摘 要： 介紹了EPC CLASS-1/Gen-2 RFID標(biāo)準(zhǔn)所采用的關(guān)鍵技術(shù)及其特點(diǎn)。作為第二代得到廣泛廠商支持的RFID標(biāo)準(zhǔn)，Gen-2標(biāo)準(zhǔn)吸收了其他RFID相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的最新成果，在射頻頻段選擇、物理層數(shù)據(jù)編碼技術(shù)" title="編碼技術(shù)">編碼技術(shù)及調(diào)制方式、防沖突算法" title="防沖突算法">防沖突算法、標(biāo)簽訪問控制和隱私保護(hù)" title="隱私保護(hù)">隱私保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行了改進(jìn)，以適應(yīng)標(biāo)簽低處理能力、低功耗和低成本的要求，使得Gen-2標(biāo)準(zhǔn)在性能上比第一代EPC RFID標(biāo)準(zhǔn)有了顯著提高。
關(guān)鍵詞： RFID標(biāo)準(zhǔn) EPC CLASS-1/Gen-2 防沖突算法
無線射頻標(biāo)識RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸的自動(dòng)標(biāo)識技術(shù)，它利用射頻信號和空間耦合來實(shí)現(xiàn)對物體的自動(dòng)識別[1]。與條形碼相比，RFID技術(shù)具有防水、防磁、使用壽命長、讀取距離遠(yuǎn)、標(biāo)簽上數(shù)據(jù)可加密、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量大、存儲(chǔ)信息更改方便等優(yōu)點(diǎn)。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(biāo)準(zhǔn)的制定。
在RFID的眾多相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，無線接口標(biāo)準(zhǔn)" title="無線接口標(biāo)準(zhǔn)">無線接口標(biāo)準(zhǔn)是最核心的部分。無線接口標(biāo)準(zhǔn)主要定義電子標(biāo)簽和閱讀器間互操作的物理層標(biāo)準(zhǔn)、抗沖突算法及協(xié)議參數(shù)等。RFID無線接口標(biāo)準(zhǔn)涉及到低頻、高頻、超高頻和微波等多個(gè)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(yuǎn)等特點(diǎn)，廣為關(guān)注。目前超高頻及以上頻段RFID無線接口標(biāo)準(zhǔn)主要有ISO組織制訂的ISO18000－6A/B(采用860M～960MHz頻段)、日本東京大學(xué)教授坂村健等提出的UID(Ubiquitous ID，泛在ID)RFID標(biāo)準(zhǔn)(采用2.45GHz頻段)和EPCglobal組織制訂的第一代EPC CLASS-0/1 RFID標(biāo)準(zhǔn)和第二代CLASS-1 RFID標(biāo)準(zhǔn)。在這幾個(gè)無線接口規(guī)范中，第二代CLASS-1 RFID標(biāo)準(zhǔn)一方面吸收了ISO 18000-6等RFID標(biāo)準(zhǔn)成果，另一方面根據(jù)第一代EPC標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品在市場應(yīng)用中的反饋，進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，性能比第一代RFID標(biāo)準(zhǔn)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(hù)、擁有更快的標(biāo)簽閱讀速度以及適合標(biāo)簽工作模式的無線接口。EPCglobal組織于2004年12月16日批準(zhǔn)了EPC CLASS-1/Gen-2 RFID標(biāo)準(zhǔn)。
下面簡要介紹EPC第二代CLASS-1 RFID標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)及其采用的核心技術(shù)。
1 EPC CLASS-1/Gen-2 RFID標(biāo)準(zhǔn)主要特點(diǎn)
EPC CLASS-1/Gen-2 RFID標(biāo)準(zhǔn)(簡稱Gen-2標(biāo)準(zhǔn))采用開放的體系結(jié)構(gòu)，得到眾多歐美RFID企業(yè)支持。它充分考慮了標(biāo)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(diào)制方式、防沖突算法、標(biāo)簽訪問控制和隱私保護(hù)等技術(shù)方面采取了一系列改進(jìn)，既提高了RFID產(chǎn)品的性能，又減少了制造電子標(biāo)簽所需掩模(die)大小(平均減少幅度為20％)，降低了電子標(biāo)簽的制造成本。Gen-2 RFID標(biāo)準(zhǔn)具有以下主要特點(diǎn)：
(1)兼容全球RFID頻譜分布：Gen-2標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)要求，在全球RFID頻段范圍內(nèi)(860M～960MHz)，Gen-2 RFID產(chǎn)品性能必須保持一致，保證Gen-2標(biāo)準(zhǔn)RFID設(shè)備間互通互聯(lián)，從而推動(dòng)Gen-2 標(biāo)準(zhǔn)RFID產(chǎn)品在全球廣泛使用。
(2)無版權(quán)許可：Gen-2標(biāo)準(zhǔn)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(quán)許可協(xié)議，鼓勵(lì)Gen-2標(biāo)準(zhǔn)的免版稅(Royalty Free)使用，這將有利于RFID產(chǎn)品的市場推廣。
(3)良好的安全性和隱私保護(hù)：安全和隱私一直是RFID產(chǎn)品所關(guān)注的問題之一。Gen-2標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)散出去。在隱私保護(hù)方面，Gen-2采用“滅活”(Kills)方式，即當(dāng)標(biāo)簽收到閱讀器的有效滅活指令后，標(biāo)簽自行永久銷毀。
(4)更快的標(biāo)簽閱讀速度：Gen-2標(biāo)準(zhǔn)采用基于概率/分槽(probabilistic/slotted)防沖突算法，能快速適應(yīng)標(biāo)簽數(shù)量的變化，在閱讀批量標(biāo)簽時(shí)能避免重復(fù)閱讀。其標(biāo)簽閱讀速度是第一代EPC標(biāo)準(zhǔn)的10倍，能夠滿足高速自動(dòng)作業(yè)需要，適應(yīng)大批量標(biāo)簽閱讀應(yīng)用場合。
(5)靈活的編碼空間：Gen-2標(biāo)準(zhǔn)采用16～496位可變長度EPC標(biāo)識以及可選用戶存儲(chǔ)區(qū)工作方式，來滿足各種RFID應(yīng)用對編碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的不同需要。
(6)適合標(biāo)簽工作模式的無線接口：Gen-2標(biāo)準(zhǔn)采用了
適合標(biāo)簽工作(注明標(biāo)簽工作特點(diǎn)，是否指后向功率小，要求簡單)的數(shù)據(jù)編碼和調(diào)制方式，即前向鏈路(閱讀器到標(biāo)簽)采用PIE(Pulse-Interval Encoding)ASK調(diào)制方式，反相散射鏈路(標(biāo)簽到閱讀器)采用FM0/密列副載波調(diào)制方法。
2 關(guān)鍵技術(shù)及特點(diǎn)
CLASS-1/Gen-2標(biāo)準(zhǔn)采用物理層(Signaling)和標(biāo)簽標(biāo)識層兩層分層結(jié)構(gòu)，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(diào)制格式、RF包絡(luò)形狀及數(shù)據(jù)速率等問題；標(biāo)簽標(biāo)識層主要處理閱讀器讀寫標(biāo)簽的各種指令。Gen-2標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)主要涉及數(shù)據(jù)編碼和調(diào)制方式、數(shù)據(jù)差錯(cuò)控制編碼技術(shù)、數(shù)據(jù)加密以及防沖突算法等。下面分別介紹Gen-2標(biāo)準(zhǔn)所采用這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
(1)PIE編碼
PIE編碼是Gen-2標(biāo)準(zhǔn)前向鏈路通信時(shí)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?jǐn)?shù)據(jù)0和1，且在任一符合數(shù)據(jù)的中間產(chǎn)生一次相位翻轉(zhuǎn)，如圖2所示。
PIE編碼的極性翻轉(zhuǎn)特性使得編碼數(shù)據(jù)可無二義性地進(jìn)行譯碼，且物理上實(shí)現(xiàn)容易。標(biāo)簽在接收到一個(gè)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(jìn)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(biāo)簽處理能力要求不高。
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)境下的可靠性。
(2)基帶FM0編碼
基帶FM0編碼是Gen-2標(biāo)準(zhǔn)反向鏈路通信時(shí)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(gè)符號邊界，信號相位必須發(fā)生翻轉(zhuǎn)。圖3顯示了基帶FM0編碼及狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。
圖3(a)中s1～s4代表4個(gè)不同相位的FM0函數(shù)波形。圖3(b)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖上的標(biāo)記0和1表示編碼數(shù)據(jù)序列的邏輯值，也代表由此產(chǎn)生的FM0發(fā)射波形。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖映射發(fā)射邏輯數(shù)據(jù)序列時(shí)，F(xiàn)M0編碼間的轉(zhuǎn)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(chǔ)器來存儲(chǔ)前一編碼比特的波形。
(3)密列編碼調(diào)制副載波
密列編碼調(diào)制副載波(Miller-modulated subcarrier)也是Gen-2反向鏈路通信時(shí)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(gè)連續(xù)符號0間才發(fā)生相位翻轉(zhuǎn)，其他數(shù)據(jù)符號組合(01/10/11)不發(fā)生相位翻轉(zhuǎn)，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(diào)制信號中帶有時(shí)鐘信息，具有較好的抗干擾能力。
(4)調(diào)制技術(shù)
Gen-2標(biāo)準(zhǔn)前向鏈路通信時(shí)采用雙邊帶/單邊帶/相位翻轉(zhuǎn)幅度鍵控方式(即DSB/SSB/PR ASK)，如圖5所示。
Gen-2標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)的。
幅度鍵控的載波幅度受到數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制而取不同值，它采用包絡(luò)檢波，其實(shí)現(xiàn)簡單，適合電子標(biāo)簽特點(diǎn)。相移鍵控用需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)值來調(diào)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(diào)制技術(shù)抗干擾性能好，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。
(5)差錯(cuò)控制編碼技術(shù)
RFID工作在ISM頻段，各種無線干擾、電子標(biāo)簽之間以及閱讀器之間的相互干擾影響RFID設(shè)備的正常工作，而電子標(biāo)簽特點(diǎn)決定了不能采用比較復(fù)雜的前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)，作為折中，Gen-2標(biāo)準(zhǔn)采用了檢錯(cuò)能力很強(qiáng)的循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼－CRC-16，其生成多項(xiàng)式為x16+x12+x5+1。
(6)數(shù)據(jù)加密
為防止在閱讀器讀取標(biāo)簽信息的過程中，把敏感數(shù)據(jù)擴(kuò)散出去，Gen-2標(biāo)準(zhǔn)采用了相對簡單的加密算法，該算法僅對閱讀器傳送到標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加密。其實(shí)現(xiàn)過程是閱讀器首先從標(biāo)簽得到一個(gè)16位寬隨機(jī)數(shù)字，然后閱讀器把要傳送的16位寬數(shù)據(jù)與該隨機(jī)數(shù)逐位進(jìn)行模2和計(jì)算得到密文，再發(fā)送此密文，最后標(biāo)簽把接收到的密文與原16位隨機(jī)數(shù)字進(jìn)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(biāo)簽識別環(huán)境中，標(biāo)簽間沖突是影響RFID系統(tǒng)標(biāo)簽閱讀速度的一個(gè)重要因素。Gen-2標(biāo)準(zhǔn)采用了基于概率/分槽防沖突算法。該防沖突算法的實(shí)現(xiàn)與標(biāo)簽ID內(nèi)容無關(guān)。
在閱讀器開始進(jìn)行一輪閱讀操作時(shí)，其閱讀標(biāo)簽命令里有一個(gè)參數(shù)Q(Q取值范圍為1～15)，該參數(shù)控制標(biāo)簽往各自的分槽計(jì)算器內(nèi)載入一個(gè)隨機(jī)數(shù)(取值范圍0～2Q-1)。當(dāng)標(biāo)簽接收到閱讀器相關(guān)命令時(shí)，分槽計(jì)算器值減1，僅當(dāng)標(biāo)簽內(nèi)分槽計(jì)數(shù)器值為0時(shí)，標(biāo)簽才對閱讀器進(jìn)行應(yīng)答；當(dāng)分槽計(jì)數(shù)器值不為0時(shí)，標(biāo)簽不對閱讀器進(jìn)行應(yīng)答，而是根據(jù)閱讀器的不同命令，執(zhí)行分槽計(jì)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(jī)數(shù)(該隨機(jī)數(shù)取值范圍必須同樣在0～2Q-1)。已經(jīng)閱讀成功的標(biāo)簽，退出這輪標(biāo)簽閱讀。當(dāng)有二個(gè)或者多個(gè)標(biāo)簽的分槽計(jì)算器值同時(shí)為0時(shí)，這些標(biāo)簽會(huì)同時(shí)對閱讀器進(jìn)行應(yīng)答，從而造成沖突。閱讀器檢測到?jīng)_突發(fā)生后，發(fā)出相關(guān)命令，讓沖突標(biāo)簽的分槽計(jì)數(shù)器值從0變到0xFFFF(16位二進(jìn)制最大值)，繼續(xù)留在這輪閱讀周期內(nèi)，以后閱讀器再通過設(shè)置新的Q參數(shù)來散列發(fā)生沖突的標(biāo)簽。這個(gè)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(diǎn)表示，閱讀器對Qfp取整得到Q，標(biāo)簽用Q作參數(shù)，在(0～2Q-1)取值范圍內(nèi)，隨機(jī)散列分槽計(jì)數(shù)器值，以實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的高效率讀取。圖中0.1＜C＜0.5，且Q較大時(shí)，C取較小值；而Q較小時(shí)，C取較大值。
EPC Gen-2標(biāo)準(zhǔn)采用了一系列適合標(biāo)簽工作特點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，一方面減小了制作電子標(biāo)簽掩模大小，降低了成本；另一方面提高了標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)RFID產(chǎn)品的整體性能。目前Gen-2標(biāo)準(zhǔn)正根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)組織要求，對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，計(jì)劃在2006年中期成為ISO18000-6c標(biāo)準(zhǔn)組成部分。
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