CN106779679A - 一种基于可见光通信的移动支付系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于可见光通信的移动支付系统，包括通过可见光通信连接电子设备和支付终端设备，以及与支付终端设备连接的交易中心系统，所述支付终端设备上设有光信号检测区域，所述支付终端设备上还设有用于采集背景光噪声的背景光噪声检测区域；所述背景光噪声检测区域检测到背景光噪声，所述支付终端设备从光信号检测区域所检测到的可见光信号中剔除背景光噪声得到目标可见光信号，并从目标可见光信号中还原出由电子设备发送的支付信息后，将把支付信息传送给交易中心系统。与现有技术相比，本发明具有信号传输稳定等优点。

Description

一种基于可见光通信的移动支付系统
技术领域
本发明涉及一种移动支付技术，尤其是涉及一种基于可见光通信的移动支付系统。
背景技术
移动支付又叫做移动货币、手机转账或者手机钱包，一般是指在金融监管下通过移动设备来完成各种交易活动。消费者不是使用现金、支票和信用卡，而是使用手机来支付各种商品和服务。
世界各地都在采用各式各样的移动支付方式。《Total mobile payments to grownearly tenfold by 2013》预测全球移动支付市场总额预计在2013将超过$600B，达到2011年2月的两倍。金融机构、信用卡公司、互联网公司(诸如谷歌)、众多的移动通信公司(诸如移动网络运营商和以爱立信为典型代表的主流电信网络设备或终端制造商)都已经实现了移动支付方案。
作为一种重要的新型支付手段，移动支付有许多种实现方式，包括基于短信息交互进行额外的无线支付操作、手机直接无线付费、基于手机登陆网页完成无线支付、非接触移动支付等。目前非接触移动支付一般是基于近距离无线通信(Near FieldCommunication,简称NFC)技术或者无线射频识别(radio frequency identification,简称RFID)技术。然而，无论是用于NFC技术的中心频率为13.56MHz的射频通信信道、还是用于RFID技术的中心频率为2.4GHz的射频通信信道，都属于漫反射衰落信道，因此在这些信道中传播的信息被截获窃取的风险是不可忽略的，从而威胁到移动支付的安全性。
近年来，因为在可靠性、成本和性能方面的优势，LED(发光二极管)和LD(激光二极管)这些固态照明光源在开始逐渐地替代传统的照明光源。这些电子器件可以用作可见光通信(Visible Light Communications,简称VLC)的发射器，从而来利用发光装置实现对待传输信息的调制(详见D.C.O’Brien,L.Zeng,H.L.Minh,G.Faulkner,J.W.Walewski,andS.Randel,“Visible light communications:challenges and possibilities,”inProc.IEEE PIMRC 2008,Cannes,France,Sept.2008.)。具体地，在用于照明的同时，这些光源电子器件(诸如LED)将电信号转变成光信号，然后通过可见光信道完成对信息比特的传输。目前，对于VLC的研究已经取得了很大的进展；就标准化的进展而言，使用可见光通信设备在住宅区实现近距离通信的国际标准IEEE 802.15.7(详见E.T.Won and et.al.,“Visible light communication:tutorial,”IEEE 802.15-<08/0114-02>,March 2008)已经发布了很多年了。
可见光的波长范围是从400nm(750THz)到700nm(428THz)。通过使用寿命较长的LED，许多经过适当调整后的标准光源都可以用作可见光通信的发射端，例如室内外的照明光源、显示器、照明广告牌、电视机、电脑屏幕、数码照相机以及手机上的摄像头等。VLC的接收端设备可以基于使用针状光电二极管、雪崩光电二极管、或者图像传感器等。当前，在几米到几十米的传输距离下，基于LED照明设备的可见光通信技术可实现的数据传输速率可以达到从几百兆到1G比特每秒。
VLC具有很多优点，比如但不局限于下面列举的：在具有很宽的带宽的可见光频谱上进行数据通信是不需要付频谱使用费的；可见光通信不会象传统的射频传输那样产生电磁污染；当可见光通信作为对现有无线通信系统的一种有效的补充被应用时，它不会对当前基于射频的通信设备产生任何的干扰；只要看不见光线就不会泄露数据，是一种更安全的通信手段。基于这些优势，VLC对于提高未来室内低移动性无线通信吞吐量将至关重要。
当然，针对基于可见光通信的移动支付系统，现在已经开始有了相关的研究与设计，例如中国专利CN 103116846A提出一种基于可见光通信进行支付的用户设备、支付终端、系统和方法，该用户设备包括支付信息存储单元和可见光发射单元，支付信息存储单元用于存储与用户身份或帐户有关的支付信息。可见光发射单元包括用于将信息进行编码和调制的编码与调制模块、光源、和用于根据调制后的信息驱动光源发光的光源驱动模块。该用户设备还包括控制单元，用于激活所述可见光发射单元来将所述支付信息发送给支付终端。在可见光通信中，光信号仅仅局限在光照区域内，并且一旦传播路径被阻挡，通信就会被中断，因此很难截获窃取到基于VLC来传播的信号。换句话说，由于传输的强方向性(即由于是视距通信)，VLC比射频无线电通信技术(比如NFC和RFID)具有更高的数据安全性。使用基于VLC的移动支付时，当支付数据从电子设备传输到支付终端设备时，用户可以看到数据的去向，而不用担心被窃取。
不失一般性地，一个基于VLC的移动支付系统可以如图1所示。图1中，支付终端设备2上的白色圆圈表示“光信号检测区域21”。这里需要注意的是，在实际的产品中，“光信号检测区域21”可能并不是圆形，这里我们仅以圆形为例。支付终端设备2在接收和还原出由电子设备1发送的支付信息后，将把信息通过有线通信连接101进一步地传送给交易中心系统3。
然而，由于自然界中无可避免地会存在背景光噪声103，因此光信号检测区域21所接收到的并不仅仅是单纯的可见光信息102，对于支付终端设备2来说，能够在背景光噪声的负面影响下可靠地还原出支付信息将是关键所在，特别是当环境中存在各种各样的会产生背景光噪声的源头时(诸如自然光源和人工照明光源)。周围环境中的背景光噪声可能会非常强烈，以至于支付终端设备的接收信噪比(signal-to-noise ratio,简称SNR)很低(见Chaturi Singh,Joseph John,Y.N.Singh,K.K.Tripathi,“A review on indoor opticalwireless systems”,IETE Technical Review,vol.12,no.2,pp.171-186,2004)。
一般来说，在支付终端设备2处，“光信号检测区域21”表面的光信号带通滤波器能够收集可见光辐射，并在有效的接收带宽内输出光电流；接着，输出的光电流将被集中起来传送给光电探测器；最后，光电探测器将完成光电转换从而产成电信号。尽管光信号带通滤波器已经过滤掉了有效接收带宽外的背景光噪声103；但是，在有效接收带宽内，仍然会存在的有背景光噪声103。
基于现有的技术，对于一个基于VLC的移动支付系统，为了提高接收信噪比从而更可靠地在接收端还原出信息，本领域技术人员很可能会考虑采用提高发射功率的方法。那么如何确定发射功率的提高程度呢，一种可能的方法是让发射器增加一个环境光检测模块(见中国专利CN 103116846A)，另外一种可能的方法就是让接收端发送控制信号回去给发射端来控制发射功率的提高。
另外，为了提高接收端对基于VLC来传播的信息进行还原的可靠性，在发射端，在利用可见光作为媒介来发射信号之前，可以使用已应用于传统无线通信系统中的成熟的纠错编码技术(比如卷积码)来先对数字信号进行纠错编码。然后，在接收端，在接收到的光信号通过光电转换模块和模数转换器被转换成数字信号之后，再相应地去完成对纠错编码的解码处理，从而就能减小信息还原过程中的差错概率。
在实际应用中，当背景光噪声的强度很大时，仅仅利用上面提到的方法，在支付终端设备2处的信息还原仍有可能会失败，这就需要电子设备1进行信号的重新传送(简称重传)；在某些场景下，在电子设备1进行了数次的信号重传之后，支付终端设备仍不能成功的还原出信息。
下面我们来分析一下，基于上述现有解决方法的可能的改进之处：
对于电池驱动且发射功率受限的移动电子设备来说，提高发射功率的方法并不是一种会被推荐使用的方法。即使考虑使用这种方法，移动电子设备端的发射功率的提升也不能超过一个预先设定的上限，而这个上限往往不够高，以至于并不能抵制在恶劣环境中较强的背景光噪声所带来的负面影响。
·另外，我们可以考虑利用更先进的纠错编码技术(诸如Turbo码)；甚至可以考虑在基于VLC的移动支付系统中引入传统无线通信系统中所用的复杂的多天线技术。然而这样做的话，信号处理的复杂度和产品的成本将会呈指数级的增加。
因此，最好能找到另一种解决方法，使得我们可以更简单但却有效地来提高消除背景光噪声的能力，并且可以适用于电力供应有限的电子设备。
在前面对基于VLC的移动支付系统进行描述时，聚焦于从电子设备1到支付终端设备2进行的可见光信号传输。在实际应用中，从支付终端设备(2)到电子设备(1)可能会存在直接的通信链路，也可能不会存在直接的通信链路。比如，虽然交易是否成功的消息可以通过支付终端设备(2)直接传输给电子设备(1)，但是通常会选择由现有的商用无线通信网络在收到交易中心系统的消息后转发给电子设备1。另外，即使像交易是否成功这样的消息也可以被设计为经由支付终端设备2到电子设备1间直接的通信链路来完成传输，考虑到个人消费者手持的电子设备1一般尺寸较小从而不易在设备表面部署光信号检测区域，通常也会选择利用现有的成熟的射频无线通信技术(比如蓝牙)来实现。需要注意到，从支付终端设备2传输给电子设备1的信息对安全性的要求，是远不如从电子设备1传输给支付终端设备2的信息对安全性的要求高的。
当然，如果从支付终端设备2到电子设备1存在直接的通信链路，并且所述直接的通信链路也选择用可见光通信来实现，那么，对于从支付终端设备2到电子设备1的可见光信号传输过程，也存在与从电子设备1到支付终端设备2的可见光信号传输同样的问题。因为此时由稳定电源驱动的支付终端设备2成为了发射端，发射功率的提高不像移动电子设备1那样有比较严苛的限制，所以，在面对具有高强度背景光噪声的恶劣环境时，提高发射功率可以成为一种足够有效的解决方案。因此，本发明聚焦于解决从电子设备1到支付终端设备2进行可见光信号传输时所面临的问题。当然，从技术层面上来讲，在本发明中所提出的方法也可以应用于相反的传输方向，即也可以应用于从支付终端设备2到电子设备1的可见光信号传输。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于可见光通信的移动支付系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于可见光通信的移动支付系统，包括通过可见光通信连接电子设备和支付终端设备，以及与支付终端设备连接的交易中心系统，所述支付终端设备上设有光信号检测区域，所述支付终端设备上还设有用于采集背景光噪声的背景光噪声检测区域；
所述光信号检测区域会检测到期待接收的目标可见光信号加上背景光噪声，所述背景光噪声检测区域仅仅会检测到背景光噪声，所述支付终端设备从光信号检测区域所检测到的可见光信号中剔除背景光噪声得到目标可见光信号，并从目标可见光信号中还原出由电子设备发送的支付信息后，将把支付信息传送给交易中心系统。
所述背景光噪声检测区域呈环状，所述光信号检测区域呈块状，且所述块状光信号检测区域位于所述环状背景光噪声检测区域的内环之内。
所述光信号检测区域呈圆形。
所述背景光噪声检测区域和光信号检测区域均呈块状。
所述光信号检测区域和背景光噪声检测区域均包括：
光信号带通滤波器，用于收集可见光辐射并通过滤波在有效接收带宽内输出光电流；
光电探测器，与光信号带通滤波器连接，用于将由光信号带通滤波器输出的光电流通过光电转换生成为电信号。
所述支付终端设备还包括：依次连接的电信号处理单元、模数转换器、解调器和译码器，所述电信号处理单元分别与光信号检测区域和背景光噪声检测区域连接；
所述电信号处理单元基于由辐射在背景光噪声检测区域内的背景光噪声转化得到的第一电信号和由辐射在光信号检测区域内的光信号转化得到的第二电信号，处理得到电信号形式的目标可见光信号，电信号形式的目标可见光信号依次经由模数转换器、解调器和译码器处理后，还原出电子设备所发送的支付信息。
所述辐射在光信号检测区域内的光信号是期待接收的目标可见光信号加上背景光噪声。
所述电信号处理单元进行的处理为把所述第一电信号从所述第二电信号中减去。
所述光信号检测区域的光信号带通滤波器和所述背景光噪声检测区域的光信号带通滤波器具有相同的通带，或者换言之具有相同的滤波带宽。
如果从支付终端设备到电子设备存在直接的通信链路，并且所述直接的通信链路也选择用可见光通信来实现，相同的方法也可以应用于从支付终端设备到电子设备的可见光信号传输。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)对于所聚焦的从移动电子设备到支付终端设备进行的可见光信号传输，本发明所提出的接收端除噪技术，不会像现有的提高发射端的发射功率的技术那样受限于被电池驱动的移动电子设备的不够高的发射功率上限，因此可以有效抵制在恶劣环境中较强的背景光噪声所带来的负面影响。
2)现有的在发射端采用更先进的纠错编码技术或引入复杂的多天线技术的方法会使得发射端信号处理的复杂度和产品的成本呈指数级增加，相对比，本发明所提出的接收端除噪技术对接收端信号处理复杂度和产品成本所带来的增加是明显要小很多的。
附图说明
图1为一种可能的基于VLC的移动支付系统的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为背景光噪声检测区域和光信号检测区域的一种布局示意图；
图4为背景光噪声检测区域和光信号检测区域的另一种布局示意图；
其中：1、电子设备，2、支付终端设备，3、交易中心系统，21、光信号检测区域，22、背景光噪声检测区域。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
在阐述实施例之前，本申请所提出的方案聚焦于解决从电子设备到支付终端设备进行可见光信号传输时所面临的问题。当然，如果从支付终端设备到电子设备存在直接的通信链路，并且所述直接的通信链路也选择用可见光通信来实现，从技术层面上来讲，在本发明中所提出的方法也可以应用于从支付终端设备到电子设备的可见光信号传输，尽管此时作为发射端的支付终端设备由稳定的电源进行驱动从而使得提高发射功率也可以成为另一种可供选择的有效解决方案。
一种基于可见光通信的移动支付系统，如图2所示，包括通过可见光通信连接电子设备1和支付终端设备2，以及与支付终端设备2连接的交易中心系统3，支付终端设备2上设有光信号检测区域21，支付终端设备2上还设有用于采集背景光噪声的背景光噪声检测区域22，光信号检测区域21的光信号带通滤波器和背景光噪声检测区域22的光信号带通滤波器具有相同的通带或者换言之具有相同的滤波带宽。
电子设备1可以是智能手机、智能手表等用于支付的电子产品，其需要配置可用于可见光通信发射端的光源(比如智能手机上自带的摄像头经过适当调整后即可用作发射端光源)，通常，当人们使用基于VLC的移动支付系统完成支付交易时，用户需要将电子设备1上的光发射点(比如手机自带的摄像头)对准支付终端设备上的“光信号检测区域”。很显然，支付终端设备上的光信号检测区域21会检测到期待接收的目标可见光信号加上背景光噪声，而支付终端设备上的背景光噪声检测区域22则仅仅会检测到背景光噪声。
如图3所示，背景光噪声检测区域22可以设计为环状，光信号检测区域21呈块状，且块状光信号检测区域21位于环状背景光噪声检测区域22的内环之内，且此时优选的光信号检测区域21呈圆形。
或者，如图4所示，背景光噪声检测区域22和光信号检测区域21也可以均呈块状。
光信号检测区域21和背景光噪声检测区域22均包括：
光信号带通滤波器，用于收集可见光辐射并通过滤波在有效接收带宽内输出光电流；
光电探测器，与光信号带通滤波器连接，用于将由光信号带通滤波器输出的光电流通过光电转换生成为电信号。
辐射在背景光噪声检测区域22内的背景光噪声会被相应的光信号带通滤波器收集并滤波，之后在有效接收带宽内的背景光噪声信号就会被传送到相应的光电探测器，并进一步被光电探测器转换成相应的电信号；这里我们用nb(t)来标识这个电信号作为第一电信号。经过类似的过程，辐射在光信号检测区域21内的光信号(即期待接收的目标可见光信号加上背景光噪声)也会被转换成相应的电信号；这里我们用y(t)来标识这个电信号作为第二电信号。
支付终端设备2还包括：依次连接的电信号处理单元、模数转换器、解调器和译码器，电信号处理单元分别与光信号检测区域21和背景光噪声检测区域22连接；
电信号处理单元基于由辐射在背景光噪声检测区域内的背景光噪声转化得到的第一电信号和由中辐射在光信号检测区域内的光信号转化得到的第二电信号，处理得到电信号形式的目标可见光信号，即实现把nb(t)从y(t)中减去；所产生的电信号y(t)-nb(t)在实质上就只对应着期待接收的目标可见光信号，也即电信号形式的目标可见光信号。然后，把电信号y(t)-nb(t)传送入模数转换器即可生成相应的数字信号；所得到的只对应着期待接收的目标可见光信号的数字信号会进一步被传送入解调器和译码器模块，从而最终还原出用户设备所发送的支付信息。最后，支付信息被传送给交易中心系统3。
当然，所有现有的提到的方法(比如提高发射功率和使用更先进的纠错编码技术等)都可以和这里所提出的方法同时被使用。
背景光噪声的电信号形式nb(t)可以用加性白高斯随机过程来建模(参阅R.M.Gagliardi and S.Karp,“Optical communications,”McGraw-Hill,1983)。当我们用x(t)来标识发射端所发射的光脉冲信号，用h(t)来标识可见光信道的脉冲响应，用符号来标识卷积运算，和用变量γ来标识光电探测器的响应度，可以得到下述等式：
基于使用本申请所提出的方法，如下面公式所示的电信号y(t)-nb(t)将会被传送入模数转换器和后续的解调器、译码器模块。
在实际应用中，由辐射在背景光噪声检测区域22内的背景光噪声所转换成的电信号nb(t)可能并不会精确地等同于由辐射在光信号检测区域21内的全部光信号所转换成的电信号y(t)中所包含的背景光噪声部分。因此，我们可以重新用n'b(t)来标识电信号y(t)中所包含的背景光噪声部分，那么y(t)的理论上更加精准的表达式为：
同时，对于电信号y(t)-nb(t)，我们也可以给出一个理论上更加精准的表达式如下：
但是，通常在实际应用中，上式中n'b(t)-nb(t)的数量级会很小，因此仍然可以近似地得到：

Claims (9)

1.一种基于可见光通信的移动支付系统，包括通过可见光通信连接电子设备(1)和支付终端设备(2)，以及与支付终端设备(2)连接的交易中心系统(3)，所述支付终端设备(2)上设有光信号检测区域(21)，其特征在于，所述支付终端设备(2)上还设有用于采集背景光噪声的背景光噪声检测区域(22)；
所述光信号检测区域(21)会检测到期待接收的目标可见光信号加上背景光噪声，所述背景光噪声检测区域(22)仅仅会检测到背景光噪声，所述支付终端设备(2)从光信号检测区域(21)所检测到的可见光信号中剔除背景光噪声得到目标可见光信号，并从目标可见光信号中还原出由电子设备(1)发送的支付信息后，将把支付信息传送给交易中心系统(3)。
2.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信的移动支付系统，其特征在于，所述背景光噪声检测区域(22)呈环状，所述光信号检测区域(21)呈块状，且所述块状光信号检测区域(21)位于所述环状背景光噪声检测区域(22)的内环之内。
3.根据权利要求2所述的一种基于可见光通信的移动支付系统，其特征在于，所述光信号检测区域(21)呈圆形。
4.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信的移动支付系统，其特征在于，所述背景光噪声检测区域(22)和光信号检测区域(21)均呈块状。
5.根据权利要求1-4中任一所述的一种基于可见光通信的移动支付系统，其特征在于，所述光信号检测区域(21)和背景光噪声检测区域(22)均包括：
光信号带通滤波器，用于收集可见光辐射并通过滤波在有效接收带宽内输出光电流；
光电探测器，与光信号带通滤波器连接，用于将由光信号带通滤波器输出的光电流通过光电转换生成为电信号。
6.根据权利要求5所述的一种基于可见光通信的移动支付系统，其特征在于，所述支付终端设备(2)还包括：依次连接的电信号处理单元、模数转换器、解调器和译码器，所述电信号处理单元分别与光信号检测区域(21)和背景光噪声检测区域(22)连接；
所述电信号处理单元基于由辐射在背景光噪声检测区域(22)内的背景光噪声转化得到的第一电信号和由辐射在光信号检测区域(21)内的光信号转化得到的第二电信号，处理得到电信号形式的目标可见光信号，电信号形式的目标可见光信号依次经由模数转换器、解调器和译码器处理后，还原出电子设备所发送的支付信息。
所述辐射在光信号检测区域(21)内的光信号是期待接收的目标可见光信号加上背景光噪声。
7.根据权利要求6所述的一种基于可见光通信的移动支付系统，其特征在于，所述电信号处理单元进行的处理为把所述第一电信号从所述第二电信号中减去。
8.根据权利要求5所述的一种基于可见光通信的移动支付系统，其特征在于，所述光信号检测区域(21)的光信号带通滤波器和所述背景光噪声检测区域(22)的光信号带通滤波器具有相同的通带，或者换言之具有相同的滤波带宽。
9.根据权利要求1～8中所述的一种基于可见光通信的移动支付系统，其特征在于，如果从支付终端设备(2)到电子设备(1)存在直接的通信链路，并且所述直接的通信链路也选择用可见光通信来实现，相同的方法也可以应用于从支付终端设备(2)到电子设备(1)的可见光信号传输。
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