基于手機的NFC應(yīng)用研究

 引言

隨著手機的快速普及，無線網(wǎng)絡(luò)支持的上下行數(shù)據(jù)速率不斷提高，新的應(yīng)用尤其是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)方面的應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，手機成為人們身邊不可缺少的信息終端。越來越多的人用手機代替手表、記事本、MP3，是否有一天我們的錢包和鑰匙也會讓位于手機，使我們的生活更加方便，更加安全呢? 近距離通信NFC(Near Field Communication)技術(shù)將讓這一切變?yōu)楝F(xiàn)實。2006年6月，諾基亞和中國移動、飛利浦、易通卡公司在廈門啟動了中國首個NFC手機支付試驗。用戶使用內(nèi)嵌NFC模塊的諾基亞3220手機，可在廈門市任何一個易通卡覆蓋的營業(yè)網(wǎng)點(公交汽車、輪渡、電影院、快餐店)進行手機支付。不僅如此，在不久的將來，通過手機和NFC技術(shù)的結(jié)合，用戶僅僅通過手機就可以實現(xiàn)以下應(yīng)用：在街邊海報上和雜志上下載演唱會時間地點和節(jié)目表;在公園里玩互動的定向越野游戲;在車站實時刷新公交車的到站時間;在辦公室發(fā)送短信控制家政服務(wù)員進出住宅的時間;在學校全面代替現(xiàn)有學生證和學生卡;在遍布市區(qū)的智能公用電話亭查詢地圖、公交線路、餐飲購物等信息;在加油站、超市、銀行任何有POS機的地方支付款項并用手機收取電子發(fā)票。

1 技術(shù)簡介

NFC是在無線射頻識別(RFID)和互聯(lián)技術(shù)的基礎(chǔ)上融合演變而來的新技術(shù)，是一種短距離無線通信技術(shù)標準。它在單一芯片上集成了非接觸式讀卡器、非接觸式智能卡和點對點的功能，運行在13.56MHz的頻率范圍內(nèi)，能在大約10cm范圍內(nèi)建立設(shè)備之間的連接，傳輸速率可為106kbit/s、212kbit/s、424 kbit/s，未來可提高到848kbit/s以上。NFC終端有三種工作模式：

(1)主動模式下，NFC終端作為一個讀卡器，主動發(fā)出自己的射頻場去識別和讀/寫別的NFC設(shè)備;

(2)被動模式下，NFC終端可以模擬成一個卡被讀/寫，它只在其他設(shè)備發(fā)出的射頻場中被動響應(yīng);

(3)雙向模式下，雙方都主動發(fā)出射頻場來建立點對點的通信。

NFC用于在短距離范圍內(nèi)快速建立各種設(shè)備之間的無線通信，可作為一種虛擬連接器，它可以滿足任何兩個無線設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換。它還能通過初始化設(shè)備原有的藍牙和802.11等無線協(xié)議，使設(shè)備能在更遠距離上通信或以更高速率傳輸數(shù)據(jù)。所以除了信息傳輸之外，NFC設(shè)備可以在聯(lián)網(wǎng)世界中作為一個安全的網(wǎng)關(guān)，讓用戶無論在家中或移動中，都能隨時儲存或接收各種信息。只要將兩個NFC設(shè)備靠攏，它們便會自動啟動網(wǎng)絡(luò)通信功能，用戶無需另行設(shè)定安裝程序，從而實現(xiàn)前述的非接觸式移動支付、身份識別等電子錢包和身份證功能。 NFC技術(shù)符合國際標準化組織的ISO18092、ISO21481標準，兼容無線智能卡ISO14443標準，符合歐洲計算機協(xié)會的EMCA-340、352和356標準。NFC兼容非接觸式智能卡領(lǐng)域的兩強--飛利浦的MIFARE技術(shù)和索尼的FeliCa技術(shù)，基于前者的智能卡已部署約12億片，后者也已部署約1.7億片。這使NFC技術(shù)充分具備了未來近距離無線互連設(shè)備所應(yīng)有的低功率、低價格、兼容性的特點，而使NFC成為近距離無線互連領(lǐng)域一種極富競爭力的技術(shù)。

2 應(yīng)用分類和現(xiàn)狀

2.1 應(yīng)用分類 NFC 技術(shù)的應(yīng)用可分為五類：

(1)接觸通過(Touch and Go)，如門禁管理、車票和門票等，用戶將儲存著票證或門控密碼的設(shè)備靠近讀卡器即可，也可用于物流管理。

(2)接觸支付(Touch and Pay)，如非接觸式移動支付，用戶將設(shè)備靠近嵌有NFC模塊的POS機可進行支付，并確認交易。

(3)接觸連接(Touch and Connect)，如把兩個NFC設(shè)備相連接(如圖1中手機和筆記本電腦)，進行點對點(Peer-to-Peer)數(shù)據(jù)傳輸，例如下載音樂、圖片互傳和交換通訊錄等。

圖1 手機和筆記本電腦的NFC點對點通信

(4)接觸瀏覽(Touch and Explore)，用戶可將NFC手機接靠近街頭有NFC功能的智能公用電話或海報，來瀏覽交通信息等。

(5)下載接觸(Load and Touch)，用戶可通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接收或下載信息，用于支付或門禁等功能，如前述，用戶可發(fā)送特定格式的短信至家政服務(wù)員的手機來控制家政服務(wù)員進出住宅的權(quán)限。

2.2 國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀

諾基亞、飛利浦和索尼于2004年創(chuàng)建的非贏利性行業(yè)協(xié)會--NFC論壇，目前的贊助會員已有三星、微軟、Visa等11個，而其各類會員總數(shù)已超過100個，這里集中了全球領(lǐng)先的運營商、手機廠商、芯片廠商、智能卡生產(chǎn)商、銀行和信用卡組織(見表1)。

表1 全球部分NFC手機測試項目

在日本，自2004年7月NTT DoCoMo推出了基于Felica技術(shù)的手機錢包業(yè)務(wù)以來，其用戶群已經(jīng)可以用“龐大”來形容了，支持Felica的POS機在日本街頭已隨處可見。經(jīng)過幾次升級，F(xiàn)elica手機已被廣泛應(yīng)用于交易、身份識別、門禁管理等方面。巨大的交易額促使NTT DoCoMo通過收購三井住友信用卡公司34%股份建立了金融服務(wù)部門。在中國香港地區(qū)，F(xiàn)elica技術(shù)被用于具有電子錢包和身份識別功能的“八達通”卡上，該卡的發(fā)行量也已達千萬級。Felica技術(shù)在新加坡也得到了廣泛應(yīng)用。 在歐盟，由歐盟委員會和信息社會技術(shù)(IST)項目共同投資，摩托羅拉等多家公司及布達佩斯理工等大學共同參與的StoLPaN(Store Logistics and Payment with NFC)項目，也計劃于2007年夏季發(fā)布第一版技術(shù)規(guī)范和應(yīng)用程序，并演示NFC在交通和封閉式支付系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。該項目旨在為基于NFC的服務(wù)開發(fā)一個開放式的商用和技術(shù)構(gòu)架，推動基于NFC的移動應(yīng)用在眾多行業(yè)中的部署。

3 與其他無線通信技術(shù)的比較

NFC源于RFID技術(shù)，但又不同于RFID。NFC采用了雙向識別和連接，通信各方不存在固定的主從關(guān)系，通信可以由任意一個NFC設(shè)備發(fā)起。紅外通信要求設(shè)備在30°錐角以內(nèi)且不能移動，而作為一種面向消費者的支付技術(shù)，NFC比紅外更快，操作也更簡單。與藍牙相比，NFC面向近距離交易，適用于交換財務(wù)信息或敏感的個人信息等重要數(shù)據(jù);藍牙適用于較長距離數(shù)據(jù)通信，能夠彌補NFC通信距離的不足。NFC和藍牙可以互為補充，共同存在。同時，

非常近的通信距離也使NFC具有了天然的安全保障。ZigBee更適合用于擁有大量無線傳感器和控制操作的工業(yè)控制領(lǐng)域，而Wi-Fi顯然更適于小型辦公場所和家庭網(wǎng)絡(luò)(見表2)。

表2 NFC與六種無線通信技術(shù)的比較

就成本而言，NFC的成本較低，飛利浦承諾，每個芯片的成本約在2美元左右。而藍牙、Wi-Fi和ZigBee的系統(tǒng)成本則遠遠比NFC的高。 總體來看，作為一種面向近距離交易的無線通信技術(shù)，NFC的優(yōu)勢明顯，功耗極低、成本低、安全性好，其速率基本能滿足設(shè)備之間信息交換的需求。同時，對于視頻流等需要較高帶寬的應(yīng)用，也可以配合藍牙、Wi-Fi等技術(shù)，提供方便的自動接入功能。

4 非接觸式移動支付的幾種應(yīng)用方案

目前，基于手機的非接觸式移動支付應(yīng)用有三種主流方案：飛利浦、索尼和諾基亞等廠家提出的基于手機的NFC方案、芯片廠商Inside公司提出的eNFC方案和雙界面智能卡方案。

4.1 主流方案

(1)NFC方案

該方案中NFC功能芯片和天線與手機的其他部分及SIM卡相獨立，但NFC模塊與手機共用電池(見圖3)。電池有電時，NFC模塊可在主動、被動和雙向三種模式下工作;電池斷電時，只能在被動模式下工作，相當于普通的一卡通。手機開關(guān)機對NFC模塊無影響，即在手機關(guān)機時也可使用NFC功能。實現(xiàn)方式有兩種：一是定制手機，將天線集成在手機電池或主板上，使NFC應(yīng)用與手機融為一體，工作穩(wěn)定可靠，但需更換手機;二是將天線與NFC芯片直接相連，然后與電池緊貼放在電池和手機后蓋之間，用戶不需更換手機，前述的廈門測試項目就采用了此種方式，如圖2。此方案的不足在于，天線連接的可靠性不高;此外對手機的內(nèi)部尺寸有特殊要求，增加天線之后影響了手機的便攜性。 此方案的NFC模塊不能和手機的處理器或SIM卡通信，用戶和電信運營商無法通過手機控制NFC模塊。這會造成信用卡發(fā)行商和手機制造商單獨接觸，完全脫離電信運營商的市場格局。另一方面，若要將NFC模塊收發(fā)的信息與蜂窩網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，須在NFC模塊和手機基帶芯片間建立接口，且各層的設(shè)計都必須繞開運營商的控制，也無法直接讀寫SIM卡，軟硬件設(shè)計將變得非常復(fù)雜。 此方案的優(yōu)點是對不同技術(shù)、不同信用卡發(fā)行商的卡兼容性好，在全球已有很多案例，應(yīng)用技術(shù)也比較成熟，比較適合試點期的項目。

圖2 廈門測試中的諾基亞3220

圖3 NFC方案示意圖

(2) eNFC方案

此方案又稱為手機和SIM卡的融合方案，分離了應(yīng)用層和底層功能，把NFC應(yīng)用放在SIM卡中，把NFC功能芯片放在手機中(如圖4)以解決兼容性問題。由于SIM卡容量較大，可將重要信息(如信用卡賬號、員工卡號) 存儲在SIM卡中，且SIM卡存儲的安全性更高，對SIM卡只需增加一個管腳。用戶更換SIM卡時，可以帶走現(xiàn)有的交易數(shù)據(jù)，實現(xiàn)徹底的機卡分離。 此方案可簡化NFC模塊和手機間的通信結(jié)構(gòu)，使NFC的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用更為流暢，也使電信運營商和信用卡發(fā)行商共同加入到市場中來。缺點是NFC模塊和SIM卡間需要高速傳輸，保證實時性和操作的快捷，但這種通信協(xié)議目前尚未標準化。表1中法國巴黎交通系統(tǒng)采用了此種方案。

圖4 eNFC方案示意圖

圖5 雙界面智能卡方案示意圖

(3)雙界面智能卡方案

該方案基于一種雙界面智能SIM卡，支持非接觸式應(yīng)用，同時也可實現(xiàn)普通手機SIM卡的功能，在接聽撥打電話、收發(fā)短信時不影響非接觸式操作(見圖5)。兩種實現(xiàn)方式與NFC方案基本相同：一是定制手機;二是將天線與SIM卡直接相連后放在電池和手機后蓋之間，這樣可只更換SIM卡，降低成本，缺點也是天線連接的可靠性低、對手機尺寸要求高等。該方案占用了C4和C8接口，而這兩個接口是用于高速數(shù)據(jù)下載的，可能會影響到未來高速空中下載應(yīng)用。 此方案基于智能卡技術(shù)，技術(shù)標準和規(guī)范都已成型;對于運營商來說項目啟動較快，成本低。由于SIM卡只能由運營商發(fā)行，因此該方案對運營商更為有利。目前，湖南移動正在對該方案進行內(nèi)部測試。

4.2 過渡方案

另外，鑒于目前非接觸式移動支付尚處在起步階段，標準的統(tǒng)一和用戶對服務(wù)的接受都還需要一段時間，因此兩種過渡性方案也值得考慮：

(1)RFID模塊+獨立RFID卡

該方案中，RFID卡是獨立于手機之外的單獨一張卡片，與現(xiàn)用的各種RFID卡相同，無需更換。RFID模塊是專用的RFID讀寫模塊，內(nèi)置在手機中，如圖6,與NFC方案中的形式相同，共用電池、天線內(nèi)置且不能與手機SIM卡通信。獨立的RFID卡可像普通卡一樣使用，也可接受該讀寫模塊的操作，讀寫模塊主要作用是查詢卡上余額，未來可擴展至充值操作等。 該方案優(yōu)點是獨立的RFID卡使得公交車、商店等處現(xiàn)有的讀卡器基本不需更換，簡化的專用讀寫模塊也使得系統(tǒng)成本較低。不足之處在于讀寫模塊的功能有限，且與NFC方案一樣開展網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用極為復(fù)雜;且用戶消費時需攜帶手機和RFID卡。

圖6 RFID模塊+獨立RFID卡示意圖

圖7 藍牙+NFC示意圖

(2)藍牙+NFC

該方案的核心是藍牙轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部包含藍牙和NFC模塊，模塊間可用RS232接口連接。使用時，手機先通過藍牙與轉(zhuǎn)換器連接，轉(zhuǎn)換器內(nèi)部將消息轉(zhuǎn)換格式并發(fā)送給NFC模塊，再由NFC模塊與具有NFC功能的POS機連接，如圖7。 該方案適用于初期大多數(shù)手機有藍牙而無NFC功能的情況，轉(zhuǎn)換器可集成在POS機中，這樣具有藍牙或NFC功能的手機都可進行支付且不用攜帶卡片。由于藍牙模塊成本相對較高，還要和NFC模塊集成，增加了POS機的成本，不利于廣泛部署;藍牙通信和轉(zhuǎn)換器模塊間通信的安全性也比NFC模式低。

5 存在的問題

圍繞NFC應(yīng)用的商業(yè)部署，最重要、最復(fù)雜的問題是要建立一個各方可分享利益的NFC生態(tài)系統(tǒng)，其中最微妙的是電信運營商和信用卡發(fā)行商的關(guān)系。一方面，運營商和發(fā)行商都可以單獨和設(shè)備商接觸，形成一個排他性的NFC服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，通吃市場;另一方面，運營商和發(fā)行

商的合作又可以擴展業(yè)務(wù)，吸引更多用戶，NTT DoCoMo注資三井住友信用卡公司的案例已經(jīng)顯示了在日本兩大產(chǎn)業(yè)的合作趨勢。在我國，運營商單獨建網(wǎng)會受到金融業(yè)務(wù)準入的限制;發(fā)行商單獨建網(wǎng)，無法使用電信網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)受到很大限制。雙方的合作，又存在市場主導(dǎo)權(quán)、監(jiān)管控制權(quán)、對用戶的控制、電信業(yè)和金融業(yè)能否相互滲透及滲透的深度等諸多因素的影響。這些都有待技術(shù)和市場的進一步發(fā)展來解決。 具有NFC功能的手機安全性更好，用戶可根據(jù)需求，在使用時通過密碼開啟支付功能，使用結(jié)束后及時關(guān)閉。手機一旦丟失，只要設(shè)定有密碼，別人將無法使用。用戶還可為門禁等各種功能設(shè)定不同的密碼，但用戶在消費時也要防止被人偷窺到密碼。

此外，還有下述一些問題值得注意。

5.1 掛失

由于輸入密碼需要花費較多時間，尤其是在頻繁使用時更是麻煩，所以目前大多數(shù)用戶都未給手機設(shè)置開機、短信、上網(wǎng)、長途電話等多重密碼。因此用戶也會因為麻煩而不對NFC手機設(shè)置消費、門禁等多重密碼，這就導(dǎo)致手機丟失時，運營商有必要對手機掛失。但在手機斷電或關(guān)機時，運營商無法通過移動網(wǎng)絡(luò)掛失，而此時手機還具有NFC被動模式下的消費和門禁等功能，這就要求在有線的POS機網(wǎng)絡(luò)中對手機的NFC模塊掛失，使POS機拒絕其服務(wù)請求。由此帶來的問題是，家庭或辦公室的門禁機是否也需要接入有線網(wǎng)絡(luò)?若不接入，如何識別手機已丟失;若接入，如何防止攻擊者通過有線網(wǎng)絡(luò)對門禁非法控制。即便用戶為門禁設(shè)置密碼，也要面對手機關(guān)機或斷電時無法開門的難題。

5.2 病毒和木馬

在手機智能化的今天，用戶已能為手機安裝各種軟件，也可安裝第三方開發(fā)的軟件來擴展NFC的應(yīng)用。而這些軟件、甚至短信或WAP網(wǎng)頁都有可能隱藏著病毒和木馬程序，如何防止手機中的個人信息和資金被非法程序竊取，或NFC功能受到非法程序的控制也是尚需深入研究的問題。

5.3 非法的POS機

如何防止攻擊者利用帶有偽裝的非法POS機或嵌有芯片的海報等，對手機進行非法讀寫操作也需要研究。

5.4 虛擬貨幣

當移動支付得到普及時，將不再僅限于“小額”，用戶從支取工資，到進行各種消費都將極大地依賴于虛擬貨幣(電子貨幣)，市場上流通的實物貨幣量將大大減少。政府部門如何對這些電子交易和虛擬貨幣進行有效的政策和法律監(jiān)管也是有待深入研究的問題。

6 結(jié)論

隨著手機的普及和3G時代移動新業(yè)務(wù)的開展，非接觸式移動支付將成為一種趨勢。在這種趨勢下，圍繞產(chǎn)業(yè)鏈形成的各利益方將會在技術(shù)和市場的合力推動下逐漸形成一種平衡的生態(tài)系統(tǒng)。從長遠來看，非接觸式移動支付技術(shù)必須支持流暢的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和點對點通信，目前幾乎所有技術(shù)都將向這個方向過渡。