Was ist NFC und wie funktioniert es?

Was NFC ist

Nahfeldkommunikation ist eine Reihe von Normen für den Datenaustausch zwischen zwei Geräten, die wenige Zentimeter voneinander entfernt gehalten werden, mittels eines Magnetfeldes, das bei 13,56 MHz schwingt. Das NFC Forum, das Industriegremium, das die Spezifikationen pflegt, legt sowohl die Funkschicht als auch das darauf laufende Datenformat fest.

Der Name ist genau und verdient es, wörtlich genommen zu werden. „Nahfeld“ ist keine werbliche Umschreibung für „kurze Reichweite“: Der Ausdruck bezeichnet den Bereich nahe einer Antenne, in dem die magnetische Komponente des Feldes überwiegt und Energie durch Induktion übertragen statt als Welle abgestrahlt werden kann. Alles Kennzeichnende an NFC folgt daraus, in diesem Bereich zu arbeiten.

Zwei Dinge sind gewöhnlich beteiligt. Das eine ist mit Strom versorgt und führt den Austausch, in der Regel ein Telefon oder ein eigenes Lesegerät. Das andere ist ein Tag, eine Karte oder ein zweites versorgtes Gerät.

Wie ein Telefon einen Tag ohne Batterie versorgt

Ein NFC-Tag ist ein Chip, der mit einer flachen Drahtspule verbunden ist, meist als wenige Windungen aus Aluminium oder Kupfer auf eine Kunststofffolie gedruckt. Es gibt keine Batterie, keinen Kondensator, der eine Ladung hält, und nichts, was läuft, während der Tag auf einem Tisch liegt.

Wird ein Lesegerät angenähert, treibt es seine eigene Spule mit einem Wechselstrom bei 13,56 MHz. Das erzeugt ein magnetisches Wechselfeld. Die Spule des Tags liegt in diesem Feld, und über ihr wird eine Spannung induziert, genau wie in einem Transformator, dessen beide Wicklungen zufällig durch Luft statt durch einen Eisenkern getrennt sind. Gleichgerichtet versorgt diese Spannung den Chip.

Die Antwortrichtung ist der Teil, den die meisten Darstellungen überspringen. Der Tag erzeugt kein Signal. Er verändert, wie viel Energie er dem Feld des Lesegeräts entnimmt, indem er einen Widerstand über seine Spule schaltet, und das Lesegerät nimmt das als Schwankung im eigenen Antennenstrom wahr. Dieses Verfahren heißt Lastmodulation, und dadurch kann der Tag antworten, während er fast nichts verbraucht.

Die auf dieser Schicht festgelegten Datenraten sind 106, 212 und 424 kbit/s. Das genügt für eine Adresse, WLAN-Zugangsdaten oder einen Zahlungsvorgang, und es ist aussichtslos für alles, was einer Datei ähnelt.

Warum die Reichweite nur wenige Zentimeter beträgt

Die induktive Kopplung im Nahfeld schwächt sich außerordentlich schnell ab, sobald sich die beiden Spulen entfernen. Den Abstand zu verdoppeln halbiert die Kopplung nicht, es lässt sie zusammenbrechen. Jenseits eines bestimmten Punktes erhält der Tag schlicht nie genug Energie, um seinen Chip zu starten, und das Versagen ist abrupt statt allmählich: Der Tag antwortet, oder er antwortet nicht.

Die Antennengröße zählt mehr als das Telefon. Ein Tag in Kreditkartengröße hat eine große Spule, die viel mehr vom Feld abfängt als ein Aufkleber mit 25 mm, und wird deshalb mit demselben Telefon spürbar weiter gelesen. Wird ein Tag schlecht gelesen, ist das Erste, was zu ändern ist, der Tag und nicht das Gerät.

Die zweite Variable ist, wo die Antenne des Telefons tatsächlich sitzt. Sie belegt einen bestimmten Bereich auf der Rückseite, und der liegt bei den Herstellern nicht an derselben Stelle. Ein Telefon, das flach auf einem Tag liegt, aber um drei Zentimeter versetzt ist, versagt genauso zuverlässig wie eines, das zehn Zentimeter entfernt gehalten wird.

Die drei Betriebsarten

Die Normen legen drei Arten fest, wie zwei NFC-Geräte zueinander stehen können. Nur die ersten beiden begegnen den meisten Menschen.

Die Betriebsart Lesen und Schreiben ist die, die jeden angeht, der Tags kauft. Die Kartenemulation übernimmt das Betriebssystem zusammen mit dem sicheren Element, und Anwendungen erreichen sie auf Android über eine Schnittstelle, die Google unter Host Card Emulation dokumentiert.

Punkt zu Punkt ist der Sonderfall. Es gehört zur Norm, aber die Übertragung von Telefon zu Telefon über NFC ist auf keiner der beiden Mobilplattformen der Weg, auf dem heute Dateien geteilt werden.

Android hat Android Beam mit Android 10 abgekündigt und dokumentiert es als nicht mehr aktiv weiterentwickelt, wobei es Geräteherstellern optional zur Verfügung steht.

Die Normen hinter NFC

NFC setzt auf Normen für kontaktlose Karten auf, die älter sind als es selbst. ISO/IEC 14443 legt die Schnittstelle für Proximity-Karten fest, die die meisten Tags und Zahlungskarten nutzen, ISO/IEC 18092 legt die NFC-Schnittstelle und das Protokoll selbst fest, und ISO/IEC 15693 deckt die weiter reichenden Vicinity-Karten ab, die das NFC Forum später als einen seiner Tag-Typen übernommen hat.

Auf dieser Funkschicht legt das NFC Forum zwei Dinge fest, die im täglichen Gebrauch zählen. Das erste ist eine Reihe von Tag-Typen, von denen jeder den Befehlssatz beschreibt, den ein konformes Lesegerät beherrschen muss. Das zweite ist NDEF, das NFC Data Exchange Format, ein kleines Containerformat, mit dem jedes konforme Gerät einen Tag versteht, den ein beliebiges anderes beschrieben hat.

Die aktuellen Spezifikationstexte veröffentlicht das NFC Forum.

Worin NFC schlecht ist

Metall ist der Hauptpunkt. Ein flach auf eine Metallfläche gelegter Tag bekommt sein Feld verzerrt und seine Resonanz verstimmt, und meist hört er ganz auf zu funktionieren, statt sich zu verschlechtern. Tags, die als metalltauglich verkauft werden, enthalten eine Ferritschicht, die die Antenne von der Fläche trennt, und sie kosten deshalb mehr. Ein gewöhnlicher Aufkleber wird auf einem Laptopdeckel, einem Maschinengehäuse oder einer Telefonrückseite nicht funktionieren.

Die Entfernung ist der zweite Punkt. Verlangt der Anwendungsfall, einen Tag aus mehr als einer Handbreite zu lesen, ist NFC die falsche Technik, und keine Antennenabstimmung ändert daran etwas. UHF-RFID bei rund 900 MHz liest über mehrere Meter, was genau der Grund ist, warum Lager es einsetzen und Telefone nicht damit sprechen können.

Die Kapazität ist der dritte. Der Tag-Speicher bemisst sich bei den gängigen Verbrauchertypen in Hunderten von Bytes, was bequem eine Adresse fasst und nichts, was einem Dokument oder einem Bild ähnelt. Die übliche Antwort ist, einen Link zu speichern und die Nutzlast auf einen Server zu legen.

Es gibt außerdem eine Fehlerart, die aus einem anderen Grund überrascht. Die meisten Tags lassen sich dauerhaft sperren, und ein gesperrter Tag kann mit keinem Mittel neu beschrieben werden. Es ist ein Vorgang in eine Richtung, in Software ausgeführt, ohne physische Spur, und er wird leicht versehentlich ausgelöst, wenn eine Schreib-App ihn als Häkchen neben der Schreibschaltfläche anbietet.