基于可見光通信的移動支付信息交互系統

趙曉萌 周俊杰

(1．廣東省科技基礎條件平臺中心，廣東 廣州 510000；2．廣東省高性能計算重點實驗室，廣東 廣州 510000)

基于可見光通信的移動支付信息交互系統

趙曉萌1，2周俊杰1，2

(1．廣東省科技基礎條件平臺中心，廣東 廣州 510000；2．廣東省高性能計算重點實驗室，廣東 廣州 510000)

隨著“移動互聯網”經濟的快速發展，對移動支付信息交互的需求和技術方案也越來越多。目前，常見的移動支付信息交互方式有傳統接觸式IC卡、基于移動網絡的信息交互以及非接觸卡(RFID、NFC)等，但IC卡方式只能離線使用，充值和信息交互不方便；基于移動網絡的方式需要安裝專用通信模塊并給運營商支付費用；RFID和NFC也需要另外安裝讀寫設備，且僅有部分高端手機內置NFC模塊，并未得到普及。針對此，設計了一種采用普通智能手機，基于可見光通信的移動支付信息交互系統。首先，設計了基于短距可見光通信技術的信息交互系統架構；其次基于系統架構進行了硬件設計和軟件設計；最后，結合可見光通信協議分析了系統信息交互的安全性。該系統具有安全便利、低成本以及易于普及等特點。

可見光通信；移動支付；信息交互；信息安全

1 引言

可見光通信(Variable Light Communication，VLC)作為一種熱門的通信技術，具有可靠性高、保密性好、無電磁干擾、無需頻譜認證等優勢[1,2]。普通照明白光LED帶寬和傳輸速率有限，不適用于傳輸大容量數據。但是在手機（閃光燈）上普及度高，攜帶方便，可用于數據交換、電子支付等環境。目前的支付系統信息交互有預接觸式IC卡、聯網式、非接觸式（NFC、RFID）。預付費支付系統，如水表、電表、燃氣表等，通過智能卡或邏輯加密卡來傳遞預存數據實現預付費功能，用戶只能去管理單位的網點辦理充值，耗費時間。而管理單位也無法及時掌握終端設備的狀態信息。聯網式支付系統，如自動售貨機，部分共享單車等，解決了用戶、終端設備與管理單位之間的交互問題，但需要在終端設備中安裝通信模塊，需要給運營商支付網絡費用，增加了運營成本。近年來基于RFID[3]以及NFC[4]技術出現了一些應用，但由于基礎設施不完善，手機上的NFC功能也僅出現在少數高端機型上，所以在日常生活領域并未大范圍普及。

目前幾乎全部的智能手機，包括中低端產品，都標配了閃光燈和圖像傳感器，與其他技術方案相比，利用手機閃光燈LED作為發射端，圖像傳感器作為接收端，是一種便利、低成本、易于普及的移動支付信息交互解決方案。

2 系統架構

基于VLC的移動支付信息交互系統主要由4個部分組成，終端設備、用戶、管理單位、第三方支付平臺，彼此之間建立安全的通信信道，并由金融業務，金融邏輯和業務邏輯相聯系，如圖1所示。金融業務和金融邏輯用于銀行，第三方支付系統和管理單位三者之間的資金交易；業務邏輯指用戶通過手機以及支付中間件進行充值、退款、余額查詢等與管理單位的交互。

圖1 移動支付信息交互系統架構

圖2 VLC智能終端硬件基本結構

3 系統設計

3.1 VLC終端設備硬件設計

VLC終端設備結構如圖2所示，主控制單元通常情況下處于低功耗休眠狀態，可通過中斷喚醒；存儲模塊用于記錄用戶歷史數據和狀態信息；LCD顯示模塊用于顯示使用信息及提示終端狀態；防拆干擾檢測用于防止惡意拆卸，破壞終端正常運行；VLC通信單元部分包括VLC接收模塊，VLC發射模塊和安全模塊。VLC模塊采用非接觸通信方法和協議，負責與手機、安全模塊和主控MCU之間的信息交互。安全模塊則執行與安全相關的算法加密，并存儲關鍵數據。系統上電或復位時須從存儲單元中恢復之前的狀態數據，而且終端設備運行中需要及時檢測系統缺電、破壞或干擾信號，并發出相應提醒。當系統缺電、拆解、受干擾、金額不足時直接鎖定系統。

3.2 軟件設計

3.2.1 手機接口

手機端需要精準控制攝像頭和閃光燈以實現和終端設備的雙向光通信。以安卓系統為例，自Android 5.0后新增了android.hardware.camera2包用于攝像頭及閃光燈的開發，包中有幾個重要的API：CameraCaptureSession用于控制預覽和拍照、攝像頭管理CameraManager以及攝像頭支持特性描述CameraCharacteristics[5]。配置攝像頭及閃光燈的主要流程如圖3所示。首先需通過CameraCharacteristics獲取設備功能特性以確認該設備可用于可見光通信，具體是獲取Camera-Characteristics.INFP_SUPPORT_HARDWARE_LEVEL，等級越高權限越大。其次，在配置攝像頭及閃光燈時，調用open-Camera后回調 CameraDevice.stateCallback，在 onOpened中createCaptureSession，然后回調CameraCaptureSession.State-Callback，在CameraCaptureSession.StateCallback下寫onConfigured方法以完成對攝像頭及閃光燈的配置。其中LENS_FOCUS_DISTANCE為調節焦距，CONTROL_AF_MODE為自動對焦模式，SENSOR_SENSITIVITY為調節感光度，CONTROL_AE_MODE為自動曝光模式。

圖3 Camera2攝像頭、閃光燈配置

3.2.2 可見光通信標準

對于短距離可見光通信，IEEE802.15.7[6]定義了可見光通信物理層(PHY)以及媒體訪問控制層(MAC)并提出“可見光波長帶寬計劃”。將波長從380nm至780nm的可見光通信波段劃分為7個光帶，用3位bit標識不同的光帶ID號，PHY層包括可見光收發器與底層管理模塊，采用CSK調制，根據不同光帶ID號將數據調制在不同波長的光波上并行傳輸[7]。PHY數據單元幀結構包括物理層頭文和物理層載荷。而MAC層作用是向高級層提供物理信道的訪問服務并保證可靠性，其幀結構如表1所示，包括MAC數據包、數據位和校驗位。數據層由應用層生成，經逐層處理發送到MAC層形成數據傳送單元。數據信息可以由一系列記錄組成并以數據包的形式封裝在每一個通信幀當中。

表1 MAC幀結構

3.2.3 通信功能實現

首先需要建立管理單位、手機、終端設備之間的通信協議，以各系統的ID信息作為標識建立可靠的數據傳輸鏈路，通過手機完成管理單位與終端設備之間的加密信息交換，系統功能示意圖如圖4所示。系統流程圖如圖5所示，VLC模塊與主控MCU通信采用串口連接。終端內VLC模塊檢測外部VLC設備，當光照達到閾值，VLC模塊IRQ中斷引腳返回標志信號，MCU判斷設備ID、發出的信號頻段及子載波是否匹配，進而控制VLC模塊與手機交換通信參數和信息，終端設備在接收到請求命令后，按照手機發出的光編碼信號建立合適的子載波并選擇傳輸速率，響應后在LCD上顯示當前用戶請求以及儲存在設備中的相關信息，并將信息通過編碼信號回傳給手機，再通過手機將該信息發送給管理單位。管理單位收到用戶請求后，響應請求并回傳相應信息。用戶在通過手機LED閃光燈發送編碼信號與終端設備實現數據交換，完成充值、退款以及狀態數據查詢等；若光照未達到閾值或子載波不匹配，則MCU保持休眠狀態。該設計大大降低系統待機功耗，并能及時響應用戶操作，帶來良好的交互體驗。

圖4 數據交換示意圖

4 可靠性分析

在基于可見光通信的移動支付信息交互系統中，可靠性包括通信的抗干擾能力以及數據傳輸的安全性。本系統所采用短距離光通信，不易被攻擊。其干擾主要來自其它光通信系統，為防止不同光通信系統之間的干擾，需對特定頻率的光載波建立子載波[8]。關于安全性，由于本系統主要是兩個設備之間的一對一通信，可參考安全套接層(Secure Sockets Layer,SSL)握手協議[9]，如圖6所示。首先規定一個密鑰協商機制，包括加密算法以及算法所使用密鑰，其次確定一個認證方式。具體操作如下：手機向終端設備發送通信請求，其中包括隨機產生的通信ID1、通信協議版本、本次請求密鑰K1以及加密算法S1；終端設備收到請求后確認通信協議版本以及加密算法能否匹配，若匹配則生成通信ID2，向移動設備發送ID2、設備終端證書、響應密鑰K2；雙方利用各自從對方獲得的通信ID及密鑰K通過約定的加密算法生成共享密鑰Z，將共享密鑰Z、雙方接收到的對方密鑰及通信ID存入tag中并相互交換進行驗證，最終雙方可通過共享密鑰進行真實數據交換。而手機和管理單位的通信則使用正常的移動網絡通信。關于通信完整性及可靠性，參照IEEE802.15.7標準，通過信道掃描選定一個合適的邏輯信道和一個未被占用的協調器；含有數據發送、接收和確認機制，為解決重復幀的問題，對具有相同目標地址的多個MAC幀進行封裝，并使用一個確認幀進行確認；MAC數據包中含有安全信息，根據上層要求對數據加密、認證及重傳保護，避免MAC幀被篡改。

圖5 VLC通信功能實現流程圖

圖6 密鑰協商流程

5 結語

本文結合可見光通信技術的通信協議設計了能夠雙向數據交換的可見光通信移動支付系統。首先介紹了系統架構，包括用戶基于可見光通信使用手機實現與終端設備的信息交換并作為中間媒介將信息傳遞給管理單位的過程；其次，系統設計包括基于短距可見光通信技術的軟硬件設計以及移動設備的可見光通信功能實現，并利用SSL及VLC標準提高了系統的可靠性、安全性及抗干擾能力，保證終端設備與管理單位之間安全快速地進行信息交換，提高了管理單位的管理效率以及用戶的體驗，具有廣闊的應用前景。

[1]CW Chow，CH Yeh，Y Liu and YF liu．Digital signal processing for light emitting diode based visible light communication[J]．IEEE PHOTONICS SOCIETY NEWSLETTER，2012，26(5)：9-13．

[2]Haruyama．Visible light communication using sustainanle LED lights[C]．Itu Kaleidoscope：Building Sustainable Communities，2013：1-6．

[3]Landt J．The history of RFID[J]．Potentials IEEE，2005，24(4)：8-11．

[4]Haselsteiner E．Security in Near Field Communication(NFC)[J]．Workshop on Rfid Security Malaga，2006．

[5]明日科技．Android項目開發實戰入門[M]．長春：吉林大學出版社，2017．

[6]IEEE802．15．7，Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light[S]．

[7]洪文昕，禹忠，韋瑋，等．短距離可見光通信技術進展與IEEE802．15．7[J]．光通信技術，2013，37(7)：8-11．

[8]可見光通信標準化白皮書[Z]．中國電子技術標準化研究院，2016．

[9]Chou W．Inside SSL：the secure sockets layer protocol[J]．IT professional，2002，4(4)：47-52．

Management System of Mobile Payment Based on Short-range Visible Light Communication

Zhao Xiaomeng Zhou Junjie
(1.Guangdong Science&Technology Infrastructure Center,Guangzhou 510033,Guangdong;2.Guangdong Provincial Key Laboratory of High Performance Computing,Guangzhou 510033,Guangdong)

With the rapid development of mobile internet,the demand for management of mobile payment information is increasing.Nowadays there are many normal interactive mode of mobile payment information like IC card,interactive mode based on mobile internet,Near Field Communication and so on,but these means have some disadvantages.In view of the problem,a management system of mobile payment based on short-range Visible Light Communication is proposed.Firstly,the system architecture is designed.Secondly,the software and hardware are designed.Finally,the security of information interaction of the system is analyzed based on Visible Light Communication protocols.The system has many advantage,such as security,convenience,low cost and quick popularization.

Visible Light Communication;mobile payment;information interaction;information security

TN99；TN929.5

A

1008-6609(2017)10-0010-04

趙曉萌（1981-），男，內蒙古呼倫貝爾人，碩士，工程師，研究方向為計算機網絡與光通信。

廣東省前沿與關鍵技術創新專項基金資助，項目編號：2014B010120002。