1、绪论
近些年来， 随着移动互联网的迅速普及以及无线通信技术的不断进步， 无线通信已经成为我们生活的一部分， 而近几年来近距离无线通信技术也越来越引起人们的关注和重视。近距离无线通信技术包括了蓝牙、Wi-Fi、Zig Bee、红外 （Ir DA） 、超宽带 （UWB） 、近场通信 （NFC） 等。最近带有NFC功能的手机也越来越多， 各大手机厂商都竞相推出了带有NFC功能的新款手机。本文分析了NFC的技术背景， 工作原理， 以及它的各种应用模式及应用的场合。
2、NFC原理
NFC的中文全称为近场通信技术， 它是英文“Near Field Communication”每个单词首字母的缩写。NFC是在非接触式射频识别 （RFID） 技术的基础上， 结合无线互联技术研发而成， 它为我们日常生活中越来越普及的各种电子产品提供了一种十分安全快捷的通信方式。
NFC中文名称中的“近场”是指临近电磁场的无线电波。因为无线电波实际上就是电磁波， 所以它遵循麦克斯韦方程， 电场和磁场在从发射天线传播到接收天线的过程会一直交替进行能量转换， 并在进行转换时相互增强， 例如我们的手机所使用的无线电信号就是利用这种原理进行传播的， 这种方法称作远场通信。而在电磁波10个波长以内， 电场和磁场是相互独立的， 这时的电场没有多大意义， 但磁场却可以用于短距离通讯， 我们称之为近场通信。
2.1 NFC技术背景
根据有关资料显示， 大约在2003年的时候， 索尼 （sony） 公司和当时的飞利浦 （philips） 半导体 （现恩智浦NXP半导体） 进行合作， 计划基于非接触式射频卡技术研发一种更加安全快捷的并且能与之兼容的无线通讯技术。经过几个月的研发后， 双方联合对外发布了一种兼容ISO14443非接触式卡协议的无线通讯技术， 取名为NFC （Near Field Communication） , 具体通信规范称作NFCIP-1规范。在发布NFC技术没多久， 双方向欧洲电脑制造商协会 （ECMA） 提交标准草案， 申请成为近场通信标准并很快被认可为ECMA-340标准， 紧接着借助ECMA向ISO/IEC提交了标准申请并最终被认可为ISO/IEC18092标准。
2.2 NFC工作原理
NFC （Near Field Communication） 是一种短距高频的无线电技术， NFCIP-1标准规定NFC的通信距离为10厘米以内， 运行频率为13.56MHz, 传输速度有106 Kbit/s、212 Kbit/s或者424Kbit/s三种。
NFCIP-1标准详细规定NFC设备的传输速度、编解码方法、调制方案以及射频接口的帧格式， 此标准中还定义了NFC的传输协议， 其中包括启动协议和数据交换方法等。
NFC工作模式分为被动模式和主动模式。被动模式如图1所示， NFC发起设备 （也称为主设备） 需要供电设备， 主设备利用供电设备的能量来提供射频场， 并将数据发送到NFC目标设备 （也称作从设备） , 传输速率需在106kbps、212kbps或424kbps中选择其中一种。从设备不产生射频场， 所以可以不需要供电设备， 而是利用主设备产生的射频场转换为电能， 为从设备的电路供电， 接收主设备发送的数据， 并且利用负载调制 （load modulation） 技术， 以相同的速度将从设备数据传回主设备。因为此工作模式下从设备不产生射频场， 而是被动接收主设备产生的射频场， 所以被称作被动模式， 在此模式下， NFC主设备可以检测非接触式卡或NFC目标设备， 与之建立连接。
图1 NFC被动通信模式
主动模式如图2所示， 发起设备和目标设备在向对方发送数据时， 都必须主动产生射频场， 所以称为主动模式， 它们都需要供电设备来提供产生射频场的能量。这种通信模式是对等网络通信的标准模式， 可以获得非常快速的连接速率。
图2 主动通信模式
而NFCIP-2标准为了和非接触式智能卡兼容， 规定了一种灵活的网关系统， 具体分为三种工作模式：点对点通信模式、读写器模式和NFC卡模拟模式， 如同图3所示。
图3 NFC三种工作模式
点对点模式， 这种模式下两个NFC设备可以交换数据。例如多个具有N FC功能的数字相机、手机之间可以利用NFC技术进行无线互联， 实现虚拟名片或数字相片等数据交换。
读/写模式， 这种模式下NFC设备作为非接触读写器使用。例如支持NFC的手机在与标签交互时扮演读写器的角色， 开启NFC功能的手机可以读写支持NFC数据格式标准的标签。
模拟卡片模式， 这种模式就是将具有NFC功能的设备模拟成一张标签或非接触卡， 例如支持NFC的手机可以作为门禁卡、银行卡等而被读取。
3、NFC与其他技术的比较
目前的近距离无线通信技术包括了RFID、蓝牙、红外等， 下面针对各通信技术的特点与NFC技术进行分析与比较。
3.1 NFC与RFID的比较
第一， 工作模式不同。NFC是将点对点通信功能， 读写器功能和非接触卡功能集成进一颗芯片， 而RFID则有阅读器和标签两部分组成。NFC技术既可以读取也可以写入， 而RFID只能实现信息的读取以及判定。
第二， 传输距离不同。NFC传输距离比RFID小的多， NFC的传输距离只有10厘米， RFID的传输距离可以达到几米、甚至几十米。NFC是一种近距离的私密通信方式， 相对于RFID来说NFC具有距离近、带宽高、能耗低、安全性高等特点。
第三， 应用领域不同。NFC更多的应用于消费类电子设领域， 在门禁、公交、手机支付等领域发挥着巨大的作用；RFID则更擅长于长距离识别， 更多的被应用在生产、物流、跟踪、资产管理上。
3.2 NFC与蓝牙的比较
NFC和蓝牙都是短程通信技术， 相对于蓝牙很早就被集成到移动电话中并已经被普及， NFC最近几年才开始被集成进移动电话中， 并且到目前为止只集成在少数移动电话中。
第一， 建立时间不同， NFC通信设置程序简单， 通信建立时间很短， 仅需0.1s左右；而蓝牙通信设置程序相对复杂， 通信建立时间较长， 大概需要6s.
第二， 传输距离不同， NFC传输距离只有10cm, 而蓝牙传输距离可达10m.但NFC在传输功耗和安全性方面略优于蓝牙。
第三， 传输速度和工作频率不同， NFC工作频率为13.56MHz, 传输速度最大424 Kbit/s, 而蓝牙工作频率为2.4GHz, 传输速度可达2.1 Mbit/s.
3.3 NFC与红外的比较
NFC和红外传输相比， 传输距离相当， 但比红外传输速度更快， NFC传输速度最大可达424 Kbit/s, 而红外传输速度大概100Kbit/s.建立时间NFC比红外略快， NFC建立时间为0.1s, 红外传输建立时间为0.5s.红外传输必须严格的对齐才能传输数据， 且中间不能有障碍物， 而NFC则没有这种限制；另外NFC比红外更安全可靠。
4、NFC的应用
NFC作为一种近场通信技术， 其应用十分广泛。NFC应用可以分为四个基本类型， 下面针对这四种基本应用类型进行介绍和分析。
4.1 支付的应用
NFC支付主要是指带有NFC功能的手机虚拟成银行卡、一卡通等的应用。
NFC虚拟成银行卡的应用， 称为开环应用。理想状态下是带有NFC功能的手机可以作为一张银行卡在超市、商场的POS机上进行刷手机消费， 但目前在国内还无法实现。主要原因是作为开环应用下的NFC支付有着繁冗的产业链， 背后的卡商、方案商的利益和产业格局博弈十分复杂。就目前国内NFC开环应用的大环境来说， 由于各方面利益的博弈， NFC开环支付应用已经错过了在支付宝和微信支付等移动支付普及之前的最佳时机， NFC开环支付已经不可能再单独发展起来。NFC开环支付以后的发展只有寻求和支付宝和微信支付进行衔接和捆绑， 作为支付宝和微信支付的身份认证手段， 才有可能在未来的移动支付中占有一席之地。
NFC虚拟成一卡通卡的应用， 称为闭环应用。目前NFC的闭环应用在国内的发展也不太理想， 虽然在有些城市的公交系统已经开放了手机的NFC功能， 但并没有得到普及。根本原因是以卡为载体的一卡通系统有一个发卡的获利， 系统集成商和运营商 （公交集团及学校等） 在发卡上可以获得丰厚的利润。所以目前小米和华为都在一些城市试点开通手机的NFC公交卡功能， 但目前都还需要开通服务费。但是随着NFC手机的普及技术的不断成熟， 一卡通系统会逐渐支持NFC手机的应用， 前景是乐观的， 但过程注定是曲折的。
4.2 安防的应用
NFC安防的应用主要是将手机虚拟成门禁卡、电子门票等。
NFC虚拟门禁卡就是将现有的门禁卡数据写入手机的NFC, 这样无需使用智能卡， 使用手机就可以实现门禁功能， 这样不仅是门禁的配置、监控和修改等十分方便， 而且可以实现远程修改和配置， 例如在需要时临时分发凭证卡等。
NFC虚拟电子门票的应用就是在用户购票后， 售票系统将门票信息发送给手机， 带有NFC功能的手机可以把门票信息虚拟成电子门票， 在检票是直接刷手机即可。
NFC在安防系统的应用是今后NFC应用的重要领域， 前景十分广阔。因为在这个领域可以直接为该技术使用者带来经济利益， 让他们更有动力进行现有设备和技术的升级。因为使用手机虚拟卡， 可以减少门禁卡或者磁卡式门票的使用， 直接降低使用成本， 另外还可以适当提高自动化程度， 降低人员成本和提升效率。
4.3 标签的应用
NFC标签的应用就是把一些信息写入一个NFC标签内， 用户只需用NFC手机在NFC标签上挥一挥就可以立即获得相关的信息。例如商家可以把含有海报、促销信息、广告的NFC标签放在店门口， 用户可以根据自己的需求用NFC手机获取相关的信息， 并可以登录社交网络、和朋友分享细节或好东西。
虽然NFC标签在应用上十分便捷， 成本也很低， 但在目前移动网络的普及和二维码的逐渐流行， NFC标签的应用前景不容乐观。因为和NFC标签相比， 二维码只需要生成和印刷成一个小图像， 可以说几乎是零成本， 提供的信息和NFC一样很丰富， 很容易就会替代NFC标签的应用。
4.4 其他领域的国内外发展和应用
2014年， 华为推出了最新个性路由器产品， 代号为“memo”, 这款智能路由器具有NFC功能， NFC用于手机的Wi Fi连接认证。
现代汽车公司也在着手研发具备NFC无线通信的汽车。通过NFC技术， 汽车能够识别不同驾驶者手机特定的配置文件， 根据记录的驾驶者的喜好， 自动调节反光镜位置、座椅倾角以及立体声音响音量等设置。
汽车零部件供应商Continental最近也在测试NFC汽车虚拟钥匙， 以应用到电动汽车的租赁当中， 如图4所示。客户用手机APP进行车的预定， Continental服务端街道预定后把车的信息和访问权限发给客户并把车放在预定地点， 客户用把数据存入手机的NFC中， 在预定地点就可以用手机的NFC获取汽车的控制权。
图4 Continental虚拟钥匙汽车租赁流程
5、总结
NFC作为开环移动支付的发展方向不容乐观， 作为电子标签的应用也会逐渐被二维码替代， 但在安防方面的应用汇越来越广泛， 手机NFC虚拟门禁卡和电子门票的应用会越来越流行。总之， NFC作为一门新兴的技术必将在不久的将来发挥出自己的优势， 给人们的生活带来更多的便利。作为技术人员的我们也要思考如何才能合理利用好NFC的技术。
