NFC卡片模拟——从一卡通走向一机通

    NFC的概念提出已有近十年了，但在手机上批量加载NFC功能，则是始于2012年。本质上，NFC是成熟技术的创新应用，NFC的十年发展及推进之路，主要还是商业模式的探索之路。尤其是NFC的卡片模拟功能，其主要的应用场景为移动支付，本文通过探讨一机通概念，在基本不额外增加NFC成本的前提下，在手机上集成多个SE卡槽，使得多种应用可以集成在一个手机上，为产业链的各方在NFC卡片模拟方面实现合作共赢提供了一种可行性。
关键字：
NFC，近场通信，卡片模拟，一机通，SE
1.    NFC卡片模拟的现状与问题
标准的NFC应用支持三种模式：卡片模拟、读卡器以及点对点通信。自2012年开始，NFC功能在手机上越来越普及，NFC技术经过了近10年的积累，目前看来，成为手机的标配应该是大势所趋了。
所谓卡片模拟，就是将NFC终端整体上模拟成为一张卡片接受读卡器访问。NFC卡片模拟功能在国内得到了各大移动运营商、银联和第三方支付公司的关注，在过去的几年中，移动通信、金融、交通等各领域纷纷开展了基于NFC手机的卡片模拟技术研究及应用试点，这些技术研究取得了很多的成果，业界也提出了很多技术解决方案，但在具体的应用上也遭遇了不少问题，概括起来可以分为几大类：技术问题、可用性问题、适用性问题、售后服务问题和多应用合一的问题等，而且这些问题又相互交织在一起。
1.1.    技术问题
技术问题首先是技术方案的选择，用户(无论是最终用户还是应用提供方)大多期望在不改造手机的情况下在手机上实现卡片模拟功能，从目前的实际试点情况来看，在不改造手机的情况下实现卡片模拟功能还是受到了很多方面的限制，比如终端的适用性，可靠性等。因此，重新设计手机，使得NFC功能成为手机整体设计的一部分，是解决NFC应用普适性的重要步骤。随着国际国内知名品牌纷纷推出带有NFC功能的手机，可以说，手机的改造本身已经不是一个问题了。
另一方面，无论选择哪种技术方案，技术问题的核心是射频性能，即如何在结构复杂、空间受限的手机上实现卡片模拟所需要的良好射频性能，从这一点来说，技术问题最终体现在可用性上面。
1.2.    可用性
可用性是用户的重要体验，也是决定NFC应用是否成功的关键之一，具体来说，可用性包括：
1)    最终用户所感受到的可用性
最终用户将手机终端作为卡片使用时，用户体验非常关键，特别表现在卡片的非接触操作性能是否能够真正做到潇洒一挥。国内的非接触IC卡应用经过了多年的发展，积累了各种各样的读卡终端，终端之间的射频性能难免存在差异，作为后来者的NFC终端模拟卡片，应当与现有系统中的读卡器有良好的兼容性。而在实际操作中，这是一个技术难点。
2)    应用发行方所感受到的可用性
手机作为卡片模拟时，必须要由应用发行方通过某种方式对SE进行发行，方可使用。SE在手机上的不同接入模式会导致不同的应用发行模式。机卡分离方案下，应用发行方只需要对SE进行独立发行即可，而在机卡一体的方式下，应用发行方将对整个手机进行发行，这种操作模式面临一系列的问题，包括：
    手机的物流运送：手机的价值较高，因此，会带来较高的物流与管理成本；
    无电池不拆包装发行：新手机一般都是电池外置、包装完整的，这就要求发行过程中不拆包装，不加装电池。从目前带有NFC功能的手机来看，很多手机的NFC天线都是做在电池上的，因此，不带电池是无法发行的；
    发行与销售的先后关系：如果是先发行后销售，那卖不出去怎么办；如果是先销售后发行，销售了之后应用发行方如何来信任这个手机；
    多家应用合一：发行的过程会多次重复，因此，上述的问题会成倍增加。
为了解决上述的问题，有厂商和应用发行方提出空中发行的思路，即能够通过空中通道，将应用下载到SE中去。这种方案解决了发行的问题，但在售后服务方面仍然面临困难。
1.3.    适用性
NFC手机终端作为卡片模拟应用，其最吸引人的一点是出门只要带手机就行了。我们日常生活中所用到的智能卡种类繁多，用途也非常广泛，这些应用由不同的主管机构和应用提供商发行，有些是企业行为，有些是行业行为，有些具备全国统一的规划，有些是全行业的统一规划，每张卡又都具备不同的发行主体，整个卡片应用行业形成了比较完善的产业链和利益链。
手机作为卡片模拟应用，是智能卡应用的后来者，本质上是一种新型的卡片模式，因此，手机作为卡片模拟应该要主动去适应已有的应用环境，而非去重构现有的应用环境和产业链，这样才能够快速切入市场。在已有市场和应用中，卡片的发行权是利益的重要环节，因此，手机作为卡片模拟应用如果想进入现有的应用领域，应该要充分尊重现有应用的卡片发行权，而非取而代之。取而代之容易处处碰壁。
1.4.    售后服务问题
智能卡应用有一套成熟的售后服务流程，涵盖故障识别、补发卡、应用转移等环节。当手机作为智能卡使用时，手机的特征可以分解为手机＋智能卡，手机具有自身的价值较高，基本不可摆脱，具有一定的更新频率等特点，而智能卡被赋予高安全性的特点，并且相对于手机来说，硬件价值很低。当两者结合之后，售后服务的问题开始复杂化了。手机换了，会导致智能卡功能的转移，手机坏了需要维修，会对智能卡的安全性构成威胁(例如，如果SE上具备了银行卡功能，甚至是个人身份认证功能，需要充分考虑手机维修的时候保证银行卡功能的安全性)。当多应用合并在一起的时候，售后服务的工作复杂度会迅速上升。
1.5.    多应用合一的问题
除了已经存在的应用服务提供商之外，新的应用也在不断推出，为了方便持卡人，也为了降低应用的成本，目前经常提的一个思路是一卡多用，例如：社保与银行应用合并在一张卡上，交通卡功能与银行卡功能合并在一张卡上等等。这些应用有许多成功的例子，但在成功的背后，往往是漫长的商谈过程、测试过程，商谈的结果往往是成功的少，失败的多。究其原因，不外乎安全性、控制权、发行流程等等方面无法达成一致，其核心是利益问题和责任问题。
2.    从一卡通走向一机通
2.1.    何谓一机通
所谓一卡通，往往是期望一卡搞定所有事情，这一思路在相对独立的应用环节中还是非常成功的，这其中有以单位为主体的应用，比如校园一卡通、企业一卡通等，也有以行业为主体的应用，有交通一卡通等，还有以地理范围为标识的应用，比如城市一卡通。随着移动互联网及其应用的发展，应用的发起者还希望给予一卡通更加广泛的含义，希望能够实现跨单位、跨行业、跨地域的应用，由此出现了多应用加载在一张卡上的需求。如前所述，随着应用的增加，面临的问题也越多。
NFC手机作为卡片模拟的功能，为多应用合一提供了非常好的技术基础，简单地说，就是化一卡通为一机通。在一机通的概念下，NFC手机可以支持一机多卡，而智能卡又可以支持一卡多用。
2.2.    一机通的终端结构
一机通的逻辑概念图如下图所示：
 
图1：一机通的概念示意图
简单来说，一机通指的是在NFC终端上加载多个SE，每个SE可以是独立的物理实体，SE之间相互独立，互不干扰，NFC终端可以通过CLF控制选择不同的SE进行访问。
一机通的概念可以将NFC终端所支持的各种卡片模拟模式、已发行的和未发行的各种应用、利益冲突的各方高度统一起来，形成一个共同应用平台。
2.3.    一机通特点
一机通具有如下的特点：
1)    实现多种卡片模拟方案的高度统一
一机通的概念下，可以将多个SE集成在同一终端上实现，这样，各种不同技术形式、不同应用的智能卡都可以存在于同一NFC终端上。
复旦微电子集团CLF芯片FM1930支持SWP、eSWP、7816、非接触通信、NFC-WI等多种SE接口模式，并且SWP和eSWP均为三路，可以非常好地支持一机通的概念。基于FM1930芯片的NFC终端作为一机通概念的卡片模拟应用时，其结构如下图所示：
 
图2：基于FM1930的一机通概念示意图
一机通概念下，不同SE单元可以直接焊接在主板上，形成机卡一体的方案，也可以做成接插件的方式，插入相应的卡槽中，构成机卡分离的方案。
2)    支持成熟应用向NFC终端上无缝转移
在一机通概念下，已有的成熟应用可以轻松转移到NFC终端上。例如，复旦微电子集团推出的SWP接口或者NFC-WI接口的双界面交通卡，此类卡被加工成标准7816接口形式，在交通卡公司按照普通卡的流程独立发行，之后由手机用户插入到支持一机通模式的手机中，即可在现有的交通卡应用环境中使用。
从上面的例子我们可以看出，一机通的概念下，卡片发行过程和用卡过程与现有普通卡交通卡是兼容的，因此，一机通概念很好地支持成熟应用向NFC终端的无缝转移，除了适当改变卡片的外形，并在发行环节中增加适当的夹具之外，不涉及任何消费环境和发卡流程的改造，同时利用手机的通信能力，进一步扩展了卡片的应用环境和充值环境。
3)    支持多应用在同一NFC终端上并存
由于支持多SE共存于同一NFC终端上，每个SE是完全独立的，自然而然，同一NFC终端上可以实现多应用并存，而且多个应用之间可以完全独立，不受另外应用的影响。相应地，不同应用提供商之间的安全性问题、发卡主动权问题、发卡及卡片成本承担问题、控制权问题、发卡流程问题等轻松化解，不复存在。
4)    面向未来，支持应用的无限扩展
支持多SE、SE可插拔等特点使得NFC终端成为了一个SE载体，因此，终端用户可以自行随意在终端上增加、变更、或者减少SE，从而调整终端上所加载的应用，而且这种调整不受应用自身特点的限制，只要加载应用的SE符合相应的接口规范，就可以在NFC终端上正常使用。这样，基于一机通概念的NFC终端可以非常方便地面向未来，扩展应用。
5)    化解了多种矛盾
在NFC终端作为卡片模拟的一般方案中存在多种矛盾或者不同选择，基于一机通的概念，这些矛盾或者选择都可以得到化解或者统一：
i.    到底是机卡一体还是机卡分离
NFC终端到底是机卡一体还是机卡分离，不同的利益方有不同的看法和需求，一机通的概念将机卡一体和机卡分离统一在一起，两种方案在同一NFC终端上可以并存。
ii.    将不同应用提供商之间的关系由对立转化为统一
一机通的概念和结构使得不同应用提供商的利益之争消弭于无形，不同应用提供商之间不再有核心利益的冲突，应用提供商之间如能合作，则可以在同一张卡上加载各自的应用，如果不能达成合作，完全可以分道扬镳。不同应用提供商可以共享同一个终端平台，提升可供用户选择的应用数量，因此，总体上，一机通概念支持大家共存共荣，共同促进，做大市场，推动NFC手机应用向前发展。
iii.    降低了最终用户的用卡成本
一机通的概念是否会增加最终用户的成本，答案是否定的。与一机通对应的是一卡通，即在一张卡上加载多应用，此特征对SE在空间大小、安全性基本等方面就大不就小、就高不就低，整体上提高了SE的成本，对于用户来说，SE上所规划的每个应用并不都是自己想要的，用户会变相为自己不需要的功能买单，承担不必要的成本。另外，一卡多用由于在管理、发行、服务等方面的复杂性提高了相应的运营成本，这些成本最终都是要转移到用户头上的。
一机通的概念下，用户所需要的全部应用可能是由多个SE组合而成的，每个SE的成本都与用户的实际需要相吻合，用户按需购买(或者由应用提供商提供)，因此，整体上用户可以享受较低成本和较高质量的服务。
iv.    最终用户拥有了应用选择权
一机通的方式下，用户拥有了应用的最终选择权和决定权，用户可以根据自身需要，选择合适的应用，从而避免让用户觉得某些应用是被强行搭卖的。
2.4.    一机通需要进一步解决的问题
2013年，复旦微电子集团推出NFC手机样机，对一机通概念进行了完美验证。同时，为了推动一机通概念继续前行，仍然有一些涉及行业整体规范性的问题需要继续解决，这些问题包括：
1)    定义统一的SE物理接口标准
一机通的特点在于多SE以多种接口形式共存，并且可插拔，因此，定义统一的SE物理接口可以使SE的使用和更换大为方便，就像电脑的硬盘，因为具备了规范的物理接口，移动硬盘在不同电脑上自由地接插使用。目前可以考虑的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射频通信的SE接口，目前国内使用最多的是ISO/IEC 14443A规范。
2)    规范NFC终端的射频性能及电气特性
非接触应用的核心问题之一是射频兼容性问题。无论作为卡片模拟方式、读卡器方式、还是点对点通信方式，NFC终端的射频性能都是NFC应用的关键点，因此，有必要规范NFC终端的射频性能及其电气特性，提高NFC应用的兼容性和可用性。
3)    基于多SE的情况定义统一的SE应用选择规范
多SE意味着多应用，因此，如何方便地选择某一个应用，是一项重要的用户体验。选择应用包括两个方面：外部读卡器如何选择位于不同SE上的不同应用，以及NFC终端如何选择具体的应用。应用选择应该考虑如下的问题：
    建立统一的应用AID构造规则，并根据此规则选择不同的应用。就像我们在Windows操作系统下选择文件一样，“硬盘符＋文件路径＋文件名”唯一并且准确地描述了一个文件。
    构建存在的应用AID列表，并建立读卡器获取应用AID列表的规范流程，以方便读卡器获得一机通所支持的所有应用列表。
    设置默认的缺省应用。用户可以在终端上设置一个或几个默认的缺省应用以及缺省应用的选择规则，供读卡器选择相应的应用。
4)    定义手机端对SE进行访问的统一API
一机通具有通用性和成为公共平台的重要一环是在NFC终端上建立对SE进行访问的统一API接口。当然，这种API接口也应当包括NFC终端的读卡器功能及点对点通信功能。
3.    复旦微电子集团一机通概念的试点及其效果
2012年，复旦微电子集团推出一机通的概念，并于2013年上半年推出了一机通概念NFC手机，对一机通概念进行了有效地展现与验证，这批手机有如下的特点：
    手机为TD-CDMA/GSM制式，Android操作系统，4.3吋屏幕。
    手机支持NFC的标准功能，包括卡模拟，读卡器和点对点通信。
    手机支持一机通的概念，CLF通过SWP/eSWP接口连接了SIM卡、SD卡和第三方7816接口卡共三个卡槽。在第三方7816接口卡槽上面，除了SWP/eSWP接口之外，还连接了7816接口和NFC-WI接口。
    手机在上海交通卡进行了试点，并开通了空中充值业务，效果良好。
    除上海交通卡之外，手机还在其他多个城市的一卡通环境中进行了测试，验证是可用的，进一步的测试工作仍在进行中。
到目前为止，一机通概念的手机分别在展讯、联芯、高通的平台上具备了样机。试点手机如下图所示：
     
4.    总结
自2006年开始，复旦微电子集团致力于NFC技术的开发与应用推广。2012年，复旦微电子集团提出的一机通概念为NFC终端的卡片模拟应用提供了一个良好的基础平台结构，一机通可以将机卡一体、机卡分离的需求统一在一起，将不同应用提供商的利益由对立转化为统一，兼顾已有应用和未来的扩展应用。同时，复旦微电子集团推出的新一代NFC芯片FM1930因为同时具备连接多个SE的能力，可以很好地支持一机通概念的实现。2013年，复旦微电子集团推出一机通概念验证机和验证的空中充值平台，并在多个交通卡应用环境中进行了验证与测试。从复旦微电子集团的角度来看，我们希望提供一整套的完整技术解决方案，一个可以实际应用的市场，一个客户端应用演示App以及一个验证应用的后台系统，来推动整个一机通概念和NFC手机的实际应用。