基于智能卡和UWB技术的遥控家电网

    引 言

    现代科学技术的迅猛发展，特别是网络化、信息化，使互联网朝着宽带化、高速化的方向迈进，全球信息化的步伐越来越快，人类进入了网络化的生活时代。信息科技、计算机、控制技术以及自动化技术的发展使人们的工作、生活实现全自动成为可能，并为它们的实现创造了必不可少的条件。随着计算机和因特网在家庭中的迅速普及、智能设备的长足进步和无线电技术的蓬勃发展，人们对家用电器设备进行远程控制的梦想逐渐成为现实。本文仔细研究了智能卡的安全性能和U,WB的传输特性，在此基础上给出了一种可行的远程管理控制家用电器的网络结构。特别提出将智能卡系统嵌入到家庭网关以进一步增强智能家庭网络的安全性能。

    1 智能卡

   智能卡是将具有存储、加密及数据处理能力的集成电路芯片镶嵌于塑料基片上制成的卡片。其硬件主要由微处理器和存储器两部分构成，加上固化于卡中的智能 卡操作系统(COS )及应用软件，一张智能卡即构成了一台抗损、便携的微型计算机。智能卡的硬件构成包括：CPU、存储器(含RAM、ROM 和EEPROM 等)、卡与读写终端通讯的I／O接口以及测试与安全逻辑，如图1所示。

 

图1 智能卡的硬件结构 

    作为芯片核心的微处理器多采用8位字长的CPU (更高位的CPU也正在开始应用)，负责完成所有运算和数据交换功能。卡内的存储器容量一般都不是很大，其中，ROM 中固化的是操作系统代码及自测程序，其容量取决于所采用的微处理器，典型值为32 KB；RAM用于存放临时数据或中间数据，例如短期密码、临时变量和堆栈数据等，容量通常不超过1 KB：EEPROM中则存储了智能卡的各种应用信息，如加密数据和应用文件等，有时还包括部分COS代码，容量通常介于2KB到32KB之间，这部分存储资源可供用户开发利用。智能卡操作系统COS的主要功能是控制智能卡和外界的信息交换，管理智能卡内的存储器并在卡内部完成各种命令的处理。卡与终端之间通过命令—— 响应对的形式交换信息。CPU与COS的存在使智能卡能够方便地采用PIN校验、加密技术及认证技术等来强化智能卡的安全性脚。智能卡硬件的不可复制性可以保证用户身份不会被仿冒。智能卡由合法用户随身携带，登录时必须将智能卡插入专用的读卡器读取其中的信息，以验证用户的身份，用户不能仅凭PIN 或仅凭智能卡获取访问权，在尝试输入PIN 失败若干次之后(3次)智能卡锁定。智能卡的基本特性是为数据和程序提供一个安全的环境。正是这种特性使得智能卡系统能够被嵌入到智能家庭网关，以利用其特有的安全技术来增强家庭网络的安全能力。

    2 超宽带(UWB)技术

    超宽带(ultra—wide bandwidth，UWB)脉冲无线电技术是近年来在国际上新兴的一种无线通信技术。2002年美国联邦通信委员会(FCC)颁布了最新的UWB频谱规划 ，并规定只要一个信号在一10 dB处的绝对带宽大于0．5 GHz或部分带宽大于20％，并且满足FCC功率谱密度限制要求的信号，则这个信号就是超宽带信号。FCC还规定了UWB系统在非授权的频段3．1～10．6 GHz之间的7．5 GHz的带宽频率为UWB所使用的频率范围 。UWB既不同于传统的窄带无线传输技术，也不同于3 G 蜂窝通信中的扩频宽带技术，UWB技术具有以下特点：① 频谱宽、功耗低。超宽带不需要产生正弦载波信号，可以直接发射跳时伪随机码(PN码)和信息比特控制的冲激脉冲序列，因而具有很宽的频谱和很低的平均功率，有利于与其它系统共存，提高频谱利用率；② 保密性好。由于超宽带信号采用了跳时扩频，其射频带宽可达1 GHz以上，且发射功率频谱密度极低，信号隐蔽在环境噪声和其它信息号中，用传统的收发机无法分辨和接收；③设备结构简单。UWB发射器直接用脉冲小型激励天线，不需要功率放大器与混频器；同时UWB接收机不需要中频处理，因此，UWB系统结构的实现比较简单；④传输速率高。UWB极大的带宽带来极大的系统容量，是当今无线网最高速的接入方法，特别适合短距离(<10 m)通信技术：⑤多径分辨能力强。超宽带信号波形的无载波状态致使在脉冲重叠时也只有很少的衰落。⑥ 辐射低。UWB辐射极低，只有一41 dBrn／MHz。这些特点使得UWB尤其适用于家庭无线局域网。与传统的工作在相对较窄频谱内的其它几种短距离无线局域网通信技术(如蓝牙技术、HomeRF等)相比(如表1所示 )，UWB技术的优势较为明显：10m以内，UWB可以发挥出高达数百Mb／s的传输性能；IEEE802．11a或HomeRF在传输距离上的性能将强于UWB，但HomeRF速率太低，IEEE802．11a用在家庭网络中则有点大材小用；因此把UWB看作蓝牙技术的替代者可能更为适合，因后者传输速率远不及前者，另外蓝牙技术的协议也较为复杂。因此，将UWB用于智能家居系统中是非常完美的。 

UWB与几种近距离无线通信技术的比较