RFID與移動終端相結合的SMAP技術

文章出處：http://www.nyfzw.net 作者：石亦欣 李蔚 王元彪   人氣： 發表時間：2011年09月23日

1. 概述 

    IC卡特別是非接觸IC卡/RFID（以下將非接觸IC卡及RFID統稱為RFID）經過十多年的發展，已深入現代生活的各個角落，被廣泛應用于公交、門禁、小額電子支付等領域。近年來，在軌道交通、物流管理、物品防偽、身份識別等需求推動下，RFID技術的不斷進步，應用越來越普及，迫切需要各類RFID識別設備。與此同時，移動通訊終端經歷20多年的迅速發展，已經幾乎成為居民人手俱備的隨身裝置，普及率非常高，并且有向移動終端集成更多功能的趨勢。 

    如果說80－90年代推動半導體行業發展的殺手級應用是PC，90－2000年代推動半導體行業發展的殺手級應用是手機的話，那么在最近十多年可能成為新殺手級應用的將是結合移動終端與RFID技術的一機（卡）多用。特別是在3G時代，具有無線連接功能無處不在的RFID讀寫器與非接觸式應用的RFID將是重點中的重點。目前業界主要有兩套基于非接觸技術的解決方案：Combi SIM卡方案和NFC（Near Field Communication）方案。 

    Combi SIM（又稱Dual Interface 雙界面）卡方案指通過更換手機內部SIM，取代以Combi SIM卡，在保留原接觸界面的SIM卡功能基礎上增加非接觸IC卡應用界面。Combi SIM卡方案在手機中增加了非接觸IC卡的功能，但沒有實現讀寫器和雙工通訊功能。 

    NFC（Near Field Communication近場通訊）是這幾年飛速發展的一種新興技術，由Sony、Philips和Nokia提出，它使得兩個電子設備直接可以進行短程的通訊，工作在13.56MHz頻段，工作距離幾個厘米。NFC技術目標是電子設備之間的近距離通訊，在實際推廣過程中面臨諸多困難，目前將其主要應用領域集中在近距離支付應用方面，并正在尋求NFC技術與SIM的關聯方案。 

    上述兩種方案盡管技術上都可行，但對于一機（卡）多用來說，核心是如何理順移動設備制造商、移動服務運營商和應用服務運營商之間的關系，在這股跨行業的新應用整合中，需要一種平衡的、兼顧各方利用的漸進式方案。本文提出的SMAP（智能移動應用平臺）解決方案，可以適用于移動支付、產品防偽、追蹤監管、數字簽名、身份認證和信息獲取等多類應用，是移動終端與RFID結合的一種平衡演進之路。 

2. SMAP平臺及其應用的體系結構 

2.1. SMAP平臺的體系結構 

    SMAP平臺構建在現有的非接觸式IC卡應用和移動通信應用的基礎上，進一步集成各種應用環境和安全體系，形成更小型的、更安全的、價格更低廉的和更便捷的高頻RFID應用環境，SMAP平臺的結構框圖如下：

    在SMAP平臺的體系結構中，SMAP模塊(芯片)、安全體系和中間件產品構成了其核心內容，這里定義SMAP模塊(芯片)為具有安全體系的、可以進行應用導入的、對外通過中間件提供服務的高頻RFID應用產品。 

2.2. SMAP平臺的架構 

    如前所述，SMAP平臺是針對移動終端與RFID應用結合的解決方案，其基本的架構為移動通信終端＋SMAP模塊＋RFID，如下圖所示：

    SMAP模塊通過接口電路與移動通信終端集成在一起，RFID也被集成在移動終端上，其中RFID可以是單列的獨立部分，也可以與SMAP模塊集成在一起。單列的獨立RFID可以接受SMAP模塊的射頻操作，這樣做的目的是能很好地兼顧現狀。正如前面所述，以非接觸IC卡為技術核心的一卡通技術在我國得到了廣泛的應用，典型和成熟的應用行業如公交一卡通、校園一卡通等，刷卡消費作為一種小額消費在這些行業廣為接收，并且已經形成了事實上的利益關系。另一方面，在我國的現行制度規定下，除了銀行及其相關單位之外，其他單位要發行帶金卡具有很大的制度上的障礙。因此，在移動支付業務中，RFID作為一種獨立的方式出現，既能夠保證移動支付業務的實施，又能夠兼顧已發卡方的利益關系，同時針對新發卡還可以直接采用銀行卡，以規避政策風險。 

2.3. SMAP模塊的發展路線 

    在上述應用的體系結構中，其核心是SMAP模塊，目前狀態下，SMAP模塊是內置安全特性和應用流程的多芯片模塊，該模塊的結構如下圖所示：

    其中，SMAP模塊由3塊芯片及若干分立元件組成，核心芯片為主控MCU，包含IO接口及電源管理控制接口；Reader為通用RFID讀寫器，支持訪問13.56MHz頻段下的ISO14443 type A，type B標準及ISO15693標準的產品；RFID為獨立的電子標簽模塊，其可以獨立封裝天線，通過射頻耦合與Reader通訊，也可以與模塊集成在一起，共享一副天線。

    如前所述，對于一機（卡）多用來說，核心是如何理順移動設備制造商、移動服務運營商和應用服務運營商之間的關系。，跨行業的應用整合，需要采用一種平衡的、漸進的、兼顧各方利用的方案逐步演進。下圖演示了SMAP方案的發展路線。

RFID分立的SMAP方案 天線共享SMAP方案 單芯片SMAP方案 

    第一種方案是采用獨立RFID的SMAP模塊方案，該方案優點是獨立RFID可以低障礙地引入現有的非接觸應用運營商，發行和應用模式幾乎保持不變，支持非接觸的掉電應用模式，該方案適用于該類新應用初期概念的試點期；第二種方案是RFID與SMAP模塊集成在一起，共用一副天線，方案二與方案一實現的功能相同，優點是減小獨立RFID標簽尺寸對手持移動終端的外觀設計影響，但需要應用運營商與移動運營商、手機制造商之間的配合，該方案適合于一機多用的推廣期；第三種方案則真正將SMAP模塊集成為一顆單芯片，支持ISO18092標準，并將SMAP應用與SIM進行關聯，是在前兩種方案試運行后根據市場的反饋而推出的真正大規模推廣的解決方案。 

3. 安全體系 

    在SMAP的應用過程中，安全性是最基本也是最重要的要求。特別是移動支付應用，根據PBOC2.0的要求，在支付過程中，應該根據不同的交易類型，實現聯機或脫機的交易認證。對于其他種類的SMAP應用，例如產品防偽、追蹤監管等，就其安全體系來說，事實上就是一個數據加解密的過程。

    在SMAP不同的應用中，IC卡(RFID)主要有兩種不同的產品：一般的邏輯加密卡或者CPU卡。一般來說，對于CPU卡，終端只是在用戶卡與后臺或PSAM卡之間傳遞認證數據，無須獲得用戶卡的密鑰。密鑰存儲在后臺或PSAM卡中，在交易過程中通過分散算法計算出用戶卡的密鑰，并進一步計算出相關的交易認證數據輸出或對輸入進行驗證，系統的安全體系與終端是不相關的。在目前的非接觸邏輯加密卡的應用中，由于卡片沒有運算能力，終端必須通過對讀寫模塊加載密鑰才能實現對卡片的讀寫，因此如何保證密鑰在傳輸過程中的安全性，是保證卡片安全交易的關鍵。 

SMAP應用的安全體系支持三種模式： 

    1. 第一種模式：后臺密鑰支持體系 

    此種方式下，所有的密鑰被放置在應用服務提供商的后臺服務器上，由后臺服務器向前端應用提供實時的密鑰服務，其基本的過程如下圖所示： 

    在每次交易時，終端向后臺申請分散后的卡片密鑰密文，傳送給SMAP模塊，由模塊解密后使用。一般來說，應用服務提供商比較傾向于這種模式。應用開始之前，用戶需要向應用服務提供商提出應用申請，由應用服務提供商完成對用戶終端的初始化(如應用程序導入)工作，在每次的應用中，后臺服務和用戶終端之間還有一個相互認證的過程，以確定后臺服務和用戶終端對于對方來說都是合法的。 

    2. 第二種模式：采用本地SIM卡作為SAM卡的安全體系 

    此種方式下，密鑰被放置在移動終端的SIM卡中，SMAP模塊在需要時，向SIM卡申請密鑰服務。此種方式的基本結構和過程如下圖所示：

    此種方案的應用初始化工作由移動通信運營商負責提供，其初始化的過程就是在SIM卡中增加應用所需要的密鑰以及在SMAP模塊中導入應用程序。 

    3. 第三種模式：內部模擬SAM卡的安全體系 

    此種方式下，密鑰被放置在SMAP模塊的內部，SMAP模塊在需要時，由內置的安全服務計算出訪問IC卡的密鑰。此種方式的基本結構和過程如下圖所示：

    此種方案的應用初始化工作由應用服務提供商負責提供，其初始化的過程主要是在SMAP模塊中導入密鑰及應用程序。 

    三種模式的優缺點比較如下：

4. SIM卡與SMAP應用的關聯 

    在IC應用領域中，一卡多用的推廣是十分困難的，而SMAP應用領域更是涉及包括移動運營商、終端設備制造商在內的各類RFID應用運營商，為了更好的推廣SMAP應用，需要一個相對獨立的運營商負責RFID應用的發行管理。移動運營商的地位相對超脫，對一機多用的推廣起著舉足輕重的作用，需要給移動運營商一定的手段將SIM卡與SMAP應用關聯起來。 

    在NFC技術解決方案中，目前討論的焦點是單線協議SWP（Single Wire Protocol）。SWP利用SIM卡7816接口中的C6（原VPP高壓編程腳，現已失去作用）引進，利用電壓和電流的變化實現SIM卡與NFC射頻模塊的通訊，從而將SIM卡與NFC應用關聯。由于SWP協議標準仍在制定過程中，暫時沒有現成產品。并且SWP要求SIM卡芯片和NFC芯片都要改動設計，涉及面比較廣。 

    SMAP解決方案中，在SMAP模塊中保留了完整的符合ISO14443標準的非接觸式CPU卡芯片，因此不需要像NFC方案那樣要求上位機提供RFID的模擬波形，自己可以獨立完成非接觸標簽應用。而RFID的應用是和安全認證聯系在一起的，因此SIM卡可以利用認證密鑰來關聯RFID應用。SMAP模塊中的非接觸CPU的COS在開機后首先要與SIM之間進行安全認證，通過后在進入常規的RFID應用，SIM卡可以在SMAP模塊上創建、鎖住及刪除新應用。SMAP模塊可以通過移動終端的主控芯片（如基帶芯片）與SIM卡通訊在SMAP單芯片解決方案中，還將支持雙7816接口， SMAP芯片和SIM卡直接通過7816接口通訊，在SIM卡的內嵌MCU具有一定處理能力的條件下，可以直接產生106K波特率的非接觸應用數據，由SMAP芯片翻譯成ISO14443協議實現卡片模擬功能。SMAP的方案可以通過COS升級的方式使用現有的SIM卡芯片產品，降低應用的整體進入門檻。 

5. SMAP平臺的應用 

    和NFC應用一樣，SMAP平臺的應用主要包括三類：RFID讀寫器應用、卡片模擬應用及點對點通訊應用。從應用角度看，SMAP方案可以適用于移動支付、產品防偽、追蹤監管、數字簽名、身份認證和信息獲取等多類應用。 

    目前實現的典型應用包括公交一卡通應用、小額金融消費及積分應用、銀行卡磁道信息非接觸應用、產品防偽與溯源應用、車輛監管應用等。其中公交一卡通應用是目前非接觸支付應用最成熟的系統，是和普通用戶關系最密切的應用，SMAP方案可以完成公交一卡通的發行、充值、消費與查詢功能，給用戶帶來新的應用體驗，是SMAP應用推廣的關鍵領域。 

下圖是已開發完成的SMAP終端的樣品。

6. 總結 

    針對移動通訊與RFID應用相互融合的趨勢，本文提出并介紹了智能移動應用平臺SMAP的解決方案，相較與NFC、雙界面SIM卡等解決方案，SMAP平臺是一種平衡、漸進的，更符合實際應用需求的方案。

作者簡介：
復旦大學專用集成電路與系統國家重點實驗室  石亦欣
上海復旦微電子股份有限公司  李蔚 王元彪