NFC近距离通讯技术全面解析

传感器技术 发表于 2018-03-22 16:25:14 收藏 已收藏
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NFC近距离通讯技术全面解析

传感器技术 发表于 2018-03-22 16:25:14

去年8月,北京地铁开始全线支持刷手机乘车,用户只需开通北京的市政交通一卡通,即可刷手机进站,这个功能就是结合手机的NFC功能开发的。

本世纪初,当人们还在把目光聚焦在介于通讯层面的五花八门的手机附加功能上时,移动支付这个全新的支付概念已经进入中国,这不但改变了人们赋予手机的传统“身份”,更加颠覆了人们传统观念中的支付手段与支付方式。NFC技术在手机上的应用,使得移动支付成为可能,这种技术尤其受到了年轻一族的热捧。

目前NFC最广泛的应用是如上所说的手机地铁票,在包括我国广州在内的多个地区试用该技术后,都得到了广泛赞誉。方便的操作过程,将使NFC技术很有可能最终取代地铁IC卡车票方案。

NFC近距离通讯技术

NFC近场通信(Near Field Communication,NFC),又称近距离无线通信,是一种短距离的高频无线通信技术,允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输(在十厘米内)交换数据。这个技术由免接触式射频识别(RFID)演变而来,并向下兼容RFID,最早由Sony和Philips各自开发成功,主要用于手机等手持设备中提供M2M(Machine to Machine)的通信。由于近场通讯具有天然的安全性,因此,NFC技术被认为在手机支付等领域具有很大的应用前景。

NFC 芯片是具有相互通信功能,并具有计算能力,在Felica标准中还含有加密逻辑电路,MIFARE的后期标准也追加了加密/解密模块(SAM)。

NFC标准兼容了索尼公司的FeliCaTM标准,以及ISO 14443 A,B,也就是使用飞利浦的MIFARE标准。在业界简称为TypeA,TypeB和TypeF,其中A,B为Mifare标准,F为Felica标准。

为了推动 NFC 的发展和普及,业界创建了一个非营利性的标准组织——NFC Forum,促进 NFC 技术的实施和标准化,确保设备和服务之间协同合作。目前,NFC Forum在全球拥有数百个成员,包括:SONY、 Phlips、LG、摩托罗拉、NXP、NEC、三星、atoam、Intel、其中中国成员有中国移动、华为、中兴、上海同耀和台湾正隆等公司。

NFC技术特点

与RFID一样,NFC信息也是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递,但两者之间还是存在很大的区别。首先,NFC是一种提供轻松、安全、迅速的通信的无线连接技术,其传输范围比RFID小,RFID的传输范围可以达到几米、甚至几十米,但由于NFC采取了独特的信号衰减技术,相对于RFID来说NFC具有距离近、带宽高、能耗低等特点。 其次,NFC与现有非接触智能卡技术兼容,目前已经成为得到越来越多主要厂商支持的正式标准。再次,NFC还是一种近距离连接协议,提供各种设备间轻松、安全、迅速而自动的通信。与无线世界中的其他连接方式相比,NFC是一种近距离的私密通信方式。最后,RFID更多的被应用在生产、物流、跟踪、资产管理上,而NFC则在门禁、公交、手机支付等领域内发挥着巨大的作用。

NFC、红外、蓝牙同为非接触传输方式,它们具有各自不同的技术特征,可以用于各种不同的目的,其技术本身没有优劣差别。

支持NFC的设备可以在主动或被动模式下交换数据。在被动模式下,启动NFC通信的设备,也称为NFC发起设备(主设备),在整个通信过程中提供射频场(RF-field),如图2所示。它可以选择106kbps、212kbps或424kbps其中一种传输速度,将数据发送到另一台设备。另一台设备称为NFC目标设备(从设备),不必产生射频场,而使用负载调制(load modulation)技术,即可以相同的速度将数据传回发起设备。此通信机制与基于ISO14443A、MIFARE和FeliCa的非接触式智能卡兼容,因此,NFC发起设备在被动模式下,可以用相同的连接和初始化过程检测非接触式智能卡或NFC目标设备,并与之建立联系。  

图1:NFC主动通信模式 

在主动模式下,每台设备要向另一台设备发送数据时,都必须产生自己的射频场。如图1所示,发起设备和目标设备都要产生自己的射频场,以便进行通信。这是对等网络通信的标准模式,可以获得非常快速的连接设置。 

图2:NFC被动通信模式。

如图2所示,移动设备主要以被动模式操作,可以大幅降低功耗,并延长电池寿命。在一个应用会话过程中,NFC设备可以在发起设备和目标设备之间切换自己的角色。利用这项功能,电池电量较低的设备可以要求以被动模式充当目标设备,而不是发起设备。 

NFC技术的发展

2004年3月18日 为了推动 NFC 的发展和普及,NXP(原飞利浦半导体)、索尼和诺基亚创建了一个非赢利性的行业协会——NFC 论坛,旨在促进 NFC 技术的实施和标准化,确保设备和服务之间协同合作。截止2007年,NFC 论坛在全球拥有超过100个成员,包括:万事达卡国际组织、松下电子工业有限公司、微软公司、摩托罗拉公司、NEC 公司、瑞萨科技公司、三星公司、德州仪器制造公司和 Visa 国际组织。2006年7月复旦微电子成为首家加入NFC联盟的中国企业,之后清华同方微电子也加入了NFC论坛。

NFC logo很好地表达了该技术的通信方式

2006年6月 NXP、诺基亚、中国移动厦门分公司与“厦门易通卡”在厦门展开NFC测试,该项合作是中国首次NFC手机支付的测试。2006年8月Nokia与银联商务公司宣布在上海启动新的NFC测试,这是继厦门之后在中国的第二个NFC试点项目,也是全球范围首次进行NFC空中下载试验。参与测试使用的NFC手机均为NOKIA 3220。

2007年3月,由欧盟委员会及信息社会技术(IST)项目共同投资,多家公司、大学和用户共同组织成立了泛欧联盟,旨在开发开放式架构,以进一步开发和部署近距离无线通信(NFC)技术,并推动其在手机中的应用。该项目名为“NFC在仓储物流及支付领域的应用(StoLPaN)”,旨在为应用于移动设备、基于NFC的服务开发一个开放式的商用和技术框架。这些架构将超越手机类型及服务性质的限制,推动基于NFC的移动应用在众多行业市场中的部署。

在NXP、诺基亚、SONY这些巨头的推动下,全球范围开展了诸多的NFC试验,进一步促进了NFC产业的商业化运作及产业链的上下联动,但在中国市场的推广与发展仍然面临着诸多的壁垒,对NFC在中国的市场我们持谨慎看好观点,当然国内已经有部分企业开始积极关注NFC产业的发展,中国移动成立了专门的NFC工作小组,并且中国移动与中国银联合资成立的联动优势有着与日本NTT DoCoMo类似的集运营商和金融机构的双重优势,NFC在中国一旦获得政策的支持与消费者认可,市场将大规模发展,但这个至少需要到3年左右的时间。

将NFC集成到移动电话平台

1.移动电话集成NFC的好处

拥有NFC的移动电话将会刺激消费者产生消费,为无线运营商、零售商和手机厂商带来商机。配备NFC的电话通过让消费者体验直观的连接方式,进而改变信息和服务的分配、付费和访问方式。NFC电话能够进行安全的移动支付和交易,还可以在移动过程中,方便地进行点对点通信以及轻松获取信息。 越来越多的消费者都在用移动电话下载付费内容,例如为其电话下载铃声(当前,移动运营商10%到15%的收入都来自于下载铃声或基于Java的小游戏)。NFC提供的下一代标准化连接,将使消费者可以访问海报、杂志和报刊亭等项目中的数字内容(铃声、歌曲、游戏、Web链接、地址和优惠券等),还支持配备NFC的手机之间的点对点传输。 现今的大多数手机都配备了蓝牙(以后还有WiFi)相关功能,所以NFC可以充当启动设备,使电话之间的数据交换传输更加便捷。NFC还支持多台手机间进行多人游戏。当今市场上的设备界面一点都不直观,从而很难利用这项技术(例如,通过滚动菜单来选择特定的蓝牙设备)。NFC允许用户与环境交互,无需浏览复杂的菜单或执行复杂的设置程序。

2.确保安全性的架构形式 

将NFC集成到移动电话平台考虑过各种架构。下面是已有或正在实施的几个架构示例:NFC器件可以集成到电话功能盖中,这与诺基亚为其3220机型开发的解决方案一致;NFC器件可以集成到电话主印刷电路板上,例如NFC器件可以集成到Wireless Dynamics公司最近发布的Secure Digital(SD)卡中。 

为了支持像支付这样的安全应用,NFC可以和一个安全芯片配合(前面介绍的智能卡仿真模式)。在这方面,该领域的几大厂商也都在考虑下面不同的选项: 

NFC+SIM(用户标识模块)安全模式:用一条或几条线路将SIM卡连接到符合NFC技术标准的非接触式芯片。在这种情况下,SIM将托管移动商务应用程序和安全密钥。天线直接连接到NFC芯片。飞利浦目前制造的NFC和智能卡IC都支持双线数字接口。NFC芯片和安全芯片之间的这个接口(S2C)与现有的非接触式标准完全兼容,并已提交给ECMA进行标准化。 绕过SIM保障NFC的安全:在这种情况下,将特定的智能卡器件安装到电话功能盖、电话主PCB或者甚至是SD卡中。支付/票证应用程序和相关的安全密钥则要存储在智能卡IC中。将NFC和智能卡IC组合在单一封装或芯片中,其单位成本最具吸引力,也可作为候选方案。 还可能最终考虑将NFC与SIM卡和专用智能卡IC结合在一起,由后面二者提供安全性能。实际上,最终选择哪种NFC和安全实施方案将受许多因素的影响。安全应用的所有权、不同参与者(移动运营商、金融服务提供商和手机厂商等)之间形成的业务伙伴关系,以及这些安全应用实际的个性化过程都将在定义最佳实施方案时起重要的作用。 

NFC与RFID区别

第一、NFC将非接触读卡器、非接触卡和点对点功能整合进一块单芯片,而rfid必须有阅读器和标签组成。RFID只能实现信息的读取以及判定,而NFC技术则强调的是信息交互。通俗的说NFC就是RFID的演进版本,双方可以近距离交换信息。NFC手机内置NFC芯片,组成RFID模块的一部分,可以当作RFID无源标签使用进行支付费用;也可以当作RFID读写器,用作数据交换与采集,还可以进行NFC手机之间的数据通信。

第二、NFC传输范围比RFID小,RFID的传输范围可以达到几米、甚至几十米,但由于NFC采取了独特的信号衰减技术,相对于RFID来说NFC具有距离近、带宽高、能耗低等特点。

第三、应用方向不同。NFC目前来看更多的是针对于消费类电子设备相互通讯,有源RFID则更擅长在长距离识别。

随着互联网的普及,手机作为互联网最直接的智能终端,必将会引起一场技术上的革命,如同以前蓝牙、USB、GPS等标配,NFC将成为日后手机最重要的标配,通过NFC技术,手机支付、看电影、坐地铁都能实现,将在我们的日常生活中发挥更大的作用。

NFC与蓝牙的区别

NFC和蓝牙(Bluetooth)都是短程通信技术,而且都被集成到移动电话。但NFC不需要复杂的设置程序。NFC也可以简化蓝牙连接。

NFC略胜蓝牙的地方在于设置程序较短,但无法达到低功率蓝牙(Bluetooth Low Energy)的速度。在两台NFC设备相互连接的设备识别过程中,使用NFC来替代人工设置会使创建连接的速度大大加快:少于十分之一秒。NFC的最大数据传输量 424 kbit/s 远小于 Bluetooth V2.1 (2.1 Mbit/s)。

虽然NFC在传输速度与距离比不上蓝牙 (小于 20 cm),但相应可以减少不必要的干扰。这让NFC特别适用于设备密集而传输变得困难的时候。相对于蓝牙,NFC兼容于现有的被动 RFID (13.56 MHzISO/IEC 18000-3) 设施。NFC的能量需求更低,与蓝牙 V4.0低能协议类似。当NFC在一台无动力的设备(比如一台关机的手机,非接触式智能信用卡,或是智能海报)上工作时,NFC的能量消耗会要大于低能蓝牙 V4.0。对于移动电话或是移动消费性电子产品来说,NFC的使用比较方便。NFC的短距离通信特性正是其优点,由于耗电量低、一次只和一台机器链接,拥有较高的保密性与安全性,NFC有利于信用卡交易时避免被盗用。NFC的目标并非是取代蓝牙等其他无线技术,而是在不同的场合、不同的领域起到相互补充的作用。

具体对比如下表:

  NFC 蓝牙 红外
网络类型 点对点 单点对多点 点对点
使用距离 ≤0.1m ≤10m ≤1m
速度 106, 212, 424 kbps
规划速率可达868 kbps
721 kbps 115kbps
2.1 Mbps ~1.0 Mbps
建立时间 < 0.1s 6s 0.5s
安全性 具备,硬件实现 具备,软件实现 不具备,使用IRFM时除外
通信模式 主动-主动/被动 主动-主动 主动-主动
成本

 

NFC的应用

NFC作为设备对设备的数据传输链路。其应用广泛,NFC应用可以分为四个基本类型。1. NFC用于智能媒体 对于配备NFC的电话,利用其读写器功能,用户只需接触智能媒体即可获取丰富的信息或下载相关内容。此智能媒体带有一个成本很低的RFID(嵌入或附加在海报中)标签,可以通过移动电话读取,借此发现当前环境下丰富多样的服务项目。并且手机可以启动移动网络服务请求,并立即按比例增加运营商的网络流量。运营商可以投资这个“即时满足”工具,通过铃声下载、移动游戏和其他收费的增值服务来增加收入。

2. NFC用于付款和购票等 最早在移动电话上使用非接触式智能卡,只是将卡粘到电话中。也并未通过非接触式卡提供任何增值服务,而且也不利用移动电话的功能或移动电话网络。之后经过改进,虽将非接触式智能卡集成到电话中,但仍然是基于传统智能卡部署的封闭系统。我们现在正见证向NFC电话发展的趋势,这种电话充分利用移动电话功能和移动电话网络,还提供卡读写器和设备对设备连接功能。 

使用非接触式智能卡的支付方式在美国和亚太地区发展势头良好。Visa、MasterCard和美国运通等信用卡的内置支付程序可以安全地存储在设备上的安全IC内。这样,NFC电话就可以充分利用现有的支付基础架构,并能够支持移动电话公司的新服务项目。 3. NFC用于电子票证 电子票证是以电子方式存储的访问权限,消费者可以购买此权限以获得娱乐场所的入场权。整个电子票证购买过程只需几秒钟,对消费者而言非常简单便捷。在收集并确认了消费者的支付信息后,电子票证将自动传输到消费者的移动电话或安全芯片中。 用户将移动电话靠近自动售票终端,即开始交易。用户与服务设备充分交互,然后通过在移动电话上确认交易,完成购买过程。到娱乐场所时,用户只需将自己的移动电话靠近安装在入口转栅上的阅读器即可,阅读器在检查了票证的有效性后允许进入。 4. NFC用于连接和作为无线启动设备

消费者希望无线连接简单便捷,但对消费者承诺的便利性和移动性却仍未兑现。虽然使用方便已成为消费者优先选择的主要动因,但安全性能也是一种必要的因素。

NFC具有成本低廉、方便易用和更富直观性等特点,这让它在某些领域显得更具潜力。如果NFC技术能得到普及,它将在很大程度上改变人们使用许多电子设备的方式,甚至改变使用信用卡、钥匙和现金的方式。

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