NFC技术通信原理解析

NFC

本帖最后由 zhihuizhou 于 2011-10-28 15:33 编辑

技术原理
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。

1. 标准化
NFC是符合ECMA 340与ETSI TS 102 190 V1.1.1以及ISO/IEC 18092标准的一种开放式平台技术。这些标准详细规定NFC设备的调制方案、编码、传输速度与RF接口的帧格式，以及主动与被动NFC模式初始化过程中，数据冲突控制所需的初始化方案和条件。此外，这些标准还定义了传输协议，其中包括协议启动和数据交换方法等。
NFC空中接口符合以下标准：
ISO/IEC 18092 NFCIP-1 / ECMA-340 / ETSI TS 102 190 V1.1.1 (2003-03)
ISO/IEC 21481 NFCIP-2 / ECMA-352 / ETSI TS 102 312 V1.1.1 (2004-02)
NFC测试方法符合以下标准：
ISO/IEC 22536 NFCIP-1 RF 接口测试方法 / ECMA-356 / ETSI TS 102 345 V1.1.1 (2004-08)
ISO/IEC 23917 有关NFC 的协议测试方法 / ECMA-362
ISO/IEC 21481和ECMA 352中定义的NFC IP-2指定了一种灵活的网关系统，用来检测和选择三种操作模式之一——NFC数据传输速度、邻近耦合设备(PCD)和接近耦合设备(VCD)。选择既定模式以后，按照所选的模式进行后续动作。网关标准还具体规定了RF接口和协议测试方法。
这意味着符合NFCIP-2规范的产品将可以用作ISO 14443 A和B以及Felica(Proximity)和ISO 15693(Vicinity)的读写器。

2. NFC与蓝牙和红外技术的比较
作为一种面向消费者的交易机制，NFC比红外更快、更可靠而且要简单得多。另一方面，蓝牙则是一种弥补NFC通讯距离不足的缺点，适用于较长距离数据通信。NFC面向近距离交易交互，适用于交换财务信息或敏感的个人信息等重要数据。NFC和蓝牙相互为补充，共同存在。事实上，快捷轻型的NFC协议可以用于引导两台设备之间的蓝牙配对过程，并在这方面促进蓝牙的使用。模式的典型应用是：建立蓝牙连接、交换手机名片等。
技术分析
电磁场决定无线电波
术语“近场”是指无线电波的临近电磁场。无线电波由正交电磁场组成，在工作频率下天线周围大约10波长的范围内，无线电波的行为遵循麦克斯韦方程。
电磁场在从发射天线传播到接收天线的过程相互交换能量并相互增强，这样的电磁场称之为远场。而在10个波长以内，电磁场是相互独立的，即为近场，近场内电场没有多大意义，但磁场可用于短距离通讯。
由于在初级线圈(发射天线)和次级线圈之间仍有相当大的距离，因此可以将NFC看做是一个耦合系数非常低的互感器。近磁场的主要问题是信号传播过程中信号强度会以大约1/d6的速率下降(这里d为通讯距离或范围)，因此使近场通讯成为名副其实的短程通讯技术，而在称之为无线电波的远场中，信号强度以1/d2的速率下降。
NXP公司和索尼公司发明了NFC技术，Ecma International公司首次采用它做为一项标准(NFCIP-1或ECMA-340)，并提交给国际标准化组织(ISO）/国际电工委员会(IEC)，成为ISO/IEC 18092标准，同时也得到了欧洲电信标准协会的承认，从此后已经有多个半导体公司开始生产兼容性和互操作芯片。
这个标准类似于智能卡中所采用的NFC技术，并与其兼容，其内部芯片能够使消费者通过销售点(POS)终端阅读器进行支付。在某些工作模式下NFC的功能类似于射频识别(RFID)。NXP公司的MIFARE和索尼公司的FeliCa产品就采用了已经制定的智能卡标准。
该标准规定了一个13.56MHz的工作频率，这是一个免许可国际通用频带，是美国ISM带15/18频带之一。数据传输速率为106、212或424kbps，取决于通讯范围，在20cm或大约8英寸时传输速率最大，实际通讯范围只有几英寸或不大于10cm，该标准规定了多种工作模式。
在主动模式下，通讯双方收发器加电后，任何一方可以采用“发送前侦听”协议来发起一个半双工发送。在一个以上NFC设备试图访问一个阅读器时这个功能可以防止冲突，其中一个设备是发起者，而其它设备则是目标。
在被动模式下，象RFID标签一样，目标是一个被动设备。标签从发起者传输的磁场获得工作能量，然后通过调制磁场将数据传送给发起者(后扫描调制，AM的一种)。
象任何先进的无线技术一样，NFC同样面临安全问题。但是NFC设备非常小的通讯范围完全可以将黑客排除在外。在这样小的范围内，完全可以放心地进行通讯。如果需要更高的安全性，可以使用带智能卡技术的NFC，智能卡技术内置了重载加密认证功能。
让我们看看任何无线关联模型的两个基本要求：
a. 安全的链接
加密无线链接需要一个公钥，而且在带内通道必须是不可见的。链接密钥通过手动PIN(比如在蓝牙中)或Diffie-Hellman自动交换(比如在无线USB中)“实时”生成。建立链接密钥后，便可启用对称加密(基于3DES和AES等)。

b. 设备身份验证
即确保链接密钥以预期的验证设备而不是伪装的被动/主动中间人生成。此设置的常规方法要求连接一根线缆，以便关联和交换链接密钥和/或要求用户在两台设备上输入PIN码。将此方法与使用NFC来关联和设置相比较，具有如下优点：无需浏览查阅菜单或配置屏幕；只需将两台设备彼此靠拢即可触发相关软件和用户界面；建立此环境以后将自动交换相关数据。

用户只需确认交易，而且只需查看相关的信息。此过程将减少设备关联所需的步骤，并最大限度地减少用户交互操作。用户无需增加任何开销即可改善安全功能。而且可以加快连接过程，同时又保留了像完成/错误确认和错误修正等功能。用NFC可以使蓝牙、无线USB和W-LAN等的配对与设备关联变得非常简单、快捷和直观，而且同时可以弥合移动和消费类电子产品之间的缺口。
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。