近場通信技術及其應用

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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，它以射頻識別技術為基礎，允許設備之間進行非接觸點對點數據傳輸和數據交換。為促進該技術的發展，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用模式，并可根據應用需求在不同模式間切換。此外近場通信技術還具有帶寬高、功耗小、成本低以及良好的安全性等特點，在手機支付等領域具有廣闊的應用前景。
關鍵詞：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)技術是一種短距離無線通信技術，它允許設備之間進行非接觸點對點數據傳輸和數據交換。近場通信最初是由恩智浦(NXP)和索尼公司在2002年共同聯合開發的新一代無線通信技術，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技術的發展，2004年由恩智浦、索尼和諾基亞公司創建了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，且發展態勢相當迅速。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域具有很廣的應用前景，尤其是當前智能手機的普及，使得在不久的將來NFC技術與手機結合可以完全替代各種卡片、證件等，實現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
隨著電子技術的發展和各種便攜式通信設備的不斷增加，人們對于各種設備間的信息交互有了強烈的需求，希望通過一個小型的、短距離的無線網絡實現在任何地點、任何時候與任何人進行通信與數據交換，從而促使以藍牙、Wi-Fi、ZigBee、NFC、超寬帶(UWB)等技術為代表的短距離無線通信技術的產生和發展。短距離無線通信技術的基本特征為低成本、低功耗和對等性。根據數據傳輸速率，短距離無線通信技術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較受關注，它們在傳輸速度、傳輸距離、功耗、可擴展性等方面各有優勢，但沒有一種技術可以滿足所有應用需求。
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規范，自藍牙規范1．0版推出后到現在的4．0核心規范，藍牙技術的推廣與應用得到了快速發展。藍牙技術的主要特點有全球范圍適用、可同時傳輸語音和數據、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技術與藍牙技術一樣也是使用2. 4 GHz ISM附近的無線頻段，該技術目前有兩個標準即IEEE 802.11a和IEEE 802．11b。WiFi技術的主要特點有數據傳輸速率高、覆蓋范圍較寬，適合在辦公室、家庭以及公共場所中布設熱點，可作為有線寬帶的一種延伸與補充。
ZigBee主要應用在對數據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標準的低復雜度、低功耗、低成本、低數據速率、短時延、大容量、高安全的無線網絡技術，特別適合于星狀、簇狀和網狀結構應用，并具有自組織、自維護能力。
超寬帶技術是一種利用納秒級的非正弦波窄脈沖進行數據傳輸的無線載波通信技術，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左右范圍內支持高達110 Mb／s的數據傳輸速率，特別適合視頻數據傳輸，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結構實現較簡單等特點。
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，因而更適合應用于短距離點對點的直線數據傳輸，具有簡單、小型和低成本的優點，目前絕大多數家用電器中的遙控器就是使用了紅外數據傳輸技術。
2 近場通信與射頻識別技術的區別
射頻識別技術是20世紀90年代興起的一項自動識別技術，又稱為電子標簽技術，它利用無線電射頻方式進行非接觸雙向通信。在RFID系統中主要由射頻卡(應答器)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能量和數據的傳輸。在電感耦合方式的RFID系統中，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。NFC技術在單一芯片上實現了讀卡器、卡片和點對點的多重功能，即根據不同應用需求可在不同工作模式間轉換，可以在短距離內與兼容設備進行相互識別和數據交換。與射頻識別一樣，近場通信中數據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，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，且其傳輸速率可變為106 Kb／s，212 Kb／s，424 Kb／s或更高，而ISO14443標準下的RFID系統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，響應時間更短，更適合在移動支付等無線短距離傳輸環境下的應用。
3 PN511系列芯片原理及應用
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三種不同的應用模式，工作頻率均為13．56 MHz，作用距離為10 cm左右，數據傳輸速率可以選擇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據。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的區別是還支持ISO14443B讀寫器模式，而PN531與PN511、PN512的區別是內部增加了一個51內核的微處理器，并且提供多種接口。PN533不僅支持完整的卡協議，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，應用于手機和便攜式設備。
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ISO14443A／Mifare規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。

(2)FeliCa讀寫器模式
FeliCa讀寫器模式是根據FeliCa規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。

3．1．2 卡模式
PN511可以像ISO14443A／Mifare或FeliCa卡那樣尋址，并可以根據ISO14443A／Mifare或FeliCa接口所描述的采用負載調制的方法產生應答。但PN511不支持完整的卡協議，須由控制器或專門的安全訪問模塊(SAM)來處理。如圖4所示。Mifare卡工作模式通信參數、FeliCa卡工作模式通信參數同上。

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。主動式通信指主設備與目標設備都使用自己的射頻場來發送數據，被動式通信指目標設備采用負載調制的方法對發起端命令進行應答。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。其中主設備指產生射頻能量場并發起NFCIP-1通信，目標設備指采用被動式通信模式中的負載調制方法或使用主動式通信模式中自己生成和調制的射頻場來對主設備的命令作出響應。

(1)主動式通信模式
在主動模式下，主設備和目標設備都使用自己的射頻場來發送數據，這是對等網絡通信的標準模式，可以獲得快速的連接設置。通信雙方采用發送前偵聽協議來發起一個半雙工通信。如圖6所示。

(2)被動式通信模式
在被動模式下，主設備產生射頻場并選擇一種傳輸速率將數據發送到目標設備，目標設備不必產生射頻場，而采用負載調制方式對主設備命令進行應答。如圖7所示。
3．2 主要應用
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，可以實現兩個設備間點對點數據傳輸。使用該模式，多個具有NFC功能的設備之間就可以進行無線互連，實現數據交換。
4 近場通信技術在移動支付中的應用
隨著移動通信等技術的發展，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進行賬務支付已日益成為國內外市場的熱點。當前使用手機就可以實現移動支付、身份驗證、一卡通、電子門禁、電子門票等多種應用。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的現場支付業務和基于無線通信網絡的遠程支付業務。
由于移動支付涉及從芯片、卡片、手機終端、POS機到后臺系統等諸多環節，因而是一個跨行業的應用。國內在移動支付應用上的解決方案主要有：
(1)基于13. 56 MHz非接觸技術的NFC方案；
(2)基于13．56 MHz非接觸技術的雙界面卡方案；
(3)13. 56 MHz非接觸技術的SD卡方案；
(4)基于2．4 GHz的RF-SIM卡方案。
目前被國內主流運營商認可的是基于13.56 MHz非接觸技術的NFC方案。該方案有兩種實現方式：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，未獲得大規模商用；另一種是將支付應用與射頻模塊分離，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，所有原來的服務仍可以繼續使用，現在市場上已有支持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用間的隔離因而在安全性上也具有明顯的優勢。
5 結語
短距離無線通信技術旨在解決設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，在眾多短距離無線通信技術中，近場通信是一項很有特色的短距離無線通信技術。近場通信的短距離交互簡化了認證識別過程，使電子設備之間的互相訪問更直接與安全。通過NFC，手機、數碼相機等移動設備間可以方便快捷地進行連接，實現數據交換。隨著在手機支付、電子門禁等領域的成功應用，NFC技術將更加普及，同時與手機的結合也將越來越緊密。