近距離通信的SWP方案及在SIM卡中的實現方法

韓麗英,陳紹強

(北京郵電大學 計算機科學與技術學院,北京100876)

韓麗英(碩士研究生),從事嵌入式系統與近距離通信的研究;陳紹強(教授),從事嵌入式系統的研究與優化。

引 言

近幾年,手機已經不再是簡單的通信工具,它已經成為便攜的娛樂工具,將來有望發展為可信賴的支付工具,在消費、購物、交通等領域通過手機方便、快捷地完成支付。基于手機的新需求,移動支付應運而生,并逐漸成為移動運營商、手機制造商、SIM卡制造商研究的熱點問題。移動支付的解決方案比較多,其中雙界面SIM卡方案和近距離通信(Near Field Communication,NFC)方案比較可行。雙界面SIM卡方案已經有產品面世,近距離通信方案正在研發階段。

雙界面SIM卡方案通過在SIM卡中增加非接觸IC卡界面進行非接觸通信。天線連接在SIM卡尚未使用的C4和C8這兩個接口上。雙界面SIM卡在手機中增加了非接觸IC卡的功能,但沒有實現閱讀器和點對點通信功能。NFC是由NXP公司和索尼公司提出的超短距離無線通信技術,它使得兩臺兼容NFC的設備之間可以直觀、便捷、安全地通信。NFC的主要應用是移動小額支付,還可以應用于門禁、公交等領域。

與雙界面SIM卡方案相比,NFC方案的優勢體現在以下方面:

①NFC方案可以實現更多的應用;

②在NFC芯片與SIM卡的連接使用C6(SWP)觸點,并不影響SIM卡高速空中數據下載;

③NFC方案是一套完善的解決方案,可以提供可靠、安全、便捷的通信;

④NFC方案完全兼容現有的讀寫器,不需要對讀寫器進行任何更改。

綜上所述,近距離通信NFC是移動非接觸支付業務最可行的解決方案,而SWP連接方案則是NFC技術的一部分。

1 近距離通信概述

近距離通信是短距離非接觸式的一種,工作于13.56 MHz頻帶,傳輸距離在10 cm以內;傳輸速度目前可以達到 106 kbps、212 kbps、424 kbps,理想速率可以達到1 Mbps左右。NFC所使用的頻率與目前流行的非接觸智能卡相同,同時兼容以ISO14443 A/B為基礎的感應式非接觸通信,以及Philips公司的MIFARE技術和索尼公司的FeliCa技術。

1.1 近距離通信原理

根據ISO18092標準,近距離通信可以工作在主動模式和被動模式。進行通信之前,可以選擇傳輸速率106 kbps、212 kbps、424 kbps中的一種,并可以在這三者間任意切換。

1.1.1被動模式通信原理

在被動模式下,近距離通信的通信原理與RFID一樣,都是依靠電磁感應耦合原理完成通信。NFC手機有一塊NFC芯片,內置有天線,用來接收和發送無線數據。

NFC工作在被動模式時,閱讀器啟動NFC通信,稱為NFC發起設備(主設備),在整個通信過程中提供射頻域。NFC發起設備選擇3種速率的一種傳輸數據,ISO18092標準規定了每種傳輸速率使用的調制、編碼技術。NFC目標設備(從設備)不必產生射頻域,而使用負載調制(load modulation)技術,以相同的速度將數據傳回發起設備。此通信機制與基于ISO14443 A/B、Mifare和FeliCa的非接觸式智能卡兼容,因此,在被動模式下,NFC發起設備可以用相同的連接和初始化過程檢測非接觸式智能卡或NFC目標設備,并與之建立聯系[1]。

就近距離通信應用的角度而言,其應用模式分為3種:標簽模式、閱讀器模式、點對點模式。標簽模式,即NFC芯片作為被動設備使用,其作用相當于應答器。為了保證數據的安全性,在更換手機后不至于重新設置密鑰信息,需要在SIM卡中保存移動支付的密鑰信息。通信設備包括閱讀器、NFC芯片和SIM卡。此時,NFC芯片提供射頻接口,負責轉發射頻數據給SIM卡。對SIM卡而言,不需要像雙界面SIM卡那樣增加非接觸接口,而使用SWP接口實現與NFC芯片的連接。在標簽模式下,NFC芯片類似于橋接器,在閱讀器和SIM卡之間轉發數據。

NFC芯片是嵌入手機中的芯片,由手機的電源系統供電。為了保證手機沒電時移動支付的正常進行,標簽模式需要支持無源工作,其工作原理基于電磁感應。閱讀器的天線線圈產生高頻的強電磁場,這種磁場穿過線圈橫截面和線圈周圍的空間。發射磁場的一部分磁力線穿過距閱讀器線圈有一定距離的應答器的天線線圈[2]。通過感應在天線線圈上產生電壓,將其整流后作為電源提供給NFC芯片和SIM卡。

1.1.2主動模式通信原理

在主動模式下,NFC發起設備要發送數據給目標設備時,必須產生自己的射頻場;被讀NFC設備發送響應給發起設備時,也要產生自己的射頻場。發起設備和目標設備都要產生自己的射頻場,這是對等網絡通信的標準模式,可以獲得非常快速的連接設置[1]。

移動設備主要工作在被動模式,可以大幅降低功耗,并延長電池壽命。主動模式主要是針對點對點模式,用于筆記本、手機、數碼相機之間的數據交換。

1.2 近距離通信與RFID的關系

NFC是一種基于RFID的無線通信技術,二者都工作在13.56 MHz頻帶。在標簽模式下,NFC利用RFID的通信原理,都基于無線頻率的電磁感應耦合原理。

但是NFC技術是無線通信的新技術,與RFID還是有區別的:NFC技術增加了點對點通信功能,可以快速建立藍牙設備之間的P2P(點對點)無線通信,NFC設備彼此尋找對方并建立通信連接。P2P通信的雙方設備是對等的,而RFID通信的雙方設備是主從關系。

2 SWP標準及連接方案

2.1 SWP標準[3]

SWP連接方案基于ETSI(歐洲電信標準協會)的SWP標準,該標準規定了SIM卡和NFC芯片之間的通信接口。

SWP(單線協議)是在一根單線上實現全雙工通信,即S1和S2這兩個方向的信號,如圖1所示。通信的雙方是UICC(Universal Integrated Circuit Card,通用集成芯片卡)和CLF(Contactless Front-end,非接觸前端)。S1是電壓信號,SIM卡通過電壓表檢測S1信號的高低電平,采用電平寬度調制;S2信號是電流信號,采用負載調制方式。S2信號必須在S1信號為高電平時才有效,S1信號為高電平時導通其內部的一個三極管,S2信號才可以傳輸。S1信號和S2信號疊加在一起,在一條單線上實現全雙工通信[4]。

圖1 SWP信號定義

S1信號的編碼如圖2所示,邏輯 1在3/4周期(3/4T)內為高電平,邏輯0在1/4周期(1/4T)內為高電平。S2信號在S1信號為高時有效,在S1信號為低時才能進行由低電平到高電平的切換。SWP有3種傳輸速率:212 kbps、424 kbps、848 kbps,對數據位進行擴展之后 ,傳輸速率可以達到1 696 kbps。

SWP協議是關于物理層和數據鏈路層的協議。物理層負責UICC和CLF之間物理鏈路的激活、保持、解除工作。SWP協議要求UICC的工作電壓為1.8～3.3 V。

圖2 S1信號的編碼

與OSI協議類似,數據鏈路層分為MAC(媒介訪問控制)層和鏈路控制層。在MAC層采用位填充的成幀方法。鏈路控制層包括3種類型的幀協議:ACT協議、SHDLC協議以及CLT(非接觸通道)協議。在SWP接口的設計中,使用了前兩種協議。

ACT協議是接口激活協議,用于激活SWP接口。在沒有射頻場時,SWP接口處于去激活狀態。在標簽模式下,感應到外界存在射頻場后,NFC芯片被激活,UICC收到NFC芯片的高電平信號后,使用ACT幀建立物理鏈路的連接。

SHDLC協議是ISO制定的高級數據鏈路控制規范的簡單版本,也是面向位的同步鏈路。該協議主要用來傳輸交互的數據信息,其信息幀承載上層HCP(主機控制協議)的包數據。此外,SHDLC協議還具有流控管理、錯誤檢查、出錯后數據重傳等功能。為了保證數據的正確發送與接收,兼容NFC芯片與 UICC不同速率傳輸的通信能力,在使用SHDLC協議通信前,首先要建立數據鏈路,雙方協商滑動窗口的大小。

2.2 SWP連接方案

本文中,CLF嵌入在手機內部,UICC使用的是SIM卡,手機通過SIM卡與NFC芯片通信。NFC芯片與SIM卡的連接方案有多種,本文提出的是基于C6引腳的SWP(單線協議)方案。SWP協議連接手機NFC芯片與SIM卡,規定兩者之間的通信接口。圖3是SWP連接方案的示意圖。[4]

圖3 SWP連接方案示意圖

本方案使用了SIM卡的3個引腳連接NFC芯片:C1(VCC)、C5(GND)、C6(SWP)。其中,SWP引腳在一根單線上基于電壓和負載調制原理實現全雙工通信。SIM卡支持ISO7816和SWP兩個接口,在大容量卡項目中還支持高速下載接口,通過預留的C4和C8接口來實現。支持SWP的SIM 卡必須同時支持兩個協議棧——ISO7816和SWP協議棧,這需要SIM 卡的COS(片上操作系統)是多任務系統。

SIM卡需要單獨管理這兩個協議棧。SWP方案加入SIM卡系統后,不能影響ISO7816接口。舉個例子,SIM卡有8個引腳,RST引腳用于復位SIM卡的ISO7816接口,SWP方案加入SIM卡后,RST引腳的Reset信號對SWP接口沒有作用,SWP接口通過SWP引腳復位。

3 SWP連接方案在SIM卡中的設計

3.1 系統結構

大容量SIM卡是一種支持大容量存儲、高速傳輸、具有新型應用的智能卡。我們研發的大容量SIM卡項目基于ARM Secure Core SC100內核,采用 AHB(高性能總線)+APB(高級外設總線)總線結構。AHB總線提供高速的數據傳輸,它連接SIM卡內部存儲器和高速外部接口(USB接口)。APB總線通過橋接器與AHB總線相連,SIM卡的低速接口(SWP接口、ISO7816接口)掛靠在外設總線上。

3.2 硬件設計

SWP硬件設計基于SWP標準,即ETSI(歐洲電信標準協會)制訂的的TS 102 613。SWP控制器和SWP接口共同組成了SWP方案的硬件設備。SWP控制器負責處理物理層和數據鏈路層邏輯。圖4為硬件實現數據鏈路層邏輯時SIM卡內部SWP控制器的結構圖。

圖4 SWP控制器結構圖

3.2.1接收數據設計

在SIM卡和NFC芯片通信期間,SWP控制器在激活、掛起、去激活三種狀態間切換。交換數據時,處于激活狀態。Rx解碼器不停地檢測Si信號,并將來自NFC芯片的單位數據解析為字節輸出。Frame resolve分析接收到的每一字節的數據,若為7E(幀頭),則繼續接收數據,直到接收到7F(幀尾),表明SWPC接收到一幀完整的數據。Frame resolve進一步解析接收到的數據幀,首先根據MAC協議剝離幀頭和幀尾,然后根據接收方的生成多項式對數據幀進行校驗。如果數據正確,則識別出SHDLC數據幀的類型并作相應處理;如果數據錯誤,則發送拒收幀,要求對方重新發送。對于正確的信息幀,SWP控制器提取信息幀的信息數據(包)寫入RX FIFO,并根據接收到的數據幀的字節個數設置控制器的狀態寄存器。SWP控制器每接收一幀數據就發起一個硬件中斷。

3.2.2發送數據設計

SWP控制器發送數據和接收數據是相反的過程。如果上層應用有數據要發送時,會把數據寫入TX FIFO。TX FIFO一旦檢測到FIFO有數據,就啟動發送模塊把數據從TX FIFO中取出,經Frame assemble按照SWP協議的SHDLC協議組裝信息幀,添加幀頭、幀尾、校驗碼。把生成的MAC幀數據交給Tx編碼器,完成輸出數據的物理層組裝,將數據轉換成單個位電平輸出。

3.3 軟件驅動設計

SWP軟件設計基于SWP標準和HCP(主機控制協議)標準。HCP標準是SWP協議之上的標準協議,定義了數據鏈路層之上的協議層——HCP路由層、HCP消息層以及應用層[5]。底層SWP協議和上層 HCP協議組成的協議棧共同完成NFC芯片與UICC通信的完整協議。

在大容量SIM卡中采用SWP方案,要實現ISO7816協議棧和SWP協議棧。SIM卡的操作系統使用μ C/OS。μ C/OS是一種結構小巧、搶占式的實時操作系統。其內核提供任務調度和管理、時間管理、任務同步和通信、內存管理和中斷服務等功能。在軟件系統中,SWP軟件模塊是μ C/OS的任務之一。

SWP任務依靠硬件中斷驅動,SWP任務沒有被激活前,一直處于等待中斷的狀態。通過SWP接口通信時,一旦檢測到存在射頻場,NFC芯片便被激活。NFC芯片發送Si信號給SIM卡,SIM卡檢測到Si電壓信號后,觸發si_act中斷通知軟件做好準備通信。此時,軟件設置通信參數,然后等待硬件建立物理鏈路成功的中斷。如果接收到init_sync中斷,軟件開始設置SHDLC協議的滑動窗口大小M,等待建立SHDLC鏈路的中斷。這個中斷帶有NFC芯片SHDLC層的滑動窗口的參數N。若M≥N,則SWP任務修改自己的滑動窗口大小為N,然后發送確認幀,這樣便建立了SHDLC鏈路;若M＜N,SWP任務發送帶有自己窗口參數的RESET幀給NFC芯片,繼續協商滑動窗口大小。

SHDLC鏈路建立成功后,SWP任務等待信息幀中斷。接收到信息幀中斷,根據硬件寫入的狀態寄存器的接收字節數從RX FIFO中讀取數據,然后由軟件解析收到的數據包;通過HCP的路由層把數據包遞交給應用層,應用層根據消息的類型進行相應的處理。

結 語

本文提出一種SWP連接方案,并在大容量SIM卡中加以實現。SWP接口的硬件和軟件設計方法,對于近距離通信技術應用于其他移動支付具有一定借鑒意義;同時,在SIM卡中實現SWP接口,也促進了SIM卡技術的發展。

[1]NFC技術與應用專題[EB/OL].[2009-11].http://www.rfidworld.com.cn/NFC.

[2]Finkenzeller K.射頻識別技術[M].吳曉峰,陳大才,譯.3版.北京:電子工業出版社,2006:32-33.

[3]ETSI 102 613—2008.Smart Cards.UICC—Contactless Front-end(CLF)Interface,Part 1:Physical and data link layer characteristics[S].

[4]石亦欣,李蔚.NFC芯片與SIM卡連接的方案研究[J].中國集成電路,2007,16(7):2-3.

[5]ETSI 102 622—2008.Smart Cards.UICC—Contactless Front-end(CLF)Interface,Host Controller Interface(HCI)[S].