RFID前端技术标准体系简述

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发文机关：中科院自动化所RFID研究中心


正文： RFID技术具有很多突出的优点:实现了无源和免接触操作，应用便利，无机械磨损，寿命长，机具无直接对最终用户开放的物理接口，能更好地保证机具的安全性；数据安全方面除标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理，如DES、RSA、DSA、MD5等，读写机具与卡之间也可相互认证，实现安全通信和存储；总体成本一直处于下降之中，越来越接近接触式IC卡的成本，甚至更低，为其大量应用奠定了基础；应用领域也非常宽，RFID技术已经在物流管理、生产线工位识别、绿色畜牧业养殖个体记录跟踪、汽车安全控制、身份证、公交等领域大量成功应用。世界排名第一的零售商沃尔玛在2003年宣布，到2005年1月份时要求它前100大的供应商采用RFID技术，实现货品自动识别，以继续提高其供应链的管理能力。这也威胁到我国的零售商是否能继续销售自己的产品，因为有70%的货品都是由中国厂商生产的，可见RFID识别技术的发展已经自下而上地被推动。另外，还有诸如Target、Tesco、FDA等也宣布了其使用计划。 RFID推广受标准问题困扰目前，世界一些知名公司各自推出了自己的很多标准，这些标准互不兼容，表现在频段和数据格式上的差异，这也给RFID的大范围应用带来了困难。目前全球有两大RFID标准阵营：欧美的Auto-ID Center与日本的Ubiquitous ID Center（UID）。前者的领导组织是美国的EPC环球协会，旗下有沃尔玛集团、英国Tesco等企业，同时有IBM、微软、飞利浦、Auto-ID Lab等公司提供技术支持。后者主要由日系厂商组成。欧美的EPC标准采用UHF频段，为860MHz～930MHz，日本RFID标准采用的频段为2.45GHz和13.56MHz；日本标准电子标签的信息位数为128位，EPC标准的位数则为96位。将RFID应用到供应链中还存在另外一些需要解决的问题，如读写设备的可靠性、成本、数据的安全性、个人隐私的保护和与系统相关的网络的可靠性、数据的同步等等，不解决好以上问题，肯定会制约RFID的进步，不过最近RFID相关的高层会议接连不断，RFID技术的快速发展已呈燎原之势。 RFID技术标准面面观通常情况下，RFID阅读器发送的频率称为RFID系统的工作频率或载波频率。RFID载波频率基本上有3个范围：低频(30kHz～300kHz)、高频(3MHz～30MHz)和超高频(300MHz～3GHz)。常见的工作频率有低频125kHz与134.2kHz、高频13.56MHz、超高频433Mhz、860MHz～930MHz、2.45GHz等。 RFID的低频系统主要用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、校园卡、煤气表、水表等；高频系统则用于需传送大量数据的应用系统；超高频系统应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，其天线波束方向较窄且价格较高，在火车监控、高速公路收费等系统中应用。另外值得一提的是在供应链中的应用，EPC Global规定用于EPC的载波频率为13.56MHz和860MHz～930MHz两个频段，其中13.56MHz频率采用的标准原型是ISO/IEC15693，已经收入到ISO/IEC18000-3中。这个频点的应用已经非常成熟。而860～930MHz频段的应用则较复杂，国际上各国家采用的频率不同：美国为915MHz，欧洲为869MHz，而我国由于被GSM、CDMA等占用，目前仍然待定。目前常用的RFID国际标准主要有用于对动物识别的ISO 11784和11785，用于非接触智能卡的ISO 10536(Close coupled cards)、ISO 15693(Vicinity cards)、ISO 14443 (Proximity cards)，用于集装箱识别的ISO 10374等。有些标准正在形成和完善之中，比如用于供应链的ISO 18000无源超高频（860Mhz～930Mhz载波频率）部分的C1G2标准不久会正式推出，我国自己的国家标准最快在今年年末会出台。下面对这几个标准加以简述。 ISO 11784和ISO 11785 ISO 11784和11785分别规定了动物识别的代码结构和技术准则，标准中没有对应答器样式尺寸加以规定，因此可以设计成适合于所涉及的动物的各种形式，如玻璃管状、耳标或项圈等。代码结构为64位，如表1所示。其中的27至64位可由各个国家自行定义。技术准则规定了应答器的数据传输方法和阅读器规范。工作频率为134.2KHz，数据传输方式有全双工和半双工两种，阅读器数据以差分双相代码表示。应答器采用FSK调制，NRZ编码。由于存在较长的应答器充电时间和工作频率的限制，通信速率较低。 ISO 10536、ISO 15693和 ISO 14443 ISO 10536标准主要发展于1992到1995年间，由于这种卡的成本高，与接触式IC卡相比优点很少，因此这种卡从未在市场上销售。 ISO 14443和ISO 15693标准在1995年开始操作，单个系统于1999年进入市场，两项标准的完成则是在2000年之后。二者皆以13.56MHz交变信号为载波频率：ISO15693读写距离较远，当然这也与应用系统的天线形状和发射功率有关；而ISO 14443 读写距离稍近，但应用较广泛，目前的第二代电子身份证采用的标准是ISO 14443 TYPE B协议。 ISO14443定义了TYPE A、TYPE B两种类型协议。通信速率为106kbits/s，它们的不同主要在于载波的调制深度及位的编码方式。从PCD向PICC传送信号时，TYPE A采用改进的Miller编码方式，调制深度为100%的ASK信号；TYPE B则采用NRZ编码方式，调制深度为10%的ASK信号。从PICC向PCD传送信号时，二者均通过调制载波传送信号,副载波频率皆为847KHz。TYPE A采用开关键控（On-Off keying）的Manchester编码；TYPE B采用NRZ-L的BPSK编码。 TYPE B与TYPE A相比，由于调制深度和编码方式的不同，具有传输能量不中断、速率更高、抗干扰能力更强的优点。 ISO 15693标准规定的载波频率亦为13.56MHz，VCD和VICC全部都用ASK调制原理，调制深度为10%和100%，VICC必须对两种调制深度正确解码。从VCD向VICC传送信号时，编码方式为两种：“256出1”和“4出1”。二者皆以固定时间段内以位置编码。这两种编码方式的选择与调制深度无关。当“256出1”编码时，10%的ASK调制优先在长距离模式中使用，在这种组合中，与载波信号的场强相比，调制波边带较低的场强允许充分利用许可的磁场强度对IC卡提供能量。与此相反，阅读器的“4出1”编码可和100%的ASK调制的组合在作用距离变短或在阅读器的附近被屏蔽时使用。从VICC向VCD传送信号时，用负载调制副载波。电阻或电容调制阻抗在副载波频率的时钟中接通和断开。而副载波本身在Manchester编码数据流的时钟中进行调制，使用ASK或FSK调制。调制方法的选择是由阅读器发送的传输协议中FLAG字节的标记位来标明，因此，VICC总是支持两种方法：ASK(副载波频率为424KHz)和FSK(副载波频率为424/484KHz）。数据传输速率的选择同样由FLAG中的位来表明，而且必须两种速率都支持：高速和低速。这两种速率根据采用的副载波速率不同而略有不同，采用单副载波时低速为6.62kbits/s，高速为26.48kbits/s；采用双副载波时则分别为6.67kbits/s和26.69kbits/s。可见，ISO 15693应用更加灵活，操作距离又远，更重要的是它与ISO 18000-3兼容，了解ISO 15693标准对将来了解我国的国家标准是有助益的，因为我国的国家标准肯定会与ISO 18000大部分兼容。如果在同一时间段内有多于一个的VICC或PICC同时响应，则说明发生冲撞。RFID的核心是防冲撞技术，这也是和接触式IC卡的主要区别。ISO 14443-3规定了TYPE A和TYPE B的防冲撞机制。二者防冲撞机制的原理不同:前者是基于位冲撞检测协议，而TYPE B通过系列命令序列完成防冲撞；ISO 15693 采用轮寻机制、分时查询的方式完成防冲撞机制，在标准的第三部分有详细规定。防冲撞机制使得同时处于读写区内的多张卡的正确操作成为可能，只用算法编程，读头即可自动选取其中一张卡进行读写操作。这样既方便了操作，也提高了操作的速度。如果与硬件配合，可用一些算法快速实现多卡识别，比如TI公司的R6C接口芯片有一个解码出错指示引脚，利用它可以快速识别多卡：当冲撞产生时引脚电平发生变化，此时记录下用来查询的低UID位，然后在此低位基础上增加查询位数，直到没有冲撞发生，这样就可以识别出所有卡片。 ISO 10374 ISO 10374标准说明了基于微波应答器的集装箱自动识别系统。应答器为有源设备，工作频率为850MHz～950Mhz及2.4GHz～2.5GHz。只要应答器处于此场内就会被活化并采用变形的FSK副载波通过反向散射调制做出应答。信号在两个副载波频率40kHz和20kHz之间被调制。此标准和ISO 6346共同应用于集装箱的识别，ISO 6346规定了光学识别，ISO 10374则用微波的方式来表征光学识别的信息。 ISO 18000 ISO 18000是一系列标准。此标准是目前最新的也是最热门的标准，原因是它可用于商品的供应链，其中的部分标准也正在形成之中。表2是ISO 18000标准的内容。其中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。它只规定了空气接口协议，对数据内容和数据结构无限制，因此可用于EPC。实际上，若采用ISO 18000-6对空气接口的规定加上EPC系统的编码结构再加上ONS架构，就可以构成一个完整的供应链标准。花好还需绿叶扶应用好RFID技术，除了接口的设计，还有天线的设计、数据库管理技术等，这在以后的实际应用中会不断地积累经验，不断地改进创新。因为这项技术的应用前景决定了它的技术和标准的日臻完善。近年来，射频识别已经逐步发展成为一个独立的跨学科的专业领域，这个领域与其他传统学科不同，它将大量来自完全不同专业领域的技术综合到一起：如高频技术、电磁兼容性、半导体技术、数据保护和密码学、电信、制造技术和许多专业领域。所以在这个领域要做的事很多，要探讨的问题也很多，但这一切都是值得努力去做的。小资料2:数字调制技术数字调制是指用数字数据调制模拟信号，主要有三种形式：移幅键控法ASK、移频键控法FSK、移相键控法PSK。幅度键控（ASK）：即按载波的幅度受到数字数据的调制而取不同的值，例如对应二进制0，载波振幅为0；对应二进制1，载波振幅为1。调幅技术实现起来简单，但容易受增益变化的影响，是一种低效的调制技术。在电话线路上，通常只能达到1200bps的速率。频移键控（FSK）：即按数字数据的值（0或1）调制载波的频率。例如对应二进制0的载波频率为F1，而对应二进制1的载波频率为F2。该技术抗干扰性能好，但占用带宽较大。在电话线路上，使用FSK可以实现全双工操作，通常可达到1200bps的速率。相移键控（PSK）：即按数字数据的值调制载波相位。例如用180相移表示1，用0相移表示0。这种调制技术抗干扰性能最好，且相位的变化也可以作为定时信息来同步发送机和接收机的时钟，并对传输速率起到加倍的作用。