TWI622278B - 使用模仿近場通訊之無線通訊系統及其認證方法 - Google Patents

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Abstract

一種使用模仿近場通訊之無線通訊系統及其認證方法，該無線通訊系統設置於周邊應用設備中，用於與行動裝置進行連線，該無線通訊系統之無線通訊模組用於發送控制指令，該無線通訊系統之射頻開關電路依據該控制指令切換為低功率模式或正常功率模式，其中，該射頻開關電路包括訊號衰減單元，用以於該低功率模式下，衰減該無線通訊模組所發出之傳輸訊號的功率以產生輸出訊號，以及於該正常功率模式下，維持該傳輸訊號的功率。本發明之無線通訊系統在認證階段可衰減訊號功率以達到近場通訊之目的，待認證後，即可以原先無線傳輸機制執行周邊應用設備的運作。

Description

使用模仿近場通訊之無線通訊系統及其認證方法
本發明係關於一種無線通訊技術，詳而言之，係關於一種使用模仿近場通訊以執行裝置認證之無線通訊系統及其認證方法。
隨著行動裝置的普及，越來越多的周邊應用(Peripheral Application)圍繞著行動裝置來開發，並且利用低功耗無線通訊機制的高相容性，例如藍芽(Bluetooth)，使得行動裝置不需要額外的設備來與周邊應用溝通，舉例來說，穿戴式裝置與智慧家電大都是內建藍芽低功耗(Bluetooth Low Energy，BLE)模組以供使用者直接控制，如此不僅提升使用便利性，也可減低硬體設備的成本。
當行動裝置利用藍芽低功耗模組控制這些周邊應用時，大多是先建立連線後進行控制，而在連線建立成功之前會先發送一組配對碼，待行動裝置接收到正確的配對碼後才算配對成功，這時行動裝置便可開始進行控制，惟透 過配對碼進行配對可提高安全性，但在配對時電磁波的訊號是向四面八方傳播，若有心人士利用終端竊聽裝置來進行封包的解析，是可將此類配對封包進行破解，因此，為了提升配對安全性的方式，近場通訊(Near Field Communication，NFC)為目前最為廣泛應用之技術。
由於近場通訊在認證時，兩個裝置彼此需要靠近到一定距離才能完成認證，因而安全性比一般無線通訊機制的配對更為安全，然而近場通訊的傳輸功率低，所需的感應線圈較大，若與其他系統整合，將會佔用掉部分空間，此不符合現代電子產品輕薄短小的需求：另外，近場通訊讀取器的晶片需要搭載對應有支援的作業系統方可運作，如此也縮小了應用範圍。
因此，如何找出一種可提高無線通訊機制的配對安全性，特別是，在兩個裝置認證時可避免配對碼被竊取，同時還可維持原無線通訊之傳輸方式，藉此使一般無線通訊設備也可擁有安全的配對機制，此已成目前本領域技術人員所追求的目標。
鑒於上述習知技術之缺點，本發明之目的係提供一種在既有無線通訊模式下可模仿近場通訊來執行裝置認證機制的系統，藉此於認證階段時採用近場通訊，且於認證後回復到一般通訊模式以保持兩裝置間之連線。
為達成前述目的及其他目的，本發明提出一種使用模仿近場通訊之無線通訊系統，係設置於周邊應用設備中， 用於與行動裝置進行連線，該無線通訊系統包括：無線通訊模組以及射頻開關電路。該無線通訊模組用於發送控制指令，該射頻開關電路連接至該無線通訊模組，使該射頻開關電路依據該控制指令切換為低功率模式或正常功率模式，其中，該射頻開關電路包括訊號衰減單元，用以於該低功率模式下，衰減該無線通訊模組所發出之傳輸訊號的功率以產生輸出訊號，以及於該正常功率模式下，維持該傳輸訊號的功率。
於一實施例中，該訊號衰減單元包括複數訊號衰減器，以由該複數訊號衰減器分別提供不同衰減功率以衰減該傳輸訊號。
於另一實施例中，該射頻開關電路還包括設於該訊號衰減單元之前的第一切換器，用於接收來自該無線通訊模組之該傳輸訊號。另外，該射頻開關電路還包括設於該訊號衰減單元之後的第二切換器，用於輸出經過該訊號衰減單元後之該傳輸訊號。
於再一實施例中，該輸出訊號通過該周邊應用設備之天線傳送至該行動裝置。
本發明還提出一種使用模仿近場通訊之無線通訊系統之認證方法，該無線通訊系統設置於周邊應用設備中，用於與行動裝置進行連線，該方法包括下列步驟：令該無線通訊系統切換至低功率模式；令該無線通訊系統於該低功率模式下發送詢問訊號；令該行動裝置於接收到該詢問訊號後回傳確認訊號；令該無線通訊系接統收到該確認訊 號後，切換成正常功率模式；以及令該無線通訊系統與該行動裝置執行資料傳輸或控制。
於一實施例中，於該無線通訊系統與該行動裝置連線前，該無線通訊系統係週期性轉換該低功率模式和該正常功率模式，且直到該無線通訊系統與該行動裝置結束連線後，令該無線通訊系統回復至該低功率模式和該正常功率模式之週期性轉換。
於另一實施例中，該無線通訊系統係透過設於其中之訊號衰減單元，於該低功率模式下，衰減該無線通訊系統所發出之傳輸訊號的功率。
於再一實施例中，該無線通訊系統與該行動裝置執行資料傳輸或控制還包括：該無線通訊系統由認證階段轉為控制階段，以供該行動裝置操控該周邊應用設備。
相較於先前技術，本發明所提出之使用模仿近場通訊之無線通訊系統及其認證方法，利用控制機制與射頻開關電路的軟、硬體整合，使得無線通訊系統所發送之傳輸訊號可藉由射頻開關電路來選擇是否經由訊號衰減單元以降低訊號大小，進一步達到近距離通訊的傳輸，如此可降低訊號大小來傳輸具有隱私性內容，如配對碼或密碼等，避免遭有心人士監聽或竊取，也就是說，在認證階段可透過低功率模式來進行認證，認證後可回復至一般功率模式執行資料傳輸或控制。另外，本發明所提出之無線通訊系統可應用在任意無線通訊平台，亦即，可使無線通訊具有低功耗通訊功能以及近距離傳輸效果。
1‧‧‧使用模仿近場通訊之無線通訊系統
11‧‧‧無線通訊模組
111‧‧‧微控制器
12‧‧‧射頻開關電路
121‧‧‧訊號衰減單元
1211~1214‧‧‧訊號衰減器
122‧‧‧第一切換器
123‧‧‧第二切換器
2‧‧‧天線
3‧‧‧行動裝置
41‧‧‧低功率模式
42‧‧‧正常功率模式
S31~S35‧‧‧步驟
S61~S65‧‧‧流程
第1圖係顯示本發明之使用模仿近場通訊之無線通訊系統的系統架構圖；第2圖係顯示本發明之使用模仿近場通訊之無線通訊系統中射頻控制電路一實施例的示意圖；第3圖係顯示本發明之使用模仿近場通訊之無線通訊系統之認證方法的步驟圖；第4圖係顯示本發明所述之周邊應用設備之發送封包週期的示意圖；第5圖係顯示本發明所述之周邊應用設備之認證機制的時序圖；以及第6圖係顯示本發明所述之射頻開關電路切換於認證階段和控制階段的流程圖。
以下係藉由特定的實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他特點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。
為了達到近距離通訊傳輸的目的，但在不希望過度改變現有無線通訊模式的情況下，本發明提出透過切換機制，在需要近距離通訊時，例如兩個裝置認證時，採用如近場通訊(NFC)傳輸功率來進行訊號傳輸，而在一般情況下，則保持該無線通訊模式的傳輸功率來進行訊號傳輸，如此可在不改變既有無線通訊機制下，又能滿足近距 離通訊之需求。
請參閱第1圖，係說明本發明之使用模仿近場通訊之無線通訊系統的系統架構圖。如圖所示，使用模仿近場通訊之無線通訊系統1可設置於周邊應用設備中，例如智慧家電、數位相機、穿戴式裝置等，該使用模仿近場通訊之無線通訊系統1可與行動裝置3進行連線，以由行動裝置3對該周邊應用設備執行控制，該行動裝置3可為手機、平板或筆記型電腦，但不以此為限，其中，該使用模仿近場通訊之無線通訊系統1係包括：具有微控制器111之無線通訊模組11以及射頻開關電路12。
無線通訊模組11透過微控制器111以發送控制指令。具體來說，無線通訊模組11為各種無線通訊的晶片，例如藍芽、Zigbee或WiFi等，如前所述，本發明並未更改既有無線通訊的機制，因而無線通訊模組11即是既有無線通訊晶片所組成，其內部微控制器111可發送控制指令至射頻開關電路12，如圖中所示之切換控制。
射頻開關電路12係連接至無線通訊模組11，該射頻開關電路12依據來自該無線通訊模組11之控制指令切換為低功率模式或正常功率模式。前面已說明透過切換功率高低，在認證時以低功率進行傳輸，而在連線後以高功率進行傳輸，進而使無線通訊系統1與行動裝置3連線。
具體實施時，射頻開關電路12的控制方式，是由無線通訊模組11之微控制器111傳送一個控制指令至射頻開關電路12以控制射頻開關電路12。因為是硬體控制，所以 比使用軟體轉換速度更快，可以不到100ms就可切換一次。
具體實施時，射頻開關電路12內可包括訊號衰減單元121，該訊號衰減單元121用以於低功率模式下，衰減無線通訊模組11所發出之傳輸訊號的功率以產生輸出訊號，以及於正常功率模式下，維持傳輸訊號的功率並輸出。簡單來說，射頻開關電路12在收到無線通訊模組11之控制指令，會控制訊號衰減單元121以對傳輸訊號的功率進行衰減，衰減量高低可視需求調整。
接著請參閱第2圖，係說明本發明之使用模仿近場通訊之無線通訊系統中射頻控制電路一實施例的示意圖。如圖所示，係進一步說明使用模仿近場通訊之無線通訊系統1之射頻控制電路12如何對傳輸訊號進行衰減，其中，該射頻控制電路12於訊號衰減單元121前後設置有第一切換器122和第二切換器123，且訊號衰減單元121包括複數訊號衰減器，舉例來說，於本實施例中包括訊號衰減器1211~1214，且分別提供不同程度的功率衰減。
設置於訊號衰減單元121之前的第一切換器122，用於接收來自無線通訊模組11(如第1圖所示)之傳輸訊號，第一切換器122可為單輸入多輸出切換器，於本實施例中，第一切換器122為1對4切換器，當收到傳輸訊號後，有四個訊號衰減器1211~1214的路徑可供選擇，選擇哪一個訊號衰減器則是視需求而定，亦即可預先設定如何切換。
訊號衰減器1211~1214可分別提供不同程度的功率衰減，例如訊號衰減器1211是讓功率衰減10dB，訊號衰減 器1212是讓功率衰減15dB，訊號衰減器1213是讓功率衰減20dB，另外，若選擇訊號衰減器1214則表示未衰減。
設置於訊號衰減單元121之後的第二切換器123，輸出經過訊號衰減單元121後之傳輸訊號，第二切換器123可為多輸入單輸出切換器，於本實施例中，第二切換器123為4對1切換器，亦即由四個訊號衰減器1211~1214的路徑其中一者接收到傳輸訊號後，再通過周邊應用設備之天線2傳送至行動裝置3(如第1圖所示)。
需說明者，第一切換器122和第二切換器123可為1對2切換器和2對1切換器，但不以此為限。另外，兩個切換器也非一定要相對應，亦即，第一切換器122為1對4切換器，第二切換器123為2對1切換器，此時，由傳輸訊號經第一切換器122後，一樣有四條路徑可選擇，要通過訊號衰減單元121後，該些路徑可兩兩一組再由第二切換器123輸出。
由上可知，儘管本實施例採用了四個訊號衰減器，但此僅是一示範實施例，換言之，訊號衰減器的數量或是各訊號衰減器的衰減值是可依據設計需求調配，亦即只要訊號衰減器是複數個即可，且各訊號衰減器的衰減值也不限制於上述的10dB、15dB或20dB等。
由上可知，本發明在既有的無線通訊模組下(例如BLE模組)串接射頻開關電路，利用無線通訊模組內微處理器控制射頻開關電路以選擇適合路徑進行與行動裝置之傳輸，實際應用時，當行動裝置與具有此使用模仿近場通訊 之無線通訊系統的周邊應用設備進行傳輸時，系統會先切換射頻開關進入認證階段，此時，行動裝置需靠近周邊應用設備方能進行認證，待認證成功後，系統會切換至控制階段，以供行動裝置對周邊應用設備執行控制。
若要以一般無線網路來模仿NFC傳輸，遭到最大的困難還是沒靠近就收到訊號，亦即即便透過調低一般無線網路功率來模仿，但兩裝置之間的距離仍有30cm，本發明所提出者，可透過軟硬體配合，將功率調整到連晶片都沒辦法調到的情況，亦即只能幾公分內才能收到，因而此改變並非取代既有無線網路傳輸，而僅是模仿NFC傳輸。
本發明所述之無線通訊模組可為藍芽、ZigBee、WiFi等，對於需要近距離進行隱私性資料交換的情況下更突顯其安全性，因為即便有心人士想要監聽，也會因為訊號強度太小而無法取得，此讓例如配對碼或密碼等隱私性資料不會被竊取。
另外，本發明所提出系統無需額外通訊晶片(例如NFC、RFID)即可進行近距離通訊，此大大降低周邊應用設備的成本，且無需設計額外空間擺放通訊晶片，將可減少電路佈局複雜度，同時在減少這些主動電路下，系統也更為省電。
請參閱第3圖，係說明本發明之使用模仿近場通訊之無線通訊系統之認證方法的步驟圖。於此所述之認證方法為具有本發明之使用模仿近場通訊之無線通訊系統的周邊應用設備如何與行動裝置產生連線，包括兩者互連前之認 證階段以及兩者連線後之控制階段。
於步驟S31中，係無線通訊系統切換至低功率模式。具體來說，周邊應用設備透過無線通訊系統可於低功率模式和正常功率模式之間轉換，其中，低功率模式用於認證階段，正常功率模式則用於控制階段。
具體實施時，周邊應用設備要感測周邊是否有其他行動裝置要與其連線，故會主要發出詢問機制，此時，為了確保在連線之前的配對碼或密碼交換時不被竊取，於本步驟中，是採用低功率模式發送詢問訊號。
於步驟S32中，係該無線通訊系統於該低功率模式下，發送詢問訊號。簡言之，當無線通訊系統處於低功率模式下所發送之詢問訊號(例如polling)，因功率已被衰減，故僅有近距離的行動裝置才能收到。
於步驟S33中，係行動裝置接收到該詢問訊號後，回傳確認訊號。於本步驟中，當有鄰近周邊應用設備收到詢問訊號後，若行動裝置欲與該周邊應用設備連線，則會回送確認訊號(例如ACK)，因為兩者很近，所以周邊應用設備之無線通訊系統會覺得行動裝置是合法的連線者。
於步驟S34中，係該無線通訊系統接收到該確認訊號後，切換成正常功率模式。於本步驟中，在無線通訊系統收到行動裝置回傳之確認訊號後，即表示周邊應用設備與行動裝置完成認證，無線通訊系統將切換成正常功率模式以與行動裝置進行連線。
於步驟S35中，係該無線通訊系統與該行動裝置執行 資料傳輸或控制。如前一個步驟所述，周邊應用設備與行動裝置完成認證後，兩者即可採用正常功率模式來執行資料傳輸或者是行動裝置對周邊應用設備的控制，更具體來說，無線通訊系統由認證階段轉為控制階段，即周邊應用設備可供行動裝置連線操控。
由上可知，周邊應用設備之無線通訊系統會不斷地詢問周遭是否有行動裝置要執行連線，且詢問時機，是在其低功率模式下，此時功率大小較小，故行動裝置需夠近才能接收到，此也提升資料交換的安全性，特別是連線前的配對碼或密碼，待認證後，後續則轉換回正常功能模式，亦即原本無線通訊系統內之無線通訊模組原先的傳輸機制，兩者可連線並執行資料傳輸或控制。
但為了維持周邊應用設備原先傳輸機制，又要執行模仿近場通訊的傳輸機制，故無線通訊系統係週期性轉換低功率模式和正常功率模式。另外，無線通訊系統透過設於其中之訊號衰減單元，以於低功率模式下，衰減無線通訊系統所發出之傳輸訊號的功率。
請參閱第4圖，係說明本發明所述之周邊應用設備之發送封包週期的示意圖。如圖所示，在週期性轉換時，可設定低功率模式41一段時間，正常功率模式42一段時間，兩者比例可依設計需求設定，也就是說，無線通訊系統先轉換至低功率模式41進行詢問，若無收到任何回應，則轉回正常功率模式42以執行該周邊應用設備原本執行的工作，如此即可保有周邊應用設備原先傳輸機制，又可執行 模仿近場通訊的傳輸。
具體實施時，使用模仿近場通訊之無線通訊系統在發出詢問封包時，此時若合法行動裝置靠近，即可收到詢問封包並完成認證，此時無線通訊系統內之射頻開關電路係切換為高衰減路徑(Enable switch to select high attenuator path)，亦即低功率模式。反之，使用模仿近場通訊之無線通訊系統在沒有在認證狀態時的封包，即一般無線通訊的廣播封包，則射頻開關電路係切換為無衰減路徑(Enable switch to select low attenuator path)，亦即高功率模式。
另外，若無線通訊系統與行動裝置認證連線後，需等待兩者結束連線後，該無線通訊系統回復至低功率模式和正常功率模式之週期性轉換。
請參閱第5圖，係說明本發明所述之周邊應用設備之認證機制的時序圖。如圖所示，其顯示周邊應用設備內使用模仿近場通訊之無線通訊系統與行動裝置之間如何認證。
於時序1中，無線通訊系統以低功率發送詢問封包，進入認證模式。
於時序2中，周邊應用設備周遭的行動裝置若收到詢問封包，則可回傳確認封包(ACK)。
於時序3中，無線通訊系統收到該行動裝置回傳確認封包後，兩者認證成功，切換成訊號傳輸模式。
於時序4中，無線通訊系統通知行動裝置可進入控制模式，亦即無線通訊系統告知行動裝置可控制周邊應用設 備。
於時序5中，行動裝置執行周邊應用設備之控制。
請參閱第6圖，係說明本發明所述之射頻開關電路切換於認證階段和控制階段的流程圖。
於流程S61中，係使射頻開關電路切換至高衰減路徑。具體來說，為了僅讓近距離的裝置連線，故透過衰減功率來降低功率大小，進而達到近距離通訊之目的。
於流程S62中，係判斷是否有來自行動裝置之確認訊號。簡言之，若有行動裝置接收到周邊應用設備所發送之較低功率的詢問訊號(詢問封包)，則可回復確認訊號，告知周邊應用設備可連線，其中，行動裝置的距離要夠近才能收到詢問訊號。
於流程S63中，係允許周邊應用設備受控制。於本步驟中，當流程S62時，周邊應用設備有接收到行動裝置回復之確認訊號，其表示行動裝置與周邊應用設備可連線，兩者完成認證後，周邊應用設備可通知行動裝置可執行控制，直到兩者結束連線為止，在此期間中，周邊應用設備則保持一般無線通訊的傳輸機制。
於流程S64中，係使射頻開關電路切換至低衰減路徑。於本步驟中，當流程S62時，周邊應用設備有未接收到行動裝置回復之確認訊號，其表示周邊並無行動裝置要與其連線，為了保持周邊應用設備原先無線通訊傳輸機制的正常運作，則射頻開關電路切換至低衰減路徑，亦即原先無線通訊的傳輸機制。
於流程S65中，係廣播周邊應用設備之識別資料。如前一個步驟所述，射頻開關電路切換至低衰減路徑，此時周邊應用設備則回復到原先功能，此時周邊應用設備會將其識別資料進行廣播，亦即透過原先無線通訊的傳輸機制，以尋找周邊有無欲連線之行動裝置，換言之，此時不管遠距離或近距離的裝置都可收到詢問封包。
綜上所述，本發明之使用模仿近場通訊之無線通訊系統以及其認證方法，利用無線通訊系統內控制機制與射頻開關電路的軟、硬體整合，使得無線通訊系統所發送之傳輸訊號可選擇是否經由訊號衰減單元以降低訊號大小，進一步達到近距離通訊傳輸之目的，降低訊號大小可使傳輸安全性提升，避免遭有心人士監聽或竊取；另外，僅有認證時才執行訊號衰減，也就是說，認證階段透過低功率模式進行認證，認證後即回復至一般功率模式執行原先無線傳輸機制的傳輸。因此，本發明提出之無線通訊系統可應用在任意無線通訊平台，以使無線通訊具有低功耗通訊功能以及近距離傳輸效果，不僅提升認證安全性，同時具有回應快速之效果。
上述實施例僅例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (9)

  1. 一種使用模仿近場通訊之無線通訊系統，係設置於周邊應用設備中，用於與行動裝置進行連線，該無線通訊系統包括：無線通訊模組，用於發送控制指令；以及射頻開關電路，係連接至該無線通訊模組，使該射頻開關電路依據該控制指令切換為低功率模式或正常功率模式，其中，該射頻開關電路包括訊號衰減單元，用以於該低功率模式下，衰減該無線通訊模組所發出之傳輸訊號的功率以產生輸出訊號，以及於該正常功率模式下，維持該傳輸訊號的功率，且其中，於該無線通訊系統與該行動裝置連線前，該無線通訊系統係週期性轉換該低功率模式和該正常功率模式。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之使用模仿近場通訊之無線通訊系統，其中，該訊號衰減單元包括複數訊號衰減器，以由該複數訊號衰減器分別提供不同衰減功率以衰減該傳輸訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之使用模仿近場通訊之無線通訊系統，其中，該射頻開關電路還包括設於該訊號衰減單元之前的第一切換器，用於接收來自該無線通訊模組之該傳輸訊號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之使用模仿近場通訊之無線通訊系統，其中，該射頻開關電路還包括設於該訊號衰減單元之後的第二切換器，用於輸出經過該訊號衰減單元後之該傳輸訊號。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之使用模仿近場通訊之無線通訊系統，其中，該輸出訊號通過該周邊應用設備之天線傳送至該行動裝置。
  6. 一種使用模仿近場通訊之無線通訊系統之認證方法，該無線通訊系統設置於周邊應用設備中，用於與行動裝置進行連線，該方法包括下列步驟：令該無線通訊系統切換至低功率模式，其中，於該無線通訊系統與該行動裝置連線前，該無線通訊系統係週期性轉換該低功率模式和正常功率模式；令該無線通訊系統於該低功率模式下發送詢問訊號；令該行動裝置於接收到該詢問訊號後回傳確認訊號；令該無線通訊系統接收到該確認訊號後，切換成該正常功率模式；以及令該無線通訊系統與該行動裝置執行資料傳輸或控制。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之認證方法，其中，直到該無線通訊系統與該行動裝置結束連線後，令該無線通訊系統回復至該低功率模式和該正常功率模式之週期性轉換。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之認證方法，其中，該無線通訊系統係透過設於其中之訊號衰減單元，於該低功率模式下，衰減該無線通訊系統所發出之傳輸訊號的功率。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之認證方法，其中，該無線通訊系統與該行動裝置執行資料傳輸或控制還包括：該無線通訊系統由認證階段轉為控制階段，以供該行動裝置操控該周邊應用設備。
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