近场通信业务技术研究

1  引言

　　近场通信业务结合了近场通信技术和移动通信技术，实现了电子支付、身份认证、票务、数据交换、防伪、广告等多种功能，是移动通信领域的一种新型业务。近场通信业务改变了用户使用移动电话的方式，使用户的消费行为逐步走向电子化，建立了一种新型的用户消费和业务模式。

2  业务特征

　　近场通信是基于RFID技术发展起来的一种近距离无线通信技术。与RFID一样，近场通信信息也是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递，但两者之间还是存在很大的区别。近场通信的传输范围比RFID小，RFID的传输范围可以达到0~1m，但由于近场通信采取了独特的信号衰减技术，相对于RFID来说近场通信具有成本低、带宽高、能耗低等特点。RFID更多的被应用在生产、物流、跟踪、资产管理上，而近场通信则在门禁、公交、手机支付等领域内发挥着巨大的作用。

　　近场通信技术主要特征如下：

　　（1）用于近距离（10cm以内）安全通信的无线通信技术。

　　（2）射频频率：13.56MHz。

　　（3）射频兼容：ISO 14443，ISO 15693，Felica标准。

　　（4）数据传输速度：106kbit/s，212 kbit/s，424kbit/s。

　　从上述特征看出，近场通信技术主要基于13.56MHz频率运行的射频技术，典型操作距离只有几厘米，运行距离范围在10cm内，数据传输速度可以选择106kbit/s，212kbit/s或424kbit/s，将来可提高至1Mbit/s左右。

　　近场通信技术是由Nokia，Philips，Sony合作制定的标准，在ISO 18092，ECMA 340和ETSI TS 102 190框架下推动标准化，同时也兼容应用广泛的ISO 14443 Type-A，B以及Felica标准非接触式智能卡的基础架构。近场通信标准详细规定近场通信设备的调制方案、编码、传输速度与RF接口的帧格式，以及主动与被动近场通信模式初始化过程中数据冲突控制所需的初始化方案和条件，此外还定义了传输协议，包括协议启动和数据交换方法等。

3  业务模式

　　近场通信业务支持三种工作模式。

　　3.1  卡模拟模式

　　移动台可以模拟成为一张普通的非接触卡，例如移动支付、移动票务、身份识别等。

　　应用举例：非接触式移动台模拟成为银行卡、门禁卡、电子票等，非接触式移动台与其它终端进行交互。

　　3.2  阅读器模式

　　移动台可以读取一张非接触卡或者一个非接触标签中的内容，例如虚拟书签、广告等。

　　应用举例：如电子海报，在该应用中，非接触式移动台与嵌入在海报内的非接触模块进行交互，移动台主动读取卡片或标签内的相应数据。

　　3.3  点对点通讯模式

　　两个移动台可以近距离内互相直接传递数据，例如同步日程表、游戏、分享传输内容等。

　　应用举例：两部非接触式移动台互传或同步数据，例如图片、音乐、铃音等。

　　近场通信业务在三种工作模式下的具体应用如表1所示。

　　表1  近场通信业务在三种工作模式下的具体应用

　　近场通信移动台支持多种业务应用，可以实现卡模拟、阅读器、点对点通信的功能应用。将近场通信技术与数字蜂窝移动通信系统相结合，再配合各种业务设备系统，近场通信业务支持卡片管理、应用下载、应用管理、密钥管理、证书管理等功能，并实现空中发卡、空中充值、线下小额支付、身份识别、标签读取和信息交换等应用。

4  业务框架

　　近场通信业务整体框架采用GP的多应用框架，在SIM/UIM卡上安装了多个应用，被分隔为若干个独立的安全域，以保证多个应用相互之间的隔离以及独立性，各个应用提供商管理各自的安全域以及应用、应用数据等。

　　近场通信业务整体框架要求满足由Global Platform组织制定的GP 2.1.1或GP 2.2规范。整个近场通信业务框架包括三个部分：卡片发行商、应用提供商和用户。

　　4.1  卡片发行商

　　负责卡片的发行和管理功能，拥有卡片管理系统、密钥管理系统和证书管理系统设备，其中仅在非对称密钥情况下使用证书管理系统。卡片发行商对卡的资源和生命周期、密钥、证书进行管理，对其他应用提供商的安全域进行创建以及对管理员权限的管理，并与其他安全域交互应用数据。卡片发行商一般是运营商，例如中国联通。

　　4.2  应用提供商：

　　负责近场通信业务应用的提供和管理功能，提供应用管理系统、密钥管理系统、证书管理系统设备，其中仅在非对称密钥情况下使用证书管理系统设备。应用提供商提供各种业务应用，并对卡片的安全域进行管理，对其安全域的应用密钥、证书、数据等进行控制，提供应用的安全下载功能。应用提供商可以是运营商、银行、公交公司、零售商户等。

　　4.3  用户

　　负责近场通信业务应用的下载、安装和使用。用户通过与卡片发行商和应用提供商交互，对移动台和SIM/UIM卡进行操作，在安全域内下载及安装新的应用后，使用提供的各种业务应用。

5  业务系统组成

　　5.1  用户卡

　　（1）支持SWP协议

　　利用SIM卡上现在没有被使用的C6管脚进行SWP的通讯。用户卡通过没有被使用的C6管脚与近场通信芯片相连，以保证近场通信芯片与用户卡之间进行SWP的通讯，以支持非接触交易，同时也必须能够兼容ISO7816接口保证卡原有的移动通讯业务的正常使用（见图1）。

　　图1  支持SWP协议

　　（2）支持多线程操作模式

　　用户可以使用多个近场通信业务，要求卡片上的多个应用应允许同时处于激活状态。因此，SIM卡片的整体架构必须能够支持多线程或者多任务操作。

　　（3）支持GP框架

　　为保证卡上交易应用的安全性以及交易应用的空中下载，要求按照Global Platform 2.1.1要求实现用户卡的应用管理架构。

　　（4）支持Java卡标准

　　为保证行业应用提供商及可信任的第三方能够独立开发交易应用，用户卡应同时支持Java卡标准，以保证卡片及应用的互操作性，要求支持Javacard 2.2.1。

　　（5）支持BIP功能

　　为了使运营商能够提供更多元化的动态服务，需要保证高速的数据传输，移动台与非接触式用户卡之间要满足对BIP（Bearer Independent Protocol）功能的支持。

　　5.2  终端

　　移动台要求集成近场通信控制芯片及天线，支持单线协议，保证近场通信控制芯片与用户卡之间的数据通信和处理。

　　（1）集成近场通信芯片及天线以支持SWP协议。

　　（2）将近场通信芯片与用户卡的第六管脚相连，以保证近场通信芯片与用户卡的通讯。

　　（3）支持HCI协议并实现手机主控芯片与近场通信芯片的通讯。

　　（4）实现BIP协议以支持用户卡通过TCP/IP通道与远端服务器进行通讯。

　　5.3  业务管理平台

　　业务管理平台由卡片发行商管理平台和应用提供商管理平台组成，卡片发行商管理平台由卡片管理系统、应用管理系统（用于自有应用）、密钥管理系统、证书管理系统组成。应用提供方管理平台由应用管理系统、密钥管理系统、证书管理系统组成。其中，证书管理系统仅在非对称密钥情况下使用，在对称密钥情况下不使用。这些设备可以合设在一个物理实体上，也可以各自成为一个单独物理实体。

　　（1）卡片管理系统

　　卡片管理系统主要负责外部系统与卡片及卡片上应用通信的安全管理，同时也负责管理用户数据及卡片基本数据，并且连接到应用管理系统为应用管理提供相应支持。卡片管理系统由运营商负责管理。

　　（2）应用管理系统

　　应用管理系统主要用于管理卡片上的安全域、运营商自有应用以及第三方应用的上载、创建、删除、更新等。运营商、应用提供商（例如银行等）或者是授权许可的服务提供商均可以建设管理自己的应用管理系统。

　　（3）密钥管理系统

　　卡片管理系统及应用管理系统均具有内置的独立密钥管理模块，负责卡片及应用初始密钥的导入、存储及生成。根据实际的需要，密钥管理模块也可以扩展为独立的密钥管理系统。应用提供商建立私有的密钥体系来负责应用的密钥管理，供自有或可信任的第三方的应用管理系统使用。各个密钥系统之间相互隔离，以便为卡片及应用提供相互隔离的安全环境。

　　（4）证书管理系统

　　在使用非对称密钥时需要证书管理功能。证书管理用于安全域、卡外实体（卡片发行商、应用提供商）的证书管理，包括证书的申请、注销和其他生命周期管理。

　　证书管理系统保留卡中所有证书的备份，并且支持证书链的认证。卡端的证书被存储在支持非对称安全信道协议“SCP10”的安全域中，通过APDU接口进行STK方式或者其他方式调用。证书管理系统可以将卡片发行商或应用提供商发放的证书下载至卡相关安全域中。

6  近场通信业务发展现状

　　6.1  国外

　　NTT DoCoMo是日本最大的移动运营商，拥有5000多万用户，占全国市场的56％，该公司2004年7月推出基于Sony公司的Felica技术的手机支付业务。Felica是Sony公司推出的非接触式智能卡，其主要优势是方便、快捷、无需插入读写槽就能实现数据传送等。使用这种手机支付业务，可以节约付款时间20％~30％，大大提高了相关商户的运营效率，节省了客户的支付时间，具有方便、安全、大容量等优势，仅用一年多的时间就发展用户1000多万人，签约商户28000家，自动售货机6000多台，增长速度十分惊人。这种手机支付业务用手机逐步替代人们在钱包中放置的所有物品，即现钞、银行卡、会员卡、积分卡、钥匙、车船飞机票、影剧和旅游景点门票以及证件等。

　　使用近场通信技术的下一代移动电话应用系统最近在北美进行了首次大规模测试，地点设在亚特兰大体育馆菲利浦斯球馆(Philips Arena)。在这次试验中，持有季票并拥有大通银行Visa信用卡和辛格勒无线账户的球迷(大约有250位)可以在售物台无接触付费。通过内置飞利浦近场通信芯片和ViVOtech软件的诺基亚3220移动电话，用户可在接近POS终端的位置进行安全支付和购物。ViVOtech公司在整个菲利普斯球馆中部署了156个非接触式POS机阅读器。

　　6.2  国内

　　2006年6月，诺基亚、厦门移动、厦门易通卡公司、飞利浦公司共同在厦门启动中国首个近场通信手机支付现场试验，使用具备近场通信功能的手机实现了厦门市任何一个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。

　　2006年8月1日，诺基亚与银联商务公司在上海启动国内第二个近场通信测试，也是全球范围首次进行近场通信空中下载试验。2007年底，中国银联支持近场通信技术的手机支付测试将在上海的浦东商业区展开，包括八百伴和正大广场的购物中心。

　　2007年3月13日开始正式在上海推出近场通信技术移动认证业务。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惟一识别码，并实时上传至防伪服务器与数据库校验。

7  结束语

　　作为一种新兴的近距离无线通信技术，近场通信技术应用在世界范围内受到了广泛关注。近场通信芯片装在手机上，手机就可以实现小额电子支付和读取其他近场通信设备或标签的信息。近场通信的短距离交互大大简化整个认证识别过程，使电子设备间互相访问更直接、更安全和更清楚。通过近场通信，电脑、数码相机、手机、PDA等多个设备之间可以很方便快捷地进行无线连接，进而实现数据交换和服务。目前，近场通信技术已成功地在手机支付、门禁、各种POS终端，以及各种自动收费等应用中找到了自己的用武之地，在未来的普及化应用指日可待。