SWP/HCI协议栈测试研究

上海华虹集成电路责任有限公司 刘玉军 申晔 符锐 贾峻

摘要：

本文对NFC产品介绍了系统分层概念，并在此基础上从SWP/HCI协议栈一致性测试、外场测试、兼容性测试的角度对NFC产品测试进行了系统介绍。

关键词：NFC、SWP、CLF、13.56MHz、2.4GHz

一、前言

截至2010年4月，中国手机用户已经超过7.5亿，而随着NFC技术标准统一化，产业链成熟化，商业模式平衡化，为挖掘用户群手机支付业务的金矿, 基于手机平台的移动支付也已从概念到预研再到产品 研发实现逐步过渡，手机移动支付的各种应用将逐渐推出。由于市场内参与者众多，如移动网络运营商、应用服务提供商(金融机构等)、手机终端制造商、卡商、芯片提供商等，都希望达成一个多方共赢的商务模式及用户体验良好的应用模式。从市场角度看，众多技术方案匹配对应应用，各占一席之地的局面不会发生根本性逆转。以SWP＋CLF为NFC－SIM方案在标准化程度高、支持13.56M、基于SIM卡等特点而受到国内外众多厂家的支持。在2010年11月12日，人行、工信部、国标委已就“手机支付标准”问题进行商讨，并达成共识，共同发展基于13.56MHz手机支付技术标准。采用SWP的NFC-SIM方案已经在欧洲（尼斯）、日本（Docomo）、韩国（KT）成功试商用，中国也在抓紧研发建立试验网，为成功推出解决技术、市场、用户体验问题。目前状况是：NFC+SWP/HCI技术虽已成为国际标准，但目前还处在比较初 的阶段。 ，协议本身还在不断更新中，具体的定义和解释仍在调整；其次，各个芯片、软件开发商对于协议的理解也不尽一致，在NFC-SIM卡与CLF射频前端芯片之间、NFC-SIM与手机基带之间，以及CLF射频前端芯片与非接触式POS之间，都可能存在协议不完全兼容而导致的通信和交易失败的情况。为此，对NFC产品进行系统的测试就显的很有必要。

二、NFC产品系统分层概念

NFC-SIM技术方案涉及的标准有：

-    NFC标准： ISO/IEC 14443 A/B 及 NFC-A/-B/-F/-DEP，测试标准为ISO 10373-6 及 NFC Forum测试标准

-    SWP标准为：ETSI TS 102 613，测试标准为ETSI TS 102 694

-    HCI标准为：ETSI TS 102 622，测试标准为ETSI TS 102 695

- ISO标准为：ETSI TS 102 221，测试标准为ETSI TS 102 230

- 其他相关标准：ETSI TS 102 600（USB）, ETSI TS 102 483（internet protocol connectivity）, ETSI TS 102 384（CAT测试），ETSI TS 102 835（SCWS测试）, 3GPP TS 31.122（UICC和USIM卡片测试）, 3GPP2 C.S0048（R-UIM for CDMA2000），3GPP2 C.S0049（RUIM）

目前COMPRION为694-1/695-1/695-3标准制定者，Gemalto为694-2标准制定者，Collis GB为695-2标准制定者。

中国也制定了相关标准，以中国银联及三大运营商为主。目前演化规范版本对应为：SWP 7.6.0， HCI 7.5.0,国际 的测试标准版本为7.2.0。

NFC上述标准包括了物理特性、电气特性、物理传输、数据链路、主机互联、应用文件结构及安全等内容，借鉴OSI七层网络模型，NFC－SIM可以做如下分层划分。从物联网角度看， NFC手机互联是必然趋势,比较适合采用该借鉴；从层次关系来看，下层向上层提供服务，下层的包在上层包的基础上添加包头信息，虽然没有互联网分包拆包那么复杂，但机制上同样道理并满足了不同层 开发商的需求； 

从层次内容来看，SWP包括了底层物理层，提供了基于C6触点的定义、电压信号S1电流信号S2的定义及编码采样状态切换机制，用于数据比特流传输服务，还包括了数据链路层，提供了帧结构定义并进行错误检测、丢失重发、流量控制等机制；HCI包括了网络层功能，提供了不同主机（host）间通信接口，建立由一个或多个主机（host）同一个主机控制器（host controller）连接的星型拓扑网络，对消息及包进行路由或链接，Host Controller在CLF中，由Host/Gate/Pipe组成的多 嵌套结构，Command/Event在管道中传输，Host是实体，Gate是Service服务，Pipe分静态和动态，静态Pipe一般是管理Gate下必须连接Host Controller,动态Pipe连接不同的host；包路由均通过host controller；应用层通过如公交（PT，Public Transportation）、社保、金融（借贷记/EMV、qPBOC、eCash）等应用占用SIM卡中部分空间作为COS来完成。LayerA中定义了兼容性测试，有ISO 7816-3接触式测试、ISO 10373-6非接触式测试、SWP/HCI协议栈测试及卡机兼容性测试等。

三、NFC－SIM测试系统研究

    NFC产品涉及到NFC-Handset（NFC手机）、NFC-SIM（NFCSim卡）、NFC R/W（NFC读写设备，如NFC-POS、NFC-Tags、NFC-Device）等。在将产品推向市场用户体验前，对产品进行系统的测试非常有必要。一是众多应用涉及手机支付，必须是稳定安全的；二是NFC应用与智能手机多任务操作、接拨电话、互联网络、甚至其他智能卡片等应用可能交叉产生相互影响；三是NFC自身支持的多种模式的无缝切换或智能选择的影响。如果将NFC发展划分为起步试商用、完善并大力推广、成熟并市场标配三个阶段的话，现尚处于起步试商用阶段。为完成NFC产品测试的初 阶段，满足NFC手机本身NFC特性的稳定安全性，对此进行如下分类：

- SWP/HCI一致性测试，或称Conformance Testing (基于ETSI的测试规范或行业自定义规范)，覆盖Layer1-Layer3

- NFC-SIM外场测试，或称Field testing / Field Trial testing （包括如公交应用测试），覆盖Layer7

- NFC-SIM兼容性测试，或称Interoperability testing （包括接触和非接）

     通过如上分类使得测试架构清晰，减少重复而提高效率。其中协议栈一致性测试主要基于ETSI测试标准ETSI TS 102 694和ETSI TS 102 695,这里分为两个部分：Handset手机终端部分和UICC卡片部分，其中终端部分涉及694-1/695-1/695-3,694-1为用于终端SWP接口测试、695-1用于终端HCI接口测试、695-3用于终端主机控制器测试，其中UICC卡片部分涉及694-2/695-2，694-2用于卡片SWP接口测试、695-2用于卡片HCI接口测试，通过SWP协议测试来完成底层物理特性测试、电气特性测试、MAC/LLC测试，通过HCI协议测试来完成网络层命令消息事件的传输与控制。其中NFC-SIM外场测试主要涉及具体应用测试，需要测试实际用户行为及终端设备性能表现，在不同应用背景下，测试规范由相关服务提供商制定并组织验收。其中NFC-SIM兼容性测试需要覆盖来自不同设备供应商的产品，有以下特点：1）基于用户功能体验；2）控制并观察接口情况；3）接口需要覆盖从底层到上层的多个层次。

兼容性测试较复杂，原因在于NFC应用中涉及到多个参与方，如手机终端(Terminal)+非接前端(CLF)、SIM卡(UICC)、读写机具(POS或R/W)、芯片提供商、SWP/HCI协议栈提供商、COS应用软件提供商等，每个参与方都涉及到与其他接口的兼容性问题。这里划分为两部分：接触接口兼容性测试（NFC设备）、非接触接口兼容性测试（NFC应用）。接触接口兼容性测试覆盖Terminal、UICC及CLF，测试项目包括在基本满足7816/SWP/HCI协议基础上的兼容性测试，非接触接口兼容性测试覆盖NFC设备（NFC Device）和非接设备（Contactless Device）。体现在不同的NFC应用场景中，NFC设备可以是PICC mode、PCD mode、P2P mode，而非接设备可以是POS机(PICC mode)、Tag(PCD mode)、NFC手机(P2P mode)。兼容性测试在具体测试方法上分为两类：（1）通过兼容性测试套件及各通信链路信息分析来达成 终兼容性，可称为理论型兼容性测试；（2）通过汇聚多厂家产品，通过应用执行的兼容性测试，可称为大会型兼容性测试。理论型兼容性测试对测试套件、测试环境的搭建、测试数据的抓取与分析等能力要求比较高，相对而言非常复杂，但测试专业程度高，目前有此需求，但面市产品尚不多见。大会型兼容性测试主要是收集众多厂家的产品，以NFC应用的执行成功与否为通过标准，产品收集如SWP-SIM（如北京华虹、雅思拓、捷德、欧倍特、天喻、恒宝、柯斯等），NFC手机（如ZTE、海尔、长虹、七喜、知己、Nokia、Google等），CLF（如INSIDE、复旦微电子等）, SWP-SIM芯片（如ST、Samsung、上海华虹等）。

具体的测试项目见下表:

     以上测试项目内容繁多，需要软硬件测试环境的支撑，国外测试设备提供商走在行业前端，而产品的推出涉及多种测试环境的交叉使用，国内相关机构也在抓紧建立考核体系、标准和环境，为NFC的大规模应用做好准备。

四、总结

NFC-SIM测试架构采用自下而上的方法，能有效解决底层协议层一致性、稳定性、兼容性等问题，达成对协议的理解一致和实现一致，降低了直接进行应用层兼容性测试遇到问题从上而下问题定位的难度，减少了运营成本，降低了应用开发中因底层协议问题导致的难度，增强了后续开发和运营的便捷性及兼容性，而且通过对NFC产品的系统性测试，加快了产品的上市速度，为推动NFC技术进一步的推广提供了支撑。

参考文献：

[1]中国联通GSM_WCDMA数字蜂窝移动通信网支持近场通信的用户卡测试规范（V1.0）

[2]中国联通GSM_WCDMA数字蜂窝移动通信网支持近场通信的用户卡技术规范（V1.0）

[3]GSM1117

[4]ISO/IEC 7816-3-2006

[5]ETSI TS 102 694-2 V7.0.0 (2009-10) Test specification for the Single Wire Protocol (SWP) interface (Release 7)

[6]ETSI TS 102 695-2 V7.0.0 (2009-10) Test specification for the Host Controller Interface (HCI) (Release 7)

[7]ETSI TS 102 613: "Smart Cards; UICC - Contactless Front-end (CLF) Interface; Part 1: Physical and data link layer characteristics.

[8]ETSI TS 102 622: " Smart Cards; UICC - Contactless Front-end (CLF) Interface; Host Controller Interface (HCI)".

[9]ETSI TS 102 221: "Smart Cards; UICC-Terminal interface; Physical and logical characteristics".

[10]ETSI TS 102 600: "Smart Cards; UICC-Terminal interface; Characteristics of the USB interface".

[11]ETSI TS 102 223: "Smart Cards; Card Application Toolkit (CAT)".

[12]ISO/IEC 9646-7: "Information technology - Open Systems Interconnection - Conformance testing methodology and framework - Part 7: Implementation Conformance Statements".

[13]ISO/IEC 14443-3: "Identification cards - Contactless integrated circuit(s) cards - Proximity cards - Part 3: Initialization and anticollision".

[14]ISO/IEC 18092: "Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Near Field Communication - Interface and Protocol (NFCIP-1)".

[15]  ECMA-356 NFCIP-1 - RF Interface Test Methods

[16]  ECMA-362 NFCIP-1 - Protocol Test Methods

[17]  ECMA-340 Near Field Communication - Interface and Protocol (NFCIP-1)

[18]《上海公共交通卡CPU卡规范》