摘 要： 介紹了EPC CLASS-1/Gen-2 RFID標準所采用的關鍵技術及其特點。作為第二代得到廣泛廠商支持的RFID標準，Gen-2標準吸收了其他RFID相關標準的最新成果，在射頻頻段選擇、物理層數(shù)據(jù)編碼技術" title="編碼技術">編碼技術及調制方式、防沖突算法" title="防沖突算法">防沖突算法、標簽訪問控制和隱私保護" title="隱私保護">隱私保護等關鍵技術方面進行了改進，以適應標簽低處理能力、低功耗和低成本的要求，使得Gen-2標準在性能上比第一代EPC RFID標準有了顯著提高。
關鍵詞： RFID標準 EPC CLASS-1/Gen-2 防沖突算法
無線射頻標識RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸的自動標識技術，它利用射頻信號和空間耦合來實現(xiàn)對物體的自動識別[1]。與條形碼相比，RFID技術具有防水、防磁、使用壽命長、讀取距離遠、標簽上數(shù)據(jù)可加密、存儲數(shù)據(jù)容量大、存儲信息更改方便等優(yōu)點。相信RFID將給人類生活帶來深刻變化。為了搶占市場并在市場競爭中立于優(yōu)勢地位，很多企業(yè)積極起草或者參與RFID標準的制定。
在RFID的眾多相關標準中，無線接口標準" title="無線接口標準">無線接口標準是最核心的部分。無線接口標準主要定義電子標簽和閱讀器間互操作的物理層標準、抗沖突算法及協(xié)議參數(shù)等。RFID無線接口標準涉及到低頻、高頻、超高頻和微波等多個頻段，它們各有特色，其中超高頻及微波RFID由于具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、空中傳輸距離遠等特點，廣為關注。目前超高頻及以上頻段RFID無線接口標準主要有ISO組織制訂的ISO18000－6A/B(采用860M～960MHz頻段)、日本東京大學教授坂村健等提出的UID(Ubiquitous ID，泛在ID)RFID標準(采用2.45GHz頻段)和EPCglobal組織制訂的第一代EPC CLASS-0/1 RFID標準和第二代CLASS-1 RFID標準。在這幾個無線接口規(guī)范中，第二代CLASS-1 RFID標準一方面吸收了ISO 18000-6等RFID標準成果，另一方面根據(jù)第一代EPC標準產品在市場應用中的反饋，進行了技術改進，性能比第一代RFID標準有了顯著提高。其性能提高主要體現(xiàn)為兼容全球RFID頻譜、具有良好的安全性和隱私保護、擁有更快的標簽閱讀速度以及適合標簽工作模式的無線接口。EPCglobal組織于2004年12月16日批準了EPC CLASS-1/Gen-2 RFID標準。
下面簡要介紹EPC第二代CLASS-1 RFID標準特點及其采用的核心技術。
1 EPC CLASS-1/Gen-2 RFID標準主要特點
EPC CLASS-1/Gen-2 RFID標準(簡稱Gen-2標準)采用開放的體系結構，得到眾多歐美RFID企業(yè)支持。它充分考慮了標簽低處理能力、低功耗和低成本要求，在射頻頻段選擇、物理層數(shù)據(jù)編碼及調制方式、防沖突算法、標簽訪問控制和隱私保護等技術方面采取了一系列改進，既提高了RFID產品的性能，又減少了制造電子標簽所需掩模(die)大小(平均減少幅度為20％)，降低了電子標簽的制造成本。Gen-2 RFID標準具有以下主要特點：
(1)兼容全球RFID頻譜分布：Gen-2標準綜合考慮了超高頻RFID全球分布的無線頻段，頻譜較寬(860M～960MHz)，其中美國RFID頻段為902M～938MHz，歐洲是868MHz，日本為950M～956MHz。標準要求，在全球RFID頻段范圍內(860M～960MHz)，Gen-2 RFID產品性能必須保持一致，保證Gen-2標準RFID設備間互通互聯(lián)，從而推動Gen-2 標準RFID產品在全球廣泛使用。
(2)無版權許可：Gen-2標準在制訂過程中，由BTG、
Alien和Matrics等60余家RFID公司簽署了EPCglobal無特權許可協(xié)議，鼓勵Gen-2標準的免版稅(Royalty Free)使用，這將有利于RFID產品的市場推廣。
(3)良好的安全性和隱私保護：安全和隱私一直是RFID產品所關注的問題之一。Gen-2標準采用了簡單的安全加密算法，保證在閱讀器讀取信息的過程中，不把敏感數(shù)據(jù)擴散出去。在隱私保護方面，Gen-2采用“滅活”(Kills)方式，即當標簽收到閱讀器的有效滅活指令后，標簽自行永久銷毀。
(4)更快的標簽閱讀速度：Gen-2標準采用基于概率/分槽(probabilistic/slotted)防沖突算法，能快速適應標簽數(shù)量的變化，在閱讀批量標簽時能避免重復閱讀。其標簽閱讀速度是第一代EPC標準的10倍，能夠滿足高速自動作業(yè)需要，適應大批量標簽閱讀應用場合。
(5)靈活的編碼空間：Gen-2標準采用16～496位可變長度EPC標識以及可選用戶存儲區(qū)工作方式，來滿足各種RFID應用對編碼和數(shù)據(jù)存儲的不同需要。
(6)適合標簽工作模式的無線接口：Gen-2標準采用了
適合標簽工作(注明標簽工作特點，是否指后向功率小，要求簡單)的數(shù)據(jù)編碼和調制方式，即前向鏈路(閱讀器到標簽)采用PIE(Pulse-Interval Encoding)ASK調制方式，反相散射鏈路(標簽到閱讀器)采用FM0/密列副載波調制方法。
2 關鍵技術及特點
CLASS-1/Gen-2標準采用物理層(Signaling)和標簽標識層兩層分層結構，如圖1所示。其中物理層主要涉及到RFID頻率、數(shù)據(jù)編碼方式、調制格式、RF包絡形狀及數(shù)據(jù)速率等問題；標簽標識層主要處理閱讀器讀寫標簽的各種指令。Gen-2標準的關鍵技術主要涉及數(shù)據(jù)編碼和調制方式、數(shù)據(jù)差錯控制編碼技術、數(shù)據(jù)加密以及防沖突算法等。下面分別介紹Gen-2標準所采用這幾項關鍵技術。
(1)PIE編碼
PIE編碼是Gen-2標準前向鏈路通信時采用的數(shù)據(jù)編碼方式。它通過脈沖間隔(Pulse Interval)的不同長度來區(qū)分數(shù)據(jù)0和1，且在任一符合數(shù)據(jù)的中間產生一次相位翻轉，如圖2所示。
PIE編碼的極性翻轉特性使得編碼數(shù)據(jù)可無二義性地進行譯碼，且物理上實現(xiàn)容易。標簽在接收到一個脈沖數(shù)據(jù)后，把此脈沖數(shù)據(jù)的寬度與參考脈沖寬度" title="脈沖寬度">脈沖寬度(參考脈沖寬度等于數(shù)據(jù)0與數(shù)據(jù)1脈沖寬度和的一半)進行比較，寬度大于參考脈沖寬度，判為1；脈沖寬度小于參考脈沖寬度判為0。該脈沖寬度判斷對標簽處理能力要求不高。
PIE編碼還帶有時鐘信息，在通信過程中，能較好地保持數(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)境下的可靠性。
(2)基帶FM0編碼
基帶FM0編碼是Gen-2標準反向鏈路通信時可選的兩種數(shù)據(jù)編碼方式之一。它采用雙相位空間編碼，在每一個符號邊界，信號相位必須發(fā)生翻轉。圖3顯示了基帶FM0編碼及狀態(tài)轉換圖。
圖3(a)中s1～s4代表4個不同相位的FM0函數(shù)波形。圖3(b)狀態(tài)轉換圖上的標記0和1表示編碼數(shù)據(jù)序列的邏輯值，也代表由此產生的FM0發(fā)射波形。狀態(tài)轉換圖映射發(fā)射邏輯數(shù)據(jù)序列時，F(xiàn)M0編碼間的轉換方向。由于FM0編碼序列選擇依賴于先前波形，因此FM0編碼需要存儲器來存儲前一編碼比特的波形。
(3)密列編碼調制副載波
密列編碼調制副載波(Miller-modulated subcarrier)也是Gen-2反向鏈路通信時可選的數(shù)據(jù)編碼方式之一。其基本信號波形和信號狀態(tài)圖與基帶FM0有些類似，如圖4所示。
基帶密列編碼不同于基帶FM0編碼之處是基帶密列編碼僅在二個連續(xù)符號0間才發(fā)生相位翻轉，其他數(shù)據(jù)符號組合(01/10/11)不發(fā)生相位翻轉，發(fā)射波形為基帶波形乘上M(M值由閱讀器指定，可以為2、4或者8)倍符號速率的方波信號。
密勒碼調制信號中帶有時鐘信息，具有較好的抗干擾能力。
(4)調制技術
Gen-2標準前向鏈路通信時采用雙邊帶/單邊帶/相位翻轉幅度鍵控方式(即DSB/SSB/PR ASK)，如圖5所示。
Gen-2標準反向鏈路采用后向散射(backscatter)幅度鍵控/相移鍵控(即ASK/PSK)。后向散射是通過芯片端口阻抗的變化因而改變天線的反射系數(shù)來實現(xiàn)的。
幅度鍵控的載波幅度受到數(shù)字數(shù)據(jù)的調制而取不同值，它采用包絡檢波，其實現(xiàn)簡單，適合電子標簽特點。相移鍵控用需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)值來調制載波相位，如用180相移表示1，用0相移表示0。相移鍵控調制技術抗干擾性能好，相位的變化可作為定時信息來同步發(fā)送機和接收機時鐘。
(5)差錯控制編碼技術
RFID工作在ISM頻段，各種無線干擾、電子標簽之間以及閱讀器之間的相互干擾影響RFID設備的正常工作，而電子標簽特點決定了不能采用比較復雜的前向糾錯編碼技術，作為折中，Gen-2標準采用了檢錯能力很強的循環(huán)冗余檢驗碼－CRC-16，其生成多項式為x16+x12+x5+1。
(6)數(shù)據(jù)加密
為防止在閱讀器讀取標簽信息的過程中，把敏感數(shù)據(jù)擴散出去，Gen-2標準采用了相對簡單的加密算法，該算法僅對閱讀器傳送到標簽的數(shù)據(jù)信息進行加密。其實現(xiàn)過程是閱讀器首先從標簽得到一個16位寬隨機數(shù)字，然后閱讀器把要傳送的16位寬數(shù)據(jù)與該隨機數(shù)逐位進行模2和計算得到密文，再發(fā)送此密文，最后標簽把接收到的密文與原16位隨機數(shù)字進行逐位模2和，解密獲得閱讀器發(fā)送的原始數(shù)據(jù)信息。
(7)概率/分槽防沖突算法
在RFID多電子標簽識別環(huán)境中，標簽間沖突是影響RFID系統(tǒng)標簽閱讀速度的一個重要因素。Gen-2標準采用了基于概率/分槽防沖突算法。該防沖突算法的實現(xiàn)與標簽ID內容無關。
在閱讀器開始進行一輪閱讀操作時，其閱讀標簽命令里有一個參數(shù)Q(Q取值范圍為1～15)，該參數(shù)控制標簽往各自的分槽計算器內載入一個隨機數(shù)(取值范圍0～2Q-1)。當標簽接收到閱讀器相關命令時，分槽計算器值減1，僅當標簽內分槽計數(shù)器值為0時，標簽才對閱讀器進行應答；當分槽計數(shù)器值不為0時，標簽不對閱讀器進行應答，而是根據(jù)閱讀器的不同命令，執(zhí)行分槽計數(shù)器值繼續(xù)減1操作，或者根據(jù)新的Q參數(shù)值來再次載入另一隨機數(shù)(該隨機數(shù)取值范圍必須同樣在0～2Q-1)。已經(jīng)閱讀成功的標簽，退出這輪標簽閱讀。當有二個或者多個標簽的分槽計算器值同時為0時，這些標簽會同時對閱讀器進行應答，從而造成沖突。閱讀器檢測到?jīng)_突發(fā)生后，發(fā)出相關命令，讓沖突標簽的分槽計數(shù)器值從0變到0xFFFF(16位二進制最大值)，繼續(xù)留在這輪閱讀周期內，以后閱讀器再通過設置新的Q參數(shù)來散列發(fā)生沖突的標簽。這個閱讀過程一直繼續(xù)下去，直到完成這輪閱讀周期。
在閱讀器命令參數(shù)Q的選擇上，Gen-2推薦了圖6的算法。圖中Qfp是參數(shù)Q的浮點表示，閱讀器對Qfp取整得到Q，標簽用Q作參數(shù)，在(0～2Q-1)取值范圍內，隨機散列分槽計數(shù)器值，以實現(xiàn)標簽的高效率讀取。圖中0.1＜C＜0.5，且Q較大時，C取較小值；而Q較小時，C取較大值。
EPC Gen-2標準采用了一系列適合標簽工作特點的關鍵技術，一方面減小了制作電子標簽掩模大小，降低了成本；另一方面提高了標簽閱讀速度，解決了RFID系統(tǒng)工作的效率和可靠性，從而提高了Gen-2標準RFID產品的整體性能。目前Gen-2標準正根據(jù)ISO標準組織要求，對標準進行調整，計劃在2006年中期成為ISO18000-6c標準組成部分。
參考文獻
1 游戰(zhàn)清， 李蘇劍. 無線射頻識別技術(RFID)理論與應用.北京：電子工業(yè)出版社，2004
2 EPCglobal. EPCglobalClass-1Generation-2UHFRFIDProtocol V109.pdf
3 ISO 18000-6.pdf
4 http://www.autoidlabs.com/whitepapers/mit-autoid-tr016.pdf