近場通信技術(shù)及其應(yīng)用

摘要：近場通信是繼藍牙、Wi—Fi、ZigBee后的又一種短距離無線通信技術(shù)，它以射頻識別技術(shù)為基礎(chǔ)，允許設(shè)備之間進行非接觸點對點數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)交換。為促進該技術(shù)的發(fā)展，恩智浦公司推出了PN511系列芯片，該系列芯片支持讀寫器、卡模擬以及點對點三種不同應(yīng)用模式，并可根據(jù)應(yīng)用需求在不同模式間切換。此外近場通信技術(shù)還具有帶寬高、功耗小、成本低以及良好的安全性等特點，在手機支付等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：近場通信；射頻識別；讀寫器模式；卡模式；NFCIP-1模式

0 引言
近場通信(Near Field Communication．NFC)技術(shù)是一種短距離無線通信技術(shù)，它允許設(shè)備之間進行非接觸點對點數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)交換。近場通信最初是由恩智浦(NXP)和索尼公司在2002年共同聯(lián)合開發(fā)的新一代無線通信技術(shù)，并被國際標準化組織(ISO)與國際電工委員會(IEC)等接收為標準。之后，為推動NFC技術(shù)的發(fā)展，2004年由恩智浦、索尼和諾基亞公司創(chuàng)建了NFC論壇，目前NFC論壇在全球擁有超過140個成員，其中包括許多知名企業(yè)，且發(fā)展態(tài)勢相當迅速。由于近場通信具有較高的安全性，因而被認為在移動支付等領(lǐng)域具有很廣的應(yīng)用前景，尤其是當前智能手機的普及，使得在不久的將來NFC技術(shù)與手機結(jié)合可以完全替代各種卡片、證件等，實現(xiàn)只需一部手機就能干所有事的目標。

1 常見短距離無線通信方式
隨著電子技術(shù)的發(fā)展和各種便攜式通信設(shè)備的不斷增加，人們對于各種設(shè)備間的信息交互有了強烈的需求，希望通過一個小型的、短距離的無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)在任何地點、任何時候與任何人進行通信與數(shù)據(jù)交換，從而促使以藍牙、Wi-Fi、ZigBee、NFC、超寬帶(UWB)等技術(shù)為代表的短距離無線通信技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。短距離無線通信技術(shù)的基本特征為低成本、低功耗和對等性。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率，短距離無線通信技術(shù)可分為高速短距離無線通信和低速短距離無線通信。高速短距離無線通信最高速率大于100 Mb／s，通信距離小于10 m，典型技術(shù)有高速UWB和60 GHz；低速短距離無線通信最低速率小于1 Mb／s，通信距離小于100 m，典型技術(shù)有低速UWB、ZigBee、藍牙。目前藍牙、WiFi(80 2．11)、ZigBee、紅外(IrDA)、超寬帶、近場通信(NFC)等短距離無線通信技術(shù)較受關(guān)注，它們在傳輸速度、傳輸距離、功耗、可擴展性等方面各有優(yōu)勢，但沒有一種技術(shù)可以滿足所有應(yīng)用需求。
藍牙是一種使用全球通用的2．4 GHz ISM頻段的短距離無線通信技術(shù)規(guī)范，自藍牙規(guī)范1．0版推出后到現(xiàn)在的4．0核心規(guī)范，藍牙技術(shù)的推廣與應(yīng)用得到了快速發(fā)展。藍牙技術(shù)的主要特點有全球范圍適用、可同時傳輸語音和數(shù)據(jù)、可以建立臨時性的對等連接、具有較強的抗干擾能力、很小的體積、開放的標準接口以及低功耗、低成本等。
WiFi技術(shù)與藍牙技術(shù)一樣也是使用2. 4 GHz ISM附近的無線頻段，該技術(shù)目前有兩個標準即IEEE 802.11a和IEEE 802．11b。WiFi技術(shù)的主要特點有數(shù)據(jù)傳輸速率高、覆蓋范圍較寬，適合在辦公室、家庭以及公共場所中布設(shè)熱點，可作為有線寬帶的一種延伸與補充。
ZigBee主要應(yīng)用在對數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高的場合，使用的頻段分別為2．4 GHz和868 MHz／915 MHz，是一種基于IEEE 802. 15．4標準的低復(fù)雜度、低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)速率、短時延、大容量、高安全的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特別適合于星狀、簇狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)應(yīng)用，并具有自組織、自維護能力。
超寬帶技術(shù)是一種利用納秒級的非正弦波窄脈沖進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線載波通信技術(shù)，因而其所占的頻譜范圍非常寬，在3．1～60 GHz頻段中占用500 MHz以上的帶寬，在10 m左右范圍內(nèi)支持高達110 Mb／s的數(shù)據(jù)傳輸速率，特別適合視頻數(shù)據(jù)傳輸，具有傳輸速率高、良好的通信保密性、極強的穿透能力以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)較簡單等特點。
紅外通信是利用900 nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒介，由于波長較短，因而更適合應(yīng)用于短距離點對點的直線數(shù)據(jù)傳輸，具有簡單、小型和低成本的優(yōu)點，目前絕大多數(shù)家用電器中的遙控器就是使用了紅外數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

2 近場通信與射頻識別技術(shù)的區(qū)別
射頻識別技術(shù)是20世紀90年代興起的一項自動識別技術(shù)，又稱為電子標簽技術(shù)，它利用無線電射頻方式進行非接觸雙向通信。在RFID系統(tǒng)中主要由射頻卡(應(yīng)答器)和讀寫器組成，射頻卡和讀寫器之間通過電感耦合或電磁耦合方式實現(xiàn)能量和數(shù)據(jù)的傳輸。在電感耦合方式的RFID系統(tǒng)中，一般采用低頻和高頻頻率，典型頻率有125 kHz、135 kHz、6．78 MHz、13．56 MHz和27．125 MHz。該方式的讀取距離一般在0～100 cm，涉及的標準有ISO11784／11785、ISO14443、ISO15693和ISO18000-3等。在電磁反向散射耦合方式的RFID系統(tǒng)中，一般適合于微波頻段，典型頻率有433 MHz、800 MHz／900 MHz、2．45 GHz和5. 8 GHz。該方式的讀取距離一般大于1 m，涉及的標準有ISO18000-4、ISO180 00-6和ISO18000-7等。目前在RFID系統(tǒng)中，射頻卡和讀寫器均有各自號用芯片，有的讀寫器專用芯片還支持多協(xié)議，但射頻卡和讀寫器之間不能進行角色互換。
NFC是從射頻識別技術(shù)演變而來的，與其相近的是頻率為13. 56 MHz、符合ISO14443標準的高頻RFID系統(tǒng)。NFC技術(shù)在單一芯片上實現(xiàn)了讀卡器、卡片和點對點的多重功能，即根據(jù)不同應(yīng)用需求可在不同工作模式間轉(zhuǎn)換，可以在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進行相互識別和數(shù)據(jù)交換。與射頻識別一樣，近場通信中數(shù)據(jù)也是通過電感耦合方式傳遞，但近場通信由于采取了特殊的信號衰減技術(shù)，其傳輸范圍比射頻識別要小，相對于射頻識別來說近場通信具有成本低、帶寬高、功耗小等特點。與射頻識別不同的是，近場通信具有雙向連接和識別的特點，且其傳輸速率可變?yōu)?06 Kb／s，212 Kb／s，424 Kb／s或更高，而ISO14443標準下的RFID系統(tǒng)其傳輸速率單一且固定為106 Kb／s。另外在安全性方面，近場通信更安全，響應(yīng)時間更短，更適合在移動支付等無線短距離傳輸環(huán)境下的應(yīng)用。

3 PN511系列芯片原理及應(yīng)用
PN511、PN512、PN531、PN533以及PN544是NXP公司推出的系列NFC芯片。該系列NFC芯片支持卡、讀寫器及NFC三種不同的應(yīng)用模式，工作頻率均為13．56 MHz，作用距離為10 cm左右，數(shù)據(jù)傳輸速率可以選擇106 Kb／s，212 Kb／s，424 Kb／s，今后可提高至1 Mb／s，兼容應(yīng)用廣泛的ISO14443 Type-A、B以及FeliCa標準。
3．1 基本原理
與RFID一樣，NFC工作于13．56 MHz頻率范圍，兼容ISO14443及Felica標準，也是通過電感耦合方式傳遞數(shù)據(jù)。與RFID不同的是，NFC的傳輸范嗣比RFID小，具有雙向連接和識別的特點，其傳輸速率可變。下面以PN511為例進行分析。
PN511支持3種不同的工作模式：支持ISO14443A／Mifare和Felica模式的讀寫器模式；支持ISO14443A／Mifare和FeliCa模式的卡工作模式；NFCIP-1模式。
此外，PN512與PN511的區(qū)別是還支持ISO14443B讀寫器模式，而PN531與PN511、PN512的區(qū)別是內(nèi)部增加了一個51內(nèi)核的微處理器，并且提供多種接口。PN533不僅支持完整的卡協(xié)議，還支持Mifare Crypto加密算法，傳輸速率可達848 Kb／s。PN544是第二代NFC控制器，功能更強大，應(yīng)用于手機和便攜式設(shè)備。
3. 1. 1 讀寫器模式
PN511通常支持2種讀寫器模式，即ISO14443A／Mifare讀寫器或FeliCa讀寫器．如圖1所示。在讀寫器模式下，PN511能夠與非接觸ISO14 443A／Mifare、FeliCa卡進行通信。

(1)ISO14443A／Mifare讀寫器模式
ISO14443A／Mifare讀寫器模式是根據(jù)ISO14443A／Mifare規(guī)范進行通信的普通讀寫器，圖2描述了通信過程，表1列出了通信參數(shù)。

(2)FeliCa讀寫器模式
FeliCa讀寫器模式是根據(jù)FeliCa規(guī)范進行通信的普通讀寫器。圖3描述了通信過程，表2列出了通信參數(shù)。

3．1．2 卡模式
PN511可以像ISO14443A／Mifare或FeliCa卡那樣尋址，并可以根據(jù)ISO14443A／Mifare或FeliCa接口所描述的采用負載調(diào)制的方法產(chǎn)生應(yīng)答。但PN511不支持完整的卡協(xié)議，須由控制器或?qū)ｉT的安全訪問模塊(SAM)來處理。如圖4所示。Mifare卡工作模式通信參數(shù)、FeliCa卡工作模式通信參數(shù)同上。

3．1．3 NFCIP-1模式
PN511支持NFCIP-1標準的主動式和被動式通信模式。主動式通信指主設(shè)備與目標設(shè)備都使用自己的射頻場來發(fā)送數(shù)據(jù)，被動式通信指目標設(shè)備采用負載調(diào)制的方法對發(fā)起端命令進行應(yīng)答。傳輸速率為NFCIP-1標準所定義的106 Kb／s，212 Kb／s和424 Kb／s。如圖5所示。其中主設(shè)備指產(chǎn)生射頻能量場并發(fā)起NFCIP-1通信，目標設(shè)備指采用被動式通信模式中的負載調(diào)制方法或使用主動式通信模式中自己生成和調(diào)制的射頻場來對主設(shè)備的命令作出響應(yīng)。

(1)主動式通信模式
在主動模式下，主設(shè)備和目標設(shè)備都使用自己的射頻場來發(fā)送數(shù)據(jù)，這是對等網(wǎng)絡(luò)通信的標準模式，可以獲得快速的連接設(shè)置。通信雙方采用發(fā)送前偵聽協(xié)議來發(fā)起一個半雙工通信。如圖6所示。

(2)被動式通信模式
在被動模式下，主設(shè)備產(chǎn)生射頻場并選擇一種傳輸速率將數(shù)據(jù)發(fā)送到目標設(shè)備，目標設(shè)備不必產(chǎn)生射頻場，而采用負載調(diào)制方式對主設(shè)備命令進行應(yīng)答。如圖7所示。
3．2 主要應(yīng)用
NXP公司的NFC系列芯片支持3種工作模式，即讀寫器模式、卡模擬模式、點對點模式。
在讀寫器模式下，可以作為非接觸讀寫器使用，支持ISO14443A／Mifare或FeliCa標準，實現(xiàn)與標準RFID讀寫器相同的功能，如門禁讀卡器等。
在卡模擬模式下，可以模擬成一張非接觸卡，支持ISO14443A／Mifare或FeliCa標準，但不支持完整的卡協(xié)議，不能完全替代標準RFID卡，如門禁卡(只識別序列號)等。
在點對點模式下，可以實現(xiàn)兩個設(shè)備間點對點數(shù)據(jù)傳輸。使用該模式，多個具有NFC功能的設(shè)備之間就可以進行無線互連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

4 近場通信技術(shù)在移動支付中的應(yīng)用
隨著移動通信等技術(shù)的發(fā)展，手機尤其是智能手機已成為人們生活中不可或缺的一部分。以手機為載體，通過手機對所消費的商品或服務(wù)進行賬務(wù)支付已日益成為國內(nèi)外市場的熱點。當前使用手機就可以實現(xiàn)移動支付、身份驗證、一卡通、電子門禁、電子門票等多種應(yīng)用。目前移動支付具有兩種基本支付方式，即基于近距離通信技術(shù)的現(xiàn)場支付業(yè)務(wù)和基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的遠程支付業(yè)務(wù)。
由于移動支付涉及從芯片、卡片、手機終端、POS機到后臺系統(tǒng)等諸多環(huán)節(jié)，因而是一個跨行業(yè)的應(yīng)用。國內(nèi)在移動支付應(yīng)用上的解決方案主要有：
(1)基于13. 56 MHz非接觸技術(shù)的NFC方案；
(2)基于13．56 MHz非接觸技術(shù)的雙界面卡方案；
(3)13. 56 MHz非接觸技術(shù)的SD卡方案；
(4)基于2．4 GHz的RF-SIM卡方案。
目前被國內(nèi)主流運營商認可的是基于13.56 MHz非接觸技術(shù)的NFC方案。該方案有兩種實現(xiàn)方式：一種是將非接觸通信前端、安全芯片集成在手機上，但改造成本較高，未獲得大規(guī)模商用；另一種是將支付應(yīng)用與射頻模塊分離，在移動終端中增加射頻模塊及天線，由于安全模塊集成在SIM卡上，用戶更換手機后，所有原來的服務(wù)仍可以繼續(xù)使用，現(xiàn)在市場上已有支持NFC功能的智能手機。后一種方式還可以支持卡模擬模式、讀卡器模式和點對點模式，另外通過SIM卡本身的安全機制以及不同應(yīng)用間的隔離因而在安全性上也具有明顯的優(yōu)勢。

5 結(jié)語
短距離無線通信技術(shù)旨在解決設(shè)備之間近距離互連問題，其有效通信距離在厘米到百米的范圍內(nèi)，在眾多短距離無線通信技術(shù)中，近場通信是一項很有特色的短距離無線通信技術(shù)。近場通信的短距離交互簡化了認證識別過程，使電子設(shè)備之間的互相訪問更直接與安全。通過NFC，手機、數(shù)碼相機等移動設(shè)備間可以方便快捷地進行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。隨著在手機支付、電子門禁等領(lǐng)域的成功應(yīng)用，NFC技術(shù)將更加普及，同時與手機的結(jié)合也將越來越緊密。