WLAN+RFID組合系統(tǒng)的應(yīng)用研究

　　引言

　　無線局域網(wǎng)(WLAN)能夠降低網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的成本，使用戶能夠享受移動網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，獲得高效率、高質(zhì)量和低成本的服務(wù)?？梢苿有允褂脩粼谑褂谜粕嫌嬎銠C(jī)或數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備的同時能自由地變換位置，極大地方便了在工作時需要不斷移動位置的人員。這些設(shè)備能實(shí)時訪問存儲在中心數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)。無線射頻識別(RFID)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對被識別物體的自動識別。它具有數(shù)據(jù)儲存量大、可讀寫、穿透力強(qiáng)、識別距離遠(yuǎn)、識別速度快、使用壽命長和環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)。此外，它還是惟一可以實(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽同時識讀的自動識別技術(shù)。本文研究由WLAN 和RFID 組成，稱為WLAN+RFID的組合系統(tǒng)(以下簡稱組合系統(tǒng))。它建立在無線局域網(wǎng)和無線射頻識別技術(shù)的基礎(chǔ)之上，利用WLAN的無線傳輸和RFID的非接觸式自動識別的特點(diǎn)，為用戶提供更快捷更靈活的識別服務(wù)。

　　1 WLAN+RFID組合系統(tǒng)的應(yīng)用

　　RFID設(shè)備由電子標(biāo)簽(簡稱標(biāo)簽，Tag)和閱讀器(讀頭，Reader)組成。在實(shí)際應(yīng)用中，標(biāo)簽附在被識別物品上的表面或內(nèi)部，當(dāng)被識別物品通過可識讀范圍時，閱讀器自動以無接觸的方式將標(biāo)簽中的約定識別信息取出來，從而實(shí)現(xiàn)自動識別物品或自動收集物品標(biāo)志信息的功能。手持機(jī)(Handheld Reader)是閱讀器當(dāng)中的一種，職員用它能很快地從貨物堆中識別出要尋找的貨物。

　　以LucentTechnologies公司的WaveLAN系列產(chǎn)品為例，WLAN設(shè)備包括有：無線接入網(wǎng)橋(接入點(diǎn)Access Point，AP)，產(chǎn)品有Orinoco AP-1000和Orinoco Wave POINT-II、無線網(wǎng)卡OrinocoPCCard、天線、網(wǎng)橋設(shè)置軟件OrinocoWaveManagerAP v6.00、無線網(wǎng)卡驅(qū)動程序OrinocoClientv6.0和漫游協(xié)議Wave AROUND。

　　在港口碼頭、車站或物流中心的室外露天大型貨場，由于場地大且物資的種類繁多，傳統(tǒng)的人工操作耗費(fèi)大量的人力和時間，而且容易出現(xiàn)差錯。建立組合系統(tǒng)識別貨物，并對中心數(shù)據(jù)庫進(jìn)行無線訪問，使貨物的收貨、發(fā)貨和盤點(diǎn)的整個處理過程非常方便快捷，而且差錯率大大減少。職員在對貨物進(jìn)行驗(yàn)收、存放、登記、挑選、尋找和運(yùn)輸時，他們和鏟車的位置需要移動。在貨場建筑物的樓頂或有關(guān)地方安裝多個AP，使WLAN的無線信號覆蓋整個貨場。手持機(jī)可以在覆蓋區(qū)內(nèi)漫游，并通過WLAN連接到貨場的存貨系統(tǒng)，由此解決了操作人員的流動性問題。

　　在收貨時，職員攜帶手持機(jī)靠近貨物。在識讀范圍內(nèi)，標(biāo)簽的數(shù)據(jù)可以在手持機(jī)的液晶顯示屏上顯示出來，并通過WLAN進(jìn)入中心數(shù)據(jù)庫。職員也可以在手持機(jī)的小型鍵盤輸入其它相關(guān)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)也通過WLAN進(jìn)入中心數(shù)據(jù)庫。接下來，系統(tǒng)將該貨物的存放地點(diǎn)和有關(guān)數(shù)據(jù)反饋回手持機(jī)，并在顯示屏上顯示。職員和鏟車司機(jī)按照指令將貨物送到存放地點(diǎn)。在出貨時，職員根據(jù)庫存管理系統(tǒng)提供的出貨清單，到達(dá)貨物的存放地點(diǎn)附近。只要貨物的標(biāo)簽進(jìn)入手持機(jī)的識讀范圍內(nèi)，手持機(jī)就會從貨物堆中識別出要尋找的貨物，并在顯示屏上顯示出該批貨物的數(shù)據(jù)。盤點(diǎn)貨物與收貨和發(fā)貨的方法相同。庫存管理系統(tǒng)一直跟蹤收貨、發(fā)貨和盤點(diǎn)整個過程的進(jìn)行，從而能實(shí)時和方便地生成準(zhǔn)確的存貨報告。在貨場的出口處安裝讀頭，用來識別運(yùn)出的貨物。當(dāng)貨車將要通過出口處時，讀頭對所有貨物的標(biāo)簽進(jìn)行識別。如果全部是出貨清單上的貨物，讀頭會發(fā)出語音提示，并通過控制系統(tǒng)自動打開通道的閘門，放行貨物。與此同時，庫存管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫自動更新數(shù)據(jù)。反之，如果有不準(zhǔn)放行的貨物，包括隱藏在準(zhǔn)予運(yùn)出的貨物包裝箱內(nèi)，讀頭會自動識別出來，關(guān)閉通道的閘門，并發(fā)出提示。因此，應(yīng)用組合系統(tǒng)對貨物也能起到防盜監(jiān)控的作用。

　　2 RFID及其數(shù)據(jù)通信

　　2.1 RFID的閱讀器和電子標(biāo)簽

　　閱讀器由控制系統(tǒng)、通信接口、微帶天線和電源等模塊構(gòu)成。手持機(jī)是一種適合于用戶手持使用的閱讀器，其工作原理和其它的閱讀器、讀頭完全一樣。它除了一般閱讀器所具有的4個模塊以外，還帶有液晶顯示屏和鍵盤。

　　手持機(jī)的供電電壓采用可充電池供電，6 V或9 V直流;操作系統(tǒng)可以采用WinCE或其它操作系統(tǒng);數(shù)據(jù)存儲32MB閃存，32 MB內(nèi)存：天線為內(nèi)置天線或探針探測器;通信接口可選RS232等接口以及802.11接口。手持機(jī)還可以加入條形碼掃描模塊，使其同時具有RFID識別和條形碼掃描功能。

　　電子標(biāo)簽由數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、通信接口、微帶天線和電源等模塊構(gòu)成。標(biāo)簽寫入ID代碼和物體的有關(guān)信息。標(biāo)簽根據(jù)不同的供電形式分為無源標(biāo)簽和有源標(biāo)簽。無源標(biāo)簽的電能供應(yīng)從閱讀器發(fā)出的射頻信號中取得，因此閱讀器要有較高的發(fā)射功率，識別距離較近。目前的低電壓和低功耗供電技術(shù)可以解決無源標(biāo)簽要求閱讀器發(fā)射功率高的缺點(diǎn)。有源標(biāo)簽依靠自身的微型電池供電，因此對閱讀器的發(fā)射功率要求較低，系統(tǒng)的識別距離較遠(yuǎn)。無源標(biāo)簽與有源標(biāo)簽相比較，具有成本低、不用維護(hù)、可靠性高和壽命長的優(yōu)點(diǎn)。在組合系統(tǒng)中，可以應(yīng)用無源標(biāo)簽和有源標(biāo)簽。

　　2.2 RFID的數(shù)據(jù)通信

　　RFID 的數(shù)據(jù)通信通過閱讀器與標(biāo)簽之間的射頻傳輸來進(jìn)行。閱讀器與標(biāo)簽之間的信息傳輸應(yīng)符合選定的通信協(xié)議。標(biāo)簽先發(fā)言(TTF)和閱讀器先發(fā)言(RTF)是RFID的兩種抗沖突協(xié)議方式。TTF是指標(biāo)簽不需要閱讀器的指令，就可以主動發(fā)送自身的ID代碼。RTF是指標(biāo)簽接收到閱讀器的指令才能發(fā)送。兩者相比較，TTF具有識別速度快和穩(wěn)定的特點(diǎn)，能適應(yīng)高速傳輸和標(biāo)簽數(shù)量動態(tài)變化的情況。對于無源標(biāo)簽，它需要將閱讀器的射頻信號的能量轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨硭枰碾娔?，因此一般采用RTF。有源標(biāo)簽不需要閱讀器提供能量，因此可以采用RTF或TTF。

　　RFID的一個很大的特點(diǎn)是多標(biāo)簽同時識讀，即一個閱讀器能對接多個標(biāo)簽。閱讀器以無線電廣播方式同時向各個標(biāo)簽發(fā)射信號，各個標(biāo)簽同時接收這些信號;各個標(biāo)簽以多路存取的方式向閱讀器傳送信號。當(dāng)采用TTF時，所有標(biāo)簽隨機(jī)地反復(fù)發(fā)送自身的ID代碼，在不同的時候不同的標(biāo)簽被閱讀器讀取。當(dāng)采用RTF時，閱讀器首先對識讀范圍內(nèi)的一批標(biāo)簽發(fā)出隔離指令，只保留一個標(biāo)簽處于激活狀態(tài)，并與其建立起無沖突的通信聯(lián)系;通信結(jié)束后指令該標(biāo)簽進(jìn)入休眠狀態(tài)。然后依照上述完成對一個個標(biāo)簽的識讀。

3 組合系統(tǒng)的工作頻率選擇

　　FCC的無線電頻譜條例第15部分(修訂)，允許不用經(jīng)過批準(zhǔn)，無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品就可以在ISM 頻帶中運(yùn)行。ISM 包括了3個頻段：902～928 MHz、2.4～2.4835 GHz、5.725～5.85 GHz。目前，902MHz頻段的WLAN在美國部署運(yùn)行，它并非在全球適用。2.4 GHz是全球適用的惟一非特許頻段。現(xiàn)在全球占主導(dǎo)地位的WLAN產(chǎn)品工作在2.4 GHz頻段。

　　標(biāo)簽與閱讀器之間進(jìn)行無線通信的頻段是：低頻135KHz以下，高頻13.56 MHz，超高頻869 MHz、902～928 MHz和微波2.4 GHz、5.8 GHz。低頻和高頻的通信距離近，數(shù)據(jù)傳輸速率慢。高頻、超高頻和微波的通信距離遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸速率快。

　　目前，RFID存在兩個技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：歐美的EPC標(biāo)準(zhǔn)和日本的UID標(biāo)準(zhǔn)。兩者使用的無線頻段不一樣，EPC標(biāo)準(zhǔn)采用超高頻902～928 MHz，UID標(biāo)準(zhǔn)采用2.45 GHz和13.56 MHz。

　　在組合系統(tǒng)中，WLAN 與RFID必須共存，兩者的射頻信號互相不干擾。頻率分割是最好最簡單的選擇。因此，在組合系統(tǒng)中的WLAN選用2.4 GHz頻段，RFID選用902 MHz頻段。它們都是可以自由使用的開放頻段，但是發(fā)射功率受到規(guī)定的限制。

　　4 組合系統(tǒng)采用的調(diào)制技術(shù)

　　截至目前，DSSS與FHSS以現(xiàn)有的產(chǎn)品參數(shù)比較，DSSS在需要最佳可靠性的應(yīng)用中具有較佳的優(yōu)勢，而FHSS在需要低成本的應(yīng)用中占優(yōu)勢。DSSS由于采用全頻帶傳送資料，速度較快，而且具有抗干擾抗噪聲能力、抗衰落能力、隱蔽性和保密性強(qiáng)、不干擾同頻的系統(tǒng)等性能優(yōu)點(diǎn)。

　　因?yàn)镈SSS有以上的優(yōu)點(diǎn)，組合系統(tǒng)中的WLAN 采用DSSS。DSSS的高數(shù)據(jù)傳輸速率能滿足大型貨場對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求;良好的抗干擾性能適應(yīng)了在貨場中比較復(fù)雜的傳播環(huán)境，例如由于物體移動產(chǎn)生的信號衰落所造成的多徑干擾;DSSS的傳輸距離比較遠(yuǎn)，在相同面積的貨場中設(shè)置AP的數(shù)量可以少。

　　組合系統(tǒng)中的WLAN采用IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)。802.11b是802.11的一個擴(kuò)充，規(guī)定采用2.4GHz頻段。它在802.11協(xié)議的物理層中增加了兩個新的速率：5.5 Mbps和11 Mbps。為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，DSSS被選作該技術(shù)的惟一物理層傳輸技術(shù)，這是由于FHSS在不違反FCC原則的基礎(chǔ)上無法再提高速度了。DSSS的調(diào)制方式在1 Mbps時為DBPSK，在2 Mbps時為DQPSK，在5.5 Mbps和11 Mbps時采用了CCK，都使用QPSK作為調(diào)制技術(shù)。RFID的射頻傳輸可以采用電感耦合方式，又稱為負(fù)載調(diào)制，常用在近距離的低頻和高頻識別系統(tǒng)。射頻傳輸也可以采用電磁反向散射耦合方式，又稱為反向散射調(diào)制，常用在較遠(yuǎn)距離的超高頻(如902 MHz)和微波(如2.4 GHz)識別系統(tǒng)。在組合系統(tǒng)中，RFID采用反向散射調(diào)制，工作頻率為902MHz頻段。

　　反向散射調(diào)制的工作原理是：在無源標(biāo)簽將數(shù)據(jù)發(fā)回給讀頭時，標(biāo)簽根據(jù)要發(fā)回的數(shù)據(jù)信號控制天線開關(guān)，使標(biāo)簽的天線處于阻抗失配或阻抗匹配狀態(tài)，因此標(biāo)簽反射回讀寫器的能量相應(yīng)也有大和小的兩種情況，分別代表了二進(jìn)制信號中的“0”和“1”。

　　5 WLAN的漫游

　　組合系統(tǒng)采用多小區(qū)無線局域網(wǎng)(指ESS：擴(kuò)展服務(wù)組)。多小區(qū)無線局域網(wǎng)的一個功能是漫游，漫游功能使得無線用戶可以從一個小區(qū)(Cel1)到另一個小區(qū)進(jìn)行移動。因?yàn)?02.11沒有提供漫游的規(guī)范，所以就由WLAN供應(yīng)商來定義漫游協(xié)議通常，各公司提供專用漫游協(xié)議，這類協(xié)議工作在具備802，11接口的分布系統(tǒng)之上。每一個工作站會定期評估可接收AP的信號強(qiáng)度，工作站將和信號最強(qiáng)的AP重新建立連接。

　　LucentTechnologies公司的WaveAROUND就是一個典型的專用漫游協(xié)議，它屬于該公司的WaveLAN系列產(chǎn)品之一。下面以WaveAROUND為例介紹這個典型的專用漫游協(xié)議的工作過程。一個Wave LAN體系中的所有小區(qū)在一個無線網(wǎng)絡(luò)中被相互連接起來，稱為一個域。在域內(nèi)，移動工作站可以自動地在不同的小區(qū)之間交換，以保持不間斷的連接。移動工作站將監(jiān)視其與當(dāng)前所在小區(qū)的AP的通信質(zhì)量，如果通信質(zhì)量下降到低于一個預(yù)先設(shè)定的值，它就會開始尋找另一個小區(qū)。一旦找到，該工作站將檢索并采用新小區(qū)的WLAN網(wǎng)絡(luò)ID，保證網(wǎng)絡(luò)的連通性。

　　在WaveAROUND工作模式下，多個小區(qū)不需要重疊。在小區(qū)重疊的位置，WaveLAN在終止與前一個AP的連接之前，已經(jīng)連接到了新的AP，從而提供了穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接。

　　AP以固定的間隔廣播信標(biāo)信息，從而支持漫游移動工作站。信標(biāo)信息中包含域ID、AP的Wave LA 網(wǎng)絡(luò)ID、通信質(zhì)量信息和小區(qū)搜索閾(Cell Search Thresholds)的值。域ID指明了屬于同一個Wave LAN漫游網(wǎng)絳的AP和耩動工作站。一個正在監(jiān)聽信標(biāo)的移動工作站只會解釋具有相同域ID 的信標(biāo)信息。Wave LAN網(wǎng)絡(luò)ID指明了Wave LAN網(wǎng)絡(luò)的某一個特定小區(qū)，是為每一個AP分配的網(wǎng)絡(luò)ID。它告知移動工作站在該地用哪一個Wave LAN網(wǎng)絡(luò)ID與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

　　可以利用信標(biāo)密鑰(BeaconKey)對網(wǎng)絡(luò)ID信息進(jìn)行編碼。通信質(zhì)量信息幫助移動工作站決定與某個小區(qū)的AP的實(shí)際連接質(zhì)量。小區(qū)搜索閾與通信質(zhì)量水平有關(guān)，當(dāng)通信質(zhì)量下降，例如當(dāng)移動工作站移往另一個地點(diǎn)時，就會激活小區(qū)搜索閱。在小區(qū)搜索模式下，移動工作站會監(jiān)聽信標(biāo)開始搜索其它AP。依據(jù)環(huán)境選擇不同的敏感度水平，可以改變閾值。

6 WLAN+RFID組合系統(tǒng)的信息安全

　　在選擇RFID時，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況考慮是否選擇具有密碼功能的系統(tǒng)。在對安全功能沒有要求的應(yīng)用中，如果引用密碼過程，會使費(fèi)用增高。與此相反，在要求高安全性的應(yīng)用中，如果省略密碼過程，可能會由于使用假冒的應(yīng)答器來獲取未許可的服務(wù)，從而形成非常嚴(yán)重的疏漏。

　　WLAN使用無線電波傳輸介質(zhì)，所以它的信息安全問題比較復(fù)雜，組合系統(tǒng)的信息安全重點(diǎn)是WLAN。由于WLAN已經(jīng)采用了許多安全措施，RFID就可以不再設(shè)加密功能了。802.11采用的DSSS或FHSS不能視為安全措施的主要部分，因?yàn)檫@兩種技術(shù)原本都只是通信技術(shù)，不能提供足夠的抗惡意攻擊的能力。802.11的安全機(jī)制通過加密和認(rèn)證來實(shí)現(xiàn)，雖然這些機(jī)制并不十分完善和有效，但是，它們畢竟在發(fā)展補(bǔ)充，并且為網(wǎng)絡(luò)提供安全措施。這些安全機(jī)制包括：WEP加密協(xié)議;用戶認(rèn)證方法，SSID的使用;MAC地址過濾。

　　如果組合系統(tǒng)僅是一個范圍有限的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，這些安全措施就足夠了。如果組合系統(tǒng)是一個外聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，這些措施顯然不足夠文獻(xiàn)[4~6]介紹了這些安全機(jī)制及其存在的安全漏洞和缺陷：

　　①802.11默認(rèn)的是開放系統(tǒng)認(rèn)證，這等于沒有認(rèn)證，共享密鑰認(rèn)證存在重大漏洞，認(rèn)證形同虛設(shè);

　?、赟SID幾乎不能保證安全

　?、跰AC地址過濾只能提供最簡單的訪問控制;

　　④算法存在巨大的安全漏洞

　　因此，必須采用新的安全措施，或者在原有安全機(jī)制的基礎(chǔ)之上進(jìn)行改進(jìn)，才能確保WLAN的信息安全。目前，這方面的研究在國內(nèi)外已有不少報導(dǎo)，文獻(xiàn)[4~6]也做了介紹。下面介紹的是本課題組提出的一種新的安全防范補(bǔ)充措施： MAC、靜態(tài)IP與用戶口令的捆綁認(rèn)證”(簡稱“捆綁認(rèn)證”)。它基于上述原有的安全機(jī)制，能提高網(wǎng)絡(luò)的安全性能其方法是：

　　(1)按照802.11建立基本的MAC地址過濾表。首先把網(wǎng)絡(luò)中所有網(wǎng)絡(luò)適配器的MAC硬件地址，即固化地址(burnedin)收集起來，建立一張MAC地址明細(xì)表注明每個MAC地址所在的AP位置。然后通過設(shè)備廠商所提供的管理軟件，在每一個AP的安全設(shè)置項(xiàng)中建立合法用戶的可信MAC地址表。該表組成了802.11所要求的MAC地址過濾器，可以實(shí)現(xiàn)MAC地址過濾;

　　(2)設(shè)立無線靜態(tài)IP地址。WLAN利用了與以太網(wǎng)或令牌環(huán)訪問方法相同的TCP/IP棧，其無線部分屬于訪問結(jié)構(gòu)中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。由于TCP/IP棧位于該結(jié)構(gòu)的頂端，并且允許無縫集成有線局域網(wǎng)中。也就是說，無線的IP地址與有線的lP地址在一定程度上等效，有線網(wǎng)絡(luò)采用靜態(tài)IP地址的安全策略在WLAN中仍然有用因此，WLAN完全可以效仿有線局域網(wǎng)的做法，對所有合法用戶建立一張IP地址表進(jìn)行過濾。對WLAN不同的是，在該表中要注明每個IP地址所在的AP的位置以及每個IP指定其登陸口令;

　　(3)MAC地址、靜態(tài)IP地址、用戶口令的捆綁認(rèn)證。首先在服務(wù)器中編寫一個用戶登陸認(rèn)證程序。然后將上述建立的MAC地址過濾表、靜態(tài)IP地址以及用戶口令表在程序中分別建立對應(yīng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，將表中的MA C、IP、口令與其所在的AP的地址關(guān)聯(lián)起來。

　　當(dāng)移動用戶請求登陸時，必須通過下面3個過程：

　?、儆脩羰紫纫ㄟ^它所在的AP的SSID認(rèn)證、MAC地址過濾、WEP認(rèn)證;

　?、?進(jìn)入服務(wù)器的認(rèn)證程序。服務(wù)器的認(rèn)證程序先將請求者的口令、IP、MAC讀入寄存器，然后對IP、MAC所在AP，與其所在的AP地址進(jìn)行比較，如果比較結(jié)果為“真”時，進(jìn)入下一個認(rèn)證步驟;

　?、?只有當(dāng)口令、IP和MAC三者與關(guān)聯(lián)表一致時，方可登陸。

　　7 結(jié)束語

　　WLAN+RFID的組合系統(tǒng)建立在無線局域網(wǎng)和無線射頻識別技術(shù)的基礎(chǔ)之上，充分發(fā)揮了WLAN的無線連接和移動性的特點(diǎn)，以及RFID非接觸式自動識別和多標(biāo)簽同時識讀的特點(diǎn)，能為用戶提供更快捷、更靈活的識別服務(wù)，其應(yīng)用前景將十分寬廣但是，在實(shí)際應(yīng)用中，組合系統(tǒng)還有許多技術(shù)問題有待今后更深入的研究和解決。