近距離無線通信(NFC)技術標準解析

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：蔣華，孫強   人氣： 發表時間：2011年12月02日

1 引言 

    目前，隨著短距離無線數據業務迅速膨脹，近距離無線通信(NFC，NearFieldCommunication)技術呈現出良好的發展勢頭。NFC技術由Philips公司和Sony公司共同開發，于2004年4月被批準為國際標準ISO/IEC18092《信息技術系統間近距離無線通信及信息交換的接口和協議(NFCIP-1)》。獲得批準的ISO/IEC18092由物理層和數據鏈接層組成，屬于利用13.56MHz電波的近距離無線通信規格，可使配置了該技術接口的消費類設備之間建立一種短程通信網絡，從而大大改善用戶以無線方式接入數據及服務的性能。2004年Philips公司首先推出兩枚可應用于手機中的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現有的非接觸智能卡技術Mifare、FeliCa完全兼容。數據傳輸速度可以選擇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《信息技術系統間近距離無線通信及信息交換的接口和協議(NFCIP-2)》即“NFCIP-2”正式發布，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，具有自身的技術優勢和特點，能夠廣泛應用到不同的場合。 

2  NFC國際標準簡介 

    NFC技術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FeliCa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、調制與編碼、防沖突機制、幀結構等內容。 

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據速率，如表1所示。在主動模式下，主呼和被呼各自發出射頻場來激活通信，在被動工作模式下，如果主呼發出射頻場，被呼將響應并且裝載一種調制模式激活通信。也就是說在一對NFC通信設備中(主呼和被呼)，至少有一方是主動的。  

表1  NFC傳輸模式與數據速率

    NFC設備在傳輸有效數據前必須先通過有關協議選定一種通信模式和傳輸數據速率，在數據傳輸過程中，選定的通信模式和傳輸數據速率不能改變。數據傳輸速率R與射頻fc之間的關系為： 

    其中D是一個乘數因子。 

2.2調制技術 

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

圖1 ASK調制脈沖波形

2.3編碼技術 

    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 

    不同的數據傳輸速率對應的信源編碼的規則也不一樣。對于模式1，信源編碼的規則類似于密勒(Miller)碼。具體的編碼規則包括起始位、“1”、“0”、結束位和空位。對于模式2和模式3，起始位、結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 

    糾錯編碼采用循環冗余校驗法。所有的傳輸比特，包括數據比特、校驗比特、起始比特、結束比特以及循環冗余校驗比特都要參加循環冗余校驗。由于編碼是按字節進行的，因此總的編碼比特數應該是8的倍數。循環碼的碼多項式為：  


    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設備（包括工作在此頻段的其他電子設備），NFC標準規定任何NFC設備在呼叫前都要進行系統初始化以檢測周圍的射頻場。當周圍NFC頻段的射頻場小于規定的門限值（0.1875A/m）時，該NFC設備才能呼叫。圖2所示的是系統初始化，防沖突檢測的流程圖。 

圖2 系統初始化流程圖

    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的幀結構比較簡單，其中，前導符至少要有48比特的“0”信號；同步標志有兩個字節，第一個字節的同步碼為“B2”，第二個字節的同步碼為“4D”；數據長度是一個8比特碼，它表示有效傳輸數據的字節數。 

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

2.5幀結構 

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

表2 標準幀結構

2.6傳輸協議 

    NFC傳輸協議包括三個過程：激活協議、數據交換、協議關閉。協議的激活包含屬性的申請和參數的選擇，激活的流程分為主動模式和被動模式兩種；數據交換協議的幀結構中，包頭包括兩個字節的數據交換請求與響應指令、一個字節的傳輸控制信息、一個字節的設備識別碼、一個字節的數據交換節點地址；協議關閉包含信道的拆線和設備的釋放。在數據交換完成后，主呼可以利用數據交換協議進行拆線。一旦拆線成功，主呼和被呼都回到了初始化狀態。主呼可以再次激活，但是被呼不再響應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。 

3  NFC與WPAN的比較 

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

    在IEEE802.15標準中，IEEE802.15.1子協議基于藍牙技術，頻帶2.4GHz，每條頻寬為1MHz，將2.4GHz頻段因所在區域不同劃分為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，以及加密保密技術，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子協議也被稱作超寬帶(UMB，UltraWideband)，使用電子脈沖作為數據傳輸的載波，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工作組負責高速UWB，目前主要包括兩大技術陣營：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；另外一個是以Motorola和Freescale為代表的直接序列UWB(DS-UWB)，采用傳統脈沖無線電方案。而IEEE802.15.4a負責低速UWB，在2005年3月的IEEE802全體會議WPAN標準化分會期間，達成了初步統一的技術方案。IEEE802.15.4a的目的是提供給低速率傳輸應用的無線個人區域網絡，該標準中定義了兩種不同的物理層技術：一種是超寬頻物理層（UWB-PHY,Ultra Wideband-Physics）技術，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；另一個技術是CSS(ChirpSpreadSpectrum)技術，操作在2450MHz未授權頻帶上，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，它的兩個物理層標準，分別對應于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，但它的優點是功耗很低，主要用于不要求傳輸速率的某些嵌入設備中。NFC與WPAN的比較如表3所示。 

表3 NFC與WPAN的比較

4   NFC技術的優點 

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

NFC技術的應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)，如把兩個內建NFC的裝置相連接，進行點對點數據傳輸，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設備，了解提供的是何種功能和服務。 

5   結束語  

    為使NFC成為一種開發性平臺技術，Philip和Sony聯合Nokia等一起建立了NFC論壇，力推NFC技術應用和標準。值得關注的是我國正在制定自己的RFID標準，NFC技術是否被完全兼容并得到中國的認可對消費者相當重要。