超高頻RFID空中接口協(xié)議研究

1 RFID 系統組成

　　RFID ( Rad io Frequency Identificat iON)的基本原理就是將電子標簽安裝在被識別的物體上， 當被標識的物體進(jìn)入RFID 系統的閱讀范圍時(shí)， 射頻識別技術(shù)利用無(wú)線(xiàn)電波或微波能量進(jìn)行非接觸雙向通信， 來(lái)實(shí)現識別和數據交換功能。

　　標簽向讀寫(xiě)器發(fā)送攜帶信息， 讀寫(xiě)器接收這些信息并進(jìn)行解碼， 通過(guò)串口將讀寫(xiě)器采集到的數據送到后端處理， 并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸給服務(wù)器， 從而完成信息的全部采集與處理過(guò)程， 以達到自動(dòng)識別被標識物體的目的。

　　RFID 應用系統的架構如圖1所示， 基本由閱讀器， 天線(xiàn)和標簽組成， 另外還有后臺的企業(yè)應用系統。標簽和讀寫(xiě)器之間通過(guò)耦合元件實(shí)現射頻信號的非接觸耦合。系統中有一個(gè)中間件負責完成系統與多種閱讀器的適配， 過(guò)濾閱讀器從標簽獲得的數據， 以減少網(wǎng)絡(luò )流量。標簽與讀寫(xiě)器之間通過(guò)空中接口協(xié)議進(jìn)行通訊， 讀寫(xiě)器與中間件之間的通信通過(guò)讀寫(xiě)器協(xié)議進(jìn)行定義， 中間件與應用系統之間的通信接口由ALE 協(xié)議規定。

圖1 RFID系統應用架構

　　圖2為RFID 系統閱讀器和標簽之間的通信過(guò)程。讀寫(xiě)器和標簽通過(guò)射頻電磁場(chǎng)進(jìn)行數據交換。

　　閱讀器首先發(fā)送連續載波信號， 通過(guò)ASK 調制等方式發(fā)送各種讀寫(xiě)命令， 標簽通過(guò)反向散射調制的方式響應閱讀器發(fā)出的命令， 返回EPC (電子產(chǎn)品編碼)等信息。

　圖2 RFID系統原理圖。

　　2 空中接口協(xié)議

　　如圖1所示， RFID系統涉及的協(xié)議從底層通訊到上層應用都有各自的規范， 根據標簽的供電方式不同， RFID系統可分為有源系統和無(wú)源系統兩種;根據系統工作的頻段不同， 可分為低頻， 高頻， 超高頻和微波頻段的RFID 系統。論文主要討論超高頻段無(wú)源RFID空中接口協(xié)議部分的關(guān)鍵技術(shù)。

　　當前超高頻RFID 空中接口協(xié)議主要是ISO18000- 6 TYPE B 協(xié)議和EPCG loba l C lass1 GEN2協(xié)議( EPC C1GEN2協(xié)議， 現已經(jīng)成為ISO 18000- 6TYPE C )。兩種協(xié)議的對比如表1 所示?？傮w來(lái)講， EPC C1GEN2空中接口協(xié)議定義更完備， 現有的產(chǎn)品大多遵循此類(lèi)協(xié)議。另外， ISO 18000- 6 基本上是整合了一些現有RFID 廠(chǎng)商的產(chǎn)品規格和EAN- UCC所提出的標簽架構要求而訂出的規范。它只規定了空中接口協(xié)議， 對數據內容和數據結構無(wú)限制， 因此可用于EPC。所以EPC 協(xié)議得到廣泛的應用， 成為事實(shí)標準。

表1 RFID空中接口協(xié)議對比

　　空中接口協(xié)議包含物理層和媒體接入控制(MAC)層， 物理層包含數據的幀結構定義， 調制/解調， 編碼/解碼， 鏈路時(shí)序等， MAC 層包含鏈路時(shí)序，交互流程， 防碰撞算法及安全加密算法等。

　　2. 1 物理層

　　EPC 協(xié)議中， 前向通信使用雙邊帶幅移鍵控( DSB - ASK )、單邊帶幅移鍵控( SSB- ASK )或者反相幅移鍵控( PR - ASK ) 等調制方式。標簽通過(guò)閱讀器的RF電磁場(chǎng)來(lái)獲得工作電源能量。閱讀器通過(guò)發(fā)送一個(gè)未經(jīng)調制的RF載波并偵聽(tīng)標簽的反向散射的回復來(lái)獲得標簽的信息。標簽通過(guò)反向散射調制射頻載波的幅度或者相位來(lái)傳送信息。編碼格式由標簽根據閱讀器命令進(jìn)行選擇， 可以是FM0或者M(jìn) iller調制副載波。

　　在鏈路時(shí)序方面， EPC 協(xié)議規定了讀寫(xiě)器發(fā)送不同命令， 讀寫(xiě)器發(fā)送命令與標簽響應命令之間的時(shí)間間隔最大、最小和典型時(shí)間。

　　數據幀結構方面， EPC 協(xié)議通過(guò)規定查詢(xún)命令前的前導碼， 指定反向數據速率， 編碼方式等， 其他命令前使用幀同步碼實(shí)現同步。反向幀同步碼自相關(guān)性能較差， 可以修改反向幀同步碼進(jìn)一步提高其自相關(guān)性。

　　EPC協(xié)議中， 前向通訊采用不等長(cháng)的PIE 編碼，簡(jiǎn)化標簽端的解碼算法。另外， PIE 編碼還帶有時(shí)鐘信息， 在通信過(guò)程中， 能較好地保持數據同步， 抵抗各種無(wú)線(xiàn)干擾， 從而提高系統在無(wú)線(xiàn)環(huán)境的可靠性。反向通訊采用FM0或者M(jìn) iller子載波編碼方式。

　　信號調制方面， 閱讀器使用DSB - ASK， SSB -ASK， 或者PR - ASK 調制方式跟標簽進(jìn)行通訊， 標簽應該能夠對全部三種調制類(lèi)型進(jìn)行解調。

　　ASK調制受數字數據的調制而取不同值， 它采用包絡(luò )檢波方式解調， 適合電子標簽的特點(diǎn)。PSK用需要傳輸的數據值來(lái)調整載波相位， 這種調制技術(shù)具有更好的抗干擾性能， 相位的變化可作為定時(shí)信息來(lái)同步發(fā)送機和接收機時(shí)鐘。

　　2. 2 MAC 層

　　2. 2. 1 標簽訪(fǎng)問(wèn)控制

　　閱讀器通過(guò)選擇， 清點(diǎn)， 訪(fǎng)問(wèn)三個(gè)基本操作來(lái)管理標簽群體。閱讀器選擇標簽群體以便對標簽進(jìn)行清點(diǎn)和訪(fǎng)問(wèn)。這個(gè)操作類(lèi)似于從數據庫中選擇記錄。閱讀器通過(guò)在四個(gè)會(huì )話(huà)中的一個(gè)會(huì )話(huà)發(fā)出一個(gè)查詢(xún)命令來(lái)啟動(dòng)一輪清點(diǎn)， 可能會(huì )有一個(gè)或者多個(gè)標簽響應。若單個(gè)標簽響應， 閱讀器請求該標簽的PC， EPC 和CRC- 16。若多個(gè)標簽響應， 則進(jìn)入防碰撞處理過(guò)程。閱讀器和單個(gè)標簽進(jìn)行讀或者寫(xiě)之前， 標簽必須被唯一識別。訪(fǎng)問(wèn)的每一個(gè)操作包括多個(gè)命令。

　　2. 2. 2 防碰撞算法

　　在標簽訪(fǎng)問(wèn)控制過(guò)程中， 讀寫(xiě)器在一輪中清點(diǎn)多個(gè)標簽響應， 需要讀寫(xiě)器進(jìn)行碰撞仲裁。EPC 協(xié)議中采用ALOHA 算法， ISO 18000協(xié)議中采用B inary Tree算法解決防碰撞問(wèn)題。然而， ALOHA 算法清點(diǎn)效率僅有33%， 需要解決標簽數目估計問(wèn)題， B ianry Tree算法更低， 需要解決標簽快速分散問(wèn)題， 因此有論文提出用多叉樹(shù)算法來(lái)快速分散標簽， 提高防碰撞效率。

　　2. 2. 3 安全加密

　　在進(jìn)行讀操作時(shí)， 讀卡器向標簽發(fā)出讀指令， 隨后標簽根據讀指令傳送出明文數據。在進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，讀卡器向標簽請求一個(gè)隨機數，標簽將這個(gè)隨機數以明文的方式傳送給讀卡器， 讀卡器使用這個(gè)隨機數與待寫(xiě)入的數據進(jìn)行異或運算傳輸給標簽， 標簽將獲得的數據經(jīng)過(guò)再次異或得到明文后寫(xiě)入存儲器。在進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)指令和殺死指令時(shí)， 讀卡器在發(fā)送密碼前同樣先向標簽請求一個(gè)隨機數， 并將經(jīng)過(guò)此隨機數異或過(guò)的密碼發(fā)送給標簽， 以達到數據在讀卡器到標簽的前向通道上被掩蓋的目的。

　　EPC協(xié)議中， 密碼在空中無(wú)保護傳輸， 任何讀卡器都能夠讀取和向芯片寫(xiě)數據。雖然EPC 協(xié)議指定使用存取密碼來(lái)保護芯片中的數據， 但是這個(gè)存取密碼在芯片和讀卡器之間在空中被直接無(wú)保護傳送。這使得密碼變得不安全， 為密碼破解提供了可能性， 不能保證數據安全。

　　3 結束語(yǔ)

　　RFID 應用中， 需要解決各層的接口標準問(wèn)題，其中空中接口協(xié)議是基礎?？罩薪涌趨f(xié)議需解決物理層的鏈路時(shí)序， 幀結構， 編碼方式， 調制方式等問(wèn)題， MAC 著(zhù)重解決訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議， 防碰撞算法和安全加密算法問(wèn)題。