非接觸支付移動(dòng)NFC終端的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

    1．引言

    隨著手機(jī)的快速普及，無線網(wǎng)絡(luò)支持的上下行數(shù)據(jù)速率不斷提高，新的應(yīng)用尤其是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)方面的應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，手機(jī)成為人們身邊不可缺少的信息終端。越來越多的人用手機(jī)代替手表、記事本、MP3，是否有一天我們的錢包和鑰匙也會(huì)讓位于手機(jī)，使我們的生活更加方便，更加安全呢？

    近場通信NFC（Near Field Communication）技術(shù)將讓這一切變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。繼廈門、廣州和北京之后，上海成為諾基亞下一個(gè)推行NFC手機(jī)支付的城市[1]。近日，諾基亞宣布，從1月9日開始，通過使用具有 NFC（Near Field Communication 近場通信）技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的手機(jī)銀行卡非接觸支付試點(diǎn)項(xiàng)目，開始在上海投入運(yùn)營。

    基于近場通信技術(shù)的手機(jī)應(yīng)用將會(huì)成為移動(dòng)增值業(yè)務(wù)的下一個(gè)殺手級應(yīng)用[2]。本文給出了非接觸支付在移動(dòng)終端側(cè)的4種實(shí)現(xiàn)方案，分析了各種方案的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，在對4種方案進(jìn)行充分比較的基礎(chǔ)上得出了終端/卡協(xié)作方案是目前比較理想的方案。

    2．非接觸支付技術(shù)簡介

    目前，非接觸支付技術(shù)主要包括以下幾種：飛利浦的MIFARE技術(shù)、索尼的FeliCa技術(shù)和NFC技術(shù)。其中飛利浦的MIFARE技術(shù)和索尼的的FeliCa技術(shù)是非接觸式智能卡領(lǐng)域的兩強(qiáng)，基于前者的智能卡已部署約12億片，后者也已部署約1.7億片。NFC技術(shù)符合國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO18092、ISO21481標(biāo)準(zhǔn)，兼容ISO14443、ISO15693、MIFARE、FeliCa等射頻標(biāo)準(zhǔn)，符合歐洲計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)的EMCA-340、352和356標(biāo)準(zhǔn)。這使NFC技術(shù)充分具備了未來近距離無線互連設(shè)備所應(yīng)有的低功率、低價(jià)格、兼容性等特點(diǎn)，而使NFC成為近距離無線互連領(lǐng)域一種極富競爭力的技術(shù)。

    近場通信（Near Field Communication, NFC）是由非接觸式射頻識別（RFID）及互聯(lián)互通技術(shù)整合演變而來，通過在單一芯片上集成感應(yīng)式讀卡器、感應(yīng)式卡片和點(diǎn)對點(diǎn)通訊的功能，利用移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)移動(dòng)支付、電子票務(wù)、門禁、移動(dòng)身份識別、防偽等應(yīng)用。NFC采用13.56MHz作為近距離通信頻率標(biāo)準(zhǔn)，兼容ISO14443、ISO15693、Felica等射頻標(biāo)準(zhǔn)。其典型操作距離通常只有幾厘米，運(yùn)行距離范圍在20cm內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸速度可以選擇106kbit/s、212kbit/s或424kbit/s，將來可提高至1Mbit/s左右。NFC技術(shù)中信息傳遞是通過頻譜中無線頻率部分的電磁感應(yīng)耦合方式實(shí)現(xiàn)的。

    NFC終端與其它設(shè)備通信時(shí)可以采用主動(dòng)通信模式或被動(dòng)通信模式，主動(dòng)通信模式下通信的雙方均產(chǎn)生射頻場；被動(dòng)通信模式下通信雙方只有一方產(chǎn)生射頻場，產(chǎn)生射頻場的一方為另一方提供通信所需的工作電源。

    NFC終端根據(jù)應(yīng)用場景的不同可以采用三種不同的工作模式：卡模擬模式、讀卡器模式、點(diǎn)對點(diǎn)模式。在卡模擬模式和讀卡器模式下，終端與其它設(shè)備通信時(shí)采用被動(dòng)通信模式。在點(diǎn)對點(diǎn)模式下，NFC終端與其它設(shè)備通信可以采用被動(dòng)通信模式，也可以采用主動(dòng)通信模式?！翱M模式”中讀卡器是主動(dòng)設(shè)備，產(chǎn)生射頻場；NFC終端為被動(dòng)設(shè)備，模擬成為一張符合ISO 14443/ISO 15693/Felica標(biāo)準(zhǔn)的非接觸式卡片與讀卡器進(jìn)行交互。

    “讀卡器模式”中NFC終端是主動(dòng)設(shè)備，產(chǎn)生射頻場；而外部的非接觸卡作為被動(dòng)設(shè)備。NFC終端具有符合ISO 14443或ISO15693或Felica標(biāo)準(zhǔn)的非接觸式IC卡閱讀器功能，可以讀取采用相同標(biāo)準(zhǔn)的外部非接觸式IC卡?！包c(diǎn)對點(diǎn)模式”中工作的雙方都分別可作為主動(dòng)設(shè)備或被動(dòng)設(shè)備，進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。點(diǎn)對點(diǎn)模式下，NFC終端應(yīng)符合ISO 21481 中的相關(guān)規(guī)定。

    3．非接觸支付移動(dòng)終端的實(shí)現(xiàn)方案

    非接觸支付移動(dòng)終端有別于普通終端的兩個(gè)重要特點(diǎn)是非接觸支付終端具有非接觸通信模塊和安全模塊，其中非接觸通信模塊負(fù)責(zé)非接觸通信，安全模塊負(fù)責(zé)存儲(chǔ)安全數(shù)據(jù)，如用戶賬戶余額等信息。根據(jù)非接觸通信模塊和安全模塊與終端的位置關(guān)系，非接觸支付移動(dòng)終端的實(shí)現(xiàn)方案有如下4種：貼片方案、全終端方案、雙界面卡方案、終端/卡協(xié)作方案。下面將一一介紹各種方案的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)。

    解決方案一：貼片方案。

    貼片方案的特點(diǎn)是將非接觸卡片直接貼附在終端上，與SIM卡在物理上沒有任何連接。本方案的優(yōu)勢是終端和SIM卡無需改動(dòng)、成本低、貼片卡易于實(shí)施，天然支持各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。劣勢是貼片卡的發(fā)放、運(yùn)營等環(huán)節(jié)由各行業(yè)掌控，運(yùn)營商難以在價(jià)值鏈中體現(xiàn)價(jià)值；用戶體驗(yàn)差；貼片卡在終端上的物理連接很難保證，容易脫落；貼片方案只支持卡模擬模式。

    解決方案二：全終端方案，見圖1。

    全終端方案的典型代表是NOKIA。本方案的特點(diǎn)是安全數(shù)據(jù)模塊與非接觸通信模塊集成在終端主板上，天線集成在終端中。本方案的優(yōu)勢是SIM卡無需改動(dòng)，且NOKIA已有成型產(chǎn)品，可支持NFC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，支持卡模擬模式、讀卡器模式、點(diǎn)對點(diǎn)模式三種工作模式。用戶使用感受較好。劣勢是運(yùn)營商不能主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈，被產(chǎn)業(yè)鏈旁路。且本方案為私有解決方案，沒有標(biāo)準(zhǔn)化，不利于推廣。

圖 1 全終端方案

    解決方案三：雙界面卡方案，見圖2。

    雙界面卡方案的特點(diǎn)是安全數(shù)據(jù)模塊與非接觸通信模塊集成在SIM卡上，天線與SIM卡相連，從SIM卡引出[3]。本方案的優(yōu)勢是SIM卡由運(yùn)營商發(fā)放，運(yùn)營商可以有效控制價(jià)值鏈；部分終端無需改動(dòng)，握奇、捷德公司已有成型產(chǎn)品。劣勢是需要外接天線且易損壞；用戶感受較差；SIM卡與天線的通訊占用了C4和C8兩預(yù)留接口，影響大容量SIM卡上的相關(guān)業(yè)務(wù)；且本方案只支持卡模擬模式；沒有相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)。

圖 2 雙界面卡方案

    解決方案三’：雙界面卡升級方案。

    雙界面卡升級方案與雙界面卡方案相比升級點(diǎn)在于天線做到終端或后蓋上，與SIM卡相連，從SIM卡引出。本方案的優(yōu)勢是：由于SIM卡由運(yùn)營商發(fā)放，運(yùn)營商可以有效控制價(jià)值鏈；且用戶感受較好。劣勢是技術(shù)不成熟，還未有試點(diǎn)產(chǎn)品；SIM卡與天線的通訊占用了C4和C8兩預(yù)留接口，影響大容量SIM卡相關(guān)業(yè)務(wù)；且只支持卡模擬模式；沒有相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)；需要用戶更換終端和SIM卡。

    解決方案四：終端/卡協(xié)作方案，見圖3。

    終端/卡協(xié)作方案的特點(diǎn)是安全模塊集成在SIM卡上，非接觸通信模塊集成在終端上，天線也集成在終端上[4]。本方案的優(yōu)勢為：安全數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SIM卡上，移動(dòng)運(yùn)營商可以有效控制價(jià)值鏈；國際主流運(yùn)營商認(rèn)可該方案，并通過GSMA協(xié)調(diào)價(jià)值鏈各方推動(dòng)該方案；價(jià)值鏈各方目前認(rèn)同該方案，正在朝該方案過渡，粗略估計(jì)2008年底可實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)；相關(guān)接口正在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的工作,SWP和HCI已Release；已有Demo產(chǎn)品（Gemalto）；可支持NFC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，支持卡模擬模式、讀卡器模式、點(diǎn)對點(diǎn)模式三種工作模式；用戶感受較好。劣勢為需要用戶更換終端和SIM卡。

圖 3 終端/卡協(xié)作方案

    4．方案比較

    在表1中，我們從各運(yùn)營商的態(tài)度、產(chǎn)品成熟度、價(jià)值鏈各方態(tài)度、用戶使用感受、終端/卡的國際標(biāo)準(zhǔn)、非接觸標(biāo)準(zhǔn)支持情況、模式支持、終端/卡的更換、對其它業(yè)務(wù)的影響等方面對上述幾種實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了比較。

    在雙界面卡方案、雙界面卡升級方案、終端/卡協(xié)作方案下，由于與用戶帳戶相關(guān)的安全數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SIM卡上，而SIM卡的主人是移動(dòng)運(yùn)營商，因而移動(dòng)運(yùn)營商可以有效地規(guī)劃和管理非接觸式業(yè)務(wù)，主導(dǎo)手機(jī)支付產(chǎn)業(yè)的價(jià)值鏈；而在貼片方案和全終端方案下，安全模塊并不存儲(chǔ)在SIM卡上，因而移動(dòng)運(yùn)營商難以在手機(jī)支付產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈中體現(xiàn)價(jià)值。

    在產(chǎn)品成熟度方面，只有貼片方案為現(xiàn)有技術(shù)；全終端方案、雙界面卡方案、終端/卡協(xié)作方案有個(gè)別廠家已提供產(chǎn)品，例如諾基亞已有全終端方案下的成型產(chǎn)品諾基亞6131iNFC手機(jī)，握奇、捷德已有雙界面卡方案下的成型產(chǎn)品，Gemalto已有終端/卡協(xié)作方案下的成型產(chǎn)品；而雙界面卡升級方案技術(shù)尚未成熟，還沒有試點(diǎn)產(chǎn)品。

    在手機(jī)支付價(jià)值鏈各方態(tài)度方面，價(jià)值鏈各方均表示支持終端/卡協(xié)作方案，并且預(yù)計(jì)2008年底可規(guī)模量產(chǎn)；而全終端方案、雙界面卡方案和雙界面卡升級方案僅有個(gè)別廠家支持；貼片方案為現(xiàn)有技術(shù)。

    考慮到手機(jī)支付的便攜性，終端/卡協(xié)作方案可以很好的滿足手機(jī)支付的便攜性要求，因?yàn)樵诮K端/卡協(xié)作方案下，安全模塊集成在SIM卡上，也就是用戶換手機(jī)后，所有原來的服務(wù)還可以繼續(xù)使用；雙界面卡方案和雙界面卡升級方案雖然安全模塊集成在SIM卡上，但需要外接天線且易損壞，用戶感受較差；而貼片方案和全終端方案由于安全模塊并不存儲(chǔ)在SIM卡上，用戶換手機(jī)后將不能使用原來的服務(wù)，用戶感受較差。在終端/卡的國際標(biāo)準(zhǔn)方面，貼片方案為現(xiàn)有技術(shù)；全終端方案、雙界面卡方案、雙界面卡升級方案均無國際標(biāo)準(zhǔn)；終端/卡協(xié)作方案為國際主流運(yùn)營商認(rèn)可的方案，并通過GSMA協(xié)調(diào)價(jià)值鏈各方推動(dòng)該方案，價(jià)值鏈各方目前認(rèn)同該方案，正在朝該方案過渡，粗略估計(jì)2008年底可實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)，且相關(guān)接口正在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的工作，SWP和HCI已經(jīng)Release。在終端對非接觸標(biāo)準(zhǔn)支持方面，貼片方案下不同貼片支持不同的非接觸標(biāo)準(zhǔn)；雙界面卡方案和雙界面卡升級方案只支持ISO14443 TYPE A/B；而全終端方案和終端/卡協(xié)作方案支持所有NFC要求的相關(guān)非接觸標(biāo)準(zhǔn)。

    在終端對近距離通信工作模式的支持方面，全終端方案和終端/卡協(xié)作方案可以支持卡模擬模式、讀卡器模式和點(diǎn)對點(diǎn)模式；而貼片方案、雙界面卡方案和雙界面卡升級方案只支持卡模擬模式。

    在終端/SIM卡的更換方面，貼片方案將非接觸卡片直接貼附在終端上，與SIM卡在物理上沒有任何連接，因而不需要更換終端和SIM卡，成本最低；全終端方案由于安全數(shù)據(jù)模塊與非接觸通信模塊集成在終端主板上，因而無需更換SIM卡，但需要更換終端；雙界面卡方案由于安全數(shù)據(jù)模塊與非接觸通信模塊集成在SIM卡上，天線與SIM卡相連，從SIM卡引出，因而需要更換SIM卡，部分終端無需改動(dòng)；雙界面卡升級方案由于安全數(shù)據(jù)模塊與非接觸通信模塊集成在SIM卡上，天線做到終端或后蓋上，天線與SIM卡相連，從SIM卡引出，因而需要更換SIM卡和終端；終端/卡協(xié)作方案由于安全模塊集成在SIM卡上，非接觸通信模塊集成在終端上，天線集成在終端上，因而需要更換終端和SIM卡。

    在非接觸支付業(yè)務(wù)對其它業(yè)務(wù)的影響方面，雙界面卡方案和雙界面卡升級方案由于SIM卡與天線的通訊占用了C4和C8兩預(yù)留接口，影響大容量SIM卡相關(guān)業(yè)務(wù)；貼片方案、全終端方案、終端/卡協(xié)作方案對其它業(yè)務(wù)沒有影響。

    在多應(yīng)用支持方面，雙界面卡方案、雙界面卡升級方案、終端/卡協(xié)作方案比較有優(yōu)勢，因?yàn)镾IM卡支持Global Platform(GP)技術(shù)架構(gòu)，這種架構(gòu)保證了在SIM卡中可以按照一套完整的安全標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建多個(gè)獨(dú)立的安全域，以存儲(chǔ)多種完全不同的應(yīng)用，例如移動(dòng)通信、公共交通，電子錢包，票務(wù)應(yīng)用，門禁等；而貼片方案、全終端方案由于應(yīng)用不存儲(chǔ)在SIM卡上，所以不能很好的支持多應(yīng)用。

    在安全性方面，雙界面卡方案、雙界面卡升級方案、終端/卡協(xié)作方案具有明顯的優(yōu)勢，因?yàn)镾IM卡本身的安全機(jī)制為存儲(chǔ)在卡中的交易提供了一個(gè)安全的運(yùn)行環(huán)境，同時(shí)，基于GP架構(gòu)的Java卡更實(shí)現(xiàn)了不同應(yīng)用之間的隔離，有效防止未授權(quán)的惡意攻擊行為；而貼片方案、全終端方案由于安全模塊不存儲(chǔ)在SIM卡上，所以其安全性尚需檢驗(yàn)。圖4為遵循GP架構(gòu)的SIM卡在終端中的示意圖。

    在遠(yuǎn)程管理方面，雙界面卡方案、雙界面卡升級方案、終端/卡協(xié)作方案也具有明顯的優(yōu)勢，SIM卡可以通過OTA空中下載的方式，使用戶獲得各種應(yīng)用，而OTA空中下載是可以通過各種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來管理的；而貼片方案、全終端方案由于應(yīng)用不存儲(chǔ)在SIM卡上，所以其無法進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。在終端/卡協(xié)作方案下，NFC芯片與SIM卡之間采用SWP協(xié)議實(shí)現(xiàn)單線數(shù)據(jù)通訊。SWP（Single Wire Protocol）是由Gemalto公司提出的基于SIM卡C6引腳的單線連接方案[5]。在SWP方案中，接口界面包括三根線：VCC（C1）、GND（C5）、SWP（C6），其中SWP一根信號線上基于電壓和負(fù)載調(diào)制原理實(shí)現(xiàn)全雙工通訊。SWP方案要求SIM卡和NFC模擬前端芯片同時(shí)重新設(shè)計(jì)，涉及的面比較廣，市場推進(jìn)的難度較大。另外，NFC應(yīng)用非常關(guān)注掉電模式下的應(yīng)用，SWP的負(fù)載調(diào)制通訊方式帶來接口的功耗損失，對掉電模式下的性能有不利影響。

圖 4 遵循GP 架構(gòu)的SIM 卡在終端中的示意圖

    5．結(jié)論

    從有利于價(jià)值鏈各方發(fā)展的角度考慮，我們建議實(shí)施終端/卡協(xié)作方案，由移動(dòng)運(yùn)營商來推動(dòng)整個(gè)業(yè)務(wù)的發(fā)展，這樣既可以有效地規(guī)劃和管理非接觸業(yè)務(wù)，控制非接觸業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，保證非接觸業(yè)務(wù)的運(yùn)營，又可以實(shí)現(xiàn)價(jià)值鏈各方的共贏。由于手機(jī)支付的最終實(shí)現(xiàn)方案為NFC方案，我們建議貼片方案和全終端方案不做試點(diǎn)，雙界面卡方案控制在現(xiàn)有試點(diǎn)規(guī)模，不再擴(kuò)大。