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NFC支付技術基本原理和特點

添加時間:2019-07-15 10:59

  1、緒論

  近些年來, 隨著移動互聯網的迅速普及以及無線通信技術的不斷進步, 無線通信已經成為我們生活的一部分, 而近幾年來近距離無線通信技術也越來越引起人們的關注和重視。近距離無線通信技術包括了藍牙、Wi-Fi、Zig Bee、紅外 (Ir DA) 、超寬帶 (UWB) 、近場通信 (NFC) 等。最近帶有NFC功能的手機也越來越多, 各大手機廠商都競相推出了帶有NFC功能的新款手機。本文分析了NFC的技術背景, 工作原理, 以及它的各種應用模式及應用的場合。

  2、NFC原理

  NFC的中文全稱為近場通信技術, 它是英文“Near Field Communication”每個單詞首字母的縮寫。NFC是在非接觸式射頻識別 (RFID) 技術的基礎上, 結合無線互聯技術研發而成, 它為我們日常生活中越來越普及的各種電子產品提供了一種十分安全快捷的通信方式。

  NFC中文名稱中的“近場”是指臨近電磁場的無線電波。因為無線電波實際上就是電磁波, 所以它遵循麥克斯韋方程, 電場和磁場在從發射天線傳播到接收天線的過程會一直交替進行能量轉換, 并在進行轉換時相互增強, 例如我們的手機所使用的無線電信號就是利用這種原理進行傳播的, 這種方法稱作遠場通信。而在電磁波10個波長以內, 電場和磁場是相互獨立的, 這時的電場沒有多大意義, 但磁場卻可以用于短距離通訊, 我們稱之為近場通信。

  2.1 NFC技術背景

  根據有關資料顯示, 大約在2003年的時候, 索尼 (sony) 公司和當時的飛利浦 (philips) 半導體 (現恩智浦NXP半導體) 進行合作, 計劃基于非接觸式射頻卡技術研發一種更加安全快捷的并且能與之兼容的無線通訊技術。經過幾個月的研發后, 雙方聯合對外發布了一種兼容ISO14443非接觸式卡協議的無線通訊技術, 取名為NFC (Near Field Communication) , 具體通信規范稱作NFCIP-1規范。在發布NFC技術沒多久, 雙方向歐洲電腦制造商協會 (ECMA) 提交標準草案, 申請成為近場通信標準并很快被認可為ECMA-340標準, 緊接著借助ECMA向ISO/IEC提交了標準申請并最終被認可為ISO/IEC18092標準。

  2.2 NFC工作原理

  NFC (Near Field Communication) 是一種短距高頻的無線電技術, NFCIP-1標準規定NFC的通信距離為10厘米以內, 運行頻率為13.56MHz, 傳輸速度有106 Kbit/s、212 Kbit/s或者424Kbit/s三種。

  NFCIP-1標準詳細規定NFC設備的傳輸速度、編解碼方法、調制方案以及射頻接口的幀格式, 此標準中還定義了NFC的傳輸協議, 其中包括啟動協議和數據交換方法等。

  NFC工作模式分為被動模式和主動模式。被動模式如圖1所示, NFC發起設備 (也稱為主設備) 需要供電設備, 主設備利用供電設備的能量來提供射頻場, 并將數據發送到NFC目標設備 (也稱作從設備) , 傳輸速率需在106kbps、212kbps或424kbps中選擇其中一種。從設備不產生射頻場, 所以可以不需要供電設備, 而是利用主設備產生的射頻場轉換為電能, 為從設備的電路供電, 接收主設備發送的數據, 并且利用負載調制 (load modulation) 技術, 以相同的速度將從設備數據傳回主設備。因為此工作模式下從設備不產生射頻場, 而是被動接收主設備產生的射頻場, 所以被稱作被動模式, 在此模式下, NFC主設備可以檢測非接觸式卡或NFC目標設備, 與之建立連接。

NFC被動通信模式

圖1 NFC被動通信模式

  主動模式如圖2所示, 發起設備和目標設備在向對方發送數據時, 都必須主動產生射頻場, 所以稱為主動模式, 它們都需要供電設備來提供產生射頻場的能量。這種通信模式是對等網絡通信的標準模式, 可以獲得非常快速的連接速率。

主動通信模式

圖2 主動通信模式

  而NFCIP-2標準為了和非接觸式智能卡兼容, 規定了一種靈活的網關系統, 具體分為三種工作模式:點對點通信模式、讀寫器模式和NFC卡模擬模式, 如同圖3所示。

NFC三種工作模式

圖3 NFC三種工作模式

  點對點模式, 這種模式下兩個NFC設備可以交換數據。例如多個具有N FC功能的數字相機、手機之間可以利用NFC技術進行無線互聯, 實現虛擬名片或數字相片等數據交換。

  讀/寫模式, 這種模式下NFC設備作為非接觸讀寫器使用。例如支持NFC的手機在與標簽交互時扮演讀寫器的角色, 開啟NFC功能的手機可以讀寫支持NFC數據格式標準的標簽。

  模擬卡片模式, 這種模式就是將具有NFC功能的設備模擬成一張標簽或非接觸卡, 例如支持NFC的手機可以作為門禁卡、銀行卡等而被讀取。

  3、NFC與其他技術的比較

  目前的近距離無線通信技術包括了RFID、藍牙、紅外等, 下面針對各通信技術的特點與NFC技術進行分析與比較。

  3.1 NFC與RFID的比較

  第一, 工作模式不同。NFC是將點對點通信功能, 讀寫器功能和非接觸卡功能集成進一顆芯片, 而RFID則有閱讀器和標簽兩部分組成。NFC技術既可以讀取也可以寫入, 而RFID只能實現信息的讀取以及判定。

  第二, 傳輸距離不同。NFC傳輸距離比RFID小的多, NFC的傳輸距離只有10厘米, RFID的傳輸距離可以達到幾米、甚至幾十米。NFC是一種近距離的私密通信方式, 相對于RFID來說NFC具有距離近、帶寬高、能耗低、安全性高等特點。

  第三, 應用領域不同。NFC更多的應用于消費類電子設領域, 在門禁、公交、手機支付等領域發揮著巨大的作用;RFID則更擅長于長距離識別, 更多的被應用在生產、物流、跟蹤、資產管理上。

  3.2 NFC與藍牙的比較

  NFC和藍牙都是短程通信技術, 相對于藍牙很早就被集成到移動電話中并已經被普及, NFC最近幾年才開始被集成進移動電話中, 并且到目前為止只集成在少數移動電話中。

  第一, 建立時間不同, NFC通信設置程序簡單, 通信建立時間很短, 僅需0.1s左右;而藍牙通信設置程序相對復雜, 通信建立時間較長, 大概需要6s.

  第二, 傳輸距離不同, NFC傳輸距離只有10cm, 而藍牙傳輸距離可達10m.但NFC在傳輸功耗和安全性方面略優于藍牙。

  第三, 傳輸速度和工作頻率不同, NFC工作頻率為13.56MHz, 傳輸速度最大424 Kbit/s, 而藍牙工作頻率為2.4GHz, 傳輸速度可達2.1 Mbit/s.

  3.3 NFC與紅外的比較

  NFC和紅外傳輸相比, 傳輸距離相當, 但比紅外傳輸速度更快, NFC傳輸速度最大可達424 Kbit/s, 而紅外傳輸速度大概100Kbit/s.建立時間NFC比紅外略快, NFC建立時間為0.1s, 紅外傳輸建立時間為0.5s.紅外傳輸必須嚴格的對齊才能傳輸數據, 且中間不能有障礙物, 而NFC則沒有這種限制;另外NFC比紅外更安全可靠。

  4、NFC的應用

  NFC作為一種近場通信技術, 其應用十分廣泛。NFC應用可以分為四個基本類型, 下面針對這四種基本應用類型進行介紹和分析。

  4.1 支付的應用

  NFC支付主要是指帶有NFC功能的手機虛擬成銀行卡、一卡通等的應用。

  NFC虛擬成銀行卡的應用, 稱為開環應用。理想狀態下是帶有NFC功能的手機可以作為一張銀行卡在超市、商場的POS機上進行刷手機消費, 但目前在國內還無法實現。主要原因是作為開環應用下的NFC支付有著繁冗的產業鏈, 背后的卡商、方案商的利益和產業格局博弈十分復雜。就目前國內NFC開環應用的大環境來說, 由于各方面利益的博弈, NFC開環支付應用已經錯過了在支付寶和微信支付等移動支付普及之前的最佳時機, NFC開環支付已經不可能再單獨發展起來。NFC開環支付以后的發展只有尋求和支付寶和微信支付進行銜接和捆綁, 作為支付寶和微信支付的身份認證手段, 才有可能在未來的移動支付中占有一席之地。

  NFC虛擬成一卡通卡的應用, 稱為閉環應用。目前NFC的閉環應用在國內的發展也不太理想, 雖然在有些城市的公交系統已經開放了手機的NFC功能, 但并沒有得到普及。根本原因是以卡為載體的一卡通系統有一個發卡的獲利, 系統集成商和運營商 (公交集團及學校等) 在發卡上可以獲得豐厚的利潤。所以目前小米和華為都在一些城市試點開通手機的NFC公交卡功能, 但目前都還需要開通服務費。但是隨著NFC手機的普及技術的不斷成熟, 一卡通系統會逐漸支持NFC手機的應用, 前景是樂觀的, 但過程注定是曲折的。

  4.2 安防的應用

  NFC安防的應用主要是將手機虛擬成門禁卡、電子門票等。

  NFC虛擬門禁卡就是將現有的門禁卡數據寫入手機的NFC, 這樣無需使用智能卡, 使用手機就可以實現門禁功能, 這樣不僅是門禁的配置、監控和修改等十分方便, 而且可以實現遠程修改和配置, 例如在需要時臨時分發憑證卡等。

  NFC虛擬電子門票的應用就是在用戶購票后, 售票系統將門票信息發送給手機, 帶有NFC功能的手機可以把門票信息虛擬成電子門票, 在檢票是直接刷手機即可。

  NFC在安防系統的應用是今后NFC應用的重要領域, 前景十分廣闊。因為在這個領域可以直接為該技術使用者帶來經濟利益, 讓他們更有動力進行現有設備和技術的升級。因為使用手機虛擬卡, 可以減少門禁卡或者磁卡式門票的使用, 直接降低使用成本, 另外還可以適當提高自動化程度, 降低人員成本和提升效率。

  4.3 標簽的應用

  NFC標簽的應用就是把一些信息寫入一個NFC標簽內, 用戶只需用NFC手機在NFC標簽上揮一揮就可以立即獲得相關的信息。例如商家可以把含有海報、促銷信息、廣告的NFC標簽放在店門口, 用戶可以根據自己的需求用NFC手機獲取相關的信息, 并可以登錄社交網絡、和朋友分享細節或好東西。

  雖然NFC標簽在應用上十分便捷, 成本也很低, 但在目前移動網絡的普及和二維碼的逐漸流行, NFC標簽的應用前景不容樂觀。因為和NFC標簽相比, 二維碼只需要生成和印刷成一個小圖像, 可以說幾乎是零成本, 提供的信息和NFC一樣很豐富, 很容易就會替代NFC標簽的應用。

  4.4 其他領域的國內外發展和應用

  2014年, 華為推出了最新個性路由器產品, 代號為“memo”, 這款智能路由器具有NFC功能, NFC用于手機的Wi Fi連接認證。

  現代汽車公司也在著手研發具備NFC無線通信的汽車。通過NFC技術, 汽車能夠識別不同駕駛者手機特定的配置文件, 根據記錄的駕駛者的喜好, 自動調節反光鏡位置、座椅傾角以及立體聲音響音量等設置。

  汽車零部件供應商Continental最近也在測試NFC汽車虛擬鑰匙, 以應用到電動汽車的租賃當中, 如圖4所示。客戶用手機APP進行車的預定, Continental服務端街道預定后把車的信息和訪問權限發給客戶并把車放在預定地點, 客戶用把數據存入手機的NFC中, 在預定地點就可以用手機的NFC獲取汽車的控制權。

Continental虛擬鑰匙汽車租賃流程

圖4 Continental虛擬鑰匙汽車租賃流程

  5、總結

  NFC作為開環移動支付的發展方向不容樂觀, 作為電子標簽的應用也會逐漸被二維碼替代, 但在安防方面的應用匯越來越廣泛, 手機NFC虛擬門禁卡和電子門票的應用會越來越流行。總之, NFC作為一門新興的技術必將在不久的將來發揮出自己的優勢, 給人們的生活帶來更多的便利。作為技術人員的我們也要思考如何才能合理利用好NFC的技術。

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