近場通信技術(shù)（1）

[編者按]近場通信技術(shù)近年來逐漸受到人們的關(guān)注，相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議規(guī)范也日臻完善。講座將分3期對該技術(shù)進(jìn)行介紹：第1期講述近場通信的背景及概況，概述性介紹近場通信技術(shù)的技術(shù)架構(gòu)；第2期對近場通信的具體技術(shù)規(guī)范做詳細(xì)介紹，包括數(shù)字協(xié)議規(guī)范、相關(guān)動作規(guī)范、邏輯鏈路控制協(xié)議、標(biāo)簽類型及數(shù)據(jù)交換格式；第3期介紹近場通信的安全技術(shù)、設(shè)備的連接切換規(guī)范和業(yè)務(wù)應(yīng)用。

中圖分類號：TP393.03 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1009-6868 （2013） 04-0063-04

1 近場通信背景及概述

在2013年2月閉幕的巴塞羅那世界移動通信大會上，近場通信（NFC）技術(shù)在全球移動通信協(xié)會的強力推介下登場，成為業(yè)界新熱點。各大廠商也加緊了對于支持NFC技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)。近場通信技術(shù)又稱近距離無線通信，鑒于各種移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的廣泛開展和未來發(fā)展的廣闊空間，它已是信息時代的又一新寵，也是各大廠商和服務(wù)商爭奪的下一塊領(lǐng)地。

1.1 NFC背景

NFC技術(shù)是于2004年4月由飛利浦公司發(fā)起，是一項由飛利浦、諾基亞、索尼等廠商聯(lián)合主推的近距離無線技術(shù)。多家公司和大學(xué)共成立了泛歐聯(lián)盟，旨在推動NFC開放式架構(gòu)的開發(fā)和其在手機中的應(yīng)用。NFC由射頻識別（RFID）及互聯(lián)互通技術(shù)整合演變而來，保持對RFID的兼容性。通過在單一芯片上結(jié)合感應(yīng)式讀卡器、感應(yīng)式卡片和點對點的功能，具備NFC功能的設(shè)備能在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進(jìn)行識別和數(shù)據(jù)交換。這項技術(shù)最初只是RFID技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的簡單合并，現(xiàn)在已經(jīng)演變成一種短距離無線通信技術(shù)，近年來逐年受到關(guān)注。很明顯，近場通信利用的是無線電波的臨近電磁場，根據(jù)電磁理論，近磁場的信號傳播過程中強度會以大約1/d 6的速率下降（d 表示通信距離），如此大的衰減使近場通信成為名副其實的短程通信技術(shù)。相比之下，在無線電波的遠(yuǎn)場中，信號強度以1/d 2的速率下降。

近場通信技術(shù)在ISO 18092、ECMA 340和ETSI TS 102 190框架下推動標(biāo)準(zhǔn)化，同時也兼容應(yīng)用廣泛的ISO 14443 A/B以及Felica標(biāo)準(zhǔn)非接觸式智能卡的基礎(chǔ)架構(gòu)。

作為一種近距離的高頻無線通信技術(shù)，近場通信的可用距離約為10 cm，可以實現(xiàn)電子身份識別或者數(shù)據(jù)傳輸，其應(yīng)用范圍已由電子支付擴展至旅行、交通、購物等方面。NFC技術(shù)的短距離交互很大程度簡化了設(shè)備互聯(lián)過程中整個認(rèn)證識別過程，使得電子設(shè)備間互相訪問更直接、簡答、安全并更清楚。

NFC技術(shù)結(jié)合了非接觸式感應(yīng)以及無線連接的相關(guān)技術(shù)，并作用于13.56 MHz頻帶，同時支持106 kbit/s、212 kbit/s 或者424 kbit/s等傳輸速度，將來最高支持速率可提高至1 Mb/s左右，為設(shè)備間不同的應(yīng)用場景提供了靈活的選擇能力。與其他短距離無線通信技術(shù)相比，NFC技術(shù)更安全，反應(yīng)時間更短。并且，由于近場通信技術(shù)與現(xiàn)有非接觸智能卡技術(shù)相兼容，目前已經(jīng)得到越來越多廠商的支持并成為正式標(biāo)準(zhǔn)，這些都為NFC技術(shù)大范圍的應(yīng)用提供了可能。NFC技術(shù)提供各種設(shè)備間輕松、安全、迅速而自動的通信，例如借助NFC技術(shù)，人們可以在不同的設(shè)備間交換照片、音樂、視頻剪輯等信息。

其實，近場通信并非新生事物，但直到近年來才逐漸受到關(guān)注。在NFC技術(shù)發(fā)展過程中有幾個重要的歷程值得一提：1983年查爾斯·沃爾頓獲得第一個RFID相關(guān)專利；2004年諾基亞、飛利浦和索尼聯(lián)合組建了近場通信論壇；2006年NFC標(biāo)簽的初步規(guī)范；2006年規(guī)范“SmartPoster”的記載；2006年諾基亞6131成為首個NFC功能的手機；2010年三星Nexus S成為首款可以支持NFC功能的Android手機。

作為一種無線技術(shù)，NFC同樣面臨安全問題。但是NFC技術(shù)本身的特點——非常小的通信范圍，有效隔絕了黑客的入侵，用戶完全可以放心地在這樣的近距離中進(jìn)行通信。但是為了提供安全可靠的通信，近場通信技術(shù)也包含了完整的安全技術(shù)。

1.2 NFC的3種工作模式

近場通信技術(shù)支持3種不同的工作模式： 卡模式、點對點模式和讀卡器模式，如圖1所示。

在卡模式下，NFC設(shè)備相當(dāng)于一張采用RFID技術(shù)的IC卡，完全可以應(yīng)用于現(xiàn)在IC卡（包括信用卡）的使用場合，如公交卡、商場消費卡、車票，門禁管制、門票等等。這種方式下的一個明顯優(yōu)點是卡片通過非接觸讀卡器的RF域來供電，即便是在寄主設(shè)備（如手機、移動終端）沒電的情況下也可以保證數(shù)據(jù)的傳輸工作。

在點對點模式下，NFC技術(shù)和紅外線技術(shù)一樣，可用于數(shù)據(jù)交換，只是采用NFC技術(shù)的設(shè)備傳輸距離較短，傳輸創(chuàng)建速度較快，傳輸數(shù)據(jù)的速度也較快。相比于紅外設(shè)備，采用NFC技術(shù)的設(shè)備功耗較低。將兩個具備NFC功能的設(shè)備連接后，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)在設(shè)備間的點對點傳輸，可完成下載音樂、交換圖片或者同步設(shè)備地址薄等功能。因此通過近場通信技術(shù)，多個設(shè)備（如數(shù)位相機、PDA、計算機和手機等）之間可以交換資料或者互相提供服務(wù)。

在讀卡器模式下，NFC設(shè)備可以作為非接觸讀卡器使用，從海報或者展覽信息電子標(biāo)簽上讀取相關(guān)信息。

需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時，NFC設(shè)備可以工作于主動模式或被動模式下。在被動模式下，發(fā)起NFC通信的設(shè)備，也稱為NFC發(fā)起設(shè)備（主設(shè)備），在整個通信過程中提供射頻場。它可以從106 kbit/s、212 kbit/s或424 kbit/s中選擇一種傳輸速度，將數(shù)據(jù)發(fā)送到另一臺設(shè)備。另一臺NFC設(shè)備作為目標(biāo)設(shè)備（從設(shè)備），不必主動產(chǎn)生射頻場，僅需要通過負(fù)載調(diào)制技術(shù)，以相同的速度將數(shù)據(jù)傳回發(fā)起設(shè)備。此通信機制與基于ISO14443A、FeliCa的非接觸式智能卡兼容。因此，NFC發(fā)起設(shè)備在被動模式下，可以用相同的連接和初始化過程檢測非接觸式智能卡或NFC目標(biāo)設(shè)備，并與之建立聯(lián)系。在主動模式下，通信雙方收發(fā)器加電后，任何一方可以采用“發(fā)送前偵聽”協(xié)議來發(fā)起一個半雙工發(fā)送。在一個以上NFC設(shè)備試圖訪問一個閱讀器時，這個功能可以防止沖突。

在主動模式下，每臺設(shè)備要向另一臺設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時，都必須產(chǎn)生自己的射頻場。發(fā)起設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備都要產(chǎn)生自己的射頻場，以便進(jìn)行通信。在被動模式下，像RFID標(biāo)簽一樣，目標(biāo)是一個被動設(shè)備。標(biāo)簽從發(fā)起者傳輸?shù)拇艌霁@得能量，然后通過負(fù)載調(diào)制技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送給發(fā)起者。

需要注意的是，移動設(shè)備主要工作于被動模式下，從而能夠大幅降低功耗，延長電池壽命。在一個應(yīng)用會話過程中，NFC設(shè)備可以在發(fā)起設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備之間切換自己的角色。利用這項功能，電池電量較低的設(shè)備可以要求以被動模式充當(dāng)目標(biāo)設(shè)備，而不是發(fā)起設(shè)備。

1.3 與其他無線通信技術(shù)的比較

目前，無線通信市場多種技術(shù)并存，尤其是近距離通信領(lǐng)域，已經(jīng)存在多種近距離無線通信技術(shù)，比如藍(lán)牙技術(shù)、紅外線技術(shù)、RFID技術(shù)等，這些技術(shù)的并存為用戶提供了豐富多樣的業(yè)務(wù)，并且每一種技術(shù)都有自己的應(yīng)用場景和優(yōu)勢。近場通信技術(shù)的出現(xiàn)，豐富了近距離無線通信技術(shù)的種類，完善了近距離無線通信的應(yīng)用場景和范圍，也為用戶提供了更大的選擇靈活性。與現(xiàn)存的諸多近距離無線通信技術(shù)相比，NFC技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢。圖2展示了無線通信市場中各技術(shù)適用場景[1]。

與RFID相比，近場通信技術(shù)中的信息也是通過無線頻率的電磁感應(yīng)耦合方式傳遞，利用了負(fù)載調(diào)制的功能。但兩者之間還是存在很大的區(qū)別。首先，與RFID技術(shù)相比，NFC的傳輸距離更短，可以提供輕松、安全、迅速的無線連接。已知的RFID的傳輸范圍可以達(dá)到幾米、甚至幾十米，近場通信技術(shù)由于其獨特的技術(shù)優(yōu)勢，對信號進(jìn)行了有效衰減，從而有效地降低了電磁波的傳輸距離，因此NFC具有比RFID技術(shù)更近的傳輸距離、更高的帶寬、更低的能耗等特點。其次，近場通信技術(shù)天生的優(yōu)勢是與現(xiàn)有非接觸智能卡技術(shù)兼容，目前已經(jīng)成為越來越多主要廠商支持的正式標(biāo)準(zhǔn)，因此具有更廣闊的應(yīng)用前景和使用范圍。同時，NFC技術(shù)是一種近距離連接協(xié)議，提供設(shè)備間輕松、迅速、安全而自動的通信。與其他無線連接方式相比，近場通信是一種近距離的私密通信方式。最后，近場通信與RFID的應(yīng)用領(lǐng)域不同，NFC技術(shù)主要應(yīng)用于門禁、公交、手機支付、交通、旅行、購物等領(lǐng)域，RFID技術(shù)則在生產(chǎn)、物流、跟蹤、資產(chǎn)管理等領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著巨大的作用。

此外，與紅外和藍(lán)牙傳輸方式相比，近場通信技術(shù)也表現(xiàn)出自己獨特的優(yōu)勢。與紅外技術(shù)相比，NFC技術(shù)提供一種面向消費者的、更近距離的交易機制，比紅外傳輸方式更快、更可靠、更簡單。與藍(lán)牙傳輸技術(shù)相比，一方面，近場通信技術(shù)面向近距離交易，適用于交換財務(wù)信息或敏感的個人信息等重要私密數(shù)據(jù)；另一方面，藍(lán)牙技術(shù)能夠彌補NFC技術(shù)通信距離不足的缺點，可以應(yīng)用于較長距離的數(shù)據(jù)通信。因此，NFC技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)可以相互補充、共同存在。事實上，快捷輕型的NFC協(xié)議可以用于引導(dǎo)兩臺設(shè)備之間的藍(lán)牙配對過程，促進(jìn)藍(lán)牙的使用。表1中直觀地表示了近場通信技術(shù)、紅外技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)在幾個技術(shù)性能指標(biāo)上的差異。

正是由于近場通信技術(shù)具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢，以及其對多種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的有效支持和兼容，加上NFC具有成本低廉、方便易用和更富直觀性等特點，這讓它在某些領(lǐng)域顯得更具潛力。NFC通過一個芯片、一根天線和一些軟件的組合，能夠?qū)崿F(xiàn)各種設(shè)備在幾厘米范圍內(nèi)的通信，并且費用低廉。近幾年隨著智能手機的普及，NFC技術(shù)逐漸走入尋常百姓家，眾多廠商紛紛在自己的終端設(shè)備中加入了NFC功能，搶占NFC市場先機。可以預(yù)言：如果NFC技術(shù)能得到普及，它將在很大程度上改變?nèi)藗兪褂迷S多電子設(shè)備的方式，甚至改變使用信用卡、鑰匙和現(xiàn)金的方式。我們有理由相信：近場通信技術(shù)將在移動互聯(lián)網(wǎng)時代大放異彩。

2近場通信技術(shù)架構(gòu)

近場通信技術(shù)支持3種不同的工作模式，每種工作模式具有相似的技術(shù)架構(gòu)，但是具體的工作模式又體現(xiàn)出各自的差別。我們將概述性地介紹近場通信的技術(shù)架構(gòu)。

按照從下至上的順序，近場通信技術(shù)的總體技術(shù)架構(gòu)包括以下幾個部分：模擬協(xié)議規(guī)范、數(shù)字協(xié)議規(guī)范、NFC相關(guān)動作規(guī)范、邏輯鏈路控制協(xié)議、NFC標(biāo)簽技術(shù)規(guī)范、NFC數(shù)據(jù)交換格式、記錄類型定義規(guī)范等。每一種技術(shù)規(guī)范都完成特定功能，并且針對具體的業(yè)務(wù)應(yīng)用和工作模式靈活選擇適當(dāng)?shù)膮f(xié)議規(guī)范實現(xiàn)。具體架構(gòu)如圖3所示[1]。

模擬協(xié)議規(guī)范的作用主要是定義了具備NFC功能的設(shè)備的無線射頻特性，如射頻域的形狀和強度。該規(guī)范主要用來決定NFC設(shè)備的可操作范圍。根據(jù)規(guī)定，近場通信技術(shù)的射頻磁場的載波頻率為13.56 MHz，未經(jīng)調(diào)制的射頻磁場磁場強度最小值為H min =1.0 A/m rms，未經(jīng)調(diào)制的射頻磁場強度最大值H max =7.5 A/m rms。在通信的過程中需要對磁場進(jìn)行調(diào)制。被動通信模式下，初始方應(yīng)產(chǎn)生一個射頻磁場來給目標(biāo)方供應(yīng)能量，目標(biāo)方應(yīng)該能夠在H min和H max 間連續(xù)工作，在實際使用過程中，當(dāng)目標(biāo)方在初始方的工作區(qū)域中時，初始方在其工作區(qū)域中的磁場強度應(yīng)不小于H min 。在主動通信模式下，初始方和目標(biāo)方都是用自身產(chǎn)生的射頻磁場（H min ～H max ）進(jìn)行通信。在實際使用過程中，當(dāng)目標(biāo)方和初始方在對方的工作區(qū)域中時，初始方和目標(biāo)方應(yīng)保證在自身工作區(qū)域中的磁場強度不小于H min 。當(dāng)進(jìn)行外部磁場檢測時，如果外部磁場在頻率為13.56 MHz 處的場強高于H Threshhold，NFC 設(shè)備應(yīng)能檢測出該外部磁場的存在。外部射頻磁場閾值H Threshhold = 0.1875A/m。

數(shù)字協(xié)議規(guī)范主要定義了用于完成通信的構(gòu)件，是實現(xiàn)ISO/IEC 18092和ISO/IEC 14443標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)字技術(shù)的規(guī)范。涉及到4種不同角色（初始方、目標(biāo)方、讀寫器、卡模擬器）下的NFC設(shè)備的數(shù)字接口和半雙工傳輸協(xié)議。主要包括調(diào)制機制、比特級編碼、比特速率、幀格式、相關(guān)協(xié)議和命令集。

NFC相關(guān)動作規(guī)范以滿足數(shù)字協(xié)議規(guī)范的構(gòu)件為基礎(chǔ)，定義了互動方式下建立通信的一系列動作。如輪詢周期、何時執(zhí)行進(jìn)行沖突檢測等動作。規(guī)范中定義的一些動作可以原樣使用，或者通過適當(dāng)修改來定義其他的方式來建立通信，這些變種方式可以適用于原用例或者適用于不透光的用例。

邏輯鏈路控制協(xié)議（LLCP）描述了NFC套件邏輯鏈路控制層（LLC）的功能、特征和協(xié)議。邏輯鏈路控制層構(gòu)成了OSI模型數(shù)據(jù)鏈路層的上半層，與下半層的媒體接入控制層（MAC）互補。LLCP層技術(shù)規(guī)范通過一系列映射可以支持MAC層。LLCP協(xié)議到外部MAC協(xié)議的每一種映射都指定了相應(yīng)的綁定需求。LLCP主要特征包括鏈路激活、監(jiān)測、去活，異步均衡通信，高層協(xié)議復(fù)用，無連接傳輸，面向連接的傳輸?shù)?。LLCP不支持同步傳輸、多播與廣播、數(shù)據(jù)的安全傳輸、服務(wù)用戶接口等功能。

NFC標(biāo)簽技術(shù)規(guī)范定義了4種NFC的標(biāo)簽類型，以支持設(shè)備的讀卡器工作模式。

數(shù)據(jù)交換格式（NDEF）規(guī)范定義了NFC應(yīng)用中的信息編碼格式。該規(guī)范支持NDEF信息的復(fù)用和分塊。

記錄類型定義規(guī)范如何在NDEF信息中構(gòu)造記錄，并指出記錄可以互相包含。每一種記錄都包含一個類型指示，表明其包含的內(nèi)容。

NFC設(shè)備有3種工作模式，對不同的工作模式，在協(xié)議使用與應(yīng)用定義方面有明顯的差異。

工作于讀寫模式下的設(shè)備支持的應(yīng)用可分為3類：NDEF參考應(yīng)用、第三方NDEF應(yīng)用和非NDEF應(yīng)用。NDEF參考應(yīng)用是指NDEF論壇預(yù)定義的一些具有參考價值的應(yīng)用，如鏈接切換、智能海報等；第三方NDEF應(yīng)用是指使用NDEF技術(shù)基于標(biāo)簽的專利性私有應(yīng)用；非NDEF應(yīng)用是指需要與非接觸式卡片交互的專利性私有應(yīng)用[1-2]。讀寫模式下的技術(shù)架構(gòu)如圖4（a）所示。

點對點模式下的技術(shù)架構(gòu)如圖4（b）所示。邏輯鏈路控制協(xié)議負(fù)責(zé)鏈路的激活、管理、去激活，該協(xié)議支持異步平衡模式和協(xié)議復(fù)用技術(shù)，同時支持無連接傳輸和面向連接的傳輸情況；協(xié)議綁定模塊為NFCC論壇定義的協(xié)議規(guī)范提供標(biāo)準(zhǔn)的綁定（即端口號），增強不同協(xié)議之間的互操作性；論壇已有協(xié)議部分是指那些論壇已定義了的與LLCP相互綁定的協(xié)議，如IP、對象交換協(xié)議（OBEX）；其他協(xié)議是指那些論壇為指定的可以運行于LLCP協(xié)議層之上的部分協(xié)議；參考應(yīng)用指論壇定義的可以運行于NDEF協(xié)議上的參考性應(yīng)用；點對點應(yīng)用可能包括從相機打印照片、交換商務(wù)名片，以及第三方NDEF應(yīng)用等等。

卡模式下的NFC設(shè)備架構(gòu)比較簡單。其應(yīng)用主要包括一些專利性的非接觸式卡片應(yīng)用，如基于ISO14443 A/B或FeliCa標(biāo)準(zhǔn)的付賬、購票應(yīng)用等。具體技術(shù)架構(gòu)如圖4（c）所示。 （待續(xù)）

參考文獻(xiàn)

[1] NFC Forum. NFC digital protocol technical specification 1.0[S].2010.

[2] NFC Forum. NFC Data Exchange Format （NDEF） technical specification 1.0[S].2006.

作者簡介

孫成丹，北京郵電大學(xué)在讀碩士研究生，目前主要研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)信息理論和關(guān)鍵技術(shù)。

彭木根，北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，IEEE高級會員；主要從事為時分雙工無線網(wǎng)絡(luò)信息理論、協(xié)同網(wǎng)絡(luò)編碼、無線網(wǎng)絡(luò)自組織技術(shù)、TDD高能效無線傳輸和組網(wǎng)技術(shù)、TD-SCDMA及增強演進(jìn)系統(tǒng)的傳輸和組網(wǎng)增強技術(shù)的研發(fā)工作；榮獲高等學(xué)校科學(xué)研究優(yōu)秀成果獎（科學(xué)技術(shù)）技術(shù)發(fā)明獎一等獎、中國通信學(xué)會科技進(jìn)步獎二等獎和北京青年優(yōu)秀科技論文獎二等獎，國際學(xué)術(shù)會議最佳論文獎3次；在國際著名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文約50篇，獲得授權(quán)發(fā)明專利30余項，提交標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)文稿30余篇，出版學(xué)術(shù)專著和譯著10余部。