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NFC 技术发展与应用 王三元;程代伟【摘 要】近场通信(Near Field Communication,NFC)是一种起源于无线射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)的新兴无线传输技术,近年来在国内外取得了快速发展.本文介绍了 NFC 技术的组成、原理及标准化,对其在各领域的应用做了较全面的论述,并探讨了目前 NFC 技术发展中存在的问题.【期刊名称】北京电子科技学院学报【年(卷),期】2016(024)004【总页数】6 页(P44-49)【关键词】近场通信;协议;标准【作 者】王三元;程代伟【作者单位】北京电子科技学院通信工程系,北京 100070;北京电子科技学院通信工程系,北京 100070【正文语种】中 文【中图分类】TN926.1 NFC（Near Field Communication，近场通信）是一种新型的非接触式无线通信技术，它起源于 RFID（Radio Frequency Identification，无线射频识别）技术，由飞利浦、索尼、诺基亚等公司联合推出。NFC 工作频率为 1356MHZ，通信距离为 020cm，其工作距离实际只有 010cm。在工作距离范围内，可实现的传输速率为 106kbs、212kbs 和 424kbs。与蓝牙、UWB、ZigBee 等短距离无线通信技术相比，NFC 的配对更加快速，操作更加简洁，软硬件实现方式更加简单。这样的优势可以使设备之间快捷安全的建立起连接，并进行数据交换。目前 NFC 在数据传输、移动支付、智能海报、医疗、航空等领域均有大量应用。天线产生的电磁波，可以根据不同的特性划分为三个不同的区域：感应近场、辐射近场和辐射远场。其中感应近场区域指的是靠近天线的区域，在这个区域中，电磁场的能量是振荡的，不产生辐射。辐射近场区介于感应近场和辐射远场之间。在该区域中由于与距离的一次方、平方、立方成反比的场分量都占据一定的比例，所以在不同距离上计算出的天线方向图是有差别的。辐射近场区之外就是辐射远场区，属于天线的实际使用区域，该区域的场幅度与离开天线的距离成反比1。NFC称为近场通信，其工作原理就是基于感应近场，如图 1 所示。在该区域中，离天线或辐射源越远，场强的衰减就越大，所以非常适合在短距离内传输与安全相关的数据。NFC 技术的工作原理如下：（1）阅读器产生射频场，电子标签从射频场中耦合得到能量，然后反馈给阅读器一个信息。（2）阅读器将要发送的信息经过调制后发送给电子标签，电子标签通过负载调制将阅读器所需信息传回阅读器2。NFC 可以在主动和被动两种模式下工作，其工作原理存在一定的区别。被动通信模式如图 2 所示。在被动模式下，启动 NFC 设备进行通信的称之为发起方，而通信的接收方称之为目标方。在被动通信中，由发起方提供射频场，并选择 106kbs、212kbs 或 424kbs 中的一种速率对信息进行传送。在该过程中，目标方不产生射频场，而是从发起方发射的射频场中获取能量，然后目标方使用负载调制的方式，用相同的速率将信息传回发起方。由于使用了这样的通信建立过程，在被动模式下，若要检测相同的非接触式智能卡和 NFC 设备并与之建立联系，可以使用相同的连接和初始化过程3。由于被动模式的目标方不需要产生射频场，所以大量的移动 NFC 设备都采用被动模式进行通信。其中，无源设备和有源设备均可以借助发起方射频场提供的能量，在这种情况下，有源设备就可以降低电源的功率，延长电池的使用时间。在有些应用中，可以要求低电量设备在通信中以被动模式通信，充当目标设备来节约电能。主动通信模式如图 3 所示。主动通信的发起方和目标方处于对等状态，不存在主从关系，在数据传输过程中，双方都需要产生射频场，并且两台设备都要求支持全双工数据交换。发起方传送数据时，产生自己的射频场，而目标方此时会关闭自己的射频场并进入侦听状态接收发起方传输的数据。数据传输结束后，发起方关闭自己的射频场，转为侦听状态，此时目标方自己产生射频场向发起方传送数据。这样的方式可以获得非常快速的连接设置。在主动通信模式下，目标方必须是有源设备，这使得通信双方均有能力产生射频场，发起方和目标方的关系处于平等的状态，适合点对点的数据传输。而且可以使主动通信比被动通信的传输距离稍远。通信双方均是有源设备还解决了双方同是移动设备时电源消耗不平衡的问题。另外，NFC 设备所采用的工作模式还会影响到实际的数据传输速率，所以在通信发起前，发起方需要依照相关协议选定一种通信模式和传输速率，一旦选定，在通信开始后将无法更改。传输速率与射频载波的关系如下面公式所示：VfcD128 其中 D 为乘数因子4。由以上公式可得，通信模式与传输速率的关系如表 1 所示。随着 NFC 技术的不断发展，飞利浦、索尼、诺基亚推出了 NFC 的标准化规范（Near Field Communication Interface and Protocol），即 NFCIP1，并牵头组建了 NFC 的标准化组织 NFC Forum（NFC 论坛）。随后 NFCIP1 被提交给欧洲计算机制造商协会 ECMA，被批准为 ECMA 340 标准。ECMA 又将该标准推向国际标准化组织 ISO，称为国际化标准，批准为 ISO 18092。2003 年，NFCIP1被欧洲电信标准化协会 ETSI 批准为 TS 102 190 v111，2004 年，NFC Forum 再次推出 NFCIP2，旨在解决非接触智能卡的兼容问题，该标准最终被国际标准化组织接受，为 ISO 21481。NFCIP1 对 NFC 设备的物理层和数据链路层都进行了严格的规定，其中包括调制方案、编码方式、帧格式等内容，除此之外，NFCIP1 还对 NFC 设备主被动模式初始化过程中的数据冲突控制机制所需的初始化方案和条件进行了规定。NFCIP1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5。在 NFCIP1 中规定了 NFC 的三种应用模式：卡模式，读写模式和点对点通信模式。卡模式下，具有 NFC 功能的电子设备会模拟成为一张非接触式智能卡，如银行卡，门禁卡等。目前只支持 ISO 18092 规范。读写模式下，NFC 设备可以作为一个读卡器，可以读写 NFC 标签，非接触式智能卡等或者工作在卡模式下的 NFC 设备。可以对符合 ISO 14443、15693 和18092 规范的智能卡进行读写。点对点模式下，两个具有 NFC 功能的电子设备可以进行信息交互，只要将设备靠近就可以传输数据。NFCIP1 标准规定，NFC 工作在 1356MHZ 的频率下，据有三种不同的传输速率，分别为 106kbs、212kbs 和 424kbs。其工作的速率与通信的距离有关，一般的工作距离最大为 20 cm，实际工作距离由于受到电磁兼容性标准的严格限制，一般不会超过 10 cm。NFCIP1 标准规定了 NFC 的调制方式。对于目前的三种传输速率，标准规定使用ASK（幅移键控）来进行调制，ASK 是一种相对简单的调制技术，具有易于实现和带宽占用较小的优势。对于不同的速率，标准规定了不同的调制度。106kbs速率下，采用 100%的 ASK 调制，其他两种速率采用了 10%的调制度。而对于大于 424kbs 的高速率传输，协议没有做出明确规定。NFCIP1 标准规定了 NFC 的编码方式。其中包括信源编码和纠错编码。对于信源编码，不同的数据传输速率采用的编码方式和规则是不一样的。在 106kbs 速率下，信源编码采用了改进型的米勒码（Miller）。对于其他两种传输速率，信源编码采用曼彻斯特码（Manchester）进行编码，或者可以采用反向曼彻斯特码表示。对于纠错编码，采用循环冗余校验法，所有的传输比特，包括数据比特、校验比特、起始比特、结束比特以及循环冗余校验比特都要参加循环冗余校验。由于编码是按字节进行的，因此总的编码比特数应该是8 的倍数6。NFCIP1 标准规定了 NFC 的帧结构。不同速率下，使用的帧结构是不同的。在106kbs 下，存在着三种帧结构：短帧（Short Frame）、标准帧（Standard Frame）、和面向比特的 SSD 帧（Bitoriented Single Device Detection Frame）。其中，短帧用于通信的初始化，包括起始位，结束位和 7 位指令码。指令码包括阅读请求、阅读响应、唤醒请求、单用户设备检测请求、选择请求、选择响应以及休眠请求等。标准帧用于数据的交换，组成包括起始位，结束位和n8 数据比特、n 位奇校验比特。面向比特的 SSD 帧用于多个设备的冲突检测过程。其余两种速率的帧结构基本相同，其中，前导符至少要有 48bit 的“0”信号；同步标志有 2 个 byte，第一个字节的同步码为“B2”，第二个字节的同步码为“4D”；数据长度是一个 8bit 码，它表示有效传输数据的字节数7。NFCIP1 标准规定了 NFC 的冲突检测。多台 NFC 设备在同时工作时，可能会干扰到其他设备，为了避免这种情况的产生，标准规定，在 NFC 设备开始工作之前，将首先进行设备初始化，对周围的射频场进行一定的检测，只有在周围射频场的阀值低于 01875Am 时才会继续工作。如果两台 NFC 设备需要进行点对点通信，那么两台设备会同时开机产生射频场，这就需要采用单用户检测来保障点对点通信的正常进行，即检测 NFC 设备识别码或信号时隙。NFCIP1 标准规定了 NFC 的传输协议。该协议包括协议激活、数据交换和协议关闭三个方面。其中，协议激活用于目标设备和发起设备的属性请求和参数协商。数据交换采用半双工模式，以数据块为单位进行传输。协议关闭包括撤销选中和释放连接，使目标设备和发起设备都回到初始化的状态8。随着 NFC 基础技术的不断发展，NFC 的实际应用也不断的涌现。目前常用的主要集中于数据交换和移动支付。除此之外，在智能海报、航空和医疗方面也有所应用9。NFC 的一种重要的工作模式就是点对点模式，两台 NFC 设备可以互相交流信息。虽然 NFC 设备之间交流数据的速率不快，目前最大的速率也只有 424kbs，但是 NFC 建立连接的速度很快，只需要两台设备靠近或者触碰就可以完成数据的传输，所以非常适合少量数据的快速传输。谷歌公司推出的 Android 40 操作系统中就加入了 NFC 传输功能，只要将两部手机轻轻触碰就可以传输网页、联系人等数据。但是 NFC 由于天生速度受限所以无法传输大文件，而在目前市面上出售的一些Android 设备却可以通过触碰传输比较大的文件如照片，歌曲等。其实这是设备通过 NFC 协助蓝牙或者 WiFi 快速配对来实现数据的传输。比如，以 WiFi 为例，当两部具有 NFC 功能的设备相接触时，两部设备通过 NFC 快速的交换了各自的WiFi Direct（WiFi 直连）配置信息，这样就免去了复杂的配对过程。设备之间就可以通过 WiFi Direct 来传输比较大的文件。有部分蓝牙设备也可以通过类似方法来实现快速连接。NFC 工作在 1356 MHz 的频段，这和金融行业的大多数非接触设备相互兼容，这为 NFC 进入金融行业打下了良好的硬件基础。而且 NFC 的传输距离比较近，传输过程中想要窃取传输内容比较困难，所以具有较高的安全性。这些优势都使得NFC 技术成为了移动支付的最佳选择。随着 NFC 在智能手机上不断普及，使用NFC 进行移动支付已经成为现实，目前由美国苹果公司推出的 Apple Pay（苹果支付）和韩国三星公司推出的 Samsung Pay（三星支付）已经开始全面商用。其中使用 Apple Pay 的设备会主动检测 POS 机周围的射频场，但是需要 POS 机支持 NFC 功能。如果检测到目标设备并配对完成，双方将会交换支付信息，用户只要在手机端输入密码就可完成支付。而 Samsung Pay 可以将设备直接模拟为一张银行卡，用户无需寻找具有 NFC 功能的 POS 机，只需要将设备靠近普通 POS 机，输入密码就可完成支付10。NFC 在其他领域还有很多应用。比如，商家在商品或者海报中加入 NFC 标签，用户只要用具有 NFC 功能的手机接近，就可以获取标签中的产品介绍、优惠券等信息。在航空领域，人们可以直接将登机牌的相关信息存入 NFC 手机里，只需要刷手机就可以完成登机手续。在医疗领域，NFC 可用于患者的实时信息传输和记录等。NFC 发展至今，已经过去了十多年，但是，其应用相比于它的前辈 RFID，还是处于不温不火的状态，对于其发展来说，依然存在一些问题。NFC 的大众化使用与手机有重要的关系，人们希望通过一种便捷的方式使用 NFC来便利自己的生活，将手机和 NFC 结合正好解决了这个问题。所以，研究机构API 曾表示，在 2009 年将会有 50%的手机搭载 NFC 功能，但事实上只有不到 1%的手机搭载了这项功能。直到现在，除了少数的高端手机搭载NFC 功能外，大量手机都没有这项功能，这导致了人们无法以一个合理的价格获得一部 NFC 功能的手机，直接阻碍了 NFC 的大众化。除此之外，诺基亚作为 NFC 的创始企业之一，在手机市场上连连败退，最终退出了手机市场，这也无形中阻碍了 NFC 的硬件发展和普及。NFC 技术出现后，由索尼、飞利浦和诺基亚牵头组建了 NFC Forum 来制定 NFC的相关标准。但是后来，飞利浦公司独立出的半导体部门恩智浦公司长期把持NFC Forum 并占有了 NFC 市场的大多数份额，导致大多数想加入的厂商无盈利性可言，降低了其他厂商开发 NFC 技术的积极性。同时早期的 NFC 技术不够成熟，NFC 产业链也不完整，导致整个行业尚无盈利可言，严重的影响了 NFC 的发展和普及。随着 NFC 在人们生活中的不断深入，NFC 的安全问题也开始出现，尤其是涉及到支付方面的应用时，安全问题就更加明显。NFC 使用的是无线通信，因此传输内容很容易被其他设备截取，除此之外，NFC 的编码和解码原理也是公开的，只要截获通信内容就可解码获得传输的信息。而且和其他大多数无线通信一样，NFC通信也可以被干扰，破坏数据的完整性。由于上述的问题的存在，使 NFC 在使用中存在着一定的隐患，这也导致了 NFC 发展的缓慢。随着物联网技术的发展，对 NFC 这样可以即时快速传递信息的通信方式的需求量会不断增大，NFC 可以借助物联网的发展继续扩大自己的发展领域。同时，随着新一代手机厂商的崛起和硬件成本的下降，NFC 硬件也开始不断地进入普通人的生活。相信在未来，会不断呈现更广泛的 NFC 应用。【相关文献】1 王淼NFC 技术原理与应用M北京：化学工业出版社，2014：176 2 陈振NFC 标签芯片信道编解码单元和信息安全单元设计D合肥：安徽大学，2014：717 3 寒露，桑亚楼NFC 技术及其应用J移动通信，2008（6）：2528 4 李卫NFC 电子标签调制解调电路的研究与设计D合肥：安徽大学，2015：18 5 Ecma ECMA 340，Near Field Communication Interface and Protocol（NFCIP 1）SGENEVA：EcmaInternational，2ndEditionDecember 2004 6 佚名NFC 介绍DBOLhttp：blogcsdnnetkevinx xu articledetails140043632013110120160415 7 吴思楠，周世杰，秦志光近场通信技术分析J电子科技大学学报，2007，36（6）：9699 8 刘浩基于 NFC 技术的近场通信应用探索J中国无线电，2010（12）：3435 9 张士兵，包志华，徐晨近距离无线通信及其关键技术J电视技术，2006（6）：6264 10 戴尔俶基于 NFC 的移动支付系统设计与实现D成都：电子科技大学，2013：611
