CN102202128B - 一种高频超高频双界面sim卡及射频识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频超高频双界面SIM卡及其用于移动支付的射频识别系统，该SIM卡包括SIM卡芯片、超高频天线和超高频读写芯片，所述的SIM卡还包括高频天线和高频读写芯片，所述的SIM卡芯片与高频读写芯片相连，所述的高频读写芯片通过所述的高频天线接收阅读器发出的高频信号，解调后发送给所述的SIM卡芯片。本发明射频识别系统，在借助高频超高频双界面SIM卡以及不替换更新一个新手机的情况下，实现了手机的非接触式近距离射频识别，同时不会误操作到其它周边的高频超高频双界面SIM卡。

Description

一种高频超高频双界面SIM卡及射频识别系统

技术领域

本发明涉及移动支付技术，特别是一种高频超高频双界面SIM卡及用于移动支付的射频识别系统。

背景技术

移动支付产业是一个具有广阔应用前景的产业，特别是移动通信经历近30多年的迅速发展，几乎已经成为消费者人手必备的随身装置，普及率非常高，并且有在移动终端上集成更多功能的趋势。利用手机本身的移动通信网络如GSM、CDMA等进行支付是现有的成熟技术，但将手机和电子标签有效结合起来，让手机像公交卡这样方便使用是目前射频识别的发展方向，也是设备提供商和移动运营商目前大力开拓的市场。目前业界主要有三套基于非接触技术的移动支付解决方案：Combi SIM卡方案、近场通信方案(简称NFC方案)和超高频通信方案。

Combi SIM卡方案，又称双界面SIM卡方案，指用Combi SIM卡替换手机内部SIM卡，在保留原接触式界面的SIM卡功能基础上增加非接触IC卡应用界面。比较典型的做法有两种：一、非接触IC卡的非接触天线印刷在塑料薄膜上，再贴至SIM卡表面；二、非接触IC卡的非接触天线作为一个独立的部件附加在手机中，将天线引到手机的正面或反面，天线连接在SIM卡尚未使用的C4和C8两个接口上。但这两种方案的缺点是：天线贴到SIM卡表面或者引出到手机正面或反面，在安装过程中很容易造成天线断裂、损坏，并造成用户使用不方便，同时由于手机电池和电路板的屏蔽作用，双界面SIM卡能收到阅读器的信号和反射给阅读器的信号都非常微弱，双界面SIM卡和阅读器之间通信的质量会非常差，阅读器几乎收不到双界面SIM卡返回的应答。

NFC方案是近年由Norkia、Philips等公司提出有关射频识别的一种新的方案，基本的做法是在新设计的手机中加入用于支付的RFID模块，RFID模块和手机之间用专门的通信协议进行相互通信。这种方法可以比较好地解决利用手机进行射频识别的问题，但缺点是用户必须去改造现有的手机，甚至购买一个全新的手机，这在现阶段并不是所有用户都能接受方法，而且对整个社会而言也是很大的资源浪费。

超高频通信方案是利用2.45GHz、433MHz、915MHz或868MHz等超高频信号来进行通信的方案。该方案中手机中的SIM卡是一个双界面SIM卡，一方面它可以通过ISO7816接口和手机的接触式接口进行通信，另一方面它可以通过超高频信号和对应的阅读器进行通信，所以也可以理解为一个超高频电子标签。由于超高频信号相比高频信号(如13.56MHz)具有波长较短的特点，所以阅读器和SIM卡之间可以相对比较容易地透过手机电池与手机主板的缝隙进行通信。但这种方式具有以下缺点：由于各款手机的电池和电路板的屏蔽作用不同，所以超高频信号进入到双界面SIM卡的衰减程度也不同，这样阅读器发出完全一样的信号条件下，同一个双界面SIM卡放到不同手机中能通信交易的距离就很不一样，从而存在很大的误操作风险。目前已有一些做法使阅读器(射频读卡装置)能控制操作手机中双界面SIM卡的距离，如中国专利申请200810142182.0(申请日：2008.8.25，名称：借助标签识别控制射频SIM卡通信距离的方法及通信系统)中所述通过外加一个标签来实现，但这种方法最大的问题一是需要额外加一个高频电子标签来配合确定移动通信设备距离，二是忽略了无线支付交易过程中的高安全要求，从标签中的数据信息中仅提取SIM卡的射频通信地址将无法确保交易三方(阅读器、标签和SIM卡)的合法身份和该交易的可靠安全进行；另一个问题是所述的该移动支付通信系统无法做到原有系统的高频标签、超高频电子标签、带有标签和SIM卡的移动通信终端等多种电子标签在一个阅读器上兼容使用这一点。

发明内容

为克服上述已有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种高频超高频双界面SIM卡及射频识别系统，在借用高频超高频双界面SIM卡以及不替换更新一个新手机的情况下，实现了手机的非接触式近距离射频识别，在确认交易双方(阅读器、高频超高频双界面SIM卡)合法身份的前提下实现可靠地移动支付，同时不会误操作到其它周边的高频超高频双界面SIM卡，且一个阅读器上兼容使用多种标签。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种高频超高频双界面SIM卡，包括SIM卡芯片、超高频天线和超高频读写芯片，所述的SIM卡芯片与超高频读写芯片相连，所述的SIM卡还包括高频天线和高频读写芯片，所述的SIM卡芯片与高频读写芯片相连，所述的高频读写芯片通过所述的高频天线接收阅读器发出的高频信号，解调后发送给所述的SIM卡芯片。

所述的高频超高频双界面SIM卡和所述的阅读器在进行高频通信时选用ISO/IEC14443标准，载波频率选用13.56MHz、或6.78MHz、或27.12MHz。

一种射频识别系统，包括后台系统和移动通信设备，所述的后台系统包括阅读器，所述的移动通信设备包括高频超高频双界面SIM卡，所述的高频超高频双界面SIM卡接收所述的阅读器信号时用高频信号，而应答发送回所述的阅读器时用超高频信号。

所述高频超高频双界面SIM卡和阅读器在进行正式移动支付交易之前，双方需进行相互三重认证以确定身份合法，

认证成功后，所述阅读器用密文方式向所述高频超高频双界面SIM卡发送命令，获得高频超高频双界面SIM卡序列号信息，从而唯一确定移动支付对象；

然后，所述阅读器继续发送交易命令，与高频超高频双界面SIM卡配合完成整个交易过程。

所述的高频超高频双界面SIM卡安装在所述移动通信设备上。

所述的高频超高频双界面SIM卡在进行高频通信时选用ISO/IEC 14443标准，载波频率选用13.56MHz、或6.78MHz、或27.12MHz。

所述高频超高频双界面SIM卡和所述阅读器进行超高频通信时的调制方式选用ASK、或FSK、或PSK调制方式，载波频率选用2.45GHz、或433MHz、或915MHz、或5.8GHz。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明射频识别系统将高频超高频双界面SIM卡加到移动通信设备上，用一张高频超高频双界面SIM卡代替现有技术中仅有的超高频双界面SIM卡，从而可以有效解决现有系统通信距离不确定、容易误操作周边超高频双界面SIM卡的问题；用简单的一张高频超高频双界面SIM卡代替现有技术中超高频双界面SIM卡外加高频电子标签套件的方式，从而可以有效解决现有系统因为外加高频电子标签带来的使用不方便、易丢失等问题。特别是达到了移动支付所需的高安全性、高可靠性要求，且能在一个阅读器平台上实现高频电子标签、超高频电子标签和移动支付等的兼容使用，不影响原有系统且拓展了移动支付这一新的应用领域。这样，在借用高频超高频双界面SIM卡以及不替换更新一个新手机的情况下，实现了手机的非接触式近距离射频识别。

由于本发明高频超高频双界面SIM卡的桥梁作用，可以有效的将手机所在的GSM/CDMA/3G/4G等移动通信网络和RFID支付网络联系起来。本发明射频识别系统将移动通信设备成功应用于RFID系统中，从而无需替换或改造移动通信设备，低成本的实现了非接触式近距离射频识别。

附图说明

图1是本发明射频识别系统中高频超高频双界面SIM卡的结构示意图。

图2是本发明射频识别系统的组成示意图。

图3是本发明阅读器和高频超高频双界面SIM卡的三重认证流程图。

图4是本发明阅读器的结构示意图。

图5是本发明阅读器中超高频读写模块的示意图。

图6是本发明阅读器中存储器模块的示意图。

图7是本发明阅读器中高频读写模块的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参阅图2本发明射频识别系统的组成示意图。本发明射频识别系统，包括阅读器1、后台系统3、该阅读器和后台系统的通信接口4、移动通信设备5，该射频识别系统还包括高频超高频双界面SIM卡6。高频超高频双界面SIM卡在的结构示意图可参见图1，它包括：SIM卡芯片、高频天线和高频读写芯片、超高频天线和超高频读写芯片这几部分组成，SIM卡芯片通过地址总线、数据总线、控制信号线分别和高频读写芯片及超高频读写芯片相连。SIM卡芯片本质上是一个MCU(微处理器MicroController)芯片，可选用但不限于Infineon公司的SLECLX800PEM等，高频读写芯片通过高频天线接收阅读器1发出的高频信号，解调后给SIM卡芯片，可选用但不限于Philips公司的NFC芯片或坤锐公司的QSIM芯片等，超高频读写芯片接收SIM卡芯片发出的应答信号，经调制后通过超高频天线发送回阅读器1，可选用但不限于Nordic公司的nRF24L01、nRF905芯片等。所述的高频超高频双界面SIM卡6安装在所述的移动通信设备5内部，一方面它可以通过ISO7816接口和所述移动通信设备5的接触式接口进行通信，另一方面它可以通过高频、超高频信号和对应的阅读器1进行通信。

所述的高频超高频双界面SIM卡6和阅读器1进行无线通信时下行链路和上行链路分别采用高频和超高频这两个不同的载波频段，所述阅读器1和所述高频超高频双界面SIM卡6首先进行相互间三重认证，以验证所述阅读器1和高频超高频双界面SIM卡6的交易双方的身份合法；

认证成功后，所述阅读器1用密文方式向所述高频超高频双界面SIM卡6进一步发送命令，获得高频超高频双界面SIM卡6序列号等相关信息，从而唯一确定移动支付对象；然后阅读器1就可以继续发送交易命令，与高频超高频双界面SIM卡6配合完成整个交易过程。

所述的高频超高频双界面SIM卡6接收所述的阅读器1信号时用高频信号，而应答发送回所述的阅读器1时用超高频信号，也就是阅读器1到高频超高频双界面SIM卡6的下行链路采用高频信号，而高频超高频双界面SIM卡6应答回阅读器1的上行链路采用超高频信号。

所述的高频超高频双界面SIM卡6和所述的阅读器1在进行高频通信时可选用ISO/IEC 14443标准，载波频率可选用但不限于13.56MHz、或6.78MHz或27.12MHz。

所述高频超高频双界面SIM卡6和所述阅读器1进行超高频通信时的调制方式可选用ASK、或FSK、或PSK调制方式，载波频率可选用但不限于2.45GHz、或433MHz、或915MHz或5.8GHz。具体调制解调方式、载波频率和通信协议的确定由阅读器1和超高频双界面SIM卡6上所选用的超高频读写模块芯片及其工作模式所决定。

现有技术中仅超高频双界面SIM卡方案，由于和阅读器1收发双向都利用超高频信号进行通信，超高频信号利用电场进行通信，而电场特性决定阅读器1和超高频双界面SIM卡通信的距离可以很远，甚至可以超过几米，且该通信距离受移动通信设备5的屏蔽状况影响很大，从而很容易产生误操作现象，就是由于移动通信设备5的屏蔽状况有不同，该交易的用户没有交易到而不该交易的用户却误交易。

而本方案中当阅读器1和高频超高频双界面SIM卡6下行链路进行高频通信时，由选用的载波频率和通信标准决定，它将采用磁场方式进行通信，而磁场特性决定阅读器1和高频超高频双界面SIM卡6通信的距离不会太远，一般在10cm以内；并且高频超高频双界面SIM卡6只有在接收到阅读器1发出的命令信号后才开始应答，如果没有收到命令信号则处于静默状态。正是由于这两点，使本方案克服了现有技术中系统通信距离不确定、容易误操作周边超高频双界面SIM卡的问题。

本方案中高频超高频双界面SIM卡6采用超高频信号在上行链路中给阅读器1应答信号是充分利用超高频电场信号通信距离远、受移动通信设备5屏蔽影响小且耗电少的优点。

同时本方案中的一张高频超高频双界面SIM卡代替现有技术中超高频双界面SIM卡外加高频电子标签套件的方式，从而可以有效解决现有系统因为外加高频电子标签带来的安装使用不方便、容易丢失等问题，且解决了该方案中超高频双界面SIM卡和高频电子标签因为分开带来的相互间通信不畅的问题。

所述的阅读器1是一种高频和超高频二合一的阅读器，所以既可以操作高频电子标签，也可以操作超高频电子标签；所述的阅读器1和高频超高频双界面SIM卡6利用三重认证确认交易双方身份合法，三重认证流程图如图3所示。认证过程如下：

A、由阅读器1利用高频信号通道向高频超高频双界面SIM卡6发送一个随机数RB；

B、高频超高频双界面SIM卡6收到RB后，利用超高频信号通道向阅读器1发送一串应答数据，数据中包含随机数RB经高频超高频双界面SIM卡6加密后的密文数据TokenAB和高频超高频双界面SIM卡6自己产生的随机数RA；

C、阅读器1收到TokenAB后，对TokenAB进行解密后得到RB(T)，并校验第一次由阅读器1发出去的随机数RB是否与该RB(T)相等，如果相等，则证明高频超高频双界面SIM卡6的身份是合法正确的；之后，阅读器1利用高频信号通道向高频超高频双界面SIM卡6发送一串应答数据，数据中包含随机数RA经阅读器1加密后的密文数据TokenBA；

D、高频超高频双界面SIM卡6收到令牌密文数据TokenBA后，进行解密后得到RA(T)，并校验自己发出去的随机数RA是否与RA(T)相等，如果相等，则证明阅读器1的身份是合法正确的。

如果上述几个过程都正确，则高频超高频双界面SIM卡6和阅读器1完成相互认证，确认交易双方身份合法。

认证完成后，阅读器1即可以用认证过程相同的加解密算法以密文方式向高频电子标签2发出“读”、“写”等命令，从而获得高频超高频双界面SIM卡6的序列号等相关信息，并唯一确定阅读器1的交易对象，唯一确定超高频双界面SIM卡的序列号，接着阅读器1通过内部的超高频天线发出超高频信号，并利用刚才得到的超高频双界面SIM卡6序列号等信息选择确定唯一的超高频双界面SIM卡6进行相互通信，

高频超高频双界面SIM卡6和阅读器1进行加密、解密的算法可使用但不限于48位流加密算法。认证完成后，阅读器1即可以用认证过程相同的加解密算法以密文方式向高频超高频双界面SIM卡6发出“读”、“写”等命令，并完成整个交易过程，实现安全可靠的移动支付。

请参阅图4阅读器的结构示意图。本发明的阅读器是一种高频、超高频二合一阅读器，该阅读器在加入移动支付应用的情况下，不会影响原有的工作模式，而且可以同时满足高频和超高频两种不同应用，这样可以有效地节约成本并且拓展不同的应用领域。阅读器1包括MCU(Micro Controller Unit，微处理器单元)处理器模块、存储器模块、高频读写模块、超高频读写模块、计算机通信模块和电源模块。

所述的高频读写模块与所述MCU处理器模块相连，用于为阅读器和高频超高频双界面SIM卡的通信提供高频信号通信物理通道；所述的超高频读写模块与所述MCU处理器模块相连，用于为阅读器和高频超高频双界面SIM卡的超高频信号通信提供物理通道。

当用户操作高频、超高频电子标签或者在进行移动支付时，先由计算机发送命令或数据给阅读器，再由阅读器通过高频、超高频读写模块来操作对应的标签。刚开始时，高频读写模块发出启动命令，如果接收的应答信号也为高频信号，则知道目前阅读器场区交易的是高频电子标签；如果接收到的应答信号是超高频信号，则知道阅读器场区交易的是移动支付；如果高频信号没有应答，则进一步发送超高频信号，这时候场区交易的应该就是超高频电子标签，用这种方法可以确定当前交易的标签类型。当用户需要向电子标签写入应用数据时，命令或数据经由阅读器的计算机通信模块从计算机送到阅读器后，便通过MCU处理器模块存放到存储器模块中，当电子标签进入阅读器的操作区域时，MCU处理器模块将命令或数据从存储器模块中取出，再通过高频、超高频读写模块发送到处于阅读器工作区域的电子标签，并完成写入等操作。

当用户需要从电子标签读取应用数据时，先由阅读器通过高频或超高频读写模块将处于其工作区域内的电子标签数据内部的应用数据读出，再将该数据送到计算机。在阅读器端，首先MCU模块通过高频、超高频读写模块将电子标签中的应用数据读出，并放到存储器模块中，之后，该数据通过计算机通信模块送回给计算机。

阅读器中各个模块详细介绍如下：

MCU处理器模块分别与所述的存储器模块、高频读写模块、超高频读写模块、计算机通信模块相连。MCU处理器模块是这个超高频阅读器的核心，所以该处理器具有较强的数据处理能力和较大的程序存储空间。MCU处理器模块可选用但不限于TI公司的MSP430系列芯片。使用时，处理器解析计算机发出的各条指令，并作出相应的应答。

请参阅图6，存储器模块用于配合MCU处理器模块进行数据的存储。根据具体应用需要，有些应用需要存储的数据量不大，就可以把数据存放到MCU处理器内部的数据存储器中，而有些应用需要存储的数据量很大，则就需要把数据存放到存储器模块中了。MCU处理器模块和存储器模块接口的线包括多条地址总线、多条数据总线，以及读/写/片选控制信号线等。

请参阅图7，高频读写模块为移动支付中或其它高频电子标签和阅读器通信提供一个物理通道。该模块包括高频读写芯片、高频天线等组成，所述高频读写芯片和所述MCU处理器模块相连。高频读写芯片可选用但不限于NXP公司的RC632芯片。和MCU处理器模块的接口包括多条地址总线、多条数据总线，以及读/写/片选/中断和控制信号线等。

请参阅图5。超高频读写模块为移动支付中超高频双界面SIM卡或其它超高频电子标签和阅读器通信提供一个物理通道。该模块包括超高频读写芯片、超高频天线等组成，所述超高频读写芯片和所述MCU处理器模块相连。超高频读写芯片可选用但不限于Nordic公司的nRF905芯片。和MCU处理器模块的接口包括SPI(SerialPeripheral Interface：串行外设接口)/片选/中断和其它控制线等。433MHz、915MHz或868MHz工作频段的选择、调制解调方式、载和通信协议的确定可通过设置内部的寄存器来完成。如果希望在2.45GHz工作频段下工作，则可选用但不限于Nordic公司的nRF24L01芯片。

计算机通信模块用于为阅读器和计算机通信提供接口，选用MAXIM公司RS232接口芯片MAX3223。

电源模块提供读写器内部其它各个模块的工作电源。

在该系统中，阅读器1主要进行交易命令的发送和响应的接收，高频超高频双界面SIM卡6主要进行交易命令的接收并给出响应，因为高频超高频双界面SIM卡6和普通使用的SIM卡外表一样，无需拉出特别天线到移动通信设备外面，所以系统使用的可靠性非常高。通过这种方法实现移动支付，就无需改动阅读器1和移动通信设备5，从而有效地拓展了系统的应用范围、降低系统研发的资金和时间投入。

所述的移动通信设备5是使用GSM、CDMA、3G或4G通信网络的手机。

所述的通信接口4用于所述的后台系统3和阅读器1的通信连接，提供RFID交易所需的后台支持。该通信接口4是RS232等通信接口。

本发明由于高频电子标签2和高频超高频双界面SIM卡6的存在，可以有效地将移动通信设备所在的GSM/CDMA/3G/4G等移动通信网络和RFID支付网络联系起来，从而更有效地实现非接触式近距离射频识别。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (3)

1.一种射频识别系统，包括后台系统和移动通信设备，所述的后台系统包括阅读器，其特征在于，所述的移动通信设备包括高频超高频双界面SIM卡，该高频超高频双界面SIM卡包括SIM卡芯片、超高频天线和超高频读写芯片，所述的SIM卡芯片与超高频读写芯片相连，其特征在于，所述的SIM卡还包括高频天线和高频读写芯片，所述的SIM卡芯片与高频读写芯片相连，所述的高频读写芯片通过所述的高频天线接收阅读器发出的高频信号，解调后发送给所述的SIM卡芯片，该高频超高频双界面SIM卡接收所述的阅读器信号时用高频信号，而应答发送回所述的阅读器时用超高频信号； 

所述高频超高频双界面SIM卡和阅读器在进行正式移动支付交易之前，双方需进行相互三重认证以确定身份合法，认证成功后，所述阅读器用密文方式向所述高频超高频双界面SIM卡发送命令，获得高频超高频双界面SIM卡序列号信息，从而唯一确定移动支付对象；然后，所述阅读器继续发送交易命令，与高频超高频双界面SIM卡配合完成整个交易过程。 

2.根据权利要求1所述的射频识别系统，其特征在于所述的高频超高频双界面SIM卡在进行高频通信时选用ISO／IEC 14443标准，载波频率选用13.56MHz、或6.78MHz、或27.12MHz。 

3.根据权利要求1所述的射频识别系统，其特征在于，所述高频超高频双界面SIM卡和所述阅读器进行超高频通信时的调制方式选用ASK、或FSK、或PSK调制方式，载波频率选用2.45GHz、或433MHz、或915MHz、或5.8GHz。 

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