NFC技术原理、优势及发展前景

本世纪初，当人们还在把目光聚焦在介于通讯层面的五花八门的手机附加功能上时，移动支付这个全新的支付概念已经进入中国，这不但改变了人们赋予手机的传统“身份”，更加颠覆了人们传统观念中的支付手段与支付方式。一种方便、快捷的支付生活越来越多的被人们所关注。NFC技术在手机上的应用，使得移动支付成为可能，这种技术尤其受到了年轻一族的热捧。 

目前NFC最广泛的应用是手机地铁票，在包括我国广州在内的多个地区试用该技术后，都得到了广泛赞誉。方便的操作过程，将使NFC技术很有可能最终取代地铁IC卡车票方案。尽管目前基于NFC技术的移动支付大多还处于试用阶段，但是业界对其未来充满信心。

一、NFC概念简介

NFC英文全称Near Field Communication，即近距离通讯技术。NFC是脱胎于无线设备间的一种“非接触式射频识别”(RFID)及互联技术，为所有消费性电子产品提供了一个极为便利的通讯方式。 

NFC在单一芯片上结合了感应式读卡器，感应式卡片和点对点的功能。在数厘米（通常是15厘米以内）距离之间于13.56MHz频率范围内运作，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，任意两个设备（如移动电话）接近而不需要线缆接插，就可以实现相互间的通信，满足任何两个无线设备间的信息交换、内容访问、服务交换。

二、NFC技术背景

NFC是由飞利浦公司发起，由诺基亚、索尼等著名厂商联合主推的一项无线技术。由多家公司、大学和用户共同成立了泛欧联盟，旨在开发NFC的开放式架构，并推动其在手机中的应用。NFC由非接触式射频识别(RFID)及互联互通技术整合演变而来，在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。这项技术最初只是RFID技术和网络技术的简单合并，现在已经演变成一种短距离无线通信技术，发展态势相当迅速。 
 
与RFID不同的是，NFC具有双向连接和识别的特点，工作于13.56MHz频率范围，作用距离10厘米左右。NFC技术在ISO 18092、ECMA 340和ETSI TS 102 190框架下推动标准化，同时也兼容应用广泛的ISO 14443 Type-A、B以及Felica标准非接触式智能卡的基础架构。 

NFC芯片装在手机上，手机就可以实现小额电子支付和读取其他NFC设备或标签的信息。NFC的短距离交互大大简化整个认证识别过程，使电子设备间互相访问更直接、更安全和更清楚。通过NFC，电脑、数码相机、手机、PDA等多个设备之间可以很方便快捷地进行无线连接，进而实现数据交换和服务。

三、技术优势 

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，但两者之间还是存在很大的区别。首先，NFC是一种提供轻松、安全、迅速的通信无线连接技术，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。 

同时，NFC还优于红外和蓝牙传输方式。作为一种面向消费者的交易机制，NFC比红外更快、更可靠而且简单得多。与蓝牙相比，NFC面向近距离交易，适用于交换财务信息或敏感的个人信息等重要数据；蓝牙能够弥补NFC通信距离不足的缺点，适用于较长距离数据通信。因此，NFC和蓝牙互为补充，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，促进了蓝牙的使用。

NFC手机内置NFC芯片，组成RFID模块的一部分，可以当作RFID无源标签使用，用来支付费用；也可以当作RFID读写器用作数据交换与采集。NFC技术支持多种应用，包括移动支付与交易、对等式通信及移动中信息访问等。通过NFC手机，人们可以在任何地点、任何时间，通过任何设备，与他们希望得到的娱乐服务与交易联系在一起，从而完成付款，获取海报信息等。NFC设备可以用作非接触式智能卡、智能卡的读写器终端以及设备对设备的数据传输链路，其应用主要可分为以下四个基本类型：用于付款和购票、用于电子票证、用于智能媒体以及用于交换、传输数据。 

四、NFC技术原理 

1. 近距离无线通信 

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。 

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。

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。 

 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。 

五、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，像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)。

像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： 

① 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)。 

② 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。