询设备发送广播包而没有发送所接收应答的确认造成应答丢失。因此，设备将总是响应轮询命令，即使它已在同一监听阶段内响应过。轮询设备将检测来自一个特定设备的多个响应。

除了在此描述的、在相等地共享时间的NFC模式和BCC模式之间自动并透明地切换的“通用模式切换”外，允许应用在NFC模式和BCC模式之间明确地切换也是可能的。这允许取决于应用状态的在大多数适当时刻的切换。对于这种情况，可定义一些可被所述应用使用的消息。

在两种情况下，模式切换模块将具有其设备通信状态的内部表示，从而它能够决定如何在NFC模式和BCC模式之间进行最佳切换，而不干扰/降级运行的应用/通信。

在上述例子中，提供了两种耦合模式，即NFC模式和BCC模式。然而，还可以采用多于两种的耦合模式。并且，所采用的耦合模式可以是相同类型的或不同类型的。

图3展示了根据该实施例的一个应用的流程图。具备NFC和BCC能力的移动电话可提供各种应用。由这种电话提供的许多应用中的一种是不使用信用卡的交通票，音乐会、电影院、剧院票(例如通过智能海报)或者甚至是在配备了NFC读取器的商店中任何产品的支付。这种类型的应用在支付时需要认证过程以认证购买者和该支付过程的合法性。交易以NFC开始，并且为了认证该移动电话在该用户身体上搜索包含唯一密钥的BCC标签，以识别该用户。然后该唯一的密钥可通过BCC被发送至NFC读取器以便认证该交易。

在状态31，NFC读取器规律地轮询NFC设备以处理支付。NFC-BCC移动电话在NFC轮询/监听和BCC轮询/监听阶段之间交替。当该NFC-BCC移动电话处于NFC监听阶段时，它将在状态32中检测到来自NFC读取器的支付请求。该NFC-BCC移动电话将处理该支付，并且当NFC读取器请求PIN码时，它将在状态33中搜索BCC标签。然后该NFC-BCC移动电话将在状态34中将该PIN码传递至NFC读取器以在状态35中完成该交易。

应当注意，根据上述实施例的所提出的解决方案可在相关功能块的软件模块中得以实现。还应当注意本发明并不受限于上述实施例，而是可用在任何网络环境中。特别地，它可应用于用于与所有类型无线设备的移动交易和交互的所有基于NFC的系统。

在上述描述中，缩写“BCC”用于表示身体耦合通信，缩写“NFC”用于表示近场通信。然而，这些缩写的使用不得以任何限制方式加以解释，例如使得将采用特定的标准。相反，可指任何类型的身体耦合通信和近场通信。

总的来说，本发明涉及一种用于在多个耦合模式中传输的设备。该设备包括传输模块、至少一个外围模块和用于多个耦合模式中每一个的天线。本发明还涉及一种在多个耦合模式间切换的方法，其中在第一和第二耦合模式的至少轮询和监听阶段之间执行切换。该设备和方法实现了使用同一硬件在例如近场通信和身体耦合通信之间的无缝切换。

虽然在附图和以上说明书中详细图示和描述了本发明，但这种图示和描述应当被认为是说明性的或示例性的，而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。

通过对附图、说明书和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实践要求保护的本发明时可理解和实现对所公开实施例的其他变型。

在权利要求中，词“包括”不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个的处理器或其他单元可完成在权利要求中叙述的多个项目的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施这个起码事实并不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。

包括用于使计算机执行根据实施例的方法的步骤的程序代码方法的计算机程序可被存储/发布在适当的介质(例如光存储介质或与其他硬件一起提供的或作为其他硬件的一部分而提供的固态介质)上，但也可以以其它方式来发布，例如通过因特网或其他有线或无线电信系统。

Claims

1.用于在多个耦合模式中传输的设备，包括：

传输模块(11)，

至少一个外围模块(18)，和

用于所述多个耦合模式的第一耦合模式的第一天线(16)和用于所述多个耦合模式的第二耦合模式的第二天线(17)，其中所述第一耦合模式是电感耦合模式，并且所述第二耦合模式是电容耦合模式，其中所述电感耦合模式被用于近场通信，并且所述电容耦合模式被用于身体耦合通信，并且其中交易以近场通信开始，搜索包含唯一密钥的身体耦合通信标签，并且通过身体耦合通信发送唯一的密钥到近场通信读取器以便认证该交易。

2.根据权利要求1的设备，其中所述至少一个外围模块(18)包括：

接收器电路(12)，

滤波器(13)，和

匹配模块(14)。

3.根据权利要求2的设备，其中所述匹配模块包括用于所述多个耦合模式中至少一个的至少一个匹配电路。

4.根据权利要求2的设备，其中针对所述多个耦合模式的每一个，配置所述至少一个外围模块(18)，该外围模块包括：

用于所述多个耦合模式的每一个的接收器电路，

用于所述多个耦合模式的每一个的滤波器，和

用于所述多个耦合模式的每一个的匹配电路。

5.根据权利要求1的设备，其中所述传输模块(11)和所述至少一个外围模块(18)被集成在单个模块中。

6.包括如权利要求1-5中任意一项所述的设备的装置。

7.在多个耦合模式之间切换的方法，其中在第一和第二耦合模式的至少轮询和监听阶段之间执行切换，其中所述第一耦合模式是电感耦合模式，并且所述第二耦合模式是电容耦合模式，其中所述电感耦合模式被用于近场通信，并且所述电容耦合模式被用于身体耦合通信，并且其中交易以近场通信开始，搜索包含唯一密钥的身体耦合通信标签，并且通过身体耦合通信发送唯一的密钥到近场通信读取器以便认证该交易。

8.根据权利要求7的方法，其中周期性地执行所述切换。

9.根据权利要求7的方法，其中在所述电感耦合模式的所述轮询阶段中轮询多个电感耦合机构的一个或多个。

10.根据权利要求7或9的方法，其中在所述电感耦合模式的监听阶段中接收来自多个电感耦合机构的应答。

11.根据权利要求7的方法，其中所述第一和第二耦合模式的至少一个的所述监听阶段和所述轮询阶段交替地发生。

12.根据权利要求7的方法，其中所述第一耦合模式的所述轮询阶段和所述监听阶段的时间等于所述第二耦合模式的所述轮询阶段和所述监听阶段的时间。