《電子技術(shù)應(yīng)用》
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對NFC應(yīng)用在手機(jī)的研究
摘要:  NFC是在無線射頻識別(RFID)和互聯(lián)技術(shù)的基礎(chǔ)上融合演變而來的新技術(shù),是一種短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它在單一芯片上集成了非接觸式讀卡器、非接觸式智能卡和點(diǎn)對點(diǎn)的功能,運(yùn)行在13.56MHz的頻率范圍內(nèi),能在大約10cm范圍內(nèi)建立設(shè)備之間的連接,傳輸速率可為106kbit/s、212kbit/s、424 kbit/s,未來可提高到848kbit/s以上。
關(guān)鍵詞: 智能手機(jī) NFC 手機(jī)
Abstract:
Key words :

1 技術(shù)簡介

  NFC是在無線射頻識別(RFID)和互聯(lián)技術(shù)的基礎(chǔ)上融合演變而來的新技術(shù),是一種短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它在單一芯片上集成了非接觸式讀卡器、非接觸式智能卡和點(diǎn)對點(diǎn)的功能,運(yùn)行在13.56MHz的頻率范圍內(nèi),能在大約10cm范圍內(nèi)建立設(shè)備之間的連接,傳輸速率可為106kbit/s、212kbit/s、424 kbit/s,未來可提高到848kbit/s以上。NFC終端有三種工作模式:

  (1)主動模式下,NFC終端作為一個讀卡器,主動發(fā)出自己的射頻場去識別和讀/寫別的NFC設(shè)備;

  (2)被動模式下,NFC終端可以模擬成一個卡被讀/寫,它只在其他設(shè)備發(fā)出的射頻場中被動響應(yīng);

  (3)雙向模式下,雙方都主動發(fā)出射頻場來建立點(diǎn)對點(diǎn)的通信。

  NFC用于在短距離范圍內(nèi)快速建立各種設(shè)備之間的無線通信,可作為一種虛擬連接器,它可以滿足任何兩個無線設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換。它還能通過初始化設(shè)備原有的藍(lán)牙和802.11等無線協(xié)議,使設(shè)備能在更遠(yuǎn)距離上通信或以更高速率傳輸數(shù)據(jù)。所以除了信息傳輸之外,NFC設(shè)備可以在聯(lián)網(wǎng)世界中作為一個安全的網(wǎng)關(guān),讓用戶無論在家中或移動中,都能隨時儲存或接收各種信息。只要將兩個NFC設(shè)備靠攏,它們便會自動啟動網(wǎng)絡(luò)通信功能,用戶無需另行設(shè)定安裝程序,從而實(shí)現(xiàn)前述的非接觸式移動支付、身份識別等電子錢包和身份證功能。 NFC技術(shù)符合國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO18092、ISO21481標(biāo)準(zhǔn),兼容無線智能卡ISO14443標(biāo)準(zhǔn),符合歐洲計(jì)算機(jī)協(xié)會的EMCA-340、352和356標(biāo)準(zhǔn)。NFC兼容非接觸式智能卡領(lǐng)域的兩強(qiáng)--飛利浦的MIFARE技術(shù)和索尼的FeliCa技術(shù),基于前者的智能卡已部署約12億片,后者也已部署約1.7億片。這使NFC技術(shù)充分具備了未來近距離無線互連設(shè)備所應(yīng)有的低功率、低價(jià)格、兼容性的特點(diǎn),而使NFC成為近距離無線互連領(lǐng)域一種極富競爭力的技術(shù)。

  2 應(yīng)用分類和現(xiàn)狀

  2.1 應(yīng)用分類 NFC 技術(shù)的應(yīng)用可分為五類:

  (1)接觸通過(Touch and Go),如門禁管理、車票和門票等,用戶將儲存著票證或門控密碼的設(shè)備靠近讀卡器即可,也可用于物流管理。

  (2)接觸支付(Touch and Pay),如非接觸式移動支付,用戶將設(shè)備靠近嵌有NFC模塊的POS機(jī)可進(jìn)行支付,并確認(rèn)交易。

  (3)接觸連接(Touch and Connect),如把兩個NFC設(shè)備相連接(如圖1中手機(jī)和筆記本電腦),進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)(Peer-to-Peer)數(shù)據(jù)傳輸,例如下載音樂、圖片互傳和交換通訊錄等。

手機(jī)和筆記本電腦的NFC點(diǎn)對點(diǎn)通信

  圖1 手機(jī)和筆記本電腦的NFC點(diǎn)對點(diǎn)通信

  (4)接觸瀏覽(Touch and Explore),用戶可將NFC手機(jī)接靠近街頭有NFC功能的智能公用電話或海報(bào),來瀏覽交通信息等。

  (5)下載接觸(Load and Touch),用戶可通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接收或下載信息,用于支付或門禁等功能,如前述,用戶可發(fā)送特定格式的短信至家政服務(wù)員的手機(jī)來控制家政服務(wù)員進(jìn)出住宅的權(quán)限。

  2.2 國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀

  諾基亞、飛利浦和索尼于2004年創(chuàng)建的非贏利性行業(yè)協(xié)會--NFC論壇,目前的贊助會員已有三星、微軟、Visa等11個,而其各類會員總數(shù)已超過100個,這里集中了全球領(lǐng)先的運(yùn)營商、手機(jī)廠商、芯片廠商、智能卡生產(chǎn)商、銀行和信用卡組織(見表1)。

  表1 全球部分NFC手機(jī)測試項(xiàng)目

全球部分NFC手機(jī)測試項(xiàng)目

  在日本,自2004年7月NTT DoCoMo推出了基于Felica技術(shù)的手機(jī)錢包業(yè)務(wù)以來,其用戶群已經(jīng)可以用“龐大”來形容了,支持Felica的POS機(jī)在日本街頭已隨處可見。經(jīng)過幾次升級,F(xiàn)elica手機(jī)已被廣泛應(yīng)用于交易、身份識別、門禁管理等方面。巨大的交易額促使NTT DoCoMo通過收購三井住友信用卡公司34%股份建立了金融服務(wù)部門。在中國香港地區(qū),F(xiàn)elica技術(shù)被用于具有電子錢包和身份識別功能的“八達(dá)通”卡上,該卡的發(fā)行量也已達(dá)千萬級。Felica技術(shù)在新加坡也得到了廣泛應(yīng)用。 在歐盟,由歐盟委員會和信息社會技術(shù)(IST)項(xiàng)目共同投資,摩托羅拉等多家公司及布達(dá)佩斯理工等大學(xué)共同參與的StoLPaN(Store Logistics and Payment with NFC)項(xiàng)目,也計(jì)劃于2007年夏季發(fā)布第一版技術(shù)規(guī)范和應(yīng)用程序,并演示NFC在交通和封閉式支付系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。該項(xiàng)目旨在為基于NFC的服務(wù)開發(fā)一個開放式的商用和技術(shù)構(gòu)架,推動基于NFC的移動應(yīng)用在眾多行業(yè)中的部署。與其他無線通信技術(shù)的比較#e#3 與其他無線通信技術(shù)的比較

 

  NFC源于RFID技術(shù),但又不同于RFID。NFC采用了雙向識別和連接,通信各方不存在固定的主從關(guān)系,通信可以由任意一個NFC設(shè)備發(fā)起。紅外通信要求設(shè)備在30°錐角以內(nèi)且不能移動,而作為一種面向消費(fèi)者的支付技術(shù),NFC比紅外更快,操作也更簡單。與藍(lán)牙相比,NFC面向近距離交易,適用于交換財(cái)務(wù)信息或敏感的個人信息等重要數(shù)據(jù);藍(lán)牙適用于較長距離數(shù)據(jù)通信,能夠彌補(bǔ)NFC通信距離的不足。NFC和藍(lán)牙可以互為補(bǔ)充,共同存在。同時,

  非常近的通信距離也使NFC具有了天然的安全保障。ZigBee更適合用于擁有大量無線傳感器和控制操作的工業(yè)控制領(lǐng)域,而Wi-Fi顯然更適于小型辦公場所和家庭網(wǎng)絡(luò)(見表2)。

  表2 NFC與六種無線通信技術(shù)的比較

NFC與六種無線通信技術(shù)的比較

  就成本而言,NFC的成本較低,飛利浦承諾,每個芯片的成本約在2美元左右。而藍(lán)牙、Wi-Fi和ZigBee的系統(tǒng)成本則遠(yuǎn)遠(yuǎn)比NFC的高。 總體來看,作為一種面向近距離交易的無線通信技術(shù),NFC的優(yōu)勢明顯,功耗極低、成本低、安全性好,其速率基本能滿足設(shè)備之間信息交換的需求。同時,對于視頻流等需要較高帶寬的應(yīng)用,也可以配合藍(lán)牙、Wi-Fi等技術(shù),提供方便的自動接入功能。

  4 非接觸式移動支付的幾種應(yīng)用方案

  目前,基于手機(jī)的非接觸式移動支付應(yīng)用有三種主流方案:飛利浦、索尼和諾基亞等廠家提出的基于手機(jī)的NFC方案、芯片廠商Inside公司提出的eNFC方案和雙界面智能卡方案。

  4.1 主流方案

  (1)NFC方案

       該方案中NFC功能芯片和天線與手機(jī)的其他部分及SIM卡相獨(dú)立,但NFC模塊與手機(jī)共用電池(見圖3)。電池有電時,NFC模塊可在主動、被動和雙向三種模式下工作;電池?cái)嚯姇r,只能在被動模式下工作,相當(dāng)于普通的一卡通。手機(jī)開關(guān)機(jī)對NFC模塊無影響,即在手機(jī)關(guān)機(jī)時也可使用NFC功能。實(shí)現(xiàn)方式有兩種:一是定制手機(jī),將天線集成在手機(jī)電池或主板上,使NFC應(yīng)用與手機(jī)融為一體,工作穩(wěn)定可靠,但需更換手機(jī);二是將天線與NFC芯片直接相連,然后與電池緊貼放在電池和手機(jī)后蓋之間,用戶不需更換手機(jī),前述的廈門測試項(xiàng)目就采用了此種方式,如圖2。此方案的不足在于,天線連接的可靠性不高;此外對手機(jī)的內(nèi)部尺寸有特殊要求,增加天線之后影響了手機(jī)的便攜性。 此方案的NFC模塊不能和手機(jī)的處理器或SIM卡通信,用戶和電信運(yùn)營商無法通過手機(jī)控制NFC模塊。這會造成信用卡發(fā)行商和手機(jī)制造商單獨(dú)接觸,完全脫離電信運(yùn)營商的市場格局。另一方面,若要將NFC模塊收發(fā)的信息與蜂窩網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來,須在NFC模塊和手機(jī)基帶芯片間建立接口,且各層的設(shè)計(jì)都必須繞開運(yùn)營商的控制,也無法直接讀寫SIM卡,軟硬件設(shè)計(jì)將變得非常復(fù)雜。 此方案的優(yōu)點(diǎn)是對不同技術(shù)、不同信用卡發(fā)行商的卡兼容性好,在全球已有很多案例,應(yīng)用技術(shù)也比較成熟,比較適合試點(diǎn)期的項(xiàng)目。

廈門測試中的諾基亞3220

  圖2 廈門測試中的諾基亞3220

NFC方案示意圖

  圖3 NFC方案示意圖

  (2) eNFC方案

  此方案又稱為手機(jī)和SIM卡的融合方案,分離了應(yīng)用層和底層功能,把NFC應(yīng)用放在SIM卡中,把NFC功能芯片放在手機(jī)中(如圖4)以解決兼容性問題。由于SIM卡容量較大,可將重要信息(如信用卡賬號、員工卡號) 存儲在SIM卡中,且SIM卡存儲的安全性更高,對SIM卡只需增加一個管腳。用戶更換SIM卡時,可以帶走現(xiàn)有的交易數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)徹底的機(jī)卡分離。 此方案可簡化NFC模塊和手機(jī)間的通信結(jié)構(gòu),使NFC的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用更為流暢,也使電信運(yùn)營商和信用卡發(fā)行商共同加入到市場中來。缺點(diǎn)是NFC模塊和SIM卡間需要高速傳輸,保證實(shí)時性和操作的快捷,但這種通信協(xié)議目前尚未標(biāo)準(zhǔn)化。表1中法國巴黎交通系統(tǒng)采用了此種方案。

eNFC方案示意圖

  圖4 eNFC方案示意圖

雙界面智能卡方案示意圖

  圖5 雙界面智能卡方案示意圖

  (3)雙界面智能卡方案

  該方案基于一種雙界面智能SIM卡,支持非接觸式應(yīng)用,同時也可實(shí)現(xiàn)普通手機(jī)SIM卡的功能,在接聽撥打電話、收發(fā)短信時不影響非接觸式操作(見圖5)。兩種實(shí)現(xiàn)方式與NFC方案基本相同:一是定制手機(jī);二是將天線與SIM卡直接相連后放在電池和手機(jī)后蓋之間,這樣可只更換SIM卡,降低成本,缺點(diǎn)也是天線連接的可靠性低、對手機(jī)尺寸要求高等。該方案占用了C4和C8接口,而這兩個接口是用于高速數(shù)據(jù)下載的,可能會影響到未來高速空中下載應(yīng)用。 此方案基于智能卡技術(shù),技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范都已成型;對于運(yùn)營商來說項(xiàng)目啟動較快,成本低。由于SIM卡只能由運(yùn)營商發(fā)行,因此該方案對運(yùn)營商更為有利。目前,湖南移動正在對該方案進(jìn)行內(nèi)部測試。過渡方案#e#4.2 過渡方案

 

  另外,鑒于目前非接觸式移動支付尚處在起步階段,標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一和用戶對服務(wù)的接受都還需要一段時間,因此兩種過渡性方案也值得考慮:

  (1)RFID模塊+獨(dú)立RFID卡

  該方案中,RFID卡是獨(dú)立于手機(jī)之外的單獨(dú)一張卡片,與現(xiàn)用的各種RFID卡相同,無需更換。RFID模塊是專用的RFID讀寫模塊,內(nèi)置在手機(jī)中,如圖6,與NFC方案中的形式相同,共用電池、天線內(nèi)置且不能與手機(jī)SIM卡通信。獨(dú)立的RFID卡可像普通卡一樣使用,也可接受該讀寫模塊的操作,讀寫模塊主要作用是查詢卡上余額,未來可擴(kuò)展至充值操作等。 該方案優(yōu)點(diǎn)是獨(dú)立的RFID卡使得公交車、商店等處現(xiàn)有的讀卡器基本不需更換,簡化的專用讀寫模塊也使得系統(tǒng)成本較低。不足之處在于讀寫模塊的功能有限,且與NFC方案一樣開展網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用極為復(fù)雜;且用戶消費(fèi)時需攜帶手機(jī)和RFID卡。

RFID模塊+獨(dú)立RFID卡示意圖

  圖6 RFID模塊+獨(dú)立RFID卡示意圖

藍(lán)牙+NFC示意圖

  圖7 藍(lán)牙+NFC示意圖

  (2)藍(lán)牙+NFC

  該方案的核心是藍(lán)牙轉(zhuǎn)換器,內(nèi)部包含藍(lán)牙和NFC模塊,模塊間可用RS232接口連接。使用時,手機(jī)先通過藍(lán)牙與轉(zhuǎn)換器連接,轉(zhuǎn)換器內(nèi)部將消息轉(zhuǎn)換格式并發(fā)送給NFC模塊,再由NFC模塊與具有NFC功能的POS機(jī)連接,如圖7。 該方案適用于初期大多數(shù)手機(jī)有藍(lán)牙而無NFC功能的情況,轉(zhuǎn)換器可集成在POS機(jī)中,這樣具有藍(lán)牙或NFC功能的手機(jī)都可進(jìn)行支付且不用攜帶卡片。由于藍(lán)牙模塊成本相對較高,還要和NFC模塊集成,增加了POS機(jī)的成本,不利于廣泛部署;藍(lán)牙通信和轉(zhuǎn)換器模塊間通信的安全性也比NFC模式低。

  5 存在的問題

  圍繞NFC應(yīng)用的商業(yè)部署,最重要、最復(fù)雜的問題是要建立一個各方可分享利益的NFC生態(tài)系統(tǒng),其中最微妙的是電信運(yùn)營商和信用卡發(fā)行商的關(guān)系。一方面,運(yùn)營商和發(fā)行商都可以單獨(dú)和設(shè)備商接觸,形成一個排他性的NFC服務(wù)網(wǎng)絡(luò),通吃市場;另一方面,運(yùn)營商和發(fā)行

  商的合作又可以擴(kuò)展業(yè)務(wù),吸引更多用戶,NTT DoCoMo注資三井住友信用卡公司的案例已經(jīng)顯示了在日本兩大產(chǎn)業(yè)的合作趨勢。在我國,運(yùn)營商單獨(dú)建網(wǎng)會受到金融業(yè)務(wù)準(zhǔn)入的限制;發(fā)行商單獨(dú)建網(wǎng),無法使用電信網(wǎng)絡(luò),服務(wù)受到很大限制。雙方的合作,又存在市場主導(dǎo)權(quán)、監(jiān)管控制權(quán)、對用戶的控制、電信業(yè)和金融業(yè)能否相互滲透及滲透的深度等諸多因素的影響。這些都有待技術(shù)和市場的進(jìn)一步發(fā)展來解決。 具有NFC功能的手機(jī)安全性更好,用戶可根據(jù)需求,在使用時通過密碼開啟支付功能,使用結(jié)束后及時關(guān)閉。手機(jī)一旦丟失,只要設(shè)定有密碼,別人將無法使用。用戶還可為門禁等各種功能設(shè)定不同的密碼,但用戶在消費(fèi)時也要防止被人偷窺到密碼。

  此外,還有下述一些問題值得注意。

  5.1 掛失

  由于輸入密碼需要花費(fèi)較多時間,尤其是在頻繁使用時更是麻煩,所以目前大多數(shù)用戶都未給手機(jī)設(shè)置開機(jī)、短信、上網(wǎng)、長途電話等多重密碼。因此用戶也會因?yàn)槁闊┒粚FC手機(jī)設(shè)置消費(fèi)、門禁等多重密碼,這就導(dǎo)致手機(jī)丟失時,運(yùn)營商有必要對手機(jī)掛失。但在手機(jī)斷電或關(guān)機(jī)時,運(yùn)營商無法通過移動網(wǎng)絡(luò)掛失,而此時手機(jī)還具有NFC被動模式下的消費(fèi)和門禁等功能,這就要求在有線的POS機(jī)網(wǎng)絡(luò)中對手機(jī)的NFC模塊掛失,使POS機(jī)拒絕其服務(wù)請求。由此帶來的問題是,家庭或辦公室的門禁機(jī)是否也需要接入有線網(wǎng)絡(luò)?若不接入,如何識別手機(jī)已丟失;若接入,如何防止攻擊者通過有線網(wǎng)絡(luò)對門禁非法控制。即便用戶為門禁設(shè)置密碼,也要面對手機(jī)關(guān)機(jī)或斷電時無法開門的難題。

  5.2 病毒和木馬

  在手機(jī)智能化的今天,用戶已能為手機(jī)安裝各種軟件,也可安裝第三方開發(fā)的軟件來擴(kuò)展NFC的應(yīng)用。而這些軟件、甚至短信或WAP網(wǎng)頁都有可能隱藏著病毒和木馬程序,如何防止手機(jī)中的個人信息和資金被非法程序竊取,或NFC功能受到非法程序的控制也是尚需深入研究的問題。

  5.3 非法的POS機(jī)

  如何防止攻擊者利用帶有偽裝的非法POS機(jī)或嵌有芯片的海報(bào)等,對手機(jī)進(jìn)行非法讀寫操作也需要研究。

  5.4 虛擬貨幣

  當(dāng)移動支付得到普及時,將不再僅限于“小額”,用戶從支取工資,到進(jìn)行各種消費(fèi)都將極大地依賴于虛擬貨幣(電子貨幣),市場上流通的實(shí)物貨幣量將大大減少。政府部門如何對這些電子交易和虛擬貨幣進(jìn)行有效的政策和法律監(jiān)管也是有待深入研究的問題。

  6 結(jié)論

  隨著手機(jī)的普及和3G時代移動新業(yè)務(wù)的開展,非接觸式移動支付將成為一種趨勢。在這種趨勢下,圍繞產(chǎn)業(yè)鏈形成的各利益方將會在技術(shù)和市場的合力推動下逐漸形成一種平衡的生態(tài)系統(tǒng)。從長遠(yuǎn)來看,非接觸式移動支付技術(shù)必須支持流暢的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和點(diǎn)對點(diǎn)通信,目前幾乎所有技術(shù)都將向這個方向過渡。

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