超高频RFID空中接口协议研究

第４期　微处理机　Ｎｏ．４　２０１０年８月　ＭＩＣＲＯＰＲＯＣＥＳＳ０ＲＳ　Ａｕｇ．，２０１０　超高频ＲＦＩＤ空中接口协议研究　王　闯，焦树国，黎森　（军事经济学院襄樊分院基础部计算机教研室，襄樊４４１１１８）　摘　要：针对超高频射频识别系统，深入分析其结构组成，相关的标准及目前主流的ＩＳＯ　１８０００　—６　ＴＹＰＥ　Ｂ和ＴＹＰＥ　Ｃ空中接口协议。针对空中接口中涉及的问题，提出解决ＲＦＩＤ应用问题的　关键技术。　关键词：超高频；射频识别；空中接口协议　ＤＯＩ编码：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—２２７９．２０１０．０４．０１３　中图分类号：ＴＰ３９　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００２—２２７９（２０１０）０４—００４３—０２　Ｔｈｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ａｉｒ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｉｎ　Ｕｌｔｒａ　Ｈｉｇｈ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ＲＦＩＤ　ＷＡＮＧ　Ｃｈｕａｎｇ，ＪＩＡＯ　Ｓｈｕ—ｇｕｏ，ＬＩ　Ｓｅｎ　（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｔｅａｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｇｒｏｕｐ，Ｂａｓｉｓ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆＸｉａｎｇｆａｎ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，　Ｍｉｌｉｔａｒｙ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｆｏＥｃｏｎｏｍｉｃｓ，Ｘｉａｎｇｆａｎ　４４１１１８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　Ａｎａｌｙｓｉｚｅｓ　ｔｈｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｕｌｔｒａ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ＲＦＩＤ　Ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ　ｇｉｖｅ　ａｎ　ｉｎｓｉｇｈｔ　ｏｆ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ，ＩＳＯ　１　８０００—６　Ｔｙｐｅ　Ｂ　ａｎｄ　Ｔｙｐｅ　Ｃ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｉｎｃｌｕｓｉｖｅ．Ｉｔ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ｓｏｍｅ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｎｅｅｄｅｄ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｉｒ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｏｆ　ＲＦＩＤ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｕｌｔｒａ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；Ｒａｄｉｏ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ；Ａｉｒ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　１　ＲＦＩＤ系统组成　Ｉ　应用系统　Ｉ　ｌ　中间件　ｌ　ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｉｄｅｎｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ）的基本原　理就是将电子标签安装在被识别的物体上，当被标　Ｉ　读写器　ｌ　识的物体进入ＲＦＩＤ系统的阅读范围时，射频识别　Ｉ　标签　　Ｉ技术利用无线电波或微波能量进行非接触双向通　图１　ＲＦＩＤ系统应用架构　信，来实现识别和数据交换功能。　图２为ＲＦＩＤ系统阅读器和标签之间的通信过　标签向读写器发送携带信息，读写器接收这些　程。读写器和标签通过射频电磁场进行数据交换。　信息并进行解码，通过串口将读写器采集到的数据　阅读器首先发送连续载波信号，通过ＡＳＫ调制等方　送到后端处理，并通过网络传输给服务器，从而完成　式发送各种读写命令，标签通过反向散射调制的方　信息的全部采集与处理过程，以达到自动识别被标　式响应阅读器发出的命令，返回ＥＰＣ（电子产品编　识物体的目的。　码）等信息。　ＲＦＩＤ应用系统的架构如图１所示，基本由阅读　器，天线和标签组成，另外还有后台的企业应用系　统。标签和读写器之间通过耦合元件实现射频信号　的非接触耦合。系统中有一个中间件负责完成系统　与多种阅读器的适配，过滤阅读器从标签获得的数　据，以减少网络流量。标签与读写器之间通过空中　接口协议进行通讯，读写器与中间件之间的通信通　过读写器协议进行定义，中间件与应用系统之间的　通信接口由ＡＬＥ协议规定。　图２　ＲＦＩＤ系统原理图　作者简介：王闯（１９８２一），男，湖ｊＥ武汉人，硕士研究生，主研方向：网络数据库及信息安全方面的研究。　收稿日期：２０１０—０１—０７　・４４・　微处理机　２空中接口协议　如图１所示，ＲＦＩＤ系统涉及的协议从底层通讯　不同命令，读写器发送命令与标签响应命令之间的　时间间隔最大、最小和典型时间。　数据帧结构方面，ＥＰＣ协议通过规定查询命令　前的前导码，指定反向数据速率，编码方式等，其他　命令前使用帧同步码实现同步。反向帧同步码自相　关性能较差，可以修改反向帧同步码进一步提高其　自相关性。　到上层应用都有各自的规范，根据标签的供电方式　不同，ＲＦＩＤ系统可分为有源系统和无源系统两种；　根据系统工作的频段不同，可分为低频，高频，超高　频和微波频段的ＲＦＩＤ系统。论文主要讨论超高频　段无源ＲＦＩＤ空中接口协议部分的关键技术。　ＥＰＣ协议中，前向通讯采用不等长的ＰＩＥ编码，　当前超高频ＲＦＩＤ空中接口协议主要是ＩＳＯ　简化标签端的解码算法。另外，ＰＩＥ编码还带有时钟　１８０００—６　ＴＹＰＥ　Ｂ协议和ＥＰＣＧｌｏｂａｌ　Ｃｌａｓｓｌ　ＧＥＮ２　协议（ＥＰＣ　Ｃ１ＧＥＮ２协议，现已经成为ＩＳＯ　１８０００—６　ＴＹＰＥ　Ｃ）。两种协议的对比如表１所示。总体来　讲，ＥＰＣ　Ｃ１ＧＥＮ２空中接口协议定义更完备，现有的　产品大多遵循此类协议。另外，ＩＳＯ　１８０００—６基本　上是整合了一些现有ＲＦＩＤ厂商的产品规格和ＥＡＮ　—ＵＣＣ所提出的标签架构要求而订出的规范。它　只规定了空中接口协议，对数据内容和数据结构无　限制，因此可用于ＥＰＣ。所以ＥＰＣ协议得到广泛的　应用，成为事实标准。　表１　ＲＦＩＤ空中接口协议对比　类型　ＩＳＯ　１８０００—６　Ｔｙｐｅ　Ｂ　ＥＰＣ　Ｃ１Ｇ２　载波频段８６０～９６０ＭＨｚ　ＤＳＢ—ＡＳＫ　ＳＳＢ—ＡＳＫ　读写器调制方式ＡＳＫ　１８％ｏｒ　１００％　ＰＲ—ＡＳＫ　Ｍｉｎｉ：８０％．　Ｍａｘ：１００％　编码方式　Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ　ＰＩＥ　电源供电Ｐａｓｓｉｖｅ　Ｐａｓｓｉｖｅ　标签调制方式ＡＳＫ，（Ｂａｅｋｓｃａｔｔｅｒ）　ＡＳＫ／ＰＳＫ　反向编码　ＦＭ０　ＦＭ０／Ｍｉｌｌｅｒ子载波　空中接口协议包含物理层和媒体接人控制　（ＭＡＣ）层，物理层包含数据的帧结构定义，调制／解　调，编码／解码，链路时序等，ＭＡＣ层包含链路时序，　交互流程，防碰撞算法及安全加密算法等。　２．１物理层　ＥＰＣ协议中，前向通信使用双边带幅移键控　（ＤＳＢ—ＡＳＫ）、单边带幅移键控（ＳＳＢ—ＡＳＫ）或者反　相幅移键控（ＰＲ—ＡＳＫ）等调制方式。标签通过阅　读器的ＲＦ电磁场来获得工作电源能量。阅读器通　过发送一个未经调制的ＲＦ载波并侦听标签的反向　散射的回复来获得标签的信息。标签通过反向散射　调制射频载波的幅度或者相位来传送信息。编码格　式由标签根据阅读器命令进行选择，可以是ＦＭ０或　者Ｍｉｌｌｅｒ调制副载波。　在链路时序方面，ＥＰＣ协议规定了读写器发送　信息，在通信过程中，能较好地保持数据同步，抵抗各　种无线干扰，从而提高系统在无线环境的可靠性。反　向通讯采用ＦＭ０或者Ｍｉｌｌｅｒ子载波编码方式。　信号调制方面，阅读器使用ＤＳＢ—ＡＳＫ，ＳＳＢ—　ＡＳＫ，或者ＰＲ—ＡＳＫ调制方式跟标签进行通讯，标　签应该能够对全部三种调制类型进行解调。　ＡＳＫ调制受数字数据的调制而取不同值，它采　用包络检波方式解调，适合电子标签的特点。ＰＳＫ　用需要传输的数据值来调整载波相位，这种调制技　术具有更好的抗干扰性能，相位的变化可作为定时　信息来同步发送机和接收机时钟。　２．２　ＭＡＣ层　２．２．１标签访问控制　阅读器通过选择，清点，访问三个基本操作来管　理标签群体。阅读器选择标签群体以便对标签进行　清点和访问。这个操作类似于从数据库中选择记　录。阅读器通过在四个会话中的一个会话发出一个　查询命令来启动一轮清点，可能会有一个或者多个　标签响应。若单个标签响应，阅读器请求该标签的　ＰＣ，ＥＰＣ和ＣＲＣ一１６。若多个标签响应，则进人防　碰撞处理过程。阅读器和单个标签进行读或者写之　前，标签必须被唯一识别。访问的每一个操作包括　多个命令。　２．２．２防碰撞算法　在标签访问控制过程中，读写器在一轮中清点多　个标签响应，需要读写器进行碰撞仲裁。ＥＰＣ协议中　采用ＡＬＯＨＡ算法，ＩＳＯ　１８０００协议中采用Ｂｉｎａｒｙ　Ｔｒｅｅ　算法解决防碰撞问题。然而，ＡＬＯＨＡ算法清点效率仅　有３３％，需要解决标签数目估计问题，Ｂｉａｎｒｙ　Ｔｒｅｅ算法　更低，需要解决标签快速分散问题，因此有论文提出用　多叉树算法来快速分散标签，提高防碰撞效率。　２．２．３安全加密　在进行读操作时，读卡器向标签发出读指令，随后　标签根据读指令传送出明文数据。在进行写操作时，　读卡器向标签请求一个随机数，　（下转第４８页）　・４８・　微处理机　２０１０焦　该模块以用户交互方式实现，用于设置、管理移　动应用服务系统所需要的各种配置参数，配置其它　应用系统为移动应用服务平台开发的服务程序的相　关信息。　３．４短信息发送平台　短信息发送平台是移动应用系统的一个重要功　（１）即时消息广播　可以向所有在线的移动终端发送消息。消息的　发起可以是移动终端、可以由用户通过移动服务系　统提供的操作界面发起，也可以由应用程序通过移　动应用系统提供的消息发送接口发起。　（２）图像消息　可以将教学和学习活动中的图像信息，作为消　能，用于实现移动终端和移动终端间，移动终端和系　统后台之间的信息交互。信息发送平台使学习小组　息发送出去，在移动终端作为消息显示。　成员通过移动终端可以及时进行信息的交互和共　（３）短消息缓存　享，以体现学习者的协作学习性。　当消息发送地址中包含的终端没有开机时，可　短信息发送平台提供为应用程序可调用的服务　以将消息缓存在服务器端，等待终端开机时再发送。　接口，其他应用程序可以通过接口向移动终端发布　信息或者广播消息。建立这样一个移动短信息发送　４结束语　平台，可以为教学和学习的各类应用提供短信息发　随着移动计算技术和无线通信技术的蓬勃发　送平台。如图３所示。　展，一种以协作学习模式为特点的移动学习已逐渐　成为远程教育中一种重要的学习交流方式。把嵌入　式移动数据库（ＥＭＤＢＳ）应用到协作移动学习系统，　实现了协作移动学习的“移动性”和“协作性”，让老　师与学生、学生与学生之间的各种信息资源可以不　再受时间和空间的限制及时进行学习和交互。　参考文献：　［１］　叶成林，徐福荫，许骏．移动学习研究综述［Ｊ］．电化教　育研究，２００４（３）：１２—１９．　［２］赵建华，李克东．协作学习及其协作学习模式［Ｊ］．中　国电化教育，２０００（１Ｏ）：５—６．　［３］张志雄，胡飞．嵌人式移动数据库技术分析研究［Ｊ］．　图３短信息发送平台功能　微处理机，２００８（３）：１３１—１３３．　在移动应用系统中提供短信息发送平台，主要　［４］胡晓宏，沈贺嵩．嵌入式移动数据库系统中的数据查　包括以下功能：　询［Ｊ］．单片机与嵌入式系统应用，２００９（３）：１４—１６．　（上接第４４页）　其中空中接口协议是基础。空中接口协议需解决物　标签将这个随机数以明文的方式传送给读卡器，读卡　理层的链路时序，帧结构，编码方式，调制方式等问　器使用这个随机数与待写入的数据进行异或运算传　题，ＭＡＣ着重解决访问控制协议，防碰撞算法和安　输给标签，标签将获得的数据经过再次异或得到明文　全加密算法问题。　后写入存储器。在进行访问指令和杀死指令时，读卡　参考文献：　器在发送密码前同样先向标签请求一个随机数，并　［１］陈力颖．无源超高频电子标签芯片设计研究［Ｄ］．天　将经过此随机数异或过的密码发送给标签，以达到　津：天津大学，２００８．　数据在读卡器到标签的前向通道上被掩盖的目的。　［２］ＥＰＣ　Ｒａｄｉｏ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｉｄｅｎｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ　Ｃｌａｓｓ—Ｉ　ＥＰＣ协议中，密码在空中无保护传输，任何读卡　Ｇｅｎｅｒａｌｏｎ一２　ＵＨＦ　ＲＦＩＤ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｔ　器都能够读取和向芯片写数据。虽然ＥＰＣ协议指　８６０ＭＨｚ一９６０ＭＨｚ［Ｓ］．Ｖｅｍｉｏｎ　１．０．８．ＥＰＣ　ｇｌｏｂａｌ，Ｄｅｃ．　定使用存取密码来保护芯片中的数据，但是这个存　２００４．　取密码在芯片和读卡器之间在空中被直接无保护传　［３］　姚建永，郎为民，王建秋，等．ＥＰＣｇｌｏｂａｌ组织的ＲＦＩＤ　送。这使得密码变得不安全，为密码破解提供了可　标准［Ｒ］．２００６第四届中国工业企业物流论坛，２００６．　能性，不能保证数据安全。　［４］　王立建，耿力，王文峰．ＩＳＯ／ＩＥＣ　１８０００射频识别空中　３结束语　接口标准研究［Ｊ］，中国标准化，２００８（３）：２７—２８．　［５］郎为民．射频识别（ＲＦＩＤ）技术原理与应用［Ｍ］．北京：　ＲＦＩＤ应用中，需要解决各层的接口标准问题，　机械工业出版社，２００６．