新一代超高频RFID无线接口标准EPC CLASS-1/Gen-2研究

　　无线射频标识RFID(Radio Frequency Identification)是一种非接触的自动标识技术，它利用射频信号和空间耦合来实现对物体的自动识别[1]。与条形码相比，RFID技术具有防水、防磁、使用寿命长、读取距离远、标签上数据可加密、存储数据容量大、存储信息更改方便等优点。相信RFID将给人类生活带来深刻变化。为了抢占市场并在市场竞争中立于优势地位，很多企业积极起草或者参与RFID标准的制定。

　　在RFID的众多相关标准中，无线接口标准是最核心的部分。无线接口标准主要定义电子标签和阅读器间互操作的物理层标准、抗冲突算法及协议参数等。RFID无线接口标准涉及到低频、高频、超高频和微波等多个频段，它们各有特色，其中超高频及微波RFID由于具有数据传输速率高、空中传输距离远等特点，广为关注。目前超高频及以上频段RFID无线接口标准主要有ISO组织制订的ISO18000-6A/B(采用860M～960MHz频段)、日本东京大学教授坂村健等提出的UID(Ubiquitous ID，泛在ID)RFID标准(采用2.45GHz频段)和EPCglobal组织制订的第一代EPC CLASS-0/1 RFID标准和第二代CLASS-1 RFID标准。在这几个无线接口规范中，第二代CLASS-1 RFID标准一方面吸收了ISO 18000-6等RFID标准成果，另一方面根据第一代EPC标准产品在市场应用中的反馈，进行了技术改进，性能比第一代RFID标准有了显著提高。其性能提高主要体现为兼容全球RFID频谱、具有良好的安全性和隐私保护、拥有更快的标签阅读速度以及适合标签工作模式的无线接口。EPCglobal组织于2004年12月16日批准了EPC CLASS-1/Gen-2 RFID标准。

　　下面简要介绍EPC第二代CLASS-1 RFID标准特点及其采用的核心技术。

　　1 EPC CLASS-1/Gen-2 RFID标准主要特点

　　EPC CLASS-1/Gen-2 RFID标准(简称Gen-2标准)采用开放的体系结构，得到众多欧美RFID企业支持。它充分考虑了标签低处理能力、低功耗和低成本要求，在射频频段选择、物理层数据编码及调制方式、防冲突算法、标签访问控制和隐私保护等技术方面采取了一系列改进，既提高了RFID产品的性能，又减少了制造电子标签所需掩模(die)大小(平均减少幅度为20%)，降低了电子标签的制造成本。Gen-2 RFID标准具有以下主要特点：

　　(1)兼容全球RFID频谱分布：Gen-2标准综合考虑了超高频RFID全球分布的无线频段，频谱较宽(860M～960MHz)，其中美国RFID频段为902M～938MHz，欧洲是868MHz，日本为950M～956MHz。标准要求，在全球RFID频段范围内(860M～960MHz)，Gen-2 RFID产品性能必须保持一致，保证Gen-2标准RFID设备间互通互联，从而推动Gen-2 标准RFID产品在全球广泛使用。

　　(2)无版权许可：Gen-2标准在制订过程中，由BTG、

　　Alien和Matrics等60余家RFID公司签署了EPCglobal无特权许可协议，鼓励Gen-2标准的免版税(Royalty Free)使用，这将有利于RFID产品的市场推广。

　　(3)良好的安全性和隐私保护：安全和隐私一直是RFID产品所关注的问题之一。Gen-2标准采用了简单的安全加密算法，保证在阅读器读取信息的过程中，不把敏感数据扩散出去。在隐私保护方面，Gen-2采用“灭活”(Kills)方式，即当标签收到阅读器的有效灭活指令后，标签自行永久销毁。

　　(4)更快的标签阅读速度：Gen-2标准采用基于概率/分槽(probabilistic/slotted)防冲突算法，能快速适应标签数量的变化，在阅读批量标签时能避免重复阅读。其标签阅读速度是第一代EPC标准的10倍，能够满足高速自动作业需要，适应大批量标签阅读应用场合。

　　(5)灵活的编码空间：Gen-2标准采用16～496位可变长度EPC标识以及可选用户存储区工作方式，来满足各种RFID应用对编码和数据存储的不同需要。

　　(6)适合标签工作模式的无线接口：Gen-2标准采用了

　　适合标签工作(注明标签工作特点，是否指后向功率小，要求简单)的数据编码和调制方式，即前向链路(阅读器到标签)采用PIE(Pulse-Interval Encoding)ASK调制方式，反相散射链路(标签到阅读器)采用FM0/密列副载波调制方法。

　　2 关键技术及特点

　　CLASS-1/Gen-2标准采用物理层(Signaling)和标签标识层两层分层结构，如图1所示。其中物理层主要涉及到RFID频率、数据编码方式、调制格式、RF包络形状及数据速率等问题;标签标识层主要处理阅读器读写标签的各种指令。Gen-2标准的关键技术主要涉及数据编码和调制方式、数据差错控制编码技术、数据加密以及防冲突算法等。下面分别介绍Gen-2标准所采用这几项关键技术。

　　(1)PIE编码

　　PIE编码是Gen-2标准前向链路通信时采用的数据编码方式。它通过脉冲间隔(Pulse Interval)的不同长度来区分数据0和1，且在任一符合数据的中间产生一次相位翻转，如图2所示。

　　PIE编码的极性翻转特性使得编码数据可无二义性地进行译码，且物理上实现容易。标签在接收到一个脉冲数据后，把此脉冲数据的宽度与参考脉冲宽度(参考脉冲宽度等于数据0与数据1脉冲宽度和的一半)进行比较，宽度大于参考脉冲宽度，判为1;脉冲宽度小于参考脉冲宽度判为0。该脉冲宽度判断对标签处理能力要求不高。

　　PIE编码还带有时钟信息，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下的可靠性。

　　(2)基带FM0编码

　　基带FM0编码是Gen-2标准反向链路通信时可选的两种数据编码方式之一。它采用双相位空间编码，在每一个符号边界，信号相位必须发生翻转。图3显示了基带FM0编码及状态转换图。

　　图3(a)中s1～s4代表4个不同相位的FM0函数波形。图3(b)状态转换图上的标记0和1表示编码数据序列的逻辑值，也代表由此产生的FM0发射波形。状态转换图映射发射逻辑数据序列时，FM0编码间的转换方向。由于FM0编码序列选择依赖于先前波形，因此FM0编码需要存储器来存储前一编码比特的波形。

　　(3)密列编码调制副载波

　　密列编码调制副载波(Miller-modulated subcarrier)也是Gen-2反向链路通信时可选的数据编码方式之一。其基本信号波形和信号状态图与基带FM0有些类似，如图4所示。

　　基带密列编码不同于基带FM0编码之处是基带密列编码仅在二个连续符号0间才发生相位翻转，其他数据符号组合(01/10/11)不发生相位翻转，发射波形为基带波形乘上M(M值由阅读器指定，可以为2、4或者8)倍符号速率的方波信号。

　　密勒码调制信号中带有时钟信息，具有较好的抗干扰能力。

　　(4)调制技术

　　Gen-2标准前向链路通信时采用双边带/单边带/相位翻转幅度键控方式(即DSB/SSB/PR ASK)，如图5所示。

　　Gen-2标准反向链路采用后向散射(backscatter)幅度键控/相移键控(即ASK/PSK)。后向散射是通过芯片端口阻抗的变化因而改变天线的反射系数来实现的。

　　幅度键控的载波幅度受到数字数据的调制而取不同值，它采用包络检波，其实现简单，适合电子标签特点。相移键控用需要传输的数据值来调制载波相位，如用180相移表示1，用0相移表示0。相移键控调制技术抗干扰性能好，相位的变化可作为定时信息来同步发送机和接收机时钟。

　　(5)差错控制编码技术

　　RFID工作在ISM频段，各种无线干扰、电子标签之间以及阅读器之间的相互干扰影响RFID设备的正常工作，而电子标签特点决定了不能采用比较复杂的前向纠错编码技术，作为折中，Gen-2标准采用了检错能力很强的循环冗余检验码-CRC-16，其生成多项式为x16+x12+x5+1。

　　(6)数据加密

　　为防止在阅读器读取标签信息的过程中，把敏感数据扩散出去，Gen-2标准采用了相对简单的加密算法，该算法仅对阅读器传送到标签的数据信息进行加密。其实现过程是阅读器首先从标签得到一个16位宽随机数字，然后阅读器把要传送的16位宽数据与该随机数逐位进行模2和计算得到密文，再发送此密文，最后标签把接收到的密文与原16位随机数字进行逐位模2和，解密获得阅读器发送的原始数据信息。

　　(7)概率/分槽防冲突算法

　　在RFID多电子标签识别环境中，标签间冲突是影响RFID系统标签阅读速度的一个重要因素。Gen-2标准采用了基于概率/分槽防冲突算法。该防冲突算法的实现与标签ID内容无关。

　　在阅读器开始进行一轮阅读操作时，其阅读标签命令里有一个参数Q(Q取值范围为1～15)，该参数控制标签往各自的分槽计算器内载入一个随机数(取值范围0～2Q-1)。当标签接收到阅读器相关命令时，分槽计算器值减1，仅当标签内分槽计数器值为0时，标签才对阅读器进行应答;当分槽计数器值不为0时，标签不对阅读器进行应答，而是根据阅读器的不同命令，执行分槽计数器值继续减1操作，或者根据新的Q参数值来再次载入另一随机数(该随机数取值范围必须同样在0～2Q-1)。已经阅读成功的标签，退出这轮标签阅读。当有二个或者多个标签的分槽计算器值同时为0时，这些标签会同时对阅读器进行应答，从而造成冲突。阅读器检测到冲突发生后，发出相关命令，让冲突标签的分槽计数器值从0变到0xFFFF(16位二进制最大值)，继续留在这轮阅读周期内，以后阅读器再通过设置新的Q参数来散列发生冲突的标签。这个阅读过程一直继续下去，直到完成这轮阅读周期。

　　在阅读器命令参数Q的选择上，Gen-2推荐了图6的算法。图中Qfp是参数Q的浮点表示，阅读器对Qfp取整得到Q，标签用Q作参数，在(0～2Q-1)取值范围内，随机散列分槽计数器值，以实现标签的高效率读取。图中0.1<C<0.5，且Q较大时，C取较小值；而Q较小时，C取较大值。

　　EPC Gen-2标准采用了一系列适合标签工作特点的关键技术，一方面减小了制作电子标签掩模大小，降低了成本;另一方面提高了标签阅读速度，解决了RFID系统工作的效率和可靠性，从而提高了Gen-2标准RFID产品的整体性能。目前Gen-2标准正根据ISO标准组织要求，对标准进行调整，计划在2006年中期成为ISO18000-6c标准组成部分。

　　参考文献

　　1 游战清， 李苏剑. 无线射频识别技术(RFID)理论与应用.北京：电子工业出版社，2004

　　2 EPCglobal. EPCglobalClass-1Generation-2UHFRFIDProtocol V109.pdf

　　3 ISO 18000-6.pdf

　　4 http://www.autoidlabs.com/whitepapers/mit-autoid-tr016.pdf