NFC

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NFC(Near Field Communication)

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什麼是NFC

  NFC(Near Field Communication)近場通信、又稱近距離無線通信,是一種短距離的高頻無線通信技術,允許電子設備之間進行非接觸式點對點數據傳輸(在十釐米內)的交換數據。

  近距離通信技術(Near Field Communication,NFC)是在RFID和互聯技術的基礎上融合演變而來的新技術,是對非接觸技術與RFID技術的發展與創新,是一種短距離無線通信技術標準。它的發展為所有消費性電子產品提供了一個極為便利的通信方式,使手機成為一種安全、便捷、快速與時尚的非接觸式支付和票務工具。[1]

NFC的類型[2]

  NFC技術的應用可以分為4種基本的類別:

  ·接觸通過(Touch and Go),如門禁管制、車票和門票等,使用者只需攜帶儲存著票證或門控密碼的移動設備靠近讀取裝置即可;

  ·接觸確認(Touch and Confirm),如移動支付,用戶通過輸入密碼或者僅是接受交易,確認該次交易行為。

  ·接觸連接(Touch and Connect),如把2個內建NFC的裝置相連接,進行點對點數據傳輸,例如下載音樂、圖片互傳和同步交換通信簿等;

  ·接觸瀏覽(Touch and Explore),一個內建NFC的設備可以無縫方便地瀏覽存儲在另一個有NFC功能的設備中的信息

  目前,飛利浦諾基亞索尼三星都已經推出了NFC產品,包括PhilipsPN511/PN531、Nokia3220等,RFMD也將推出RF4100與RF41132個具有NFC功能的單晶元,RF4100為藍牙與NFC整合的系統晶元,具有高整合度的手機應用界面,而RF4113則為NFC系統晶元,RF4100尺寸為5mmx5mm的BGA與3.7mrnx3.7millWLCSP,未來NFC的應用將會越來越廣泛。

NFC的通信機制[2]

  作為一種虛擬連接器,NFC可以用來在設備上迅速實現各種無線通信。只需將2個NFC設備靠近,NFC就能進行無線配置並初始化其他無線協議,如藍牙和IEEE802.11,從而可以進行遠距離通信或者數據傳輸。NFC技術支持3種不同的操作模式:

  ·讀寫模式,對Felica或IS014443A卡的讀寫;

  ·卡模式,如Felica和ISOl4443A/MIEARE卡之間的通信;

  ·NFC模式,NFC晶元間的通信

  NFC國際標準ISO/IECl8092、ISO/IEC21481涵蓋了通信模式、調製和編碼、防衝突機制、幀結構等內容。

  1.通信模式

  NFC工作在13.56MHz頻段,支持主動和被動兩種工作模式和多種傳輸數據速率,見下表。在主動模式下,主呼和被呼各自發出射頻場來激活通信,在被動工作模式下,如果主呼發出射頻場,被呼將響應並且裝載一種調製模式激活通信。也就是說在一對NFC通信設備中(主呼和被呼),至少有一方是主動的。

NFC傳輸模式與傳輸速率
模式傳輸速率R(kbit/s)成數因數D
1主動或被動1061
2主動或被動2122
3主動或被動4244
4主動8478
5主動169516
6主動339032
7主動678064

  NFC設備在傳輸有效數據前必須先通過有關協議選定一種通信模式和傳輸數據速率,在數據傳輸過程中,選定的通信模式和傳輸數據速率不能改變。數據傳輸速率R與射頻工之問的關係為:

  R = (fcxD)/128(kbit/s)

  其中,D是一個乘數因數。

  2.調製技術

  目前,NFC標準中對於高速傳輸(>424kbit/s)還沒有做出具體的規定。在低速傳輸時採用了幅移鍵控(ASK)調製,但對於不同的傳輸速率具體的調製參數是不同的。

  ASK是一種相對簡單的調製方式。ASK相當於模擬信號中的調幅,只不過與載頻信號相乘的是二進位數位而已。幅移就是把頻率、相位作為常量,而把振幅作為變數,信息比特是通過載波的幅度來傳遞的。二進位振幅鍵控(2ASK),由於調製信號只有0或1兩個電平,相乘的結果相當於將載頻或者關斷,或者接通,它的實際意義是當調製的數字信號為1時,傳輸載波:當調製的數字信號為0時,不傳輸載波,原理如圖所示,其中S(t)為基帶矩形脈衝。

  Image:ASK调制原理.jpg

  一般載波信號用餘弦信號,而調製信號是把數字序列轉換成單極性的基帶矩形脈衝序列,圖7.10ASK調製原理而這個通斷鍵控的作用就是把這個輸出與載波相乘,就可以把頻譜搬移到載波頻率附近,實現2ASK。實現後的2ASK波形如圖所示。

  Image:输出后的2ASK波形.jpg

  3.編碼技術

  NFC的編碼包括信源編碼和糾錯編碼2部分。

  (1)信源編碼

  不同的數據傳輸速率對應的信源編碼的規則也不一樣。對於模式1,信源編碼的規則類似於密勒(Miller)碼。具體的編碼規則包括起始位、“1”、“0”、結束位和空位。對於模式2和模式3,起始位、結束位以及空位的編碼與模式1相同,只是“0”和“1”採用曼徹斯特(Manchester)碼進行編碼,或者可以採用反向的曼徹斯特碼表示。

  (2)糾錯編碼

  糾錯編碼採用迴圈冗餘校驗法。所有的傳輸比特,包括數據比特、校驗比特、起始比特、結束比特以及迴圈冗餘校驗比特都要參加迴圈冗餘校驗。由於編碼是按位元組進行的,因此總的編碼比特數應該是8的倍數。迴圈碼的碼多項式為:

  g(x) = x16 + x12 + x6 + 1

  其中,模式1移存器的初始值為6363,模式2和模式3移存器的初始值為0。

  4.防衝突機制

  為了防止干擾正在工作的其他NFC設備(包括工作在此頻段的其他電子設備),NFC標準規定任何NFC設備在呼叫前都要進行系統初始化以檢測周圍的射頻場。當周圍NFC頻段的射頻場小於規定的門限值RFID(0.1875A/m)!!!時,NFC設備才能呼叫。系統初始化防衝突檢測的流程如圖所示。

  Image:系统初始化流程.jpg

  如果在NFC射頻場範圍內有2台以上NFC設備同時開機的話,需要採用單用戶檢測來保證哪台設備點對點通信的正常進行。單用戶識別主要是通過檢測NFC設備識別碼或信號時隙來完成的。

  5.幀結構

  不同的傳輸速率具有不同的幀結構。在模式1中,幀結構分為短幀、標準幀和檢測幀3種。

  短幀:短幀用在系統的初始化過程中,由起始位、7位指令碼、結束位組成。指令碼包括閱讀請求、閱讀響應、喚醒請求、單用戶設備檢測請求、選擇請求、選擇響應以及休眠請求等。

  標準幀:標準幀用在數據的交換過程中,由起始位、nx8數據比特、n位奇偶校驗比特、結束位組成,見下表。其中n是一個隨機產生的整數,它決定了有效數據的長度。

標準幀結構
位元組0校驗碼位元組1校驗碼位元組n校驗碼
起始位(bit)818181結束位
指令或數據數據數據
 

  檢測幀:檢測幀是用在單用戶檢測過程中的,以保證點對點通信的進行。檢測幀由一個7byte的標準幀一分為二而成,其中第一部分是由主呼傳至被呼,第二部分是由被呼傳至主呼。

  模式2、模式3的幀結構比較簡單,其中,前導符至少要有48bit的“0”信號;同步標誌有2個byte,第一個位元組的同步碼為“B2”,第二個位元組的同步碼為“4D”;數據長度是一個8bit碼,它表示有效傳輸數據的位元組數。

  6.傳輸協議

  NFC傳輸協議包括3個過程:激活協議、數據交換、協議關閉。協議的激活包括屬性的申請和參數的選擇,激活的流程分為主動模式和被動模式2種。數據交換協議的幀結構中,包頭包括2byte的數據交換請求與響應指令、1byte的傳輸控制信息、1byte的設備識別碼、1byte的數據交換節點地址。協議關閉包括通道的拆線和設備的釋放。在數據交換完成後,主呼可以利用數據交換協議進行拆線。一旦拆線成功,主呼和被呼都回到初始化狀態。主呼可以再次激活,但是被呼不再響應主呼的屬性請求指令,而是通過釋放請求指令切換到剛開機時的原始狀態。

NFC的工作模式[1]

  NFC技術採用雙向的識別和連接,NFC終端有三種工作模式。

  ①主動模式。NFC終端作為讀卡器主動發出自己的射頻場去識別和讀/寫別的NFC設備,如圖所示。在該模式中,具備識讀功能的NFC手機從口心中採集數據,然後根據應用的要求進行處理。有些應用可以直接在本地完成,而有些應用則需要通過與網路交互才能完成。

  Image:作为识别设备的应用模式.jpg

  其典型應用有:門禁控制、防偽應用或車票、電影院門票售賣等,使用者只需攜帶儲存有票證或門控代碼的設備靠近讀取設備即可。它還能夠作為簡單的數據獲取應用,比如公交車站站點信息、公園地圖信息等。

  ②被動模式。NFC終端可以作為一個卡被讀/寫,它只在其他設備發出的射頻場中被動響應,如圖所示。在該應用模式中,NFC識讀設備從具備TAG能力的NFC手機中採集數據,然後通過無線發送功能將數據送到應用處理系統進行處理。

  Image:作为被读设备的应用模式.jpg

  其典型應用有:本地支付、電子票應用等,比較受歡迎的業務包括公交車和地鐵刷卡業務、停車繳費業務、超市小規模購買等。

  ③雙向模式。雙方都主動發出射頻場來建立點對點的通信,如圖63所示。在該應用模式中,NFC手機之間可以進行數據的交換,後續的關聯應用既可以是本地應用也可以是網路應用。

  Image:双向模式的通信应用模式.jpg

  其典型應用有:建立與藍牙的連接和交換手機名片等。

參考文獻

  1. 1.0 1.1 傅四保,楊興麗等編著.移動商務應用實例.北京郵電大學出版社,2011.07.
  2. 2.0 2.1 徐小濤,吳延林編著.無線個域網(WPAN)技術及其應用.人民郵電出版社,2009.05.
  
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