近場(chǎng)通信技術(shù)拓展電信智能卡應(yīng)用

文章出處：http://www.xujuanpiju.com 作者：許海翔 伏京生 翟巍 白璐 高博   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月23日

　　近來(lái)，近場(chǎng)通信(NFC)技術(shù)應(yīng)用在世界范圍內(nèi)受到了廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外的電信運(yùn)營(yíng)商、手機(jī)廠商等不同角色紛紛開(kāi)展應(yīng)用試點(diǎn)，一些國(guó)際性協(xié)會(huì)組織也積極進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化促進(jìn)工作。據(jù)業(yè)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，基于近場(chǎng)通信技術(shù)的手機(jī)應(yīng)用將會(huì)成為移動(dòng)增值業(yè)務(wù)的下一個(gè)殺手級(jí)應(yīng)用。

什么是近場(chǎng)通信

1 近場(chǎng)通信(NFC)技術(shù)

　　近場(chǎng)通信（Near Field Communication，NFC），是由非接觸式射頻識(shí)別(RFID)及互連互通技術(shù)整合演變而來(lái)，通過(guò)在單一芯片上集成感應(yīng)式讀卡器、感應(yīng)式卡片和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的功能，利用移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)移動(dòng)支付、電子票務(wù)、門禁、移動(dòng)身份識(shí)別、防偽等應(yīng)用。

　　NFC采用13.56MHz作為近距離通信頻率標(biāo)準(zhǔn)，兼容ISO 14443、ISO 15693、Felica等射頻標(biāo)準(zhǔn)。其典型操作距離只有幾厘米，運(yùn)行距離范圍在20cm內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸速度可以選擇106Kb/s、212Kb/s或者424Kb/s，將來(lái)可提高至1Mb左右。NFC信息傳遞是通過(guò)頻譜中無(wú)線頻率部分的電磁感應(yīng)耦合方式實(shí)現(xiàn)的。

2 電信智能卡

　　智能卡的名稱來(lái)源于英文名詞“Smart Card”，是IC卡（集成電路卡）的一種。智能卡包括中央處理器CPU、可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM和固化在只讀存儲(chǔ)器ROM中的卡內(nèi)操作系統(tǒng)COS(Chip Operating System)。卡中數(shù)據(jù)分為外部讀取和內(nèi)部處理部分，能夠確保卡中數(shù)據(jù)安全可靠。

　　根據(jù)應(yīng)用的行業(yè)來(lái)劃分，智能卡又可以劃分為：電信智能卡、金融智能卡、身份證智能卡、門禁智能卡等。目前我國(guó)電信行業(yè)總發(fā)卡量已超過(guò)20多億張，占我國(guó)IC卡發(fā)行總量的75%左右。2006年中國(guó)聯(lián)通電信智能卡發(fā)行量超過(guò)了 1.27億張，中國(guó)移動(dòng)發(fā)行量約4億張。

　　電信智能卡最初的定位僅僅是承擔(dān)手機(jī)登錄網(wǎng)絡(luò)時(shí)的鑒權(quán)認(rèn)證，通常稱為SIM卡或UIM卡。隨著移動(dòng)通信技術(shù)和增值業(yè)務(wù)技術(shù)的發(fā)展，電信智能卡已經(jīng)發(fā)展成為了運(yùn)營(yíng)商快速開(kāi)展增值業(yè)務(wù)的強(qiáng)大平臺(tái)。

近場(chǎng)通信技術(shù)及應(yīng)用

1 近場(chǎng)通信技術(shù)研究進(jìn)展

　　 從目前情況看，近場(chǎng)通信相關(guān)的主要技術(shù)方案包括以下幾種。

● 雙界面卡

　　雙界面卡是基于卡片的解決方案，由一個(gè)微處理器芯片和一個(gè)與微處理器相連的天線線圈組成，集接觸式與非接觸式接口為一體，兩種接口共享同一個(gè)微處理器、操作系統(tǒng)和EEPROM。非接觸界面由讀寫器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)提供能量，通過(guò)射頻方式實(shí)現(xiàn)能量供應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸。接觸界面完全兼容接觸式卡片應(yīng)用系統(tǒng)和讀寫機(jī)具。

　　通過(guò)雙界面卡方案實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)增值服務(wù)，只限于卡模擬方式，例如電子錢包卡、電子票、門禁卡等應(yīng)用。目前實(shí)現(xiàn)方式包括定制手機(jī)、低成本天線組件兩種方案。

● NFC

　　NFC是基于手機(jī)終端的技術(shù)解決方案，將NFC控制芯片、非接觸式應(yīng)用芯片（SmartMx）、射頻天線集成到手機(jī)上。

　　NFC方案可以實(shí)現(xiàn)卡模擬、閱讀器模擬、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信三種應(yīng)用模式，例如支付類應(yīng)用、票務(wù)應(yīng)用、防偽、廣告、數(shù)據(jù)同步等。

● eNFC

　　eNFC是手機(jī)和智能卡相融合的實(shí)現(xiàn)方式，將非接觸式IC卡應(yīng)用放在(U)SIM卡中，NFC芯片通過(guò)單線通信協(xié)議與(U)SIM卡通信，更加符合機(jī)卡分離的技術(shù)特點(diǎn)。原有的移動(dòng)通信應(yīng)用與非接觸式IC卡等增值應(yīng)用由統(tǒng)一的單芯片管理，使得移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商可更加安全、簡(jiǎn)便、有力的對(duì)(U)SIM卡以及其中的增值應(yīng)用進(jìn)行發(fā)行、管理和控制，因此受到多數(shù)運(yùn)營(yíng)商的青睞。

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化

　　NFC由Philips、Sony兩家公司提出后，在2003年12月8日通過(guò)ISO/IEC（International Organization for Standardization/International Electrotechnical Commission）機(jī)構(gòu)的審核而成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并在2004年3月18日由ECMA（European Computer Manufacturers Association）認(rèn)定為歐洲標(biāo)準(zhǔn)。目前已通過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)編列有ISO/IEC 18092（NFCIP-1）、ECMA-340、ECMA-352、ECMA-356、ECMA-362、ISO/IEC 21481（NFCIP-2）。

　　為了推動(dòng)NFC技術(shù)的發(fā)展和普及，飛利浦、索尼和諾基亞創(chuàng)建了一個(gè)非營(yíng)利性的行業(yè)協(xié)會(huì)——NFC 論壇，旨在促進(jìn)NFC技術(shù)的實(shí)施和標(biāo)準(zhǔn)化，確保設(shè)備和服務(wù)之間協(xié)同合作。目前，NFC論壇在全球擁有超過(guò)100多個(gè)成員，其中包括我國(guó)的復(fù)旦微電子和清華同方微電子。

　　2006年8月，NFC論壇正式對(duì)外發(fā)布四份關(guān)于NFC的技術(shù)文件，使NFC有了更清晰具體的實(shí)現(xiàn)方向，同時(shí)也使NFC技術(shù)與手機(jī)的結(jié)合取得重要進(jìn)展。這些文件包括數(shù)據(jù)交換格式(NFC Data Exchange Format，NDEF)、記錄類型定義(NFC Record Type Definition，RTD)，以及與RTD相關(guān)的文件與網(wǎng)絡(luò)資源的基本技術(shù)規(guī)格(NFC Text RTD Technical Specification、NFC URI RTD Technical Specification)。

　　目前仍有NFC的一些標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有被確定，自2006年11月USB組織對(duì)SIM卡和手機(jī)基帶間的高速接口進(jìn)行投票以來(lái)，手機(jī)中SIM卡與NFC芯片連接的接口標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)拖延了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在專注于NFC接口方面的工作，目前仍在進(jìn)行中。

3 應(yīng)用模式及國(guó)內(nèi)外案例

　　近場(chǎng)通信業(yè)務(wù)支持卡模擬、閱讀器模擬，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信三種應(yīng)用模式。 

    卡模擬：銀行卡、積分卡、各類儲(chǔ)值卡、身份識(shí)別、門禁、行業(yè)卡等應(yīng)用；
    閱讀器模式：進(jìn)行讀取標(biāo)簽廣告、防偽等應(yīng)用；
    點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式：提供兩個(gè)NFC設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸、游戲等服務(wù)。 

　　 近幾年時(shí)間里，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了很多有關(guān)NFC技術(shù)應(yīng)用的試驗(yàn)，為技術(shù)改進(jìn)和應(yīng)用推廣奠定了很好的基礎(chǔ)，其中包括：

    日本NTT DoCoMo公司自2004年7月推出基于非接觸式IC卡式手機(jī)錢包業(yè)務(wù)，希望用手機(jī)錢包逐步替代人們?cè)阱X包中放置的所有物品。 

    韓國(guó)SK Telecom公司推出的基于非接觸IC卡技術(shù)的MONETA業(yè)務(wù)，利用手機(jī)與銀行信用卡結(jié)合，使用戶使用手機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)支付業(yè)務(wù)。 

    諾基亞推出了新款6131近場(chǎng)通信手機(jī)，并進(jìn)行了關(guān)于電子錢包、公交應(yīng)用、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)下載等應(yīng)用的試驗(yàn)；美國(guó)銀行試點(diǎn)利用手機(jī)提供萬(wàn)事達(dá)卡PayPass應(yīng)用；法國(guó)巴黎公交與地鐵系統(tǒng)采用近場(chǎng)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)購(gòu)買車票與扣費(fèi)乘車，并推出了商用版本的SAGEM非接觸手機(jī)終端和相應(yīng)的SIM卡；從歐洲到北美近場(chǎng)通信應(yīng)用已經(jīng)從試點(diǎn)工作逐步走向試商用。 

    2006年6月諾基亞、廈門移動(dòng)、廈門易通卡公司、菲利浦公司共同在廈門啟動(dòng)中國(guó)首個(gè)近距離通信手機(jī)支付現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。使用Nokia3220手機(jī)實(shí)現(xiàn)廈門易通卡覆蓋的公交汽車、輪渡、餐廳、電影院、便利店等營(yíng)業(yè)網(wǎng)點(diǎn)的手機(jī)支付。 

    2007年3月13日正式在上海推出了移動(dòng)認(rèn)證業(yè)務(wù)，這個(gè)業(yè)務(wù)由諾基亞公司和上海質(zhì)監(jiān)、上海消防聯(lián)合實(shí)施。執(zhí)法人員只需持定制防偽應(yīng)用的近場(chǎng)通信手機(jī)，即可隨時(shí)隨地讀取煙花爆竹所貼電子標(biāo)簽的全球唯一識(shí)別碼，并實(shí)時(shí)上傳至防偽服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)校驗(yàn)。 

    2007年5月17日由重慶移動(dòng)、重慶市商業(yè)銀行、結(jié)行商務(wù)有限公司聯(lián)合發(fā)行的長(zhǎng)江掌中行卡正式投入商用。它有標(biāo)準(zhǔn)的非接觸IC卡和手機(jī)粘貼卡兩種體現(xiàn)形式，可廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)零售業(yè)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)字產(chǎn)品消費(fèi)、公用事業(yè)代收費(fèi)業(yè)務(wù)、智能化管理領(lǐng)域等。 

    湖北電信目前與武漢天喻合作開(kāi)發(fā)基于小靈通的非接觸式IC卡應(yīng)用，采用應(yīng)用預(yù)置在卡片中的方式，目前已經(jīng)預(yù)置的應(yīng)用有公交卡、校園卡等。 

基于電信智能卡的近場(chǎng)通信技術(shù)探索

1 技術(shù)方案特點(diǎn)

　　該方案以SIM卡為核心，應(yīng)用放在單芯片的SIM卡中，確保了業(yè)務(wù)完全是由運(yùn)營(yíng)商控制并進(jìn)行有效管理。業(yè)務(wù)邏輯層與射頻RF層分離，業(yè)務(wù)邏輯由SIM卡管理，而射頻由內(nèi)置于手機(jī)的NFC芯片進(jìn)行管理。采用此方案，可以很容易地將目前已經(jīng)在Java卡上實(shí)現(xiàn)的其他應(yīng)用，例如銀行及公交應(yīng)用部署在SIM卡上，使SIM卡成為一卡多用的多功能卡。方案特點(diǎn)如下：

    以運(yùn)營(yíng)商為核心：在這個(gè)技術(shù)方案中，所有的非接觸式應(yīng)用都存儲(chǔ)在運(yùn)營(yíng)商發(fā)行的SIM 卡上，因此運(yùn)營(yíng)商可以有效地規(guī)劃和管理非接觸式業(yè)務(wù)，發(fā)揮核心的作用。 

    多協(xié)議支持：手機(jī)可以支持卡片模擬及讀卡器模式，兼容ISO 1443 type A、type B、type B calypso、Felica以及RFID-ISO 15693。 

    匱電工作模式：即使在手機(jī)關(guān)機(jī)或者電池用盡的情況下，SIM卡中的非接觸應(yīng)用仍然可以正常工作。對(duì)于公共交通及小額支付，這是一個(gè)非常必要的功能。 

    多應(yīng)用支持：SIM卡支持Global Platform(GP)技術(shù)架構(gòu)。這種架構(gòu)保證了在SIM卡中可以按照一套完整的安全標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建多個(gè)獨(dú)立的安全域，以存儲(chǔ)多種完全不同的應(yīng)用，例如移動(dòng)通信、公共交通、電子錢包、票務(wù)應(yīng)用、門禁等。 

    業(yè)務(wù)的可移植性及延續(xù)性：由于應(yīng)用信息是存儲(chǔ)在SIM卡中，因此在用戶更換手機(jī)之后，所有的應(yīng)用都可以繼續(xù)。 

    安全性：SIM卡本身的安全機(jī)制為存儲(chǔ)在卡中的交易提供了一個(gè)安全的運(yùn)行環(huán)境。同時(shí)，基于GP架構(gòu)的Java卡更實(shí)現(xiàn)了不同應(yīng)用之間的隔離，有效防止未授權(quán)的惡意攻擊行為。 

    開(kāi)放的解決方案：相關(guān)的技術(shù)規(guī)范均已開(kāi)放并提交至ETSI。 

2 相關(guān)技術(shù)環(huán)節(jié)

eNFC芯片組

　　該芯片組要求支持標(biāo)準(zhǔn)的ISO 15693, ISO 14443-A/B、ISO 18092協(xié)議；支持讀卡器、卡片模擬以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸三種工作模式，支持匱電工作模式。目前已有Inside公司可提供商用產(chǎn)品，NXP公司也將于2007年底提供此類芯片組。

SIM卡

　　為保證SIM 卡上交易應(yīng)用的安全性以及交易應(yīng)用的空中下載，按照Global Platform要求實(shí)現(xiàn)SIM卡的應(yīng)用管理架構(gòu)。為保證應(yīng)用提供商及可信任的第三方能夠獨(dú)立開(kāi)發(fā)交易應(yīng)用，SIM卡應(yīng)同時(shí)支持Java卡標(biāo)準(zhǔn)，以保證卡片及應(yīng)用的互操作性。同時(shí)支持單線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與eNFC芯片之間的通信，也必須兼容ISO 7816接口保證SIM卡原有移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的正常使用，并支持多線程操作模式。目前雅斯拓等多家卡商均可提供此類卡片。 

圖1 SIM卡架構(gòu)圖

手機(jī)終端

　　手機(jī)終端硬件上，需集成eNFC芯片及天線，將eNFC芯片與SIM卡的第六管腳相連，以保證eNFC芯片與SIM卡的通信。在軟件方面，實(shí)現(xiàn)BIP協(xié)議以支持SIM卡通過(guò)TCP/IP通道與遠(yuǎn)端服務(wù)器進(jìn)行通信。SAGEM此類手機(jī)終端已經(jīng)在巴黎地鐵的試點(diǎn)項(xiàng)目應(yīng)用。 

圖2 手機(jī)終端硬件結(jié)構(gòu)圖 

3 重要技術(shù)問(wèn)題研究

（1）NFC控制芯片與SIM卡通信協(xié)議

　　考慮到與國(guó)際規(guī)范兼容問(wèn)題，NFC控制芯片與SIM卡通信協(xié)議將采用單線協(xié)議。手機(jī)上的非接觸模塊被劃分為如下兩個(gè)部分。

　　eNFC芯片組：eNFC芯片組與天線一起被設(shè)計(jì)在手機(jī)中，起到一個(gè)調(diào)制解調(diào)器的作用。它主要用來(lái)處理射頻RF協(xié)議本身，將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為幀信號(hào)從SIM卡上的C6管腳傳送到SIM卡中，或者將從SIM卡同一管腳接收到的幀信號(hào)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)。

　　SIM卡：SIM卡主要用于存儲(chǔ)Java應(yīng)用并處理非接觸交易，卡片須支持單線協(xié)議并能夠與eNFC芯片進(jìn)行通信。

　　單線協(xié)議本身是一個(gè)全雙工的通信協(xié)議，使用電壓和電流調(diào)制在SIM卡片及eNFC芯片組之間傳輸數(shù)據(jù)。 

圖3 單線協(xié)議概要模型圖

（2） 應(yīng)用安全機(jī)制

　　整個(gè)系統(tǒng)及業(yè)務(wù)流程遵循GP標(biāo)準(zhǔn)，以滿足應(yīng)用各方對(duì)安全性的要求。根據(jù)GP標(biāo)準(zhǔn)，卡片內(nèi)存被分隔為若干獨(dú)立的安全域，分為如下兩種類型。

    卡片發(fā)行者安全域：負(fù)責(zé)卡片管理功能，控制其他安全域的生命周期，由卡片發(fā)行者（通常是運(yùn)營(yíng)商）掌控；
    應(yīng)用提供方安全域：應(yīng)用提供方可以在自己控制的安全域內(nèi)下載及安裝新的應(yīng)用。另外，相關(guān)各技術(shù)環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)用安全也有保障。
    SIM/UIM卡：按照GP標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)卡片的應(yīng)用管理構(gòu)架，保證卡片上交易的安全性以及應(yīng)用能夠安全的通過(guò)空中下載；
    受理終端(POS)：受理終端需根據(jù)應(yīng)用發(fā)行方的密鑰管理體系、技術(shù)規(guī)范、業(yè)務(wù)流程要求進(jìn)行定制；
    應(yīng)用發(fā)行系統(tǒng)：系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合GP標(biāo)準(zhǔn)，分為卡片發(fā)行方、應(yīng)用發(fā)行方系統(tǒng)，采用完全分離的密鑰體系，各自獨(dú)立管理；
    手機(jī)終端：只作為透明的傳輸通道，不存儲(chǔ)任何與應(yīng)用發(fā)行、電子錢包消費(fèi)、充值過(guò)程相關(guān)的密鑰、證書，降低被破解風(fēng)險(xiǎn)。 

（3）匱電工作模式

　　公交、門禁等典型應(yīng)用均要求支持匱電工作模式，此時(shí)能量主要是由線圈感應(yīng)獲得，相對(duì)有限。低能量會(huì)導(dǎo)致射頻性能低和不可靠數(shù)據(jù)產(chǎn)生，這就要求NFC控制芯片、SIM卡等都具備低功耗工作能力，有效利用手機(jī)的殘留電量達(dá)到匱電工作狀態(tài)下的良好的射頻性能。

應(yīng)用前景展望

　　電信智能卡未來(lái)必將會(huì)提供更大存儲(chǔ)容量、更高通信速率、更強(qiáng)計(jì)算能力以及更加完善的身份鑒權(quán)體系。基于以上的技術(shù)保障，電信智能卡將會(huì)成為一個(gè)支持多任務(wù)、多應(yīng)用的業(yè)務(wù)平臺(tái)。作為其中一類重要的應(yīng)用，近場(chǎng)通信技術(shù)應(yīng)用將改變移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商、手機(jī)廠商、智能卡廠商、系統(tǒng)供應(yīng)商、應(yīng)用提供商之間合作的方式，建立新的業(yè)務(wù)模式與贏利機(jī)會(huì)，進(jìn)一步提高用戶消費(fèi)行為的電子化程度，從而成為移動(dòng)通信行業(yè)增值業(yè)務(wù)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

作者簡(jiǎn)介：中國(guó)聯(lián)合通信有限公司 許海翔 伏京生 聯(lián)通華建網(wǎng)絡(luò)有限公司 翟巍 白璐 高博