浅析NFC硬件架构

由于能够以无线方式实现数英寸范围内的数据传送，近场通信(NFC)开启了一个新技术时代。其整个生态系统完全支持从非接触支付卡到移动设备间认证的各种应用。这种生态系统包括诸如具有NFC功能的微控制器等芯片、无线事务处理方面的标准，以及处理各种通信任务的协议堆栈。

非接触支付卡已经可在全球51,000个商业网点使用。像智能手机和平板电脑等具有NFC的设备可以模拟非接触支付卡。这些设备可用于各种服务，例如电子票务、电子优惠券；安全文件共享；办公室、家庭和汽车内的接入控制。借助NFC技术和地理目标技术，谷歌去年发布谷歌钱包NFC支付计划时就与Citi、First Data、MasterCard和Sprint等公司建立了合作伙伴关系。

与此同时，生物特征辨识护照也使用非接触智能卡来增强安全性能。所谓的智能海报系统则通过不同的方式来开展基于位置的交互式广告业务。对于后一种系统而言，用户可以将具有NFC功能的手机在海报的射频标签(RFID)上方扫过，从而进行广告业务访问，然后手机通过移动网络连接到合适的后端服务器。在用户和海报标识(ID)等数据的基础上，服务器将回送针对用户和物理位置而剪裁过的信息。用户因此可以了解某种产品或服务，或者获取优惠券以及进行预约。

为了保护安全性，像智能卡和安全单元IC等器件提供了硬件方式的防篡改特色功能、用于认证的公钥基础架构(PKI)加速功能以及通信信道和/或内容的硬件加密功能。这些特色功能可以满足高级EMV(Eruopay、MasterCard和Visa)安全要求。支撑软件范围从驱动程序、中间件到软件开发套件十分广泛。

除了NFC硬件和软件之外，还有移动网络运营商和事务处理服务提供商组成的生态系统。可信任服务管理平台(TSM)将移动网络运营商、银行、服务提供商和NFC移动设备链接在一起。像Isis(北美地区的AT&T、T-Mobile和Verizon联合组建的一家合资公司)等移动网络运营商也提供TSM功能。

NFC硬件架构

图1显示了手机中的一种可能的NFC实现。像瑞萨RF21近场通信控制器等无接触前端(CLF)主要完成射频连接,以及与手机应用处理器和用户身份模块(SIM)卡的接口功能。

图1：在某种场合，手机可以使用非接触前端(CLF)整合NFC功能。下一代集成式方案能提供更大灵活性。

图2是另外一种配置，它将CLF集成在瑞萨RF21S等安全微控制器内部，因此进一步提高了灵活性。这种下一代方法可以根据要求使NFC功能独立于SIM卡或与SIM卡一起工作。安全的NFC微控制器可以实现许多应用要求的所有功能，这些应用有EMV财务事项、运输系统支付卡、票务和身份证等。

图2：在下一代NFC实现中，微控制器将集成CLF和安全单元(SE)，从而支持使用内部SE或外部SIM卡的通用NFC事务处理功能。

另外，这种微控制器支持NFC调制解调功能，因此能够通过手机中的SIM卡或其它安全单元实现额外服务。由于这种方法最大限度地实现了多功能性，因此这种微控制器也适合零售设备、笔记本电脑和平板电脑中的应用。

另外一种配置方法在SD卡中实现了与NFC有关的所有功能。对于只有一个SD卡插槽的移动设备，用户可以插入该卡实现即时NFC功能。这种实现方法的一个问题是射频接收的持续性，但银行可能偏向于它，因为它能保持独立于手机生态系统。这种方法还允许不具备NFC功能的产品支持NFC服务，虽然目前来说主要采用的是卡模拟模式。

移动电话、公司标识或任何其它设备都可以使用非接触粘贴标签(在制造过程中像三明治一样预压在设备外壳中的嵌入物)实现NFC功能。

另外，NFC-USIM嵌入物将安全NFC微控制器和柔性射频天线整合在一起，可以与SIM卡一起安装进手机SIM插槽并提供NFC服务。这种单元在本地完成NFC功能，然后将与通用SIM有关的信号传送到主控制器。

有三种协议堆栈能以不同模式实现与NFC目标的通信：点到点堆栈，卡模拟堆栈和读出/写入堆栈。图3显示了这些堆栈如何适配进NFC架构。

图3：NFC可以工作在三种模式下，每种模式都得到设备主处理器上的一种协议堆栈支持。

在由Inside Secure公司赞助的一种开源版本中推出了开放式NFC，它提供了一种完整的NFC中间件解决方案，可用于开发移动电话、嵌入式产品和其它设备。这种堆栈覆盖了从低层射频控制到NFC论坛规定的标签处理等广泛的功能范围。开发人员可以在从内核实时操作系统应用程序，到用于Android的开放式NFC等各种平台上使用这种堆栈。

NFC的主要挑战是判断如何发挥这种技术的优势实现目标产品。具体挑战包括如何在手机中仔细设计，以避免来自其它元件的磁场干扰。同样，鉴于NFC日益流行，开发人员需要管理将多个安全单元器件整合进一个移动产品的复杂性。

确保NFC的可靠性、安全性和易用性对任何NFC解决方案来说都是至关重要的目标，因为消费者的接受度是技术成功的关键。随着消费者对具有NFC功能的产品逐步熟悉，今后几年NFC应用的范围将快速扩展。