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关于近场通信技术的调查

摘要：

近场通信（NFC）作为一种短距离无线通信技术，它为全球几十亿的手机用户提供各种各样的服务，服务范围从支付到办公室和家里房子钥匙。最终NFC技术将所有这些服务集成到一个的手机。近几年出现了NFC技术，目前还没有多少学术来源可以利用。相反，由于其有前途的商业案例选择，在不久以后将有越来越多的工作要研究。本文从不同角度全方面介绍了NFC技术的概念理论，，包括通信要领的标准，生态系统和商业问题，应用程序以及安全问题。打开这个研究领域，并进一步从学术和商业的角度来来进行建议性的学习研究，同时在每个主要学科的结尾进行探讨和讨论。这个全面的调查对于研究人员和学者以及企业界对NFC技术感兴趣的人来说将是一个有价值的指导。

关键词：

近场通信（NFC）；调查；通信精要；生态；商务；安全；应用；应用开发；安全元素

1介绍

无处不在的计算和最近的环境智能被定义为“技术无形嵌入”，并通过简单的相互作用启用，适应我们所有的感官并且适应用户和语境。”如今，技术已经被无形地嵌入到日常生活中并且它们越来越无处不在。随着移动通信提供的计算设备的日益增加，无处不在的计算的发展迈出了重要的一步。

在引入近场通信（NFC）技术之前，移动电话已经具备了与外部环境的几个通信选项。最初推出手机时，主要目的是使移动电话和有线电话能够进行语音通信。GSM（全球移动通信系统）通信启用了移动手机的几项服务功能，如语音通信，短信（短消息服务），彩信（多媒体短信服务）甚至互联网接入服务。蓝牙技术在创建了连接外设与包括移动电话在内计算设备个人区域无线网络之后推出。

目前，NFC技术的一种新的交互方式，即“触摸模式”，一直受到人们的质疑，这种交互作用可以被认定为“两个设备的蓄意汇聚，或者目的是获得服务。”NFC作为一种普适计算引擎，它是一个“非接触式识别和互联技术的组合”，即需要使两个NFC兼容设备互相接近，基本上要相互接触。用户首先与智能对象（无论是NFC标签，NFC阅读器，或另一个具备NFC功能的手机）使用其NFC功能的手机（简称：NFC移动）进行相互作用。接触发生后，NFC移动可以进一步利用接收到的数据，或者可以交替使用所提供的移动服务，如打开网页，使Web服务连接等。

到目前为止，许多NFC试验正在世界范围内进行，特别是在支付领域。所有的试验都得出这样的结论：随着NFC技术的发展，手机将要变成一种更加安全，更方便、更快和更时尚的物理工具。NFC技术允许人们把他们的日常忠诚卡，信用卡等纳入他们的手机。此外NFC技术为移动电话提供了NFC读写器的能力，因此RFID（射频识别）标签可以被读取。

NFC技术的一个令人鼓舞的功能是在移动手机的安全模块能够保证个人和私人信息的安全存储，传统上这些信息保存在其它地方如信用卡或借记卡。由于触摸范式的技术强制执行，挖掘数据变得更加困难，因为它是在短距离内进行移动通信。

随着移动电话处理能力，互联网接入能力，以及更多的功能的增强，很多创新服务将通过NFC技术启用。NFC技术使交易变得简单，提供了简单的内容传递和信息共享。同时，它为各种利益相关者创造了的新机遇；为移动运营商、银行、运输商和商家带来更快的交易，减少现金处理和新的运营商服务模式。

本研究以一个全面的方法从不同的角度阐述了NFC技术的概念，通信要领，生态系统和业务问题，应用以及安全问题，并且提供了拥有开放的研究领域和指导方针的全面的调查。

本文的其余部分是围绕基于NFC技术的主要研究领域开展。在第2章节，我们提出了包括运作模式和协议栈体系结构在内的NFC技术通信要素，NFC设备和硬件问题，最后在射频层的数据传输特性。在第3章节，就NFC技术的安全和隐私问题进行讨论。对安全元素（SE）及其管理进行探究。在第4和第5章节，陈述了NFC技术的潜在服务领域。此外，在每个主要部分的最后，我们提供了有用的指导，并建议为读者开放研究问题。

2 近场通信技术

2.1 NFC移动架构

集成在移动设备的NFC技术是典型集成电路，如安全元件（SE）和NFC通信接口。NFC接口由一个非接触式、被称为NFC非接触前端（NFC CLF）的模拟/数字前端，一个用于启用NFC交易的被称为NFC控制器的集成电路，和一个NFC天线组成。

Gebhart和Szoncso的研究描述了与应答器系统特性相关的天线的设计方法，用来演示如何有效地将已建立的芯片平台与较小的天线形成因素相结合。同样，在文学方面，其他新颖的建议和实验方法可能被发现可以优化NFC天线作为阅读器和转发器的设计。NFC收发器芯片组的设计目的是提高通信质量、射频接口和安全性。

一种具有NFC功能的移动电话包括通过NFC设备进行安全交易的安全元件和在安全环境中的敏感数据。根据研究显示，安全要素为程序和数据提供了一个动态和安全的环境，它使有价值的存储，敏感的私人数据，如用户信用卡的信息，安全存储和运用NFC功能的服务的执行，像非接触支付，它在卡仿真操作模式中是有效的。

移动设备可能包含基于需求的额外的安全要素。NFC控制器通过单线协议或NFC有线接口连接到安全元件上。然而，至今NFC文学不包括任何物理层面（涉及到安全性，性能或其他参数）的比较分析。

安全元件可以从主机控制器（内部），以及从射频场（外部）被访问和控制。主机控制器，换句话说是基本控制器，是NFC移动设备的核心。主机控制器通过HCI，收发数据的进程设置NFC控制器的操作模式，并在NFC控制器和安全元件之间建立连接。

2.2 NFC操作模式及其要点

NFC技术得益于各种因素，如智能卡，手机，读卡器和支付系统。各种标准化机构定义NFC技术应该如何集成到移动电话和其他相关设备，如用于交易的智能卡。所有标准化机构的共同愿景是使NFC技术的访问，互操作性和安全性更加简单化。

基于NFC设备与NFC移动端的配对和演示通信，定义了三种NFC通信模型。其通信协议和标准等根据不同的操作模型而有所不同。

2.2.1 NFC操作模式及其要点

在读/写操作模式下，主动的NFC移动端启动无线通信，并且可以读取和修改存储在NFC标签中的数据。NFC标签实际上是无源RFID标签，也可以称为NFC应答器。在这种操作模式下，NFC移动端可以读取NFC论坛规定的标签类型，1型、2型、3型和4型。这使得移动用户能够检索存储在标签中的数据，并且检索之后采取适当的操作。

除了NFC论坛规定的标签类型，NFC论坛标准化了通信双方的数据交换格式（即NFC数据交换格式，NDEF）。NDEF定义了两个NFC设备之间交换的数据的格式；主动设备和应答标签，或主动NFC设备和有源NFC设备间的数据。

根据NFC论坛，NDEF是二进制信息格式，它将一个或多个被定义的应用程序压缩装载到一个单一的信息内。Rolandand Langer定义NDEF为一个标准化的格式，用来在NFC标签上存储格式化的数据和NFC点对点的连接传输数据。

一个NDEF消息包含一个或多个NDEF记录。记录可以链接在一起，以支持更大的有效载荷。一个记录是承载带有NDEF信息一个有效载荷单元。每一个NDEF记录承载着描述它的负载的参数；有效载荷长度，有效载荷类型，和一个可选的载荷标识符。NDEF具有共同格式的可变的长度记录。记录中的每个单独字段具有不同的特征。

作为NDEF信息格式的各种记录类型通过NFC论坛定义。记录类型字符串字段包含作为记录类型名称记录类型名字。记录类型名字被用作用于识别语义和记录的内容结构的NDEF应用。记录类型的名称可能是MIME媒体类型，绝对URI（统一资源标识符），NFC论坛外部类型名称或众所周知的NFC类型名称。每个记录类型定义由其记录类型名称标识。

2.2.2点对点通信模式的要素

在点对点模式下，两个NFC手机建立双向连接来交换信息。点对点工作模式的射频通信接口按照ISO/IEC 18092被标准化为“NFCIP-1，使两个主动设备之间的“请求响应模型”得以实现。在这种模式下，NFC手机可以交换任何种类的数据，如名片，数码照片等。

一个新的数据连接层协议，称为LLCP，通过NFC论坛标准化的支持两台具有NFC功能的设备实现点对点通信被标准化。LLCP对于任何NFC应用进行双向沟通是非常重要的。LLCP为点对点模式的应用提供了一个坚实的基础，并且也加强NFCIP-1协议提供的基本功能。根据NFC论坛、LLCP提供了五个重要的服务；无连接的传输服务；面向连接的传输；链接激活、监督和钝化；异步通信，第二协议复用。

NFCIP-1利用引发器-目标模式，在这种模式中引发器在开始通信之前被定义。然而在LLCP通信中设备是相同的。在初始握手之后，由应用程序层运行的应用程序做出决定。在研究中，一个有价值的比较通过NFCIP-1 LLCP之间的社交网络应用展开。NFCIP-1和LLCP在应用开发过程中进行测试。因为LLCP不确定哪个设备会是引发器，用户可以通过LLCP在MAKING朋友中进行轻松体验。带有仿真模型的LLCP的延伸调查也会是一个很有前途的研究领域。

作为点对点操作模式协议栈结构同样根据NFC论坛规格，NFC设备操作点对点模式有以下协议栈的要素，如图9：

bull;模拟和数字协议是NFCIP-1的低层协议规范。

bull;LLCP允许在两个NFC设备之间传输上层信息单元。协议绑定为NFC论坛协议提供标准绑定，并允许注册协议的互操作使用。

bull;NFC论坛协议就是NFC论坛定义的LLCP的一种绑定，如OBEX，IP。

bull;简单NDEF交换协议允许交换NDEF信息。它也可以运行在数据连接层由LLCP提供的其他协议。

bull;通过简单的NDE交换协议，其他协议或NFC论坛协议，应用程序可以运行

这些应用程序包括照相机打印，名片交换等。

应用

NDEF交换协议

和其他协议

NFC论坛协议

协议结合

逻辑链路控制协议（LLCP）

数字协议

模拟

2.2.3卡仿真模式的通信要素

在卡仿真模式中，NFC设备使用类似的数字协议和智能卡模拟技术，他们完全兼容的基于ISO / IEC 14443A型，B型和电子钱包的智能卡标准。只要用户接触到NFC手机阅读器，NFC手机就像一个标准的智能卡，从而NFC阅读器与应用程序上的SE进行交互。卡仿真模式要有效且安全地使用SE，需要高安全性地执行功能。

bull;卡仿真操作模式的协议栈架构

在卡仿真模式中操作的NFC设备使用相似的数字协议和智能卡模拟技术，他们完全兼容的智能卡标准（图11）。卡仿真模式包括专有的非接触式卡应用，如付款，票务和访问控制。这些应用程序是基于ISO / IEC 14443的A型、B型、手机钱包通讯接口。还有一些其他开放的研究领域，尚需学者和研究人员更多的提高。一些具有挑战性的网络，硬件和软件水平的研究如下。

bull;附加于NFCIP-1，LLCP的NFC替代协议的发展，以促进P2P交易，

bull;NFC协议仿真模块的开发，如NFCIP-1

bull;天线耦合，射频效率，铁氧体质量和节约成本的问题的分析，

bull;NFC标签作为应答器的仿真模型的发展，

bull;对于NFC新的调制解调和编码技术的设计，

bull;简单和低功耗调制方案的探索，

bull;的高带宽策略优化设计，

bull;节电和功耗问题的分析，

bull;在硬件和软件方面NFC手机的用户界面和NFC功能的管理建议，

bull;启动动态数据NFC动态标签的检测，而不是NFC静态标签，

bull;NFC技术与操作系统的集成，

bull;NFC环境下服务机制的质量的发展。

因为NFC技术使各种非接触票务、支付，以及其他类似的应用程得以成功实现，在NFC手机的安全区域存储和管理有价值的私人信息（例如：信贷卡，借记卡）是NFC基本系统的要求。如果不这样，数据可能通过GSM或三分之一的可能滥用他们其他接口传输.要解决这样的活动，相关NFC应用程序需要在一个受保护的环境中执行和保存，这就是NFC手机安全元件的存储。SE是嵌入在一个移动手机内使安全存储得以实现的硬件，软件，接口和协议的结合。SE还具有一个操作系统（例如，MULTOS，java卡），它支持安全应用的执行和应用数据的安全存储。

到目前为止，各种SE替代品进入市场，这使得金融机构和其他公司提供安全的NFC功能的服务和授权的NFC生态系统迅速发展。通过研究可知，主要SE选项可以被分为可移动安全元件，不可移动安全元件，在专用硬件里基于安全元件的软件，以及其他灵活的SE解决方案。图12显示目前每个安全元件类别里可用的选项。现在我们了解了，在NFC价值链中对于不同利益相关者和定价模型安全元件都扮演了重要的角色。

bull; 嵌入式SE：嵌入式SE是一个集成到移动电话不能被删除的智能卡。根据这项研究发现，SE提供的安全级别和智能卡支持的一样高。在制造过程中芯片被嵌入到移动电话，并且在设备被交付给最终用户之后必须将它个性化。

bull;标签：根据Mobey论坛，NFC标签的目的是使服务提供商快速启动的飞行模式并开始部署NFC服务，如支付、信用、运输等。有两种类型的贴纸；主动和被动贴。理论上，有源标签使所有NFC服务得以实现，而且将NFC功能运用于非NFC手机。因为与手机的连接，

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