智能手機很快就將包含近場通信(NFC)無線技術,，這使得智能手機能用作鑰匙或信用卡。用戶只需在NFC閱讀器附近揮動他們的手機或與NFC閱讀器輕輕接觸,，兩個設備之間就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換進而完成交易,。自動配對是另外一種新興應用。
無線技術
NFC的最大范圍大約是20cm,，典型的使用距離是4cm至5cm,，這對安全性很有好處。近場通信技術顧名思義就是使用近場,，而不是人們更加熟悉的遠場,。
遠場由正交的電場和磁場組成，這些電磁場距離天線幾個波長之外,。波形則按照麥克斯韋(Maxwell)方程預測的方式展開,，其中電磁場不斷交換能量并沿著信號路徑相互恢復。場強隨距離(d)增加按照比例因子1/d2而減小,。
近場距離天線一個波長之內(nèi),，它也是由電場和磁場組成，雖然磁場占主導地位,。信號強度的衰減因子是1/d6,，因此與遠場相比其有用性要低得多。
實際上,，近場是發(fā)射天線產(chǎn)生的磁場,，可以看作是空心變壓器的初級，接收天線可以看作是該變壓器的次級繞組。衰減使得總有效無線距離非常短,。
近場通信工作在免許可的13.56MHz頻率,，它需要經(jīng)過聯(lián)邦委員會(FCC)發(fā)布的CFR47標準第15和第18部分的認證，大多數(shù)其它國家也認可這個標準,。采用10%或100%調(diào)制的幅移鍵控(ASK)技術,。發(fā)射的二元數(shù)據(jù)使用曼徹斯特(Manchester)編碼或改進的米勒(Miller)編碼以確保傳輸可靠性。
根據(jù)編碼和調(diào)制百分比,，數(shù)據(jù)速率可達106kbits/s,、212kbits/s或424 kbits/s。一些NFC設備使用標準的NRZ-L編碼,。二元相移鍵控(BPSK)調(diào)制是數(shù)據(jù)速率為106kbit/s的另外一種方案,。典型的信號帶寬是±7kHz或高達±1.8MHz，取決于具體的數(shù)據(jù)編碼和速度,。
有些設備可以提供848kbits/s的數(shù)據(jù)速率,，但這不是認證標準的內(nèi)容。更快的甚高比特率(VHBR)修訂標準正在考慮中,，對某些應用來說可能將速率提高到6.8Mbits/s,。
NFC模式、設備和協(xié)議
近場通信有兩種基本的工作模式：有源和無源(圖1),。在有源模式下,，電池或電源為兩個通信設備充分供電。在無源模式下,，其中一個通信設備擁有完整的供電電源,，另外一個則完全是無源模式,。被稱為標簽的無源設備從接收到的有源設備發(fā)射的射頻信號中獲取直流工作電源,。
圖1：近場通信同時使用有源和無源設備。
射頻標簽(RFID)的工作原理也是一樣,。無源設備先加電,，然后使用負載調(diào)制(一種低調(diào)制百分比的ASK)將數(shù)據(jù)傳回到有源設備。負載調(diào)制是將數(shù)據(jù)調(diào)制到848kHz的子載波,，然后再將這個子載波調(diào)制到13.56MHz主載波,。最終，信號將改變偵聽設備的阻抗,，從而轉(zhuǎn)換成某種形式的ASK,。
有源和無源設備工作在212kbit/s和424kbit/s速率時都使用曼徹斯特編碼且調(diào)制率為10%的ASK。有源設備工作在106kbit/s速率時采用米勒編碼和100%調(diào)制的ASK,，以確保初始連接,。圖2顯示了標準NRZ-L代碼和NFC編碼選項。
圖2：近場通信中使用的二進制波形包括標準NRZ-L格式(a)、交流曼徹斯特編碼波形(b),、直流曼徹斯特編碼(c)和改進型米勒編碼(d),。曼徹斯特和米勒編碼可以提供更加可靠的讀取，而且時鐘恢復非常方便,。
基本通信模式是半雙工,，即一個設備在發(fā)送時，另一個設備只能接收,。操作模式是在“交談”前先要“偵聽”,。其中一個設備是發(fā)起設備，必須對信道進行偵聽,，只有偵聽到信道上沒有其它信號時才發(fā)送信號,。發(fā)起設備“輪詢”可能靠近自己的其它設備。其它設備或目標設備則偵聽并根據(jù)正式協(xié)議響應發(fā)起設備,。
其它操作模式是讀/寫,、點到點和卡模擬。讀/寫操作用于在有源設備和無源設備之間從一個設備到另一個設備傳送數(shù)據(jù),。發(fā)起設備要么讀取無源設備,，要么寫入無源設備。在點到點模式,，兩個有源設備可以通過交換數(shù)據(jù)建立一條進行其它傳輸?shù)逆溌?。卡模擬模式的工作原理就像是一個有源設備讀取一個諸如智能信用卡或標簽等無源設備,。
NFC標準
目前有多種NFC標準,，如NFC-A、NFC-B和NFC-F,，它們定義了幾種稍有不同的傳輸技術,。每種標準規(guī)定了不同的數(shù)據(jù)速率、調(diào)制,、編碼或工作模式(見表),。執(zhí)行輪詢的發(fā)起設備試圖檢測響應設備的特定模式，然后將自己配置為合適的技術,，最終完成事務處理,。
另外，NFC標準定義了4種基本的無源標簽類型,，即從類型1到類型4,。每種類型有不同的內(nèi)存容量，并且匹配某種流行的標準,。類型1和類型2分別具有96B和48B到2kB的最大存儲容量,，工作在106kbits/s,。類型3和類型4工作在212kbits/s或424kbits/s，分別擁有1MB或32kB的最大存儲容量,。
NFC標準進一步規(guī)定了一種稱為NFC數(shù)據(jù)交換格式(NDEF)的消息封裝格式,，用于正常的操作過程之中。每次傳輸稱為一條消息,，每條消息由一條或多條記錄組成(圖 3),。一條記錄包含有效負載加上一個定義好的頭部，而頭部由標識符,、長度和負載類型域組成,。負載一般是URL或標準NFC記錄類型定義(RTD)文件中定義的數(shù)據(jù)類型。
圖3：NFC數(shù)據(jù)交換格式(NDEF)也稱為消息,，由一條或多條記錄組成,。一條記錄包括有效負載以及由標識符、長度和負載類型域組成的頭部,。
大多數(shù)基本的近場通信標準來源于RFID和智能卡標準,。這些標準已經(jīng)成為正式的國際標準化組織/國際電工委員會(ISO/IEC)標準，包括原本由參與公司開發(fā)的那些標準：
ISO/IEC 14443A (恩智浦半導體,，即以前的飛利浦MIFARE),；ISO/IEC 14443B (英飛凌)；JIS X6319-4 (索尼FeliCA)
射頻NFC標準是ECMA340（歐洲標準信息與通信系統(tǒng)協(xié)會）,，并被指定為NFCIP-1或近場通信接口與協(xié)議,。ISO/IEC將這個標準收編為18092。另外還有NFCIP-2(稱為ECMA 352),，以及ISO/IEC 23917,。
NFC論壇(www.nfc-forum.com)是一個非贏利的公司推進組織，宗旨是頒發(fā)并維護與NFC有關的廣泛的相關性規(guī)范和標準,。它還提供測試與驗證程序來提升NFC設備的互操作性,。EMVCo是Europay、萬事達(MasterCard),、美國運通(American Express)和Visa組成的聯(lián)合商業(yè)風險公司,，管理和維護著針對智能卡、銷售點(POS)終端,、ATM及相關設備的規(guī)范。
NFC的安全性
如果NFC用來代替信用卡支付或訪問關鍵設施,，發(fā)射的數(shù)據(jù)必須要安全,。NFC具有固有的安全性，因為它非常短的工作距離可以防止信號傳得太遠,。不過,，這并不意味著NFC系統(tǒng)不會受到攻擊。高增益的定向天線和高靈敏度的接收機可以在相當長的距離內(nèi)竊聽到NFC信號，雖然參與攻擊的接收機裝置可能并不怎么顯眼,。
安全風險還來自于其它形式的攻擊,。例如，當錯誤數(shù)據(jù)被發(fā)送給NFC閱讀器或其它激活的設備,，就可能發(fā)生數(shù)據(jù)損壞,。數(shù)據(jù)還可能在傳輸過程中被修改。在“中間人”的攻擊中,，黑客可以獲得發(fā)射的數(shù)據(jù),，然后經(jīng)過修改再重新發(fā)射出去。這些攻擊雖然不常見,，但是存在可能性,。防止數(shù)據(jù)受到這些損壞的最佳途徑是加密，或使用某些技術保證無線信道的安全,。實際上所有NFC無線信號都是經(jīng)過加密的,。
“雖然NFC標準早已確定和發(fā)布，但在銷售點基礎設施集成中需要額外加把勁才能完全發(fā)揮這種技術的潛能,。”IEEE計算機協(xié)會成員,、Mobile Education LLC公司創(chuàng)始人Ron Vetter指出，“因為移動支付很可能成為NFC的巨大推動力,，所以解決用戶關心的安全性和隱私性問題在這種技術的快速普及中起著舉足輕重的作用,。”
NFC應用
NFC有許多潛在的用途。不過最主要的目標應用應該是移動支付,。用戶在商店和其它場合可以不再使用信用卡,，而是將嵌入NFC功能的智能手機作為他們的支付設備。用戶只需輕輕揮動他們的手機就能夠在飯店,、零售商店,、停車場、影劇院,、體育館和專賣店以及公交車,、火車、出租車甚至全球航班上實現(xiàn)支付,。
接入訪問是另外一種有潛力的用途,。得到授權進入安全性建筑、工廠和地區(qū)的人可以將他們的智能手機用作電子鑰匙,。NFC還可以用來打開房門,、打開車門和啟動計算機。
簡單的數(shù)據(jù)交換是另一種可能性,。點到點模式允許手機或其它設備相互間交換數(shù)據(jù),?？梢栽谑謾C之間傳送名片信息，也可以在筆記本電腦和打印機之間發(fā)送數(shù)據(jù),。NFC數(shù)據(jù)速率對視頻或數(shù)碼相機數(shù)據(jù)傳輸來說太慢,，但隨著更高速率設備的推出，今后也是有可能的,。
讓兩臺無線設備相互交談的配對是更有前途的應用之一,。在Wi-Fi和藍牙系統(tǒng)中建立通信通常是很有必要的。通過在這些設備中采用NFC技術同時集成配對驅(qū)動程序,，無需用戶交互就能自動實現(xiàn)連接,。沒有什么事比在兩臺無線設備使用前必須先進行配對更令人惱火的了。NFC是解決這種惱人問題的真正解決方案,。
讀取標簽或智能標貼是另外一種有趣的應用,。廉價的只讀標簽可以放置在幾乎任何一件物體上，以便智能手機進行讀取,。這些標簽可以提供一個URL以便獲取更多信息,，或者可以存儲廣告文本和圖形。宣傳海報可以利用標簽提供增強的數(shù)據(jù),。還可以訪問地圖,。出售產(chǎn)品上的標簽可以提供規(guī)格、特性和價格信息,。
移動支付功能
業(yè)內(nèi)似乎非常關注怎樣讓NFC成為“無卡”支付的關鍵,，但這不僅與無縫的無線鏈路有關。信用卡公司,、銀行,、蜂窩運營商和零售商必須聯(lián)合起來打造一個綜合的系統(tǒng)才能讓這些支付成為可能。這種系統(tǒng)正在慢慢成為現(xiàn)實,。
事實上,，要建立一個所有人能夠使用的電子商務系統(tǒng)需要付出加倍的努力。單一標準似乎不太可能,。目標是要吸引成千上萬的交易和資金并付諸行動,。目前的移動支付用途基本上是掙錢和控制資金的流動。各參與方之間的合作將產(chǎn)生新的組織和系統(tǒng),。目前來看在電子支付領域中已經(jīng)有好幾家共存,。
第一個大型支付系統(tǒng)是谷歌的錢包(Wallet)。在谷歌(Google),、萬事達和Citigroup之間的這種合作關系在一年前就開始了,，但至今沒有被大力推廣。具有NFC功能的谷歌安卓手機要比其它任何類型手機都多,，因此有條件開展上述合作,。
另外一個很有影響力的合作關系是在包括AT&T、Verizon和T-Mobile在內(nèi)的蜂窩運營商之間展開的,，稱為Isis,。試點最近有望在猶他州的鹽湖城和德州的奧斯汀開始。商家顧客交易(MCE)計劃則召集到了許多大型零售商,，如沃爾瑪,、Target(Wal-Mart)、7-11,、百思賣(Best Buy),、 CVS、Lowe’s,、Royal Dutch Shell,、Sears和Sunoco。不過諸如蘋果(Apple),、亞馬遜(Amazon)和微軟(Microsoft)等其它主要供應商還沒有宣布電子支付計劃,。
至今有140多個獨立的電子支付計劃在行動。大多數(shù)計劃可能會泡湯,，或者影響力只是在局部地區(qū),。最終更多的付出將得到巨大回報。除了獲得一部分收入外,，這些風險計劃中的大多數(shù)也希望收集用戶數(shù)據(jù)進行市場研究,，并通過針對性廣告、優(yōu)惠券和其它銷售策略進一步武裝自己,。
作為NFC支付替代方案的智能卡已經(jīng)出現(xiàn)許多年了,，它的用途還在繼續(xù)擴大。智能卡內(nèi)置有帶處理器的芯片和讀/寫接口,，可以與零售點和飯店等的閱讀器發(fā)生交互,。閱讀器通過接觸嵌入的芯片就能連接智能卡。智能卡比傳統(tǒng)的磁條信用卡更加安全,。
適用這種智能卡的主要標準是EVM,，它是Europay、萬事達和Visa的一個合資品牌,。管理EVM事務的組織被稱為EVMCo,。美國運通、JCB International,、萬事達和Visa聯(lián)合擁有EVMCo,。大多數(shù)流行的信用卡使用EVM標準，該標準對接觸型卡來說基于的是現(xiàn)有ISO/IEC標準7816,，對非接觸型RFID芯片來說基于的是ISO/IEC 1443,。
“今天在NFC移動支付和其它移動商務活動領域有許多試驗在開展,，這些試驗活動的主辦方主要是移動網(wǎng)絡運營商以及參與廠商(比如谷歌、PayPal)和零售商(如星巴克),。Target,、沃爾瑪、百思賣和CVS等新加入的企業(yè)也在尋求推行NFC支付服務,。”IHS iSuppli公司消費與通信部總監(jiān)Jagdish Rebello指出,。
“這些試驗旨在提升客戶對這種技術的認知度，改善用戶界面,，并挑選出合適的商業(yè)模型,，幫助價值鏈中的各個節(jié)點找到NFC的贏利點，并開發(fā)出能夠充分發(fā)揮這種技術優(yōu)勢的新產(chǎn)品來,。隨著這些問題自身的解決,，NFC將在不遠的將來成為關鍵的支撐技術。”Rebello表示,。
利用NFC開展設計
在智能手機中增加NFC,、設計NFC閱讀器終端或者規(guī)范NFC標簽相對都比較容易。最大的挑戰(zhàn)在于手機設計,，因為NFC代表又有一種無線信號必須增加到早已擁擠的無線設備中,，這些設備通常已經(jīng)包含有多種蜂窩無線、Wi-Fi,、藍牙,、GPS甚至有時候還有調(diào)頻收音機信號。
找到合適的空間是關鍵問題,，因為13.56MHz這樣相對的低頻信號要求較大的元件,。芯片很小，但天線是印刷電路板(PCB)環(huán)路或位于鐵氧體磁心上的電感,，這種天線必須能調(diào)諧并匹配芯片,。這就要求大部分空間。額外的功耗在一些設計中也是個問題,。最終設計成為選擇一款芯片,、然后將它與天線一起擠進可用的空間。大型零售閱讀器設計比較容易,，因為它們具有較大的體積,，可以使用改進的天線以及交流電源。
有多家供應商可以提供商用芯片,。大多數(shù)較大的半導體制造商都有一些包括射頻標簽在內(nèi)的NFC元件,。這個領域中的領導者是恩智浦(NXP)公司(以前的飛利浦半導體公司，NFC創(chuàng)始者之一)，估計占有80%的市場份額,。
最為廣泛使用的NFC器件之一是恩智浦的PN65K,。這是一種雙芯片模塊，包含了NFC收發(fā)器和控制器以及用于保證安全的安全智能卡控制器,。收發(fā)器所采用的8051微控制器符合所有NFC有源模式,、無源模式和標準,。兩顆芯片通過S2C或NFC-WI(有線接口)總線進行通信,。
PN65K還提供SPI、I2C和UART接口,。在使用較大的天線并且功率足夠大時,，讀/寫距離可達50mm。智能卡控制器采用了一款公鑰基礎設施(PKI)協(xié)處理器和一款雙路3-DES密鑰協(xié)處理器,。
恩智浦的PN544與PN65N管腳兼容,，但可以與其它安全芯片一起使用。它也支持NFC-WI有線接口標準ECMA373,，可連接外部芯片,。恩智浦的PN547則是PN544的改進版本，具有更長的讀/寫距離,、更小的外形尺寸和低于50%的功耗,。
博通公司(Broadcom)的BCM20791和BCM20792采用40nm CMOS工藝制造。這些NFC控制器是業(yè)界最小的器件(4mm×4mm),，具有極低的功耗,。它們能夠連接SIM卡或非SIM安全芯片實現(xiàn)安全傳輸。這兩款芯片還可以與博通的BCM4330藍牙,、Wi-Fi和FM組合芯片成套應用于手機,。
德州儀器(TI)提供一系列為NFC閱讀器終端設計的IC產(chǎn)品。TRF7970A是一種NFC/RFID收發(fā)器IC,，采用5mm×5mm,、32引腳扁平無引線(QFN)封裝。它符合所有NFC標準,，包括NFCIP-1(ISO/IEC 18092),、NFCIP-2(IISO/IEC 21481)以及IDO14443A/B和FeliCa。TRF7970A能與TI的MSP430微控制器或ARM CPU一起使用,，具有100mW(20dBm)和200mW (23dBm)的可編程輸出功率,。這款芯片提供SPI和并行接口以及128字節(jié)的FIFO。
奧地利微電子公司(Austriamicrosystems)的AS3911 NFC閱讀器IC符合包括EMVCo支付系統(tǒng)在內(nèi)的所有NFC標準(圖4),。它集成有一個電容傳感器,，當標簽出現(xiàn)時只需5μA就能喚醒。該芯片還含有針對性能優(yōu)化過的全自動天線。由于能提供1W輸出功率,，因此無需再使用外部功放,。AS3911支持14443標準的VHBR草案修訂版，支持高達6.8Mbits/s的數(shù)據(jù)速率,。
基于微軟Windows Phone 7平臺的諾基亞(Nokia)Lumina 610智能手機使用了INSIDE Secure公司的MicroRead v3.4 NFC控制器和Open NFC協(xié)議堆棧軟件(圖5),。另外，INSIDE Secure公司的SecuRead NFC平臺最近通過了EMVCo平臺安全評估測試,，現(xiàn)在已經(jīng)認證能與13億種EMV兼容的卡和標簽一起使用,。這種平臺由英飛凌的SLE-97嵌入式安全單元、兼容GlobalPlatform的Java卡操作系統(tǒng)以及INSIDE MicroRead NFC控制器和Open NFC協(xié)議堆棧組成,。
此外,，INSIDE Secure公司的MicroPass 4101-2K NFC標簽自帶2kB內(nèi)存，符合NFC論壇的類型4標簽要求,。這些內(nèi)存足以存儲長URL,、名片、手機號碼或Wi-Fi或藍牙配對信息以及可以被NFC設備讀取的其它應用數(shù)據(jù),。
最后,，Marvell公司推出的智能手機用88W8897組合芯片集成了NFC、802.11ac Wi-Fi以及Wi-Fi Miracast和定位引擎(圖 6),。其它供應商也正在他們的組合芯片中增加NFC功能,。
NFC的未來在何方？
預測NFC電子支付的用途和增長是非常有意義的,。隨著智能手機使用的持續(xù)增長,，以及越來越多的手機中集成NFC功能，電子支付的潛力將越來越大,。今天,，已經(jīng)超過50%的美國公民有智能手機，但大多數(shù)沒有NFC功能,。不過蘋果的下一代iPhone有望包含NFC功能,。
據(jù)IHS iSuppli公司的Jagdish Rebello介紹，目前只有12%至15%的智能手機具有NFC功能,。他指出,，2011年具有NFC功能的設備有1.06471億部，2012年將達到2.32057億部,。他預計到2016年這個數(shù)字將增長到9.89142億,。更多具有NFC功能的手機顯然將促進電子支付的興起。
據(jù)市場研究公司Gartner估計,，2016年電子支付市場將從2012年的1720億美元增長到6000億美元,。Gartner還預計2016年使用電子支付的全球用戶數(shù)量將從今年的2億出頭增長到4億多。
Juniper Research最新發(fā)表的市場報告預測，到2017年總的移動支付交易額將達到1.3萬億,，其中大多數(shù)來自實物銷售,。不過即使是到那個時候，實體產(chǎn)品的移動銷售額仍只占所有全球零售交易額的4%,。
NFC標簽和標貼也許能證明會非常流行,。由塑料或紙張制作的這些標簽將集成NFC/RFID芯片，可提供一些有用的文本,、圖形,、廣告、地圖或URL信息,。隨著更多的智能手機提供NFC,，這些標簽的使用將越來越廣泛，它們的價格將足夠便宜,，可以應用于種類廣泛的物品或其關鍵部分。這些標簽的發(fā)展即使不超過支付功能也會像支付功能一樣紅火起來,。
NFC支付的推廣如此緩慢的原因有很多,。首先，具有NFC功能的智能手機數(shù)量目前還較少,。不過最終大多數(shù)智能手機將擁有NFC無線功能,。其次，誰會支持所有這些NFC智能手機,？消費者會選擇哪種支付業(yè)務,？公眾仍需要獲得NFC方面的培訓。消費者最終必定會選擇一種服務,，但面對如此多的選項,，選擇本身就是一道難題。
另外,，零售商的銷售點終端必須升級才能集成NFC閱讀器,。這是一次代價高昂的轉(zhuǎn)換。誰愿意為這種轉(zhuǎn)換買單,？
最后,，NFC電子支付必須提供一些明顯的優(yōu)點。消費者不必攜帶許多信用卡,，交易不會持續(xù)很長時間,。但這些是否足夠讓廣大民眾轉(zhuǎn)向NFC支付呢？許多消費者可能不希望在手機中存儲他們的財務信息,，即使NFC像信用卡一樣安全,。最終傳統(tǒng)信用卡不會完全消失，但電子支付仍將用于許多交易。
