近場通信技術（1）

[編者按]近場通信技術近年來逐漸受到人們的關注，相關的技術標準和協議規范也日臻完善。講座將分3期對該技術進行介紹：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的技術架構；第2期對近場通信的具體技術規范做詳細介紹，包括數字協議規范、相關動作規范、邏輯鏈路控制協議、標簽類型及數據交換格式；第3期介紹近場通信的安全技術、設備的連接切換規范和業務應用。

中圖分類號：TP393.03 文獻標志碼：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）技術在全球移動通信協會的強力推介下登場，成為業界新熱點。各大廠商也加緊了對于支持NFC技術產品的研發生產。近場通信技術又稱近距離無線通信，鑒于各種移動互聯網應用的廣泛開展和未來發展的廣闊空間，它已是信息時代的又一新寵，也是各大廠商和服務商爭奪的下一塊領地。

1.1 NFC背景

NFC技術是于2004年4月由飛利浦公司發起，是一項由飛利浦、諾基亞、索尼等廠商聯合主推的近距離無線技術。多家公司和大學共成立了泛歐聯盟，旨在推動NFC開放式架構的開發和其在手機中的應用。NFC由射頻識別（RFID）及互聯互通技術整合演變而來，保持對RFID的兼容性。通過在單一芯片上結合感應式讀卡器、感應式卡片和點對點的功能，具備NFC功能的設備能在短距離內與兼容設備進行識別和數據交換。這項技術最初只是RFID技術和網絡技術的簡單合并，現在已經演變成一種短距離無線通信技術，近年來逐年受到關注。很明顯，近場通信利用的是無線電波的臨近電磁場，根據電磁理論，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。相比之下，在無線電波的遠場中，信號強度以1/d 2的速率下降。

近場通信技術在ISO 18092、ECMA 340和ETSI TS 102 190框架下推動標準化，同時也兼容應用廣泛的ISO 14443 A/B以及Felica標準非接觸式智能卡的基礎架構。

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

NFC技術結合了非接觸式感應以及無線連接的相關技術，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，為設備間不同的應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相比，NFC技術更安全，反應時間更短。并且，由于近場通信技術與現有非接觸智能卡技術相兼容，目前已經得到越來越多廠商的支持并成為正式標準，這些都為NFC技術大范圍的應用提供了可能。NFC技術提供各種設備間輕松、安全、迅速而自動的通信，例如借助NFC技術，人們可以在不同的設備間交換照片、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注。在NFC技術發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相關專利；2004年諾基亞、飛利浦和索尼聯合組建了近場通信論壇；2006年NFC標簽的初步規范；2006年規范“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，NFC同樣面臨安全問題。但是NFC技術本身的特點——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行通信。但是為了提供安全可靠的通信，近場通信技術也包含了完整的安全技術。

1.2 NFC的3種工作模式

近場通信技術支持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設備相當于一張采用RFID技術的IC卡，完全可以應用于現在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，即便是在寄主設備（如手機、移動終端）沒電的情況下也可以保證數據的傳輸工作。

在點對點模式下，NFC技術和紅外線技術一樣，可用于數據交換，只是采用NFC技術的設備傳輸距離較短，傳輸創建速度較快，傳輸數據的速度也較快。相比于紅外設備，采用NFC技術的設備功耗較低。將兩個具備NFC功能的設備連接后，即可實現數據在設備間的點對點傳輸，可完成下載音樂、交換圖片或者同步設備地址薄等功能。因此通過近場通信技術，多個設備（如數位相機、PDA、計算機和手機等）之間可以交換資料或者互相提供服務。

在讀卡器模式下，NFC設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簽上讀取相關信息。

需要進行數據交互時，NFC設備可以工作于主動模式或被動模式下。在被動模式下，發起NFC通信的設備，也稱為NFC發起設備（主設備），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，將數據發送到另一臺設備。另一臺NFC設備作為目標設備（從設備），不必主動產生射頻場，僅需要通過負載調制技術，以相同的速度將數據傳回發起設備。此通信機制與基于ISO14443A、FeliCa的非接觸式智能卡兼容。因此，NFC發起設備在被動模式下，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目標設備，并與之建立聯系。在主動模式下，通信雙方收發器加電后，任何一方可以采用“發送前偵聽”協議來發起一個半雙工發送。在一個以上NFC設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，每臺設備要向另一臺設備發送數據時，都必須產生自己的射頻場。發起設備和目標設備都要產生自己的射頻場，以便進行通信。在被動模式下，像RFID標簽一樣，目標是一個被動設備。標簽從發起者傳輸的磁場獲得能量，然后通過負載調制技術將數據傳送給發起者。

需要注意的是，移動設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。在一個應用會話過程中，NFC設備可以在發起設備和目標設備之間切換自己的角色。利用這項功能，電池電量較低的設備可以要求以被動模式充當目標設備，而不是發起設備。

1.3 與其他無線通信技術的比較

目前，無線通信市場多種技術并存，尤其是近距離通信領域，已經存在多種近距離無線通信技術，比如藍牙技術、紅外線技術、RFID技術等，這些技術的并存為用戶提供了豐富多樣的業務，并且每一種技術都有自己的應用場景和優勢。近場通信技術的出現，豐富了近距離無線通信技術的種類，完善了近距離無線通信的應用場景和范圍，也為用戶提供了更大的選擇靈活性。與現存的諸多近距離無線通信技術相比，NFC技術具有明顯的優勢。圖2展示了無線通信市場中各技術適用場景[1]。

與RFID相比，近場通信技術中的信息也是通過無線頻率的電磁感應耦合方式傳遞，利用了負載調制的功能。但兩者之間還是存在很大的區別。首先，與RFID技術相比，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的傳輸范圍可以達到幾米、甚至幾十米，近場通信技術由于其獨特的技術優勢，對信號進行了有效衰減，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，近場通信技術天生的優勢是與現有非接觸智能卡技術兼容，目前已經成為越來越多主要廠商支持的正式標準，因此具有更廣闊的應用前景和使用范圍。同時，NFC技術是一種近距離連接協議，提供設備間輕松、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的應用領域不同，NFC技術主要應用于門禁、公交、手機支付、交通、旅行、購物等領域，RFID技術則在生產、物流、跟蹤、資產管理等領域內發揮著巨大的作用。

此外，與紅外和藍牙傳輸方式相比，近場通信技術也表現出自己獨特的優勢。與紅外技術相比，NFC技術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。與藍牙傳輸技術相比，一方面，近場通信技術面向近距離交易，適用于交換財務信息或敏感的個人信息等重要私密數據；另一方面，藍牙技術能夠彌補NFC技術通信距離不足的缺點，可以應用于較長距離的數據通信。因此，NFC技術和藍牙技術可以相互補充、共同存在。事實上，快捷輕型的NFC協議可以用于引導兩臺設備之間的藍牙配對過程，促進藍牙的使用。表1中直觀地表示了近場通信技術、紅外技術和藍牙技術在幾個技術性能指標上的差異。

正是由于近場通信技術具有獨特的技術優勢，以及其對多種標準規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，能夠實現各種設備在幾厘米范圍內的通信，并且費用低廉。近幾年隨著智能手機的普及，NFC技術逐漸走入尋常百姓家，眾多廠商紛紛在自己的終端設備中加入了NFC功能，搶占NFC市場先機。可以預言：如果NFC技術能得到普及，它將在很大程度上改變人們使用許多電子設備的方式，甚至改變使用信用卡、鑰匙和現金的方式。我們有理由相信：近場通信技術將在移動互聯網時代大放異彩。

2近場通信技術架構

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

按照從下至上的順序，近場通信技術的總體技術架構包括以下幾個部分：模擬協議規范、數字協議規范、NFC相關動作規范、邏輯鏈路控制協議、NFC標簽技術規范、NFC數據交換格式、記錄類型定義規范等。每一種技術規范都完成特定功能，并且針對具體的業務應用和工作模式靈活選擇適當的協議規范實現。具體架構如圖3所示[1]。

模擬協議規范的作用主要是定義了具備NFC功能的設備的無線射頻特性，如射頻域的形狀和強度。該規范主要用來決定NFC設備的可操作范圍。根據規定，近場通信技術的射頻磁場的載波頻率為13.56 MHz，未經調制的射頻磁場磁場強度最小值為H min =1.0 A/m rms，未經調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行調制。被動通信模式下，初始方應產生一個射頻磁場來給目標方供應能量，目標方應該能夠在H min和H max 間連續工作，在實際使用過程中，當目標方在初始方的工作區域中時，初始方在其工作區域中的磁場強度應不小于H min 。在主動通信模式下，初始方和目標方都是用自身產生的射頻磁場（H min ～H max ）進行通信。在實際使用過程中，當目標方和初始方在對方的工作區域中時，初始方和目標方應保證在自身工作區域中的磁場強度不小于H min 。當進行外部磁場檢測時，如果外部磁場在頻率為13.56 MHz 處的場強高于H Threshhold，NFC 設備應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。

數字協議規范主要定義了用于完成通信的構件，是實現ISO/IEC 18092和ISO/IEC 14443標準中數字技術的規范。涉及到4種不同角色（初始方、目標方、讀寫器、卡模擬器）下的NFC設備的數字接口和半雙工傳輸協議。主要包括調制機制、比特級編碼、比特速率、幀格式、相關協議和命令集。

NFC相關動作規范以滿足數字協議規范的構件為基礎，定義了互動方式下建立通信的一系列動作。如輪詢周期、何時執行進行沖突檢測等動作。規范中定義的一些動作可以原樣使用，或者通過適當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。

邏輯鏈路控制協議（LLCP）描述了NFC套件邏輯鏈路控制層（LLC）的功能、特征和協議。邏輯鏈路控制層構成了OSI模型數據鏈路層的上半層，與下半層的媒體接入控制層（MAC）互補。LLCP層技術規范通過一系列映射可以支持MAC層。LLCP協議到外部MAC協議的每一種映射都指定了相應的綁定需求。LLCP主要特征包括鏈路激活、監測、去活，異步均衡通信，高層協議復用，無連接傳輸，面向連接的傳輸等。LLCP不支持同步傳輸、多播與廣播、數據的安全傳輸、服務用戶接口等功能。

NFC標簽技術規范定義了4種NFC的標簽類型，以支持設備的讀卡器工作模式。

數據交換格式（NDEF）規范定義了NFC應用中的信息編碼格式。該規范支持NDEF信息的復用和分塊。

記錄類型定義規范如何在NDEF信息中構造記錄，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，表明其包含的內容。

NFC設備有3種工作模式，對不同的工作模式，在協議使用與應用定義方面有明顯的差異。

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

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

卡模式下的NFC設備架構比較簡單。其應用主要包括一些專利性的非接觸式卡片應用，如基于ISO14443 A/B或FeliCa標準的付賬、購票應用等。具體技術架構如圖4（c）所示。 （待續）

參考文獻

[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，北京郵電大學在讀碩士研究生，目前主要研究方向為無線網絡信息理論和關鍵技術。

彭木根，北京郵電大學教授、博士生導師，IEEE高級會員；主要從事為時分雙工無線網絡信息理論、協同網絡編碼、無線網絡自組織技術、TDD高能效無線傳輸和組網技術、TD-SCDMA及增強演進系統的傳輸和組網增強技術的研發工作；榮獲高等學校科學研究優秀成果獎（科學技術）技術發明獎一等獎、中國通信學會科技進步獎二等獎和北京青年優秀科技論文獎二等獎，國際學術會議最佳論文獎3次；在國際著名學術期刊發表SCI學術論文約50篇，獲得授權發明專利30余項，提交標準技術文稿30余篇，出版學術專著和譯著10余部。