控制射频通信距离的方法及系统的制作方法

专利名称：控制射频通信距离的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉 及通信领域，尤其涉及控制射频通信距离的方法及系统。
背景技术：
射频通信终端尤其是手机已经普及，通过改造使射频通信终端具备近距离通信 功能，以利用手机等射频通信终端实现电子支付等功能的需求越来越强烈，目前已经出 现了在手机中的用户识别模块SIM (Subscriberldentity Module)卡上增加射频功能(称为射 频SIM)或者在手机主板上增加近距离通信模块来实现手机近距离通信的方法，这种方法 的出现使得手机成为一个可以充值、消费、交易及身份认证的超级智能终端，极大地满 足市场的迫切需求。其中，基于射频SIM的手机近距离解决方案以其简单、无需更改手机等优势得 到广泛的关注，在该方案中，射频SIM采用UHF(UltraHigh Frequency，超高频)技术使 得射频信号可以从手机中透射出来，从而实现不改手机就可使得手机具备近距离通信功 能。但是，不同手机由于内部结构不同造成射频信号透射效果存在很大的差异，透射强 的手机其通信距离可能达到几米远的距离，透射弱的手机也可以达到几十厘米。在移动 支付应用中，如公交地铁刷卡，通常都会对于交易距离有严格的要求，以防止用户在不 知情的情况下误刷，造成损失。因此，基于射频SIM的手机在增加近距离通信功能的同 时，还必须能够有效控制其交易的有效距离范围。现有射频通信技术中，能够实现交易距离控制的有基于IS014443标准的非接触 卡技术，该技术通过从读卡器上感应出能量来供非接触卡内部电路工作，实现与读卡器 之间的通信；该技术实现距离控制的基本原理在于射频能量只能在近距离传输，而这种 技术难以应用在SIM卡上SIM卡面积很小，且嵌入在手机内部，读卡器辐射的射频能 量无法穿越手机与射频SIM实现通信。现有技术中另一种控制移动终端射频通信距离的方法首先通过试验方法在射频 控制终端上为每一类型的射频移动终端建立对应近场图谱；利用探测器阵列将检测到的 当前射频移动终端的场强与其近场图谱之间通过匹配算法得到的用于比较的匹配度；将 得到的匹配度与射频控制终端中预先设置好的对应该类型射频移动终端的门限值比较， 从而判断当前射频移动终端与射频控制终端的距离是否在规定的范围内。该方法较为复 杂；用探测器阵列来检测射频移动终端近场图谱时各个探测器之间难以做到相互之间较 好的隔离，从而难以做到图谱的辨识。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种控制射频通信距离的方法，减小射频通 信终端个体对距离控制的因素影响，提高稳定性和距离控制精确。为解决上述技术问题，本发明提出了一种控制射频通信距离的方法，应用于包 括具有天线阵列的射频通信设备的射频通信系统，所述天线阵列中包含通信天线和回波检测天线，所述通信天线按设定功率发射射频信号，所述回波检测天线接收回波射频信 号，所述射频通信设备检测回波场强变化值，同时射频通信终端中的射频通信模块接收 射频信号并检测射频信号场强值，所述方法包括以下步骤(a)预先在射频通信设备中保存通信距离与射频特征参数之间的对应关系，并设 定回波场强变化触发门限值，所述射频特征参数包括所述回波场强变化值和射频信号场 强值；(b)在所述射频通信设备与射频通信终端的通信过程中，所述射频通信设备不断 检测当前的回波场强变化值，并判断该回波场强变化值的绝对值是否达到所述回波场强 变化触发门限值，若是则执行步骤(c)，否则重复步骤(b)；(C)所述射频通信设备获取当前的射频特征参数，根据所述对应关系确定当前的 通信距离，然后判断当前的通信距离是否在预设的刷卡范围内，即是否小于预设的目标 控制距离，若是则允许刷卡交易，否则不允许刷卡交易。进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述步骤(a)中，所述对应关系通过 校 准过程得到，所述校准过程为校准器检测多个预定距离下射频通信终端接收到的射频 信号场强值PW以及回波场强变化值APWp按周期震荡衰减规律拟合DW-Δ PW曲线以 及DW-PW曲线，即通信距离与回波场强变化值的关系曲线和通信距离与射频信号场强 值的关系曲线，该关系曲线即为所述对应关系。进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述步骤(C)中，根据所述对应关系确 定当前的通信距离具体为射频通信设备根据回波场强变化值APW在DW-APW曲线 上找到下一个对应的DWj值，再通过DWj值在DW-PW曲线上找到对应的射频信号场强 值PWj，若射频通信模块当前实际检测到的场强值PWc在PWj士ΡΔ范围内，则通信距 离为DWj，ΡΔ为预设的射频通信模块的最大接收场强误差值。进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述步骤(C)包括如下子步骤(Cl)计算当前回波场强变化值的绝对值，用当前射频特征参数中的射频信号场 强值减去当前回波场强变化值的绝对值，得到抵消干扰后的射频信号场强PWca ；(c2)根据设定的目标控制距离在DW-PW曲线上计算抵消干扰后判断门限 PWag,具体为在DW-PW曲线的距离轴上过目标控制距离作距离轴的垂线，该垂线与 DW-PW曲线的交点所对应的场强即为PWag ；(C3)当PWca小于所述抵消干扰后的判断门限PWag时，进一步判断当前回波场 强变化值APW是否小于0，若是则当前通信距离小于目标控制距离，允许刷卡交易，否 则执行步骤(cl4)(C4)进行近场区域判断，即判断当前的射频信号场强是否达到预设的近场场 强门限值，若是则当前通信距离小于目标控制距离，允许刷卡交易，否则不允许刷卡交
易ο进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述步骤(C)中，根据所述对应关 系确定当前的通信距离具体为对回波场强变化值ΔΡ取绝对值，并计算ΔΔΡ = Abs(AP)-A P, Abs表示取绝对值，根据Δ Δ P与通信距离之间的关系绘制D- Δ Δ P曲 线，并设定门限值Δ Δ Pg,若当前的Δ ΔΡ大于门限值Δ APg则当前的通信距离在曲线 D-Δ ΔΡ波谷对应的距离范围附近。
进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述射频通信设备为POS机，所述射 频通信终端为具有射频通信模块的手机；所述射频通信模块为射频SIM卡或具有射频通 信功能的存储卡。为解决上述技术问题，本发明还提出了一种控制射频通信距离的系统，包括射 频通信设备和射频通信终端，所述射频通信设备中具有天线阵列，所述天线阵列中包含 通信天线和回波检测天线，所述通信天线用于按设定功率发射射频信号，所述回波检测 天线用于接收射频信号并检测回波场强变化值，同时所述射频通信终端用于接收射频信 号并检测射频信号场强值，其中所述射频通信设备，用于保存通信距离与射频特征参数之间的对应关系和回波 场强变化触发门限值，所述射频特征参数包括所述回波场强变化值和射频信号场强值， 还用于在通信过程中不断检测当前的回波场强变化值，在当前的回波场强变化值达到所 述回波场强变化触发门限值时，获取当前的射频特征参数，根据所述对应关系确定当前 的通信距离，然后判断当前的通信距离是否在预设的刷卡范围内，即是否小于预设的目 标控制距离，若是则允许刷卡交易，否则不允许刷卡交易。进一步地，上述系统还可具有以下特点，所述射频通信设备为POS机，所述 POS机中包含POS主机和读卡器，所述读卡器中包含读卡器主机和所述天线阵列，所 述POS主机用于处理刷卡交易过程中的业务数据；所述读卡器主机用于保存通信距离与 射频特征参数之间的对应关系和回波场强变化触发门限值，还用于在通信过程中不断检 测当前的回波场强变化值，在当前的回波场强变化值达到所述回波场强变化触发 门限值 时，获取当前的射频特征参数，根据所述对应关系确定当前的通信距离，然后判断当前 的通信距离是否在预设的刷卡范围内，即是否小于预设的目标控制距离，若是则允许刷 卡交易，否则不允许刷卡交易。进一步地，上述系统还可具有以下特点，所述射频通信终端中包含射频通信模 块，所述射频通信模块包括中央处理器CPU、与该中央处理器CPU连接的存储器、射频 收发电路和接口电路，以及与射频收发电路连接的射频收发天线，所述射频收发天线和 射频收发电路用于接收射频信号，所述中央处理器CPU用于检测射频信号场强，所述存 储器用于保存所述射频信号场强，所述接口电路用于与所述射频通信终端的其他部分进 行通信。进一步地，上述系统还可具有以下特点，所述射频通信终端为手机、PDA和上 网本中的一种。进一步地，上述系统还可具有以下特点，所述射频通信模块为射频SIM卡或者 具有射频通信功能的存储卡。进一步地，上述系统还可具有以下特点，还包括校准器，所述校准器用于检测 多个预定距离下射频通信终端接收到的射频信号场强值PW以及回波场强变化值APWp 按周期震荡衰减规律拟合DW-ΔPW曲线以及DW-PW曲线，即通信距离与回波场强变 化值的关系曲线和通信距离与射频信号场强值的关系曲线，该关系曲线即为所述对应关系。进一步地，上述系统还可具有以下特点，所述天线阵列采用多个通信天线和一 个回波探测天线分布在一个矩形范围内，形成一个发射和接收测量面。
本发明有效减小了射频通信终端个体对距离控制的因素影响，稳定性好，距离 控制精确。


图1为本发明控制射频通信距离的系统一个实施例的结构图；图2为图1中读卡器500的一种结构图；图3为图1中天线阵列501发射的射频信号的传播路径示意图；图4为本发明控制射频通信距离的方法实施例中校准过程的流程图；图5为根据图4所示校准流程绘制的关系曲线示意图；图6为本发明控制射频通信距离的方法实施例中确定当前通信距离的流程图；图7为天线阵列501的一种结构图；图8是一款手机在距离图7所示天线阵列501不同高度情况下检测到的回波场强 变化值的实际测试数据示例；图9是一款手机在距离图7所示天线阵列501不同高度情况下射频SIM卡200检 测到的接收射频信号场强绝对值的实际测试数据示例；图10是基于图8和图9所示数据绘制的手机与天线阵列之间的通信距离与回波 场强变化值和、回波场强变化绝对值和以及SIM卡接收射频信号场强值之间的对应关系 曲线图；图11是手机与天线阵列之间的通信距离与回波场强变化值和、回波场强变化绝 对值和以及SIM卡接收射频信号场强值，以及抵消干扰后射频SIM卡接收射频信号场强 值之间的对应关系曲线图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明， 并非用于限定本发明的范围。本发明利用射频信号反射叠加的原理来解决射频通信过程中的距离控制问题。 射频信号反射叠加的原理如下射频信号源电磁场中不存在干扰物的时候，射频电磁场 场强随着距离增大呈稳定衰减趋势；而当其中存在干扰物时，干扰物会对射频信号进行 反射，射频电磁场场强由于受到信号反射等因素影响呈现随距离增大波动衰减的特征， 此波动周期和射频信号的波长呈现固定关系，表现为射频信号源与干扰物在射频信号0 度或180度对应的距离如半波长及其倍数距离范围附近场强稳定增强，在射频信号90度 或270度对应的距离范围如四分之一波长范围附近时场强稳定降低。根据这个原理，本发明设计一个可以探测信号衰减变化的系统，当手机等射频 通信终端与该系统进行通信时，手机等射频通信终端成为一个电磁场干扰物，通过判断 当前射频信号的场强较无干扰的情况下是增强还是减弱可以初步确定手机距离射频通信 设备(即射频信号源)的可能距离区间，再辅助以场强衰减或者场强变化量衰减判断具体 的距离区间，从而判断和控制手机等射频通信终端与射频通信设备之间的通信距离。本发明提出了一种控制射频通信距离的系统，该系统包括射频通信设备和射频 通信终端，与现有技术中的射频通信系统不同的是，本发明控制射频通信距离的系统中的射频通信设备中具有天线阵列，该天线阵列中包含通信天线和回波检测天线，其中通 信天线用于按设定功率发射射频信号，回波检测天线用于接收该射频信号并检测回波场 强变化值，同时本发明控制射频通信距离的系统中的射频通信终端用于接收上述通信天 线发射的射频信号并检测接收到的射频信号场强值。本发明控制射频通信距离的系统中 的射频通信设备，还用于保存通信距离与射频特征参数之间的对应关系和回波场强变化 触发门限值，其中，射频特征参数包括上述的回波场强变化值和射频信号场强值，还用 于在通信过程中不断检测当前的回波场强变化值，在当前的回波场强变化值达到本身保 存的回波场强变化触发门限值时，获取当前的射频特征参数，根据本身保存的上述对应 关系确定当前的通信距离，然后判断当前的通信距离是否在预设的刷卡范围内，即是否 小于预设的目标控制距离，若是则允许刷卡交易，否则不允许刷卡交易。本发明控制射频通信距离的系统中，射频通信设备中保存的通信距离与射频特 征参数之间的对应关系可以由校准器通过校准得到，因此，本发明控制射频通信距离的 系统还可以包括校准器，该校准器用于检测多个预定距离下射频通信终端接收到的射频 信号场强值PWj以及回波场强变化值APW”按周期震荡衰减规律拟合DW-Δ PW曲线以 及DW-PW曲线，即通信距离与回波场强变化值的关系曲线和通信距离与射频信号场强 值的关系曲线，该两条关系曲线即为上述的通信距离与射频特征参数之间的对应关系。其中，本发明控制射频通信距离的系统中的射频通信设备可以为POS(P0int0f Sale,销售点终端)机，该POS机中包含POS主机和读卡器，该读卡器中包含读卡器主机 和上述的天线阵列，其中，POS主机用于处理刷卡交易过程中的业务数据；读卡器主机 用于保存通信距离与射频特征参数之间的对应关系和回波场强变化触发门限值，还用于 在通信过程中不断检测当前的回波场强变化值，在当前的回波场强变化值达到所述回波 场强变化触发门限值时，获取当前的射频特征参数，根据上述对应关系确定当前的通信 距离，然后判断当前的通信距离是否在预设的刷卡范围内，即是否小于预设的目标控制 距离，若是则允许刷卡交易，否则不允许刷卡交易。读卡器主机可以包括主处理器CPU 以及射频收发电路，读卡器主处理器CPU通过控制射频收发电路实现检测天线阵列所接 收的射频信号场强值的功能。POS机的读卡器上按特定规律分布有两个或两个以上天线形成天线阵列，分 为通信天线与回波探测天线，其中通信天线可按要求的功率发射射频信号，还可接收手 机等射频通信终端发出的射频信号，此外，还可在接收射频信号的同时检测该信号的场 强；回波探测天线用来接收和检测读卡器上各个通信天线发射的信号场强，称为回波场 强；读卡器主机可对回波天线接收到的回波场强按照规定的要求进行存储和运算处理， 该运算可以包括比较、求和、绝对值求和、求方差等；读卡器可不断地用部分或全部通 信天线发射信号，同时用回波检测天线接收回波射频信号并测量其当前时刻的回波场强 值。 校准器也可以包含有读卡器，具备与POS机中读卡器一致的天线阵列以及其对 应的射频信号收发及同时检测射频信号场强功能，同时还协同手机等射频通信终端分别 记录不同距离情况下校准器天线阵列测量到的回波场强的以及手机射频SIM卡测量到的 射频信号场强情况。校准器可以包括校准器主机和与读卡器一致的天线阵列，天线阵列 负责发射和接收射频信号，校准器主机处理射频信号(包括检测射频信号场强值)；校准器具备调整其中读卡器高度的功能，使得其读卡器和手机等射频通信终端的通信距离可 变，能够在几个不同设定距离上与手机等射频通信终端进行射频通信，并把不同通信距 离情况下检测到的射频信号场强情况以及手机或射频SIM卡检测到的射频信号场强情况 全部记录在手机或射频SIM卡内。其中，本发明控制射频通信距离的系统中的射频通信终端中可以包含射频通信 模块，该射频通信模块包括中央处理器CPU、与该中央处理器CPU连接的存储器、射频 收发电路和接口电路，以及与射频收发电路连接的射频收发天线，其中，射频收发天线 和射频收发电路用于接收射频信号，中央处理器CPU用于检测接收的射频信号场强，存 储器用于保存该射频信号场强，接口电路用于与该射频通信终端的其他部分进行通信。 射频通信模块可以是射频SIM卡或者具有射频通信功能的存储卡，也可以是其他具有射 频通信功能的模块。比如，手机内的射频SIM卡除了具备普通电信卡功能以及射频信号 收发功能之外，还可以在接收射频信号的同时检测收到的射频信号场强，并可对该场强 值进行存储和运算处理，该运算可以包括比较、加减处理等。本发明控制射频通信距离的系统有效减小了射频通信终端个体对距离控制的因 素影响，稳定性好，距离控制精确。其中，上述的射频通信终端可以为手机、PDA(PersonalDigitalAssistant，个人数
字助理)和上网本中的一种。

基于上述的控制射频通信距离的系统，本发明同时提出了一种控制射频通信距 离的方法。本发明控制射频通信距离的方法应用于包括具有天线阵列的射频通信设备的射 频通信系统，其中天线阵列中包含通信天线和回波检测天线，通信天线按设定功率发射 射频信号，回波检测天线接收回波射频信号，射频通信设备检测回波场强变化值，同时 射频通信终端中的射频通信模块接收射频信号并检测射频信号场强值，该控制射频通信 距离的方法包括以下步骤步骤一，预先在射频通信设备中保存通信距离与射频特征参数之间的对应关 系，并设定回波场强变化触发门限值，其中，射频特征参数包括回波场强变化值和射频 信号场强值；本步骤中，通信距离与射频特征参数之间的对应关系可以通过校准过程得到， 校准过程为校准器检测多个预定距离下射频通信终端接收到的射频信号场强值PW以 及回波场强变化值ΔΡ%，按周期震荡衰减规律拟合DW-APW曲线以及DW-PW曲线， 即通信距离与回波场强变化值的关系曲线和通信距离与射频信号场强值的关系曲线，该 两条关系曲线即为通信距离与射频特征参数之间的对应关系。其中，射频通信设备可以为POS机，射频通信终端可以为具有射频通信模块的 手机，射频通信模块可以为射频SIM卡或具有射频通信功能的存储卡。比如，手机与POS机进行正常通信之前，先需要在校准器上测量并记录不同距 离条件下读卡器天线阵列中回波探测天线接收到的回波场强以及手机射频SIM卡接收到 的射频信号场强等射频特征参数；校准器确定射频特征参数与距离之间的固定对应关系 (例如回波场强变化值与距离的关系曲线，以及射频通信终端接收到的射频信号场强值与 距离的关系曲线)并把该射频特征参数以及所述固定对应关系记录在手机或射频SIM卡内。预先可以通过经验或测量设定POS机内读卡器的回波场强变化触发门限值，并记录在POS机等射频通信设备的读卡器内。通过判断当前的回波场强变化值是否达到预 设场强变化触发门限值可以判断其相互距离是否达到最远探测距离，如果达到则说明其 通信距离达到最远探测距离，POS机等射频通信设备就会启动通信距离判断过程，否则 保持不断探测。为保持POS机等射频通信设备的读卡器与校准器的读卡器的一致性，可以在每 一个读卡器初始化时增加一个初始化设定过程，校准过程中触发门限APg以及初始回波 场强Ptl,还有校准过程中的校准器预设距离均可以在该过程中实现。该过程可以包括1)确定初始回波场强Ptl:对每一个读卡器，在其空间电磁场没有任何干扰物的 情况下，天线阵列中的通信天线按设定要求发射射频信号，回波检测天线检测到的回波 场强设定为初始回波场强Po，并记录在POS机等射频通信设备中；2)确定触发门限APg:根据预先设定的最远探测距离，在距离POS机等射频通 信设备该距离位置上用指定的手机作为干扰物，测量其当前时刻回波场强变化值APg， 并记录在POS机等射频通信设备中。3)确定校准器预设距离可以采取以下两个步骤实现A)选取若干个读卡器，用指定手机作为干扰物，分别测量其与所述读卡器不同 距离Di条件下的回波场强Pi，分别计算APi = Pi-PO, (i= 1, 2，3-n)；分别形成 D-ΔΡ曲线，ΔP随距离D变化呈周期性震荡衰减趋势，该周期为射频信号的波长。不 同距离Di的间隔和数量η可以根据经验来选取，如可选取Icm作为间隔，数量η可以选 20 ；B)分别找出D-ΔΡ曲线中波峰对应的距离+Dj以及波谷对应的距离_Dj，(j = 1，2，3…m)，计算其平均值，作为为校准器设定距离的依据。在实际系统中，校准器 可以选取部分距离来采集手机接收射频信号及读卡器的回波检测参数。其中，m值可以 根据经验或实际测量确定，一般为3或者4。射频SIM卡接收场强误差范围ΡΔ可以通过以下步骤获得1)预先设定刷卡距离控制目标精度范围，依据该精度范围根据射频信号衰减规 律计算获得ΡΔ(1。2)在实际校准过程中通过实际测量目标手机在不同距离情况下的实际衰减做修 正，得到最终的ΡΔ。步骤二，在射频通信设备与射频通信终端的通信过程中，射频通信设备不断检 测当前的回波场强变化值，并判断该回波场强变化值的绝对值是否达到本身保存的回波 场强变化触发门限值，若是则执行步骤三，否则重复步骤二；通信过程中，读卡器天线阵列各个通信天线按照预定的要求发射射频信号，接 收来自手机射频SIM卡的通信射频信号，回波探测天线同时检测回波场强变化值；手机 射频SIM卡也同时按照预定要求接收和测量来自读卡器的射频信号。由于射频通信系统具备接收和发射的一致性，因此控制射频通信距离的系统的 射频SIM卡检测射频信号场强过程也可以通过反方向检测过程来代替，即由射频SIM卡 按照设定功率发射射频信号，天线阵列中的通信天线接收并检测射频信号场强来实现，这种情况下射频SIM卡可以不具备射频信号场强检测功能比如，天线阵列与手机进行 通信时，手机的射频SIM卡按照要求的功率发射射频信号，天线阵列中的通信天线轮流 或分组轮流接收射频信号并检测其场强值，形成通信天线接收场强；通信天线接收场强 和回波场强变化值构成射频特征参数，此射频特征参数也和手机及天线阵列的通信距离 呈现固定对应关系，利用当前实际测量的射频特征参数通过查找该对应关系可以实现通 信距离的判断和控制。步骤三，射频通信设备获取当前的射频特征参数，根据本身保存的通信距离与 射频特征参数之间的对应关系确定当前的通信距离，然后判断当前的通信距离是否在预 设的刷卡范围内，即是否小于预设的目标控制距离，若是则允许刷卡交易，否则不允许 刷卡交易。步骤三中，根据对应关系确定当前的通信距离可以具体为射频通信设备根据 回波场强变化值Δ PW在DW- Δ PW曲线上找到下一个对应的DWj值，再通过DWj值在 DW-PW曲线上找到对应的射频信号场强值PW”若射频通信模块当前实际检测到的场强 值PWc在PWj 士 P Δ范围内，则通信距离为DWj，ΡΔ为预设的射频通信模块的最大接收场强误差值。比如。POS机通过与手机通 信 获得存储在其内部的DW-APW曲线及DW-PW曲线，根据回波场强变化值(P-Ptl)值 在DW-Δ PW曲线上找到下一个对应的D▼值，根据(P-Ptl)值划一条横线(对照图5)， 与曲线602可能有多个相交点，第一次取第一个相交点，第二次取第二个相交点，以此 类推，再通过DW值在DW-PW曲线上找到对应的射频SIM卡接收场强PW”如果射频 SIM卡当前实际检测场强值PWc在Py 士 ΡΔ范围内，则判断干扰物为目标手机，且其距 离读卡器为DWy否则继续本步骤所述的寻找下一个匹配D▼值；如果始终没有找到能 够匹配两种条件的DW”则判断为非目标手机干扰物，继续检测回波场强值。通信距离判断还可以采取眼图法进行辅助距离判断，此方法可以辅助判断 D-ΔΡ曲线波谷附近对应距离。该方法利用了天线阵列中不同通信天线之间的物理位置 差异，因此，步骤三中，根据对应关系确定当前的通信距离还可以具体为对回波场强 变化值Δ P取绝对值，并计算Δ ΔΡ = Abs(AP)-AP, Abs表示取绝对值，根据Δ ΔΡ 与通信距离之间的关系绘制D-Δ ΔΡ曲线，并设定门限值Δ Δ Pg,若当前的Δ ΔΡ大于 门限值Δ APg则当前的通信距离在曲线D-Δ ΔΡ波谷对应的距离范围附近。还可以采取更为简便的干扰抵消法来代替前述的距离判断方法，该方法的原理 如下实际系统中射频SIM卡接收到的信号场强值容易受到目标手机与POS机之间 相对角度及相对位移的影响，随着距离的增加，相对角度与相对位移造成的影响越来越 大，采用前述距离判断方法中的距离判断过程可能会导致距离控制不精确；实际上回波 场强变化值(P-Ptl)幅值是相对角度与相对位移等因素影响的综合结果，可以利用这个信 息来抵消射频SIM卡接收信号场强受到的部分干扰。当前射频SIM卡与回波检测天线检 测的是同一个信号源，因此二者受到相对角度与相对位移等因素的影响是同步的；手机 距离POS机越近，射频SIM卡与回波检测天线受到的影响程度差距越小，距离越远，二 者受到的影响程度差距越大；在射频SIM卡检测到的射频信号场强值中扣除回波检测到 的干扰影响，即回波场强变化值的绝对值，可以在较近距离范围内(如半个波长)很大程度削减相对角度与相对位移的影响。干扰抵消法基于以上原理可以提高距离控制的精确性，简化距离控制判断过 程；该方法利用回波场强变化值来抵消全部或部分射频SIM卡信号接收场强所受到的相 对角度与相对位移等因素的干扰，提高距离控制的精确度；一般而言目标控制距离多为 射频信号半波长范围以内。基于干扰 抵消法，步骤三可以包括如下子步骤步骤301，计算当前回波场强变化值的绝对值，用当前射频特征参数中的射频信 号场强值减去当前回波场强变化值的绝对值，得到抵消干扰后的射频信号场强PWca ；步骤302，根据设定的目标控制距离在DW-PW曲线上计算抵消干扰后判断门限 PWag,具体为在DW-PW曲线的距离轴上过目标控制距离作距离轴的垂线，该垂线与 DW-PW曲线的交点所对应的场强即为PWag ；步骤303，当PWca小于抵消干扰后的判断门限PWag时，进一步判断当前回波 场强变化值Δ PW是否小于0，若是则当前通信距离小于目标控制距离，允许刷卡交易， 否则执行步骤304 ；步骤304，进行近场区域判断，即判断当前的射频信号场强是否达到预设的近场 场强门限值，若是则当前通信距离小于目标控制距离，允许刷卡交易，否则不允许刷卡 交易。下面以目标控制距离为4cm，频率为2.4GHz的射频信号为例来说明干扰抵消法 的距离判断判断过程。所述方法可以采取以下步骤(1)计算当前回波场强变化值的绝对值。如图8所示，可以计算不同距离上各个 通信天线发射的回波检测变化值APWj的绝对值之和，形成图8中的曲线603 ；(2)用当前射频SIM卡接收到的信号场强值减去所述当前回波场强变化值的绝对 值，形成PWca。此差值与距离形成图8中的曲线604;(3)根据设定的目标控制距离在存储在手机其内部的DW-PW曲线计算抵消干 扰后判断门限PWag，具体为，在距离轴上过目标控制距离作距离轴的垂线，该垂线与 DW-PW曲线(604)的交点所对应的场强即为PWag ；(4)当PWca小于所述抵消干扰后判断门限Pwag，a)如果当前回波检测变化值(P-PO)小于0则判断通信距离在目标范围内；否则 转至下一步(即步骤b)进行近场区域判断；b)近场区域判断可以采用传统的简单场强判断法，即直接判断当前判断射频 SIM卡接收信号场强是否达到近场场强门限值即可。近场场强门限值可以通过校准过程 设定。距离判断过程中，判断干扰物是否为目标手机还可以采取场强分布均衡度方法 进行辅助判断，以防止恶意通信攻击。该方法为分析当前射频SIM卡接收到的读卡器 天线阵列中各个通信天线发射的射频信号场强分布均衡度是否符合预期值。由于随着距 离的增加，射频SIM卡收到的天线阵列中各通信天线的场强的差异会减小，因此射频信 号场强分布均衡度值会变小，通过判断场强分布均衡度值的大小可以实现距离大致范围 判断。计算场强分布均衡度的方法很多，可以采用的方法有方差、相邻天线求差、分组 天线求差等。其中基于分组天线求差的场强分布均衡度距离判断方法可以采取以下步骤实现1)根据天线阵列中各个通信天线的物理分布划分成组。如图7中，可以将通信 天线编号为1、2、3的分成一组，编号为4、5、6的分成一组，编号为7、8、9的分成一 组以及编号为10、11、12分成一组，共分成四组；2)射频SIM卡将接收到的射频信号按四个组分别求和，形成SUM1、SUM2、 SUM3 以及 SUM4 ；3)场强分布均衡度为定义为 PB = (Abs (SUM2-SUM1) +Abs (SUM3-SUM2) +Ab s (SUM4-SUM3) +Abs (SUM1-SUM4)) / (SUM1+SUM2+SUM3+SUM4)；4)根据目标控制距离范围实际测试目标手机对应的场强分布均衡度作为门限 值，当当前场强分布均衡度值大于门限值时判断距离在目标距离范围内，否则距离在目 标距离范围外；5)不同手机的PB与距离之间也呈现固定对应关系，也可以通过校准等方法获 得PB-D曲线；此曲线可以替代所述通信距离判断方法中校准过程的DW-PW曲线，与 DW-APW曲线配合精确确定当前通信距离；6)由于射频系统具备收发对称的特点，因此场强分布均衡度距离判断方法也可 以采用射频SIM 卡发送天线阵列接收分组判断的方法来达到同等效果。由于天线阵列包括多个天线，因此回波检测天线检测到的回波场强以及手机射 频SIM卡检测到的信号场强均是多个值，实际使用中可以把多个值折合成一个值以方便 处理，简单的方法有1)累加和法，此方法可以用于回波场强以及射频SIM卡接收到的信号场强处 理。即把各个天线对应的场强或场强变化量进行简单算术累加；2)绝对值累加和，此方法可以用于回波场强变化量处理。即把各个天线回波场 强变化量取绝对值以后再累加；距离控制精确度与通信射频信号的波长相关，控制精度大致为波长的四分之 一。例如当采用2.4GHz频率进行通信时，其可实现控制的精度约为3cm。天线阵列可以采用多个通信天线和一个回波探测天线分布在一个矩形范围内， 形成一个发射和接收测量面，这样有利于减少射频信号测量的干扰，提高射频距离控制 的稳定性。天线阵列可以采用4个、6个、8个、9个或12个天线等间距分部在一个矩 形范围内，而回波探测天线安排在矩形的中心位置附近，天线阵列中的通信天线发射信 号，其上的回波探测天线接收并检测射频信号场强，天线阵列数量的增多和分布面积的 增加有利于提高距离控制的稳定性。距离控制系统中距离判断可以由POS中读卡器中处理器来实现。射频通信终端还可以为带有近距离通信功能模块的手机，即把近距离通信射频 芯片嵌入到手机内，实现和带有射频SIM卡的手机同样的近距离射频通信效果。射频通信终端还可以为PDA、上网本及其他便携式可移动设备。射频SIM卡也可以为带有射频通信功能的存储卡及其他射频通信模块。本发明控制射频通信距离的方法有效减小了射频通信终端个体对距离控制的因 素影响，稳定性好，距离控制精确。下面以一个具体的控制射频通信距离的系统为例，对上述的控制射频通信距离的系统和方法作进一步的详细说明。图1为本发明控制射频通信距离的系统一个实施例的结构图。如图1所示，本 实施例中，控制射频通信距离的系统包括含有射频SIM卡200的手机100、POS机300以 及校准器400。POS机和校准器都包含一个读卡器500，POS机300通过读卡器500实 现与带有射频SIM卡200的手机100进行通信和射频特征参数测量；校准器400通过读 卡器500实现不同距离条件下与带有射频SIM卡200的手机100进行通信和射频特征参数 测量。图2为图1中读卡器500的一种结构图，如图2所示，读卡器500包括天线阵 列501和读卡器主机502，其中天线阵列501包括多个通信天线5011以及回波检测天线 5012。 图3为图1中天线阵列501发射的射频信号的传播路径示意图，如图3所示，天 线阵列501中的多个通信天线5011按照规定要求(即按照设定的功率)发射射频信号， 天线阵列501中的回波检测天线5012以及射频SIM卡200接收射频信号并检测射频信号 场强。图4为本发明控制射频通信距离的方法实施例中校准过程的流程图，如图4所 示，校准过程可以包括如下步骤步骤701，设定校准器400中读卡器500与手机100之间的距离；步骤702，启动天线阵列501中的通信天线5011发射射频信号；步骤703，天线阵列501中的回波检测天线5012接收射频信号，并检测当前接收 到的回波信号场强值，将该回波信号场强值减去初始回波场强值Ptl得到回波场强变化值 APW,并记录下来；步骤704，射频SIM卡200同时接收通信天线5011发射的射频信号并检测其射 频信号场强值，记录下来；在步骤705，判断校准过程是否结束，即所有目标距离是否全部测完，如果没有 重复步骤701，否则执行步骤706 ；步骤706，根据记录的回波场强变化值与通信距离之间的关系绘制对应曲线 602，根据记录的射频SIM卡200检测射频信号场强绝对值通信距离之间的关系绘制曲线 601，根据记录的回波场强变化绝对值与通信距离之间的关系绘制曲线603，得到图5所 示的曲线601、曲线602以及曲线603，校准过程完成。图6为本发明控制射频通信距离的方法实施例中确定当前通信距离的流程图。 如图6所示，可以包括如下步骤步骤801，POS机300中读卡器500不断启动其中的回波检测天线5012检测回 波场强绝对值变化量Abs (P-Ptl)；步骤802，判断Abs(P-Ptl)是否超过门限ΔPg，如果没有重复步骤801，否则转 入步骤803 ；步骤803，在曲线602中找到回波场强变化值(P-Ptl)下一个对应的距离DWj ；步骤804，在曲线601中查到距离DWj对应的射频SIM卡检测到的射频信号场 强值PWj ；步骤805，判断当前射频SIM卡200实际检测的射频信号场强值PWc是否在PW士？，范围内，如果不是则转入步骤803，如果是则执行步骤806;步骤806，确定距离DWk为当前的实际通信距离。图7为天线阵列501的一种结构图，如图7所示，该天线阵列501含有12个通 信天线5011以及1个回波探测天线5012。基于图7所示的天线阵列，读卡器主机502通过天线阵列501的12个通信天线 5012轮流发射2.4GHz射频信号，天线阵列501的回波检测天线5012接收射频信号并检 测该射频信号的强度，即为回波射频信号场强P，当前的回波射频信号场强P与初始场强 Ptl之差(P-Ptl)即为回波场强变化值APW。图8是一款手机在距离图7所示天线阵列501不同高度情况下，天线阵列501的 12个通信天线5011轮流发射射频信号，回波检测天线5012同时接收并测量其回波场强变 化值得到的实际测试数据示例，数据单位为dB。图9是一款手机在距离图7所示天线阵列501不同高度情况下，天线阵列501的 12个通信 天线5011轮流发射射频信号，射频SIM卡200同时接收并测量接收射频信号场 强绝对值的实际测试数据示例，数据单位为dB。图10是基于图8和图9所示数据绘制的手机和天线阵列之间的通信距离与回 波场强变化值和、回波场强变化绝对值和以及SIM卡接收射频信号场强值之间的对应关 系，分别对应曲线602、603和601。从图10中的曲线602可以看出，该曲线周期约为 12cm左右，与2.4GHz频率的波长一致。图11是手机与天线阵列之间的通信距离与回波场强变化值和、回波场强变化绝 对值和以及SIM卡接收射频信号场强值，以及抵消干扰后射频SIM卡接收射频信号场强 值之间的对应关系。其中抵消干扰后射频SIM卡接收射频信号场强曲线604是射频SIM 卡接收射频信号场强曲线601与回波场强变化绝对值曲线603之差。基于曲线604和曲 线602，可以简便距离判断。本发明控制射频通信距离的方法和系统的优点在于，距离控制受射频通信终端 个体因素影响不大，稳定性好，距离控制较为精确，特别适合于较高频段(如超高频 UHF、极高频SHF等)通信系统的距离控制。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神 和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之 内。
权利要求
1.一种控制射频通信距离的方法，其特征在于，应用于包括具有天线阵列的射频通 信设备的射频通信系统，所述天线阵列中包含通信天线和回波检测天线，所述通信天线 按设定功率发射射频信号，所述回波检测天线接收回波射频信号，所述射频通信设备检 测回波场强变化值，同时射频通信终端中的射频通信模块接收射频信号并检测射频信号 场强值，所述方法包括以下步骤(a)预先在射频通信设备中保存通信距离与射频特征参数之间的对应关系，并设定 回波场强变化触发门限值，所述射频特征参数包括所述回波场强变化值和射频信号场强 值；(b)在所述射频通信设备与射频通信终端的通信过程中，所述射频通信设备不断检测 当前的回波场强变化值，并判断该回波场强变化值的绝对值是否达到所述回波场强变化 触发门限值，若是则执行步骤(c)，否则重复步骤(b)；(c)所述射频通信设备获取当前的射频特征参数，根据所述对应关系确定当前的通信 距离，然后判断当前的通信距离是否在预设的刷卡范围内，即是否小于预设的目标控制 距离，若是则允许刷卡交易，否则不允许刷卡交易。
2.根据权利要求1所述的控制射频通信距离的方法，其特征在于，所述步骤(a)中， 所述对应关系通过校准过程得到，所述校准过程为校准器检测多个预定距离下射频通 信终端接收到的射频信号场强值PWj以及回波场强变化值APWj，按周期震荡衰减规律 拟合DW-APW曲线以及DW-PW曲线，即通信距离与回波场强变化值的关系曲线和通 信距离与射频信号场强值的关系曲线，该关系曲线即为所述对应关系。
3.根据权利要求1或2所述的控制射频通信距离的方法，其特征在于，所述步骤(C) 中，根据所述对应关系确定当前的通信距离具体为射频通信设备根据回波场强变化值 Δ PW在DW- Δ PW曲线上找到下一个对应的DWj值，再通过DWj值在DW_PW曲线 上找到对应的射频信号场强值PWj，若射频通信模块当前实际检测到的场强值PWc在 PWj士ΡΔ范围内，则通信距离为DWj，PΔ为预设的射频通信模块的最大接收场强误差 值。
4.根据权利要求1或2所述的控制射频通信距离的方法，其特征在于，所述步骤(C) 包括如下子步骤(Cl)计算当前回波场强变化值的绝对值，用当前射频特征参数中的射频信号场强值 减去当前回波场强变化值的绝对值，得到抵消干扰后的射频信号场强PWca ；(c2)根据设定的目标控制距离在DW-PW曲线上计算抵消干扰后判断门限PWag，具 体为在DW-PW曲线的距离轴上过目标控制距离作距离轴的垂线，该垂线与DW-PW 曲线的交点所对应的场强即为PWag ；(c3)当PWca小于所述抵消干扰后的判断门限Pwag时，进一步判断当前回波场强变 化值APW是否小于0，若是则当前通信距离小于目标控制距离，允许刷卡交易，否则执 行步骤(cl4)(c4)进行近场区域判断，即判断当前的射频信号场强是否达到预设的近场场强门限 值，若是则当前通信距离小于目标控制距离，允许刷卡交易，否则不允许刷卡交易。
5.根据权利要求1或2所述的控制射频通信距离的方法，其特征在于，所述步骤(C) 中，根据所述对应关系确定当前的通信距离具体为对回波场强变化值△ P取绝对值，并计算Δ AP = Abs(AP)-AP, Abs表示取绝对值，根据Δ ΔΡ与通信距离之间的关系 绘制D-ΔΔΡ曲线，并设定门限值AAPg，若当前的Δ ΔΡ大于门限值Δ APg则当前的 通信距离在曲线D-Δ ΔΡ波谷对应的距离范围附近。
6.根据权利要求1所述的控制射频通信距离的方法，其特征在于，所述射频通信设 备为POS机，所述射频通信终端为具有射频通信模块的手机；所述射频通信模块为射频 SIM卡或具有射频通信功能的存储卡。
7.—种控制射频通信距离的系统，其特征在于，包括射频通信设备和射频通信终 端，所述射频通信设备中具有天线阵列，所述天线阵列中包含通信天线和回波检测天 线，所述通信天线用于按设定功率发射射频信号，所述回波检测天线用于接收射频信号 并检测回波场强变化值，同时所述射频通信终端用于接收射频信号并检测射频信号场强 值，其中所述射频通信设备，用于保存通信距离与射频特征参数之间的对应关系和回波场强 变化触发门限值，所述射频特征参数包括所述回波场强变化值和射频信号场强值，还用 于在通信过程中不断检测当前的回波场强变化值，在当前的回波场强变化值达到所述回 波场强变化触发门限值时，获取当前的射频特征参数，根据所述对应关系确定当前的通 信距离，然后判断当前的通信距离是否在预设的刷卡范围内，即是否小于预设的目标控 制距离，若是则允许刷卡交易，否则不允许刷卡交易。
8.根据权利要求7所述的控制射频通信距离的系统，其特征在于，所述射频通信设备 为POS机，所述POS机中包含POS主机和读卡器，所述读卡器中包含读卡器主机和所述 天线阵列，所述POS主机用于处理刷卡交易过程中的业务数据；所述读卡器主机用于保 存通信距离与射频特征参数之间的对应关系和回波场强变化触发门限值，还用于在通信 过程中不断检测当前的回波场强变化值，在当前的回波场强变化值达到所述回波场强变 化触发门限值时，获取当前的射频特征参数，根据所述对应关系确定当前的通信距离， 然后判断当前的通信距离是否在预设的刷卡范围内，即是否小于预设的目标控制距离， 若是则允许刷卡交易，否则不允许刷卡交易。
9.根据权利要求7所述的控制射频通信距离的系统，其特征在于，所述射频通信终端 中包含射频通信模块，所述射频通信模块包括中央处理器CPU、与该中央处理器CPU连 接的存储器、射频收发电路和接口电路，以及与射频收发电路连接的射频收发天线，所 述射频收发天线和射频收发电路用于接收射频信号，所述中央处理器CPU用于检测射频 信号场强，所述存储器用于保存所述射频信号场强，所述接口电路用于与所述射频通信 终端的其他部分进行通信。
10.根据权利要求7所述的控制射频通信距离的系统，其特征在于，所述射频通信终 端为手机、PDA和上网本中的一种。
11.根据权利要求9所述的控制射频通信距离的系统，其特征在于，所述射频通信模 块为射频SIM卡或者具有射频通信功能的存储卡。
12.根据权利要求7所述的控制射频通信距离的系统，其特征在于，还包括校准器， 所述校准器用于检测多个预定距离下射频通信终端接收到的射频信号场强值PWj以及回 波场强变化值APWj，按周期震荡衰减规律拟合DW-ΔPW曲线以及DW-PW曲线，即 通信距离与回波场强变化值的关系曲线和通信距离与射频信号场强值的关系曲线，该关系曲线即为所述对应关系。
13.根据权利要求7所述的控制射频通信距离的系统，其特征在于，所述天线阵列采 用多个通信天线和一个回波探测天线分布在一个矩形范围内，形成一个发射和接收测量
全文摘要
本发明涉及一种控制射频通信距离的方法，包括预先在射频通信设备中保存通信距离与射频特征参数之间的对应关系，并设定回波场强变化触发门限值，射频特征参数包括所述回波场强变化值和射频信号场强值；在射频通信设备与射频通信终端的通信过程中，射频通信设备不断检测当前的回波场强变化值，并判断其绝对值是否达到回波场强变化触发门限值，若是则执行下一步骤，否则重复本步骤；射频通信设备获取当前的射频特征参数，根据对应关系确定当前的通信距离，然后判断当前的通信距离是否在预设的刷卡范围内，是则允许刷卡交易，否则不允许刷卡交易。本发明有效减小了射频通信终端个体对距离控制的因素影响，稳定性好，距离控制精确。
文档编号G07F7/08GK102024290SQ20091030960
公开日2011年4月20日 申请日期2009年11月12日 优先权日2009年9月23日
发明者余运波, 孙迎彤 申请人:国民技术股份有限公司