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近場(chǎng)通信技術(shù)及其應(yīng)用

2018年03月06日 15:54 網(wǎng)絡(luò)整理 作者: 用戶評(píng)論(0

近場(chǎng)通信(Near Field Communication,NFC)技術(shù)是一種短距離無線通信技術(shù),它允許設(shè)備之間進(jìn)行非接觸點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)交換。近場(chǎng)通信最初是由恩智浦(NXP)和索尼公司在 2002 年共同聯(lián)合開發(fā)的新一代無線通信技術(shù),并被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)與國際電工委員會(huì)(IEC)等接收為標(biāo)準(zhǔn)。之后,為推動(dòng) NFC 技術(shù)的發(fā)展,2004 年由恩智浦、索尼和諾基亞公司創(chuàng)建了 NFC 論壇,目前 NFC論壇在全球擁有超過 140個(gè)成員,其中包括許多知名企業(yè),且發(fā)展態(tài)勢(shì)相當(dāng)迅速。

由于近場(chǎng)通信具有較高的安全性,因而被認(rèn)為在移動(dòng)支付等領(lǐng)域具有很廣的應(yīng)用前景,尤其是當(dāng)前智能手機(jī)的普及,使得在不久的將來 NFC技術(shù)與手機(jī)結(jié)合可以完全替代各種卡片、證件等,實(shí)現(xiàn)只需一部手機(jī)就能干所有事的目標(biāo)。

1 常見短距離無線通信方式

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和各種便攜式通信設(shè)備的不斷增加,人們對(duì)于各種設(shè)備間的信息交互有了強(qiáng)烈的需求,希望通過一個(gè)小型的、短距離的無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)在任何地點(diǎn)、任何時(shí)候與任何人進(jìn)行通信與數(shù)據(jù)交換,從而促使以藍(lán)牙、Wi?Fi、ZigBee、NFC、超寬帶(UWB)等技術(shù)為代表的短距離無線通信技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。短距離無線通信技術(shù)的基本特征為低成本、低功耗和對(duì)等性。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率,短距離無線通信技術(shù)可分為高速短距離無線通信和低速短距離無線通信。高速短距離無線通信最高速率大于 100 Mb/s,通信距離小于 10 m,典型技術(shù)有高速 UWB 和 60 GHz;低速短距離無線通信最低速率小于 1 Mb/s,通信距離小于 100 m,典型技術(shù)有低速UWB、ZigBee、藍(lán)牙。目前藍(lán)牙、WiFi(802.11)、ZigBee、紅外(IrDA)、超寬帶、近場(chǎng)通信(NFC)等短距離無線通信技術(shù)較受關(guān)注,它們?cè)趥鬏斔俣?、傳輸距離、功耗、可擴(kuò)展性等方面各有優(yōu)勢(shì),但沒有一種技術(shù)可以滿足所有應(yīng)用需求。

藍(lán)牙是一種使用全球通用的 2.4 GHz ISM 頻段的短距離無線通信技術(shù)規(guī)范,自藍(lán)牙規(guī)范 1.0 版推出后到現(xiàn)在的 4.0 核心規(guī)范,藍(lán)牙技術(shù)的推廣與應(yīng)用得到了快速發(fā)展。藍(lán)牙技術(shù)的主要特點(diǎn)有全球范圍適用、可同時(shí)傳輸語音和數(shù)據(jù)、可以建立臨時(shí)性的對(duì)等連接、具有較強(qiáng)的抗干擾能力、很小的體積、開放的標(biāo)準(zhǔn)接口以及低功耗、低成本等。

WiFi技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)一樣也是使用 2.4 GHz ISM附近的無線頻段,該技術(shù)目前有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)即 IEEE 802.11a 和 IEEE 802.11b。WiFi 技術(shù)的主要特點(diǎn)有數(shù)據(jù)傳輸速率高、覆蓋范圍較寬,適合在辦公室、家庭以及公共場(chǎng)所中布設(shè)熱點(diǎn),可作為有線寬帶的一種延伸與補(bǔ)充。

ZigBee 主要應(yīng)用在對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高的場(chǎng)合,使用的頻段分別為 2.4 GHz和 868 MHz/915 MHz,是一種基于 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的低復(fù)雜度、低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)速率、短時(shí)延、大容量、高安全的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),特別適合于星狀、簇狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)應(yīng)用,并具有自組織、自維護(hù)能力。

超寬帶技術(shù)是一種利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線載波通信技術(shù),因而其所占的頻譜范圍非常寬,在 3.1~60 GHz 頻段中占用 500 MHz 以上的帶寬,在 10 m 左右范圍內(nèi)支持高達(dá) 110 Mb/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率,特別適合視頻數(shù)據(jù)傳輸,具有傳輸速率高、良好的通信保密性、極強(qiáng)的穿透能力以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

紅外通信是利用 900 nm 近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒介,由于波長較短,因而更適合應(yīng)用于短距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直線數(shù)據(jù)傳輸,具有簡(jiǎn)單、小型和低成本的優(yōu)點(diǎn),目前絕大多數(shù)家用電器中的遙控器就是使用了紅外數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

2 近場(chǎng)通信與射頻識(shí)別技術(shù)的區(qū)別

射頻識(shí)別技術(shù)是 20世紀(jì) 90年代興起的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù),又稱為電子標(biāo)簽技術(shù),它利用無線電射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信。在 RFID 系統(tǒng)中主要由射頻卡(應(yīng)答器)和讀寫器組成,射頻卡和讀寫器之間通過電感耦合或電磁耦合方式實(shí)現(xiàn)能量和數(shù)據(jù)的傳輸。在電感耦合方式的 RFID 系統(tǒng)中,一般采用低頻和高頻頻率,典型頻率有 125 kHz、135 kHz、6.78 MHz、13.56 MHz 和 27.125 MHz。該方式的讀取距離一般在 0~100 cm,涉及 的 標(biāo) 準(zhǔn) 有 ISO11784/11785、ISO14443、ISO15693 和 ISO18000?3 等。在電磁反向散射耦合方式的 RFID系統(tǒng)中,一般適合于微波頻段,典型頻率有433 MHz、800 MHz/ 900 MHz、2.45 GHz 和 5.8 GHz。該方式的讀取距離一般大于 1 m,涉及的標(biāo)準(zhǔn)有 ISO18000?4、ISO18000?6 和 ISO18000?7 等。目前在 RFID 系統(tǒng)中,射頻卡和讀寫器均有各自專用芯片,有的讀寫器專用芯片還支持多協(xié)議,但射頻卡和讀寫器之間不能進(jìn)行角色互換。

NFC 是從射頻識(shí)別技術(shù)演變而來的,與其相近的是頻率為 13.56 MHz、符合 ISO14443[4] 標(biāo)準(zhǔn)的高頻 RFID 系統(tǒng)。NFC 技術(shù)在單一芯片上實(shí)現(xiàn)了讀卡器、卡片和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的多重功能,即根據(jù)不同應(yīng)用需求可在不同工作模式間轉(zhuǎn)換,可以在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進(jìn)行相互識(shí)別和數(shù)據(jù)交換。

與射頻識(shí)別一樣,近場(chǎng)通信中數(shù)據(jù)也是通過電感耦合方式傳遞,但近場(chǎng)通信由于采取了特殊的信號(hào)衰減技術(shù),其傳輸范圍比射頻識(shí)別要小,相對(duì)于射頻識(shí)別來說近場(chǎng)通信具有成本低、帶寬高、功耗小等特點(diǎn)。與射頻識(shí)別不同的是,近場(chǎng)通信具有雙向連接和識(shí)別的特點(diǎn),且其傳輸速率可變?yōu)?106 Kb/s,212 Kb/s,424 Kb/s 或更高,而 ISO14443 標(biāo)準(zhǔn)下的 RFID 系統(tǒng)其傳輸速率單一且固定為 106 Kb/s。另外在安全性方面,近場(chǎng)通信更安全,響應(yīng)時(shí)間更短,更適合在移動(dòng)支付等無線短距離傳輸環(huán)境下的應(yīng)用。

3 PN511系列芯片原理及應(yīng)用

PN511、PN512、PN531、PN533 以 及 PN544 是 NXP 公司推出的系列 NFC 芯片。該系列 NFC 芯片支持卡、讀寫器及 NFC 三種不同的應(yīng)用模式,工作頻率均為 13.56 MHz,作用距離為10 cm左右,數(shù)據(jù)傳輸速率可以選擇106 Kb/s,212 Kb/s,424 Kb/s,今后可提高至1 Mb/s,兼容應(yīng)用廣泛的 ISO14443 Type?A、B以及 FeliCa標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 基本原理

與 RFID 一樣,NFC 工作于 13.56 MHz 頻率范圍,兼容 ISO14443及 Felica標(biāo)準(zhǔn),也是通過電感耦合方式傳遞數(shù)據(jù)。與 RFID 不同的是,NFC 的傳輸范圍比 RFID 小,具有雙向連接和識(shí)別的特點(diǎn),其傳輸速率可變。下面以 PN511為例進(jìn)行分析。

PN511[5] 支持 3種不同的工作模式:支持ISO14443A/ Mifare和 FeliCa模式的讀寫器模式;支持 ISO14443A/Mi? fare和FeliCa模式的卡工作模式;NFCIP?1模式。

此外,PN512[6] 與 PN511的區(qū)別是還支持 ISO14443B 讀寫器模式,而 PN531[7] 與 PN511、PN512 的區(qū)別是內(nèi)部增加了一個(gè) 51 內(nèi)核的微處理器,并且提供多種接口。 PN533[8] 不僅支持完整的卡協(xié)議,還支持 Mifare Crypto加密算法,傳輸速率可達(dá) 848 Kb/s。PN544[9] 是第二代 NFC 控制器,功能更強(qiáng)大,應(yīng)用于手機(jī)和便攜式設(shè)備。

3.1.1 讀寫器模式

PN511通常支持 2種讀寫器模式,即 ISO14443A/Mi? fare 讀寫器或 FeliCa 讀寫器,如圖 1 所示。在讀寫器模式下,PN511 能夠與非接觸 ISO14443A/Mifare、FeliCa 卡進(jìn)行通信。

近場(chǎng)通信技術(shù)及其應(yīng)用

(1)ISO14443A/Mifare讀寫器模式

ISO14443A/Mifare 讀寫器模式是根據(jù) ISO14443A/ Mifare 規(guī)范進(jìn)行通信的普通讀寫器,圖 2 描述了通信過程,表 1列出了通信參數(shù)。

近場(chǎng)通信技術(shù)及其應(yīng)用

(2)FeliCa讀寫器模式

FeliCa 讀寫器模式是根據(jù) FeliCa 規(guī)范進(jìn)行通信的普通讀寫器。圖 3 描述了通信過程,表 2 列出了通信參數(shù)。

近場(chǎng)通信技術(shù)及其應(yīng)用

3.1.2 卡模式

PN511 可以像 ISO14443A/Mifare或 FeliCa卡那樣尋址,并可以根據(jù) ISO14443A/Mifare 或 FeliCa 接口所描述的采用負(fù)載調(diào)制的方法產(chǎn)生應(yīng)答。但 PN511 不支持完整的卡協(xié)議,須由控制器或?qū)iT的安全訪問模塊(SAM)來處理。如圖4所示。Mifare卡工作模式通信參數(shù)、FeliCa 卡工作模式通信參數(shù)同上。

近場(chǎng)通信技術(shù)及其應(yīng)用

3.1.3 NFCIP?1模式

PN511 支持 NFCIP?1 標(biāo)準(zhǔn)的主動(dòng)式和被動(dòng)式通信模式。主動(dòng)式通信指主設(shè)備與目標(biāo)設(shè)備都使用自己的射頻場(chǎng)來發(fā)送數(shù)據(jù),被動(dòng)式通信指目標(biāo)設(shè)備采用負(fù)載調(diào)制的方法對(duì)發(fā)起端命令進(jìn)行應(yīng)答。傳輸速率為 NFCIP?1 標(biāo)準(zhǔn)所定義的 106 Kb/s,212 Kb/s 和 424 Kb/s。如圖 5 所示。其中主設(shè)備指產(chǎn)生射頻能量場(chǎng)并發(fā)起 NFCIP?1 通信,目標(biāo)設(shè)備指采用被動(dòng)式通信模式中的負(fù)載調(diào)制方法或使用主動(dòng)式通信模式中自己生成和調(diào)制的射頻場(chǎng)來對(duì)主設(shè)備的命令作出響應(yīng)。

近場(chǎng)通信技術(shù)及其應(yīng)用

(1)主動(dòng)式通信模式

在主動(dòng)模式下,主設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備都使用自己的射頻場(chǎng)來發(fā)送數(shù)據(jù),這是對(duì)等網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)準(zhǔn)模式,可以獲得快速的連接設(shè)置。通信雙方采用發(fā)送前偵聽協(xié)議來發(fā)起一個(gè)半雙工通信。如圖 6所示。

(2)被動(dòng)式通信模式

在被動(dòng)模式下,主設(shè)備產(chǎn)生射頻場(chǎng)并選擇一種傳輸速率將數(shù)據(jù)發(fā)送到目標(biāo)設(shè)備,目標(biāo)設(shè)備不必產(chǎn)生射頻場(chǎng),而采用負(fù)載調(diào)制方式對(duì)主設(shè)備命令進(jìn)行應(yīng)答。如圖7所示。

3.2 主要應(yīng)用

NXP 公司的 NFC 系列芯片支持 3 種工作模式,即讀寫器模式、卡模擬模式、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式。

在讀寫器模式下,可以作為非接觸讀寫器使用,支持 ISO14443A/Mifare 或 FeliCa 標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn) RFID

近場(chǎng)通信技術(shù)及其應(yīng)用

在卡模擬模式下,可以模擬成一張非接觸卡,支持 ISO14443A/Mifare 或 FeliCa 標(biāo)準(zhǔn),但不支持完整的卡協(xié)議,不能完全替代標(biāo)準(zhǔn) RFID 卡,如門禁卡(只識(shí)別序列號(hào))等。

在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式下,可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)設(shè)備間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。使用該模式,多個(gè)具有 NFC 功能的設(shè)備之間就可以進(jìn)行無線互連,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

4 近場(chǎng)通信技術(shù)在移動(dòng)支付中的應(yīng)用

隨著移動(dòng)通信等技術(shù)的發(fā)展,手機(jī)尤其是智能手機(jī)已成為人們生活中不可或缺的一部分。以手機(jī)為載體,通過手機(jī)對(duì)所消費(fèi)的商品或服務(wù)進(jìn)行賬務(wù)支付已日益成為國內(nèi)外市場(chǎng)的熱點(diǎn)。當(dāng)前使用手機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)支付、身份驗(yàn)證、一卡通、電子門禁、電子門票等多種應(yīng)用。目前移動(dòng)支付具有兩種基本支付方式,即基于近距離通信技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)支付業(yè)務(wù)和基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程支付業(yè)務(wù)。

由于移動(dòng)支付涉及從芯片、卡片、手機(jī)終端、POS 機(jī)到后臺(tái)系統(tǒng)等諸多環(huán)節(jié),因而是一個(gè)跨行業(yè)的應(yīng)用。國內(nèi)在移動(dòng)支付應(yīng)用上的解決方案主要有[10] :

(1)基于 13.56 MHz非接觸技術(shù)的 NFC方案;

(2)基于 13.56 MHz非接觸技術(shù)的雙界面卡方案;

(3)13.56 MHz非接觸技術(shù)的 SD 卡方案;

(4)基于 2.4 GHz的 RF?SIM 卡方案。

目前被國內(nèi)主流運(yùn)營商認(rèn)可的是基于 13.56 MHz非接觸技術(shù)的 NFC方案。該方案有兩種實(shí)現(xiàn)方式:一種是將非接觸通信前端、安全芯片集成在手機(jī)上,但改造成本較高,未獲得大規(guī)模商用;另一種是將支付應(yīng)用與射頻模塊分離,在移動(dòng)終端中增加射頻模塊及天線,由于安全模塊集成在 SIM 卡上,用戶更換手機(jī)后,所有原來的服務(wù)仍可以繼續(xù)使用,現(xiàn)在市場(chǎng)上已有支持 NFC 功能的智能手機(jī)。后一種方式還可以支持卡模擬模式、讀卡器模式和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式,另外通過 SIM 卡本身的安全機(jī)制以及不同應(yīng)用間的隔離因而在安全性上也具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié) 語

短距離無線通信技術(shù)旨在解決設(shè)備之間近距離互連問題,其有效通信距離在厘米到百米的范圍內(nèi),在眾多短距離無線通信技術(shù)中,近場(chǎng)通信是一項(xiàng)很有特色的短距離無線通信技術(shù)。近場(chǎng)通信的短距離交互簡(jiǎn)化了認(rèn)證識(shí)別過程,使電子設(shè)備之間的互相訪問更直接與安全。通過 NFC,手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等移動(dòng)設(shè)備間可以方便快捷地進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。隨著在手機(jī)支付、電子門禁等領(lǐng)域的成功應(yīng)用,NFC 技術(shù)將更加普及,同時(shí)與手機(jī)的結(jié)合也將越來越緊密。

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