近距離無線通信(NFC)技術(shù)標準解析

文章出處：http://www.dipdnbxp.cn 作者：蔣華，孫強   人氣： 發(fā)表時間：2011年12月02日

1 引言 

    目前，隨著短距離無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)迅速膨脹，近距離無線通信(NFC，NearFieldCommunication)技術(shù)呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。NFC技術(shù)由Philips公司和Sony公司共同開發(fā)，于2004年4月被批準為國際標準ISO/IEC18092《信息技術(shù)系統(tǒng)間近距離無線通信及信息交換的接口和協(xié)議(NFCIP-1)》。獲得批準的ISO/IEC18092由物理層和數(shù)據(jù)鏈接層組成，屬于利用13.56MHz電波的近距離無線通信規(guī)格，可使配置了該技術(shù)接口的消費類設(shè)備之間建立一種短程通信網(wǎng)絡(luò)，從而大大改善用戶以無線方式接入數(shù)據(jù)及服務(wù)的性能。2004年P(guān)hilips公司首先推出兩枚可應(yīng)用于手機中的NFC芯片，接著Nokia公司開始銷售帶有NFC芯片的手機，并且與Philips和Sony現(xiàn)有的非接觸智能卡技術(shù)Mifare、FeliCa完全兼容。數(shù)據(jù)傳輸速度可以選擇106kbit/s、212kbit/s或者424kbit/s，在連接NFC后還可切換其他高速通信方式。ISO/IEC18092對NFC技術(shù)標準作了詳細的說明，但是由于使用13.56MHz頻段進行通信的不止只有NFC，因此，2005年1月ISO/IEC21481《信息技術(shù)系統(tǒng)間近距離無線通信及信息交換的接口和協(xié)議(NFCIP-2)》即“NFCIP-2”正式發(fā)布，該標準對NFC通信模式選擇機理作了補充說明，使標準進一步完善。因此NFC基于ISO/IEC18092、ISO/IEC21481、ECMA340、352、356以及ETSITS102、190標準，同時又兼容ISO14443A標準，具有自身的技術(shù)優(yōu)勢和特點，能夠廣泛應(yīng)用到不同的場合。 

2  NFC國際標準簡介 

    NFC技術(shù)支持三種不同的操作模式：（1）讀寫模式（對FeliCa或ISO14443A卡的讀寫）；（2）卡模式(如同F(xiàn)eliCa和ISO14443A/MIFARE卡的通信)；（3）NFC模式（NFC芯片間的通信）。NFC國際標準ISO/IEC18092、ISO/IEC21481涵蓋通信模式、調(diào)制與編碼、防沖突機制、幀結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。 

2.1通信模式 

    NFC工作于13.56MHz頻段，支持主動和被動兩種工作模式和多種傳輸數(shù)據(jù)速率，如表1所示。在主動模式下，主呼和被呼各自發(fā)出射頻場來激活通信，在被動工作模式下，如果主呼發(fā)出射頻場，被呼將響應(yīng)并且裝載一種調(diào)制模式激活通信。也就是說在一對NFC通信設(shè)備中(主呼和被呼)，至少有一方是主動的。  

表1  NFC傳輸模式與數(shù)據(jù)速率

    NFC設(shè)備在傳輸有效數(shù)據(jù)前必須先通過有關(guān)協(xié)議選定一種通信模式和傳輸數(shù)據(jù)速率，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，選定的通信模式和傳輸數(shù)據(jù)速率不能改變。數(shù)據(jù)傳輸速率R與射頻fc之間的關(guān)系為： 

    其中D是一個乘數(shù)因子。 

2.2調(diào)制技術(shù) 

    NFC標準中對于高速傳輸(>424kbps)目前還沒有作出具體的規(guī)定。在低速傳輸時都采用了ASK調(diào)制，但對于不同的傳輸速率具體的調(diào)制參數(shù)是不同的。表1中的模式1，ASK調(diào)制脈沖波形如圖1(a)所示，調(diào)制度為100％。對于模式2、模式3，調(diào)制脈沖波形如圖1(b)所示，調(diào)制度為8％～30％。 

圖1 ASK調(diào)制脈沖波形

2.3編碼技術(shù) 

    NFC的編碼包括信源編碼和糾錯編碼兩部分。 

    2.3.1信源編碼 

    不同的數(shù)據(jù)傳輸速率對應(yīng)的信源編碼的規(guī)則也不一樣。對于模式1，信源編碼的規(guī)則類似于密勒(Miller)碼。具體的編碼規(guī)則包括起始位、“1”、“0”、結(jié)束位和空位。對于模式2和模式3，起始位、結(jié)束位以及空位的編碼與模式1相同，只是“0”和“1”采用曼徹斯特(Manchester)碼進行編碼，或者可以采用反向的曼徹斯特碼表示。 

    2.3.2糾錯編碼 

    糾錯編碼采用循環(huán)冗余校驗法。所有的傳輸比特，包括數(shù)據(jù)比特、校驗比特、起始比特、結(jié)束比特以及循環(huán)冗余校驗比特都要參加循環(huán)冗余校驗。由于編碼是按字節(jié)進行的，因此總的編碼比特數(shù)應(yīng)該是8的倍數(shù)。循環(huán)碼的碼多項式為：  


    其中，模式1移存器的初始值為6363，模式2和模式3移存器的初始值為0。 
2.4防沖突機制 

    為了防止干擾正在工作的其他NFC設(shè)備（包括工作在此頻段的其他電子設(shè)備），NFC標準規(guī)定任何NFC設(shè)備在呼叫前都要進行系統(tǒng)初始化以檢測周圍的射頻場。當(dāng)周圍NFC頻段的射頻場小于規(guī)定的門限值（0.1875A/m）時，該NFC設(shè)備才能呼叫。圖2所示的是系統(tǒng)初始化，防沖突檢測的流程圖。 

圖2 系統(tǒng)初始化流程圖

    檢測幀：檢測幀是用在單用戶檢測過程中的，以保證點對點通信的進行。檢測幀由一個7字節(jié)的標準幀一分為二而成，其中第一部分是由主呼傳至被呼，第二部分是由被呼至主呼。模式2、模式3的幀結(jié)構(gòu)比較簡單，其中，前導(dǎo)符至少要有48比特的“0”信號；同步標志有兩個字節(jié)，第一個字節(jié)的同步碼為“B2”，第二個字節(jié)的同步碼為“4D”；數(shù)據(jù)長度是一個8比特碼，它表示有效傳輸數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。 

    如果在NFC射頻場范圍內(nèi)有兩臺以上NFC設(shè)備同時開機的話，需要采用單用戶檢測來保證NFC設(shè)備點對點通信的正常進行。單用戶識別主要是通過檢測NFC設(shè)備識別碼或信號時隙完成的。 

2.5幀結(jié)構(gòu) 

    不同的傳輸速率具有不同的幀結(jié)構(gòu)。在模式1中，幀結(jié)構(gòu)分為短幀、標準幀和檢測幀三種。短幀：短幀用在系統(tǒng)的初始化過程中，由起始位、7位指令碼、結(jié)束位組成。指令碼包括閱讀請求、閱讀響應(yīng)、喚醒請求、單用戶設(shè)備檢測請求、選擇請求、選擇響應(yīng)以及休眠請求等。標準幀：標準幀用在數(shù)據(jù)的交換過程中，由起始位、n×8數(shù)據(jù)比特、n位奇校驗比特、結(jié)束位組成，如表2所示。其中n是一個隨機產(chǎn)生的整數(shù)，它決定了有效數(shù)據(jù)的長度。 

表2 標準幀結(jié)構(gòu)

2.6傳輸協(xié)議 

    NFC傳輸協(xié)議包括三個過程：激活協(xié)議、數(shù)據(jù)交換、協(xié)議關(guān)閉。協(xié)議的激活包含屬性的申請和參數(shù)的選擇，激活的流程分為主動模式和被動模式兩種；數(shù)據(jù)交換協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)中，包頭包括兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)交換請求與響應(yīng)指令、一個字節(jié)的傳輸控制信息、一個字節(jié)的設(shè)備識別碼、一個字節(jié)的數(shù)據(jù)交換節(jié)點地址；協(xié)議關(guān)閉包含信道的拆線和設(shè)備的釋放。在數(shù)據(jù)交換完成后，主呼可以利用數(shù)據(jù)交換協(xié)議進行拆線。一旦拆線成功，主呼和被呼都回到了初始化狀態(tài)。主呼可以再次激活，但是被呼不再響應(yīng)主呼的屬性請求指令，而是通過釋放請求指令切換到剛開機的原始狀態(tài)。 

3  NFC與WPAN的比較 

    NFC技術(shù)脫胎于無線設(shè)備間的非接觸式射頻識別（RFID，Radio Frequency Identification）及互聯(lián)技術(shù)，屬于點對點通信。無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（WPAN，Wireless Personal AreaNetwork）主要用于個人電子設(shè)備與PC的自動互聯(lián)，其物理層和MAC層均是由IEEE802.15標準系列定義，僅網(wǎng)絡(luò)層及安全層等上層協(xié)議不同，由各自的聯(lián)盟開發(fā)。  

    在IEEE802.15標準中，IEEE802.15.1子協(xié)議基于藍牙技術(shù)，頻帶2.4GHz，每條頻寬為1MHz，將2.4GHz頻段因所在區(qū)域不同劃分為79個無線電頻率通道，為避免此頻段電子裝置相互干擾，因而采用每秒1600次高難度頻率跳躍率的跳頻展頻(FHSS)技術(shù)，以及加密保密技術(shù)，有效傳輸速率在432～721kbps不等，有效傳輸距離為10～100m，最快速率只有1Mbps。 

    IEEE802.15.3a子協(xié)議也被稱作超寬帶(UMB，UltraWideband)，使用電子脈沖作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d波，有效范圍為3～10m，傳輸速率將達到100Mbps。目前，UWB的物理層和MAC層的標準化工作主要在IEEE802.15.3a和IEEE802.15.4a中進行，其中IEEE802.15.3a工作組負責(zé)高速UWB，目前主要包括兩大技術(shù)陣營：一個是以Intel和TI為代表的多頻帶OFDM(MBOFDM)，將頻譜以500MHz帶寬大小進行分割，在每個子頻帶上采用OFDM技術(shù)；另外一個是以Motorola和Freescale為代表的直接序列UWB(DS-UWB)，采用傳統(tǒng)脈沖無線電方案。而IEEE802.15.4a負責(zé)低速UWB，在2005年3月的IEEE802全體會議WPAN標準化分會期間，達成了初步統(tǒng)一的技術(shù)方案。IEEE802.15.4a的目的是提供給低速率傳輸應(yīng)用的無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，該標準中定義了兩種不同的物理層技術(shù)：一種是超寬頻物理層（UWB-PHY,Ultra Wideband-Physics）技術(shù)，其操作頻段在3～5GHz、6～10GHz以及小于1GHz的頻段,所支持的傳輸速率主要是842kbps和幾個選擇模式105kbps、3.37Mbps、13.48Mbps以及26.95Mbps；另一個技術(shù)是CSS(ChirpSpreadSpectrum)技術(shù)，操作在2450MHz未授權(quán)頻帶上，所支持的傳輸速率主要是1Mbps和選擇模式250kbps。 

    IEEE802.15.4協(xié)議定義了ZigBee，主要用于近距離無線連接，采用直接序列展頻(DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum)技術(shù)，它的兩個物理層標準，分別對應(yīng)于2.4GHz頻段和868/915MHz頻段，作用距離在30～75m之間，傳輸速率只有250kbps，但它的優(yōu)點是功耗很低，主要用于不要求傳輸速率的某些嵌入設(shè)備中。NFC與WPAN的比較如表3所示。 

表3 NFC與WPAN的比較

4   NFC技術(shù)的優(yōu)點 

    綜合來看，作為一種近距離無線通信技術(shù)，NFC具有一些明顯的優(yōu)點，如功耗極小、安全性較好，同時速率一般能滿足兩個設(shè)備之間點對點信息交換、內(nèi)容訪問和服務(wù)交換的需求，對于音視頻流等需要較高帶寬的應(yīng)用，可以配合藍牙、無線局域網(wǎng)等技術(shù)，提供一個方便自動的接入功能。擁有NFC功能的電子設(shè)備通過射頻信號自動識別數(shù)據(jù)，信息之間可以互換，為消費者實現(xiàn)使用簡便、免安裝設(shè)定、現(xiàn)場立即聯(lián)機、智能化傳輸數(shù)據(jù)等功能，完全符合現(xiàn)代消費者的需求。NFC技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊，但尚處于發(fā)展的初級階段。 

NFC技術(shù)的應(yīng)用可以分為四種基本的類別： 

    （1）接觸通過(TouchandGo)，如門禁管制、車票和門票等，使用者只需攜帶儲存著票證或門控密碼的移動設(shè)備靠近讀取裝置即可。  
    （2）接觸確認(TouchandConfirm)，如移動支付，用戶通過輸入密碼或者僅是接受交易，確認該次交易行為。  
    （3）接觸連接(TouchandConnect)，如把兩個內(nèi)建NFC的裝置相連接，進行點對點數(shù)據(jù)傳輸，例如下載音樂、圖片互傳和同步交換通訊簿等。 
    （4）接觸瀏覽(TouchandExplore)，NFC設(shè)備可以提供一種以上有用的功能，消費者將能夠通過瀏覽一個NFC設(shè)備，了解提供的是何種功能和服務(wù)。 

5   結(jié)束語  

    為使NFC成為一種開發(fā)性平臺技術(shù)，Philip和Sony聯(lián)合Nokia等一起建立了NFC論壇，力推NFC技術(shù)應(yīng)用和標準。值得關(guān)注的是我國正在制定自己的RFID標準，NFC技術(shù)是否被完全兼容并得到中國的認可對消費者相當(dāng)重要。