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摘要：為了提高終端上數字貨幣、數字識別等行業應用的適應性，集成在移動通信卡上BLE（Bluetooth Low Energy）藍牙模塊允許手機通信卡有藍牙通信接口，終端可以通過藍牙通信接口或ISO/IEC 7816機卡通道接口訪問手機通信卡，加快數字貨幣、數字身份等行業的應用G網絡下的發展。

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在今天的日常生活和工作中，人們不會離開手機，結合2021年 年5G 大規模商業、數字貨幣、數字身份應用等行業的應用發展正在全面展開[2]，以及社區門禁、公司門禁、乘坐公交車、地鐵、醫院健康卡等應用場景，想象在移動通信卡上加載上述應用場景，但是部分Android（基于Linux 智能操作系統)蘋果終端和蘋果終端無法通過ISO/IEC7816 為了解決部分問題，機卡通道訪問手機通信卡[3]Android 蘋果終端和蘋果終端無法通過ISO/IEC7816 機卡通道訪問手機通信卡的問題，集成在手機通信卡上BLE（bluetooth low energy，低功耗藍牙技術)藍牙模塊，使手機通信卡具備BLE 手機終端可以通過藍牙通信接口或藍牙通信接口ISO/IEC 7816 訪問手機通信卡的機卡通道接口。

BLE 低功耗藍牙技術具有低成本、短距離等技術特點.4GHz ISM 射頻頻段。BLE 藍牙技術采用非常快的連接方式，通常可以處于非連接狀態（節省功耗）。此時，鏈路兩端只相互了解，必要時只打開鏈路，然后在盡可能短的時間內關閉鏈路。包裝在手機通信卡上BLE 藍牙模塊，讓手機通信卡有BLE 藍牙通道，通過BLE 藍牙通道實現了手機終端與卡通通信模塊的數據交互，解決了部分手機終端無法通過ISO/IEC 7816 訪問手機通信卡的機卡通道，從而提高用戶的使用體驗，滿足用戶的各種需求。

1 BLE藍牙通信卡組成架構

BLE 藍牙通信卡的硬件組成包括通信卡SE 芯片模塊和BLE 低功耗藍牙芯片模塊兩部分[4]。采用SIP（System In a Package 系統級包裝)包裝工藝，通信卡SE 芯片和BLE藍牙芯片包裝在手機通信卡上，形成不僅具有通信功能，而且滿足各行業非接觸應用場景BLE 藍牙通信卡，BLE 藍牙通信卡的形狀與當前運營商發行的手機通信卡相同。其中BLE 低功耗藍牙芯片支持Bluetooth Specification Version 4.1 [5]標準規范及以上版本。

BLE 藍牙通信卡生態系統包括移動終端藍牙應用。BLE 低功耗藍牙芯片模塊，通信卡SE 由系統架構組成的芯片模塊。

藍牙應用和移動終端BLE 藍牙通信卡之間的所有數據交互過程都是由移動終端藍牙應用程序主動啟動的。移動終端應用程序根據藍牙接口應用層協議包裝所需的數據，然后通過藍牙接口發送BLE 藍牙通信卡，BLE 收到手機終端消息后，藍牙通信卡執行的內部邏輯處理流程如下：

1）BLE 藍牙模塊根據藍牙接口應用層協議分析收到的信息；

2)如果分析后的數據不需要發送到通信卡SE 由模塊處理BLE 直接處理藍牙模塊，按照藍牙接口應用層協議將處理結果交給移動終端響應。

如果需要后的數據需要發送到通信卡SE 由模塊處理BLE 藍牙模塊通過其與通信卡分析數據SE 模塊之間的硬件鏈路傳輸到通信卡SE 模塊處理，通信卡SE 模塊處理后，通過硬件鏈路返回處理結果BLE 最后，藍牙模塊，BLE 藍牙模塊將來自通信卡SE 根據藍牙接口應用層協議，將模塊獲得的數據處理結果包裝到手機終端。

2 BLE藍牙模塊接口要求

BLE 支持藍牙接口Paring/Bonding 模式，BLE 成功連接藍牙通信卡和手機終端后，BLE 保存藍牙通信卡LTK（Long Term Key，保證長期密鑰)BLE 藍牙通信卡不修改藍牙配對碼，BLE 當藍牙通信卡再次連接到移動終端時，無需輸入藍牙配對碼[6-7]。

2.1 藍牙廣播參數

藍牙通信中BLE 藍牙通信卡由設備制成，負責藍牙廣播。上電啟動后藍牙未連接時，BLE 藍牙通信卡繼續發送廣播數據包，直到藍牙連接到約定的廣播間隔。

藍牙廣播參數取值范圍如表1所示。

表1 藍牙廣播參數的值范圍

2.4 藍牙配對過程

BLE 藍牙通信卡作為一種設備，繼續發送藍牙廣播，手機終端作為主要設備，在收到藍牙廣播后，用戶在連接超時期內輸入正確的藍牙配對碼，BLE 藍牙通信卡藍牙模塊將向通信卡發送藍牙配對碼SE 模塊，通信卡SE 該模塊將與通信卡一起存儲SE比較中藍牙配對碼的值，并將比較結果返回藍牙模塊。如果比較結果完全一致，配對成功，建立藍牙連接。如果比較結果不一致，則配對失敗，以前的連接將自動斷開，BLE 藍牙配對藍牙通信卡。

2.5 藍牙配對過程和藍牙配對碼修改測試

在測試終端藍牙中搜索藍牙設備，搜索圖3CT藍牙卡設備名稱02000108，點擊藍牙卡設備名稱，藍牙卡和測試終端藍牙配對連接，測試終端藍牙測試工具界面彈出圖4藍牙配對請求彈出窗口，輸入正確的藍牙卡藍牙配對碼和測試終端藍牙配對，藍牙卡和測試終端藍牙功能配對連接成功。

3 BLE藍牙模塊藍牙接口通信協議

藍牙接口通信協議是手機終端和BLE 藍牙通信卡之間的應用層通信協議定義了層通信協議BLE 藍牙通信卡通過藍牙接口進行數據交互的藍牙接口通信協議可以通過藍牙接口進行APDU 發布指令或終端管理數據報告，實現數據讀寫[8-10]。

定義藍牙接口通信協議的主要內容如下：

(1)卡外實體和BLE 藍牙通信卡通過藍牙接口APDU 指令交互時發送和接收的報紙格式；

(2)設置和檢查卡外實體的藍牙接口BLE 藍牙通信卡相關藍牙參數的報紙格式；

(3)新聞交換方式。

藍牙接口通信協議結構。

手機終端和BLE 藍牙通信卡之間的協議報告交互。數據傳輸時，數據發送端根據消息長度將消息數據分成幾個包，交給通信鏈路層完成發送。接收端根據協議將收到的數據包合并成消息，完成單次數據交互。

本協議在會話層傳遞的會話信息由消息數據和2 bytes 新聞驗證和組成、驗證和使用CRC16 算法。新聞分包應嚴格遵循以下原則：

(1)每包協議字節和數據字節的總長度不得超過20 bytes；

（2）4bits 當前包裝位置從0表示x00 開始編號，最大序號為0x0E；

(3)多包發送，除尾包外，其余包必須填滿20個 bytes。

圖7 藍牙接口通信協議結構

3.1 藍牙接口通信協議消息格式

信息數據包是手機終端和BLE 數據交互載體在藍牙通信卡之間，傳輸方向為雙向傳輸。信息數據包按實際長度分包，每包協議字節和數據字節總長度不超過20 bytes，多包發送，除尾包外，其余包必須填滿20個 bytes。每個消息數據包分為包頭和數據兩部分，數據包定義如表5所示 和表6所示。

3.2 藍牙接口通信協議信息數據包示例

3.2.1 單包發送單包接收情況

3.3 藍牙接口通信協議消息傳輸

通信雙方的消息傳輸遵循一問一答的通信方式，即發送方發送消息后，需要等待消息的回復，否則不會發送下一條消息。第一包序號為0，發送人從第一包開始按照包序號的增加順序逐包發送，接收人收到消息數據包后按順序重新組合成完整消息。如果發送方發送的數據包返回錯誤，發送方需要從第一包重新發送此消息。

3.3.1 藍牙接口信息發送流程

藍牙卡與手機終端配對，連接成功后，發送指令信息。

指令信息有效數據字節長度> 16 byte(一個包的最大長度是20 byte），分包數據時，計算數據包的數量≤ 15 (除最終數據包外，其他數據包內容必須填寫20 byte），若計算出數據包總數大于最大數據包總數的限制，則返回錯誤碼，結束數據包的發送；如果計算數據包總數在最大數據包總數內，檢查每個數據包的數據字節是否≤ 20 byte，如果沒有，返回錯碼，結束數據包的發送，如果每個數據包的數據字節≤ 20 byte，數據包依次分包發送，所有數據包發送完成后，當指令信息有效數據字節長度結束時，發送指令信息； 16 byte(一個包的最大長度是20 byte），發送一個單數據包，發送成功后，發送指令信息。

發送藍牙接口信息的過程。

3.3.2 藍牙接口信息接收流程

藍牙卡與手機終端配對連接。連接成功后，接收指令信息。

在開始接收指令信息數據包后，判斷當前數據包是否為最后一個數據包。如果不是最后一個數據包，請繼續發送數據包（檢查數據包的大小≤ 20 byte，如果沒有，返回錯誤代碼)；如果是最后一個數據包，檢查最后一個數據包是否≤ 20 byte，如果不是，如果最后一個數據包最后一個數據包數據字節≤ 20 byte，判斷信息的總長度是否等于第一個數據包顯示的數據包的總長度。如果是，則表示接收指令信息數據包。如果沒有，請返回錯誤代碼。

藍牙接口信息接收流程。

圖9 藍牙接口信息接收流程

3.4 藍牙接口通信協議測試

藍牙接口通信協議測試包括藍牙協議通信功能測試和藍牙協議通信功能異常測試。

藍牙協議傳輸功能測試包括大小數據包的傳輸測試。

藍牙協議傳輸功能異常測試包括數據包總數位置測試、當前數據包位置測試、標志字節測試、長度字節測試、短數據包發送和接收測試、長數據包發送和接收測試、數據包隨機發送測試、子包泄漏測試、同一序重發測試、異常長度數據包發送測試、異常序號數據包發送測試、異常包裝數據包發送測試等。

圖10 藍牙接口通信協議測試

3.5 藍牙接口通信安全規則

對于從BLE 引入藍牙接口APDU 指令信息，通信卡SE 模塊采用和SWP 接口處理的通信接口訪問配置與接口相同SWP 接口保持一致[11]。為了安全有效地管理通信卡USIM、CSIM 等通信應用，BLE 藍牙通信卡USIM、CSIM 等待通信應用只能在那里ISO/IEC 7816 安全訪問界面，禁止在藍牙界面訪問[12-13]。

4 結束語

本文對BLE 研究和測試了藍牙通信卡的組成架構、藍牙接口要求和藍牙接口通信協議，BLE 藍牙通信卡的藍牙通道解決了一些問題Android 蘋果終端和蘋果終端無法通過ISO/IEC 7816 機卡通道訪問通信卡問題，使用其支持的藍牙通道，可配備多種卡應用，如門禁應用，實現手機終端刷卡開門，應用于社區、公司園區等。；一卡通應用，直接在公司園區刷手機消費；交通卡應用，實現公交、地鐵、地鐵、電子健康卡應用，在主要醫院輕松登記咨詢；電子車鑰匙應用，手機終端作為車鑰匙，上車時無解鎖，下車時離開鎖；以及數字貨幣、數字識別等應用場景。

參考文獻：

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[7] Bluetooth Specification Version 4.1 [Vol 3] [S].Core System Package[Host volume].03 December 2013.

[8] Bluetooth Specification Version 4.1 [Vol 4] [S].Host Controller Interface[Transport Layer].03 December 2013.

[9] Bluetooth Specification Version 4.1 [Vol 5] [S].Core System Package[AMP Controller volume].03 December2013.

[10] Bluetooth Specification Version 4.1 [Vol 6] [S].Core System Package [Low Energy Controller volume].03 December 2013.

[11] Global Platform Card Contactless Services Card Specification - Amendment C V1.0.1[S].

[12] ISO/IEC 7816-4 Identification cards-Integrated circuit cards-Part 4:Organization,security and commands for interchange[S].

[13] ETSI TS 102 225 Smart cards;Secured packet structure for UICC based applications,European Telecommunications Standards Institute Project Smart Card Platform(EP SCP)[S].

(本文來源《IC2022年4月，代理雜志