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近距离无线通信如何加速蓝牙处理

2006/5/30/15:12 来源:电子工程专辑 作者:Taoufik Ghanname, Philips Semiconductors

    尽管蓝牙对于短距离数据通信而言是一项很好的技术,但是它的传输层协议中存在缺点,使得设备之间链接的最初建立对用户而言是非常迟缓的。蓝牙耳机与手机之间简单的链接要花费30秒时间(最差条件下),甚至与先前识别过的节点再次链接还经常要求人工干预。

    幸而,近距离无线通信(NFC)技术能够与蓝牙共同使用,从而简化使用过程,这包括:向用户工作正常的个人局域网中加入节点,或者与公共资源建立临时链接,例如:自动取款机,照片打印机,或者POS终端。

    使用NFC来实现蓝牙设备之间的初始“握手”可以不需要用户干预,并且几乎能够立即实现设备的配对。它的单独工作频率和补充应用(见表一),使得对NFC而言,在同一产品中与蓝牙共存是容易的,允许它来简化蓝牙处理的发现和协商阶段。

NFC和蓝牙间的快速对比

    表一 ? NFC和蓝牙间的快速对比

    有三个主要特征使得NFC和其他无线网络技术相比是不同的和互补的:

    更短的距离:被谨慎设计的NFC有非常短的工作距离(10cm),这是为了避免链接偶然地或者未经授权的激活。

    直观的链接过程:NFC的链接过程是按照普通消费者的使用方式来开发,而不是工程师或者程序员的思考方式。很像今天的智能卡,开始进行交易的话,只要将含有NFC的PDA或手机简单的接近你希望链接的设备就可以完成交易。

    能够和无电源RFID产品进行通信:NFC能够在自供电设备之间通过传统的方式工作,也能够与无源设备实现通信,例如:非接触卡或者射频标签。

    NFC基础

    NFC最初是为了使用13.56MHz的RFID频段,通过非常短的距离(10cm或更短)来进行“非接触”数据传输而设计的。它是一个开放的标准,由ISO 18092和ECMA 340来定义,并且与全球的ISO 14443 RFID标准向下兼容。

    低成本,高可靠性和全球兼容已经使得它成为例如RFID,电子钱包和“非接触”智能卡等应用选择的技术。这些同样的特性也允许NFC作为自动执行建立蓝牙连接要求的身份验证和初始化参数交换的第二信道而使用。

    尽管蓝牙设备之间正常的配对操作经常花费五六秒钟的时间(并且在拥挤的条件下增加到30秒钟),NFC改进的单任务协议,完成同样的任务只需要100-200毫秒。

    NFC方法与蓝牙更加复杂的使用模型相比效率优势很明显,这是由于NFC是一个相对简单的协议,最初是为了少量直接的,点对点应用而开发的。

    NFC使用标准RFID技术的子集以及在1到2 dBm之间的典型输出功耗,能够在有源和无源操作模式下(见图1),以106 Kbits/s, 212 Kbits/s, 和424 Kbits/s传输速率实现超短距离数据链接。尽管“有源/无源”操作模式仅仅要求一个单一的有源发射机,该发射机能够用于向它的无源相对物供给能量,但是NFC的“有源模式”要求两个设备都支持全双工数据交换。

    当轮询,确认进行通信以及数据应答接收的可用性时,对无源元件的接收机仅仅要求承认它的存在。在另一方面,NFC的有源模式要求节点都被占用并且对交换进行协商。虽然大部分应用要求NFC节点是有源的,但是“有源/无源”模式对与像非接触卡等无电源设备进行通信是有用的。

NFC有源模式操作

    图 1a — NFC有源模式操作

NFC无源模式操作

    图 1b — NFC无源模式操作

    NFC处理总是依照发现,验证,协商,传输和确认的直接序列进行。NFC的链路层包括安全验证过程和抗冲突机制,这排除了第三方通过“中间人”方式来攻击链路。

    此外,它的短距离(10cm)限制了潜在的“黑帽”("black hat")黑客的进入。对敏感应用,例如安全支付交换,AES和三重DES加密,在更高层协议层中加入与标准智能卡技术中使用的同样的技术。NFC的协商阶段建立了参数,这些参数定义了即将到来的事务处理,例如:链路速度,设备的ID,应用,传输文件大小以及要求的动作。

    在这一点上,NFC链路既能够执行它自己的简单数据处理,也可以被用于在设备之间和基于蓝牙的对等或者主机/客户机链路建立链接。后者涉及对所有终端协商蓝牙节点地址并且使用蓝牙的更高层协议来操纵链路终端。这些参数在蓝牙和NFC设备之间传递,它们使用串行链接,I2C,或者SPI接口以及简单交换协议中的任一种。

    这种操纵更低层任务的能力使得NFC协议极大地增强了许多消费者应用的用户体验。下面的图示(看图2)比较了用户为了在两个蜂窝电话或者PDA之间玩游戏或者交换照片而建立链接要求的交互过程。当用于Wi-Fi和无线USB用户的网络建立链接时,为了使这些用户享受同样的速度和便利性,相似的机制也已经被开发。

NFC对蓝牙的透明移交简化了手持设备之间为多玩家游戏建立链接的过程

    图 2 — NFC对蓝牙的透明移交简化了手持设备之间为多玩家游戏建立链接的过程

    真实世界中的NFC

    由于NFC对蓝牙的远距离和高数据速率进行了补充,同时具备两种技术的设备享有各大的灵活性并且提供了更好的用户体验。考虑两种技术协同作用的一种简化方式就是把蓝牙想象成能够用于任何两种电子设备之间进行交换的通用电缆,而NFC服务就是使处理变得更加快捷和容易的通用连接器。

    但是与其简单列出许多应用,这些应用仅仅是希望找到NFC的一个现成的市场,还不如去开发一些方案,用这些方案来表明NFC是如何简化蓝牙的链路处理从而有助于使得今天的应用使用起来更加容易和更加充满乐趣。我们也将看到NFC是如何使新的应用缓解手持设备的功耗要求,并且甚至可能产生全新的产品类别。

    免提连接

    NFC将通过简化配备蓝牙的手机与耳机和免提系统的链接过程来增加早期的市场认同。耳机或扬声器仅仅包含一张非接触卡就能够通过与手机的简单接近,来实现与手机的配对。在这个方案中,手机通过读取非接触卡来决定耳机提供的功能以及蓝牙建立的参数。

    桌面/手持系统的同步

    当智能手机用户与PC同步他们的联系人列表,日历和其他重要数据时,也能够享受到包含NFC的蓝牙带来的好处。现在,拿着你的手机或者PDA接近你的PC,并且从手持屏幕的主菜单上回答几个问题,就可以很简单的实现同步。

    游戏

    NFC也将在电子游戏领域发现许多应用,这些应用是通过在特定的环境中玩局域网游戏来实现的,例如学生的午餐聚会,或者通勤者在来回上班的路上。当与蓝牙一起使用时,NFC克服了当前与建立连接有关的许多问题,这些问题已经减缓了对NFC认可。

    不像连接蓝牙耳机与手机,在这里连接通常仅配置一次,特定游戏要求游戏者与其他玩家游戏时,每一次游戏建立一个新的连接。对手机和耳机而言,一次建立连接花费3至5分钟时间,但是如果一个用户一天之内不得不重复几次,则很快变成消耗时间的麻烦。

    这个过程在拥挤的公共空间甚至能够变得更加复杂,在那里许多蓝牙设备在任何时刻,任何位置都可以是可见的,这使得决定哪个设备是你想要连接的那个变得非常困难。

    NFC提供了对于这个问题的解决方案,它允许连接是无缝的,直观的和即刻的。无论你是否已经得到一个专用的游戏设备,例如Game Boy或者PS2,还是你正在玩嵌在手机或PDA中的游戏,NFC通过简单的"touch-and-go"(即触即用)操作来建立多玩家连接。两个玩家仅仅需要接近他们的设备,并且允许设备上安装的NFC软件来操作发现,询问,验证和加密来建立要求建立的蓝牙连接。

    打印照片

    数码摄影的出现已经产生了对即时打印的爆炸性需求,这种需求从家用打印机到以自己的方式进入每一个药店、折扣店和便利店的照片站。包含NFC技术的蓝牙连接能够提供对当前使用的在数码相机和打印机之间移动照片的USB电缆,CD,以及存储卡的一种简单替代。

    在商业照片站打印手机或者数码相机上的照片,可能简单到仅包括将你的设备放置在机器上方的指定区域,从你的手持设备的菜单中实现照片共享,并且以正常的方式打印。在家庭和办公室中,具备NFC技术的蓝牙打印机将无缝处理的实现从任何相似功能的数码照相机直接打印照片。在两至三年内,它将成为通常的技术,给予USB的适配器"dongles"能够使得旧的计算机和打印机与配备蓝牙的手持设备实现对接。

    共享照片

    同样的技术将有助于从PDA和智能手机的小屏幕的狭窄界限中“解放”照片。想象一下,今天,朋友之间通过手持设备交换照片,或者以同样的方式,彼此“发送”名片,将不太困难。流畅地移动照片能力也将能够在计算机,电视和平面屏幕间实现,这使得平面屏幕变成照片的临时显示设备。

    照片传输能力能够被便宜的嵌入DVD播放器,家庭影院,或者甚至可能是视频显示器中。简单地将你的手持设备接近包含NFC技术的蓝牙电器将开始一个连接,并且在便携设备的屏幕上建立一个菜单,该菜单允许你实现选择,传输和显示照片。而且,很像计算机,配件市场上的蓝牙适配器将能够使早期的视频产品从任何含有蓝牙的来源上接受用户的照片。

    共享图片的可行性已经被飞利浦进行的技术演示所证明。在这个概念证明测试,一个分离的用户层应用被用于开始传输照片。在随后的商业实践中,NFC软件将被集成到减少用户互动的单元软件中。

    NFC的今天和明天

    随着NFC已经补充了蓝牙在手机,PDA,以及其他高容量消费设备中的能力,该技术正在获得广泛的认可。我们将有希望在2006年的市场上见到支持NFC技术的蓝牙设备。已经在不同的区域开发出内嵌NFC的POS终端现金出纳机,以及” touch-and-go”(即触即用)照片打印站在2007年年初上市。

    在这些早期,NFC将以独立芯片的方式进入产品。对于上面描述的应用类型,最初的目标成本是对于高产量低于1美元,以此来带动普遍认同。

    在二至三年内,预计大部分NFC设备将变成大型集成解决方案中的核心功能,使得设计特色与成本增加相比更突出。NFC作为一项对无线协议而言的开放技术,它的普遍接受将有助于创造新一代无线产品,这些产品无缝互通并且交换声音,图像,以及同样容易地交换电子现金。

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