智能手机很快就将包含近场通信(NFC)无线技术，这使得智能手机能用作钥匙或信用卡。用户只需在NFC阅读器附近挥动他们的手机或与NFC阅读器轻轻接触，两个设备之间就能实现数据交换进而完成交易。自动配对是另外一种新兴应用。
无线技术
NFC的最大范围大约是20cm，典型的使用距离是4cm至5cm，这对安全性很有好处。近场通信技术顾名思义就是使用近场，而不是人们更加熟悉的远场。
远场由正交的电场和磁场组成，这些电磁场距离天线几个波长之外。波形则按照麦克斯韦(Maxwell)方程预测的方式展开，其中电磁场不断交换能量并沿着信号路径相互恢复。场强随距离(d)增加按照比例因子1/d2而减小。
近场距离天线一个波长之内，它也是由电场和磁场组成，虽然磁场占主导地位。信号强度的衰减因子是1/d6，因此与远场相比其有用性要低得多。
实际上，近场是发射天线产生的磁场，可以看作是空心变压器的初级，接收天线可以看作是该变压器的次级绕组。衰减使得总有效无线距离非常短。
近场通信工作在免许可的13.56MHz频率，它需要经过联邦委员会(FCC)发布的CFR47标准第15和第18部分的认证，大多数其它国家也认可这个标准。采用10%或100%调制的幅移键控(ASK)技术。发射的二元数据使用曼彻斯特(Manchester)编码或改进的米勒(Miller)编码以确保传输可靠性。
根据编码和调制百分比，数据速率可达106kbits/s、212kbits/s或424 kbits/s。一些NFC设备使用标准的NRZ-L编码。二元相移键控(BPSK)调制是数据速率为106kbit/s的另外一种方案。典型的信号带宽是±7kHz或高达±1.8MHz，取决于具体的数据编码和速度。
有些设备可以提供848kbits/s的数据速率，但这不是认证标准的内容。更快的甚高比特率(VHBR)修订标准正在考虑中，对某些应用来说可能将速率提高到6.8Mbits/s。
NFC模式、设备和协议
近场通信有两种基本的工作模式：有源和无源(图1)。在有源模式下，电池或电源为两个通信设备充分供电。在无源模式下，其中一个通信设备拥有完整的供电电源，另外一个则完全是无源模式。被称为标签的无源设备从接收到的有源设备发射的射频信号中获取直流工作电源。
图1：近场通信同时使用有源和无源设备
射频标签(RFID)的工作原理也是一样。无源设备先加电，然后使用负载调制(一种低调制百分比的ASK)将数据传回到有源设备。负载调制是将数据调制到848kHz的子载波，然后再将这个子载波调制到13.56MHz主载波。最终，信号将改变侦听设备的阻抗，从而转换成某种形式的ASK。
有源和无源设备工作在212kbit/s和424kbit/s速率时都使用曼彻斯特编码且调制率为10%的ASK。有源设备工作在106kbit/s速率时采用米勒编码和100%调制的ASK，以确保初始连接。图2显示了标准NRZ-L代码和NFC编码选项。
图2：近场通信中使用的二进制波形包括标准NRZ-L格式(a)、交流曼彻斯特编码波形(b)、直流曼彻斯特编码(c)和改进型米勒编码(d)。曼彻斯特和米勒编码可以提供更加可靠的读取，而且时钟恢复非常方便。
基本通信模式是半双工，即一个设备在发送时，另一个设备只能接收。操作模式是在“交谈”前先要“侦听”。其中一个设备是发起设备，必须对信道进行侦听，只有侦听到信道上没有其它信号时才发送信号。发起设备“轮询”可能靠近自己的其它设备。其它设备或目标设备则侦听并根据正式协议响应发起设备。
其它操作模式是读/写、点到点和卡模拟。读/写操作用于在有源设备和无源设备之间从一个设备到另一个设备传送数据。发起设备要么读取无源设备，要么写入无源设备。在点到点模式，两个有源设备可以通过交换数据建立一条进行其它传输的链路。卡模拟模式的工作原理就像是一个有源设备读取一个诸如智能信用卡或标签等无源设备。
NFC标准
目前有多种NFC标准，如NFC-A、NFC-B和NFC-F，它们定义了几种稍有不同的传输技术。每种标准规定了不同的数据速率、调制、编码或工作模式(见表)。执行轮询的发起设备试图检测响应设备的特定模式，然后将自己配置为合适的技术，最终完成事务处理。
另外，NFC标准定义了4种基本的无源标签类型，即从类型1到类型4。每种类型有不同的内存容量，并且匹配某种流行的标准。类型1和类型2分别具有96B和48B到2kB的最大存储容量，工作在106kbits/s。类型3和类型4工作在212kbits/s或424kbits/s，分别拥有1MB或32kB的最大存储容量。
NFC标准进一步规定了一种称为NFC数据交换格式(NDEF)的消息封装格式，用于正常的操作过程之中。每次传输称为一条消息，每条消息由一条或多条记录组成(图 3)。一条记录包含有效负载加上一个定义好的头部，而头部由标识符、长度和负载类型域组成。负载一般是URL或标准NFC记录类型定义(RTD)文件中定义的数据类型。
图3：NFC数据交换格式(NDEF)也称为消息，由一条或多条记录组成。
一条记录包括有效负载以及由标识符、长度和负载类型域组成的头部。
大多数基本的近场通信标准来源于RFID和智能卡标准。这些标准已经成为正式的国际标准化组织/国际电工委员会(ISO/IEC)标准，包括原本由参与公司开发的那些标准：
ISO/IEC 14443A (恩智浦半导体，即以前的飞利浦MIFARE)；ISO/IEC 14443B (英飞凌)；JIS X6319-4 (索尼FeliCA)
射频NFC标准是ECMA340（欧洲标准信息与通信系统协会），并被指定为NFCIP-1或近场通信接口与协议。ISO/IEC将这个标准收编为18092。另外还有NFCIP-2(称为ECMA 352)，以及ISO/IEC 23917。
NFC论坛(www.nfc-forum.com)是一个非赢利的公司推进组织，宗旨是颁发并维护与NFC有关的广泛的相关性规范和标准。它还提供测试与验证程序来提升NFC设备的互操作性。EMVCo是Europay、万事达(MasterCard)、美国运通(American Express)和Visa组成的联合商业风险公司，管理和维护着针对智能卡、销售点(POS)终端、ATM及相关设备的规范。
NFC的安全性
如果NFC用来代替信用卡支付或访问关键设施，发射的数据必须要安全。NFC具有固有的安全性，因为它非常短的工作距离可以防止信号传得太远。不过，这并不意味着NFC系统不会受到攻击。高增益的定向天线和高灵敏度的接收机可以在相当长的距离内窃听到NFC信号，虽然参与攻击的接收机装置可能并不怎么显眼。
安全风险还来自于其它形式的攻击。例如，当错误数据被发送给NFC阅读器或其它激活的设备，就可能发生数据损坏。数据还可能在传输过程中被修改。在“中间人”的攻击中，黑客可以获得发射的数据，然后经过修改再重新发射出去。这些攻击虽然不常见，但是存在可能性。防止数据受到这些损坏的最佳途径是加密，或使用某些技术保证无线信道的安全。实际上所有NFC无线信号都是经过加密的。
“虽然NFC标准早已确定和发布，但在销售点基础设施集成中需要额外加把劲才能完全发挥这种技术的潜能。”IEEE计算机协会成员、Mobile Education LLC公司创始人Ron Vetter指出，“因为移动支付很可能成为NFC的巨大推动力，所以解决用户关心的安全性和隐私性问题在这种技术的快速普及中起着举足轻重的作用。”
NFC应用
NFC有许多潜在的用途。不过最主要的目标应用应该是移动支付。用户在商店和其它场合可以不再使用信用卡，而是将嵌入NFC功能的智能手机作为他们的支付设备。用户只需轻轻挥动他们的手机就能够在饭店、零售商店、停车场、影剧院、体育馆和专卖店以及公交车、火车、出租车甚至全球航班上实现支付。
接入访问是另外一种有潜力的用途。得到授权进入安全性建筑、工厂和地区的人可以将他们的智能手机用作电子钥匙。NFC还可以用来打开 房门、打开车门和启动计算机。
简单的数据交换是另一种可能性。点到点模式允许手机或其它设备相互间交换数据。可以在手机之间传送名片信息，也可以在笔记本电脑和打印机之间发送数据。NFC数据速率对视频或数码相机数据传输来说太慢，但随着更高速率设备的推出，今后也是有可能的。
让两台无线设备相互交谈的配对是更有前途的应用之一。在Wi-Fi和蓝牙系统中建立通信通常是很有必要的。通过在这些设备中采用NFC技术同时集成配对驱动程序，无需用户交互就能自动实现连接。没有什么事比在两台无线设备使用前必须先进行配对更令人恼火的了。NFC是解决这种恼人问题的真正解决方案。
读取标签或智能标贴是另外一种有趣的应用。廉价的只读标签可以放置在几乎任何一件物体上，以便智能手机进行读取。这些标签可以提供一个URL以便获取更多信息，或者可以存储广告文本和图形。宣传海报可以利用标签提供增强的数据。还可以访问地图。出售产品上的标签可以提供规格、特性和价格信息。
移动支付功能
业内似乎非常关注怎样让NFC成为“无卡”支付的关键，但这不仅与无缝的无线链路有关。信用卡公司、银行、蜂窝运营商和零售商必须联合起来打造一个综合的系统才能让这些支付成为可能。这种系统正在慢慢成为现实。
事实上，要建立一个所有人能够使用的电子商务系统需要付出加倍的努力。单一标准似乎不太可能。目标是要吸引成千上万的交易和资金并付诸行动。目前的移动支付用途基本上是挣钱和控制资金的流动。各参与方之间的合作将产生新的组织和系统。目前来看在电子支付领域中已经有好几家共存。
第一个大型支付系统是谷歌的钱包(Wallet)。在谷歌(Google)、万事达和Citigroup之间的这种合作关系在一年前就开始了，但至今没有被大力推广。具有NFC功能的谷歌安卓手机要比其它任何类型手机都多，因此有条件开展上述合作。
另外一个很有影响力的合作关系是在包括AT&T、Verizon和T-Mobile在内的蜂窝运营商之间展开的，称为Isis。试点最近有望在犹他州的盐湖城和德州的奥斯汀开始。商家顾客交易(MCE)计划则召集到了许多大型零售商，如沃尔玛、Target(Wal-Mart)、7-11、百思卖(Best Buy)、 CVS、Lowe’s、Royal Dutch Shell、Sears和Sunoco。不过诸如苹果(Apple)、亚马逊(Amazon)和微软(Microsoft)等其它主要供应商还没有宣布电子支付计划。
至今有140多个独立的电子支付计划在行动。大多数计划可能会泡汤，或者影响力只是在局部地区。最终更多的付出将得到巨大回报。除了获得一部分收入外，这些风险计划中的大多数也希望收集用户数据进行市场研究，并通过针对性广告、优惠券和其它销售策略进一步武装自己。
作为NFC支付替代方案的智能卡已经出现许多年了，它的用途还在继续扩大。智能卡内置有带处理器的芯片和读/写接口，可以与零售点和饭店等的阅读器发生交互。阅读器通过接触嵌入的芯片就能连接智能卡。智能卡比传统的磁条信用卡更加安全。
适用这种智能卡的主要标准是EVM，它是Europay、万事达和Visa的一个合资品牌。管理EVM事务的组织被称为EVMCo。美国运通、JCB International、万事达和Visa联合拥有EVMCo。大多数流行的信用卡使用EVM标准，该标准对接触型卡来说基于的是现有ISO/IEC标准7816，对非接触型RFID芯片来说基于的是ISO/IEC 1443。
“今天在NFC移动支付和其它移动商务活动领域有许多试验在开展，这些试验活动的主办方主要是移动网络运营商以及参与厂商(比如谷歌、PayPal)和零售商(如星巴克)。Target、沃尔玛、百思卖和CVS等新加入的企业也在寻求推行NFC支付服务。”IHS iSuppli公司消费与通信部总监Jagdish Rebello指出。
“这些试验旨在提升客户对这种技术的认知度，改善用户界面，并挑选出合适的商业模型，帮助价值链中的各个节点找到NFC的赢利点，并开发出能够充分发挥这种技术优势的新产品来。随着这些问题自身的解决，NFC将在不远的将来成为关键的支撑技术。”Rebello表示。
利用NFC开展设计
在智能手机中增加NFC、设计NFC阅读器终端或者规范NFC标签相对都比较容易。最大的挑战在于手机设计，因为NFC代表又有一种无线信号必须增加到早已拥挤的无线设备中，这些设备通常已经包含有多种蜂窝无线、Wi-Fi、蓝牙、GPS甚至有时候还有调频收音机信号。
找到合适的空间是关键问题，因为13.56MHz这样相对的低频信号要求较大的元件。芯片很小，但天线是印刷电路板(PCB)环路或位于铁氧体磁心上的电感，这种天线必须能调谐并匹配芯片。这就要求大部分空间。额外的功耗在一些设计中也是个问题。最终设计成为选择一款芯片、然后将它与天线一起挤进可用的空间。大型零售阅读器设计比较容易，因为它们具有较大的体积，可以使用改进的天线以及交流电源。
有多家供应商可以提供商用芯片。大多数较大的半导体制造商都有一些包括射频标签在内的NFC元件。这个领域中的领导者是恩智浦(NXP)公司(以前的飞利浦半导体公司，NFC创始者之一)，估计占有80%的市场份额。
最为广泛使用的NFC器件之一是恩智浦的PN65K。这是一种双芯片模块，包含了NFC收发器和控制器以及用于保证安全的安全智能卡控制器。收发器所采用的8051微控制器符合所有NFC有源模式、无源模式和标准。两颗芯片通过S2C或NFC-WI(有线接口)总线进行通信。
PN65K还提供SPI、I2C和UART接口。在使用较大的天线并且功率足够大时，读/写距离可达50mm。智能卡控制器采用了一款公钥基础设施(PKI)协处理器和一款双路3-DES密钥协处理器。
恩智浦的PN544与PN65N管脚兼容，但可以与其它安全芯片一起使用。它也支持NFC-WI有线接口标准ECMA373，可连接外部芯片。恩智浦的PN547则是PN544的改进版本，具有更长的读/写距离、更小的外形尺寸和低于50%的功耗。
博通公司(Broadcom)的BCM20791和BCM20792采用40nm CMOS工艺制造。这些NFC控制器是业界最小的器件(4mm×4mm)，具有极低的功耗。它们能够连接SIM卡或非SIM安全芯片实现安全传输。这两款芯片还可以与博通的BCM4330蓝牙、Wi-Fi和FM组合芯片成套应用于手机。
德州仪器(TI)提供一系列为NFC阅读器终端设计的IC产品。TRF7970A是一种NFC/RFID收发器IC，采用5mm×5mm、32引脚扁平无引线(QFN)封装。它符合所有NFC标准，包括NFCIP-1(ISO/IEC 18092)、NFCIP-2(IISO/IEC 21481)以及IDO14443A/B和FeliCa。TRF7970A能与TI的MSP430微控制器或ARM CPU一起使用，具有100mW(20dBm)和200mW (23dBm)的可编程输出功率。这款芯片提供SPI和并行接口以及128字节的FIFO。
奥地利微电子公司(Austriamicrosystems)的AS3911 NFC阅读器IC符合包括EMVCo支付系统在内的所有NFC标准(图4)。它集成有一个电容传感器，当标签出现时只需5μA就能唤醒。该芯片还含有针对性能优化过的全自动天线。由于能提供1W输出功率，因此无需再使用外部功放。AS3911支持14443标准的VHBR草案修订版，支持高达6.8Mbits/s的数据速率。
图4：奥地利微电子公司的AS3911采用专用的控制逻辑，实现了一个阅读器所需的所有基本NFC标准。
AS3911使用外部的27.12MHz晶体，拥有一个SPI外部接口，并且兼容更快的6.8Mbit/s VHBR标准。
基于微软Windows Phone 7平台的诺基亚(Nokia)Lumina 610智能手机使用了INSIDE Secure公司的MicroRead v3.4 NFC控制器和Open NFC协议堆栈软件(图5)。另外，INSIDE Secure公司的SecuRead NFC平台最近通过了EMVCo平台安全评估测试，现在已经认证能与13亿种EMV兼容的卡和标签一起使用。这种平台由英飞凌的SLE-97嵌入式安全单元、兼容GlobalPlatform的Java卡操作系统以及INSIDE MicroRead NFC控制器和Open NFC协议堆栈组成。
图5：基于微软Windows Phone 7平台的诺基亚Lumina 610智能手机
使用了INSIDIE Secure的MicroRead v.3.4 NFC控制器和Open NFC协议堆栈软件。
此外，INSIDE Secure公司的MicroPass 4101-2K NFC标签自带2kB内存，符合NFC论坛的类型4标签要求。这些内存足以存储长URL、名片、手机号码或Wi-Fi或蓝牙配对信息以及可以被NFC设备读取的其它应用数据。
最后，Marvell公司推出的智能手机用88W8897组合芯片集成了NFC、802.11ac Wi-Fi以及Wi-Fi Miracast和定位引擎(图 6)。其它供应商也正在他们的组合芯片中增加NFC功能。
图6：Marvell公司的Avastar 88W8897使用了802.11ac 2×2 MIMO和波束成形技术，可以产生适合视频应用的867Mbit/s数据流。
除了蓝牙4.0和NFC无线功能外，88W8897还包含额外的Wi-Fi功能。
NFC的未来在何方？
预测NFC电子支付的用途和增长是非常有意义的。随着智能手机使用的持续增长，以及越来越多的手机中集成NFC功能，电子支付的潜力将越来越大。今天，已经超过50%的美国公民有智能手机，但大多数没有NFC功能。不过苹果的下一代iPhone有望包含NFC功能。
据IHS iSuppli公司的Jagdish Rebello介绍，目前只有12%至15%的智能手机具有NFC功能。他指出，2011年具有NFC功能的设备有1.06471亿部，2012年将达到2.32057亿部。他预计到2016年这个数字将增长到9.89142亿。更多具有NFC功能的手机显然将促进电子支付的兴起。
据市场研究公司Gartner估计，2016年电子支付市场将从2012年的1720亿美元增长到6000亿美元。Gartner还预计2016年使用电子支付的全球用户数量将从今年的2亿出头增长到4亿多。
Juniper Research最新发表的市场报告预测，到2017年总的移动支付交易额将达到1.3万亿，其中大多数来自实物销售。不过即使是到那个时候，实体产品的移动销售额仍只占所有全球零售交易额的4%。
NFC标签和标贴也许能证明会非常流行。由塑料或纸张制作的这些标签将集成NFC/RFID芯片，可提供一些有用的文本、图形、广告、地图或URL信息。随着更多的智能手机提供NFC，这些标签的使用将越来越广泛，它们的价格将足够便宜，可以应用于种类广泛的物品或其关键部分。这些标签的发展即使不超过支付功能也会像支付功能一样红火起来。
NFC支付的推广如此缓慢的原因有很多。首先，具有NFC功能的智能手机数量目前还较少。不过最终大多数智能手机将拥有NFC无线功能。其次，谁会支持所有这些NFC智能手机？消费者会选择哪种支付业务？公众仍需要获得NFC方面的培训。消费者最终必定会选择一种服务，但面对如此多的选项，选择本身就是一道难题。
另外，零售商的销售点终端必须升级才能集成NFC阅读器。这是一次代价高昂的转换。谁愿意为这种转换买单？
最后，NFC电子支付必须提供一些明显的优点。消费者不必携带许多信用卡，交易不会持续很长时间。但这些是否足够让广大民众转向NFC支付呢？许多消费者可能不希望在手机中存储他们的财务信息，即使NFC像信用卡一样安全。最终传统信用卡不会完全消失，但电子支付仍将用于许多交易。
更多信息
拥有近200位成员公司的NFC论坛是一家非赢利组织，致力于推广NFC，维护相关标准，并提供互操作性方面的测试与认证。PYMNTS.com网站上发表的未来支付方式专栏主要提供包含NFC在内的支付方面的新闻。
信用卡还不会过时
近场通信(NFC)技术将逐渐应用于智能手机实现移动支付。但信用卡仍然是许多消费者交易的主要方式。事实上，Square正在促进信用卡的推广。其独特的智能手机和平板电脑附件允许几乎所有人接受信用卡进行支付(见下图)。
Square附件可以插入iPhone、iPads和大多数安卓智能手机与平板电脑的耳机或麦克风插座，将它们转换成能与Square建立无线链路的信用卡阅读器，从而完成交易。
Square适配器可以插入大多数苹果iPhone和安卓智能手机上的附件插座。它包含信用卡阅读器和软件，可以实现回传到Square的蜂窝连接，进而实现交易。
任何人都可以签约Square，它能与万事达、Visa、美国运通和Discover一起使用。Square要求每次交易支付2.75%的手续费，这要比其他公司通常要求的4%至5%低。许多大型零售商(如星巴克)已经在使用Square，这不仅保持了信用卡在与NFC竞争时的竞争力，而且也会促进信用卡的使用。
PayPal公司类似的PayPal也能插入智能手机和平板电脑，以便用户刷信用卡。PayPal需要2.7%的手续费。来自各家不同公司的其它支付选项包括使用短消息、QR编码和条形码以及各种特殊应用。与它们相比，NFC具有很强的竞争力。(end)
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