1 RFID系統(tǒng)組成

　　RFID (Radio Frequency Identification) 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(wú)線電波或微波能量進(jìn)行非接觸雙向通信，來(lái)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(guò)串口將讀寫器采集到的數(shù)據(jù)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(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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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?！　?/P>

　　圖2為RFID系統(tǒng)閱讀器和標(biāo)簽之間的通信過(guò)程。讀寫器和標(biāo)簽通過(guò)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(guò)ASK調(diào)制等方式發(fā)送各種讀寫命令，標(biāo)簽通過(guò)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。

　　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(wú)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(wú)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ISO 18000-6 TYPE B協(xié)議和EPC Global Class 1 GEN 2協(xié)議(EPC C1 GEN2協(xié)議，現(xiàn)已經(jīng)成為ISO 18000-6 TYPE C)。兩種協(xié)議的對(duì)比如表1所示?？傮w來(lái)講，EPC C1 GEN 2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(wú)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)。

　　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(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(diào)制的RF載波并偵聽標(biāo)簽的反向散射的回復(fù)來(lái)獲得標(biāo)簽的信息。標(biāo)簽通過(guò)反向散射調(diào)制射頻載波的幅度或者相位來(lái)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(guò)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(guò)程中，能較好地保持?jǐn)?shù)據(jù)同步，抵抗各種無(wú)線干擾，從而提高系統(tǒng)在無(wú)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(lái)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(lái)同步發(fā)送機(jī)和接收機(jī)時(shí)鐘。

　　2.2MAC層

　　2.2.1標(biāo)簽訪問(wèn)控制

　　閱讀器通過(guò)選擇，清點(diǎn)，訪問(wèn)三個(gè)基本操作來(lái)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(wèn)。這個(gè)操作類似于從數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇記錄。閱讀器通過(guò)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(lái)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(guò)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(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(biāo)簽訪問(wèn)控制過(guò)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，ISO18000協(xié)議中采用BinaryTree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(biāo)簽數(shù)目估計(jì)問(wèn)題，BianryTree算法更低，需要解決標(biāo)簽快速分散問(wèn)題，因此有論文提出用多叉樹算法來(lái)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(guò)再次異或得到明文后寫入存儲(chǔ)器。在進(jìn)行訪問(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(biāo)簽請(qǐng)求一個(gè)隨機(jī)數(shù)，并將經(jīng)過(guò)此隨機(jī)數(shù)異或過(guò)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(wú)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(lái)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(wú)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(yǔ)

　　RFID應(yīng)用中，需要解決各層的接口標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)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(wèn)題，MAC著重解決訪問(wèn)控制協(xié)議，防碰撞算法和安全加密算法問(wèn)題。