超声通信系统 |
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| 申请号 | CN201510391722.9 | 申请日 | 2015-07-06 | 公开(公告)号 | CN105245290A | 公开(公告)日 | 2016-01-13 |
| 申请人 | 恩智浦有限公司; | 发明人 | 约瑟夫·托马斯·马丁内斯·范贝克; 拉杜·苏尔代亚努; 弗朗西斯科斯·皮特鲁斯·韦德索文; 帕特里斯·加芒; 里克·约什; 杰拉尔多·亨里克斯·奥托·戴尔德劳普; 汉斯·雷吉斯; | ||||
| 摘要 | 公开了一种设备。所述设备包括用于接收超声 信号 的多个麦克 风 ，其中所述超声信号包括已编码数据。所述设备还包括与所述多个麦克风耦合的微 控制器 。所述 微控制器 被配置为通过所述多个麦克风检测所述超声信号，其中所述检测包括计算所述超声信号在所述多个麦克风中的麦克风处的到达 角 。所述微控制器被配置为，基于经由所述多个麦克风中的麦克风接收到的已编码数据来执行交易。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种设备，包括： |
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| 说明书全文 | 超声通信系统技术领域[0001] 本发明涉及一种超声通信系统。 背景技术[0002] 互联网和移动设备(例如，智能手机、平板电脑等)的爆发性增长、压制性的普及和大量使用已打开了开发这些设备新用途的新领域，这些新用途远远高于并超出了其传统用途，即，人和人的语音通信和互联网浏览。近年来出现了很多移动设备新用途。其中之一便是进行安全支付以替代携带借记卡。实现移动设备的安全支付用途的热门技术之一便是近场通信(NFC)。 [0003] NFC是一种短距离无线通信技术，其通常提供设备间距离高至约20cm的数据交换。NFC技术通常基于RFID，并利用相对低的数据速率通过磁场感应进行工作(规定速度为106kbit/s、212kbit/s和424kbit/s)。NFC技术主要在移动电话上使用，可用于提供以下服务：卡片模仿，其中启用NFC的设备像已有的非接触卡片一样工作；RFID读取器，其中启用NFC的设备是有源设备并读取无源RFID标签，例如用于交互式广告；以及通信模式，其中两个启用NFC的设备交换信息。 [0004] NFC和蓝牙都是近年来集成到移动设备中的短距离通信技术。NFC相比蓝牙的一个明显优势是具有更短的建立时间。两个启用NFC的设备之间的连接可以迅速建立(＜0.1秒)，而不是执行手动配置以识别蓝牙设备。为避免复杂的配置过程，NFC可用于建立蓝牙链路。 [0005] 然而，使用RFID技术的NFC需要在移动电话中布置附加硬件。正在寻求在新设备和已有设备中使用更低廉且易于实现的技术来提供近场安全通信的方法。已经在设备到设备通信中使用了基于声波的NFC技术，特别用于实现安全支付方法。 发明内容[0007] 在一个实施例中公开了一种设备。所述设备包括用于接收超声信号的多个麦克风，其中所述超声信号包括已编码数据。所述设备还包括与所述多个麦克风耦合的微控制器。所述微控制器被配置为通过所述多个麦克风检测所述超声信号，其中所述检测包括计算所述超声信号在所述多个麦克风中的麦克风处的到达角。所述微控制器被配置为，基于经由所述多个麦克风中的麦克风接收的已编码数据来执行交易。 [0008] 在另一个实施例中公开了一种与网络相连的设备。所述设备包括处理器和存储器。所述存储器包括编程指令，所述编程指令用于在所述编程指令经所述网络被传递至移动电话并被移动电话的处理器执行时，对所述移动电话进行配置。在被通过所传递的编程指令配置后，所述移动电话执行操作。所述操作包括通过所述移动设备中包含的多个麦克风检测超声信号。所述检测包括，计算所述超声信号在所述多个麦克风中的麦克风处的到达角。 [0009] 在另一个实施例中公开了一种设备。所述设备包括用于接收超声信号的多个麦克风和与所述多个麦克风耦合的微控制器，其中所述超声信号包括已编码数据，所述微控制器被配置为通过所述多个麦克风检测所述超声信号。所述检测包括计算所述超声信号在所述多个麦克风中的麦克风处的到达角，其中所述微控制器被配置为，基于经由所述多个麦克风中的麦克风接收到的已编码数据来执行交易。 [0010] 所述设备还被配置为，如果测量到的到达角在预定阈值范围之外，忽略所述超声信号。所述设备还被配置为，测量距所述超声信号的源的距离，并且如果测量到的距离大于或小于预定阈值，忽略所述超声信号。此外，在一些实施例中，所述设备还被配置为，执行与所述超声信号的发送方的密码交换，并且使用所述密码对向所述发送方发送的数据进行加密。附图说明 [0011] 为使本发明的上述特征更详细地被理解，可通过参考实施例对以上简要总结的本发明进行更详细的描述，该实施例中的一些在附图中示出。然而，需要注意的是，附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不被认为是对其范围的限制，因为本发明可适用于其他等同实施例。通过与附图相结合的具体实施方式，所请求保护主题的优点对本领域技术人员来说将变得清楚，附图中相似的附图标记用于指代相似的单元，其中： [0012] 图1示出了使用声信号发送数据的设备； [0013] 图2示出了同时从发射器发出并在不同时间到达设备的不同麦克风的声信号； [0014] 图3示出了根据本公开的一个方面，计算从发射器出来的角度和距离； [0015] 图4示出了声信号的预设角阈值和预设径向阈值； [0016] 图5是示出可在其中实现主题的示例性硬件设备的框图； [0017] 图6是用于存储与网络相连的服务器上的可下载应用的系统的示意图。 具体实施方式[0018] 诸如智能手机的移动设备经常用于商务应用，例如，内置RFID设备并支持软件的移动电话可用于向卖家支付。例如，在便利店，用户可简单地将他/她的移动电话与支付终端靠近，以发起费用交易。相比携带或使用信用卡或借记卡，这些应用提供更好的安全性，因为信用卡或借记卡允许持卡人(bearer)执行费用交易，而使用移动电话的费用交易与此不同，其只能被授权用户执行。此外，这些应用为用户提供了更好的使用性和便利。 [0019] 然而不利的是，实现这些应用通常要求附加的硬件，因为例如没有RFID的移动电话不能使用传统NFC机制进行安全支付。此外，基于RFID的NFC应用至少还面临一些风险，因为恶意设备可能使其呈现为支付终端并发起费用交易。例如，基于NFC的费用终端正在一些车站使用，允许通勤人员简单地将他们的电话和终端靠近，以支付并打开车站的入口门。在这一示例中，恶意设备可能放置在收费终端附近以发起欺诈收费。恶意设备可使用更强的信号，使其表现为靠近移动电话。 [0020] 使用超声信号替代电磁信号来发送数据提供了优点，因为与电磁信号不同，超声信号在空气中不持久(即，无法长距离传播)并且不能穿透高密度物质。超声信号本质上具有方向性，因此，参与费用交易(举例来说)的两个设备需要在直的视线上并且中间没有任何障碍。然而，即使恶意设备没有直接面对用户设备，其仍有可能能够从斜向(angular)的物理位置进行通信，因此依然存在风险。 [0021] 本文描述的方法和系统提供了通信链路安全，使超声能够在安全NFC应用中使用。为防止设备从斜向位置与用户设备进行通信，本文描述的方法和系统计算声音传输角度，并且如果发现角度在预定角度阈值之外，则可以切断通信，或者认为该通信不适合安全交易。此外，本文所述的实施例使用超声信号确定设备间的距离，并且如果未发现距离在预设径向阈值之内，则移动设备可被配置为拒绝来自第二设备的通信。 [0023] 衰减(dB)＝频率(f)(MHz)x路径长度(cm) [0024] 传播速率是声波在介质中传播的速度，其取决于介质的密度和压缩率。这些变量的关系通过波等式：v＝λf来表示。 [0025] 波长(λ)两个最大压缩(或稀疏)区之间的距离。超声波通常具有大约λ＝7毫米的较小波长，频率为f＝50kHz，也就是说，超声波具有比电磁信号低得多的传播速度(其特点是相似频率上具有实质更高的波长)。由于较低的频率和相关联的较小带宽，超声信号不适用于高速数据传输。然而，在本公开中不怎么关注数据传输速度，因为本公开对超声波的这些实际物理特性施加杠杆以提供设备间的安全通信。 [0026] 参考图1，图1示出了具有扬声器和麦克风并通过超声信号相互进行通信的两个设备。在一个示例中，设备1可以是销售点(POS)终端，设备2可以是移动电话。设备2包括多个麦克风和至少一个扬声器。 [0027] 设备1和设备2可编码超声信号中的数据以交换与交易有关的数据。在一个示例中，设备1可发送要支付的量，并且设备2可向设备1发回信用卡信息。然后，设备1可通过经由互联网的外部服务处理信用卡信息，并可向设备2和/或设备1的操作员发送信用卡处理的结果。 [0028] 当第三设备(未示出)出现在附近并被配置为窃听设备1和设备2之间的数据通信时，将产生安全问题。为防止第三设备解密设备1和设备2之间正在交换的数据，设备1和设备2被配置为使用诸多加密机制之一(例如公钥-私钥)对数据进行加密和解密。在一个示例中，通过只有设备1和设备2可以解密共享密钥的这种方式安全地交换共享密钥。然后，设备1和设备2使用该共享密钥来加密和解密数据。在另一个示例中，设备1和设备 2相互交换它们的公钥，并使用对方的公钥对发送数据进行加密，然后使用自己的私钥来解密所接收的数据。使用设备1的公钥加密的数据只能通过使用设备1的私钥来解密，设备 2同理。这样，第三设备依然无法真正地理解设备1和设备2之间的通信。 [0029] 然而，存在一种该加密无法处理的安全问题。在设备2开始完成交易的时候，假设第三设备在设备1可以动作之前出现。例如，设备2利用无线支付方法开始在车站支付车票，该无线支付方法包括简单地将设备2靠近POS终端。在POS终端激活前，位于POS终端附近的第三设备向设备2发送请求以发起支付。设备2可能仍在相信其正与POS终端(图1中的设备1)通信，并向第三设备透露信用卡信息。本公开解决了少接触交易处理中的这种安全风险。 [0030] 转到图2，图2示出了当设备1发送编码在超声信号中的数据时，信号在不同时间到达设备2所包含的具有彼此间的已知距离的不同麦克风。利用已知的超声波速度和麦克风之间的距离，能够计算距发射器(此示例中，包含在设备1之中)的距离以及超声波在不同麦克风处的到达角。 [0031] 典型的音频扬声器和麦克风能够产生并检测大约高达40-80kHz的频率，其对应于低至8.5-4.3mm的波长。超过该频率，这些麦克风和扬声器将在某种程度上失效。为提高检测效率和精度，可以使用专用超声换能器。在一个示例中，为测量超声波的到达角或测量距发射器的距离，使用超声频谱中的最高可能频率是有益的。频率越高，波长越短，从而提高了分辨率。专用换能器可以产生高于100kHz的频率范围。音频扬声器和麦克风可改进为提供高于50KHz的操作频率。在一个示例中，距离分辨率大约为ΔRmin＝λ/2，因此两个麦克风之间的最小间距(D)应大于或大致等于λ/2，以测量到达角。当D为几厘米(从而在移动电话上非常适合)时，在40-80kHz中可以获得足够分辨率。应当注意，对于高达几个GHz的电磁波，例如，蓝牙、GSM或LTE中使用的电磁波，由于高得多的传播速度和相关联的电磁波波长，D高达几米。大的D值使得在使用高达几GHz的电磁波时，小型手持设备中无法实现到达角测量。 [0032] 图3示出了计算超声信号在一个或多个麦克风处的到达角的示例。图3示出了包括三个麦克风Rx1、Rx2和Rx3的线型阵列。为方便理解，在这个示例中，假设任意两个相邻麦克风之间的距离为D。在其他示例中，两个相邻麦克风之间的距离可以不同。在这个示例中，Rx1的坐标为(0，-D)，Rx2为(0，0)，Rx2为(0，D)。麦克风从位于坐标(x，y)处的扬声器Tx接收超声信号。发射器Tx与麦克风Rx1、Rx2和Rx3的距离分别为R1、R2和R3。 [0033] 发射器Tx发射脉冲时，Rx1、Rx2和Rx3在不同时间T1、T2和T3接收到脉冲。当入射超声脉冲在接收器/麦克风Mic1、Mic2和Mic3处分别被接收时，设备2的处理器记录时间T1、T2和T3。然后，根据所记录的超声脉冲在不同麦克风处的到达时间，设备2可以计算ΔT12、ΔT13和ΔT23。时间差分别与R1、R2和R3之间的差异成正比。Rx1和Rx2上接收的脉冲的延时可以用等式1表达。 [0034] (等式1) [0035] 等式1中，c为声速，在当前示例中已知。Rx2-Rx3的延迟ΔT23以及Rx1-Rx3的延迟ΔT13可表示为以下等式。 [0036] [0037] [0038] 这三个延迟都与同一发射器Tx位置(x，y)有关。通过以下等式可以计算以下距离： [0039] (等式2) [0040] (等式3) [0041] (等式4) [0042] 本领域技术人员将理解，测出三个延迟R12、R23、R13中的两个将能够计算发射器Tx的坐标(x，y)。此外，一旦获知坐标(x，y)，也还可以计算角度A1、A2和A3中的一个或多个。 [0043] 可在其处测出ΔR的分辨率取决于发射器Tx正发射的小波或脉冲的波长。在一个示例中，可检测的最小延迟ΔRmin大约等于半波长，并且取决于声波的频率(等式5)[0044] (等式5) [0045] 当Tx与麦克风Rx1、Rx2和Rx在一条直线上时，最大延迟ΔRmax出现。因此，对于两个相邻麦克风Rx1-Rx2以及Rx2-Rx3，延迟等于D。当测量Rx1-Rx3之间的延迟时，延迟将会是2D。 [0046] 在一个实施例中，为减少错误，可进行多次测量，并且可以使用统计方法以根据距离R1、R2和R3的多次测量来确定值。根据多次测量，可以看出，角分辨率基本恒定，而径向分辨率随着径向距离而变差。在一个示例中，当径向距离小于5cm时，获得小于1cm的径向分辨率。当径向距离为10cm时，分辨率约为5cm。通过选择更高的声音频率和/或使阵列更大(即增加D)，可以进一步提高径向分辨率和角分辨率。 [0047] 应当注意，用以检测超声脉冲并执行上述计算的逻辑可通过软件或硬件实现。如果通过软件实现，这些计算可通过设备2的应用处理器来执行。该计算逻辑还可通过硬件实现。在一个示例中，设备2的微控制器可包括根据上述方法的角度和距离计算逻辑。 [0048] 图4示出了角阈值和径向阈值。应当注意，除了如上所述地计算角度和距离，设备2还可被配置为：如果计算出的角度没有落入预设或可配置的角阈值中，忽略来自第二设备的通信。此外，设备2可被配置为，如果测量到的距离不在预设或可配置的径向阈值内，忽略来自第二设备的通信。基于这些阈值拒绝来自外部设备的通信确保了当预期设备与另一个设备通信时，设备2只与另一个设备进行通信。预期设备最有可能是预期POS终端，并且，仅当设备2与POS终端非常靠近且设备2的麦克风直接面对POS终端时，才会产生设备 2和预期POS终端之间的通信。 [0049] 图5示出了可以实现主题的硬件设备。本领域技术人员将理解，图1中示出的单元可根据系统实现(例如，移动设备、平板计算机、膝上型计算机等)而变化。参考图5，用于实现本文所公开主题的示例性系统包括硬件设备100，硬件设备100包括处理单元102、主存(memory)104、存储器(storage)106、数据输入模块108、显示适配器110、通信接口112、以及将单元104-112耦合到处理单元102的总线114。 [0050] 总线114可包括任何类型的总线架构。示例包括存储总线、外部总线、本地总线等。处理单元102是可包括微处理器、数据信号处理器、图形处理单元、应用专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等的指令执行机器、装置或设备。处理单元102可被配置为执行存储在主存104和/或存储器106和/或经由数据输入模块108接收的程序指令。 [0051] 主存104可包括只读存储器(ROM)116和随机访问存储器(RAM)。存储器104可被配置为存储程序指令以及设备100操作期间的数据。在各种实施例中，主存104可包括各种存储技术中的任何一种，例如，静态随机访问存储器(SRAM)或动态随机访问存储器(DRAM)，包括各种变化，例如，双数据速率同步DRAM(DDR SDRAM)、纠错码同步DRAM(ECC SDRAM)、或者RAMBUS DRAM(RDRAM)。主存104还可包括非瞬态存储技术，例如，非瞬态闪存RAM(NVRAM)或ROM。在一些实施例中，可以想到，主存104包括诸如以上技术以及未特别提到的其他技术的组合。当主题实现在计算机系统中时，在ROM 116中存储包括基本例程的基本输入/输出系统(BIOS)，所述基本例程帮助在计算机系统内的单元之间传输信息。 [0052] 存储器106可包括用于对闪存进行读和写的闪存数据存储设备、用于对硬盘进行读和写的硬盘驱动器、用于对可移除磁盘进行读和写的磁盘驱动器、和/或用于对可移除光盘(例如，CD-ROM、DVD或其他光介质)进行读和写的光盘驱动器。驱动器及其关联的计算机可读介质为硬件设备100提供计算机可读指令、数据结构、程序模块和其他数据的非易失性存储。 [0053] 需要注意的是，本文所述的方法可以实现在存储于计算机可读介质中的可执行性指令之中，以供或者结合指令执行机器、装置或设备(例如，基于计算机或包含处理器的机器、装置或设备)来使用。本领域技术人员可以理解，在某些实施例中，可以使用其他类型的计算机可读介质，其可存储计算机可访问的数据，例如，还可在示例性操作环境中使用的磁带盒、闪存卡、数字视频盘、伯努利盒(Bernoulli cartridges)、RAM、ROM等。这里所使用的“计算机可读介质”可包括任何合适介质的一种或多种，所述介质用于以电、磁、光和电磁格式中的一种或多种来存储计算机程序的可执行指令，使得指令执行机器、系统、装置或设备可从计算机可读介质读取(获取)指令并执行用于实现所述方法的指令。常规示例性计算机可读介质的非穷尽列表包括：便携式计算机盒、RAM、ROM、可擦写可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光存储设备(包括便携式紧凑盘(CD)、便携式数字视频盘(DVD)、高分辨率DVD(HD-DVDTM)、蓝光盘)等。 [0054] 多个程序模块可存储在存储器106、ROM 116或RAM 118中，其包括操作系统122，一个或多个应用程序124，程序数据126以及其它程序模块128。用户可以通过数据输入模块108向硬件设备100输入命令和信息。数据输入模块108可以包括诸如键盘、触摸屏、指点设备等结构。设备100可以包括信号处理器和/或微控制器，以执行各种信号处理和计算任务，例如，执行编程指令以检测超声信号并执行角度/距离计算，如上所述。通过示例而非限制的方式，外部输入设备可以包括一个或多个麦克风、操纵杆、游戏垫、扫描仪等。在一些实施例中，外部输入设备可以包括视频或音频输入设备，例如，视频摄像机、静止摄像机等。输入设备端口108可被配置为从设备100的一个或多个输入设备接收输入，并经由总线114向处理单元102和/或信号处理器130和/或存储器104提供所输入的数据。 [0055] 可选地，显示器132还经由显示适配器110与总线114相连。显示器132可被配置为向一个或多个用户显示设备100的输出。在一些实施例中，诸如触摸屏的给定设备可同时用作数据输入模块108和显示器132。外部显示装置还可以经由可选的外部显示接口134与总线114相连。其它未示出的外围输出设备(如扬声器和打印机)可以连接到硬件设备100。 [0056] 硬件装置100可经由通信接口12使用到一个或多个远程节点(未示出)的逻辑连接在网络环境中操作。远程节点可以是另一个计算机、服务器、路由器、对等设备或其他常见网络节点，并且通常包括上述与硬件设备100有关的单元中的多个或全部。通信接口112可与无线网络和/或有线网络交互。无线网络的示例包括，例如，蓝牙网、无线个人域网、无线802.11局域网(LAN)和/或无线电话网(例如，蜂窝、PCS、或者GSM网)。有线网络的示例包括，例如，LAN、光纤网、有线个人域网、电话网，和/或广域网(WAN)。这些网络环境常见于内联网、互联网、办公室、企业范围的计算机网络等。在一些实施例中，通信接口 112可包括被配置为支持存储器104和其他设备之间的直接存储器访问(DMA)传输的逻辑。 [0057] 在网络环境中，所示出的与硬件设备100或其部分有关的程序模块可存储在远程存储装置上(例如服务器)。应当理解，可以使用其他硬件和/或软件，以在硬件设备100和其他设备之间建立通信链路。 [0058] 应当理解，在图5所示的硬件设备100的布置仅仅是一种可能实现，其他布置也是可能的。还应当理解，由如下所述的权利要求限定并在各框图中示出的各种系统组件(和装置)表示被配置为执行本文所述功能的逻辑组件。例如，通过硬件设备100的布置中所示组件的至少一部分，可以完全或部分地实现这些系统组件(和装置)的一个或多个。此外，尽管这些组件的至少一个至少部分地实现为电子硬件组件，并因此构成一台机器，但是其它组件可实现为软件、硬件、或软件和硬件的组合。更具体地，由权利要求限定的至少一个组件至少部分地实现为电子硬件组件，例如，指令执行机器(例如，基于处理器或包含处理器的机器)和/或专用电路(例如，互连以执行专门功能的离散逻辑门)，如图5所示的那些。其他组件可实现为软件、硬件、或软件和硬件的组合。此外，上述其他组件的一些或全部可以组合，一些可完全被省略，还可添加附加组件，同时仍然实现本文所述的功能。因此，本文所述的主题可用诸多不同变化来实现，并且所有这些变化都被考虑为在所主张的范围之内。 [0059] 图6示出了服务器200，其包括用于存储应用的存储器210。服务器200耦合到网络。在一个实施例中，服务器200的内部结构可以与图5中所示的硬件设备相似。存储器210包括包含编程指令的应用，当所述编程指令被下载到设备100并被设备100的处理器执行时，执行对在多个设备100的多个麦克风处接收的超声信号的检测。编程指令还使设备 100的处理器执行如上文所述的角度和/或距离计算。经由网络从服务器200下载编程指令后，设备100被配置为执行检测和角度/距离计算。编程指令还配置设备100，以根据角阈值/径向阈值来处理交易，如图4所述。 [0060] 在描述主题的上下文中使用术语“一”、“一个”、“该”以及类似引用，其硬应被解释为包括单数和复数，除非另有指示或与上下文明显矛盾。除非另有指示，本文所述的数值范围仅旨在用作对落入该范围内的每个单值的单独引用的速记方法，并且每个单值都包含在说明书中，如同其在本文中单独列举一样。此外，以上描述仅用于说明目的，而不是为了限制目的，所寻求的保护范围由下文阐述的权利要求连同其享有任何等同物来限定。本文所提供的任何和全部示例或示例性语言的使用，仅旨在更好地说明主题，并且不对主题的范围造成限制，除非另有请求。权利要求和书面说明书中对术语“基于”等的使用，指示用于得出一个结果的条件，并不排斥得出该结果的任何其他条件。说明书中的任何语言不应被解释为将任何非请求单元指示为实施请求保护的发明所必需的。 |
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