DE69722432T2

DE69722432T2 - Verfahren zum kommunizieren mit kontaktlosen datenträgern und kontaktlose datenträger dafür

Info

Publication number: DE69722432T2
Application number: DE69722432T
Authority: DE
Inventors: Anil Gercekci; Paul De Champs
Original assignee: Atmel Research
Current assignee: Amtel Corp (n D Ges D Staates Delaware) Us
Priority date: 1996-11-21
Filing date: 1997-11-03
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2017-11-04
Also published as: EP0939931A1; CN1242091A; TW417067B; JP2001504963A; GB2319698B; GB2319698A; HK1024079A1; DE69722432D1; GB9624216D0; CN1171171C; WO1998022903A1; EP0939931B1; JP4052674B2; US6354500B1

Description

Diese Erfindung betrifft kontaktlose Datenträger wie z. B. Chipkarten. Kontaktlose Chipkarten sind tragbare Datenträger, die eine integrierte Schaltung enthalten und die in der Lage sind, einen kontaktlosen oder drahtlosen Kommunikationsdialog mit einem Leser herzustellen.
Bei kontaktlosen Chipkartenanwendungen ist ein zu lösendes Problem die wahrscheinliche Kollision von Information, die zu einem einzelnen gemeinsamen Leser von mehreren Chipkarten zurückgesandt wird, wobei das vom Leser erzeugte Magnetfeld zum Speisen der Chipkarten und zum Liefern einer Taktinformation zu diesen dient. Chipkarten, die diese Leistung verwenden, beginnen wahrscheinlich, zum Leser "zurückzusprechen" und, da sich die Chipkarten nicht der gegenseitigen Anwesenheit bewusst sein können, während sie eine Information zum Leser zurücksenden, könnte dies zur Datenkollision führen und daher könnte der Leser fehlerhafte Meldungen von den Chipkarten empfangen.
Eine solche Bedingung tritt wahrscheinlich auf, wenn beispielsweise die Brieftasche oder Handtasche einer Person über dem Leser hin- und herbewegt wird. Wenn die Brieftasche mehr als eine kontaktlose Chipkarte enthält, dann schalten wahrscheinlich alle diese Chipkarten ein und beginnen, mit dem Leser in Dialog zu treten, um die gewünschte Transaktion durchzuführen.
In EP-A-0 467 036 ist ein Verfahren zum Kommunizieren mit einer Vielzahl von kontaktlosen Datenträgern offenbart, mit einer Basisstation, die ein Leistungssignal überträgt, einem Datenträger, der sich als Reaktion auf das übertragene Leistungssignal selbst einschaltet und in einen Wartezustand eintritt, wobei die Basisstation ein spezielles Aufwecksignal, das "Hallo"-Signal für wartende Datenträger, überträgt, die wartenden Datenträger den Wartezustand als Reaktion auf das "Hallo"-Signal verlassen und eine Identifikationsinformation übertragen und die Basisstation die Identifikationsinformation registriert und mit registrierten Datenträgern einen Dialog einleitet.
In EP-A-0 553 905 wird der Informationsaustausch mit einem speziellen registrierten Kennzeichen durch einen Aliasbefehl eingeleitet.
Ferner offenbart US-A-5 440 302 eine Vorrichtung für kontaktlose Daten- und Energieübertragung, die eine Leistungsquelle in einem Datenträger umfasst, die ihre Leistung von einem Wechselmagnetfeld wiedergewinnt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Kommunizieren mit einer Vielzahl von kontaktlosen Datenträgern bereitzustellen, bei dem die obigen Nachteile beseitigt oder zumindest gemildert werden können.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Kommunizieren mit einer Vielzahl von kontaktlosen Datenträgern bereitgestellt, wie in Anspruch 1 beansprucht.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein kontaktloser Datenträger zur Verwendung beim Kommunizieren mit einer Basisstation bereitgestellt, wie in Anspruch 2 beansprucht.
Ein Verfahren zum Kommunizieren mit einer Vielzahl von kontaktlosen Datenträgern und ein kontaktloser Datenträger zur Verwendung dabei wird nun lediglich beispielhaft mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen gilt.
1 zeigt eine kontaktlose Chipkarte, die Merkmale gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet;
2 zeigt ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Synchronisieren von kontaktlosen Chipkarten während des Einschaltens darstellt;
3 zeigt ein Ablaufdiagramm, das den "Namensaufruf" ohne Kollision bei dem Verfahren von 1 darstellt; und
4 zeigt ein Ablaufdiagramm, das den "Namensaufruf" mit auftretender Kollision bei dem Verfahren von 1 darstellt.
Ein neues Verfahren zum Kommunizieren mit einer Vielzahl von kontaktlosen Datenträgern wie z. B. Chipkarten ermöglicht die Funktion von mehreren Chipkarten im Feld eines einzelnen Lesers, während eine Datenkollision durch die Verwendung eines neuen Antikollisionsprotokolls vermieden wird. Das Protokoll beruht auf der Anwesenheit von bestimmten Software- und/oder Hardwaremerkmalen, wie nachstehend beschrieben.
Mit Bezug zuerst auf 1 besteht ein kontaktloser Chipkarten-Datenträger 2 aus einer herkömmlich bemessenen Kunststoffkarte 4, die eine Mikrosteuereinheit 6 aus einer integrierten Schaltung einkapselt. Eine Antenne 8 sieht eine Schnittstelle zwischen der Mikrosteuereinheit 6 der Karte und einem Kartenleser vor. Die MCU 6 weist die folgenden Merkmale auf:

– Die IC ist angeordnet, um ihre Leistung von einem Wechselmagnetfeld wiederzugewinnen, das vom Leser erzeugt wird, und auch um eine Taktinformation für die MCU wiederzugewinnen.
– Die MCU weist eine serielle Kommunikationsschnittstellen-(SCI) Hardware oder eine ähnliche Sende- und Empfangshardware auf. Die SCI kann eine Information mit einer gegebenen Größe (die von der Software festgelegt werden oder in Abhängigkeit von der Hardware fest sein könnte) empfangen und senden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Informationspaket 9 Bits lang, wobei das 9. Bit zum Unterscheiden zwischen zwei verschiedenen Arten einer Meldung verwendet wird. Während des normalen Betriebs wird von der SCI ein Empfangskennzeichen gesetzt und eine entsprechende Unterbrechungsroutine kann ausgeführt werden, wenn eine Nachricht empfangen wird. Die SCI weist eine Erkennungsfähigkeit für eine bestimmte Art Nachricht während des Empfangs auf. Diese Nachrichtenart wird in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch die Anwesenheit einer logischen "1" in der 9. Bitposition des vom Leser übertragenen Informationspakets angezeigt. Mit dieser Fähigkeit kann die SCI in einen "Aufweck"-Modus gesetzt werden, während dessen das Datenempfangskennzeichen und die entsprechende Unterbrechung gesperrt werden, bis die "Aufweck"-Meldung empfangen wird, zu welchem Zeitpunkt die SCI die MCU aufweckt.
– Die MCU hat die Fähigkeit, in einem Wartezustand zu bleiben, wobei sich ihre Takte in einem bekannten Zustand befinden. In diesem Zustand führt die MCU keine Befehle aus. Die SCI bleibt jedoch betriebsfähig und bereit, um zu dieser übertragene Daten zu empfangen. Wenn die MCU durch die SCI aufgeweckt wird, kann sie den Wartemodus verlassen und die SCI-Unterbrechungsroutine ausführen.

Mit Bezug auch auf 2, 3 & 4 werden die obigen Merkmale in einem Protokoll zum Synchronisieren aller Chipkarten, die vom Leser eingeschaltet werden, folgendermaßen verwendet:

– Irgendeine Chipkarte, die in das Magnetfeld des Lesers gelangt, wird eingeschaltet, was ermöglicht, dass die MCU der Chipkarte die IC initialisiert.
– Wenn die Initialisierung beendet ist, schaltet die IC das "Aufweck"-Modus-Merkmal der SCI ein und tritt dann durch Ausführen eines Wartebefehls in den "Aufweck"-Modus ein. Während sie in diesem Modus wartet, ist die SCI in der Lage, weiter zu arbeiten und eine vom Leser (oder von anderen kontaktlosen Chipkarten) übertragene Information zu empfangen.
– Wenn die IC der Chipkarte im Wartemodus eine logische "1" in der 9. Bitposition des empfangenen Datenstroms empfängt, dann wird die MCU aufgeweckt, die MCU beginnt zu arbeiten und die SCI-Unterbrechungssubroutine wird ausgeführt. Wenn jedoch der empfangene Datenstrom keine logische "1" in der 9. Bitposition enthält, dann werden die empfangenen Daten von der SCI verworfen und die MCU bleibt im Wartemodus. Somit stellt die MCU keine Datenverbindung zum Leser zurück her, wenn sie nicht durch die spezielle Startmeldung aus ihrem Wartezustand aufgeweckt wird.

Es gibt mindestens zwei verschiedene Arten einer Startmeldung, die vom Leser gesandt wird: wobei die hauptsächlichen der "kalte" Start oder der "warme" Start sind.
Der "kalte" Start wird eingeleitet, wenn der Leser nach irgendeiner Karte sucht, die in sein Feld gelangen kann. Wenn dies der Fall ist, reagieren alle MCUs, die sich im Wartezustand befinden, auf diese Meldung und beginnen, ihre Identitäten beim Leser zu registrieren. Die Meldung für den "kalten" Start ermöglicht, dass alle diejenigen Karten, die sich im Wartemodus befinden, den Wartemodus in einer synchronisierten Weise verlassen.
Im Fall eines warmen Starts hat der Leser bereits eine Liste von registrierten Karten und er beschließt, mit einer anderen vorher registrierten Karte in Dialog zu treten.
Der "kalte" und der "warme" Start können durch den Wert in dem Informationsbyte in dem empfangenen Datenstrom, der den Start verursacht (d. h. die 8 Bits, die dem 9. (Start-) Bit vorangehen) unterschieden werden. Eine noch bessere Differenzierung könnte innerhalb der Meldung für den warmen/kalten Start erreicht werden, wie z. B.: Durchführen eines warmen Starts mit einer Dialogaufforderung an eine einzelne Karte oder einer Sendeaufforderung an alle Karten, Wiederaufnehmen eines unterbrochenen Dialogs, Anfordern einer Rückmeldung von allen Karten usw.

– Der Leser sendet kontinuierlich eine Meldung für einen kalten Start in einer zyklischen Weise, wenn er Dialoge mit registrierten Karten beendet hat. Die Karten, die ihre Dialoge mit dem Leser beendet haben, vermeiden es, auf die Meldung für einen kalten Start vom Leser zu antworten. Neue Karten, die gerade eingeschaltet haben können, oder Karten, die während des vorherigen Zyklus keinen Dialog eingehen konnten, antworten nun, und daher beginnt der Zyklus erneut.

Dieses Protokoll stellt sicher, dass irgendeine kontaktlose Chipkarte, die in das Feld des Lesers gelangt, nicht mit dem Leser "spricht", wenn nicht der Aufweckbefehl vom Leser empfangen wurde, während sich die Karte im Wartemodus befindet. In diesem Moment wird irgendeine MCU, die aufwacht, mit der vom Leser empfangenen Startmeldung synchronisiert. Diese Meldung dient als Synchronisationssignal für alle Karten, die auf eine solche Information gewartet haben.
Sobald die MCUs, die im Wartemodus gewartet haben, von derselben empfangenen Nachricht aufgeweckt worden sind, wird ein Abfrageprotokoll verwendet, um die Identität der aufgewachten Chipkarten zu unterscheiden. Dies wird durch die Verwendung einer willkürlichen Selbstzuweisung von Dialogzeitschlitzen während eines "Namensaufruf"-Dialogs erreicht, während dessen die MCUs ihre Identitäten in einem Zeitschlitz übertragen, der durch eine Zufallszahl festgelegt wird, die von jeder MCU vor dem "Namensaufruf" erzeugt wird. Dieses Protokoll beruht auf der statistischen Verteilung dieser Zufallszahlen, damit es funktioniert. Wenn das Protokoll derart eingerichtet ist, dass 16 Zeitschlitze während des "Namensaufrufs" zur Verfügung stehen, müssen die MCUs eine Zufallszahl zwischen 1 und 16 aufgreifen, usw.
Der Leser registriert eingehende Identitäten der antwortenden aufgewachten Karten und kann dann fortfahren, mit jeder antwortenden Karte auf einer individuellen Basis in Dialog zu treten, während andere Karten warten, dass sie an der Reihe sind, indem sie in den Wartezustand zurückkehren, in dem sie bereit sind, in einen warmen Start aufzuwachen.
Dieser individuelle Dialog geht folgendermaßen vor sich. Zuerst sendet der Leser die Identität einer registrierten Chipkarte während eines Abrufs zur Rückbestätigung zurück. Die Karte, die ihre Identitätsnummer erkennt, sendet eine Bestätigungsmeldung zurück.
Wenn die Rückbestätigung stattfindet, läuft die vollständige Transaktion für diese Chipkarte ab. Wenn die Rückbestätigung nicht stattfindet, könnte dies an einer Karte liegen, die aufgehört hat zu arbeiten oder die das Feld verlassen hat, oder an einer Kollision der Identitätsinformation, die zum Leser durch zwei oder mehr verschiedene Karten in demselben Zeitschlitz zurückgesandt wird, liegen. Während dieses Zeitraums warten andere Karten, die auf den "Namensaufruf" geantwortet haben, im Wartemodus.
Wenn der Leser seinen Dialog mit einer gewählten Karte beendet, dann schaltet diese Karte für den Rest der Sitzung (d. h. den Rest der Zeit, für die das Leistungsfeld des Lesers vorhanden ist) ab. Der Leser sendet dann eine Meldung für einen warmen Start (die eine logische "1" in der 9. Bitposition enthält), aber diesmal mit Daten in den vorangehenden 8 Bits, die anders sind als für die anfängliche Meldung für den kalten Start. In dieser Weise wachen alle Karten auf, aber nur jene, die bereits ihren "Namensaufruf" beendet hatten, bleiben für eine anschließende Identitäts-"Abfrage" vom Leser aktiv. Dieser Prozess fährt fort, bis der Leser den Dialog mit allen Karten beendet hat, die sich während des "Namensaufrufs" registriert haben. Jene Karten, die die Meldung für den kalten Start verpasst haben, sehen weiterhin von einem Dialog mit dem Leser ab bis zur nächsten Meldung für einen kalten Start, die der Leser sendet.
Im Fall, dass zwei oder mehr Karten denselben willkürlichen "Namensaufruf"-Zeitschlitz auswählen, könnte dies eine Datenkollision verursachen und die vom Leser empfangene Identitätsnummer kann nicht jene von irgendeiner der kollidierenden Karten sein, die während dieses Zeitschlitzes übertragen haben (wobei alle 1 und alle 0 ausgeschlossene Identitätsnummern sind). Wenn die Identität nicht aufgrund einer Kollision verzerrt wird, dann fährt der Leser mit dem Dialog mit den Karten fort, wenn sie registriert sind. Wenn die Identität aufgrund einer Kollision verzerrt wird, versucht der Leser, mit einer nicht vorhandenen Karte zu kommunizieren, und empfängt somit keine Bestätigung während des Rückbestätigungsprozesses.
Daher wählen diejenigen Karten, denen es aufgrund einer verzerrten Identitätsregistrierung nicht gelingt, mit dem Leser zu "sprechen", einen neuen willkürlichen Zeitschlitz und warten auf eine neue Meldung für einen kalten Start, wobei sie als Reaktion auf diese sich während eines neuen "Namensaufrufs" bei einem Versuch, sich korrekt zu registrieren, beim Leser registrieren (d. h. mit anderen Zeitschlitzen während des "Namensaufrufs").
Wenn der Leser den Dialog für alle Karten, die sich während eines "Namensaufrufs" registriert haben, beendet, überträgt er dann noch einmal eine Meldung für einen kalten Start, die irgendwelche unbedienten Karten auffordert aufzuwachen, und somit wiederholt sich der Prozess. Dies ermöglicht, dass irgendwelche neuen Karten und irgendwelche Karten, die während des vorherigen "Namensaufrufs" kollidiert waren, sich während der willkürlich selbst ausgewählten Zeitschlitze eines neuen "Namensaufrufs" erneut registrieren.
Es ist selbstverständlich, dass mögliche Teilmengen der Meldung für den kalten Start eine Information zu allen Karten vor einem "Namensaufruf" senden oder eine unmittelbare Rückmeldung für alle Karten anfordern könnten, usw.
Es ist zu erkennen, dass verschiedene andere Modifikationen für einen üblichen Fachmann ersichtlich sind.

Claims

Verfahren zur Kommunikation mit einer Vielzahl von kontaktlosen Datenträgern, umfassend: eine Basisstation, die ein Leistungssignal überträgt; einen Datenträger (2), der sich als Reaktion auf das übertragene Leistungssignal selbst einschaltet und in einen Wartezustand eintritt; wobei die Basisstation ein erstes Startsignal für wartende Datenträger überträgt; die wartenden Datenträger den Wartezustand als Reaktion auf das erste Startsignal verlassen und eine Identitätsinformation in einem Zeitschlitz, der willkürlich selbstzugewiesen wird, übertragen; die Basisstation die Identitätsinformation registriert und einen Dialog mit einem ersten Datenträger einleitet; die Basisstation den Dialog mit dem ersten registrierten Datenträger beendet; der erste registrierte Datenträger für eine restliche Zeit einer Kommunikationssitzung abschaltet; die Basisstation ein zweites Startsignal überträgt, um die wartenden Datenträger aufzuwecken, die bereits das erste Startsignal empfangen haben, und um einen Dialog mit einem nächsten registrierten Datenträger einzuleiten, wobei die Basisstation die Übertragung des zweiten Startsignals wiederholt, um den Dialog mit allen registrierten Datenträgern einzuleiten, um die Kommunikationssitzung abzuschließen; und wobei das erste und das zweite Startsignal unterscheidbar sind, das erste Startsignal verwendet wird, um eine Kommunikationssitzung mit irgendeinem der Datenträger einzuleiten und das zweite Startsignal verwendet wird, um die Kommunikationssitzung mit nur registrierten Datenträgern fortzusetzen.
Kontaktloser Datenträger (2) zur Kommunikation mit einer Basisstation, umfassend: ein Mittel (6) zum Empfangen eines Leistungssignals, das von der Basisstation übertragen wird; ein Mittel zum Einschalten des Datenträgers als Reaktion auf den Empfang des Leistungssignals, und zum Eintreten in einen Wartezustand; ein Mittel zum Empfangen eines ersten Startsignals, das von der Basisstation bei einer Einleitung einer Kommunikationssitzung übertragen wird; ein Mittel zum Verlassen des Wartezustands als Reaktion auf den Empfang des ersten Startsignals; ein Mittel zum Festlegen eines willkürlich selbstzugewiesenen Zeitschlitzes und zum Übertragen einer Identitätsinformation in dem willkürlich selbstzugewiesenen Zeitschlitz; ein Mittel zum Empfangen eines zweiten Startsignals, das vom ersten Startsignal verschieden ist und das von der Basisstation während der Kommunikationssitzung übertragen wird; ein Mittel zum Verlassen des Wartezustands als Reaktion auf den Empfang des zweiten Startsignals, nachdem das erste Startsignal empfangen wurde; und ein Mittel zum Durchführen eines Dialogs mit der Basisstation beim Empfang einer individuell identifizierten Meldung von dieser.