近場通信技術拓展電信智能卡應用

文章出處：http://5052h112.com 作者：許海翔 伏京生 翟巍 白璐 高博   人氣： 發表時間：2011年09月23日

　　近來，近場通信(NFC)技術應用在世界范圍內受到了廣泛關注，國內外的電信運營商、手機廠商等不同角色紛紛開展應用試點，一些國際性協會組織也積極進行標準化促進工作。據業內相關機構預測，基于近場通信技術的手機應用將會成為移動增值業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

　　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，數據傳輸速度可以選擇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中的卡內操作系統COS(Chip Operating System)。卡中數據分為外部讀取和內部處理部分，能夠確保卡中數據安全可靠。

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

　　電信智能卡最初的定位僅僅是承擔手機登錄網絡時的鑒權認證，通常稱為SIM卡或UIM卡。隨著移動通信技術和增值業務技術的發展，電信智能卡已經發展成為了運營商快速開展增值業務的強大平臺。

近場通信技術及應用

1 近場通信技術研究進展

　　 從目前情況看，近場通信相關的主要技術方案包括以下幾種。

● 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、操作系統和EEPROM。非接觸界面由讀寫器產生的電磁場提供能量，通過射頻方式實現能量供應和數據傳輸。接觸界面完全兼容接觸式卡片應用系統和讀寫機具。

　　通過雙界面卡方案實現的移動增值服務，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、數據同步等。

● eNFC

　　eNFC是手機和智能卡相融合的實現方式，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議與(U)SIM卡通信，更加符合機卡分離的技術特點。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行、管理和控制，因此受到多數運營商的青睞。

2 技術標準化

　　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技術的發展和普及，飛利浦、索尼和諾基亞創建了一個非營利性的行業協會——NFC 論壇，旨在促進NFC技術的實施和標準化，確保設備和服務之間協同合作。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論壇正式對外發布四份關于NFC的技術文件，使NFC有了更清晰具體的實現方向，同時也使NFC技術與手機的結合取得重要進展。這些文件包括數據交換格式(NFC Data Exchange Format，NDEF)、記錄類型定義(NFC Record Type Definition，RTD)，以及與RTD相關的文件與網絡資源的基本技術規格(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 應用模式及國內外案例

　　近場通信業務支持卡模擬、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設備之間數據傳輸、游戲等服務。 

　　 近幾年時間里，國內外進行了很多有關NFC技術應用的試驗，為技術改進和應用推廣奠定了很好的基礎，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卡技術的MONETA業務，利用手機與銀行信用卡結合，使用戶使用手機進行現場支付業務。 

    諾基亞推出了新款6131近場通信手機，并進行了關于電子錢包、公交應用、數據業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采用近場通信技術，實現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場試驗。使用Nokia3220手機實現廈門易通卡覆蓋的公交汽車、輪渡、餐廳、電影院、便利店等營業網點的手機支付。 

    2007年3月13日正式在上海推出了移動認證業務，這個業務由諾基亞公司和上海質監、上海消防聯合實施。執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據庫校驗。 

    2007年5月17日由重慶移動、重慶市商業銀行、結行商務有限公司聯合發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形式，可廣泛應用于傳統零售業、網絡數字產品消費、公用事業代收費業務、智能化管理領域等。 

    湖北電信目前與武漢天喻合作開發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探索

1 技術方案特點

　　該方案以SIM卡為核心，應用放在單芯片的SIM卡中，確保了業務完全是由運營商控制并進行有效管理。業務邏輯層與射頻RF層分離，業務邏輯由SIM卡管理，而射頻由內置于手機的NFC芯片進行管理。采用此方案，可以很容易地將目前已經在Java卡上實現的其他應用，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：在這個技術方案中，所有的非接觸式應用都存儲在運營商發行的SIM 卡上，因此運營商可以有效地規劃和管理非接觸式業務，發揮核心的作用。 

    多協議支持：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)技術架構。這種架構保證了在SIM卡中可以按照一套完整的安全標準創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。 

    業務的可移植性及延續性：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。 

    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境。同時，基于GP架構的Java卡更實現了不同應用之間的隔離，有效防止未授權的惡意攻擊行為。 

    開放的解決方案：相關的技術規范均已開放并提交至ETSI。 

2 相關技術環節

eNFC芯片組

　　該芯片組要求支持標準的ISO 15693, ISO 14443-A/B、ISO 18092協議；支持讀卡器、卡片模擬以及點對點數據傳輸三種工作模式，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SIM卡的應用管理架構。為保證應用提供商及可信任的第三方能夠獨立開發交易應用，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議實現與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BIP協議以支持SIM卡通過TCP/IP通道與遠端服務器進行通信。SAGEM此類手機終端已經在巴黎地鐵的試點項目應用。 

圖2 手機終端硬件結構圖 

3 重要技術問題研究

（1）NFC控制芯片與SIM卡通信協議

　　考慮到與國際規范兼容問題，NFC控制芯片與SIM卡通信協議將采用單線協議。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，起到一個調制解調器的作用。它主要用來處理射頻RF協議本身，將射頻信號轉換為幀信號從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，卡片須支持單線協議并能夠與eNFC芯片進行通信。

　　單線協議本身是一個全雙工的通信協議，使用電壓和電流調制在SIM卡片及eNFC芯片組之間傳輸數據。 

圖3 單線協議概要模型圖

（2） 應用安全機制

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

    卡片發行者安全域：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下載及安裝新的應用。另外，相關各技術環節對應用安全也有保障。
    SIM/UIM卡：按照GP標準實現卡片的應用管理構架，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)：受理終端需根據應用發行方的密鑰管理體系、技術規范、業務流程要求進行定制；
    應用發行系統：系統設計符合GP標準，分為卡片發行方、應用發行方系統，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行、電子錢包消費、充值過程相關的密鑰、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據產生，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體系。基于以上的技術保障，電信智能卡將會成為一個支持多任務、多應用的業務平臺。作為其中一類重要的應用，近場通信技術應用將改變移動運營商、手機廠商、智能卡廠商、系統供應商、應用提供商之間合作的方式，建立新的業務模式與贏利機會，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增值業務新的增長點。

作者簡介：中國聯合通信有限公司 許海翔 伏京生 聯通華建網絡有限公司 翟巍 白璐 高博