基于智能卡和UWB技术的遥控家电网

图2 遥控家电网络组成

    3．2 远程控制的实现 

    现代计算机网络和电话网以及电力系统的发展，为远程控制信息家用电器提供了多种方法和途径。用户通过Intemet或公共电话网登陆家庭网关，经由嵌入在其中的智能卡认证系统进行身份识别，然后通过主控设备对家用信息电器进行控制。家庭网关与外部网络实现连接转换功能；同时用来连接PC机、打印机、家电控制子网和其它高速率设备。家庭网关是一个嵌入式设备，具有服务器功能，它向家庭内部提供以太网连网方式。任何家电和设备都能直接或通过子网关进行连接，实现智能控制和信息交流；向家庭外部提供Ethernet，Cable Modem，ADSL等接口，使家庭网络高速接入Internet。家庭网关支持多协议的互联网功能和良好的Web性能，可以从不同的外部网络接收信号，传递给家庭内部的各种设备；支持家庭网络内部各种设备之间的数据通信、多媒体交互式操作和即插即用功能，具有丰富的用户界面和图形控制功能，可以让用户方便直观地操作和控制各项应用。

    智能卡系统包括智能卡和嵌入在家庭网关内的智能卡认证体系，是用来进行身份识别的一套安全系统，当用户进行远程控制访问时，首先要求读入用户身份信息：读卡器读取智能卡信息、用户输入密码并予以确认，智能卡信息和用户密码信息经智能卡认证体系进行比较确认后，远端用户才可以通过家庭网关对家用电器设备进行控制操作。一旦出现连续N次(可通过系统设定，一般为3次)信息输入错误，则该端用户在一定时间内(一天)不能访问此家庭网关。要实现基于智能卡系统的身份识别认证，在智能卡内要为此建立应用文件系统。此应用文件系统主要包括以下文件：MF下的DIR目录文件、MF下的ADF(存放应用系统)、ADF下的KEY文件、ADF下的私钥文件和公钥文件、ADF下的身份特征二进制文件、ADF下的变长记录文件(记录用户、Windows、卡片等记录信息)。建立身份认证应用目录ADF下的所有文件随ADF的建立一次性完成，尤其是KEY文件必须和ADF同时建立；一旦离开当前ADF再进入ADF时，将遵循文件的访问权限，需要通过认证当前ADF中的主控密钥以达到建立文件的权限。智能卡文件系统如图3 所示。
 

    以建立私钥文件为例，通常建立某一文件需要按照以下流程，如图4所示。

图4 建立某一文件的流程(以建立私钥文件为例)

    嵌入在家庭网关的智能卡认证体系储存着与智能卡(用户携带)相匹配的信息，用户从远端登陆家庭网关时，只有匹配的智能卡通过认证并输入用户确认密码后， 用户才有权对家有电器进行操控。智能卡系统的信息是可以变更的，而且只能是合法用户才可更改其中身份信息。身份信息也是多样的，可以是指纹信息、视网膜信息、语音信息 等等，用户可以经常变更身份信息或使用多重身份信息以提高家庭网络的安全性能。主控设备(子网关)是家电控制子网连接到家庭网关的物理接口。子网关实现家电控制子网中的信息传输设备的互联，同时为各种接入设备提供与家庭网关的接口，使各子网设备可以获得各种服务 。家庭主网网关和子网关在物理上可以是同一实体。主控设备(子网关)主要具有以下功能：①给出友好的人机界面。用户可以进入任一个电器的控制选项界面，控制各个家庭控制子网设备，操作简单；②管理各种家庭控制子网设备的添加和删除。当新的设备加入到家庭控制子网网络系统时，子网关可以通过添加设备文件来添加新的设备，同时具有删除设备的功能；③与各个通信模块进行数据交换。通信模块(UWB模块)是家电控制子网设备的通信核心，是子网设备的通信接口单元，支持家电控制子网内部各个设备与子网关之间的数据通信，即插即用，用户可以直观地操作和控制各个家电控制子网设备。

    UWB技术的工作是通过在时间上顺序发送一系列非常窄、功率非常低的冲击脉冲来实现的。使用这样的宽频谱、低功耗、脉冲型的信号意味着比传统窄带技术产生更低的信号干扰，在家庭网络中使用可以提供与有线技术相比拟的通信质量。UWB主要不足是发射功率过小限制了其传输距离，但对于家庭网络来说这个传输距离(10 m)足够了。UWB有两大技术标准：多频带频分复用(MB—OFDM)和直序列码分多址(DS—CDMA)。DS—CDMA在每个超过1 GHz的频带内用极短时间脉冲传输数据，采用24个码片的DS—ss(直接序列扩频)实现编码增益，纠错方式采用R-S码和卷积码。MB—OFDM 的核心是把频段分成多个528MHz的子频带，每个子频带采用TFI—OFDM(时一频交织正交频率复用)方式，数据在每个子带上传输。MB．OFDM将在性能方面具有优势(初期速度高达480Mbit／s)，而且由于OFDM技术使微弱信号具有近乎完美的能量捕获，所以它的通讯距离也会较远。

    目前，MB—OFDM 设计的芯片能以高达480Mbit／s的速度发送数据，相比较于DS—CDMA芯片在成本、体积和功耗上占有较大优势。MB—OFDM 技术是多频带方式，技术上易于实现、功耗很低，频带的利用率高，多个频率子带并列，可以避开某些频带，灵活配置，速率的扩展性好。 3I3 系统的安全性分析UWB信号的功率谱密度非常低，信号难以被检测到，再加上采用的跳频、直接序列扩频或频分复用等扩频多址技术，使非授权者很难截获传输的信息，因而安全性非常好。智能卡系统具有的3因素身份认证：智能卡、身份信息和密码确认，能有效抵抗各种攻击和欺骗；同时身份信息的多样性，可有效解决“用户名+密码”容易被遗忘、被窃取、被冒充的弊端，大大加强了身份认证的安全性，从而切实有效的弥补了身份认证的安全漏洞，增强了系统安全。 

    4 结束语

    家庭网络技术正朝着系统融合、可定址TCP／IP的单晶片设计、控制网络与Intemet的互连及高速通信晶片设计的方向发展。而智能卡和UWB技术的发展正好迎合了这种趋势，把智能卡系统嵌入到家庭网关构成一个智能网关，可以有效提高系统的安全级别；UWB相比较于其它短距离无线通信技术的优越性将使其成为高速、短距离无线家庭网络用的非常理想的技术标准。UWB的短距离、高传输速率的特点使其必将在无线局域(WLAN)和无线个人局局域网(WPAN)有着广阔的应用前景。