【云驻共创】物联网无线短距离NFC技术专题

物联网的无线短距离通信技术在万物互联的场景里面有非常多的通讯场景，有的是通过的网络，比如说有基站或者通过家里面的WiFi，或者通过其他的固定节点接到我们的物联网平台。但是在万物互联的场景里面，还有很多是物与物互联。在手机支付领域里面我们经常用到的一种技术，就是本节课程和大家一起讨论的近场通讯NFC。

前言

“一碰传音”是通过什么通信技术实现的？

一碰传是华为消费者端它的各种物与物进行互动的过程，比如说这里我们是一碰传音。Sound X和华为mate30，稍微碰一下Sound X的智能音箱，手机端所播放的音乐和声音就可以播放出来。它的使用体验不需要我们人为的像蓝牙一样去碰一下它，只要是华为系的终端一碰传音箱、iPad和笔记本电脑。一碰传华为的荣耀屏或者华为屏，这样都可以把我们这个多屏协同的功能传递上去。这个是华为消费者，在对各种消费品之间更好互动协同的两个终端去识别的时候，进行一碰传。另外还有很多支付的环节里面也会用到NFC进场通讯。

一、 NFC概述

NFC：Near Field Communication，近距离无线通信技术，简称:近场通信。

• NFC是由RFID技术演变而来，由NXP（原Philips）和SONY共同研制开发一种近距离通信技术。NFC是一种非接触式识别和互联技术，可以在移动设备、消费类电子产品、PC和智能控件工具间进行近距离无线通信。

• 通过简单碰触的方式实现信息交换与服务访问。

NFC是近场通讯的简称，首先它有距离多近呢？

从图片中可以看到，它的距离仅仅有十厘米以内的通信距离。

物与物之间什么情况下会进行十厘米以内的通讯呢？

往往物和物之间要协同起来，就像手机和pc机要协同，或者要传图片，或者要分享，我们也可以在手机支付环节这样去做。首先一个人主动的把你的手机和另外一个交互的时候，比如说钱的支付，或者两个物体当中文件共享、互传这样的需求，人主动去做这个意愿，首先得保障两个物终端通讯的前提条件，另外再通过安全条件，再通过非接触式的，不需要像点开蓝牙，手机连汽车那么麻烦，点一下就可以实现两两终端直接互联。我们会看到NFC的通讯场景，比如说射频识别的通讯技术在应用场景当中会有一些差异化。

NFC是由非接触式射频识别（RFID ）及互连互通技术整合演变而来的，通过在单一芯片上集成感应式读卡器、感应式卡片和点对点通信的功能，利用移动终端实现移动支付、电子票务、门禁、移动身份识别、防伪等应用。它的距离更加近，只聚焦于十厘米以内的程序，它也是通过这种触碰式的方式就实现信息和身份的交换。

1.1 NFC技术特点

工作频率13.56MHz: 工作频率:13.56MHz ±7KHz范围内

不会干扰终端5G NR/LTE/3G/2G、Wi-Fi、蓝牙等信号的正常通信;反之，13.56MHz射频信号不会被终端5G NR/LTE/3G/2G、 Wi-Fi、蓝牙等信号所干扰

用于近距离( 10cm以内)安全无线通信:一般工作范围为0~4cm

数据传输速率:106kbps、212kbps、424kbps及848kbps四种传输速率供选择

NFC频段非常干练，13.56M在业内基本上就是NFC去用，所以它交互的成功率从无线这一块是非常好的，但是由于是我们人为的去做，所以把它做到了工作范围是0-4厘米。我们再结合终端侧的安全芯片，就可以很好地实现安全。而在NFC近场通讯的安全这一块，它的数据仅保留在两个NFC的终端侧，它所有的安全数据都通过网络上去传，所以这也保证了它的安全，把安全数据传递到网络当中，那这样安全系数就会有可能被截取掉，一直保留在端侧。所以在我们手机和pc机便携在第一次交互好之后，后续每一次的互联触碰，只要我们手机打开了NFC功能，那后续就完可以非常快捷碰传出来。上图就体现了我们这个利用NFC，手机和pc机之间安全认证这一块，NFC在一碰传或者支付里面，它的信息量很少。在一碰传的应用里面，它主要是两个终端互相认证通过，然后开启一碰传这个协助。手机和pc机后面协助的时候，通过比如说华为端的华为分享技术去传，华为分享技术可以通过蓝牙或者WiFi去进行后面的数据交互，主要是两个终端之间安全认证、相互识别。

NFC的速率并不快。有106kbps、212kbps、424kbps及848kbps四种传输速率。我们都知道，如果换算成序列下载的字节数，最高的速度848kbps也就是100kB/s。

NFC更强调的是我们两个终端的信息，安全信息或者是协同信息的交换，应用场景会和射频识别里会有差异性。射频识别更多和手机相结合，这个是目前NFC在应用端最多的应用场景。

1.2 NFC三种工作模式

NFC采用了双向的识别和连接，NFC终端具有三种功能模式:

• NFC终端作为识读设备(读写器,读写模式)

• NFC终端作为被读设备（卡模拟)

• NFC终端之间的点对点通信应用

• 点对点模式(P2P mode)：支持两个近场通信设备之间相互通讯，实现信息交换和文件共享。

• 读卡器模式(Reader/writer mode)：使近场能讯设备能从海报或者展览信息电子标签上读取相关信息。

• 卡模式(Card emulation)：近场通信设备能像智能卡一样，允许用户支付零售购物和交通费用。

NFC 同时支持读写模式和卡模式；而在 RFID 中，读卡器和非接触卡是独立的两个实体，不能切换。NFC 支持 P2P(点对点) 模式，RFID 不支持 P2P 模式。

从应用模式上分NFC卡模拟、读写器、点对点三种模式。卡模拟模式通常又被称为被读模式，手机终端可以模拟成为一张普通的非接触卡被POS机读取，此模式下通常是继承了现在广泛使用的应用，例如银行卡、门禁卡、公交卡等，以NFC手机作为载体并发挥手机在网络、多媒体、人机交互方面的优势，应用场景也与现有方式类似;读写器模式通常又被称为主读模式，手机终端可以读取一张非接触卡或者一个非接触标签中的内容，此模式下既可能继承了现有的应用，例如将NFC手机当做POS机去读取现有的银行卡、公交卡，又可以是NFC最新定义的应用场景，例如利用NFC手机读取NFC定义的标签中的标准数据，实现电子名片、电子海报、WIFI连接等功能;点对点模式是指两个手机终端在近距离内通过触碰直接传递数据，这是NFC定义的一种新模式，与蓝牙、WIFI相比有近距离和配置简单两个特点，理论上可以通过简单触碰实现两部手机间任何数据的交互，例如同步日程表、位置共享、名片交换等功能。RFID 更多的应用在生产，物流，跟踪和资产管理上，而 NFC 则工作在门禁，公交卡，手机支付等领域。

NFC 看更多的是针对于消费类电子设备相互通讯，有源 RFID 则更擅长在长距离识别。

1.3 NFC相关的标准化组织

• lSO (International Organization for Standardization）国际标准化组织

• ECMA(European Computer Manufacturers Association)欧洲计算机制造商协会

• NFC Forum

• JIS(Japanese Industrial Standard)日本工业标准

• ETSI(European Telecommunications Standards Institute)欧洲电信标准化协会

NFC Forum,NFC 论坛

NFC Forum由飞利浦、索尼和诺基亚牵头成立，其主要工作是开发NFC标准和互操作性协议，鼓励行业使用这些规范.从而形成一个完整的NFC生态系统。

NFC Forum的成员分5类：

• Sponsor成员，拥有董事会成员席位，共10家

• Principal(首席顾问)成员，第二等级，可进入NFC Forum下属的各个委员会，有投票权（华为)

• Associate (联营公司)成员，可参加委员会下属工作组，无提案和投票权

• Non-Profit成员，非盈利组织，如GSMA、CITC等

• lmplement成员,只能参加SIG组，只能获取批准后的规范，不参与规范讨论和修订细节

二、NFC的关键技术

2.1 NFC技术原理

NFC通信原理

NFC通信通常在发起设备和目标设备间，两者之间以交流磁场方式相互耦合(一个电感耦合系统，即一种变压器耦合系统)。在主动模式下，每台设备要向另一台设备发送数据时，都必须产生自己的射频场。发起设备产生无线射频磁场初始化通信格式，目标设备响应发起设备所发出的命令，并选择是由发起设备所发出的或是自行产生的无线射频磁场进行通信。有两种通信模式:主动模和被动模式。

• PCD, proximity coupling device 邻近耦合设备

• PICC,proximity integrated circuit card 邻近集成电路卡

在被动通信模式下:主设备在整个通信过程中提供射频场(RF-field)。从设备不必产生射频场，而使用负载调制技术进行数据收发，即可以相同的速度将数据传回发起设备。移动设备主要以被动模式操作，可以大幅降低功耗，并延长电池寿命。

主动通信模式下:每台设备要向另一台设备发送数据时，都必须产生自己的射频场。发起设备和目标设备都要产生自己的射频场，以便进行通信。这是点对点通信的标准模式，可以获得非常快速的连接设置。

2.2 NFC系统方案和架构

NFC当前的系统方案

NFC芯片即NFCC，目前市面上的厂家大概有NXP恩智浦、ST意法半导体、BRCM博通等。嵌入式安全单元和UICC一般都是通过SWP接口与NFCC相连，对应的名称为NFCEE-eSE、NFCEE-UICC。与外部POS通信是通过RF侧的无线接口。协议栈主要由NCI协议实现。

• UICC, Universal Integrated Circuit Card,通用集成电路卡

• SWP,Single Wire Protocol,单线协议

NFC模块的系统框架

具有NFC功能的电子设备，其系统由多个软、硬件模块组成，例如智能手机中NFC模块的系统框架如下:

• Device Host (DH)表示主机处理器即手机的CPU

• NFCC表示NFC控制器即NFC芯片&固件;

• NFCEE_UICC表示SIM卡

• NFCEE_eSE表示安全芯片

• Antenna表示NFC天线

• Tag or Card表示外部NFC模拟卡片

• 右下角模块表示外部支持R/W、P2P模式

NFC通信协议框架

从软件层面描述了NFC设备的系统框架如下：

• Device Host (DH)表示主机处理器即手机的CPU

• NFCC表示NFC控制器即NFC芯片&固件

2.3 NFC工作模式原理

NFC的三种工作模式

NFC支持三种工作模式:

1- 卡模拟(Card Emulation Mode)

2- 读写模式(Reader/Writer Mode)

3- 点对点模式(Peer-to-Peer Mode)

1- NFC Forum协议-卡模拟

·将具有NFC功能的电子设备，模拟成─张非接触智能lC卡，如银行卡、公交卡、门禁卡等

·卡模拟模式下，NFC Forum没有制定其他规范来支持该模式，如下表: Digital/Activity和Analog层的规范基于ISO14443标准（ISO-DEP)

1- 模拟卡片需要一个安全载体

安全载体就是我们平时所说的SE安全单元概念，如嵌入式安全单元、SIM卡、SD卡等，也有用软件替代硬件的。对于NFC设备，要实现卡模拟功能来讲抛开最终物理封装形式，都是需要一个NFC控制器前端芯片外加一个SE安全单元才可以实现的。

1- NFC安全单元(SE)

NFC安全单元: UIM卡、SD卡、集成在NFC芯片中、专门SE芯片

2- 读/写模式工作原理

具有NFC功能的电子设备，作为一个读卡器，可以读写IC卡、 NFC标签以及工作在卡模拟模式下的NFC设备中的内容。NFC Forum制定了一套规范来支持读写模式，该模式主要是读取相应标签或卡片的，标签或卡片是由NFC Forum定义的标签1、2、3、4、5

该模式下的规范主要是:

• NFC Reader如何与不同类型的标签交互

• NDEF和一些常用的数据类型定义

NFC Forum协议-读卡器架构

NEDF定义了NFC设备之间或与标签之间通用的数据格式。NDEF由RTD组成。RTD定义了不同数据类型的封装格式，如URL、智能海报、文本等

• RTD,Radio Test Device,无线测试设备的数字处理单元

• NEDF,NEC Equinment Data Form,NFC设备数据形式

3- 读/写外部的卡片或标签模式的信息流

理论上对于主机端和SE安全单元都是可以通过NFCC前端芯片进行读取外部的标签或卡片的，但是目前产品仅实现了通过NFCC前端芯片读取外部标签的模式。通过DH读/写外部的卡片或标签模式的信息流，如下图所示:

3-点对点模式工作原理

在读/写模式中，NFC设备只能单向和NFC Tag交互，即只能NFC设备单方对NFC Tag发起操作，而NFC所基于的无线射频技术实际上可以支持NFC设备之间相互传递数据。为了满足NFC设备之间双向交互的需求，NFC Forum定义了P2P'点对点运行模式。NFC Forum点对点通信的标准架构,如下所示:

• LLCP(逻辑链路控制协议）协议是为了能更好地支持一些网络协议如TCP/IP何OBEX

• SNEP(安全网络加密协议）协议使得两个NFC设备之间能直接交换NDEF消息，专门为P2P时传送一些小数据包而设计

3-点对点(P2P) 工作示意图

信息流如图中灰色箭头所示:

NFC设备工作模式总结

手机NFC开关使能后，NFC模块就一直处于工作状态，是NFC使能后RF侧的工作模型图。手机从Poll phase到Listen phase循环往复，直到NFC开关关闭为止。一个完整的轮询时间大概是300ms，这样就能保证兼容支持图中各种协议标准的外部设备。

poll和listen状态对应的具体的工作模式

如下表示poll和listen状态对应的具体的工作模式和所使用的协议:

2.4 NFC与其他无线通信技术比较

各类物联无线连接技术

NFC、 RFID、ETC三者的关系

NFC是RFID的一部分，ETC是RFID的一个分支，它们都是无线射频技术。它们都有各自的使用领域，可以说是相辅相成

• 工作频率:NFC的工作频率为13.56MHz，ETC的工作频率为2.45GHZ，而RFID的工作频率有低频，高频( 13.56MHz)及超高频

• 工作距离:NFC的工作距离理论上为0~20cm，但是在产品的实现上,使其工作pai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

• 工作模式: NFC同时支持读写模式和卡模式。而在RFID中，读卡器和非接触卡是独立的两个实体，不能切换

• 点对点通信:NFC支持P2P模式，RFID不支持P2P模式

• 标准协议:NFC的底层通讯协议兼容高频RFID的底层通信标准，即兼容ISO14443/ISO15693标准。NFC技术还定义了比较完整的上层协议，如LLCP，NDEF和RTD等。

2.5 NFC电源管理

NFC电源管理工作方式

实现NFC功能的终端有三种电源工作方式，分别为正常模式、低电模式和无电模式:

注:门限1:电池自保护电压； 门限2:终端可正常开机的临界电池电压

NFC电源管理-正常模式

正常工作状态，指电池电压高于门限2，终端处于正常电源供电模式，即终端可以正常开机。在该模式下，当终端开机时，应支持卡模拟、读写器和点对点功能;当终端关机时，应支持卡模拟功能。

NFC电源管理-低电模式

低电工作状态，指电池电压在门限1和门限2之间，终端处于低电状态，终端由于供电不足无法正常开机，但终端电池仍存有余电可供NFC功能使用。在该模式下，要求终端仍能支持卡模拟功能。

低电模式下，NFC控制器直接从电池取电，需确保在24小时内，完成至少20次非接触交易且非接触交易消耗的电量不对终端电池造成损害。

NFC电源管理-无电模式

无电工作状态，指终端电池低于门限1，电池内电量已低于电池保护电压，电池处于无电可用的状态，NFC控制器停止从电池取电，但仍能提供卡模拟功能。在该状态下，NFC控制器从非接触读卡器的电磁场获取能量并给相应的SWP-SIM卡供电。

三、NFC的应用

3.1 NFC设备的工作应用场景

NFC的应用主流为支付应用、安防应用、标签应用、终端信息交换/协同等。

RFID更多的应用在生产，物流，跟踪和资产管理上，ETC主要用于高速收费，而NFC则工作在门禁，公交卡，手机支付等领域。

3.2 NFC如何做移动支付

NFC不等同于移动支付，移动支付只是NFC诸多应用中安全要求最高的应用之一。同时，NFC是嫁接移动互联网与线下，共同完成O2O电子商务活动的核心技术。

前端基于SE安全芯片的卡模拟方案

• 机卡协作：SWP方案 利用SIM卡中的安全芯片，增加SIM卡与NFC芯片间的SWP接口

• 全终端方案：在手机主板上集成安全单元，可以将NFC芯片和安全芯片封装在一起或形成单一芯片

• MicroSD方案：在SD卡中集成安全模块，NFC控制器与安全模块通过SWP接口相连

前端--基于主机的卡模拟(HCE)

HCE(host-based card emulation)，即基于主机的卡模拟。简单的理解就是区别于上述三种的不需要提供SE硬件的NFC支付方案，只需要在手机中运行一个应用或由云端服务器完成SE的功能,此时NFC芯片接收到的数据由操作系统或发送至手机中的应用，或通过移动网络发送至云端的服务器来完成交互。

HCE技术的提出无疑解决了很多NFC产业链上的利益纠葛，但是安全性与技术规范性问题也一直制约着它的发展。目前，很多国外银行都开始支持和试点，但真正商用的案例少之又少，国内更是没有。HCE技术对于NFC产业是一次变革，同时也是机遇和挑战。

后端--TSM可信服务管理平台

TSM(可信服务管理)是基于—卡多用应用技术，实现对安全芯片SE进行空间管理、应用接入和空中发卡的体系，并最终在线下通过NFC等技术与传统受理设备交互实现的移动支付闭环过程。

移动支付领域代表应用-手机厂家钱包

代表应用华为钱包、Apple Pay.Google Wallet.Samsung Pay.华为&荣耀钱包是华为推出的一款基于NFC的支付平台，在借助安全芯片，提供银行卡管理功能，支持空中开卡、卡信息查询、充值等操作。开卡后支持在带QuickPass标识的POS上刷手机免密消费。

硬件依托:带SE芯片华为NFC手机

特点:平台型应用

移动支付领域代表应用——运营商钱包

移动通信运营商移动支付代表应用——移动和包、联通沃支付、中国电信翼支付

硬件依托:NFC手机+SIM卡

特点:离线钱包

华为分享-多屏协同

手机与笔记本建立连接后，手机画面自动显示在笔记本上，用笔记本即可轻松操作手机应用和文件。

手机与笔记本建立连接后，手机画面自动显示在笔记本上，用笔记本即可轻松操作手机应用和文件，目前的应用主要有:在笔记本上操作手机、音视频电话接续、用笔记本应用打开手机文件、拖拽互传文件、一碰传文件、一碰录屏、共享剪贴板等。

NFC缩略语

总结：

注：本文整理自华为云社区内容共创活动之物联网无线短距离NFC技术专题

查看活动详情：https://bbs.huaweicloud.com/blogs/308924

IoT 网络

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