近场磁通信缩短无线距离:为无线保真

  如果以距离来比较无线传输的话,通常长距离的效果会比较好。但是,一项称做近场通信(Near Field Communications,NFC)的新技术,其开发者却以其能跨越极短的距离而自豪。
  
  NFC可通过一个极小的、低成本的、只需少量能源的无线发射机,在10厘米的距离内实现。其微弱的信号传输有助于确保安全性——想都不用想黑客可以在建筑物之外从一台笔记本电脑对Wi-Fi网络进行攻击,即使与你邻座的同事也无法捕捉到信号;但是,如果你真的想交换数据,并且想将你的NFC设备搬到该同事旁,却能即刻建立连接。更令人惊奇的是,你可以带着该设备到走廊尽头的自动售货机购买一杯苏打水。正是基于NFC的这些特性,诺基亚、三星于今年8月30日宣布其下一代手机将装有NFC芯片,诺基亚还承诺其NFC手机将于今年年底上市。
  
  对于手机厂商而言,NFC为其进入智能卡市场提供了一个低成本的途径。手机用户未来可将其手中的电话当做通过电子旋转门、检票处、甚至在超市结账的智能卡。通过NFC技术,用户甚至可以将其数字相机电话中的图像通过附近的电视机播放出来,或者从地铁广告牌中获取产品促销报价,或者在NFC手机间交换联络信息。这项由电子消费品巨人Philips和Sony联合开发的技术,可使低成本无线芯片应用于从电视机、个人电脑到数码相机的各种产品之中。市场研究机构ABI Research预测,到2009年,NFC产品会占到整个手机市场的一半份额。
  
  术业有专攻
  NFC技术符合去年批准的相关标准:该标准规定,基于13.56MHz频率的传输速度最大可达424kbps(以前NFC设备的速度仅被限制为此值的一半)。NFC技术的传输范围比起无线射频识别技术(radio frequency identification,RFID)来要小得多,而新的标准正是基于此而定:传输距离是10厘米而非2~5米。但与RFID一样,NFC信息也是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合(inductive electromagnetic coupling)方式来传递的。
  
  上述二者的关键区别在于NFC中增加了能够快速建立P2P网络的软件。因为蓝牙或ZigBee设备之间的P2P无线通信可令NFC设备彼此自动寻找对方进而建立通信连接(但如今流行的Wi-Fi无线网络技术却有所不同,它还需要一个接入集线器)。这个P2P方案也不同于RFID网络,后者是建立于主/从关系之下,并且芯片以被动的方式通过昂贵的、需要能源支持的“读取”设备来读取。而NFC设备却能被设置为被动和主动两种模式,即使在设备关机的情况下(被动模式),仍然可以发送识别数据,也正是这一特点使其成为智能卡应用的理想选择。同时,它也可在主动模式下,与其他主动或被动的RFID设备进行通信。
  
  除了低廉的成本之外,NFC的核心优势是其连通速度。Philips美国公司的遥控识别业务发展经理Tariq Shahab表示:“NFC的配置和配对可以快速、容易地实现。” 与此相对,同样是为近距离设备之间交换数据而设计的蓝牙技术则需要在通信设备间进行繁复的设置。正是基于这一即时建立连接的能力,NFC开始被定位为虚拟连接器,当利用其他更强大的无线技术如蓝牙和Wi-Fi建立通信连接时,NFC可于其间起到中介作用。
  
  作为一种无线物理层技术,近场磁通信具有众多独特属性,使它成为高密度、短距离流应用的理想选择。尽管其低成本及低功耗的优势为人所津津乐道,但使NFC能够在这些应用中替代RF技术的原因是这种磁场的独特衰减特性。
  
  为了在便携式无线应用中获得良好的声音质量,就必须保证服务质量(QoS)。在语音和音乐的实时传输应用中,QoS主要是指设备必须满足用户对实时内容的质量与可靠性的期望。在技术层面上,该术语是指传输内容所要求的带宽、延迟时间及误码率等传输参数必须预先得到保证。在音频应用中,通常会从声音质量的下降中察觉到QoS的恶化,表现在噪声、噼啪声、静电噪声及漏失等方面。相反,如果是利用QoS较差的信道来发送“非时间关键”的数据,那么所产生的数据丢失可以利用各种数据重发技术来纠正,而且通常不会被用户察觉。
  
  “劣势”也是“优势”
  我们可以比较一下作为短距离通信的物理层解决方案,NFC与传统RF各具有什么优缺点。NFC通过在设备之间耦合一个低功率、非传播的准静态磁场来实现无线通信。由于磁场能量具有很强的1/r6衰减,因此NFC在1.5至2米的距离上是高度可靠的。表面上看,这似乎是NFC系统的一大劣势,但对于短距离通信而言,这其实是一个相当大的优势。
  
  尽管少量射频能量总会泄漏到自由空间,但大部分能量被存储在准静态磁场中,形成一个严密的通信“泡”。正是这个特性允许NFC以非常低的功率生成适度的带宽,即使在高用户密度的情况下,也能从空间上分配给多个用户。每位用户拥有在其物理空间内的全部带宽,即使发生少数“重叠”,也很容易利用非常简单的频率分配技术予以解决。此外,场特性相对不易受周围环境的影响,因为不论是否存在金属物体、导电材料或人体,磁场能量都可靠地以1/r6规律衰减。
  
  RF通信在场形状和传播特性上与NFC有很大差异。理论上,调制的RF平面波在自由空间中传播的衰减接近于1/r2。由于传播距离更长,因此所有系统实际上必须能共享由时分或频分技术分配的带宽。在现实中,RF信号也相当不可预测,尤其在室内,到处存在衰减及阻挡。此外,根据所谓的遮蔽效应,人体会显著衰减和反射RF信号。由所有这些因素导致的信号损失通常可通过以更高功率进行传输来得到一定程度的修复,但这仍需要更多的共享带宽。
  
  用户间的带宽分配问题在2.4GHz RF频段显得尤为严重。随着蓝牙、Wi-Fi及试图分享这一有限带宽的其他消费电子设备的增加,该频段变得越来越拥挤。其结果是导致日益严重的干扰及互操作性问题,而这些问题不能通过简单地增加发射功率(这进一步加重了干扰)或采用其他更复杂、更消耗功率的频率管理方案来解决。
  
  NFC基本上不会受这些问题的影响。在1/r6衰减规律下所形成的紧密通信“泡”允许高密度的NFC系统共存于同一地点中,而且能保证QoS。此外,因为系统的发射功率极低,所以基本上能满足全球大多数地区对辐射功率的限制规定,从而在工作频率上具有更大的灵活性。今天的NFC设备,如用于移动电话的无线耳机等,即工作在13.56 MHz的全球ISM频段上,已知的干扰源只有同样遵循1/r6衰减规律的RFID阅读器(不是RFID标签)。当它们之间的距离处于1至2米的范围内时将发生干扰。
  
  应用多样
  只要与具有加密功能的安全控制器芯片集成,NFC芯片还可当做智能卡使用。与Sony和Philips一起,作为推动此技术发展的NFC论坛的第三个主要参与者,Visa已经售出了上亿块遥控智能卡,其用户主要分布在亚洲,且绝大多数被用于征收通行费。
  
  如果人们凭借手举着一块遥控智能卡即可更快速更安全地通过旋转门,而不是要将卡插入某个读取器那么费事的话,那么手举手机通过旋转门则会更方便。智能卡通常太厚以至于将几个同时放在钱夹里会不太方便,需要时还得费劲从钱夹中摸出,用后再放回去。最初的NFC智能卡应用会是在那些对结账速度要求很高的购物场所,如检票处、超市以及音像店等。
  
  Philips公司更期望将NFC当做公共交互式广告的工具而出售。Shahab描述了如下的情形:用户步行通过机场或地铁时,停下脚步并将其手机贴近内置有NFC芯片的广告牌,以下载利用NFC或更快速的无线技术像蓝牙或Wi-Fi转制的歌曲、手机铃声、游戏、票或者是优惠券什么的,或者,他们也可下载手机能自动连接到的某个网址的内容。目前,Philips正与Internet内容提供商如Vivendi Universal一起开发具有上述功能的显示产品。
  
  问题尚存
  当然,近几年来,大量有关这类公共交互式销售方案的建议被讨论了多次,但几乎没什么进展。所有的方案都面临着可能影响其执行效果的各种障碍,欲令匆忙的用户停下脚步并且进行如上的操作,需要简单、快速、可靠的技术,数量足够多的用于广告牌的显示器,并且价格要极具诱惑力。此外,NFC还面临着另外一个问题:尽管10厘米的传输距离对于智能卡而言是优势,但在拥挤的、人来人往的场所进行这种交互式操作,从实用性和用户的心理接受程度上讲也存在着一定的难度。
  
  NFC最初的成功将很可能有赖于像Visa这样的电子支付公司如何积极地游说厂商将NFC嵌进智能卡票据方案中。逐渐地,NFC进而可步遥控智能卡的后尘进入更广泛的零售交易中。为了吸引客户,手机厂商的兴趣会在如何利用NFC实现在电视上显示数码相机影像或在手机间彼此交换联系信息。
  
  如果再有一些手机厂商加入支持NFC的队伍中来的话,则不难预见,NFC作为通用智能卡将逐渐成为手机未来主要部件的基础。在“智能卡智能电话”这一设想实现之前,MasterCard、摩托罗拉、微软以及松下这些公司也不会闲着,必会于这一过程中扮演一定的角色。并且,如果NFC的研发始终本着其简单、低价的原则,也必将令NFC手机真正成为人们生活中不可或缺之物。