非接触支付移动NFC终端的实现设计

    1．引言

    随着手机的快速普及，无线网络支持的上下行数据速率不断提高，新的应用尤其是数据业务方面的应用不断涌现，手机成为人们身边不可缺少的信息终端。越来越多的人用手机代替手表、记事本、MP3，是否有一天我们的钱包和钥匙也会让位于手机，使我们的生活更加方便，更加安全呢？

    近场通信NFC（Near Field Communication）技术将让这一切变为现实。继厦门、广州和北京之后，上海成为诺基亚下一个推行NFC手机支付的城市[1]。近日，诺基亚宣布，从1月9日开始，通过使用具有 NFC（Near Field Communication 近场通信）技术而实现的手机银行卡非接触支付试点项目，开始在上海投入运营。

    基于近场通信技术的手机应用将会成为移动增值业务的下一个杀手级应用[2]。本文给出了非接触支付在移动终端侧的4种实现方案，分析了各种方案的特点和优缺点，在对4种方案进行充分比较的基础上得出了终端/卡协作方案是目前比较理想的方案。

    2．非接触支付技术简介

    目前，非接触支付技术主要包括以下几种：飞利浦的MIFARE技术、索尼的FeliCa技术和NFC技术。其中飞利浦的MIFARE技术和索尼的的FeliCa技术是非接触式智能卡领域的两强，基于前者的智能卡已部署约12亿片，后者也已部署约1.7亿片。NFC技术符合国际标准化组织的ISO18092、ISO21481标准，兼容ISO14443、ISO15693、MIFARE、FeliCa等射频标准，符合欧洲计算机协会的EMCA-340、352和356标准。这使NFC技术充分具备了未来近距离无线互连设备所应有的低功率、低价格、兼容性等特点，而使NFC成为近距离无线互连领域一种极富竞争力的技术。

    近场通信（Near Field Communication, NFC）是由非接触式射频识别（RFID）及互联互通技术整合演变而来，通过在单一芯片上集成感应式读卡器、感应式卡片和点对点通讯的功能，利用移动终端实现移动支付、电子票务、门禁、移动身份识别、防伪等应用。NFC采用13.56MHz作为近距离通信频率标准，兼容ISO14443、ISO15693、Felica等射频标准。其典型操作距离通常只有几厘米，运行距离范围在20cm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。NFC技术中信息传递是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式实现的。

    NFC终端与其它设备通信时可以采用主动通信模式或被动通信模式，主动通信模式下通信的双方均产生射频场；被动通信模式下通信双方只有一方产生射频场，产生射频场的一方为另一方提供通信所需的工作电源。

    NFC终端根据应用场景的不同可以采用三种不同的工作模式：卡模拟模式、读卡器模式、点对点模式。在卡模拟模式和读卡器模式下，终端与其它设备通信时采用被动通信模式。在点对点模式下，NFC终端与其它设备通信可以采用被动通信模式，也可以采用主动通信模式。“卡模拟模式”中读卡器是主动设备，产生射频场；NFC终端为被动设备，模拟成为一张符合ISO 14443/ISO 15693/Felica标准的非接触式卡片与读卡器进行交互。

    “读卡器模式”中NFC终端是主动设备，产生射频场；而外部的非接触卡作为被动设备。NFC终端具有符合ISO 14443或ISO15693或Felica标准的非接触式IC卡阅读器功能，可以读取采用相同标准的外部非接触式IC卡。“点对点模式”中工作的双方都分别可作为主动设备或被动设备，进行点对点的数据传输。点对点模式下，NFC终端应符合ISO 21481 中的相关规定。

    3．非接触支付移动终端的实现方案

    非接触支付移动终端有别于普通终端的两个重要特点是非接触支付终端具有非接触通信模块和安全模块，其中非接触通信模块负责非接触通信，安全模块负责存储安全数据，如用户账户余额等信息。根据非接触通信模块和安全模块与终端的位置关系，非接触支付移动终端的实现方案有如下4种：贴片方案、全终端方案、双界面卡方案、终端/卡协作方案。下面将一一介绍各种方案的特点及优缺点。

    解决方案一：贴片方案。

    贴片方案的特点是将非接触卡片直接贴附在终端上，与SIM卡在物理上没有任何连接。本方案的优势是终端和SIM卡无需改动、成本低、贴片卡易于实施，天然支持各行业标准。劣势是贴片卡的发放、运营等环节由各行业掌控，运营商难以在价值链中体现价值；用户体验差；贴片卡在终端上的物理连接很难保证，容易脱落；贴片方案只支持卡模拟模式。

    解决方案二：全终端方案，见图1。

    全终端方案的典型代表是NOKIA。本方案的特点是安全数据模块与非接触通信模块集成在终端主板上，天线集成在终端中。本方案的优势是SIM卡无需改动，且NOKIA已有成型产品，可支持NFC相关标准，支持卡模拟模式、读卡器模式、点对点模式三种工作模式。用户使用感受较好。劣势是运营商不能主导产业链，被产业链旁路。且本方案为私有解决方案，没有标准化，不利于推广。

图 1 全终端方案

    解决方案三：双界面卡方案，见图2。

    双界面卡方案的特点是安全数据模块与非接触通信模块集成在SIM卡上，天线与SIM卡相连，从SIM卡引出[3]。本方案的优势是SIM卡由运营商发放，运营商可以有效控制价值链；部分终端无需改动，握奇、捷德公司已有成型产品。劣势是需要外接天线且易损坏；用户感受较差；SIM卡与天线的通讯占用了C4和C8两预留接口，影响大容量SIM卡上的相关业务；且本方案只支持卡模拟模式；没有相关国际标准。

图 2 双界面卡方案

    解决方案三’：双界面卡升级方案。

    双界面卡升级方案与双界面卡方案相比升级点在于天线做到终端或后盖上，与SIM卡相连，从SIM卡引出。本方案的优势是：由于SIM卡由运营商发放，运营商可以有效控制价值链；且用户感受较好。劣势是技术不成熟，还未有试点产品；SIM卡与天线的通讯占用了C4和C8两预留接口，影响大容量SIM卡相关业务；且只支持卡模拟模式；没有相关国际标准；需要用户更换终端和SIM卡。

    解决方案四：终端/卡协作方案，见图3。

    终端/卡协作方案的特点是安全模块集成在SIM卡上，非接触通信模块集成在终端上，天线也集成在终端上[4]。本方案的优势为：安全数据存储在SIM卡上，移动运营商可以有效控制价值链；国际主流运营商认可该方案，并通过GSMA协调价值链各方推动该方案；价值链各方目前认同该方案，正在朝该方案过渡，粗略估计2008年底可实现规模量产；相关接口正在进行标准化的工作,SWP和HCI已Release；已有Demo产品（Gemalto）；可支持NFC相关标准，支持卡模拟模式、读卡器模式、点对点模式三种工作模式；用户感受较好。劣势为需要用户更换终端和SIM卡。

图 3 终端/卡协作方案

    4．方案比较

    在表1中，我们从各运营商的态度、产品成熟度、价值链各方态度、用户使用感受、终端/卡的国际标准、非接触标准支持情况、模式支持、终端/卡的更换、对其它业务的影响等方面对上述几种实现方案进行了比较。

    在双界面卡方案、双界面卡升级方案、终端/卡协作方案下，由于与用户帐户相关的安全数据存储在SIM卡上，而SIM卡的主人是移动运营商，因而移动运营商可以有效地规划和管理非接触式业务，主导手机支付产业的价值链；而在贴片方案和全终端方案下，安全模块并不存储在SIM卡上，因而移动运营商难以在手机支付产业价值链中体现价值。

    在产品成熟度方面，只有贴片方案为现有技术；全终端方案、双界面卡方案、终端/卡协作方案有个别厂家已提供产品，例如诺基亚已有全终端方案下的成型产品诺基亚6131iNFC手机，握奇、捷德已有双界面卡方案下的成型产品，Gemalto已有终端/卡协作方案下的成型产品；而双界面卡升级方案技术尚未成熟，还没有试点产品。

    在手机支付价值链各方态度方面，价值链各方均表示支持终端/卡协作方案，并且预计2008年底可规模量产；而全终端方案、双界面卡方案和双界面卡升级方案仅有个别厂家支持；贴片方案为现有技术。

    考虑到手机支付的便携性，终端/卡协作方案可以很好的满足手机支付的便携性要求，因为在终端/卡协作方案下，安全模块集成在SIM卡上，也就是用户换手机后，所有原来的服务还可以继续使用；双界面卡方案和双界面卡升级方案虽然安全模块集成在SIM卡上，但需要外接天线且易损坏，用户感受较差；而贴片方案和全终端方案由于安全模块并不存储在SIM卡上，用户换手机后将不能使用原来的服务，用户感受较差。在终端/卡的国际标准方面，贴片方案为现有技术；全终端方案、双界面卡方案、双界面卡升级方案均无国际标准；终端/卡协作方案为国际主流运营商认可的方案，并通过GSMA协调价值链各方推动该方案，价值链各方目前认同该方案，正在朝该方案过渡，粗略估计2008年底可实现规模量产，且相关接口正在进行标准化的工作，SWP和HCI已经Release。在终端对非接触标准支持方面，贴片方案下不同贴片支持不同的非接触标准；双界面卡方案和双界面卡升级方案只支持ISO14443 TYPE A/B；而全终端方案和终端/卡协作方案支持所有NFC要求的相关非接触标准。

    在终端对近距离通信工作模式的支持方面，全终端方案和终端/卡协作方案可以支持卡模拟模式、读卡器模式和点对点模式；而贴片方案、双界面卡方案和双界面卡升级方案只支持卡模拟模式。

    在终端/SIM卡的更换方面，贴片方案将非接触卡片直接贴附在终端上，与SIM卡在物理上没有任何连接，因而不需要更换终端和SIM卡，成本最低；全终端方案由于安全数据模块与非接触通信模块集成在终端主板上，因而无需更换SIM卡，但需要更换终端；双界面卡方案由于安全数据模块与非接触通信模块集成在SIM卡上，天线与SIM卡相连，从SIM卡引出，因而需要更换SIM卡，部分终端无需改动；双界面卡升级方案由于安全数据模块与非接触通信模块集成在SIM卡上，天线做到终端或后盖上，天线与SIM卡相连，从SIM卡引出，因而需要更换SIM卡和终端；终端/卡协作方案由于安全模块集成在SIM卡上，非接触通信模块集成在终端上，天线集成在终端上，因而需要更换终端和SIM卡。

    在非接触支付业务对其它业务的影响方面，双界面卡方案和双界面卡升级方案由于SIM卡与天线的通讯占用了C4和C8两预留接口，影响大容量SIM卡相关业务；贴片方案、全终端方案、终端/卡协作方案对其它业务没有影响。

    在多应用支持方面，双界面卡方案、双界面卡升级方案、终端/卡协作方案比较有优势，因为SIM卡支持Global Platform(GP)技术架构，这种架构保证了在SIM卡中可以按照一套完整的安全标准创建多个独立的安全域，以存储多种完全不同的应用，例如移动通信、公共交通，电子钱包，票务应用，门禁等；而贴片方案、全终端方案由于应用不存储在SIM卡上，所以不能很好的支持多应用。

    在安全性方面，双界面卡方案、双界面卡升级方案、终端/卡协作方案具有明显的优势，因为SIM卡本身的安全机制为存储在卡中的交易提供了一个安全的运行环境，同时，基于GP架构的Java卡更实现了不同应用之间的隔离，有效防止未授权的恶意攻击行为；而贴片方案、全终端方案由于安全模块不存储在SIM卡上，所以其安全性尚需检验。图4为遵循GP架构的SIM卡在终端中的示意图。

    在远程管理方面，双界面卡方案、双界面卡升级方案、终端/卡协作方案也具有明显的优势，SIM卡可以通过OTA空中下载的方式，使用户获得各种应用，而OTA空中下载是可以通过各种标准协议来管理的；而贴片方案、全终端方案由于应用不存储在SIM卡上，所以其无法进行远程管理。在终端/卡协作方案下，NFC芯片与SIM卡之间采用SWP协议实现单线数据通讯。SWP（Single Wire Protocol）是由Gemalto公司提出的基于SIM卡C6引脚的单线连接方案[5]。在SWP方案中，接口界面包括三根线：VCC（C1）、GND（C5）、SWP（C6），其中SWP一根信号线上基于电压和负载调制原理实现全双工通讯。SWP方案要求SIM卡和NFC模拟前端芯片同时重新设计，涉及的面比较广，市场推进的难度较大。另外，NFC应用非常关注掉电模式下的应用，SWP的负载调制通讯方式带来接口的功耗损失，对掉电模式下的性能有不利影响。

图 4 遵循GP 架构的SIM 卡在终端中的示意图

    5．结论

    从有利于价值链各方发展的角度考虑，我们建议实施终端/卡协作方案，由移动运营商来推动整个业务的发展，这样既可以有效地规划和管理非接触业务，控制非接触业务的服务质量，保证非接触业务的运营，又可以实现价值链各方的共赢。由于手机支付的最终实现方案为NFC方案，我们建议贴片方案和全终端方案不做试点，双界面卡方案控制在现有试点规模，不再扩大。