近场通信技术及其应用

摘要：近场通信是继蓝牙、Wi—Fi、ZigBee后的又一种短距离无线通信技术，它以射频识别技术为基础，允许设备之间进行非接触点对点数据传输和数据交换。为促进该技术的发展，恩智浦公司推出了PN511系列芯片，该系列芯片支持读写器、卡模拟以及点对点三种不同应用模式，并可根据应用需求在不同模式间切换。此外近场通信技术还具有带宽高、功耗小、成本低以及良好的安全性等特点，在手机支付等领域具有广阔的应用前景。
关键词：近场通信；射频识别；读写器模式；卡模式；NFCIP-1模式

0 引言
    近场通信(Near Field Communication．NFC)技术是一种短距离无线通信技术，它允许设备之间进行非接触点对点数据传输和数据交换。近场通信最初是由恩智浦(NXP)和索尼公司在2002年共同联合开发的新一代无线通信技术，并被国际标准化组织(ISO)与国际电工委员会(IEC)等接收为标准。之后，为推动NFC技术的发展，2004年由恩智浦、索尼和诺基亚公司创建了NFC论坛，目前NFC论坛在全球拥有超过140个成员，其中包括许多知名企业，且发展态势相当迅速。由于近场通信具有较高的安全性，因而被认为在移动支付等领域具有很广的应用前景，尤其是当前智能手机的普及，使得在不久的将来NFC技术与手机结合可以完全替代各种卡片、证件等，实现只需一部手机就能干所有事的目标。

1 常见短距离无线通信方式
    随着电子技术的发展和各种便携式通信设备的不断增加，人们对于各种设备间的信息交互有了强烈的需求，希望通过一个小型的、短距离的无线网络实现在任何地点、任何时候与任何人进行通信与数据交换，从而促使以蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、NFC、超宽带(UWB)等技术为代表的短距离无线通信技术的产生和发展。短距离无线通信技术的基本特征为低成本、低功耗和对等性。根据数据传输速率，短距离无线通信技术可分为高速短距离无线通信和低速短距离无线通信。高速短距离无线通信最高速率大于100 Mb／s，通信距离小于10 m，典型技术有高速UWB和60 GHz；低速短距离无线通信最低速率小于1 Mb／s，通信距离小于100 m，典型技术有低速UWB、ZigBee、蓝牙。目前蓝牙、WiFi(80 2．11)、ZigBee、红外(IrDA)、超宽带、近场通信(NFC)等短距离无线通信技术较受关注，它们在传输速度、传输距离、功耗、可扩展性等方面各有优势，但没有一种技术可以满足所有应用需求。
    蓝牙是一种使用全球通用的2．4 GHz ISM频段的短距离无线通信技术规范，自蓝牙规范1．0版推出后到现在的4．0核心规范，蓝牙技术的推广与应用得到了快速发展。蓝牙技术的主要特点有全球范围适用、可同时传输语音和数据、可以建立临时性的对等连接、具有较强的抗干扰能力、很小的体积、开放的标准接口以及低功耗、低成本等。
    WiFi技术与蓝牙技术一样也是使用2. 4 GHz ISM附近的无线频段，该技术目前有两个标准即IEEE 802.11a和IEEE 802．11b。WiFi技术的主要特点有数据传输速率高、覆盖范围较宽，适合在办公室、家庭以及公共场所中布设热点，可作为有线宽带的一种延伸与补充。
    ZigBee主要应用在对数据传输速率要求不高的场合，使用的频段分别为2．4 GHz和868 MHz／915 MHz，是一种基于IEEE 802. 15．4标准的低复杂度、低功耗、低成本、低数据速率、短时延、大容量、高安全的无线网络技术，特别适合于星状、簇状和网状结构应用，并具有自组织、自维护能力。
    超宽带技术是一种利用纳秒级的非正弦波窄脉冲进行数据传输的无线载波通信技术，因而其所占的频谱范围非常宽，在3．1～60 GHz频段中占用500 MHz以上的带宽，在10 m左右范围内支持高达110 Mb／s的数据传输速率，特别适合视频数据传输，具有传输速率高、良好的通信保密性、极强的穿透能力以及系统结构实现较简单等特点。
    红外通信是利用900 nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒介，由于波长较短，因而更适合应用于短距离点对点的直线数据传输，具有简单、小型和低成本的优点，目前绝大多数家用电器中的遥控器就是使用了红外数据传输技术。

2 近场通信与射频识别技术的区别
    射频识别技术是20世纪90年代兴起的一项自动识别技术，又称为电子标签技术，它利用无线电射频方式进行非接触双向通信。在RFID系统中主要由射频卡(应答器)和读写器组成，射频卡和读写器之间通过电感耦合或电磁耦合方式实现能量和数据的传输。在电感耦合方式的RFID系统中，一般采用低频和高频频率，典型频率有125 kHz、135 kHz、6．78 MHz、13．56 MHz和27．125 MHz。该方式的读取距离一般在0～100 cm，涉及的标准有ISO11784／11785、ISO14443、ISO15693和ISO18000-3等。在电磁反向散射耦合方式的RFID系统中，一般适合于微波频段，典型频率有433 MHz、800 MHz／900 MHz、2．45 GHz和5. 8 GHz。该方式的读取距离一般大于1 m，涉及的标准有ISO18000-4、ISO180 00-6和ISO18000-7等。目前在RFID系统中，射频卡和读写器均有各自号用芯片，有的读写器专用芯片还支持多协议，但射频卡和读写器之间不能进行角色互换。
    NFC是从射频识别技术演变而来的，与其相近的是频率为13. 56 MHz、符合ISO14443标准的高频RFID系统。NFC技术在单一芯片上实现了读卡器、卡片和点对点的多重功能，即根据不同应用需求可在不同工作模式间转换，可以在短距离内与兼容设备进行相互识别和数据交换。与射频识别一样，近场通信中数据也是通过电感耦合方式传递，但近场通信由于采取了特殊的信号衰减技术，其传输范围比射频识别要小，相对于射频识别来说近场通信具有成本低、带宽高、功耗小等特点。与射频识别不同的是，近场通信具有双向连接和识别的特点，且其传输速率可变为106 Kb／s，212 Kb／s，424 Kb／s或更高，而ISO14443标准下的RFID系统其传输速率单一且固定为106 Kb／s。另外在安全性方面，近场通信更安全，响应时间更短，更适合在移动支付等无线短距离传输环境下的应用。

3 PN511系列芯片原理及应用
    PN511、PN512、PN531、PN533以及PN544是NXP公司推出的系列NFC芯片。该系列NFC芯片支持卡、读写器及NFC三种不同的应用模式，工作频率均为13．56 MHz，作用距离为10 cm左右，数据传输速率可以选择106 Kb／s，212 Kb／s，424 Kb／s，今后可提高至1 Mb／s，兼容应用广泛的ISO14443 Type-A、B以及FeliCa标准。
3．1 基本原理
    与RFID一样，NFC工作于13．56 MHz频率范围，兼容ISO14443及Felica标准，也是通过电感耦合方式传递数据。与RFID不同的是，NFC的传输范嗣比RFID小，具有双向连接和识别的特点，其传输速率可变。下面以PN511为例进行分析。
    PN511支持3种不同的工作模式：支持ISO14443A／Mifare和Felica模式的读写器模式；支持ISO14443A／Mifare和FeliCa模式的卡工作模式；NFCIP-1模式。
    此外，PN512与PN511的区别是还支持ISO14443B读写器模式，而PN531与PN511、PN512的区别是内部增加了一个51内核的微处理器，并且提供多种接口。PN533不仅支持完整的卡协议，还支持Mifare Crypto加密算法，传输速率可达848 Kb／s。PN544是第二代NFC控制器，功能更强大，应用于手机和便携式设备。
3. 1. 1 读写器模式
    PN511通常支持2种读写器模式，即ISO14443A／Mifare读写器或FeliCa读写器．如图1所示。在读写器模式下，PN511能够与非接触ISO14 443A／Mifare、FeliCa卡进行通信。

    (1)ISO14443A／Mifare读写器模式
    ISO14443A／Mifare读写器模式是根据ISO14443A／Mifare规范进行通信的普通读写器，图2描述了通信过程，表1列出了通信参数。

    (2)FeliCa读写器模式
    FeliCa读写器模式是根据FeliCa规范进行通信的普通读写器。图3描述了通信过程，表2列出了通信参数。

3．1．2 卡模式
    PN511可以像ISO14443A／Mifare或FeliCa卡那样寻址，并可以根据ISO14443A／Mifare或FeliCa接口所描述的采用负载调制的方法产生应答。但PN511不支持完整的卡协议，须由控制器或专门的安全访问模块(SAM)来处理。如图4所示。Mifare卡工作模式通信参数、FeliCa卡工作模式通信参数同上。

3．1．3 NFCIP-1模式
    PN511支持NFCIP-1标准的主动式和被动式通信模式。主动式通信指主设备与目标设备都使用自己的射频场来发送数据，被动式通信指目标设备采用负载调制的方法对发起端命令进行应答。传输速率为NFCIP-1标准所定义的106 Kb／s，212 Kb／s和424 Kb／s。如图5所示。其中主设备指产生射频能量场并发起NFCIP-1通信，目标设备指采用被动式通信模式中的负载调制方法或使用主动式通信模式中自己生成和调制的射频场来对主设备的命令作出响应。

    (1)主动式通信模式
    在主动模式下，主设备和目标设备都使用自己的射频场来发送数据，这是对等网络通信的标准模式，可以获得快速的连接设置。通信双方采用发送前侦听协议来发起一个半双工通信。如图6所示。

    (2)被动式通信模式
    在被动模式下，主设备产生射频场并选择一种传输速率将数据发送到目标设备，目标设备不必产生射频场，而采用负载调制方式对主设备命令进行应答。如图7所示。
3．2 主要应用
    NXP公司的NFC系列芯片支持3种工作模式，即读写器模式、卡模拟模式、点对点模式。
    在读写器模式下，可以作为非接触读写器使用，支持ISO14443A／Mifare或FeliCa标准，实现与标准RFID读写器相同的功能，如门禁读卡器等。
    在卡模拟模式下，可以模拟成一张非接触卡，支持ISO14443A／Mifare或FeliCa标准，但不支持完整的卡协议，不能完全替代标准RFID卡，如门禁卡(只识别序列号)等。
    在点对点模式下，可以实现两个设备间点对点数据传输。使用该模式，多个具有NFC功能的设备之间就可以进行无线互连，实现数据交换。

4 近场通信技术在移动支付中的应用
    随着移动通信等技术的发展，手机尤其是智能手机已成为人们生活中不可或缺的一部分。以手机为载体，通过手机对所消费的商品或服务进行账务支付已日益成为国内外市场的热点。当前使用手机就可以实现移动支付、身份验证、一卡通、电子门禁、电子门票等多种应用。目前移动支付具有两种基本支付方式，即基于近距离通信技术的现场支付业务和基于无线通信网络的远程支付业务。
    由于移动支付涉及从芯片、卡片、手机终端、POS机到后台系统等诸多环节，因而是一个跨行业的应用。国内在移动支付应用上的解决方案主要有：
    (1)基于13. 56 MHz非接触技术的NFC方案；
    (2)基于13．56 MHz非接触技术的双界面卡方案；
    (3)13. 56 MHz非接触技术的SD卡方案；
    (4)基于2．4 GHz的RF-SIM卡方案。
    目前被国内主流运营商认可的是基于13.56 MHz非接触技术的NFC方案。该方案有两种实现方式：一种是将非接触通信前端、安全芯片集成在手机上，但改造成本较高，未获得大规模商用；另一种是将支付应用与射频模块分离，在移动终端中增加射频模块及天线，由于安全模块集成在SIM卡上，用户更换手机后，所有原来的服务仍可以继续使用，现在市场上已有支持NFC功能的智能手机。后一种方式还可以支持卡模拟模式、读卡器模式和点对点模式，另外通过SIM卡本身的安全机制以及不同应用间的隔离因而在安全性上也具有明显的优势。

5 结语
    短距离无线通信技术旨在解决设备之间近距离互连问题，其有效通信距离在厘米到百米的范围内，在众多短距离无线通信技术中，近场通信是一项很有特色的短距离无线通信技术。近场通信的短距离交互简化了认证识别过程，使电子设备之间的互相访问更直接与安全。通过NFC，手机、数码相机等移动设备间可以方便快捷地进行连接，实现数据交换。随着在手机支付、电子门禁等领域的成功应用，NFC技术将更加普及，同时与手机的结合也将越来越紧密。