超高頻RFID空中接口協(xié)議研究

1 RFID 系統(tǒng)組成

　　RFID ( Rad io Frequency Identificat iON)的基本原理就是將電子標(biāo)簽安裝在被識(shí)別的物體上， 當(dāng)被標(biāo)識(shí)的物體進(jìn)入RFID 系統(tǒng)的閱讀范圍時(shí)， 射頻識(shí)別技術(shù)利用無線電波或微波能量進(jìn)行非接觸雙向通信， 來實(shí)現(xiàn)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換功能。

　　標(biāo)簽向讀寫器發(fā)送攜帶信息， 讀寫器接收這些信息并進(jìn)行解碼， 通過串口將讀寫器采集到的數(shù)據(jù)送到后端處理， 并通過網(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程， 以達(dá)到自動(dòng)識(shí)別被標(biāo)識(shí)物體的目的。

　　RFID 應(yīng)用系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示， 基本由閱讀器， 天線和標(biāo)簽組成， 另外還有后臺(tái)的企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。標(biāo)簽和讀寫器之間通過耦合元件實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的非接觸耦合。系統(tǒng)中有一個(gè)中間件負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)與多種閱讀器的適配， 過濾閱讀器從標(biāo)簽獲得的數(shù)據(jù)， 以減少網(wǎng)絡(luò)流量。標(biāo)簽與讀寫器之間通過空中接口協(xié)議進(jìn)行通訊， 讀寫器與中間件之間的通信通過讀寫器協(xié)議進(jìn)行定義， 中間件與應(yīng)用系統(tǒng)之間的通信接口由ALE 協(xié)議規(guī)定。

圖1 RFID系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)

　　圖2為RFID 系統(tǒng)閱讀器和標(biāo)簽之間的通信過程。讀寫器和標(biāo)簽通過射頻電磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　閱讀器首先發(fā)送連續(xù)載波信號(hào)， 通過ASK 調(diào)制等方式發(fā)送各種讀寫命令， 標(biāo)簽通過反向散射調(diào)制的方式響應(yīng)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(tǒng)原理圖。

　　2 空中接口協(xié)議

　　如圖1所示， RFID系統(tǒng)涉及的協(xié)議從底層通訊到上層應(yīng)用都有各自的規(guī)范， 根據(jù)標(biāo)簽的供電方式不同， RFID系統(tǒng)可分為有源系統(tǒng)和無源系統(tǒng)兩種;根據(jù)系統(tǒng)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(tǒng)。論文主要討論超高頻段無源RFID空中接口協(xié)議部分的關(guān)鍵技術(shù)。

　　當(dāng)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(xiàn)已經(jīng)成為ISO 18000- 6TYPE C )。兩種協(xié)議的對(duì)比如表1 所示。總體來講， EPC C1GEN2空中接口協(xié)議定義更完備， 現(xiàn)有的產(chǎn)品大多遵循此類協(xié)議。另外， ISO 18000- 6 基本上是整合了一些現(xiàn)有RFID 廠商的產(chǎn)品規(guī)格和EAN- UCC所提出的標(biāo)簽架構(gòu)要求而訂出的規(guī)范。它只規(guī)定了空中接口協(xié)議， 對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)無限制， 因此可用于EPC。所以EPC 協(xié)議得到廣泛的應(yīng)用， 成為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 RFID空中接口協(xié)議對(duì)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(shù)據(jù)的幀結(jié)構(gòu)定義， 調(diào)制/解調(diào)， 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(diào)制方式。標(biāo)簽通過閱讀器的RF電磁場(chǎng)來獲得工作電源能量。閱讀器通過發(fā)送一個(gè)未經(jīng)調(diào)制的RF載波并偵聽標(biāo)簽的反向散射的回復(fù)來獲得標(biāo)簽的信息。標(biāo)簽通過反向散射調(diào)制射頻載波的幅度或者相位來傳送信息。編碼格式由標(biāo)簽根據(jù)閱讀器命令進(jìn)行選擇， 可以是FM0或者M(jìn) iller調(diào)制副載波。

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

　　數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)方面， EPC 協(xié)議通過規(guī)定查詢命令前的前導(dǎo)碼， 指定反向數(shù)據(jù)速率， 編碼方式等， 其他命令前使用幀同步碼實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)的PIE 編碼，簡(jiǎn)化標(biāo)簽端的解碼算法。另外， PIE 編碼還帶有時(shí)鐘信息， 在通信過程中， 能較好地保持?jǐn)?shù)據(jù)同步， 抵抗各種無線干擾， 從而提高系統(tǒng)在無線環(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(hào)調(diào)制方面， 閱讀器使用DSB - ASK， SSB -ASK， 或者PR - ASK 調(diào)制方式跟標(biāo)簽進(jìn)行通訊， 標(biāo)簽應(yīng)該能夠?qū)θ咳N調(diào)制類型進(jìn)行解調(diào)。

　　ASK調(diào)制受數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制而取不同值， 它采用包絡(luò)檢波方式解調(diào)， 適合電子標(biāo)簽的特點(diǎn)。PSK用需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)值來調(diào)整載波相位， 這種調(diào)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)信息來同步發(fā)送機(jī)和接收機(jī)時(shí)鐘。

　　2. 2 MAC 層

　　2. 2. 1 標(biāo)簽訪問控制

　　閱讀器通過選擇， 清點(diǎn)， 訪問三個(gè)基本操作來管理標(biāo)簽群體。閱讀器選擇標(biāo)簽群體以便對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行清點(diǎn)和訪問。這個(gè)操作類似于從數(shù)據(jù)庫中選擇記錄。閱讀器通過在四個(gè)會(huì)話中的一個(gè)會(huì)話發(fā)出一個(gè)查詢命令來啟動(dòng)一輪清點(diǎn)， 可能會(huì)有一個(gè)或者多個(gè)標(biāo)簽響應(yīng)。若單個(gè)標(biāo)簽響應(yīng)， 閱讀器請(qǐng)求該標(biāo)簽的PC， EPC 和CRC- 16。若多個(gè)標(biāo)簽響應(yīng)， 則進(jìn)入防碰撞處理過程。閱讀器和單個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行讀或者寫之前， 標(biāo)簽必須被唯一識(shí)別。訪問的每一個(gè)操作包括多個(gè)命令。

　　2. 2. 2 防碰撞算法

　　在標(biāo)簽訪問控制過程中， 讀寫器在一輪中清點(diǎn)多個(gè)標(biāo)簽響應(yīng)， 需要讀寫器進(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算法解決防碰撞問題。然而， ALOHA 算法清點(diǎn)效率僅有33%， 需要解決標(biāo)簽數(shù)目估計(jì)問題， B ianry Tree算法更低， 需要解決標(biāo)簽快速分散問題， 因此有論文提出用多叉樹算法來快速分散標(biāo)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(biāo)簽發(fā)出讀指令， 隨后標(biāo)簽根據(jù)讀指令傳送出明文數(shù)據(jù)。在進(jìn)行寫操作時(shí)，讀卡器向標(biāo)簽請(qǐng)求一個(gè)隨機(jī)數(shù)，標(biāo)簽將這個(gè)隨機(jī)數(shù)以明文的方式傳送給讀卡器， 讀卡器使用這個(gè)隨機(jī)數(shù)與待寫入的數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運(yùn)算傳輸給標(biāo)簽， 標(biāo)簽將獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過再次異或得到明文后寫入存儲(chǔ)器。在進(jìn)行訪問指令和殺死指令時(shí)， 讀卡器在發(fā)送密碼前同樣先向標(biāo)簽請(qǐng)求一個(gè)隨機(jī)數(shù)， 并將經(jīng)過此隨機(jī)數(shù)異或過的密碼發(fā)送給標(biāo)簽， 以達(dá)到數(shù)據(jù)在讀卡器到標(biāo)簽的前向通道上被掩蓋的目的。

　　EPC協(xié)議中， 密碼在空中無保護(hù)傳輸， 任何讀卡器都能夠讀取和向芯片寫數(shù)據(jù)。雖然EPC 協(xié)議指定使用存取密碼來保護(hù)芯片中的數(shù)據(jù)， 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保護(hù)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(shù)據(jù)安全。

　　3 結(jié)束語

　　RFID 應(yīng)用中， 需要解決各層的接口標(biāo)準(zhǔn)問題，其中空中接口協(xié)議是基礎(chǔ)?？罩薪涌趨f(xié)議需解決物理層的鏈路時(shí)序， 幀結(jié)構(gòu)， 編碼方式， 調(diào)制方式等問題， MAC 著重解決訪問控制協(xié)議， 防碰撞算法和安全加密算法問題。