NFC Technical Overview

September2009NFCTechnologyOverviewJonathanMainMasterCardWorldwideChairman,TechnicalCommitteeNFC近距离通信技术介绍主要内容•NFC技术起源和发展•NFC通信原理介绍•NFC协议体系结构介绍•NFC应用介绍什么是NFC？•NFC技术由Philips、Nokia和Sony主推的一种近距离无线通信技术（NFCIP-1）•通信距离在10厘米(实际中需要贴的很近)•以13.56MHzRFID技术为基础•与现有的非接触式智能卡国际标准相兼容•数据传输速率106kbit/s、212kbit/s或424kbit/s。3NFCHasMultipleUsesWirelessMarketSpaceNFC起源和发展•NFC技术由飞利浦和索尼，Nokia联合研发近距离无线通信技术（NFCIP-1），以ISO14443（RFID）技术为基础•向欧洲电脑制造商协会（ECMA)提交标准草案并被被认可为ECMA-340标准•借助ECMA向ISO/IEC提交了标准，被认可为ISO/IEC18092NFC起源和发展•2004年，飞利浦、索尼、诺基亚共同发起NFC论坛，开始推广NFC技术的商业应用•为了兼容非接触式智能卡，2004年NFC论坛又推出了NFCIP-2规范，并被相关组织批准为ECMA-352、ISO/IEC21481和ETSITS102312V1.1.1NFC起源和发展•其中NFCIP-1标准详细规定NFC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NFC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，这些标准还定义了传输协议，其中包括协议启动和数据交换方法等。•NFCIP-2则指定了一种灵活的网关系统，用来检测和选择三种操作模式之一：NFC卡模拟模式、读写器模式和点对点通信模式。选择既定模式以后，按照所选的模式进行后续动作。网关标准还具体规定了RF接口测试方法（ISO/IEC22536和ECMA-356）和协议测试方法（ISO/IEC23917和ECMA-362）。这意味着符合NFCIP-2规范的产品将可以用作ISO/IEC14443A和B以及Felica（ProximityCards）和ISO15693（VicinityCards）的读写器。NFC操作模式•操作模式NFC可以运行在ISO/IEC18092,Felica（JISX6319-4）和ISO/IEC14443三种无线智能卡标准下（contactlesssmartcardstandard）1、读/写（PCD）-ProximityCouplingDevice在这种模式，开启NFC功能的手机可以读写任何支持的标签，读取其中的NFC数据格式标准的数据。2、点对点在这种模式下，两个NFC设备可以交换数据。例如，你可以分享启动蓝牙或Wi-Fi连接的参数来启动蓝牙或Wi-Fi连接。你可以交换如虚拟名片或数字相片等数据。点对点模式符合ISO/IEC18092标准。3、模拟卡片（PICC）-ProximityCardorObject支持NFC的手机在与标签交互时扮演读取器的角色。在这种模式手机也可做为标签或被读取的无线卡片NFC的工作模式•主动模式在主动模式下，每一个想要发送数据的设备，都必须产生自己的电磁场•被动模式只有需要主设备产生电磁场，其他设备，通过负载调制的方法，来和主设备通信，其他设备虽然不产生磁场，但是可以将主设备的磁场强度拉低，从而达到通信的目的，标签卡工作在被动模式下疑问？•标签卡没有电源，是怎么把数据传输给读卡器的？•负载调制是什么意思？调制技术•NFC标准中对于高速传输(424kbit／s)还没有做出具体的规定，目前只支持106kbit、s、212kbit/s、424kbit/s,在低速传输时采用了幅移键控(ASK)调制，但对于不同的传输速率具体的调制参数是不同的。幅移键控(ASK)调制被动模式阅读器存储及控制电路应答器C1RsvsR1L1L2VD应答器芯片磁场HC2C3v2i被动模式主要用在读取标签卡的场景，此时标签的能量，是通过电感耦合的方式从主设备获取的。•电阻负载调制–开关S用于控制负载调制电阻Rmod的接入与否，开关S的通断由二进制数据编码信号控制。ML1L2C1C2RLSRmodR2–二进制数据编码信号用于控制开关S。当二进制数据编码信号为“1”时，设开关S闭合，则此时应答器负载电阻为RL和Rmod并联；而二进制数据编码信号为“0”时，开关S断开，应答器负载电阻为RL。–应答器的负载电阻值有两个对应值，即RL（S断开时）和RL与Rmod的并联值RL//Rmod（S闭合时）。等效电路图R5R1C1MR2C2RLC1MR2LRL1L2RS（a）耦合电路（b）次级经过等效变换后的耦合电路1VR51VR5L1L21I2I22CCR1•互感耦合回路的等效阻抗关系•••12111jZIMIV••1222j0MIZI1121122VIMZZ11222211jMVZIMZZNFC碰撞的产生一、产生碰撞(collision)的原因在RFID系统应用中，因为多个读写器或多个标签，造成的读写器之间或标签之间的相互干扰，统称为碰撞。1什么是碰撞1、标签碰撞2、读写器碰撞2碰撞的类型标签碰撞Data1Data5Data4Data3Data5Data4Data3Data2Data2Data1RFID数据碰撞示意图TimeTime完全碰撞TimeTagBR1RrRrReader2Reader1读写器-读写器频率干扰R1为Reader1的干扰范围Rr为Reader1和Reader2的读取范围从标签T反射到读写器Reader2的信号很容易被从Reader1发出的信号干扰。Tag读写器碰撞Tag3Tag2Tag1Reader1Reader2多读写器一标签干扰标签1接收到的信息为两个读写器发射信号的矢量和,是一个未知信号。如何解决碰撞的问题呢？读卡器防碰撞为了防止正在工作的其他NFC设备(包括工作在此频段的其他电子设备)的干扰，NFC标准规定任何NFC设备在呼叫前都要进行系统初始化以检测周围的射频场。当周围NFC频段的射频场小于规定的门限值(0.1875Am)时，NFC设备才能呼叫。系统初始化防冲突检测的流程如图所示。标签碰撞二进制树型搜索算法冲突节点非冲突节点011011100101树分叉算法基本思想是：将处于碰撞的标签分成左右两个子集0和1，先查询子集0，若没有碰撞，则正确识别标签，若仍有碰撞则分裂，把1子集分成00和01两个子集，直到识别子集1中所有标签。101100001110??????射频卡1射频卡2读写器译码在二进制搜索算法的实现中，起决定作用的是读写器所使用的信号编码必须能够确定碰撞的准确比特位置。曼彻斯特码(Mancherster)可在多卡同时响应时，译出错误码字，可以按位识别出碰撞。这样可以根据碰撞的位置，按一定法则重新搜索射频卡。A:10100111B:10110101C:10101111D:10111101R:11111111R:11111111???R表示阅读器•搜寻标签过程A:10100111C:10101111R:10101111R:10101111送REQUEST（10101111）命令，标签A和C应答。解码数据为1010?111,发生碰撞，算法做下如下，将碰撞的最高置0，其它碰撞位置1。得10100111?R表示阅读器A:10100111C:10101111R:10100111R:10100111R表示阅读器可以识别AImprovedAnti-collisionAlgorithm搜寻过程第一次搜寻第二次搜寻第三次搜寻第四次搜寻第五次搜寻发送序号接收序号TagATagBTagCTagD1010011110110101101011111011110111111111101??1?11010111110100111101011111010?1111010011110100111识别TagA10110101101011111011110111111111101??1?11010111110101111识别TagBImprovedAnti-collisionAlgorithm搜寻过程第六次搜寻第七次搜寻第八次搜寻第九次搜寻第十次搜寻发送序号接收序号TagATagBTagCTagD1011010110111101111111111011?10110110101101101011011110110111101识别TagC识别TagD•TYPEA（位检测防碰撞协议）•帧有3种类型：短帧、标准帧和面向比特的防碰撞帧。ISO/IEC14443标准中的防碰撞协议短帧标准帧S110010011000000100010011000000010000SELNVBUID0UID1110101010UID2101100110UID3001000101BCCE标准帧，在第4个完整的数据字节后分开93H40H32H10HABHCDH44HS110010011000000100010011000000010000防碰撞帧，第1部分：PCD到PICC发送的第1位110101010101100110001000101EES发送的第1位防碰撞帧，第2部分：PICC到PCD（a）比特防碰撞帧的情况1（b）比特防碰撞帧的情况2S11001001110100100001001100000010000SELNVBUID0UID1110101010UID2101100110UID3001000101BCCE标准帧，在第2个完整的数据字节后分开93H25H32H10HABHCDH44HS11001001100000010001001防碰撞帧，第1部分：PCD到PICC110101010101100110001000101ES防碰撞帧，第2部分：PICC到PCD0100XE000010000面向比特防碰撞帧加校验位不加校验位不加校验位命令集REQA/WUPA命令PCD给PICC发送查询信息。这两个命令为短帧。REQA编码为26H（高半字节取3位），WUPA编码为52H（高半字节取3位），ATQA应答PCD发出REQA命令后，处于休闲状态的PICC都应同步地以ATQA应答PCD，PCD检查是否有碰撞备用经营者编码UID大小00：UID级长为101：UID级长为210：UID级长为3比特帧防碰撞方式，仅有1位设置成1UID结构定义注：UID可以是一个固定的唯一序列号，也可以使由PICC动态产生的随机数。CT：级联标志，编码为88H命令集ANTICOLLISION和SELECT命令组成域SELNVBUIDCLnBCC说明1字节1字节0～4字节1字节命令集ANTICOLLISION和SELECT命令组成域SELNVBUIDCLnBCC说明1字节1字节0～4字节1字节PCD发送的字节数命令的非完整字节最后一位的位数命令集ANTICOLLISION和SELECT命令组成域SELNVBUIDCLnBCC说明1字节1字节0～4字节1字节BCC：是UIDCLn的校验位，是UIDCLn的4个字节的异或。命令集ANTICOLLISION和SELECT命令组成域SELNVBUIDCLnBCC说明1字节1字节0～4字节1字节若NVB=70H，即指示其后有40个有效位，则应添加CRC-A（2字节），此时为SELECT命令。若NVB指示其后少于40个有效位，则为ANTICOLLISION命令。命令集SAK应答PCD发送SELECT命令后，与40位UID匹配的PICC以SAK作为应答。UID不完整，还有未被确认部分UID完整，PICC遵守ISO-14443-4标准的传输协议Power-off状态Idle状态Ready状态Active状态Halt状态RESETREQA命令SELECT命令防碰撞HALT命令WUPA命令ISO14443-4DESELECT命