NFC端到端兼容性測試研究

高一維，孫 宇

（中國聯合網絡通信有限公司研究院 北京 100032）

1 引言

2014年 9月，搭載 NFC（near field communication，近場通信）功能的iPhone6的上市，使得NFC成為真正意義上的高端手機標配；在此之前，華為、OPPO、魅族、小米等國內終端廠商也紛紛在中低端市場推出了不同價位的NFC手機。NFC終端的全線覆蓋使得NFC應用有了直接的載體并快速發展，除規模最大的行業應用——公交應用在全國大部分城市開通外，沃爾瑪、星巴克、麥當勞等零售業、餐飲業的行業龍頭也已紛紛在不同國家和地區開通近場支付業務，用戶手機支付習慣已初步養成。為了配合NFC支付的迅猛發展，中國銀聯也于2014年12月初完成了 500 萬部“閃付”POS（point of sale，銷售終端）的布置。可以看出，在統一了NFC射頻標準之后，經過產業鏈各方積極布局，基于NFC的移動支付或將在兩年內迎來爆發式增長。

但NFC支付由于其先天產業鏈過長、相關硬件廠商眾多等原因，其硬件性能差異、實現技術差異、標準差異等帶來的兼容性問題成為NFC支付業務發展的巨大障礙。在2014年進行的NFC終端外場測試中發現，僅北京一地與某款NFC終端存在兼容性的“一卡通”行業POS就多達400余部。除此之外，兼容性測試的缺失也是影響NFC終端與POS端兼容性的重要原因。在整個NFC支付硬件測試鏈條上，SWP（single wire protocol，單線協議）卡、NFC終端、POS機分別由不同的生產或采購方進行測試，SWP卡與NFC終端之間的兼容性大多由運營商進行測試，唯獨缺失了重要的終端——POS之間的端到端兼容性測試。NFC測試鏈及參與方如圖1所示。

鑒于NFC端到端兼容性對近場支付的影響，GSMA、NFC論壇等國際標準組織已將其列入規范更新計劃之內；部分卡廠商、NFC芯片廠商、終端廠商等也開始在力所能及的范圍內進行兼容性測試?？傮w來說，NFC生態系統已日趨成熟，單純的射頻、尺寸、存儲等差距已越來越小，而真正制約支付NFC用戶體檢、決定NFC發展前景的核心點已轉向終端和POS端的兼容性層面。

本文以SWP-SIM為基礎，在分析相關技術標準及測試標準的基礎上，提出了幾種提升NFC終端與POS端兼容性的測試方法。ESE-NFC（embedded security element-NFC,嵌入式安全模塊的 NFC）、SD-NFC （secure digital memory card-NFC,基于安全數字存儲卡的NFC）以及將來的HCE（host-based card emulation，基于主機的卡模擬）只是SE（security element，安全模塊）的存儲方式不同，其端到端兼容性的測試均可以參照以下方法。

2 NFC終端標準與一致性測試

2.1 NFC標準研究

2.1.1 NFC技術規范

在國際上，NFC技術標準主要的制定組織有NFC論壇、ETSI、GSMA和ISO 4個組織[1]。NFC論壇是由主要的移動通信、半導體、消費電子產品公司建立的非盈利行業協會，定義了NFC的模擬規范、數據交換所需數據結構及協議、標簽操作規范等；ISO組織主要定義了射頻協議規范；ETSI是歐洲電信標準化協會，制定了內部實現標準，對于SWP-SIM方案即NFC芯片與智能卡的接口規范；GSMA是全球運營商的聯合體，主要定義NFC需求規范。NFC技術標準具體包括以下4個方面。

（1）射頻非接標準

NFC作為一種新的無線連接技術，是由13.56 MHz的射頻識別（RFID）技術發展而來的，其標準大部分是基于ISO/IEC 14443、ISO 18092及ISO 15693。NFC射頻非接標準包括NFC論壇定義的模擬規范、數字協議規范以及ECMA定義的ECMA 340/NFCIP-1和ECMA 352/NFCIP-2規范[2]。

（2）內部實現標準

圖1 NFC測試鏈及參與方

NFC設備內部實現接口標準也就是NFC芯片和智能卡芯片的接口標準。NFC在終端上的實現有不同的架構，目前國內運營商使用的是由ETSI定義的SWP/HCI標準，將安全模塊SE放置在電信SIM卡上。ETSI對NFC設備內部實現接口定義的標準是：ETSI TS 102 613和ETSI TS 102 622。在此技術規范下，NFC中的SE基于ETSI制定UICC標準，而UICC與CLF之間遵循SWP及HCI標準要求，這樣就可以達到NFC設備要求[1]。

（3）標簽操作規范

NFC論壇定義了NFC標簽的規范，包括4類標簽，分別為標簽1、標簽2、標簽3、標簽4。標簽1是基于14443A協議，內存最小為96 byte，標簽2支持Mifare卡，標簽3支持Sony的FeliCa技術，標簽4兼容14443A/B協議，存儲空間較大。對于每類標簽，NFC論壇都定義了相應的標簽規范。

（4）需求規范

GSMA作為全球運營商的聯合體，致力于推廣基于電信SIM卡的SWP方案。GSMA關于NFC的標準主要集中于需求規范，更多地是從應用角度提出需求規范。GSMA規范包括NFC手機API需求規范及NFC UICC需求規范[2]。

2.1.2 NFC測試規范

運營商主導的SWP方案的NFC終端測試內容涉及射頻性能測試、協議測試、機卡接口測試、軟件功能測試、兼容性測試等方面。目前國際標準主要對射頻性能測試、協議測試、機卡接口測試發布了測試規范，基于測試規范可以開展一致性測試，驗證NFC終端與規范和標準的一致程度。

對于NFC射頻性能測試，其目的是測試NFC終端是否符合標準所規定的強制性要求，涉及頻率功率和場強等參數，NFC論壇定義了射頻測試規范《NFC Forum Analogue Test Specification》。射頻一致性測試需要使用認證設備進行測試，測試設備包括校準線圈，用來產生磁場的場源天線，用于測量被測設備所發射出信號的感應線圈，用于測量發起設備的功率和調制的參考裝置以及數字取樣示波器[3]。

NFC協議一致性測試是保證協議實現的一個重要手段。協議一致性測試規范包括NFC論壇發布的《NFC Forum-Test Cases for Digital Protocol》。

SWP協議標準為ETSI 102 613，測試標準為 ETSI TS 102 694，在測試標準中，102 694-1是對UE的測試標準、102 694-2是對UICC的測試標準[3]。HCI協議標準為ETSI 102 622，測試標準為 ETSI TS 102 695。在測試標準中，102 695-1是對UE的測試標準、102 695-2是對UICC的測試標準、102 695-3是主機控制器（host controller）的測試標準[3]。

北美和歐洲的標準化組織GCF（Global Certification Forum，全球認證論壇）和PTCRB（PCS Type Certification Review Board，個人通信服務型號認證評估委員會）成立了工作組（GCF WI-133.PTCRB RFT 094）對NFC標準進行跟進，并對支持NFC功能的移動終端做出了測試要求，選取了ETSI 102 694-1和ETSI 102 695-1中的部分測試用例作為認證測試的要求[3]。

在國際組織里，如ISO/IEC、NFC論壇等，定義了技術規范和對應的一致性測試規范，但是并沒有明確的關于兼容性測試的規范文檔[4]。在GSMA的規范體系里，有終端的功能性要求文檔，如《TS_27_NFC_Handset_test_Book》，暫未對NFC兼容性測試的規范做出定義。

2.2 NFC終端一致性測試

終端的一致性測試是指利用一組測試序列，在特定的測試環境下，對被測實體（IUT）進行黑盒測試，通過比較被測終端的實際輸出與標準和規范中規定的預期輸出的異同，驗證被測終端是否符合相應的標準或規范。一致性測試一般都有標準規范進行約定，并使用標準認證的儀表來進行測試。

從標準層面來講，排除卡、終端、POS在實現或封裝時的差異，只要各自嚴格遵循相關射頻、協議規范，即可在一定程度上保證NFC各設備之間的數據交互。因此，在運營商、終端廠商已有射頻、協議等相關標準測試環境的情況下，可以使用嚴格的一致性測試提升NFC終端與POS端之間的兼容性。

例如，常見的可變POS傳輸參數有：發射載波功率、發射載波頻率、通信速率、調制的時間參數、傳輸間隔時間、傳輸幀大小等，卡片的可變參數有傳輸間隔、傳輸速率等[5]。在常規的一致性測試中，只測試了終端在最大、最小磁場情況下的接收能力等少量參數組合。而在磁場大小固定的情況下，還有如下的可變因素：天線線圈大小、天線線圈負載阻抗、傳輸速率、磁場頻率、比特調制、終端在磁場中的位置。在實際的POS中，會因這些參數的不同組合而發生不同變化，這就要求在更嚴格的一致性測試中把這些可變參數會用到的所有組合都測試到。

普通一致性測試只測試了106 kbit/s傳輸速率的情況，具體見表1。但是在實際使用中會用到的傳輸速率有106 kbit/s、212 kbit/s、424 kbit/s、848 kbit/s等情況，需通過更加嚴格的一致性測試，提高NFC終端兼容性[6]。

另外，在普通協議一致性測試中是通過DTA（device test application,設備測試應用）輔助程序完成測試的，在更嚴格的一致性測試中，可以使用模擬SWP卡片和手機的支付功能來測試協議。

表1 射頻一致性的測試值（測試單一的變化因素）

在加入模擬SWP卡片后，傳輸命令和響應的間隔時間、協議安裝過程中卡片的實際參數定義會影響到終端與POS的交互能力。在更嚴格的測試中，需要把會用到的間隔時間、參數設置都盡量全面測試，從而提高NFC終端的兼容性。如有的終端在命令和響應的間隔超過一定的時間后，其協議棧可能會進入死循環。如卡片返回交易響應的時間超過40 ms，終端出現協議異常情況。

綜上，更加嚴格的一致性測試的實施有利于提高NFC終端與POS端的兼容性。但由于不同的硬件性能和封裝技術等差異，實際POS要比實驗室環境下更為復雜，一致性測試的結果往往與用戶實際使用情況存在不小的差異。

3 端到端兼容性測試

端到端的兼容性測試是指對NFC終端在CE模式下與不同POS端之間的刷卡成功率及刷卡性能的考察與評測，是反映終端用戶真實刷卡體驗的重要指標。除用更嚴格的一致性測試來提高NFC與POS兼容性外，真正意義上的端到端兼容性測試主要有儀表兼容性測試、R/W兼容性測試、POS兼容性測試3種。

3.1 儀表兼容性測試

儀表兼容性，即使用儀表模擬不同傳輸參數的POS機，對終端的兼容性進行測試。常見的POS傳輸參數主要有發射載波功率、發射載波頻率、通信速率、調制的時間參數、傳輸間隔時間、傳輸幀大小等。儀表可以通過以上傳輸參數的不同組合模擬不同的POS機，以測試終端的兼容性[7]。以數據傳輸速率106 kbit/s為例，可測試的POS參數組見表2。

圖2提供了一種常見的儀表兼容性測試示意。NFC終端預置入SWP-SIM卡，通過空口或電纜與模擬不同POS參數的儀表進行數據交互，以評測NFC終端的兼容性。

儀表兼容性測試通過不同傳輸參數的組合，可以模擬大部分的POS終端，復現實際POS刷卡過程中遇到的故障，幫助分析定位并解決兼容性問題。除此之外，還可以在儀表上根據需要開發不同的測試腳本，測試效率及準確性要遠遠高于其他兼容性測試方法。

但由于POS電路中電容、電感的性能差異，如用于耦合的電感允許存在±10%～15%的偏差，不同POS所產生的諧振頻率也不相同，包括POS機在實際封裝過程中實現技術的差異等，實際環境下的POS情況要更為復雜，測試者需要在儀表測試的過程中予以考慮。

表2 106 kbit/s數據傳輸速率下的POS測試參數

圖2 儀表兼容性測試示意

3.2 R/W兼容性測試

R/W兼容性測試，即使用不同的reader/writer對NFC終端的兼容性進行測試。由于去除上層應用的影響，實際的POS均可以看作一臺R/W，終端只需完成與R/W的數據交互，即可視為通過測試。測試者可以參照市場典型POS的型號，選取不同芯片及天線尺寸的R/W。目前芯片廠商、終端廠商、卡商的兼容性測試多依照此方案進行。

在R/W兼容性測試中，測試者可以方便地從R/W中獲取測試數據，統計測試信息，除進行接觸條件下不同R/W一次刷卡成功率測試外，還可以借助機械臂，方便、精確地進行盲區、不同距離刷卡成功率（0～40 mm)、不同角度刷卡成功率（0°、45°、90°）、中心點偏移刷卡成功率（上、下、左、右）等測試，如圖3和圖4所示。

圖3 R/W兼容性測試示意

圖4 中心點偏移測試示意

此測試方案的優點在于測試環境簡單，測試效率較高，測試結果易于判斷。缺點在于由于忽略了不同POS實現方式（協議差異、封裝技術等）、上層應用開發、業務流程等對兼容性的影響，只能檢測NFC終端與有限類別R/W之間的兼容性，無法完全覆蓋真實的用戶使用體驗。

3.3 POS兼容性測試

實驗室POS兼容性測試以市場POS占有率或POS線圈大小、芯片類別為依據，選取市面使用的典型POS機，進行離線或在線刷卡測試。

由于POS機大多為嵌入式系統，測試時除需要在NFC終端和POS端預置或新開發應用外，POS端還要根據需要導入證書或插入PSAM卡。在線的刷卡測試還需要搭建后臺計費服務器，用于充值等測試。在POS兼容性測試中，POS覆蓋率是影響NFC兼容性測試結果準確度的重要因素，測試者要根據POS市場份額及型號特性，盡可能地多提高實驗POS覆蓋率，并制訂合理的結果評價方法。

受POS端接口、證書、業務流程等限制，此類實驗室一般由業務主管部門或POS采購部門進行建設，如國內的“一卡通”實驗室、住房和城鄉建設部實驗室以及日本的JR實驗室等。

典型的POS兼容性測試場景如圖5所示。其中儀表1為抓包器，用于抓取SWP-SIM與NFC終端之間的數據，儀表2為非接抓包器，用于抓取終端與POS之間的容器數據。

圖5 POS兼容性測試示意

鑒于POS兼容性測試是NFC終端與真實商用POS之間的測試，所以能最真實、直觀地反映NFC端到端的兼容性。但由于POS數據的獲取需要由POS廠商開放數據接口，導致難以開發自動化測試工具，盲區、成功率等測試需要耗費大量人工，且結果不夠精確。另外，當遇到偶發性問題時，測試場景難以復現，不利于兼容性問題的定位及分析。

4 結束語

基于以上分析，更嚴格的一致性測試容易實現，但完全基于對終端的測試，忽略了POS等在實現時的差異；儀表兼容性測試通過儀表來模擬POS終端，可以復現實際POS刷卡過程中遇到的故障，但是實際使用的POS終端要比儀表模擬的POS終端更加復雜；R/W兼容性測試使用不同的reader/writer對NFC終端的兼容性進行測試，測試環境簡單，測試效率較高，但是卻無法覆蓋不同POS實現方式、上層應用開發、業務流程等對兼容性的影響；POS兼容性測試選取市面使用的典型POS機，進行離線或在線刷卡測試，最能真實、直觀地反映NFC端到端的兼容性，但是需要由POS廠商開放數據接口。各種兼容性測試的方法各有優劣，行業各方需要根據自身實驗環境及需求進行選擇。

傳統卡片行業也需要正視自身問題，不要因手機支付導致的傳統卡片購卡費用減少、卡片管理權利轉移、購卡押金減少等問題而抵觸移動支付，消極對待兼容性問題。

優化NFC支付環境，提高NFC兼容性需要整個產業鏈集體協作，共同努力。僅有運營商、終端廠商及卡商的努力是遠遠不夠的。NFC與POS的兼容性必須有POS廠商以及住房和城鄉建設部、銀聯等產業鏈相關方的大力支持與參與。

在標準層面，需要產業鏈各方努力推動NFC終端與POS機兼容性標準的制定。實際使用層面，服務提供方應及時收集用戶問題及反饋，并通過兼容性測試對問題進行定位，修改問題以防相同原因的問題再次發生。測試層面，希望產業鏈各方能夠有開放的態度，互相共享資源，共同合作，盡快推進NFC兼容性測試，保證用戶良好的使用體驗，促進整個NFC產業健康發展。

1 Maierhuber M,Ebner M.Near field communication.International Journal of Interactive Mobile Technologies,2013,7(4)

2 李慶艷,張文安,謝云.NFC技術標準體系揭密.電信技術,2013(6):62～68

Li Q Y,Zhang W A,Xie Y.Introduction to NFC technical standards and specifications.Telecommunications Technology,2013(6):62～68

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6 孫倩,夏麗嬌.近場通信測試簡介.電信網技術,2013(5):60～64

Sun Q,Xia L J.Introduction to NFC testing.Telecommunications Network Technology,2013(5):60～64

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