NFC終端的卡片模擬應用：從一卡通走向一機通
摘要：
NFC的概念提出已有近十年了，但在手機上批量加載NFC功能，則是始于2012年。本質上，NFC是成熟技術的創新應用，NFC的十年發展及推進之路，主要還是商業模式的探索之路。尤其是NFC的卡片模擬功能，其主要的應用場景為移動支付，本文通過探討一機通概念，在基本不額外增加NFC成本的前提下，在手機上集成多個SE卡槽，使得多種應用可以集成在一個手機上，為產業鏈的各方在NFC卡片模擬方面實現合作共贏提供了一種可行性。
1. NFC卡片模擬的現狀與問題
標準的NFC應用支持三種模式：卡片模擬、讀卡器以及點對點通信。自2012年開始，NFC功能在手機上越來越普及，NFC技術經過了近10年的積累，目前看來，成為手機的標配應該是大勢所趨了。
所謂卡片模擬，就是將NFC終端整體上模擬成為一張卡片接受讀卡器訪問。NFC卡片模擬功能在國內得到了各大移動運營商、銀聯和第三方支付公司的關注，在過去的幾年中，移動通信、金融、交通等各領域紛紛開展了基于NFC手機的卡片模擬技術研究及應用試點，這些技術研究取得了很多的成果，業界也提出了很多技術解決方案，但在具體的應用上也遭遇了不少問題，概括起來可以分為幾大類：技術問題、可用性問題、適用性問題、售后服務問題和多應用合一的問題等，而且這些問題又相互交織在一起。
1.1. 技術問題
技術問題首先是技術方案的選擇，用戶(無論是最終用戶還是應用提供方)大多期望在不改造手機的情況下在手機上實現卡片模擬功能，從目前的實際試點情況來看，在不改造手機的情況下實現卡片模擬功能還是受到了很多方面的限制，比如終端的適用性，可靠性等。因此，重新設計手機，使得NFC功能成為手機整體設計的一部分，是解決NFC應用普適性的重要步驟。隨著國際國內知名品牌紛紛推出帶有NFC功能的手機，可以說，手機的改造本身已經不是一個問題了。
另一方面，無論選擇哪種技術方案，技術問題的核心是射頻性能，即如何在結構復雜、空間受限的手機上實現卡片模擬所需要的良好射頻性能，從這一點來說，技術問題最終體現在可用性上面。
1.2. 可用性
可用性是用戶的重要體驗，也是決定NFC應用是否成功的關鍵之一，具體來說，可用性包括：
1) 最終用戶所感受到的可用性
最終用戶將手機終端作為卡片使用時，用戶體驗非常關鍵，特別表現在卡片的非接觸操作性能是否能夠真正做到瀟灑一揮。國內的非接觸IC卡應用經過了多年的發展，積累了各種各樣的讀卡終端，終端之間的射頻性能難免存在差異，作為后來者的NFC終端模擬卡片，應當與現有系統中的讀卡器有良好的兼容性。而在實際操作中，這是一個技術難點。
2) 應用發行方所感受到的可用性
手機作為卡片模擬時，必須要由應用發行方通過某種方式對SE進行發行，方可使用。SE在手機上的不同接入模式會導致不同的應用發行模式。機卡分離方案下，應用發行方只需要對SE進行獨立發行即可，而在機卡一體的方式下，應用發行方將對整個手機進行發行，這種操作模式面臨一系列的問題，包括：
●手機的物流運送：手機的價值較高，因此，會帶來較高的物流與管理成本；
●無電池不拆包裝發行：新手機一般都是電池外置、包裝完整的，這就要求發行過程中不拆包裝，不加裝電池。從目前帶有NFC功能的手機來看，很多手機的NFC天線都是做在電池上的，因此，不帶電池是無法發行的；
●發行與銷售的先后關系：如果是先發行后銷售，那賣不出去怎么辦；如果是先銷售后發行，銷售了之后應用發行方如何來信任這個手機；
●多家應用合一：發行的過程會多次重復，因此，上述的問題會成倍增加。
為了解決上述的問題，有廠商和應用發行方提出空中發行的思路，即能夠通過空中通道，將應用下載到SE中去。這種方案解決了發行的問題，但在售后服務方面仍然面臨困難。
1.3. 適用性
NFC手機終端作為卡片模擬應用，其最吸引人的一點是出門只要帶手機就行了。我們日常生活中所用到的智能卡種類繁多，用途也非常廣泛，這些應用由不同的主管機構和應用提供商發行，有些是企業行為，有些是行業行為，有些具備全國統一的規劃，有些是全行業的統一規劃，每張卡又都具備不同的發行主體，整個卡片應用行業形成了比較完善的產業鏈和利益鏈。
手機作為卡片模擬應用，是智能卡應用的后來者，本質上是一種新型的卡片模式，因此，手機作為卡片模擬應該要主動去適應已有的應用環境，而非去重構現有的應用環境和產業鏈，這樣才能夠快速切入市場。在已有市場和應用中，卡片的發行權是利益的重要環節，因此，手機作為卡片模擬應用如果想進入現有的應用領域，應該要充分尊重現有應用的卡片發行權，而非取而代之。取而代之容易處處碰壁。
1.4. 售后服務問題
智能卡應用有一套成熟的售后服務流程，涵蓋故障識別、補發卡、應用轉移等環節。當手機作為智能卡使用時，手機的特征可以分解為手機加智能卡，手機具有自身的價值較高，基本不可擺脫，具有一定的更新頻率等特點，而智能卡被賦予高安全性的特點，并且相對于手機來說，硬件價值很低。當兩者結合之后，售后服務的問題開始復雜化了。手機換了，會導致智能卡功能的轉移，手機壞了需要維修，會對智能卡的安全性構成威脅(例如，如果SE上具備了銀行卡功能，甚至是個人身份認證功能，需要充分考慮手機維修的時候保證銀行卡功能的安全性)。當多應用合并在一起的時候，售后服務的工作復雜度會迅速上升。
1.5. 多應用合一的問題
除了已經存在的應用服務提供商之外，新的應用也在不斷推出，為了方便持卡人，也為了降低應用的成本，目前經常提的一個思路是一卡多用，例如：社保與銀行應用合并在一張卡上，交通卡功能與銀行卡功能合并在一張卡上等等。這些應用有許多成功的例子，但在成功的背后，往往是漫長的商談過程、測試過程，商談的結果往往是成功的少，失敗的多。究其原因，不外乎安全性、控制權、發行流程等等方面無法達成一致，其核心是利益問題和責任問題。
2. 從一卡通走向一機通
2.1. 何謂一機通
所謂一卡通，往往是期望一卡搞定所有事情，這一思路在相對獨立的應用環節中還是非常成功的，這其中有以單位為主體的應用，比如校園一卡通、企業一卡通等，也有以行業為主體的應用，有交通一卡通等，還有以地理范圍為標識的應用，比如城市一卡通。隨著移動互聯網及其應用的發展，應用的發起者還希望給予一卡通更加廣泛的含義，希望能夠實現跨單位、跨行業、跨地域的應用，由此出現了多應用加載在一張卡上的需求。如前所述，隨著應用的增加，面臨的問題也越多。
NFC手機作為卡片模擬的功能，為多應用合一提供了非常好的技術基礎，簡單地說，就是化一卡通為一機通。在一機通的概念下，NFC手機可以支持一機多卡，而智能卡又可以支持一卡多用。
2.2. 一機通的終端結構
一機通的邏輯概念圖如下圖所示：
圖1：一機通的概念示意圖
簡單來說，一機通指的是在NFC終端上加載多個SE，每個SE可以是獨立的物理實體，SE之間相互獨立，互不干擾，NFC終端可以通過CLF控制選擇不同的SE進行訪問。
一機通的概念可以將NFC終端所支持的各種卡片模擬模式、已發行的和未發行的各種應用、利益沖突的各方高度統一起來，形成一個共同應用平臺。
2.3. 一機通特點
一機通具有如下的特點：
1) 實現多種卡片模擬方案的高度統一
一機通的概念下，可以將多個SE集成在同一終端上實現，這樣，各種不同技術形式、不同應用的智能卡都可以存在于同一NFC終端上。
復旦微電子集團CLF芯片FM1930支持SWP、eSWP、7816、非接觸通信、NFC-WI等多種SE接口模式，并且SWP和eSWP均為三路，可以非常好地支持一機通的概念。基于FM1930芯片的NFC終端作為一機通概念的卡片模擬應用時，其結構如下圖所示：
圖2：基于FM1930的一機通概念示意圖
一機通概念下，不同SE單元可以直接焊接在主板上，形成機卡一體的方案，也可以做成接插件的方式，插入相應的卡槽中，構成機卡分離的方案。
2) 支持成熟應用向NFC終端上無縫轉移
在一機通概念下，已有的成熟應用可以輕松轉移到NFC終端上。例如，復旦微電子集團推出的SWP接口或者NFC-WI接口的雙界面交通卡，此類卡被加工成標準7816接口形式，在交通卡公司按照普通卡的流程獨立發行，之后由手機用戶插入到支持一機通模式的手機中，即可在現有的交通卡應用環境中使用。
從上面的例子我們可以看出，一機通的概念下，卡片發行過程和用卡過程與現有普通卡交通卡是兼容的，因此，一機通概念很好地支持成熟應用向NFC終端的無縫轉移，除了適當改變卡片的外形，并在發行環節中增加適當的夾具之外，不涉及任何消費環境和發卡流程的改造，同時利用手機的通信能力，進一步擴展了卡片的應用環境和充值環境。
3) 支持多應用在同一NFC終端上并存
由于支持多SE共存于同一NFC終端上，每個SE是完全獨立的，自然而然，同一NFC終端上可以實現多應用并存，而且多個應用之間可以完全獨立，不受另外應用的影響。相應地，不同應用提供商之間的安全性問題、發卡主動權問題、發卡及卡片成本承擔問題、控制權問題、發卡流程問題等輕松化解，不復存在。
4) 面向未來，支持應用的無限擴展
支持多SE、SE可插拔等特點使得NFC終端成為了一個SE載體，因此，終端用戶可以自行隨意在終端上增加、變更、或者減少SE，從而調整終端上所加載的應用，而且這種調整不受應用自身特點的限制，只要加載應用的SE符合相應的接口規范，就可以在NFC終端上正常使用。這樣，基于一機通概念的NFC終端可以非常方便地面向未來，擴展應用。
5) 化解了多種矛盾
在NFC終端作為卡片模擬的一般方案中存在多種矛盾或者不同選擇，基于一機通的概念，這些矛盾或者選擇都可以得到化解或者統一：
i. 到底是機卡一體還是機卡分離
NFC終端到底是機卡一體還是機卡分離，不同的利益方有不同的看法和需求，一機通的概念將機卡一體和機卡分離統一在一起，兩種方案在同一NFC終端上可以并存。
ii. 將不同應用提供商之間的關系由對立轉化為統一
一機通的概念和結構使得不同應用提供商的利益之爭消弭于無形，不同應用提供商之間不再有核心利益的沖突，應用提供商之間如能合作，則可以在同一張卡上加載各自的應用，如果不能達成合作，完全可以分道揚鑣。不同應用提供商可以共享同一個終端平臺，提升可供用戶選擇的應用數量，因此，總體上，一機通概念支持大家共存共榮，共同促進，做大市場，推動NFC手機應用向前發展。
iii. 降低了最終用戶的用卡成本
一機通的概念是否會增加最終用戶的成本，答案是否定的。與一機通對應的是一卡通，即在一張卡上加載多應用，此特征對SE在空間大小、安全性基本等方面就大不就小、就高不就低，整體上提高了SE的成本，對于用戶來說，SE上所規劃的每個應用并不都是自己想要的，用戶會變相為自己不需要的功能買單，承擔不必要的成本。另外，一卡多用由于在管理、發行、服務等方面的復雜性提高了相應的運營成本，這些成本最終都是要轉移到用戶頭上的。
一機通的概念下，用戶所需要的全部應用可能是由多個SE組合而成的，每個SE的成本都與用戶的實際需要相吻合，用戶按需購買(或者由應用提供商提供)，因此，整體上用戶可以享受較低成本和較高質量的服務。
iv. 最終用戶擁有了應用選擇權
一機通的方式下，用戶擁有了應用的最終選擇權和決定權，用戶可以根據自身需要，選擇合適的應用，從而避免讓用戶覺得某些應用是被強行搭賣的。
2.4. 一機通需要進一步解決的問題
2013年，復旦微電子集團推出NFC手機樣機，對一機通概念進行了完美驗證。同時，為了推動一機通概念繼續前行，仍然有一些涉及行業整體規范性的問題需要繼續解決，這些問題包括：
1) 定義統一的SE物理接口標準
一機通的特點在于多SE以多種接口形式共存，并且可插拔，因此，定義統一的SE物理接口可以使SE的使用和更換大為方便，就像電腦的硬盤，因為具備了規范的物理接口，移動硬盤在不同電腦上自由地接插使用。目前可以考慮的SE物理接口有：
●基于SIM卡槽形式的SWP/eSWP接口；
●基于SIM卡槽形式的7816接口；
●基于SD卡槽形式的SWP/eSWP接口；
●基于SD卡槽形式的7816接口；
●基于13.56MHz射頻通信的SE接口，目前國內使用最多的是ISO/IEC 14443A規范。
2) 規范NFC終端的射頻性能及電氣特性
非接觸應用的核心問題之一是射頻兼容性問題。無論作為卡片模擬方式、讀卡器方式、還是點對點通信方式，NFC終端的射頻性能都是NFC應用的關鍵點，因此，有必要規范NFC終端的射頻性能及其電氣特性，提高NFC應用的兼容性和可用性。
3) 基于多SE的情況定義統一的SE應用選擇規范
多SE意味著多應用，因此，如何方便地選擇某一個應用，是一項重要的用戶體驗。選擇應用包括兩個方面：外部讀卡器如何選擇位于不同SE上的不同應用，以及NFC終端如何選擇具體的應用。應用選擇應該考慮如下的問題：
●建立統一的應用AID構造規則，并根據此規則選擇不同的應用。就像我們在Windows操作系統下選擇文件一樣，“硬盤符＋文件路徑＋文件名”唯一并且準確地描述了一個文件。
●構建存在的應用AID列表，并建立讀卡器獲取應用AID列表的規范流程，以方便讀卡器獲得一機通所支持的所有應用列表。
●設置默認的缺省應用。用戶可以在終端上設置一個或幾個默認的缺省應用以及缺省應用的選擇規則，供讀卡器選擇相應的應用。
4) 定義手機端對SE進行訪問的統一API
一機通具有通用性和成為公共平臺的重要一環是在NFC終端上建立對SE進行訪問的統一API接口。當然，這種API接口也應當包括NFC終端的讀卡器功能及點對點通信功能。
3. 復旦微電子集團一機通概念的試點及其效果
2012年，復旦微電子集團推出一機通的概念，并于2013年上半年推出了一機通概念NFC手機，對一機通概念進行了有效地展現與驗證，這批手機有如下的特點：
●手機為TD-CDMA/GSM制式，Android操作系統，4.3吋屏幕。
●手機支持NFC的標準功能，包括卡模擬，讀卡器和點對點通信。
●手機支持一機通的概念，CLF通過SWP/eSWP接口連接了SIM卡、SD卡和第三方7816接口卡共三個卡槽。在第三方7816接口卡槽上面，除了SWP/eSWP接口之外，還連接了7816接口和NFC-WI接口。
●手機在上海交通卡進行了試點，并開通了空中充值業務，效果良好。
●除上海交通卡之外，手機還在其他多個城市的一卡通環境中進行了測試，驗證是可用的，進一步的測試工作仍在進行中。
到目前為止，一機通概念的手機分別在展訊、聯芯、高通的平臺上具備了樣機。試點手機如下圖所示：
4. 總結
自2006年開始，復旦微電子集團致力于NFC技術的開發與應用推廣。2012年，復旦微電子集團提出的一機通概念為NFC終端的卡片模擬應用提供了一個良好的基礎平臺結構，一機通可以將機卡一體、機卡分離的需求統一在一起，將不同應用提供商的利益由對立轉化為統一，兼顧已有應用和未來的擴展應用。同時，復旦微電子集團推出的新一代NFC芯片FM1930因為同時具備連接多個SE的能力，可以很好地支持一機通概念的實現。2013年，復旦微電子集團推出一機通概念驗證機和驗證的空中充值平臺，并在多個交通卡應用環境中進行了驗證與測試。從復旦微電子集團的角度來看，我們希望提供一整套的完整技術解決方案，一個可以實際應用的市場，一個客戶端應用演示App以及一個驗證應用的后臺系統，來推動整個一機通概念和NFC手機的實際應用。
作者：王元彪，李蔚，劉以非
上海復旦微電子集團股份有限公司
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