NFC的基础知识

1 背景简介

20世纪90年代，RFID在民用产品上被广泛应用。但由于缺乏标准，不同企业使用的RFID产品的频率、编码、存储规则和数据内容等不尽相同，阅读器和标签不能通用，企业之间无法进行数据与协同工作。

非接触卡市场份额被Philip和Sony两家公司把持。Philip主导的Mifare最后成为ISO 14443-A标准（即Type-A或NFC-A）；Sony主导的Feilica JIS X6319-4（由幸福felicity和卡card组成）（即Type-F或NFC-F）未成ISO标准，主要在日本使用；Motorola主导而后成为ISO 14443-B标准（即Type-B或NFC-B）的应用不如Mifare和Felica广泛。

由于标准不统一，阻碍了市场发展。2003年，Philip和Sony两家公司基于ISO/IEC 14443（非接触式IC卡标准）协议，研发出的一种短距离无线通信协议，取名为NFC(Near Field Communication)。该技术融合了Mifare和Felica，增加了点对点（Peer to Peer，P2P）通信。

2004年Philip、Sony和Nokia公司牵头成立了NFC Forum，负责开发NFC标准和互操作性协议，致力于推广NFC技术和商业应用。

2006年6月27日，Nokia携手福建移动、厦门易卡通和Philip，在厦门进行中国首个NFC手机支付试验。后与银联合作在上海进行全球范围内首个NFC空中下载试验。

Google从Android 2.3开始支持NFC功能，其力推的Nexus S手机使用了NXP NFC PN544芯片。2011年推出的Google Wallet不仅支持信用卡，还支持购物卡、礼品卡等。

另外，我国移动支付标准围绕中国银联主导的13.56MHz和中国移动主导的2.4GHz展开后，2012年底中国人民银行正式发布**《中国金融移动支付技术标准》**，明确现阶段NFC(13.56MHz射频通信技术)成为金融行业非接触式近场移动支付的标准，并支持将SE(Secure Element 安全模块)存储在SIM卡中的NFC-SIM(SWP-SIM)卡方案。

2 定义，分类，与RFID的区别

2.1 NFC的定义

NFC（Near Field Communication，近场通信）是一种基于RFID技术的短距离非接触式的射频通信技术。工作频率为13.56±7MHz，通信速率有106Kbps、212Kbps、424Kbps或848Kbps，通信距离为0 - 20CM（通常有效通信距离为4CM以内）；能够以卡模拟（Card Emulation），读写器（Reader / Writer）和点对点通信（Peer to Peer Communication）三种工作模式，实现移动支付、电子票务、智能广告和信息交换等业务。

2.2 NFC的分类

1 按工作模式分，有卡模拟、读写器和点对点通信三种。

(1)卡模拟模式下的NFC终端，相当于传统的银行卡、公交卡和门禁卡等IC卡，只需将该NFC终端靠近带NFC功能的POS机/公交刷卡机/门禁设备，就可以完成移动支付交易或进入权限。

(2)读写器模式下的NFC终端，能够读写传统IC卡和NFC标签，及工作在卡模拟模式下的NFC终端上的内容。

(3)点对点通信模式下的两个NFC终端，能够完成信息交换；如基于Android Beam应用的两个手机碰触，即可完成网页、图片或联系人等信息的交换。

2 按通信方式（调制模式）分，有被动通信（被动负载调制，Passive Load Modulation，PLM）和主动通信（主动负载调制，Active Load Modulation，ALM）。

(1)被动通信方式，指NFC通信所需的射频场，由通信的发起方(Initiator) NFC终端产生，选择106Kbps、212Kbps、424Kbps或848Kbps传输速率，发起通信请求。而目标方(Target) NFC终端从该射频场获取能量，并通过负载调制技术，以相同的传输速率，将数据发送到发起方。主要用于卡模拟和读写器模式中。

(2)主动通信方式，指NFC通信所需的射频场，由NFC终端双方交替产生，即双方在需要通信时产生自己的射频场，另一方处于帧听模式，这就要求双方都是有源设备。主要用于点对点通信模式下。

2.3 NFC与RFID的区别

NFC技术起源于RFID，但是与RFID相比有一定的区别，主要包括以下内容：

(1)工作频率：NFC的工作频率为13.56MHz，而RFID的工作频率有低频（125～134kHz），高频（13.56MHz），超高频（860～960MHz）及微波段频率（2.45GHz，5.8GHz）。

(2)工作距离：NFC的理论工作距离为0 - 20cm，但在产品实现上，由于采用了特殊功率控制技术，使其工作距离只有0 - 10cm，从而更好地保证业务的安全性。由于RFID具有不同的频率，其工作距离在几厘米到几十米不等。

(3)工作模式：NFC同时支持卡模拟、读写器和点对点通信。而在RFID中，非接触卡和读卡器是两个独立的实体，不能切换，当然也不支持点对点通信。

(4)应用领域：NFC主要应用在移动支付、公交卡和门禁卡等领域，而RFID集中在物流管理系统、停车管理系统、高速公路收费系统和资产管理等低成本应用上。

(5)协议标准：NFC的底层通信协议兼容高频RFID的底层通信协议，即兼容ISO 14443 / ISO 15693标准。NFC技术还定义了比较完整的上层协议，如LLCP，NDEF和RTD等。

综上，尽管NFC和RFID有区别，但是NFC起源于RFID，尤其是底层通信协议是完全兼容高频RFID技术的。因此在高频RFID技术的应用领域中，同样可以使用NFC技术。

3 NFC协议概述

3.1 NFC协议标准组织

(1) ISO ( International Organization for Standardization ) 国际标准化组织，全球性的非政府组织。

(2) ECMA ( European Computer Manufactures Association ) 欧洲计算机制造商协会，研究通信技术标准。

(3) JIS ( Japanese Industrial Standards ) 日本工业标准，日本最权威的标准。

(4) ETSI ( European Telecommunications Standards Institute ) 欧洲电信标准化协会，非营利性电信标准化组织。

3.2 NFC协议标准的演进

(1) ISO 14443是近场耦合集成电路卡(Proximity Integrated Circuit Card, PICC)标准，有两种：ISO 14443A ( Type-A, NFC-A )即Philip Mifare系列产品；ISO 14443B ( Type-B, NFC-B )是Motorola等公司主导的产品。

(2) ISO 15693是RFID非接触式IC卡(Vicinity Integrated Circuit Card, VICC)标准，定义了工作在13.56MHz±7KHz频率下智能标签和读写器的空气接口及数据通信规范。其通信距离比ISO 14443远，但应用较少，主要有个人身份识别、会议签到、图书馆管理、门禁控制、物品跟踪/防伪、仓储物流等领域。

(3) JIS X6319-4 (Type-F, NFC-F)，即Felica标准。

(4) ECMA 340 / ISO 18092，即Near Field Communication Interface and Protocol-2 (NFCIP-1)，近场通信接口和协议；是ECMA 340被ISO接受并重新命名为ISO 18092。规范了13.56MHz电感耦合装置的近场通信接口和协议，包括主动通信方式和被动通信方式，射频接口的调制方式、编码、传输速度和帧格式，以及防冲突机制、协议协商和数据交换的传输协议。

(5) ECMA 352 / ISO 21481，即Near Field Communication Interface and Protocol-2 (NFCIP-2)；是ECMA 352被ISO接受并重新命名为ISO 21481；将ISO 14443、ISO 15693和ISO 18092融合，通过标准的流程对这三种协议进行选择，使产品同时支持这三种协议并协同工作。

(6) ECMA 385，即NFCIP-1 Security Services and Protocol (NFC-SEC)，被称为NFC安全标准，为NFCIP-1定义了安全通道和共享安全服务。被ISO接受后命名为ISO 13175-1.

(7) ETSI TS 102 613，即SWP（Single Wired Protocol，单线协议），定义了SIM卡与NFC芯片之间的接口规范，是UICC（Universal Integrated Circiut Card，通用集成芯片卡）和CLF（Contactless Frontend，非接前端；指NFC芯片）之间的物理层和数据链路层协议。

(8) ETSI TS 102 622（SIM卡与NFC芯片之间的接口规范）定义了HCI (Host Control Interface)，用于主机之间的通信接口，在SWP协议之上负责UICC和CLF之间逻辑传输管道的建立和路由。

以上各标准的演进过程如下图所示，最终会归结为NFC Forum标准。

3.3 NFC Forum标准

Analog规范主要定义NFC设备的RF特性，如波形、RF场强、RF操作域。

Digital规范主要实现ISO 14443和ISO 18092中的数字协议部分，定义了NFC-A、NFC-B和NFC-F三种技术的基本通信功能，如编码格式、调制方式、传输速率、传输协议、帧格式、命令帧、数据帧等。包括NFC设备的四种角色：发起方、目标方、卡模拟设备和读写器设备。

Activities规范定义了如何使用Dialog规范中的内容来建立通信，即NFC通信的四个阶段：初始化（包括冲突检测和技术发现等过程）、设备激活、数据交换和设备挂起。

3.4 Single Wired Protocol - SWP

SWP在单线上实现全双工通信，有两个方向的信号S1（CLF到UICC/(U)SIM）和S2（UICC/(U)SIM到CLF），通信的双方是CLF(Master)和UICC/(U)SIM(Slave)。S1是电压信号，SIM卡通过电压表检测S1信号的高低电平，采用脉冲宽度调制(PWM)方式。S2是电流信号，采用负载调制方式。S1信号必须为高电平时，导通其内部的三极管，S2信号才可以有效传输。这样，S1信号和S2信号叠加在一条单线上，实现全双工通信。

4 NFC通信流程

Activity规范定义了NFC通信有四个阶段：初始化，设备激活，数据传输，设备挂起。

4.1 初始化

初始化的过程，包括帧听、冲突检测、技术发现。

NFC设备的默认状态均为目标方，不产生射频场，应用程序能够控制NFC设备从目标方转换为发起方。NFC设备进入发起状态后开始冲突检测，未检测到外部射频场时，才激活自身的射频场。由应用程序确定通信方式、工作模式和传输速率后，开始建立连接并通信。

冲突检测，指NFC设备进入发起状态后，首先检测周围是否存在射频场。若存在，不会产生射频场；不存在，再打开射频场。

技术发现，指NFC轮询设备根据参数配置的情况，发送某种技术（NFC-A => NFC-B => NFC-F => 私有技术）的轮询命令，来发现周围支持该技术的帧听设备。技术发现的过程，仅判断支持某技术的帧听设备是否存在，并不识别该帧听设备。

三个重要的参数：

①技术：该词是NFC规范中的专有名词，有NFC -A/B/F三种，对应着ISO 14443 A/B及Felica标准。

②通信方式：主动通信方式和被动通信方式。

③工作模式：POLL（打开射频场）和LISTEN（等待对方发来POLL命令，如SENS_REQ / SENSF_REQ等）。

三个参数的组合对应着不同的工作状态，如（NFC-A，POLL，被动通信）表示，此时NFC工作在读卡器模式下；如（NFC-A，LISTEN，被动通信）表示NFC工作在卡模拟模式下；如（NFC-F，POLL，主动通信），表示NFC工作在点对点模式下。

4.2 设备激活

指NFC设备之间进行参数协商，协商一致后可以进行数据通信。

4.3 数据传输

设备激活后即可进行数据传输。支持ISO 14443的卡模拟或读写器采用ISO-DEP协议交换数据，支持Tag1/2/3的读写器或卡模拟采用半双工通信方式交换数据，支持P2P通信的设备采用NFC-DEP协议交换数据。

4.4 设备挂起

完成数据传输后，结束通信。

5 NFC终端的实现方式

5.1 NFC芯片的构成

NFCC(NFC Controller) 由CPU和非接触前端构成，负责将数字信号转换为射频信号，并通过13.56MHz天线发送；同时负责接收射频信号并转换为数字信号，与终端应用和SE通信，实现NFC相关功能。

SE(Secure Element) 为用户的账号、密钥和身份认证等敏感信息提供安全载体，加强移动支付等应用的安全性。

5.2 NFC终端的实现方式

NFC终端包括移动终端（如手机、POS机）、固定终端（如ATM机）和穿戴终端（如智能手环、智能手表），根据其中SE所在位置的不同，有四种实现方案，即NFC-SD卡方案、NFC-SIM卡方案、全终端方案和HCE方案。

(1)NFC-SD (SWP-SD)卡方案：SE内置在SD卡中构成eSE-SD卡，由中国银联主推。需要在终端设计时完成与eSE-SD(embeded Secure Element- Secure Digital Memory Card)卡的协调，应用较少。

(2)NFC-SIM (SWP-SIM)卡方案：SE内置在SIM卡中构成eSE-SIM卡，移动网络运营商(MNO)主推。

(3)全终端方案：即NFC-SD全卡方案，SE与NFCC结合构成NFC芯片，再集成到移动终端，由终端生产商主推。

(4)HCE (Host-based Card Emulation)方案：即基于主机的卡模拟方案，由本地软件或云端服务器模拟SE，降低了移动支付对硬件SE载体的依赖，几乎适用于所有NFC手机，也使得第三方支付机构（拥有《支付业务许可证》的互联网金融企业）可以进入基于NFC技术的近场移动支付行业。Android 4.4版本开始支持HCE方案，如“Google Wallet”“Paywave”“Paypass”“百度钱包”“杭州银行云闪付”“浦发银行云闪付”等即是采用HCE方案的NFC近场移动支付案例。

前三种方案均需要除银行外的终端商和运营商参与，推广慢且成本高。而HCE方案只需银行或第三方支付机构服务器的技术部署，交易时向移动终端下发一次性的交易信息，无需终端商和运营商的参与，推广较快且成本较低。

NFC技术应用举步维艰，原因之一在于，各集团（银行系，运营商系，终端商系，互联网系）带着不同的诉求来参与NFC技术应用的博弈。关键点在于，谁拥有对SE的管理权，便能在移动支付产业链中获取较大的利益。

6 NFC终端的测试认证

6.1 NFC终端的测试内容

NFC终端的测试，有模拟（射频）测试和数字（协议）测试两个部分。模拟测试测量的是功率电平、波形质量、频率精度和负载调制的性能；数字测试检测的是底层协议交换、链路计时和成帧、以及高层协议层 — 例如逻辑链路控制协议 (LLCP)和简单NDEF交换协议 (SNEP)。还有以下三种功能的测试：

卡模拟功能测试：模拟IC卡与读写器（POS机、门禁设备等）的交互测试。无源情况下的卡模拟功能。

读写器功能测试：对不同类型Tag的读写，读写内容包括：URL、contacts、SMS、email、phone call和text；Tag读写与终端功能的交互测试。

点对点通信功能测试：发送请求，接收请求，文件传输（网页、图片、联系人...）；文件传输与终端功能的交互测试，如两个NFC手机之间用Android Beam传输音乐或视频文件（NFC辅助蓝牙连接后由蓝牙传输音乐或视频文件）。

6.2 NFC终端的认证标准

《中国金融集成电路(IC)卡规范》(JR/T 0025-2013)(PBOC3.0)，简称“金融IC卡规范V3.0”

在JR/T 0025-2010的基础上，兼容最新国际通用技术标准，并对小额非接支付应用功能加以扩展和完善，支持双币电子现金支付应用，规范了IC卡互联网终端技术要求，丰富了安全算法体系。

《中国银联移动支付技术规范》

中国银联是“中国银联移动支付产品认证”的管理机构，并授权“银联标识产品企业资质认证办公室”（简称“认证办公室”）依据《中国银联移动支付技术规范》组织具体认证工作。通过认证的产品，向企业颁发《中国银联移动支付产品认证证书》，有效期三年。证书到期前六个月内，企业应向银联主动提交证书续期申请。证书到期仍未申请换证的企业，视为自动放弃其已经认证的产品资格。其中，在中国国家强制性产品认证目录范围内的产品，必须首先通过3C认证。

7 应用类型和应用领域

7.1 NFC应用的五种基本类型

(1) Touch and Go（接触通过）：如考勤、门禁和票务等，用户只需将储存有门禁代码或票证的设备靠近读卡器即可通过。属于“卡模拟”被动工作模式。

(2) Touch and Confirm（接触确认）：如银行卡、公交卡和加油卡等移动支付类，用户将设备靠近嵌有NFC模块的POS机，并输入密码以确认交易。属于“卡模拟”被动工作模式。

(3) Touch and Connect（接触连接）：将两个NFC设备连接，即可进行点对点数据传输；如下载音乐，互传图片，交换名片等。属于“点对点通信”主动工作模式。

(4) Touch and Explore（接触浏览）：用户可将NFC手机靠近具有NFC功能的智能站牌或智能海报，获取更过交通信息或商品信息。属于“读写器”主动工作模式。

(5) Load and Touch（下载接触）：通过网络下载信息，下载银行卡、公交卡或门禁卡等，即“空中发卡”。属于“读写器”主动工作模式。

7.2 NFC应用领域

(1)金融领域，移动支付

NFC移动支付是最常见的应用，用户可以通过NFC终端完成购买商品或服务的移动支付行为。2011年5月发布的Google Wallet是 NFC 移动支付的代表。购物卡、礼品卡和优惠券等，都可以基于NFC技术发放给用户。

(2)消费电子领域，NFC数据传输，NFC辅助蓝牙/WiFi连接，NFC无线充电

尽管NFC技术的通信速率最快只有848Kbps，但与蓝牙或WiFi相比，建立连接的速度很快。谷歌在Android 4.0系统中推出基于NFC技术的Android Beam应用，可快速传输网页、图片和联系人等小量数据。

智能手机与蓝牙耳机、蓝牙音箱、打印机和笔记本电脑（如联想ThinkPad T410、T510、W510已集成NFC技术）等，通过NFC辅助蓝牙连接（碰触即可配对，再连接），可将传统蓝牙连接（开启配对，搜索，连接）耗时从几十秒降低到几秒，大大提高了连接效率。如Sony MDR-1000X蓝牙耳机，碰触NFC手机，即可快速建立蓝牙连接，无需传统蓝牙搜索和配对的过程。

具有NFC功能的WiFi路由器在家庭使用时，可提前设置好网络名称和密码存储为标签，客人用NFC智能手机轻触即可完成WiFi连接。其中，密码对客人都是隐藏的，可最大限度限制密码外泄。

NFC通信基于电磁感应原理，因此NFC技术具有无线充电的可行性。将NFC智能手机放置于NFC充电器上或NFC插板上，即可实现无线充电，省去线缆的繁琐。

(3)家电领域，NFC设置

空调或洗衣机等传统家电带NFC功能，可节省控制面板，只需开启按键。在移动终端（如智能手机）客户端预选后，轻触即可完成设置并开始工作。

(4)酒店领域，NFC门禁/考勤

瑞典斯德哥尔摩Clarion酒店用NFC手机取代酒店房卡。客人在到达酒店前可使用手机登记入住，同时数码房卡会发至客人的NFC手机终端。抵达后，客人不必排队登记便可直接入住，将手机贴近门锁便可打开房门。离开房间时，房门会自动锁上，客人通过手机直接办理退房手续。在Samsung S5230手机上通过测试。

用户可发送临时门禁卡给家政服务人员的智能手机终端，给予其单次进入住宅的权限，进行家政服务。

员工可持有NFC功能的手机靠近读卡器，开启公司门禁，同时实现考勤打卡，而且能够避免某些基于蓝牙RSSI值的门禁/考勤系统的误动作。

(5)汽车领域，NFC辅助蓝牙连接，关锁/解锁

NFC技术辅助智能手机与汽车之间的蓝牙连接，快速高效。

另外，NFC智能手机模拟成汽车钥匙，可应用在汽车共享/汽车租赁业务中的用户鉴别或钥匙发放。

8 参与厂商和器件选型

8.1 NFC芯片厂商

NXP ( PN532/C1, PN544, PN66T, PN80T; NCF29A1, NCF3340)

Broadcom ( BCM2079x, BCM58102, BCM5882; BCM89095 )

Samsung ( S3NRN82(NFC), SEN82AB(NFC/FeliCa) )

Sony ( D2202, E5533, E5653 )

Qualcomm, Marvell, Intel, ST, Fudan ( FM1930, FM1280 ) ...

8.2 NFC器件选型

(1)根据NFC终端的实现方式不同，选择NFC控制器的类型。

比如银联和某终端商推出某NFC手机，选择NFC-SD卡方案，即SE部分嵌入SD卡中，由银联控制；那可以选择如NXP PN512类不带SE的NFC控制器（称为“NFC模拟前端”）。移动网络运营商也可以选择NXP PN512类控制器，而将SE部分嵌入SIM卡中。而多数情况下，可以选择NFC-SD全卡方案，即前文所述“全终端方案”。

(2)根据支持的协议类型或应用场景不同，选择NFC控制器的类型。

如PN532/C1(80C51 core)的卡模拟模式只支持ISO/IEC 14443A和FeliCa，不支持ISO/IEC 14443B；读写器模式支持 ISO/IEC 14443A/B和Felica。PN736X(32-bit ARM Cortex-M0 core)的卡模拟模式只支持ISO/IEC 14443A；读写器模式只支持ISO/IEC 14443A/B，不支持Felica。

注意：ISO/IEC 14443A/B和Felica协议只有卡模拟和读写器两种工作模式，P2P通信模式是确定NFC技术后在NFC Forum标准中增加的。

(3)根据数据传输速率的快慢，选择NFC控制器的类型。

如PN532/C1的最大传输速率为424 kbit/s，PN736X的最大传输速率为848 kbit/s。

(4)NFC控制器中SE存储空间大小决定可以发卡的数量。

如FM1280有80kB EEPROM，256kB ROM，9.3kB RAM；只能发一张银行卡和一张公交卡存储于将近80kB EEPROM空间中（有较少空间留给系统使用）。PN66T有1216kB Flash，128kB EEPROM，34.625kB RAM；约有500kB Flash空间可用于发几十张银行卡或公交卡。

封装、功耗等器件选型因素不再讨论。

9 总结

本文从概念、通信协议、终端实现方式、测试认证、应用领域和器件选型等几个方面介绍了NFC的基础知识，使读者能够一文了解NFC是什么，NFC能做什么，NFC产品怎么做。