專利名稱：一種降低高頻無線智能卡功耗的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線通信技術領域，具體地說是一種降低高頻無線智能卡功耗的方法。
背景技術：
隨著移動通信終端，比如手機的應用普及，基于移動通信終端的電子錢包，手機門禁、手機支付等新的應用也越來越引起人們的廣泛興趣。要滿足這些應用，最好的方式是跟現(xiàn)有射頻卡刷卡使用方式相同或者相近。這就要求移動通信終端能夠像射頻卡一樣可以通過無線數(shù)據通信來跟消費終端、或者門禁控制器來交換數(shù)據。通過手機實現(xiàn)移動支付等功能，需要在手機上實現(xiàn)近場通信功能，目前在手機上實現(xiàn)近場通信功能主要有以下幾種模式，第一種模式是NFC手機，是在現(xiàn)有的手機上集成 NFC通信模塊(Near FieldCommunication)，采用的是13. 56MHz的低頻感應模式，屬于被動式，需要用戶更換手機；第二種模式是在手機SIM上加裝13. 56MHz的低頻感應模塊，需要改裝SIM卡，并且在SIM上會帶很大一個感應電路，這種模式無法大規(guī)模商業(yè)化；第三種模式是在手機上加裝2. 4G的有源高頻感應模式，能有效的解決穿透問題，該種模式在日本得到發(fā)展，缺點是用戶需要專用的手機，這一點不適合用戶更換手機的使用習慣；第四種模式是在SIM卡上集成2. 4G的有源高頻感應模塊(以下稱RF-SIM卡)，該種模式非常符合用戶的使用習慣。我國國內正在推廣的是第四種模式，并作為移動支付的首要標準，但就目前的商用情況，主要存在以下缺點第一是手機對RF-SIM的適應性問題，第二是RF-SIM卡和 RF-SIM卡讀卡裝置之間的配合問題，主要表現(xiàn)在讀卡速度慢，讀卡距離不穩(wěn)定，控制讀卡距離難，對于同一個讀卡裝置，有的手機讀卡距離很近，有的手機讀卡距離很遠，第三是讀卡后手機屏幕顯示結果慢。以上缺點，從產品上來說，主要歸結于兩個問題，一個問題是高頻無線智能卡的技術不過關，功耗高、瞬間電流大，讀卡速度慢，導致很多手機不能適用這種高頻無線智能卡，或因讀卡速度慢，用戶體驗效果很差，導致推廣工作進展遲緩。另一個問題是讀卡裝置的問題，主要表現(xiàn)在對讀卡距離缺少行之有效的控制方法?？傊?，現(xiàn)有的技術推出的產品不僅成本高，而且體驗效果不好，從而影響了現(xiàn)有移動商務用戶的體驗及商業(yè)化進程，這也是目前推廣該技術應用的障礙之一。如何實現(xiàn)高頻無線智能卡的低功耗，有效控制瞬間電流及實現(xiàn)高速刷卡，一直是該領域的一個技術難點，也是實現(xiàn)高頻無線智能卡產業(yè)化的關鍵。有一些專利對相關技術進行了研究，例如，專利200410036263. 4描述了高頻無線智能卡的硬件基本組成，包含的要素，但并未闡述如何去實現(xiàn)低功耗及高速刷卡；另一項專利2007101243M. 7更細致的闡述了高頻無線智能卡的幾種物理結構及邏輯原理，但同樣沒有涉及到如何降低高頻無線智能卡功耗和實現(xiàn)高速刷卡等非常重要的軟件及硬件技術。雖然現(xiàn)有技術中，已經有在手機SIM卡中增設射頻芯片以擴展使用功能的技術方案，以便此類同時具備SIM卡功能和射頻芯片的無線智能卡能夠具備更廣泛的應用前景。
3但是現(xiàn)有的技術方案在研究之初，都是只在手機SIM卡中增設低頻射頻芯片，均未涉及或考慮增加射頻芯片后的功耗增加問題。因為低頻射頻芯片的功耗較低，如果只是增加低頻射頻芯片，對無線智能卡的功耗影響不大，還處于可以接受的范圍。但是，隨著新技術的發(fā)展，新的應用更多的要求使用高頻射頻芯片，但高頻射頻芯片在工作狀態(tài)的功耗極大，如果完全忽視其功耗問題，依舊按照在手機SIM卡中增設低頻射頻芯片的技術方案去增設高頻射頻芯片，則存在以下問題1、高頻射頻芯片功耗過大，造成手機待機時間過短，給客戶帶來極大的不便；普通 SIM卡休眠狀態(tài)時電流一般在500微安以下，工作時電流一般幾個毫安。待機時間遠高于工作時間，這樣平均電流應該在1毫安以下?，F(xiàn)有手機的待機時間是充分考慮了這個因素而設計，其根本原則是要求手機的平均工作電流越低越好。高頻無線智能卡的高頻模塊在作無線傳輸時電流很大。無論高頻部分工作在接收模式，還是發(fā)送模式，電流都至少達到7毫安以上，最高可以達到12毫安以上。連同原有手機IC卡功耗，平均電流將超過8毫安。對于一個電池600毫安小時，待機72小時的手機而言，長期工作在無線收發(fā)模式下待機時間將直接減少到原來的一半即36小時，甚至更低。2、高頻射頻芯片功耗過大，要求的輸入電壓在1.9V 3.6V之間，而手機提供給 SIM卡的工作電壓大致有三種，即1. 8V、3. 0V、5. 0V,高頻射頻芯片會因電壓低而無法正常工作，或因電壓過高而損壞，大大降低良品率及兼容性，不能很好的與現(xiàn)有的大多數(shù)手機配套使用；3、高頻無線智能卡在生產流程中有一個重要的操作流程，就是要對卡進行初始化操作，例如寫入軟件系統(tǒng)、寫入出廠參數(shù)、寫入初始密鑰等，現(xiàn)有慣用的初始化方法就是將高頻無線智能卡插入一接觸式讀卡器進行讀寫數(shù)據的操作，而現(xiàn)有接觸式讀卡器的工作電壓都在5. 0V，與高頻射頻芯片要求的輸入電壓1. 9V 3. 6V不配套，很容易造成高頻無線智能卡在寫卡時損害，影響出廠的良品率以及造成用戶使用時的隱患。 對于移動通信終端，特別是手機來說，低功耗是一個重要技術要求，否則會導致手機待機時間過短、無法識別RF-SIM卡，甚至無法開機；高速刷卡也是移動支付要求的一個重要指標。因此，解決這兩個問題是高頻無線智能卡產業(yè)化的技術關鍵。

發(fā)明內容
本發(fā)明旨在給出一種降低高頻無線智能卡功耗的方法，在用作移動通信工具的同時，高頻無線智能卡可通過高頻發(fā)射來作數(shù)據傳輸，能夠方便的實現(xiàn)移動支付功能及物聯(lián)網應用，使用該方法的高頻無線智能卡，不僅具有低功耗的特點，刷卡速度快，而且方法簡單，容易實施，成本低，有利于實現(xiàn)高頻無線智能卡的產業(yè)化生產和大規(guī)模的推廣應用。本發(fā)明的技術方案如下，一種降低高頻無線智能卡功耗的方法，其特征在于包括以下步驟1)高頻無線智能卡的終端通信模塊通過IO 口連接上射頻模塊，并能通過這些IO 口操縱射頻模塊在休眠模式與收發(fā)模式間切換，2)射頻模塊參數(shù)初始化，3)射頻模塊進入休眠模式，休眠模式持續(xù)的時間為X，4)然后射頻模塊進入收發(fā)模式，收發(fā)模式持續(xù)的時間為y，設定χ > y，
5)射頻模塊在上述休眠模式和收發(fā)模式間反復循環(huán)，6)在上述休眠模式和收發(fā)模式間循環(huán)的同時，檢測射頻模塊是否收到讀卡器的命令或數(shù)據如果沒有收到讀卡器的命令或數(shù)據，返回步驟5 ；如果收到讀卡器的命令和/或數(shù)據，則高頻無線智能卡開始執(zhí)行刷卡交易流程， 進入交易執(zhí)行時間Z，所說的刷卡交易流程指的是讀卡器與高頻無線智能卡作一個完整的數(shù)據交換、安全驗證和數(shù)據存儲的過程，7)如果x+y的值越小，用戶連續(xù)刷卡的速度越快，如果χ除以y的值越大，平均工作電流越低，降低功耗的效果越好。本發(fā)明在實際應用中，根據不同應用場景以及χ時間的長短(由交易的復雜度決定)，χ和y的值可做不同調整，但χ必須大于1，y值只要確保足夠收到最少一個有效的命令和數(shù)據就可，如果χ+y的值越小，用戶連續(xù)刷卡的速度越快，如果χ除以y的值越大，平均工作電流越低，降低功耗的效果越好。按照這個方式，高頻無線智能卡在刷卡工作中，雖然瞬間有極高的工作電流，但是其占用的時間非常短暫，已經滿足GSM11. 11規(guī)范的要求，普通手機都能適用。本發(fā)明不僅具有低功耗的特點，刷卡速度快，而且方法簡單，容易實施，成本低，有利于實現(xiàn)高頻無線智能卡的產業(yè)化生產和大規(guī)模的推廣應用。


本發(fā)明有如下附圖圖1高頻無線智能卡一種結構示意2本發(fā)明軟件流程示意3高頻無線智能卡另一種結構示意圖
具體實施例方式以下結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。本發(fā)明所述的高頻是指很容易穿透移動通信終端的VHF頻段和UHF頻段以及SHF 頻段，同時避開跟移動通信所使用的頻段，以防沖突。所述的高頻無線智能卡包含至少兩部分，一部分是用于和移動通信終端(比如手機)通信的終端通信模塊，該模塊主要用于手機通信的鑒權、參數(shù)存儲等，另一部分是用于高頻刷卡的射頻模塊，用于移動通信終端的刷卡支付、門禁控制等功能。高頻無線智能卡的結構參見圖1、圖3。圖1中，高頻無線智能卡01上設有終端通信模塊02和射頻模塊03，終端通信模塊02與移動通信終端04(所述移動通信終端可以為手機)交換數(shù)據實現(xiàn)手機通信的相關功能，射頻模塊03與讀卡器05交換數(shù)據實現(xiàn)射頻刷卡相關功能。圖3中，高頻無線智能卡01上設有終端通信模塊02和射頻模塊03，終端通信模塊02與移動通信終端04(所述移動通信終端可以為手機)交換數(shù)據實現(xiàn)手機通信的相關功能，射頻模塊03與讀卡器05交換數(shù)據實現(xiàn)射頻刷卡相關功能。終端通信模塊02的主芯片可以選用EM公司的TG360，射頻模塊03可以選用NRF24L01作為主芯片，將TG360芯片的一個IO引腳06連接到NRFML01的CE引腳07，以實現(xiàn)二者間的數(shù)據交互功能。本發(fā)明采用一種多數(shù)時間射頻模塊休眠、短暫喚醒交替使用的模式來減小高頻無線智能卡的平均電流，達到低功耗的目的。通過這個方式，瞬間電流也可控制在GSM11. 11 規(guī)范對手機智能卡的要求范圍內。普通SIM卡休眠狀態(tài)時電流一般在500微安以下，工作時電流一般幾個毫安。待機時間遠高于工作時間，這樣平均電流應該在1毫安以下。現(xiàn)有手機的待機時間是充分考慮了這個因素而設計，其根本原則是要求手機的平均工作電流越低越好。按照現(xiàn)有技術水平，高頻無線智能卡的射頻模塊在作無線傳輸時電流很大。無論射頻部分工作在接收模式，還是發(fā)送模式，電流都至少達到7毫安以上，最高可以達到12毫安以上。連同原有手機SIM卡終端通信模塊部分的功耗，平均電流將超過8毫安。對于一個電池600毫安小時，待機72小時的手機而言，長期工作在無線收發(fā)模式下待機時間將直接減少到原來的一半即36小時，甚至更低。但是為了刷卡應用的便捷性，高頻無線智能卡不適合被人工設置為在射頻休眠模式和射頻工作模式間作手工切換。這種手工模式在實際應用中不可行。雖然高頻無線智能卡的射頻模塊在作無線傳輸時電流很大，但是因為刷卡交易時間短、次數(shù)少，消耗的電能不會給手機待機帶來實質影響。高頻通信的速度特別快，工作在 2. 4G頻段的芯片基本都可達到每秒IMbit以上的速率。這樣刷卡交易工作時間會很短，比如一般的刷卡交易一次數(shù)據交易量不會超過8000bit，加上運算流程開銷，時間是不會超過 IOOms的。假設一個用戶一天刷50次卡，M小時內的全部交易時間5秒鐘。按照平均電流 8毫安來算，刷卡交易所產生的功耗相當于讓一個可待機72小時的手機減少待機15秒鐘， 這點損耗是用戶完全能接受的。因此，我們只需把重點放在降低高頻無線智能卡的射頻模塊的工作模式上，即要盡可能讓射頻模塊處于休眠模式，而不是處于收發(fā)模式。并且能根據一定的條件在射頻休眠模式與射頻收發(fā)模式間迅速切換。射頻休眠期間射頻模塊的電流非常微弱，一般是以微安來計量，如果高頻無線智能卡能做到在等待與讀卡器通信握手時多數(shù)時間射頻休眠、短暫喚醒收發(fā)模式交替使用的方式，將大大減小高頻無線智能卡的平均電流。通常射頻卡的等待刷卡時間一般在IOOms 300ms之間，如果超過300ms，用戶的刷卡體驗會非常不好，屬于不被接受的指標。手機門禁、手機支付等應用需求同樣也有這個限制。所說的刷卡交易流程指的是為了完成一個特定的應用，讀卡器與高頻無線智能卡作一個完整的數(shù)據交換、安全驗證和數(shù)據存儲的過程。本發(fā)明使用軟件設置，將射頻模塊的工作流程從時間上分成x、y、z三部分，其中χ 代表射頻休眠模式時間，y代表短暫喚醒收發(fā)模式時間，ζ代表喚醒握手成功后的完成工作交易時間，χ時間要大于y時間，y時間要盡量小，但要保證能完整接收到一個讀卡器發(fā)過來的數(shù)據包，最低要求的可靠時間就是2個數(shù)據包的傳輸時間。按照高頻通信每秒IMbit的速率和每個數(shù)據包500bit來算，y時間最低可設為1ms。高頻通信速率越高，y時間越低。 如射頻模塊工作流程圖2，首先，將讀卡器這一端設置成全天候收發(fā)模式，多次重復發(fā)送有效的命令和數(shù)據信息，以高頻無線智能卡作為SIM的手機開機，高頻無線智能卡初始化，包括射頻模塊的射頻參數(shù)初始化，射頻模塊初始化完成之后，射頻模塊進入休眠模式，該模式時長為χ，χ時長結束，射頻模塊進入射頻模塊收發(fā)模式，該模式時長為y，由于讀卡器是一直處于收發(fā)模式，此時，高頻無線智能卡射頻收發(fā)模塊檢測是否有讀卡器的命令或數(shù)據，由于高頻通信的速度極快，以2. 4G的射頻通信為例，只要y的時長大于1ms，就可確保高頻無線智能卡在短暫喚醒收發(fā)模式的時間片y上能可靠收到讀卡器的數(shù)據和命令。如果沒有刷卡，沒收到讀卡器發(fā)出的命令或數(shù)據，高頻無線智能卡射頻模塊轉入射頻休眠模式，即再次進入χ時長；如果有刷卡，即在y時長內會收到讀卡器發(fā)出的命令或數(shù)據，此時，高頻無線智能卡的射頻模塊和讀卡器握手成功，進入刷卡交易時長z，根據交易的復雜度，ζ時長長短不一，交易越復雜，ζ時長越長。由于高頻通信速度特別快，交易完成時間(ζ時長)一般也會在IOOms內完成。當交易完成，即ζ時長結束，再次轉入射頻休眠模式，即χ時長。就這樣，高頻無線智能卡將射頻模塊設置成在χ時長和y時長區(qū)域間輪流切換，當高頻無線智能卡有刷卡任務時，在y時長射頻模塊可以探測到是否收到了讀卡器的有效命令或數(shù)據。如果沒有收到重新進入χ時長。如果收到，則進入ζ時長，根據交易的復雜度，ζ時長的長短不一。當交易完成后，又進入χ時長。一旦握手成功后，雙方也可在極短時間內完成全部數(shù)據流程的交易。實際應用中，根據不同應用場景以及χ時間的長短(由交易的復雜度決定)， χ和y的值可做不同調整，但χ必須大于1，y值只要確保足夠收到最少一個有效的命令和數(shù)據就可，如果χ+y的值越小，用戶連續(xù)刷卡的速度越快，如果χ除以y的值越大，平均工作電流越低，降低功耗的效果越好。軟件的具體設計參見圖2以下用實例說明在高頻無線智能卡上通過軟件和硬件配合，實現(xiàn)高頻無線智能卡射頻刷卡的低功耗。如圖3所示，終端通信模塊部分選用瑞士 EM公司的TG360芯片，射頻通信模塊采用NRF24L01芯片作為主要芯片。將TG360芯片的一個IO引腳連接上NRF24L01芯片的CE引腳。安全芯片通過軟件編程，根據不同比例時間連續(xù)交替輸出高電平和低電平， 高電平時間短、低電平時間長，就可將射頻模塊設置成多數(shù)時間射頻休眠、短暫喚醒收發(fā)模式交替使用的方式。實踐中，假如高頻無線智能卡使用由NRFML01芯片所組成的射頻模塊，射頻休眠時電流約320微安，處于收發(fā)模式時平均電流8毫安。在等待與讀卡器通信握手時我們將其設置成每60毫秒內，4毫秒處于收發(fā)模式，即y的值是4，56毫秒處于休眠模式，即χ的時間是56。這樣，整個射頻部分平均待機電流為(8毫安X 4毫秒+320微安X 56毫秒)+60 毫秒=0.832毫安。估算起來，相當于一個待機72小時的手機少待機7小時左右。對手機待機時間沒有太大影響，基本達到低功耗的目標。高頻發(fā)射的速度非?？?，對于2. 4G頻段上通信的芯片，一般都可達到每秒1Mb以上的吞吐率。由于讀卡器采用了連續(xù)發(fā)射模式，因此，在這4毫秒的收發(fā)模式時間片上(y)，以2. 4G的高頻速率為例，可以發(fā)送至少8個數(shù)據包，因此高頻無線智能卡的射頻模塊部分足夠收到最少一個有效的命令和數(shù)據，一旦收到一個有效的命令和數(shù)據，高頻無線智能卡和讀卡器就握手成功，后再進入通常的射頻工作模式(ζ)，因為高頻數(shù)據的速度非?？?，工作模式時間(ζ)也只持續(xù)非常短的時間，一般在 IOOms以內。加上之前最多60毫秒的等待時間，那么對于用戶體驗來說，完成一次刷卡總共的時間為x+y+z，即160ms以內，用戶感覺會非常好，充分利用了高頻通信的高速特性，實現(xiàn)了高速刷卡。為了節(jié)省射頻工作的功耗所采用的方法，只是增加了 60ms的刷卡等待開銷。 而這個開銷并不會影響用戶刷卡的感覺。實際應用中，根據不同應用場景以及χ時間的長短(由交易的復雜度決定)，χ和 y的值可做不同調整，但χ必須大于y，y值只要確保足夠收到最少一個有效的命令和數(shù)據就可，如果χ+y的值越小，用戶連續(xù)刷卡的速度越快，如果χ除以ι的值越大，平均工作電流越低，降低功耗的效果越好。 按照這個方式，高頻無線智能卡在刷卡工作中，雖然瞬間有極高的工作電流，但是其占用的時間非常短暫，已經滿足GSM11. 11規(guī)范的要求，普通手機都能適用。
權利要求
1. 一種降低高頻無線智能卡功耗的方法，其特征在于包括以下步驟1)高頻無線智能卡的終端通信模塊通過IO口連接上射頻模塊，并能通過這些IO 口操縱射頻模塊在休眠模式與收發(fā)模式間切換，2)射頻模塊參數(shù)初始化，3)射頻模塊進入休眠模式，休眠模式持續(xù)的時間為X，4)然后射頻模塊進入收發(fā)模式，收發(fā)模式持續(xù)的時間為y，設定χ> y，5)射頻模塊在上述休眠模式和收發(fā)模式間反復循環(huán)，6)在上述休眠模式和收發(fā)模式間循環(huán)的同時，檢測射頻模塊是否收到讀卡器的命令或數(shù)據如果沒有收到讀卡器的命令或數(shù)據，返回步驟5 ；如果收到讀卡器的命令和/或數(shù)據，則高頻無線智能卡開始執(zhí)行刷卡交易流程，進入交易執(zhí)行時間Z，所說的刷卡交易流程指的是讀卡器與高頻無線智能卡作一個完整的數(shù)據交換、安全驗證和數(shù)據存儲的過程，7)如果x+y的值越小，用戶連續(xù)刷卡的速度越快，如果χ除以y的值越大，平均工作電流越低，降低功耗的效果越好。
全文摘要
一種降低高頻無線智能卡功耗的方法，包括以下步驟高頻無線智能卡的終端通信模塊通過IO口連接上射頻模塊，并能通過這些IO口操縱射頻模塊在休眠模式與收發(fā)模式間切換；射頻模塊參數(shù)初始化；射頻模塊進入休眠模式，持續(xù)的時間為x；射頻模塊進入收發(fā)模式，持續(xù)的時間為y；在上述休眠模式和收發(fā)模式間循環(huán)的同時，檢測射頻模塊是否收到讀卡器的命令或數(shù)據如果收到讀卡器的命令和/或數(shù)據，則高頻無線智能卡開始執(zhí)行刷卡交易流程，執(zhí)行時間z。本發(fā)明不僅具有低功耗的特點，刷卡速度快，而且方法簡單，容易實施，成本低，有利于實現(xiàn)高頻無線智能卡的產業(yè)化生產和大規(guī)模的推廣應用。
文檔編號H04W52/02GK102256341SQ20111009283
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月14日 優(yōu)先權日2010年5月19日
發(fā)明者唐德富, 姜鳳明, 王李琰, 王海泉, 顧萬水 申請人:王李琰, 王海泉