近场通信技术拓展电信智能卡应用

文章出处：http://www.singbon.com 作者：许海翔 伏京生 翟巍 白璐 高博   人气： 发表时间：2011年09月23日

　　近来，近场通信(NFC)技术应用在世界范围内受到了广泛关注，国内外的电信运营商、手机厂商等不同角色纷纷开展应用试点，一些国际性协会组织也积极进行标准化促进工作。据业内相关机构预测，基于近场通信技术的手机应用将会成为移动增值业务的下一个杀手级应用。

什么是近场通信

1 近场通信(NFC)技术

　　近场通信（Near Field Communication，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，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。

　　NFC采用13.56MHz作为近距离通信频率标准，兼容ISO 14443、ISO 15693、Felica等射频标准。其典型操作距离只有几厘米，运行距离范围在20cm内，数据传输速度可以选择106Kb/s、212Kb/s或者424Kb/s，将来可提高至1Mb左右。NFC信息传递是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式实现的。

2 电信智能卡

　　智能卡的名称来源于英文名词“Smart Card”，是IC卡（集成电路卡）的一种。智能卡包括中央处理器CPU、可编程只读存储器EEPROM、随机存储器RAM和固化在只读存储器ROM中的卡内操作系统COS(Chip Operating System)。卡中数据分为外部读取和内部处理部分，能够确保卡中数据安全可靠。

　　根据应用的行业来划分，智能卡又可以划分为：电信智能卡、金融智能卡、身份证智能卡、门禁智能卡等。目前我国电信行业总发卡量已超过20多亿张，占我国IC卡发行总量的75%左右。2006年中国联通电信智能卡发行量超过了 1.27亿张，中国移动发行量约4亿张。

　　电信智能卡最初的定位仅仅是承担手机登录网络时的鉴权认证，通常称为SIM卡或UIM卡。随着移动通信技术和增值业务技术的发展，电信智能卡已经发展成为了运营商快速开展增值业务的强大平台。

近场通信技术及应用

1 近场通信技术研究进展

　　 从目前情况看，近场通信相关的主要技术方案包括以下几种。

● 双界面卡

　　双界面卡是基于卡片的解决方案，由一个微处理器芯片和一个与微处理器相连的天线线圈组成，集接触式与非接触式接口为一体，两种接口共享同一个微处理器、操作系统和EEPROM。非接触界面由读写器产生的电磁场提供能量，通过射频方式实现能量供应和数据传输。接触界面完全兼容接触式卡片应用系统和读写机具。

　　通过双界面卡方案实现的移动增值服务，只限于卡模拟方式，例如电子钱包卡、电子票、门禁卡等应用。目前实现方式包括定制手机、低成本天线组件两种方案。

● NFC

　　NFC是基于手机终端的技术解决方案，将NFC控制芯片、非接触式应用芯片（SmartMx）、射频天线集成到手机上。

　　NFC方案可以实现卡模拟、阅读器模拟、点对点通信三种应用模式，例如支付类应用、票务应用、防伪、广告、数据同步等。

● eNFC

　　eNFC是手机和智能卡相融合的实现方式，将非接触式IC卡应用放在(U)SIM卡中，NFC芯片通过单线通信协议与(U)SIM卡通信，更加符合机卡分离的技术特点。原有的移动通信应用与非接触式IC卡等增值应用由统一的单芯片管理，使得移动运营商可更加安全、简便、有力的对(U)SIM卡以及其中的增值应用进行发行、管理和控制，因此受到多数运营商的青睐。

2 技术标准化

　　NFC由Philips、Sony两家公司提出后，在2003年12月8日通过ISO/IEC（International Organization for Standardization/International Electrotechnical Commission）机构的审核而成为国际标准，并在2004年3月18日由ECMA（European Computer Manufacturers Association）认定为欧洲标准。目前已通过的标准编列有ISO/IEC 18092（NFCIP-1）、ECMA-340、ECMA-352、ECMA-356、ECMA-362、ISO/IEC 21481（NFCIP-2）。

　　为了推动NFC技术的发展和普及，飞利浦、索尼和诺基亚创建了一个非营利性的行业协会——NFC 论坛，旨在促进NFC技术的实施和标准化，确保设备和服务之间协同合作。目前，NFC论坛在全球拥有超过100多个成员，其中包括我国的复旦微电子和清华同方微电子。

　　2006年8月，NFC论坛正式对外发布四份关于NFC的技术文件，使NFC有了更清晰具体的实现方向，同时也使NFC技术与手机的结合取得重要进展。这些文件包括数据交换格式(NFC Data Exchange Format，NDEF)、记录类型定义(NFC Record Type Definition，RTD)，以及与RTD相关的文件与网络资源的基本技术规格(NFC Text RTD Technical Specification、NFC URI RTD Technical Specification)。

　　目前仍有NFC的一些标准没有被确定，自2006年11月USB组织对SIM卡和手机基带间的高速接口进行投票以来，手机中SIM卡与NFC芯片连接的接口标准已经拖延了相当长的时间。国际标准化组织在专注于NFC接口方面的工作，目前仍在进行中。

3 应用模式及国内外案例

　　近场通信业务支持卡模拟、阅读器模拟，点对点通信三种应用模式。 

    卡模拟：银行卡、积分卡、各类储值卡、身份识别、门禁、行业卡等应用；
    阅读器模式：进行读取标签广告、防伪等应用；
    点对点通信模式：提供两个NFC设备之间数据传输、游戏等服务。 

　　 近几年时间里，国内外进行了很多有关NFC技术应用的试验，为技术改进和应用推广奠定了很好的基础，其中包括：

    日本NTT DoCoMo公司自2004年7月推出基于非接触式IC卡式手机钱包业务，希望用手机钱包逐步替代人们在钱包中放置的所有物品。 

    韩国SK Telecom公司推出的基于非接触IC卡技术的MONETA业务，利用手机与银行信用卡结合，使用户使用手机进行现场支付业务。 

    诺基亚推出了新款6131近场通信手机，并进行了关于电子钱包、公交应用、数据业务下载等应用的试验；美国银行试点利用手机提供万事达卡PayPass应用；法国巴黎公交与地铁系统采用近场通信技术，实现了手机购买车票与扣费乘车，并推出了商用版本的SAGEM非接触手机终端和相应的SIM卡；从欧洲到北美近场通信应用已经从试点工作逐步走向试商用。 

    2006年6月诺基亚、厦门移动、厦门易通卡公司、菲利浦公司共同在厦门启动中国首个近距离通信手机支付现场试验。使用Nokia3220手机实现厦门易通卡覆盖的公交汽车、轮渡、餐厅、电影院、便利店等营业网点的手机支付。 

    2007年3月13日正式在上海推出了移动认证业务，这个业务由诺基亚公司和上海质监、上海消防联合实施。执法人员只需持定制防伪应用的近场通信手机，即可随时随地读取烟花爆竹所贴电子标签的全球唯一识别码，并实时上传至防伪服务器与数据库校验。 

    2007年5月17日由重庆移动、重庆市商业银行、结行商务有限公司联合发行的长江掌中行卡正式投入商用。它有标准的非接触IC卡和手机粘贴卡两种体现形式，可广泛应用于传统零售业、网络数字产品消费、公用事业代收费业务、智能化管理领域等。 

    湖北电信目前与武汉天喻合作开发基于小灵通的非接触式IC卡应用，采用应用预置在卡片中的方式，目前已经预置的应用有公交卡、校园卡等。 

基于电信智能卡的近场通信技术探索

1 技术方案特点

　　该方案以SIM卡为核心，应用放在单芯片的SIM卡中，确保了业务完全是由运营商控制并进行有效管理。业务逻辑层与射频RF层分离，业务逻辑由SIM卡管理，而射频由内置于手机的NFC芯片进行管理。采用此方案，可以很容易地将目前已经在Java卡上实现的其他应用，例如银行及公交应用部署在SIM卡上，使SIM卡成为一卡多用的多功能卡。方案特点如下：

    以运营商为核心：在这个技术方案中，所有的非接触式应用都存储在运营商发行的SIM 卡上，因此运营商可以有效地规划和管理非接触式业务，发挥核心的作用。 

    多协议支持：手机可以支持卡片模拟及读卡器模式，兼容ISO 1443 type A、type B、type B calypso、Felica以及RFID-ISO 15693。 

    匮电工作模式：即使在手机关机或者电池用尽的情况下，SIM卡中的非接触应用仍然可以正常工作。对于公共交通及小额支付，这是一个非常必要的功能。 

    多应用支持：SIM卡支持Global Platform(GP)技术架构。这种架构保证了在SIM卡中可以按照一套完整的安全标准创建多个独立的安全域，以存储多种完全不同的应用，例如移动通信、公共交通、电子钱包、票务应用、门禁等。 

    业务的可移植性及延续性：由于应用信息是存储在SIM卡中，因此在用户更换手机之后，所有的应用都可以继续。 

    安全性：SIM卡本身的安全机制为存储在卡中的交易提供了一个安全的运行环境。同时，基于GP架构的Java卡更实现了不同应用之间的隔离，有效防止未授权的恶意攻击行为。 

    开放的解决方案：相关的技术规范均已开放并提交至ETSI。 

2 相关技术环节

eNFC芯片组

　　该芯片组要求支持标准的ISO 15693, ISO 14443-A/B、ISO 18092协议；支持读卡器、卡片模拟以及点对点数据传输三种工作模式，支持匮电工作模式。目前已有Inside公司可提供商用产品，NXP公司也将于2007年底提供此类芯片组。

SIM卡

　　为保证SIM 卡上交易应用的安全性以及交易应用的空中下载，按照Global Platform要求实现SIM卡的应用管理架构。为保证应用提供商及可信任的第三方能够独立开发交易应用，SIM卡应同时支持Java卡标准，以保证卡片及应用的互操作性。同时支持单线通信协议实现与eNFC芯片之间的通信，也必须兼容ISO 7816接口保证SIM卡原有移动通信业务的正常使用，并支持多线程操作模式。目前雅斯拓等多家卡商均可提供此类卡片。 

图1 SIM卡架构图

手机终端

　　手机终端硬件上，需集成eNFC芯片及天线，将eNFC芯片与SIM卡的第六管脚相连，以保证eNFC芯片与SIM卡的通信。在软件方面，实现BIP协议以支持SIM卡通过TCP/IP通道与远端服务器进行通信。SAGEM此类手机终端已经在巴黎地铁的试点项目应用。 

图2 手机终端硬件结构图 

3 重要技术问题研究

（1）NFC控制芯片与SIM卡通信协议

　　考虑到与国际规范兼容问题，NFC控制芯片与SIM卡通信协议将采用单线协议。手机上的非接触模块被划分为如下两个部分。

　　eNFC芯片组：eNFC芯片组与天线一起被设计在手机中，起到一个调制解调器的作用。它主要用来处理射频RF协议本身，将射频信号转换为帧信号从SIM卡上的C6管脚传送到SIM卡中，或者将从SIM卡同一管脚接收到的帧信号转换为射频信号。

　　SIM卡：SIM卡主要用于存储Java应用并处理非接触交易，卡片须支持单线协议并能够与eNFC芯片进行通信。

　　单线协议本身是一个全双工的通信协议，使用电压和电流调制在SIM卡片及eNFC芯片组之间传输数据。 

图3 单线协议概要模型图

（2） 应用安全机制

　　整个系统及业务流程遵循GP标准，以满足应用各方对安全性的要求。根据GP标准，卡片内存被分隔为若干独立的安全域，分为如下两种类型。

    卡片发行者安全域：负责卡片管理功能，控制其他安全域的生命周期，由卡片发行者（通常是运营商）掌控；
    应用提供方安全域：应用提供方可以在自己控制的安全域内下载及安装新的应用。另外，相关各技术环节对应用安全也有保障。
    SIM/UIM卡：按照GP标准实现卡片的应用管理构架，保证卡片上交易的安全性以及应用能够安全的通过空中下载；
    受理终端(POS)：受理终端需根据应用发行方的密钥管理体系、技术规范、业务流程要求进行定制；
    应用发行系统：系统设计符合GP标准，分为卡片发行方、应用发行方系统，采用完全分离的密钥体系，各自独立管理；
    手机终端：只作为透明的传输通道，不存储任何与应用发行、电子钱包消费、充值过程相关的密钥、证书，降低被破解风险。 

（3）匮电工作模式

　　公交、门禁等典型应用均要求支持匮电工作模式，此时能量主要是由线圈感应获得，相对有限。低能量会导致射频性能低和不可靠数据产生，这就要求NFC控制芯片、SIM卡等都具备低功耗工作能力，有效利用手机的残留电量达到匮电工作状态下的良好的射频性能。

应用前景展望

　　电信智能卡未来必将会提供更大存储容量、更高通信速率、更强计算能力以及更加完善的身份鉴权体系。基于以上的技术保障，电信智能卡将会成为一个支持多任务、多应用的业务平台。作为其中一类重要的应用，近场通信技术应用将改变移动运营商、手机厂商、智能卡厂商、系统供应商、应用提供商之间合作的方式，建立新的业务模式与赢利机会，进一步提高用户消费行为的电子化程度，从而成为移动通信行业增值业务新的增长点。

作者简介：中国联合通信有限公司 许海翔 伏京生 联通华建网络有限公司 翟巍 白璐 高博