近場通信技術(shù)拓展電信智能卡應用

文章出處：http://www.fang1.net 作者：許海翔 伏京生 翟巍 白璐 高博   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月23日

　　近來，近場通信(NFC)技術(shù)應用在世界范圍內(nèi)受到了廣泛關(guān)注，國內(nèi)外的電信運營商、手機廠商等不同角色紛紛開展應用試點，一些國際性協(xié)會組織也積極進行標準化促進工作。據(jù)業(yè)內(nèi)相關(guān)機構(gòu)預測，基于近場通信技術(shù)的手機應用將會成為移動增值業(yè)務的下一個殺手級應用。

什么是近場通信

1 近場通信(NFC)技術(shù)

　　近場通信（Near Field Communication，NFC），是由非接觸式射頻識別(RFID)及互連互通技術(shù)整合演變而來，通過在單一芯片上集成感應式讀卡器、感應式卡片和點對點通信的功能，利用移動終端實現(xiàn)移動支付、電子票務、門禁、移動身份識別、防偽等應用。

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

2 電信智能卡

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

　　根據(jù)應用的行業(yè)來劃分，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。目前我國電信行業(yè)總發(fā)卡量已超過20多億張，占我國IC卡發(fā)行總量的75%左右。2006年中國聯(lián)通電信智能卡發(fā)行量超過了 1.27億張，中國移動發(fā)行量約4億張。

　　電信智能卡最初的定位僅僅是承擔手機登錄網(wǎng)絡時的鑒權(quán)認證，通常稱為SIM卡或UIM卡。隨著移動通信技術(shù)和增值業(yè)務技術(shù)的發(fā)展，電信智能卡已經(jīng)發(fā)展成為了運營商快速開展增值業(yè)務的強大平臺。

近場通信技術(shù)及應用

1 近場通信技術(shù)研究進展

　　 從目前情況看，近場通信相關(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，由一個微處理器芯片和一個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)生的電磁場提供能量，通過射頻方式實現(xiàn)能量供應和數(shù)據(jù)傳輸。接觸界面完全兼容接觸式卡片應用系統(tǒng)和讀寫機具。

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

● NFC

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

　　NFC方案可以實現(xiàn)卡模擬、閱讀器模擬、點對點通信三種應用模式，例如支付類應用、票務應用、防偽、廣告、數(shù)據(jù)同步等。

● eNFC

　　eNFC是手機和智能卡相融合的實現(xiàn)方式，將非接觸式IC卡應用放在(U)SIM卡中，NFC芯片通過單線通信協(xié)議與(U)SIM卡通信，更加符合機卡分離的技術(shù)特點。原有的移動通信應用與非接觸式IC卡等增值應用由統(tǒng)一的單芯片管理，使得移動運營商可更加安全、簡便、有力的對(U)SIM卡以及其中的增值應用進行發(fā)行、管理和控制，因此受到多數(shù)運營商的青睞。

2 技術(shù)標準化

　　NFC由Philips、Sony兩家公司提出后，在2003年12月8日通過ISO/IEC（International Organization for Standardization/International Electrotechnical Commission）機構(gòu)的審核而成為國際標準，并在2004年3月18日由ECMA（European Computer Manufacturers Association）認定為歐洲標準。目前已通過的標準編列有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)建了一個非營利性的行業(yè)協(xié)會——NFC 論壇，旨在促進NFC技術(shù)的實施和標準化，確保設備和服務之間協(xié)同合作。目前，NFC論壇在全球擁有超過100多個成員，其中包括我國的復旦微電子和清華同方微電子。

　　2006年8月，NFC論壇正式對外發(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現(xiàn)方向，同時也使NFC技術(shù)與手機的結(jié)合取得重要進展。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的一些標準沒有被確定，自2006年11月USB組織對SIM卡和手機基帶間的高速接口進行投票以來，手機中SIM卡與NFC芯片連接的接口標準已經(jīng)拖延了相當長的時間。國際標準化組織在專注于NFC接口方面的工作，目前仍在進行中。

3 應用模式及國內(nèi)外案例

　　近場通信業(yè)務支持卡模擬、閱讀器模擬，點對點通信三種應用模式。 

    卡模擬：銀行卡、積分卡、各類儲值卡、身份識別、門禁、行業(yè)卡等應用；
    閱讀器模式：進行讀取標簽廣告、防偽等應用；
    點對點通信模式：提供兩個NFC設備之間數(shù)據(jù)傳輸、游戲等服務。 

　　 近幾年時間里，國內(nèi)外進行了很多有關(guān)NFC技術(shù)應用的試驗，為技術(shù)改進和應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卡式手機錢包業(yè)務，希望用手機錢包逐步替代人們在錢包中放置的所有物品。 

    韓國SK Telecom公司推出的基于非接觸IC卡技術(shù)的MONETA業(yè)務，利用手機與銀行信用卡結(jié)合，使用戶使用手機進行現(xiàn)場支付業(yè)務。 

    諾基亞推出了新款6131近場通信手機，并進行了關(guān)于電子錢包、公交應用、數(shù)據(jù)業(yè)務下載等應用的試驗；美國銀行試點利用手機提供萬事達卡PayPass應用；法國巴黎公交與地鐵系統(tǒng)采用近場通信技術(shù)，實現(xiàn)了手機購買車票與扣費乘車，并推出了商用版本的SAGEM非接觸手機終端和相應的SIM卡；從歐洲到北美近場通信應用已經(jīng)從試點工作逐步走向試商用。 

    2006年6月諾基亞、廈門移動、廈門易通卡公司、菲利浦公司共同在廈門啟動中國首個近距離通信手機支付現(xiàn)場試驗。使用Nokia3220手機實現(xiàn)廈門易通卡覆蓋的公交汽車、輪渡、餐廳、電影院、便利店等營業(yè)網(wǎng)點的手機支付。 

    2007年3月13日正式在上海推出了移動認證業(yè)務，這個業(yè)務由諾基亞公司和上海質(zhì)監(jiān)、上海消防聯(lián)合實施。執(zhí)法人員只需持定制防偽應用的近場通信手機，即可隨時隨地讀取煙花爆竹所貼電子標簽的全球唯一識別碼，并實時上傳至防偽服務器與數(shù)據(jù)庫校驗。 

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

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

基于電信智能卡的近場通信技術(shù)探索

1 技術(shù)方案特點

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

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

    多協(xié)議支持：手機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：即使在手機關(guān)機或者電池用盡的情況下，SIM卡中的非接觸應用仍然可以正常工作。對于公共交通及小額支付，這是一個非常必要的功能。 

    多應用支持：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準創(chuàng)建多個獨立的安全域，以存儲多種完全不同的應用，例如移動通信、公共交通、電子錢包、票務應用、門禁等。 

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

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

    開放的解決方案：相關(guān)的技術(shù)規(guī)范均已開放并提交至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準的ISO 15693, ISO 14443-A/B、ISO 18092協(xié)議；支持讀卡器、卡片模擬以及點對點數(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 卡上交易應用的安全性以及交易應用的空中下載，按照Global Platform要求實現(xiàn)SIM卡的應用管理架構(gòu)。為保證應用提供商及可信任的第三方能夠獨立開發(fā)交易應用，SIM卡應同時支持Java卡標準，以保證卡片及應用的互操作性。同時支持單線通信協(xié)議實現(xiàn)與eNFC芯片之間的通信，也必須兼容ISO 7816接口保證SIM卡原有移動通信業(yè)務的正常使用，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

手機終端

　　手機終端硬件上，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，實現(xiàn)BIP協(xié)議以支持SIM卡通過TCP/IP通道與遠端服務器進行通信。SAGEM此類手機終端已經(jīng)在巴黎地鐵的試點項目應用。 

圖2 手機終端硬件結(jié)構(gòu)圖 

3 重要技術(shù)問題研究

（1）NFC控制芯片與SIM卡通信協(xié)議

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

　　eNFC芯片組：eNFC芯片組與天線一起被設計在手機中，起到一個調(diào)制解調(diào)器的作用。它主要用來處理射頻RF協(xié)議本身，將射頻信號轉(zhuǎn)換為幀信號從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轉(zhuǎn)換為射頻信號。

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

　　單線協(xié)議本身是一個全雙工的通信協(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） 應用安全機制

　　整個系統(tǒng)及業(yè)務流程遵循GP標準，以滿足應用各方對安全性的要求。根據(jù)GP標準，卡片內(nèi)存被分隔為若干獨立的安全域，分為如下兩種類型。

    卡片發(fā)行者安全域：負責卡片管理功能，控制其他安全域的生命周期，由卡片發(fā)行者（通常是運營商）掌控；
    應用提供方安全域：應用提供方可以在自己控制的安全域內(nèi)下載及安裝新的應用。另外，相關(guān)各技術(shù)環(huán)節(jié)對應用安全也有保障。
    SIM/UIM卡：按照GP標準實現(xiàn)卡片的應用管理構(gòu)架，保證卡片上交易的安全性以及應用能夠安全的通過空中下載；
    受理終端(POS)：受理終端需根據(jù)應用發(fā)行方的密鑰管理體系、技術(shù)規(guī)范、業(yè)務流程要求進行定制；
    應用發(fā)行系統(tǒng)：系統(tǒng)設計符合GP標準，分為卡片發(fā)行方、應用發(fā)行方系統(tǒng)，采用完全分離的密鑰體系，各自獨立管理；
    手機終端：只作為透明的傳輸通道，不存儲任何與應用發(fā)行、電子錢包消費、充值過程相關(guān)的密鑰、證書，降低被破解風險。 

（3）匱電工作模式

　　公交、門禁等典型應用均要求支持匱電工作模式，此時能量主要是由線圈感應獲得，相對有限。低能量會導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，有效利用手機的殘留電量達到匱電工作狀態(tài)下的良好的射頻性能。

應用前景展望

　　電信智能卡未來必將會提供更大存儲容量、更高通信速率、更強計算能力以及更加完善的身份鑒權(quán)體系?；谝陨系募夹g(shù)保障，電信智能卡將會成為一個支持多任務、多應用的業(yè)務平臺。作為其中一類重要的應用，近場通信技術(shù)應用將改變移動運營商、手機廠商、智能卡廠商、系統(tǒng)供應商、應用提供商之間合作的方式，建立新的業(yè)務模式與贏利機會，進一步提高用戶消費行為的電子化程度，從而成為移動通信行業(yè)增值業(yè)務新的增長點。

作者簡介：中國聯(lián)合通信有限公司 許海翔 伏京生 聯(lián)通華建網(wǎng)絡有限公司 翟巍 白璐 高博