摘 要
近距離通信技術(shù)在手機上的應用為運營(yíng)商和銀行擴展了業(yè)務(wù)，也方便了消費者和商家。從近距離通信的特點(diǎn)出發(fā)，介紹了國內外的相關(guān)應用現狀，結合實(shí)例，給出了NFC在手機上的應用形式。分析了NFC和RFID的聯(lián)系，并與Wibree、ZigBee等六種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)作了比較，顯示出NFC非接觸式移動(dòng)支付應用具有成本低、功耗低、安全性好的優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：近距離通信 RFID Wibree eNFC SIM
0 引言
隨著(zhù)手機的快速普及，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )支持的上下行數據速率不斷提高，新的應用尤其是數據業(yè)務(wù)方面的應用不斷涌現，手機成為人們身邊不可缺少的信息終端。越來(lái)越多的人用手機代替手表、記事本、MP3，是否有一天我們的錢(qián)包和鑰匙也會(huì )讓位于手機，使我們的生活更加方便，更加安全呢？
近距離通信NFC（Near FieldCommunication）技術(shù)將讓這一切變?yōu)楝F實(shí)。2006年6月，諾基亞和中國移動(dòng)、飛利浦、易通卡公司在廈門(mén)啟動(dòng)了中國首個(gè)NFC手機支付試驗[1]。用戶(hù)使用內嵌NFC模塊的諾基亞3220手機，可在廈門(mén)市任何一個(gè)易通卡覆蓋的營(yíng)業(yè)網(wǎng)點(diǎn)（公交汽車(chē)、輪渡、電影院、快餐店）進(jìn)行手機支付。
不僅如此，在不久的將來(lái)，通過(guò)手機和NFC技術(shù)的結合，用戶(hù)僅僅通過(guò)手機就可以實(shí)現以下應用：在街邊海報上和雜志上下載演唱會(huì )時(shí)間地點(diǎn)和節目表；在公園里玩互動(dòng)的定向越野游戲[2]；在車(chē)站實(shí)時(shí)刷新公交車(chē)的到站時(shí)間；在辦公室發(fā)送短信控制家政服務(wù)員進(jìn)出住宅的時(shí)間[3]；在學(xué)校全面代替現有學(xué)生證和學(xué)生卡；在遍布市區的智能公用電話(huà)亭查詢(xún)地圖、公交線(xiàn)路、餐飲購物等信息；在加油站、超市、銀行任何有POS機的地方支付款項并用手機收取電子發(fā)票。
1 技術(shù)簡(jiǎn)介
NFC是在無(wú)線(xiàn)射頻識別(RFID)和互聯(lián)技術(shù)的基礎上融合演變而來(lái)的新技術(shù)，是一種短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)標準。它在單一芯片上集成了非接觸式讀卡器、非接觸式智能卡和點(diǎn)對點(diǎn)的功能，運行在13.56MHz的頻率范圍內，能在大約10cm范圍內建立設備之間的連接，傳輸速率可為106kbit/s、212kbit/s、424kbit/s，未來(lái)可提高到848kbit/s以上[4]。NFC終端有三種工作模式：（1）主動(dòng)模式下，NFC終端作為一個(gè)讀卡器，主動(dòng)發(fā)出自己的射頻場(chǎng)去識別和讀/寫(xiě)別的NFC設備；(2)被動(dòng)模式下，NFC終端可以模擬成一個(gè)卡被讀/寫(xiě)，它只在其他設備發(fā)出的射頻場(chǎng)中被動(dòng)響應；（3）雙向模式下，雙方都主動(dòng)發(fā)出射頻場(chǎng)來(lái)建立點(diǎn)對點(diǎn)的通信。
NFC用于在短距離范圍內快速建立各種設備之間的無(wú)線(xiàn)通信，可作為一種虛擬連接器，它可以滿(mǎn)足任何兩個(gè)無(wú)線(xiàn)設備間的數據交換。它還能通過(guò)初始化設備原有的藍牙和802.11等無(wú)線(xiàn)協(xié)議，使設備能在更遠距離上通信或以更高速率傳輸數據。所以除了信息傳輸之外，NFC設備可以在聯(lián)網(wǎng)世界中作為一個(gè)安全的網(wǎng)關(guān)，讓用戶(hù)無(wú)論在家中或移動(dòng)中，都能隨時(shí)儲存或接收各種信息。只要將兩個(gè)NFC設備靠攏，它們便會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )通信功能，用戶(hù)無(wú)需另行設定安裝程序，從而實(shí)現前述的非接觸式移動(dòng)支付、身份識別等電子錢(qián)包和身份證功能。
NFC技術(shù)符合國際標準化組織的ISO18092、ISO21481標準，兼容無(wú)線(xiàn)智能卡ISO14443標準，符合歐洲計算機協(xié)會(huì )的EMCA-340、352和356標準[5]。NFC兼容非接觸式智能卡領(lǐng)域的兩強——飛利浦的MIFARE技術(shù)和索尼的FeliCa技術(shù)，基于前者的智能卡已部署約12億片，后者也已部署約1.7億片。這使NFC技術(shù)充分具備了未來(lái)近距離無(wú)線(xiàn)互連設備所應有的低功率、低價(jià)格、兼容性的特點(diǎn)，而使NFC成為近距離無(wú)線(xiàn)互連領(lǐng)域一種極富競爭力的技術(shù)。
2 應用分類(lèi)和現狀
2.1 應用分類(lèi)
NFC 技術(shù)的應用可分為五類(lèi)[6]：
（1）接觸通過(guò)（Touch and Go），如門(mén)禁管理、車(chē)票和門(mén)票等，用戶(hù)將儲存著(zhù)票證或門(mén)控密碼的設備靠近讀卡器即可，也可用于物流管理。
（2）接觸支付（Touch and Pay），如非接觸式移動(dòng)支付，用戶(hù)將設備靠近嵌有NFC模塊的POS機可進(jìn)行支付，并確認交易。
（3）接觸連接（Touch and Connect），如把兩個(gè)NFC設備相連接（如圖1中手機和筆記本電腦），進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)（Peer-to-Peer）數據傳輸，例如下載音樂(lè )、圖片互傳和交換通訊錄等[7]。
圖1 手機和筆記本電腦的NFC點(diǎn)對點(diǎn)通信
（4）接觸瀏覽（Touch and Explore），用戶(hù)可將NFC手機接靠近街頭有NFC功能的智能公用電話(huà)或海報，來(lái)瀏覽交通信息等。
（5）下載接觸（Load and Touch），用戶(hù)可通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )接收或下載信息，用于支付或門(mén)禁等功能，如前述，用戶(hù)可發(fā)送特定格式的短信至家政服務(wù)員的手機來(lái)控制家政服務(wù)員進(jìn)出住宅的權限。
2.2 國內外的應用現狀
諾基亞、飛利浦和索尼于2004年創(chuàng )建的非贏(yíng)利性行業(yè)協(xié)會(huì )——NFC論壇，目前的贊助會(huì )員已有三星、微軟、Visa等11個(gè)，而其各類(lèi)會(huì )員總數已超過(guò)100個(gè)，這里集中了全球領(lǐng)先的運營(yíng)商、手機廠(chǎng)商、芯片廠(chǎng)商、智能卡生產(chǎn)商、銀行和信用卡組織[8]（見(jiàn)表1）。
表1 全球部分NFC手機測試項目
在日本，自2004年7月NTTDoCoMo推出了基于Felica技術(shù)的手機錢(qián)包業(yè)務(wù)以來(lái)，其用戶(hù)群已經(jīng)可以用“龐大”來(lái)形容了，支持Felica的POS機在日本街頭已隨處可見(jiàn)。經(jīng)過(guò)幾次升級，Felica手機已被廣泛應用于交易、身份識別、門(mén)禁管理等方面。巨大的交易額促使NTTDoCoMo通過(guò)收購三井住友信用卡公司34％股份建立了金融服務(wù)部門(mén)[4]。在中國香港地區，Felica技術(shù)被用于具有電子錢(qián)包和身份識別功能的“八達通”卡上[9]，該卡的發(fā)行量也已達千萬(wàn)級。Felica技術(shù)在新加坡也得到了廣泛應用。
在歐盟，由歐盟委員會(huì )和信息社會(huì )技術(shù)（IST）項目共同投資，摩托羅拉等多家公司及布達佩斯理工等大學(xué)共同參與的StoLPaN（Store Logistics and Payment withNFC）項目[10]，也計劃于2007年夏季發(fā)布第一版技術(shù)規范和應用程序，并演示NFC在交通和封閉式支付系統中的應用情況。該項目旨在為基于NFC的服務(wù)開(kāi)發(fā)一個(gè)開(kāi)放式的商用和技術(shù)構架，推動(dòng)基于NFC的移動(dòng)應用在眾多行業(yè)中的部署。
3 與其他無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的比較
NFC源于RFID技術(shù)，但又不同于RFID。NFC采用了雙向識別和連接，通信各方不存在固定的主從關(guān)系，通信可以由任意一個(gè)NFC設備發(fā)起。紅外通信要求設備在30°錐角以?xún)惹也荒芤苿?dòng),而作為一種面向消費者的支付技術(shù)，NFC比紅外更快，操作也更簡(jiǎn)單。與藍牙相比，NFC面向近距離交易，適用于交換財務(wù)信息或敏感的個(gè)人信息等重要數據；藍牙適用于較長(cháng)距離數據通信，能夠彌補NFC通信距離的不足。NFC和藍牙可以互為補充，共同存在。同時(shí)，非常近的通信距離也使NFC具有了天然的安全保障。ZigBee更適合用于擁有大量無(wú)線(xiàn)傳感器和控制操作的工業(yè)控制領(lǐng)域[11]，而Wi-Fi顯然更適于小型辦公場(chǎng)所和家庭網(wǎng)絡(luò )（見(jiàn)表2）。
表2 NFC與六種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的比較
就成本而言，NFC的成本較低，飛利浦承諾，每個(gè)芯片的成本約在2美元左右[9]。而藍牙、Wi-Fi和ZigBee的系統成本則遠遠比NFC的高。
總體來(lái)看，作為一種面向近距離交易的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，NFC的優(yōu)勢明顯，功耗極低、成本低、安全性好，其速率基本能滿(mǎn)足設備之間信息交換的需求。同時(shí)，對于視頻流等需要較高帶寬的應用，也可以配合藍牙、Wi-Fi等技術(shù)，提供方便的自動(dòng)接入功能。
4 非接觸式移動(dòng)支付的幾種應用方案
目前，基于手機的非接觸式移動(dòng)支付應用有三種主流方案：飛利浦、索尼和諾基亞等廠(chǎng)家提出的基于手機的NFC方案、芯片廠(chǎng)商Inside公司提出的eNFC方案和雙界面智能卡方案。
4.1 主流方案
（1）NFC方案
該方案中NFC功能芯片和天線(xiàn)與手機的其他部分及SIM卡相獨立，但NFC模塊與手機共用電池（見(jiàn)圖3）。電池有電時(shí)，NFC模塊可在主動(dòng)、被動(dòng)和雙向三種模式下工作；電池斷電時(shí)，只能在被動(dòng)模式下工作，相當于普通的一卡通。手機開(kāi)關(guān)機對NFC模塊無(wú)影響，即在手機關(guān)機時(shí)也可使用NFC功能。實(shí)現方式有兩種：一是定制手機，將天線(xiàn)集成在手機電池或主板上，使NFC應用與手機融為一體，工作穩定可靠，但需更換手機；二是將天線(xiàn)與NFC芯片直接相連，然后與電池緊貼放在電池和手機后蓋之間，用戶(hù)不需更換手機，前述的廈門(mén)測試項目就采用了此種方式，如圖2。此方案的不足在于，天線(xiàn)連接的可靠性不高；此外對手機的內部尺寸有特殊要求，增加天線(xiàn)之后影響了手機的便攜性。
此方案的NFC模塊不能和手機的處理器或SIM卡通信，用戶(hù)和電信運營(yíng)商無(wú)法通過(guò)手機控制NFC模塊。這會(huì )造成信用卡發(fā)行商和手機制造商單獨接觸，完全脫離電信運營(yíng)商的市場(chǎng)格局。另一方面，若要將NFC模塊收發(fā)的信息與蜂窩網(wǎng)絡(luò )聯(lián)系起來(lái)，須在NFC模塊和手機基帶芯片間建立接口，且各層的設計都必須繞開(kāi)運營(yíng)商的控制，也無(wú)法直接讀寫(xiě)SIM卡，軟硬件設計將變得非常復雜。
此方案的優(yōu)點(diǎn)是對不同技術(shù)、不同信用卡發(fā)行商的卡兼容性好，在全球已有很多案例，應用技術(shù)也比較成熟，比較適合試點(diǎn)期的項目。
圖2 廈門(mén)測試中的諾基亞3220
圖3 NFC方案示意圖
(2) eNFC方案
此方案又稱(chēng)為手機和SIM卡的融合方案[3]，分離了應用層和底層功能，把NFC應用放在SIM卡中，把NFC功能芯片放在手機中（如圖4）以解決兼容性問(wèn)題。由于SIM卡容量較大，可將重要信息(如信用卡賬號、員工卡號)存儲在SIM卡中，且SIM卡存儲的安全性更高，對SIM卡只需增加一個(gè)管腳。用戶(hù)更換SIM卡時(shí)，可以帶走現有的交易數據，實(shí)現徹底的機卡分離。
此方案可簡(jiǎn)化NFC模塊和手機間的通信結構，使NFC的網(wǎng)絡(luò )應用更為流暢，也使電信運營(yíng)商和信用卡發(fā)行商共同加入到市場(chǎng)中來(lái)。缺點(diǎn)是NFC模塊和SIM卡間需要高速傳輸，保證實(shí)時(shí)性和操作的快捷，但這種通信協(xié)議目前尚未標準化。表1中法國巴黎交通系統采用了此種方案。
圖4 eNFC方案示意圖
圖5 雙界面智能卡方案示意圖
(3)雙界面智能卡方案
該方案基于一種雙界面智能SIM卡，支持非接觸式應用，同時(shí)也可實(shí)現普通手機SIM卡的功能，在接聽(tīng)撥打電話(huà)、收發(fā)短信時(shí)不影響非接觸式操作（見(jiàn)圖5）。兩種實(shí)現方式與NFC方案基本相同：一是定制手機；二是將天線(xiàn)與SIM卡直接相連后放在電池和手機后蓋之間，這樣可只更換SIM卡，降低成本，缺點(diǎn)也是天線(xiàn)連接的可靠性低、對手機尺寸要求高等。該方案占用了C4和C8接口，而這兩個(gè)接口是用于高速數據下載的，可能會(huì )影響到未來(lái)高速空中下載應用。
此方案基于智能卡技術(shù)，技術(shù)標準和規范都已成型；對于運營(yíng)商來(lái)說(shuō)項目啟動(dòng)較快，成本低。由于SIM卡只能由運營(yíng)商發(fā)行，因此該方案對運營(yíng)商更為有利。目前，湖南移動(dòng)正在對該方案進(jìn)行內部測試[12]。
4.2 過(guò)渡方案
另外，鑒于目前非接觸式移動(dòng)支付尚處在起步階段，標準的統一和用戶(hù)對服務(wù)的接受都還需要一段時(shí)間，因此兩種過(guò)渡性方案也值得考慮:
（1）RFID模塊＋獨立RFID卡
該方案中，RFID卡是獨立于手機之外的單獨一張卡片，與現用的各種RFID卡相同，無(wú)需更換。RFID模塊是專(zhuān)用的RFID讀寫(xiě)模塊[13]，內置在手機中，如圖6,與NFC方案中的形式相同，共用電池、天線(xiàn)內置且不能與手機SIM卡通信。獨立的RFID卡可像普通卡一樣使用，也可接受該讀寫(xiě)模塊的操作，讀寫(xiě)模塊主要作用是查詢(xún)卡上余額，未來(lái)可擴展至充值操作等。
該方案優(yōu)點(diǎn)是獨立的RFID卡使得公交車(chē)、商店等處現有的讀卡器基本不需更換，簡(jiǎn)化的專(zhuān)用讀寫(xiě)模塊也使得系統成本較低。不足之處在于讀寫(xiě)模塊的功能有限，且與NFC方案一樣開(kāi)展網(wǎng)絡(luò )應用極為復雜；且用戶(hù)消費時(shí)需攜帶手機和RFID卡。
圖6 RFID模塊+獨立RFID卡示意圖
圖7 藍牙+NFC示意圖
（2）藍牙＋NFC
該方案的核心是藍牙轉換器，內部包含藍牙和NFC模塊，模塊間可用RS232接口連接[14]。使用時(shí)，手機先通過(guò)藍牙與轉換器連接，轉換器內部將消息轉換格式并發(fā)送給NFC模塊，再由NFC模塊與具有NFC功能的POS機連接，如圖7。
該方案適用于初期大多數手機有藍牙而無(wú)NFC功能的情況，轉換器可集成在POS機中，這樣具有藍牙或NFC功能的手機都可進(jìn)行支付且不用攜帶卡片。由于藍牙模塊成本相對較高，還要和NFC模塊集成，增加了POS機的成本，不利于廣泛部署；藍牙通信和轉換器模塊間通信的安全性也比NFC模式低。
5 存在的問(wèn)題
圍繞NFC應用的商業(yè)部署，最重要、最復雜的問(wèn)題是要建立一個(gè)各方可分享利益的NFC生態(tài)系統，其中最微妙的是電信運營(yíng)商和信用卡發(fā)行商的關(guān)系。一方面，運營(yíng)商和發(fā)行商都可以單獨和設備商接觸，形成一個(gè)排他性的NFC服務(wù)網(wǎng)絡(luò )，通吃市場(chǎng)；另一方面，運營(yíng)商和發(fā)行商的合作又可以擴展業(yè)務(wù)，吸引更多用戶(hù)，NTTDoCoMo注資三井住友信用卡公司的案例已經(jīng)顯示了在日本兩大產(chǎn)業(yè)的合作趨勢。在我國，運營(yíng)商單獨建網(wǎng)會(huì )受到金融業(yè)務(wù)準入的限制；發(fā)行商單獨建網(wǎng)，無(wú)法使用電信網(wǎng)絡(luò )，服務(wù)受到很大限制。雙方的合作，又存在市場(chǎng)主導權、監管控制權、對用戶(hù)的控制、電信業(yè)和金融業(yè)能否相互滲透及滲透的深度等諸多因素的影響。這些都有待技術(shù)和市場(chǎng)的進(jìn)一步發(fā)展來(lái)解決。
具有NFC功能的手機安全性更好，用戶(hù)可根據需求，在使用時(shí)通過(guò)密碼開(kāi)啟支付功能，使用結束后及時(shí)關(guān)閉。手機一旦丟失，只要設定有密碼，別人將無(wú)法使用。用戶(hù)還可為門(mén)禁等各種功能設定不同的密碼，但用戶(hù)在消費時(shí)也要防止被人偷窺到密碼。
此外，還有下述一些問(wèn)題值得注意。
(1) 掛失
由于輸入密碼需要花費較多時(shí)間，尤其是在頻繁使用時(shí)更是麻煩，所以目前大多數用戶(hù)都未給手機設置開(kāi)機、短信、上網(wǎng)、長(cháng)途電話(huà)等多重密碼。因此用戶(hù)也會(huì )因為麻煩而不對NFC手機設置消費、門(mén)禁等多重密碼，這就導致手機丟失時(shí)，運營(yíng)商有必要對手機掛失。但在手機斷電或關(guān)機時(shí)，運營(yíng)商無(wú)法通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )掛失，而此時(shí)手機還具有NFC被動(dòng)模式下的消費和門(mén)禁等功能，這就要求在有線(xiàn)的POS機網(wǎng)絡(luò )中對手機的NFC模塊掛失，使POS機拒絕其服務(wù)請求。由此帶來(lái)的問(wèn)題是，家庭或辦公室的門(mén)禁機是否也需要接入有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )？若不接入，如何識別手機已丟失；若接入，如何防止攻擊者通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )對門(mén)禁非法控制。即便用戶(hù)為門(mén)禁設置密碼，也要面對手機關(guān)機或斷電時(shí)無(wú)法開(kāi)門(mén)的難題。
（2）病毒和木馬
在手機智能化的今天，用戶(hù)已能為手機安裝各種軟件，也可安裝第三方開(kāi)發(fā)的軟件來(lái)擴展NFC的應用。而這些軟件、甚至短信或WAP網(wǎng)頁(yè)都有可能隱藏著(zhù)病毒和木馬程序，如何防止手機中的個(gè)人信息和資金被非法程序竊取，或NFC功能受到非法程序的控制也是尚需深入研究的問(wèn)題。
（3）非法的POS機
如何防止攻擊者利用帶有偽裝的非法POS機或嵌有芯片的海報等，對手機進(jìn)行非法讀寫(xiě)操作也需要研究。
（4）虛擬貨幣
當移動(dòng)支付得到普及時(shí)，將不再僅限于“小額”，用戶(hù)從支取工資，到進(jìn)行各種消費都將極大地依賴(lài)于虛擬貨幣（電子貨幣），市場(chǎng)上流通的實(shí)物貨幣量將大大減少。政府部門(mén)如何對這些電子交易和虛擬貨幣進(jìn)行有效的政策和法律監管也是有待深入研究的問(wèn)題。
6 市場(chǎng)前景
市場(chǎng)研究公司ABI預測，到2009年，全球50％的新增手機將具備N(xiāo)FC功能；2010年NFC手機發(fā)貨量將達到5億部，終端問(wèn)題將不會(huì )制約NFC的發(fā)展；由此帶來(lái)的手機支付交易額將達10.8億美元[4]。另一家研究公司StrategyAnalytics對其市場(chǎng)前景更加看好，它認為，由于受到領(lǐng)先信用卡發(fā)行商及手機制造商的推動(dòng)，到2011年，非接觸式移動(dòng)支付將促成全球消費者360多億美元的花費。隨著(zhù)全球多個(gè)國家智能身份證、護照的更換和EMV遷移(將現有的磁條信用卡更換為帶有芯片的智能卡等)的進(jìn)行，會(huì )有大量的新用戶(hù)體驗到非接觸式移動(dòng)應用，而進(jìn)一步加快市場(chǎng)的發(fā)展。
在國內，咨詢(xún)公司AC尼爾森2006年在我國進(jìn)行的調查顯示，80％以上消費者希望將公交卡、銀行卡等支付工具集成到手機上。隨著(zhù)測試項目的推廣，NFC業(yè)務(wù)將成為我國手機應用服務(wù)的一個(gè)快速增長(cháng)點(diǎn)。市場(chǎng)研究公司易觀(guān)國際預計，2009年我國手機支付市場(chǎng)規模將達到19.74億元。
此外，為體現科技奧運的精神，國家有關(guān)部門(mén)要求在2008年奧運會(huì )時(shí)，能在一定范圍內實(shí)現非接觸式移動(dòng)支付，這一任務(wù)交給了中國移動(dòng)。中國移動(dòng)已經(jīng)和中國銀聯(lián)合資成立了聯(lián)動(dòng)優(yōu)勢科技公司以應對這一高速發(fā)展的市場(chǎng)。
7 結論
隨著(zhù)手機的普及和3G時(shí)代移動(dòng)新業(yè)務(wù)的開(kāi)展，非接觸式移動(dòng)支付將成為一種趨勢。在這種趨勢下，圍繞產(chǎn)業(yè)鏈形成的各利益方將會(huì )在技術(shù)和市場(chǎng)的合力推動(dòng)下逐漸形成一種平衡的生態(tài)系統。從長(cháng)遠來(lái)看，非接觸式移動(dòng)支付技術(shù)必須支持流暢的網(wǎng)絡(luò )應用和點(diǎn)對點(diǎn)通信，目前幾乎所有技術(shù)都將向這個(gè)方向過(guò)渡。
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