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一文了解NFC技术的原理、特点及应用

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admin 发表于 2017-1-2 18:12:57 |阅读模式
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随着移动支付的火热,2016年NFC市场也重燃新火。不过,在讨论NFC市场之前,我们首先需要了解NFC是什么。本文就将为大家科普NFC的概念、特点、应用及目前遇到的问题等,让你全面了解这个重燃新火的技术。

NFC技术的发展

NFC技术的起源却要从2003年说起。当时的飞利浦和索尼两家公司计划基于非接触式卡技术发展一种与之 兼容的无线通讯技术。因此,飞利浦派了一个团队到日本和索尼的工程师一起闭关开始研发这种技术。三个月两家公司联合对外发布了研发成果,既一种可兼容当前 ISO14443 非接触式卡协议的无线通讯技术,并取名为NFC(Near Field CommunicaTIon)。

而为了推动NFC的发展和普及,2004年由飞利浦、索尼和诺基亚共同创建了一个非赢利性的行业协会——NFC Forum,旨在促进 NFC 技术的实施和标准化,确保设备和服务之间协同合作。NFC Forum在全球拥有数百个成员,包括:NOKIA、SONY、 Philips、LG、摩托罗拉、NXP、NEC、三星、atoam、Intel、其中 中国成员有魅族、步步高、vivo、OPPO、小米、中国移动、华为、中兴、上海同耀和台湾正隆等公司。

NFC是什么?

NFC(Near Field CommunicaTIon)近场通信技术,又称近距离无线通信,是一种短距离的高频无线通信技术,允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输(在十厘米内)交换数据。这个技术由免接触式射频识别(RFID)演变而来,并向下兼容RFID。

NFC原理及特点

与RFID一样,NFC信息也是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递。NFC通过备之间进行非接触式点对点数据传输(在十厘米内)交换数据。该模式和红外线差不多,可用于数据交换,只是传输距离较短,传输创建速度较快,传输速度也快些,并且功耗低。

NFC与蓝牙的功能非常相像,都是短程通信技术,而且都被集成到移动电话。但NFC不需要复杂的设置程序。因此,NFC也可以简化 版的蓝牙功能。但其速度却不如蓝牙。NFC的最大数据传输量 424 kbit/s 远小于 Bluetooth V2.1 (2.1 Mbit/s)。

NFC与RFID的区别

首先,NFC是一种提供轻松、安全、迅速的通信的无线连接技术,其传输范围比 RFID小,RFID的传输范围可以达到几米、甚至几十米,但由于NFC采取了独特的信号衰减技术,相对于RFID来说NFC具有距离近、带宽高、能耗低等特点。 其次,NFC与现有非接触智能卡技术兼容,目前已经成为得到越来越多主要厂商支持的正式标准。再次,NFC还是一种近距离连接协议,提供各种设备间轻松、安全、迅速而自动的通信。与无线世界中的其他连接方式相比,NFC是一种近距离的私密通信方式。最后,RFID更多的被应用在生产、物流、跟踪、资产管理上,而NFC则在门禁、公交、手机支付等领域内发挥着巨大的作用。

NFC、红外和蓝牙同为非接触传输方式,它们具有各自不同的技术特征,可以用于各种不同的目的,其技术本身没有优劣差别。

NFC的应用

NFC的应用方式有接触通过(Touch and Go)、接触支付(Touch and Pay)、接触连接(Touch and Connect)以及接触浏览(Touch and Explore) 四种,与三年前国内几乎没有体现NFC这四种方式的情况不同,现在NFC已可以说是全功能应用了。

数据传输

NFC在传输数据方面,其实用到的是蓝牙传输,NFC只是起到建立连接的作用,所以在数据传输过程中,用户不用保持两部设备上NFC区域紧靠,目前NFC传输还是以图片、文本、网页链接等小文件为主,三星的S Beam则用到了NFC建立连接、Wi-Fi传输的方式,则可以实现大文件的交换 ,但仅限三星手机之间。

而在蓝牙配对上,NFC也有体现出这个“媒人婆”的角色,支持NFC配对的两个蓝牙设备,只需相互靠近N标位置,便可以让两个设备之间快速地完成配对。其中作为NFC技术创立者之一的索尼,在这方面相当积极,其现有的无线产品几乎都已经支持NFC配对方式。

移动支付

移动支付在近年开始流行起来,其中的非接触式支付让NFC真正变得有用起来。在国内,手机通过NFC进行移动支付,其实都与银联有关,无论各家的Pay,还是HCE,都用到了银联的云闪付服务。

国内目前主要的Pay类NFC支付为Apple Pay、Samsung Pay(三星智付)、Huawei Pay和小米支付,这用到了NFC的卡模拟模式,但在手机内并非绑定银行卡的完整卡片信息,而是形成特殊Token号码,在支付时通过NFC通信把Token传递给POS机,POS机再把Token和交易金额发送给银联、银行,进行验证和完成交易,这个过程中手机是不需要联网的,也就相当于你的实体银行卡。

这类Pay为了保证安全性,还需要内置SE(Secure Element)安全模块,用于存储Token信息,苹果Apple Pay利用TouchID指纹识别进行Token的读取和交易确认。而Samsung Pay、Huawei Pay和小米支付用到的是electron SE模块,实现原理基本一样的。

NFC支付还有通过HCE方式,国内没有Andorid Pay,这种支付表现有NFC-SIM卡和银联云闪付卡。NFC-SIM卡需要运营商提供的特制SIM卡,配合运营商的钱包APP来使用。银联云闪付卡则较为简便,只需要在支持的带NFC功能手机上,安装云闪付APP或各大银行的APP便可以使用。

NFC标签

NFC标签有接触通过的应用,这与RFID的应用类似,如小区门禁卡,但这在手机上情况较少。还有一种用到接触浏览,主要为识别、追踪带NFC信息的物体,如任天堂3DS游戏机,通过NFC来识别amiibo手办,会 在屏幕上显示对应的内容,amiibo手办便是一个NFC标签,另有一些NFC电子标签可写入简单的指令,用于激活启动手机上指定的功能,例如在标签上写入切换静音模式的命令,当该标签靠近手机时,手机便会自动进入静音。

NFC标签类型定义

定义的基本标签类型有四种,以1至4来标识,各有不同的格式与容量。这些标签类型格式的基础是:ISO 14443的A与B类型、Sony FeliCa,前者是非接触式智能卡的国际标准,而后者符合ISO 18092被动式通讯模式标准。

保持NFC标签尽可能简单的优势是:在很多场合,标签可为一次性使用,例如在海报中寿命较短的场合。

各种标签的定义如下:

第1类标签(Tag 1 Type):此类型基于ISO14443A标准。此类标签具有可读、重新写入的能力,用户可将其配置为只读。存储能力为96字节,用来存网址URL或其他小量数据富富有余。然而,内存可被扩充到2k字节。此类NFC标签的通信速度为106 kbit/s。此类标签简洁,故成本效益较好,适用于许多NFC应用。

第2类标签(Tag 2 Type):此类标签也是基于ISO14443A,具有可读、重新写入的能力,用户可将其配置为只读。其基本内存大小为48字节,但可被扩充到2k字节。通信速度也是106 kbit/s。

第3类标签(Tag 3 Type):此类标签基于Sony FeliCa体系。目前具有2k字节内存容量,数据通讯速度为212 kbit/s。故此类标签较为适合较复杂的应用,尽管成本较高。

第4类标签(Tag 4 Type):此类标签被定义为与ISO14443A、B标准兼容。制造时被预先设定为可读/可重写、或者只读。内存容量可达32k字节,通信速度介于106 kbit/s和424 kbit/s之间。

从上述不同标签类型的定义可以看出,前两类与后两类在内存容量、构成方面大不相同。故它们的应用不太可能有很多重叠。

第1与第2类标签是双态的,可为读/写或只读。第3与第4类则是只读,数据在生产时写入或者通过特殊的标签写入器来写入。

NFC标签运行

NFC标签是无需电源的被动装置。在使用时,用户以具有NFC功能的设备与其接触。标签从读写器获得很小的电源驱动标签的电路,把小量信息传输到读写器。

标签内存里的数据被传至带有NFC功能的设备。尽管数据量很小,却可能是把设备导向到某个网址(URL)、或是小量文本、其他数据。

NFC的架构

NFC的操作频率为13.56MHz,而操作距离约为10cm之内;而NFC的规范制定取至于RFID13.56MHz的频段,早期运用此频段包括 PhilipsMiFARE(ISO1443A)、ISO1443B、ISO15693、ISO18000-3及SonyFelica。由于非接触卡应用于个人数据识别或电子付费系统中强调于安全机制,而近乎于贴近卡片阅读器系统的近场通信及是将13.56MHz中短距系统的部分加以整合,所以最后市场上所见的即为PhilipsMiFARE(ISO1443A)及SonyFelica,早期这两家系统各自发展互不兼容,直到近年才将两种规格合并并制定了 NFC规范ECMA340/ISO18092(NFCIP1,NFCinterfaceandprotocol1)。此规范相容于现有 PhilipsMiFARE(ISO1443A)及SonyFelica。

NFC工作频率为13.56MHz、ASK调变,传输速率可分为106kbps/212kbps/424kbps三种,通信模式可分为主动模式与被动模式,主动模式是指发起设备(iniTIator)与目标设备(target)皆可自身电源供应产生RFfield,而被动模式下则是发起设备自身供应电源产生RFfield;而目标设备则利用全波整流线路将发起端的RFfield之能量转换为 DC来供应自己的电源。值得一提的是,在被动模式下为了要满足省电的要求所以采用了负载调变(LoadmodulaTIon)的方式,此调变方式可以达到省电的效果。

在使用上因为NFC的使用通常会遇到使用尖峰时期,会了避免不同的发起端或目标端同时沟通造成数据链路错误,所以NFC采用了一种机制 listenbeforetalk。此机制会让当发起端设备要发出询问信号前,先侦测外界磁场强度来判断是否有其它的设备正在沟通中,这种机制的实现称为 RF Collision Avoidance(RFCA),其动作行为是在每次发起端发出询问信号时会侦测外界磁场,当磁场强度超过门坎强度时 (Hthreshold=0.1875A/m)则会停止询问,直至外界强度降至门坎值以下。若是低于临界值才会开始发出询问指令,侦测的时间为 TIDT+nTRFW,n为0~3的机率取样:TRFW=512/fc(RFwaitingtime),TIDT》4096 /fc(initialdelaytime)。当发起设备在TIDT+nTRFW内没有侦测到超过门坎强度的磁场,则会先发射TIRFG的未调变 RFfield之后再发出询问信号,其中TIRFG必须大于5ms。

NFC系统存在的问题

1、相容性问题

目前不同厂家的NFC设备的兼容性问题还是比较突出的,这也是NFC论坛目前正在致力于解决的一个重点。其希望通过NFC标志认证来达到所有NFC设备兼容性的统一。

2、安全性问题

安全的NFC将各种NFC应用结合智慧卡的安全性。重要的机密资料与数据会一直储存在卡片中安全记忆体的某个区域,并且只能经由NFC装置授权,藉由储存在装置内安全记忆体中的私密金钥将传送资料予以加密。

3、主动或被动运作模式

拥有NFC的装置可以在主动或被动模式下运作,一般的行动装置主要是以被动模式运作,可以大幅降低耗电量,并延长电池的续航力。主动式NFC装置可以透过内部产生的射频场(RF-field)提供与被动装置通讯时所需的所有电力,与免接触式智慧卡的情况相同,拥有相同的电力,确保即使关掉行动装置的电源仍可以正常进行资料的读取。

4、标准化

NFC符合ECMA 340与ETSI TS 102 190 V1.1.1以及ISO/IEC 18092标准的开放式平台技术,这些标准具体规范NFC装置的调制方案、编码、传输速度与RF介面的讯框格式等,以及被动与主动NFC模式初始化过程中资料冲突控制所需的初始化设定与条件。此外,这些标准还定义了传输协定,其中包括通讯协定启动与资料交换方式等。

5、政策问题

由于移动支付产业环节复杂,价值链的构建需要多方参与,在此时间段,产业主导者不清晰,金融机构和移动运营商的议价能力相当,产业实际投入力度比较低。而由于终端和消费环境的缺乏,用户体验较差,用户通过移动支付购买的物品和服务并不丰富,目前并没有给消费者带来真正的便捷。


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