NFC原理與應用

一、NFC概念簡介 

NFC英文全稱Near Field Communication，即近距離通訊技術。NFC是脫胎於無線設備間的一種“非接觸式射頻識別”(RFID)及互聯技術，為所有消費性電子產品提供了一個極為便利的通訊方式。

NFC在單一晶片上結合了感應式讀卡器，感應式卡片和點對點的功能。在數公分（通常是15公分以內）距離之間於13.56MHz頻率範圍內運作，通過射頻信號自動識別目標對象並獲取相關數據，識別工作無須人工干預，任意兩個設備（如移動電話）接近而不需要線纜接插，就可以實現相互間的通信，滿足任何兩個無線設備間的信息交換、內容訪問、服務交換。

二、NFC技術背景 

NFC是由飛利浦公司發起，由諾基亞、索尼等著名廠商聯合主推的一項無線技術。由多家公司、大學和用戶共同成立了泛歐聯盟，旨在開發NFC的開放式架構，並推動其在手機中的應用。NFC由非接觸式射頻識別(RFID)及互聯互通技術整合演變而來，在單一晶片上結合感應式讀卡器、感應式卡片和點對點的功能，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併，現在已經演變成一種短距離無線通信技術，發展態勢相當迅速。

與RFID不同的是，NFC具有雙向連接和識別的特點，工作於13.56MHz頻率範圍，作用距離10公分左右。NFC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 Type-A、B以及Felica標準非接觸式智能卡的基礎架構。

NFC晶片裝在手機上，手機就可以實現小額電子支付和讀取其他NFC設備或標籤的信息。NFC的短距離交互大大簡化整個認證識別過程，使電子設備間互相訪問更直接、更安全和更清楚。通過NFC，電腦、數碼相機、手機、PDA等多個設備之間可以很方便快捷地進行無線連接，進而實現數據交換和服務。 

三、技術優勢與存在問題 

與RFID一樣，NFC信息也是通過頻譜中無線頻率部分的電磁感應耦合方式傳遞，但兩者之間還是存在很大的區別。首先，NFC是一種提供輕鬆、安全、迅速的通信無線連接技術，其傳輸範圍比RFID小，RFID的傳輸範圍可以達到幾米、甚至幾十米，但由於NFC採取了獨特的信號衰減技術，相對於RFID來說NFC具有距離近、帶寬高、能耗低等特點。

其次，NFC與現有非接觸智能卡技術兼容，目前已經成為得到越來越多主要廠商支持的正式標準。再次，NFC還是一種近距離連接協議，提供各種設備間輕鬆、安全、迅速而自動的通信。與無線世界中的其他連接方式相比，NFC是一種近距離的私密通信方式。最後，RFID更多的被應用在生產、物流、跟蹤、資產管理上，而NFC則在門禁、公交、手機支付等領域內發揮著巨大的作用。  

同時，NFC還優於紅外和藍牙傳輸方式。作為一種面向消費者的交易機制，NFC比紅外更快、更可靠而且簡單得多。與藍牙相比，NFC面向近距離交易，適用於交換財務信息或敏感的個人信息等重要數據；藍牙能夠彌補NFC通信距離不足的缺點，適用於較長距離數據通信。因此，NFC和藍牙互為補充，共同存在。事實上，快捷輕型的NFC協議可以用於引導兩台設備之間的藍牙配對過程，促進了藍牙的使用。

NFC手機內置NFC晶片，組成RFID模塊的一部分，可以當作RFID無源標籤使用，用來支付費用；也可以當作RFID讀寫器用作數據交換與採集。NFC技術支持多種應用，包括移動支付與交易、對等式通信及移動中信息訪問等。通過NFC手機，人們可以在任何地點、任何時間，通過任何設備，與他們希望得到的娛樂服務與交易聯繫在一起，從而完成付款，獲取海報信息等。NFC設備可以用作非接觸式智能卡、智能卡的讀寫器終端以及設備對設備的數據傳輸鏈路，其應用主要可分為以下四個基本類型：用於付款和購票、用於電子票證、用於智能媒體以及用於交換、傳輸數據。 

存在問題：

 1、相容性問題

NFC與飛利浦的MIFARE以及Sony的Felica免接觸式智慧卡平台完全相容，因此內建 NFC的裝置可以讀取這些卡片上的資料。此外，NFC即使在關機的狀態下還能像免接觸式卡片一樣運作，所以和擁有大量基礎建設的MIFARE與Felica系統完全相容，這些經過實際驗證的系統已經在市場上發行了數百萬張的卡片，為NFC裝置的推廣奠定了一個穩固的基礎。

2、安全性問題

安全的NFC將各種NFC應用結合智慧卡的安全性。重要的機密資料與數據會一直儲存在卡片中安全記憶體的某個區域，並且只能經由NFC裝置授權，藉由儲存在裝置內安全記憶體中的私密金鑰將傳送資料予以加密。

3、主動或被動運作模式

擁有NFC的裝置可以在主動或被動模式下運作，一般的行動裝置主要是以被動模式運作，可以大幅降低耗電量，並延長電池的續航力。主動式NFC裝置可以透過內部產生的射頻場(RF-field)提供與被動裝置通訊時所需的所有電力，與免接觸式智慧卡的情況相同，擁有相同的電力，確保即使關掉行動裝置的電源仍可以正常進行資料的讀取。

 4、標準化

NFC符合ECMA 340與ETSI TS 102 190 V1.1.1以及ISO/IEC 18092標準的開放式平台技術，這些標準具體規範NFC裝置的調製方案、編碼、傳輸速度與RF介面的訊框格式等，以及被動與主動NFC模式初始化過程中資料衝突控制所需的初始化設定與條件。此外，這些標準還定義了傳輸協定，其中包括通訊協定啟動與資料交換方式等。

 四、NFC技術原理

1. 近距離無線通信

支持NFC的設備可以在主動或被動模式下交換數據。在被動模式下，啟動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(RF-field)，如圖2所示。它可以選擇106kbps、212kbps或424kbps其中一種傳輸速度，將數據發送到另一台設備。另一台設備稱為NFC目標設備(從設備)，不必產生射頻場，而使用負載調製(load modulation)技術，即可以相同的速度將數據傳回發起設備。此通信機制與基於ISO14443A、MIFARE和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，並與之建立聯繫。 

在主動模式下，每台設備要向另一台設備發送數據時，都必須產生自己的射頻場。如圖1所示，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。這是對等網絡通信的標準模式，可以獲得非常快速的連接設置。

圖1.NFC主動通信模式

如圖2所示，移動設備主要以被動模式操作，可以大幅降低功耗，並延長電池壽命。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。 

 圖2.NFC被動通信模式

2. NFC與藍牙和紅外技術的比較

作為一種面向消費者的交易機制，NFC比紅外更快、更可靠而且要簡單得多。另一方面，藍牙則是一種彌補NFC通訊距離不足的缺點，適用於較長距離數據通信。NFC面向近距離交易交互，適用於交換財務信息或敏感的個人信息等重要數據。NFC和藍牙相互為補充，共同存在。事實上，快捷輕型的NFC協議可以用於引導兩台設備之間的藍牙配對過程，並在這方面促進藍牙的使用。 模式的典型應用是：建立藍牙連接、交換手機名片等。 

 五、技術分析 

電磁場決定無線電波：

電磁場在從發射天線傳播到接收天線的過程相互交換能量並相互增強，這樣的電磁場稱之為遠場。而在10個波長以內，電磁場是相互獨立的，即為近場，近場內電場沒有多大意義，但磁場可用於短距離通訊。

由於在初級線圈(發射天線)和次級線圈之間仍有相當大的距離，因此可以將NFC看做是一個耦合係數非常低的互感器。 近磁場的主要問題是信號傳播過程中信號強度會以大約1/d6的速率下降(這裡d為通訊距離或範圍)，因此使近場通訊成為名副其實的短程通訊技術，而在稱之為無線電波的遠場中，信號強度以1/d2的速率下降。  

NXP公司和索尼公司發明了NFC技術，Ecma International公司首次採用它做為一項標準(NFCIP-1或ECMA-340)，並提交給國際標準化組織(ISO）/國際電工委員會(IEC)，成為ISO/IEC 18092標準，同時也得到了歐洲電信標準協會的承認，從此後已經有多個半導體公司開始生產兼容性和互操作晶片。  

這個標準類似於智能卡中所採用的NFC技術，並與其兼容，其內部晶片能夠使消費者通過銷售點(POS)終端閱讀器進行支付。 在某些工作模式下NFC的功能類似於射頻識別(RFID)。 NXP公司的MIFARE和索尼公司的FeliCa產品就採用了已經制定的智能卡標準。  

該標準規定了一個13.56MHz的工作頻率，這是一個免許可國際通用頻帶，是美國ISM帶15/18頻帶之一。 數據傳輸速率為106、212或424kbps，取決於通訊範圍，在20cm或大約8英吋時傳輸速率最大，實際通訊範圍只有幾英吋或不大於10cm，該標準規定了多種工作模式。

在主動模式下，通訊雙方收發器加電後，任何一方可以採用「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衝突，其中一個設備是發起者，而其它設備則是目標。  

在被動模式下，像RFID標籤一樣，目標是一個被動設備。 標籤從發起者傳輸的磁場獲得工作能量，然後通過調製磁場將數據傳送給發起者(後掃瞄調製，AM的一種)。

像任何先進的無線技術一樣，NFC同樣面臨安全問題。 但是NFC設備非常小的通訊範圍完全可以將黑客排除在外。 在這樣小的範圍內，完全可以放心地進行通訊。 如果需要更高的安全性，可以使用帶智能卡技術的NFC，智能卡技術內置了重載加密認證功能。

NFC的基本要求：

一、安全的鏈接 

加密無線鏈接需要一個公鑰，而且在帶內通道必須是不可見的。 鏈接密鑰通過手動PIN(比如在藍牙中)或Diffie-Hellman自動交換(比如在無線USB中)「實時」生成。 建立鏈接密鑰後，便可啟用對稱加密(基於3DES和AES等)。

二、設備身份驗證 

即確保鏈接密鑰以預期的驗證設備而不是偽裝的被動/主動中間人生成。 此設置的常規方法要求連接一根線纜，以便關聯和交換鏈接密鑰和/或要求用戶在兩台設備上輸入PIN碼。 將此方法與使用NFC來關聯和設置相比較，具有如下優點：無需瀏覽查閱菜單或配置屏幕；只需將兩台設備彼此靠攏即可觸發相關軟件和用戶界面；建立此環境以後將自動交換相關數據。 用戶只需確認交易，而且只需查看相關的信息。 此過程將減少設備關聯所需的步驟，並最大限度地減少用戶交互操作。 用戶無需增加任何開銷即可改善安全功能。 而且可以加快連接過程，同時又保留了像完成/錯誤確認和錯誤修正等功能。 用NFC可以使藍牙、無線USB和W-LAN等的配對與設備關聯變得非常簡單、快捷和直觀，而且同時可以彌合移動和消費類電子產品之間的缺口。

六、NFC的應用情況

NFC技術的應用：

NFC設備可以用作非接觸式智能卡、智能卡的讀寫器終端以及設備對設備的數據傳輸鏈路。其應用廣泛，NFC應用可以分為四個基本類型。諸如門禁管制或交通/活動檢票之類的應用，用戶只需將儲存有票證或門禁代碼的設備靠近閱讀器即可。

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備靠近讀卡器即可，也可用於物流管理。

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

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。

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

1.    NFC用於智能媒體

對於配備NFC的電話，利用其讀寫器功能，用戶只需接觸智能媒體即可獲取豐富的信息或下載相關內容。此智能媒體帶有一個成本很低的RFID(嵌入或附加在海報中)標籤，可以通過移動電話讀取，借此發現當前環境下豐富多樣的服務項目。並且手機可以啟動移動網絡服務請求，並立即按比例增加運營商的網絡流量。運營商可以投資這個“即時滿足”工具，通過鈴聲下載、移動遊戲和其他收費的增值服務來增加收入。

2.    NFC用於付款和購票等

最早在移動電話上使用非接觸式智能卡，只是將卡粘到電話中。也並未通過非接觸式卡提供任何增值服務，而且也不利用移動電話的功能或移動電話網絡。之後經過改進，雖將非接觸式智能卡集成到電話中，但仍然是基於傳統智能卡部署的封閉系統。我們現在正見證向NFC電話發展的趨勢，這種電話充分利用移動電話功能和移動電話網絡，還提供卡讀寫器和設備對設備連接功能。

使用非接觸式智能卡的支付方式在美國和亞太地區發展勢頭良好。Visa、MasterCard和美國運通等信用卡的內置支付程序可以安全地存儲在設備上的安全IC內。這樣，NFC電話就可以充分利用現有的支付基礎架構，並能夠支持移動電話公司的新服務項目。

3.    NFC用於電子票證

電子票證是以電子方式存儲的訪問權限，消費者可以購買此權限以獲得娛樂場所的入場權。整個電子票證購買過程只需幾秒鐘，對消費者而言非常簡單便捷。在收集並確認了消費者的支付信息後，電子票證將自動傳輸到消費者的移動電話或安全晶片中。

用戶將移動電話靠近自動售票終端，即開始交易。用戶與服務設備充分交互，然後通過在移動電話上確認交易，完成購買過程。到娛樂場所時，用戶只需將自己的移動電話靠近安裝在入口轉柵上的閱讀器即可，閱讀器在檢查了票證的有效性後允許進入。

4.    NFC用於連接和作為無線啟動設備

消費者希望無線連接簡單便捷，但對消費者承諾的便利性和移動性卻仍未兌現。雖然使用方便已成為消費者優先選擇的主要動因，但安全性能也是一種必要的因素。

應用實例：

以美國車用電子大廠Delphi為例，透過該公司所開發的NFC Gateway車用鑰匙系統，擁有NFC手機的車主便可透過車上NFC模組和車輛電腦系統進行連線，可能的應用包括車主一接近，車門就會自動解鎖，引擎也會自行啟動。另外，當車輛出現零件故障或油料不足時，車上電腦系統也可主動將資訊傳送至車主手機上；車主也可利用NFC手機檢查車輛胎壓、里程數，追蹤車輛位置，甚至改變車輛內部溫度設定等。

七、展望發展前景

NFC作為一種新興的技術，大致總結了藍牙技術協同工作能力差的弊病。不過，它的目標並非是完全取代藍牙、Wi-Fi等其他無線技術，而是在不同的場合、不同的領域起到相互補充的作用。因為NFC的數據傳輸速率較低，僅為212Kbps，不適合諸如音視頻流等需要較高帶寬的應用。

目前常見的NFC技術應用為門禁系統、儲值票卡等，使用者只需將卡片或NFC靠近讀取設備，便可完成設備連線、資料認證、服務交換等動作。由於使用上相當直覺方便，所以除了電子票證相關應用外，手機、消費性電子設備、汽車，甚至醫療設備廠商，對NFC技術應用都頗有興趣。

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通過一個晶片、一根天線和一些軟件的組合，能夠實現各種設備在幾公分範圍內的通信，而費用僅為2-3歐元。研究機構Strategy Analytics預測，至2011年全球基於移動電話的非接觸式支付額將超過360億美元。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。

三星電子(Samung Electronics)、諾基亞(Nokia)等手機大廠也曾嘗試將NFC技術運用於手機上，好為手機增加電子錢包、電子票證等諸多功用。但是在安全疑慮、商業模式尚未成熟，以及NFC手機款式選擇不多的情況下，近幾年來NFC手機市場始終難以推廣。

不過，隨著諾基亞高層在6月表示將於2011年大量運用NFC技術於自家手機上，以及手機晶片業者高通(Qaulcomm)、網路通訊晶片業者博通(Broadcom)，計劃將NFC技術整合至手機晶片上後，NFC市場似乎有從谷底翻身的趨勢。近日蘋果(Apple)也傳出聘僱NFC技術專家Benjamin Vigier的消息，這或許意味著日後iPhone將具備NFC功能，並搖身一變成為電子錢包、車票或電子鑰匙。只是，在商業模式、安全問題等外在環境問題尚未解決的情況下，NFC市場是否真能順利發展，仍有待觀察。

引用: 作者 電通碩一 許凱鈞