近距離通信的SWP方案及在SIM卡中的實現(xiàn)方法

　　引言

　　近幾年，手機已經(jīng)不再是簡單的通信工具，它已經(jīng)成為便攜的娛樂工具，將來有望發(fā)展為可信賴的支付工具，在消費、購物、交通等領(lǐng)域通過手機方便、快捷地完成支付?；谑謾C的新需求，移動支付應(yīng)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(jīng)有產(chǎn)品面世，近距離通信方案正在研發(fā)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(jìn)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(xiàn)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(shù)，它使得兩臺兼容NFC的設(shè)備之間可以直觀、便捷、安全地通信。NFC的主要應(yīng)用是移動小額支付，還可以應(yīng)用于門禁、公交等領(lǐng)域。

　　與雙界面SIM卡方案相比，NFC方案的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下方面：

　?、貼FC方案可以實現(xiàn)更多的應(yīng)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(shù)據(jù)下載；

　?、跱FC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；

　?、躈FC方案完全兼容現(xiàn)有的讀寫器，不需要對讀寫器進(jìn)行任何更改。

　　綜上所述，近距離通信NFC是移動非接觸支付業(yè)務(wù)最可行的解決方案，而SWP連接方案則是NFC技術(shù)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(nèi)；傳輸速度目前可以達(dá)到106 kbps、212 kbps、424 kbps，理想速率可以達(dá)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(chǔ)的感應(yīng)式非接觸通信，以及PHILIPS公司的MIFARE技術(shù)和索尼公司的FeliCa技術(shù)。

　　1.1  近距離通信原理

　　根據(jù)ISO18092標(biāo)準(zhǔn)，近距離通信可以工作在主動模式和被動模式。進(jìn)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(yīng)耦合原理完成通信。NFC手機有一塊NFC芯片，內(nèi)置有天線，用來接收和發(fā)送無線數(shù)據(jù)。

　　NFC工作在被動模式時，閱讀器啟動NFC通信，稱為NFC發(fā)起設(shè)備（主設(shè)備），在整個通信過程中提供射頻域。NFC發(fā)起設(shè)備選擇3種速率的一種傳輸數(shù)據(jù)，ISO18092標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了每種傳輸速率使用的調(diào)制、編碼技術(shù)。NFC目標(biāo)設(shè)備(從設(shè)備)不必產(chǎn)生射頻域，而使用負(fù)載調(diào)制(load modulation)技術(shù)，以相同的速度將數(shù)據(jù)傳回發(fā)起設(shè)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(fā)起設(shè)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(biāo)設(shè)備，并與之建立聯(lián)系［1］。

　　就近距離通信應(yīng)用的角度而言，其應(yīng)用模式分為3種：標(biāo)簽?zāi)Ｊ?、閱讀器模式、點對點模式。標(biāo)簽?zāi)Ｊ?，即NFC芯片作為被動設(shè)備使用，其作用相當(dāng)于應(yīng)答器。為了保證數(shù)據(jù)的安全性，在更換手機后不至于重新設(shè)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(shè)備包括閱讀器、NFC芯片和SIM卡。此時，NFC芯片提供射頻接口，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)射頻數(shù)據(jù)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(xiàn)與NFC芯片的連接。在標(biāo)簽?zāi)Ｊ较?，NFC芯片類似于橋接器，在閱讀器和SIM卡之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

　　NFC芯片是嵌入手機中的芯片，由手機的電源系統(tǒng)供電。為了保證手機沒電時移動支付的正常進(jìn)行，標(biāo)簽?zāi)Ｊ叫枰С譄o源工作，其工作原理基于電磁感應(yīng)。閱讀器的天線線圈產(chǎn)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(fā)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(yīng)答器的天線線圈［2］。通過感應(yīng)在天線線圈上產(chǎn)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(fā)起設(shè)備要發(fā)送數(shù)據(jù)給目標(biāo)設(shè)備時，必須產(chǎn)生自己的射頻場；被讀NFC設(shè)備發(fā)送響應(yīng)給發(fā)起設(shè)備時，也要產(chǎn)生自己的射頻場。發(fā)起設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備都要產(chǎn)生自己的射頻場，這是對等網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)準(zhǔn)模式，可以獲得非常快速的連接設(shè)置［1］。

　　移動設(shè)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(shù)碼相機之間的數(shù)據(jù)交換。

　　1.2  近距離通信與RFID的關(guān)系

　　NFC是一種基于RFID的無線通信技術(shù)，二者都工作在13.56 MHz頻帶。在標(biāo)簽?zāi)Ｊ较?，NFC利用RFID的通信原理，都基于無線頻率的電磁感應(yīng)耦合原理。

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

　　2  SWP標(biāo)準(zhǔn)及連接方案

　　2.1  SWP標(biāo)準(zhǔn)［3］

　　SWP連接方案基于ETSI（歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會）的SWP標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了SIM卡和NFC芯片之間的通信接口。

　　SWP(單線協(xié)議)是在一根單線上實現(xiàn)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(diào)制；S2信號是電流信號，采用負(fù)載調(diào)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(dǎo)通其內(nèi)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(xiàn)全雙工通信［4］。

　　S1信號的編碼如圖2所示，邏輯1在3/4周期（3/4T）內(nèi)為高電平，邏輯0在1/4周期（1/4T）內(nèi)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(jìn)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(shù)據(jù)位進(jìn)行擴展之后，傳輸速率可以達(dá)到1 696 kbps。

　　SWP協(xié)議是關(guān)于物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。物理層負(fù)責(zé)UICC和CLF之間物理鏈路的激活、保持、解除工作。SWP協(xié)議要求UICC的工作電壓為1.8～3.3 V。

　　與OSI協(xié)議類似，數(shù)據(jù)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(xié)議：ACT協(xié)議、SHDLC協(xié)議以及CLT（非接觸通道）協(xié)議。在SWP接口的設(shè)計中，使用了前兩種協(xié)議。

　　ACT協(xié)議是接口激活協(xié)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(tài)。在標(biāo)簽?zāi)Ｊ较?，感?yīng)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(xié)議是ISO制定的高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)范的簡單版本，也是面向位的同步鏈路。該協(xié)議主要用來傳輸交互的數(shù)據(jù)信息，其信息幀承載上層HCP（主機控制協(xié)議）的包數(shù)據(jù)。此外，SHDLC協(xié)議還具有流控管理、錯誤檢查、出錯后數(shù)據(jù)重傳等功能。為了保證數(shù)據(jù)的正確發(fā)送與接收，兼容NFC芯片與UICC不同速率傳輸?shù)耐ㄐ拍芰Γ谑褂肧HDLC協(xié)議通信前，首先要建立數(shù)據(jù)鏈路，雙方協(xié)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(nèi)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(xié)議）方案。SWP協(xié)議連接手機NFC芯片與SIM卡，規(guī)定兩者之間的通信接口。圖3是SWP連接方案的示意圖。 

　　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(fù)載調(diào)制原理實現(xiàn)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(yù)留的C4和C8接口來實現(xiàn)。支持SWP的SIM卡必須同時支持兩個協(xié)議棧——ISO7816和SWP協(xié)議棧，這需要SIM卡的COS（片上操作系統(tǒng)）是多任務(wù)系統(tǒng)。

　　SIM卡需要單獨管理這兩個協(xié)議棧。SWP方案加入SIM卡系統(tǒng)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(fù)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(fù)位。

　　3  SWP連接方案在SIM卡中的設(shè)計

　　3.1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　大容量SIM卡是一種支持大容量存儲、高速傳輸、具有新型應(yīng)用的智能卡。我們研發(fā)的大容量SIM卡項目基于ARM Secure Core SC100內(nèi)核，采用 AHB（高性能總線）+APB（高級外設(shè)總線）總線結(jié)構(gòu)。AHB總線提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，它連接SIM卡內(nèi)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(shè)總線上。

　　3.2  硬件設(shè)計

　　SWP硬件設(shè)計基于SWP標(biāo)準(zhǔn)，即ETSI（歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)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(shè)備。SWP控制器負(fù)責(zé)處理物理層和數(shù)據(jù)鏈路層邏輯。圖4為硬件實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層邏輯時SIM卡內(nèi)部SWP控制器的結(jié)構(gòu)圖。

　　3.2.1  接收數(shù)據(jù)設(shè)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(tài)間切換。交換數(shù)據(jù)時，處于激活狀態(tài)。Rx 解碼器不停地檢測Si信號，并將來自NFC芯片的單位數(shù)據(jù)解析為字節(jié)輸出。Frame. resolve分析接收到的每一字節(jié)的數(shù)據(jù)，若為7E(幀頭)，則繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，直到接收到7F(幀尾)，表明SWPC接收到一幀完整的數(shù)據(jù)。Frame. resolve進(jìn)一步解析接收到的數(shù)據(jù)幀，首先根據(jù)MAC協(xié)議剝離幀頭和幀尾，然后根據(jù)接收方的生成多項式對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗。如果數(shù)據(jù)正確，則識別出SHDLC數(shù)據(jù)幀的類型并作相應(yīng)處理；如果數(shù)據(jù)錯誤，則發(fā)送拒收幀，要求對方重新發(fā)送。對于正確的信息幀，SWP控制器提取信息幀的信息數(shù)據(jù)（包）寫入RX FIFO，并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)幀的字節(jié)個數(shù)設(shè)置控制器的狀態(tài)寄存器。SWP控制器每接收一幀數(shù)據(jù)就發(fā)起一個硬件中斷。

　　3.2.2  發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)計

　　SWP控制器發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)是相反的過程。如果上層應(yīng)用有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，會把數(shù)據(jù)寫入TX FIFO。TX FIFO一旦檢測到FIFO有數(shù)據(jù)，就啟動發(fā)送模塊把數(shù)據(jù)從TX FIFO中取出，經(jīng)Frame. assemble按照SWP協(xié)議的SHDLC協(xié)議組裝信息幀，添加幀頭、幀尾、校驗碼。把生成的MAC幀數(shù)據(jù)交給Tx編碼器，完成輸出數(shù)據(jù)的物理層組裝，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成單個位電平輸出。

　　3.3  軟件驅(qū)動設(shè)計

　　SWP軟件設(shè)計基于SWP標(biāo)準(zhǔn)和HCP（主機控制協(xié)議）標(biāo)準(zhǔn)。HCP標(biāo)準(zhǔn)是SWP協(xié)議之上的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，定義了數(shù)據(jù)鏈路層之上的協(xié)議層——HCP路由層、HCP消息層以及應(yīng)用層［5］。底層SWP協(xié)議和上層HCP協(xié)議組成的協(xié)議棧共同完成NFC芯片與UICC通信的完整協(xié)議。

　　在大容量SIM卡中采用SWP方案，要實現(xiàn)ISO7816協(xié)議棧和SWP協(xié)議棧。SIM卡的操作系統(tǒng)使用μC/OS。μC/OS是一種結(jié)構(gòu)小巧、搶占式的實時操作系統(tǒng)。其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度和管理、時間管理、任務(wù)同步和通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能。在軟件系統(tǒng)中，SWP軟件模塊是μC/OS的任務(wù)之一。

　　SWP任務(wù)依靠硬件中斷驅(qū)動，SWP任務(wù)沒有被激活前，一直處于等待中斷的狀態(tài)。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(fā)送Si信號給SIM卡，SIM卡檢測到Si電壓信號后，觸發(fā)si_act中斷通知軟件做好準(zhǔn)備通信。此時，軟件設(shè)置通信參數(shù)，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(shè)置SHDLC協(xié)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(shù)N。若M≥N，則SWP任務(wù)修改自己的滑動窗口大小為N，然后發(fā)送確認(rèn)幀，這樣便建立了SHDLC鏈路；若M＜N，SWP任務(wù)發(fā)送帶有自己窗口參數(shù)的RESET幀給NFC芯片，繼續(xù)協(xié)商滑動窗口大小。

　　SHDLC鏈路建立成功后，SWP任務(wù)等待信息幀中斷。接收到信息幀中斷，根據(jù)硬件寫入的狀態(tài)寄存器的接收字節(jié)數(shù)從RX FIFO中讀取數(shù)據(jù)，然后由軟件解析收到的數(shù)據(jù)包；通過HCP的路由層把數(shù)據(jù)包遞交給應(yīng)用層，應(yīng)用層根據(jù)消息的類型進(jìn)行相應(yīng)的處理。

　　結(jié)語

　　本文提出一種SWP連接方案，并在大容量SIM卡中加以實現(xiàn)。SWP接口的硬件和軟件設(shè)計方法，對于近距離通信技術(shù)應(yīng)用于其他移動支付具有一定借鑒意義；同時，在SIM卡中實現(xiàn)SWP接口，也促進(jìn)了SIM卡技術(shù)的發(fā)展。