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NFC应用导航—纵观NFC技术背景与发展现状

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发表于 2015-3-25 10:47:17 | 显示全部楼层 |阅读模式
导言
   毫无疑问的,卡片技术仍不断在演化中,过去印字卡、磁条卡在体积上至少都需要名片般的大小,只能放在皮夹内,如今提升至芯片卡后,小到可以嵌入到手机(如:SIM卡)、手手表(如:SONY的FeliCa)中,将芯片卡的体积设计成与现有磁条卡相同的大小,不过是为了迁就使用者的习惯罢了。
   然而,芯片卡也不是卡片的最终型态,有金属接脚的接触式芯片仍需要插卡、退卡等机械动作,容易造成寿命磨耗,因此开始有非接触式的芯片卡(Contact-less Smart Card),运用感应原理运作,或者也可说是无线化的芯片卡(Wireless Smart Card)。
   那么,卡片芯片化、存取无线化已是最终型态了吗?答案依然是否定,因为Philips与SONY、NOKIA联手提出了新型态的无线芯片卡:近场通讯(Near Field Communication;NFC),将让芯片卡有更多意想不到的应用。
既要收敛一统 又要多样发挥
   过去即有无线芯片卡的规范,为何今日又要再提出NFC呢?
   答案在于更专精、更多样化的应用,「既专精又多样」这听来似乎有些令人矛盾,且让笔者详细解释。
   所谓专精,主要是将无线通讯辨识的技术进行应用对象的区别,分成「动物」、「个人」、「货品」,今日常言的「为动物植入芯片」,以防止宠物走失、遗弃究责、畜牧管理等,所用的是ISO 11784、ISO 11785等规范(使用125kHz频段),此方面已相当成熟,少有新变化。
   然而「个人」与「货物」的规范就稍嫌紊乱,常见的有ISO 14443A、ISO 14443B、ISO 15693、ISO 18000-3、以及SONY的FeliCa等,这些都使用13.56MHz频段,ISO 14443A、FeliCa等只有数公分至十数公分的感应距离,多用于身份辨识之用;而ISO 14443B、ISO 15693、ISO 18000-3(即是RFID)则有数十公分至数公尺的感距,多用于货柜、货箱盘点之用(日后将逐渐扩展至一般商店卖架)。
   从趋势来看,货管方面已开始朝RFID方面一统,或至少要兼容RFID(如:ISO 15693兼容ISO 18000-3),同样的身份辨识的运用也开始需要更一致的依循,然后以共同依循为基础往上延伸,眼前ISO 14443A、FeliCa等各由Philips与SONY所提出,两种规格各有不同,ISO 14443A于1996年便已出现,使用普及,包括国内捷运的悠游卡(EasyCard)亦采用,而近年来才提出的FeliCa在技术上较新,实际运用方面除了在日本商店、车站之外,也扩展至亚洲的运输票务系统上,如香港的八达通卡、新加坡的ez-link卡。
   如果ISO 14443A与FeliCa各自发展,将有可能如过去Beta、VHS录像带规格的无谓争斗,所以Philips与SONY决定共同推展一统性的方案,即是NFC。NFC将可相容现有的ISO 14443A(亦是Philips自有的MIFARE)及FeliCa(曾期望申请为ISO 14443C,但之后放弃),使身份辨识的无线芯片卡获得更专注一致的发展。
   所以,RFID(ISO 18000)专注于仓货盘查,NFC(ISO 18092)专注于身份辨识,有了一致的规格默契后,再进行更多样的无线应用。
   至于更多样的应用,除了身份辨识、优惠储值、偏好记录之外还能有何应用吗?答案是肯定的。NFC的目标相当远大,辨识、储值、记录都只是基本运用,NFC希望成为各种手持装置的预设基础无线接口,例如成为装置与计算机间的无线同步接口、无线下载或上传接口,成为装置与电视、视讯盒互通的接口,成为装置间对传的接口,成为装置与其它无线通讯(如:Bluetooth、WiFi)的衔接接口,不再限定只是卡片用途,更具体地说,就是希望用无线感应来担任虚拟连接器(Virtual Connector)的角色。
   再从另一个角度看,确实「人」与「物」的无线辨识应用有很大的不同,物上的无线标签强调低廉,相对的个人的无线身份辨识强调安全;货物盘点强调长距离、大范围感应,个人则只需要摆脱机械接触的短距感应;货物盘点需要不断强化相同时间内的辨识数目,以及辨识日益加快移动(多半指运输带、通关口、仓管进出处)的物品,且每次辨识的信息传量不大,相对的人则强调单一、快速、大数据量的无线传输,少有大量、快速的辨识需求(高流量票务系统例外)。 
  NFC的发展与技术
   与现有其它无线规格相同的,NFC也是以国际标准为基础来进行商用推展,2002年12月欧洲通讯标准组织ECMA通过Philips提出的申请,将NFC列入ECMA 340规范,之后2003年9月SONY也加入NFC,2004年9月正式由ISO通过为ISO/IEC 18092。
   附注:2004年12月ECMA推出ECMA 340第二版,内容与ISO/IEC 18092完全对应。
   附注:ECMA 340为NFC的主体标准,即是规范与制订NFC的接口与协议:NFCIP-1(Near Field Communication Interface and Protocol),另有相关规范标准:EMCA 356、EMCA 362,前者规范NFC在无线收发接口上的测试方法,后者规范NFC在协议传输上的测试方法。
   ISO 18092颁布后,同样在2004年,Philips、SONY与NOKIA共同发起了NFC论坛(NFC Forum),共同推动NFC的发展与应用,目前的主要会员有MasterCard、NEC、Samsung、Panasonic、NIKIA、SONY、Microsoft、Philips、TI、Motorola、RENESAS、VISA、Logitech、Gemplus、LG、SIEMENS、Infineon、Sony Ericsson、JCB等。
   至于技术表现上,NFC目前最高传速为424kbps,最远传距为20cm,不过这必须进一步说明,除424kbps外,NFC另有106kbps与212kbps的传输速率,传距达20cm亦需要补充,这必须是在主动模式(Active Mode)下才有的距离,被动模式(Passive Mode)下最远仅10cm。
   接着还有更多的技术细节,NFC实体层面使用振幅偏移(Amplitude Shift Keying;ASK)的调变法,并使用射频碰撞避免法(RF Collision Avoidance;RFCA)来因应多方同时存取的需求,此法与ZigBee的CSMA-CA法异曲同工。这也是NFC独特之处,NFC不似传统卡片将存取限定在一对一的两方,而是允许同时多方相互存取(类似无线网络)。另外在收发双工方面NFC是以时槽(Time Slot)方式来处理。
   在数据链路层面,NFC使用曼彻斯特(Manchester)编码法,且在传输侦错、更错上可选用CRC演算,且在实现上是以ITU-T V.41规范为依据。
   虽然目前NFC最快为424kbps,但事实上其所用的ASK调变技术仍有提升空间,根据NFC标准中的预先定义,未来将会有846kbps、1695kbps、3390kbps、6780kbps的可能性,不过必须在主动模式下才能如此高速,被动模式最快应当即在现有的424kbps。
   所谓主动与被动,其实与RFID的定义相同,通讯双方有一方完全不具备自有电力,而直接取用发波方送来的载波作为短时间内的运作能量,此即是被动模式,相对的若有自带电能,自行能发波与另一方沟通,则称为主动模式。另外在NFC标准的文件中也经常用到两个角色名词:Initiator(初始方)与Target(目标方),Initiator指最先发起沟通与发波的一方(自带电),Target则为响应的一方,Target若是倚赖载波电能的吸收而运作便属被动,若自带电力运作则属主动。
   主动由于双方都具自有电力,所以能提升传输速度或传输距离,不过NFC似乎将主动化的提升潜力用于增加传速,若用在提升传距则会与RFID之类的货管运用相近,且笔者从各种迹象看,NFC未来的规划也都是朝加速传输迈进,对增加传距毫无表示。
   然而坚持短距(20cm内)诉求亦有其好处,Bluetooth、WiFi都有一定的传距(数公尺至数十公尺),且都使用ISM通用频段(2.4GHz),因此需要强化抗干扰方面的设计,如跳频(FHSS)、展频(DSSS)等。而NFC虽也使用ISM通用频段(13.56MHz),但由于频率较低,加上传距短,干扰的问题也就相对减少许多,不需要花太多的制订心力在抗干扰上。
   此外,ASK调变法本就不适合用于长距传输与干扰环境上(调变后所送出的信号振福会因距离拉长而导致能量衰减的信号改变,或因干扰而改变),笔者个人推测Philips会退出ZigBee,或许与ZigBee不断朝短讯、长距发展有关连,短讯、长距的运用取向等于是与现有NFC反向而行。 
  「NFC手机」将是杀手应用?
   过去的非接触式芯片卡多半与接触式芯片卡一样,被制做成兼容于一般磁条卡的模样,并放于皮夹中,非接触式的好处是不用再从皮夹中抽出卡片,直接将皮夹近接感应即生效,比接触式更为方便。
   然而人类追求方便的动力从未止尽,进出捷运口还得掏出皮夹来感应,能否连「掏」都可以省略呢?答案是有的,SONY提出的FeliCa,就提供嵌入于手表内的方案,只要将手表靠近查票口即可通关,而且感应时间比一般非接触式芯片卡更快,一般为0.3sec,FeliCa仅0.1sec,这对高进出量的交通站而言相当受用。
   随身物的嵌入运用成为非接触式芯片卡的新致力方向,嵌入作法使其体积更小、运用更方便。不过,今日的个人随身物不仅有手表,手机也相当地普及,因此NFC吸取上述种种优点,认为将NFC接口及功能嵌入至手机是最新、最有利的作法,此便成为NFC手机。
   嵌入至手表与嵌入至手机有何差别?首先,就被动(Passive)运用而言差异不大,但在主动运用下就有差别,嵌于手表的NFC芯片、接口若使用手表的电能来运作,则必然要使用数字表(模拟的机械、石英表不具电能),且电子表所携的电力有限,不能供NFC长时间运作,相对的手机拥有较手表充沛的电力。
   再者,手机本身必然都要有SIM卡,作为辨识与账单的依据,SIM卡亦是芯片卡,但目前却多只用于简易的信息记录,实在可惜,若能让SIM卡除了机内接触存取外,另以NFC为其增辟外部的无线通讯管道,成为Dual Interface(接触接口与无线接口)的Smart Card,就可以加入更多的应用,虽然NFC手机在感应上没有NFC手表方便(依然要掏出来),但应用上却可更为多样,也比传统卡片型式多样,理由是薄卡不易置入电池,即便有薄型电池可内嵌,电力也比手机少,充电、换新也都比手机困难。况且,主动模式愈是高速、长时间运作,愈可能实现多样的应用,而高速、长时间就需要充沛的电力为援。
   当然!个人随身物还有PDA(个人数字助理)、DSC(数字相机)、MP3 Player(数字随身听)等,且电容量都不见得低于一般手机,但是论普及度依然是手机第一,愈是普及愈有机会开拓新的运用,一个银发族、菜篮族也会用手机,但不见得会用MP3随身听、数码相机。所以「NFC手机」等于是替未来芯片卡的各种杀手应用做好铺路、打底。现在BenQ、Motorola、NEC、NOKIA、Samsung、SIEMENS都有意愿推出NFC手机。 

NFC普及三部曲:NFC卡片、NFC用品、NFC网域
   「普及」是推倡任何新通讯应用的最高指导原则。回到近百年前,若全世界只有您家申装电话,还不知道要打给谁?
   为了普及,NFC方案必须尽可能便宜,分析师认为任何的NFC内嵌花费当设在2美元以下,另外要尽可能增加用量。因此,即便NFC手表、NFC手机等嵌入方案较有应用愿景,但不排除以最传统的卡片型式出现,毕竟习惯上的兼容也有助于增加NFC的用量。
   所以,NFC除了最传统的NFC卡片外,进阶作法才是内嵌于随身装置的NFC用品(可称为智能型用品:Smart Object),最后如前所述,NFC并非只能一对一相连,亦可多方互连,当NFC卡片、NFC用品够普及时,NFC所构成的互通网域就会显现,以「卡→物→网」的普及方向努力。
   不过,NFC论传速、传距都低于WPAN定位UWB(Ultra Wide Band),以NFC所建构成的无线网络,将会是超小范围(20cm内)、中低传速(6.7Mbps内)的WPAN,笔者姑且将此称为「Mini WPAN」

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