近距离通信的SWP方案及在SIM卡中的实现方法

http://www.c114.net ( 2010/7/2 14:21 )

摘要: 近距离通信（Near Field Communication，NFC）是一种基于RFID(射频识别)的无线通信技术。在标签模式下，近距离通信与RFID的通信原理类似。本文基于标签模式的通信原理，提出了一种连接NFC芯片与SIM卡的SWP(Single Wire Protocol，单线协议)方案，并对SWP连接方案在SIM卡中的实现作了简单介绍。

引言

近几年，手机已经不再是简单的通信工具，它已经成为便携的娱乐工具，将来有望发展为可信赖的支付工具，在消费、购物、交通等领域通过手机方便、快捷地完成支付。基于手机的新需求，移动支付应运而生，并逐渐成为移动运营商、手机制造商、SIM卡制造商研究的热点问题。移动支付的解决方案比较多，其中双界面SIM卡方案和近距离通信（Near Field Communication，NFC）方案比较可行。双界面SIM卡方案已经有产品面世，近距离通信方案正在研发阶段。

双界面SIM卡方案通过在SIM卡中增加非接触IC卡界面进行非接触通信。天线连接在SIM卡尚未使用的C4和C8这两个接口上。双界面SIM卡在手机中增加了非接触IC卡的功能，但没有实现阅读器和点对点通信功能。NFC是由NXP公司和索尼公司提出的超短距离无线通信技术，它使得两台兼容NFC的设备之间可以直观、便捷、安全地通信。NFC的主要应用是移动小额支付，还可以应用于门禁、公交等领域。

与双界面SIM卡方案相比，NFC方案的优势体现在以下方面：

①NFC方案可以实现更多的应用；

②在NFC芯片与SIM卡的连接使用C6（SWP）触点，并不影响SIM卡高速空中数据下载；

③NFC方案是一套完善的解决方案，可以提供可靠、安全、便捷的通信；

④NFC方案完全兼容现有的读写器，不需要对读写器进行任何更改。

综上所述，近距离通信NFC是移动非接触支付业务最可行的解决方案，而SWP连接方案则是NFC技术的一部分。

1  近距离通信概述

近距离通信是短距离非接触式的一种，工作于13.56 MHz频带，传输距离在10 cm以内；传输速度目前可以达到106 kbps、212 kbps、424 kbps，理想速率可以达到1 Mbps左右。NFC所使用的频率与目前流行的非接触智能卡相同，同时兼容以ISO14443 A/B为基础的感应式非接触通信，以及PHILIPS公司的MIFARE技术和索尼公司的FeliCa技术。

1.1  近距离通信原理

根据ISO18092标准，近距离通信可以工作在主动模式和被动模式。进行通信之前，可以选择传输速率106 kbps、212 kbps、424 kbps中的一种，并可以在这三者间任意切换。

1.1.1  被动模式通信原理

在被动模式下，近距离通信的通信原理与RFID一样，都是依靠电磁感应耦合原理完成通信。NFC手机有一块NFC芯片，内置有天线，用来接收和发送无线数据。

NFC工作在被动模式时，阅读器启动NFC通信，称为NFC发起设备（主设备），在整个通信过程中提供射频域。NFC发起设备选择3种速率的一种传输数据，ISO18092标准规定了每种传输速率使用的调制、编码技术。NFC目标设备(从设备)不必产生射频域，而使用负载调制(load modulation)技术，以相同的速度将数据传回发起设备。此通信机制与基于ISO14443 A/B、Mifare和FeliCa的非接触式智能卡兼容，因此，在被动模式下，NFC发起设备可以用相同的连接和初始化过程检测非接触式智能卡或NFC目标设备，并与之建立联系［1］。

就近距离通信应用的角度而言，其应用模式分为3种：标签模式、阅读器模式、点对点模式。标签模式，即NFC芯片作为被动设备使用，其作用相当于应答器。为了保证数据的安全性，在更换手机后不至于重新设置密钥信息，需要在SIM卡中保存移动支付的密钥信息。通信设备包括阅读器、NFC芯片和SIM卡。此时，NFC芯片提供射频接口，负责转发射频数据给SIM卡。对SIM卡而言，不需要像双界面SIM卡那样增加非接触接口，而使用SWP接口实现与NFC芯片的连接。在标签模式下，NFC芯片类似于桥接器，在阅读器和SIM卡之间转发数据。

NFC芯片是嵌入手机中的芯片，由手机的电源系统供电。为了保证手机没电时移动支付的正常进行，标签模式需要支持无源工作，其工作原理基于电磁感应。阅读器的天线线圈产生高频的强电磁场，这种磁场穿过线圈横截面和线圈周围的空间。发射磁场的一部分磁力线穿过距阅读器线圈有一定距离的应答器的天线线圈［2］。通过感应在天线线圈上产生电压，将其整流后作为电源提供给NFC芯片和SIM卡。

1.1.2  主动模式通信原理

在主动模式下，NFC发起设备要发送数据给目标设备时，必须产生自己的射频场；被读NFC设备发送响应给发起设备时，也要产生自己的射频场。发起设备和目标设备都要产生自己的射频场，这是对等网络通信的标准模式，可以获得非常快速的连接设置［1］。

移动设备主要工作在被动模式，可以大幅降低功耗，并延长电池寿命。主动模式主要是针对点对点模式，用于笔记本、手机、数码相机之间的数据交换。

1.2  近距离通信与RFID的关系

NFC是一种基于RFID的无线通信技术，二者都工作在13.56 MHz频带。在标签模式下，NFC利用RFID的通信原理，都基于无线频率的电磁感应耦合原理。

但是NFC技术是无线通信的新技术，与RFID还是有区别的：NFC技术增加了点对点通信功能，可以快速建立蓝牙设备之间的P2P（点对点）无线通信，NFC设备彼此寻找对方并建立通信连接。P2P通信的双方设备是对等的，而RFID通信的双方设备是主从关系。

2  SWP标准及连接方案

2.1  SWP标准［3］

SWP连接方案基于ETSI（欧洲电信标准协会）的SWP标准，该标准规定了SIM卡和NFC芯片之间的通信接口。

SWP(单线协议)是在一根单线上实现全双工通信，即S1和S2这两个方向的信号，如图1所示。通信的双方是UICC（Universal Integrated Circuit Card，通用集成芯片卡）和CLF（Contactless Frontend,非接触前端）。S1是电压信号，SIM卡通过电压表检测S1信号的高低电平，采用电平宽度调制；S2信号是电流信号，采用负载调制方式。S2信号必须在S1信号为高电平时才有效，S1信号为高电平时导通其内部的一个三极管，S2信号才可以传输。S1信号和S2信号叠加在一起，在一条单线上实现全双工通信［4］。

图1  SWP信号定义

图2  S1信号的编码