RFID前端技術標準體系簡述

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：中科院自動化所RFID研究中心   人氣： 發表時間：2011年11月05日

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發文機關：中科院自動化所RFID研究中心

正 文：     RFID技術具有很多突出的優點:實現了無源和免接觸操作，應用便利，無機械磨損，壽命長，機具無直接對最終用戶開放的物理接口，能更好地保證機具的安全性；數據安全方面除標簽的密碼保護外，數據部分可用一些算法實現安全管理，如DES、RSA、DSA、MD5等，讀寫機具與卡之間也可相互認證，實現安全通信和存儲；總體成本一直處于下降之中，越來越接近接觸式IC卡的成本，甚至更低，為其大量應用奠定了基礎；應用領域也非常寬，RFID技術已經在物流管理、生產線工位識別、綠色畜牧業養殖個體記錄跟蹤、汽車安全控制、身份證、公交等領域大量成功應用。          世界排名第一的零售商沃爾瑪在2003年宣布，到2005年1月份時要求它前100大的供應商采用RFID技術，實現貨品自動識別，以繼續提高其供應鏈的管理能力。這也威脅到我國的零售商是否能繼續銷售自己的產品，因為有70%的貨品都是由中國廠商生產的，可見RFID識別技術的發展已經自下而上地被推動。          另外，還有諸如Target、Tesco、FDA等也宣布了其使用計劃。          RFID推廣受標準問題困擾          目前，世界一些知名公司各自推出了自己的很多標準，這些標準互不兼容，表現在頻段和數據格式上的差異，這也給RFID的大范圍應用帶來了困難。          目前全球有兩大RFID標準陣營：歐美的Auto-ID Center與日本的Ubiquitous ID Center（UID）。前者的領導組織是美國的EPC環球協會，旗下有沃爾瑪集團、英國Tesco等企業，同時有IBM、微軟、飛利浦、Auto-ID Lab等公司提供技術支持。后者主要由日系廠商組成。          歐美的EPC標準采用UHF頻段，為860MHz～930MHz，日本RFID標準采用的頻段為2.45GHz和13.56MHz；日本標準電子標簽的信息位數為128位，EPC標準的位數則為96位。          將RFID應用到供應鏈中還存在另外一些需要解決的問題，如讀寫設備的可靠性、成本、數據的安全性、個人隱私的保護和與系統相關的網絡的可靠性、數據的同步等等，不解決好以上問題，肯定會制約RFID的進步，不過最近RFID相關的高層會議接連不斷，RFID技術的快速發展已呈燎原之勢。          RFID技術標準面面觀          通常情況下，RFID閱讀器發送的頻率稱為RFID系統的工作頻率或載波頻率。RFID載波頻率基本上有3個范圍：低頻(30kHz～300kHz)、高頻(3MHz～30MHz)和超高頻(300MHz～3GHz)。常見的工作頻率有低頻125kHz與134.2kHz、高頻13.56MHz、超高頻433Mhz、860MHz～930MHz、2.45GHz等。          RFID的低頻系統主要用于短距離、低成本的應用中，如多數的門禁控制、校園卡、煤氣表、水表等；高頻系統則用于需傳送大量數據的應用系統；超高頻系統應用于需要較長的讀寫距離和高讀寫速度的場合，其天線波束方向較窄且價格較高，在火車監控、高速公路收費等系統中應用。另外值得一提的是在供應鏈中的應用，EPC Global規定用于EPC的載波頻率為13.56MHz和860MHz～930MHz兩個頻段，其中13.56MHz頻率采用的標準原型是ISO/IEC15693，已經收入到ISO/IEC18000-3中。這個頻點的應用已經非常成熟。          而860～930MHz頻段的應用則較復雜，國際上各國家采用的頻率不同：美國為915MHz，歐洲為869MHz，而我國由于被GSM、CDMA等占用，目前仍然待定。          目前常用的RFID國際標準主要有用于對動物識別的ISO 11784和11785，用于非接觸智能卡的ISO 10536(Close coupled cards)、ISO 15693(Vicinity cards)、ISO 14443 (Proximity cards)，用于集裝箱識別的ISO 10374等。有些標準正在形成和完善之中，比如用于供應鏈的ISO 18000無源超高頻（860Mhz～930Mhz載波頻率）部分的C1G2標準不久會正式推出，我國自己的國家標準最快在今年年末會出臺。下面對這幾個標準加以簡述。          ISO 11784和ISO 11785          ISO 11784和11785分別規定了動物識別的代碼結構和技術準則，標準中沒有對應答器樣式尺寸加以規定，因此可以設計成適合于所涉及的動物的各種形式，如玻璃管狀、耳標或項圈等。          代碼結構為64位，如表1所示。其中的27至64位可由各個國家自行定義。               技術準則規定了應答器的數據傳輸方法和閱讀器規范。工作頻率為134.2KHz，數據傳輸方式有全雙工和半雙工兩種，閱讀器數據以差分雙相代碼表示。應答器采用FSK調制，NRZ編碼。          由于存在較長的應答器充電時間和工作頻率的限制，通信速率較低。          ISO 10536、ISO 15693和          ISO 14443          ISO 10536標準主要發展于1992到1995年間，由于這種卡的成本高，與接觸式IC卡相比優點很少，因此這種卡從未在市場上銷售。          ISO 14443和ISO 15693標準在1995年開始操作，單個系統于1999年進入市場，兩項標準的完成則是在2000年之后。二者皆以13.56MHz交變信號為載波頻率：ISO15693讀寫距離較遠，當然這也與應用系統的天線形狀和發射功率有關；而ISO 14443 讀寫距離稍近，但應用較廣泛，目前的第二代電子身份證采用的標準是ISO 14443 TYPE B協議。          ISO14443定義了TYPE A、TYPE B兩種類型協議。通信速率為106kbits/s，它們的不同主要在于載波的調制深度及位的編碼方式。          從PCD向PICC傳送信號時，TYPE A采用改進的Miller編碼方式，調制深度為100%的ASK信號；TYPE B則采用NRZ編碼方式，調制深度為10%的ASK信號。          從PICC向PCD傳送信號時，二者均通過調制載波傳送信號,副載波頻率皆為847KHz。TYPE A采用開關鍵控（On-Off keying）的Manchester編碼；TYPE B采用NRZ-L的BPSK編碼。          TYPE B與TYPE A相比，由于調制深度和編碼方式的不同，具有傳輸能量不中斷、速率更高、抗干擾能力更強的優點。          ISO 15693標準規定的載波頻率亦為13.56MHz，VCD和VICC全部都用ASK調制原理，調制深度為10%和100%，VICC必須對兩種調制深度正確解碼。          從VCD向VICC傳送信號時，編碼方式為兩種：“256出1”和“4出1”。二者皆以固定時間段內以位置編碼。這兩種編碼方式的選擇與調制深度無關。當“256出1”編碼時，10%的ASK調制優先在長距離模式中使用，在這種組合中，與載波信號的場強相比，調制波邊帶較低的場強允許充分利用許可的磁場強度對IC卡提供能量。與此相反，閱讀器的“4出1”編碼可和100%的ASK調制的組合在作用距離變短或在閱讀器的附近被屏蔽時使用。          從VICC向VCD傳送信號時，用負載調制副載波。電阻或電容調制阻抗在副載波頻率的時鐘中接通和斷開。而副載波本身在Manchester編碼數據流的時鐘中進行調制，使用ASK或FSK調制。調制方法的選擇是由閱讀器發送的傳輸協議中FLAG字節的標記位來標明，因此，VICC總是支持兩種方法：ASK(副載波頻率為424KHz)和FSK(副載波頻率為424/484KHz）。數據傳輸速率的選擇同樣由FLAG中的位來表明，而且必須兩種速率都支持：高速和低速。這兩種速率根據采用的副載波速率不同而略有不同，采用單副載波時低速為6.62kbits/s，高速為26.48kbits/s；采用雙副載波時則分別為6.67kbits/s和26.69kbits/s。          可見，ISO 15693應用更加靈活，操作距離又遠，更重要的是它與ISO 18000-3兼容，了解ISO 15693標準對將來了解我國的國家標準是有助益的，因為我國的國家標準肯定會與ISO 18000大部分兼容。          如果在同一時間段內有多于一個的VICC或PICC同時響應，則說明發生沖撞。RFID的核心是防沖撞技術，這也是和接觸式IC卡的主要區別。ISO 14443-3規定了TYPE A和TYPE B的防沖撞機制。二者防沖撞機制的原理不同:前者是基于位沖撞檢測協議，而TYPE B通過系列命令序列完成防沖撞；ISO 15693 采用輪尋機制、分時查詢的方式完成防沖撞機制，在標準的第三部分有詳細規定。          防沖撞機制使得同時處于讀寫區內的多張卡的正確操作成為可能，只用算法編程，讀頭即可自動選取其中一張卡進行讀寫操作。這樣既方便了操作，也提高了操作的速度。          如果與硬件配合，可用一些算法快速實現多卡識別，比如TI公司的R6C接口芯片有一個解碼出錯指示引腳，利用它可以快速識別多卡：當沖撞產生時引腳電平發生變化，此時記錄下用來查詢的低UID位，然后在此低位基礎上增加查詢位數，直到沒有沖撞發生，這樣就可以識別出所有卡片。          ISO 10374          ISO 10374標準說明了基于微波應答器的集裝箱自動識別系統。          應答器為有源設備，工作頻率為850MHz～950Mhz及2.4GHz～2.5GHz。只要應答器處于此場內就會被活化并采用變形的FSK副載波通過反向散射調制做出應答。信號在兩個副載波頻率40kHz和20kHz之間被調制。          此標準和ISO 6346共同應用于集裝箱的識別，ISO 6346規定了光學識別，ISO 10374則用微波的方式來表征光學識別的信息。          ISO 18000          ISO 18000是一系列標準。此標準是目前最新的也是最熱門的標準，原因是它可用于商品的供應鏈，其中的部分標準也正在形成之中。表2是ISO 18000標準的內容。               其中ISO 18000-6基本上是整合了一些現有RFID廠商的產品規格和EAN-UCC所提出的標簽架構要求而訂出的規范。它只規定了空氣接口協議，對數據內容和數據結構無限制，因此可用于EPC。          實際上，若采用ISO 18000-6對空氣接口的規定加上EPC系統的編碼結構再加上ONS架構，就可以構成一個完整的供應鏈標準。          花好還需綠葉扶          應用好RFID技術，除了接口的設計，還有天線的設計、數據庫管理技術等，這在以后的實際應用中會不斷地積累經驗，不斷地改進創新。因為這項技術的應用前景決定了它的技術和標準的日臻完善。近年來，射頻識別已經逐步發展成為一個獨立的跨學科的專業領域，這個領域與其他傳統學科不同，它將大量來自完全不同專業領域的技術綜合到一起：如高頻技術、電磁兼容性、半導體技術、數據保護和密碼學、電信、制造技術和許多專業領域。所以在這個領域要做的事很多，要探討的問題也很多，但這一切都是值得努力去做的。          小資料2:數字調制技術          數字調制是指用數字數據調制模擬信號，主要有三種形式：移幅鍵控法ASK、移頻鍵控法FSK、移相鍵控法PSK。          幅度鍵控（ASK）：即按載波的幅度受到數字數據的調制而取不同的值，例如對應二進制0，載波振幅為0；對應二進制1，載波振幅為1。調幅技術實現起來簡單，但容易受增益變化的影響，是一種低效的調制技術。在電話線路上，通常只能達到1200bps的速率。               頻移鍵控（FSK）：即按數字數據的值（0或1）調制載波的頻率。例如對應二進制0的載波頻率為F1，而對應二進制1的載波頻率為F2。該技術抗干擾性能好，但占用帶寬較大。在電話線路上，使用FSK可以實現全雙工操作，通?？蛇_到1200bps的速率。               相移鍵控（PSK）：即按數字數據的值調制載波相位。例如用180相移表示1，用0相移表示0。這種調制技術抗干擾性能最好，且相位的變化也可以作為定時信息來同步發送機和接收機的時鐘，并對傳輸速率起到加倍的作用。