《无线射频识别技术与应用》课件第3章.ppt

1、第3章 RFID技术标准 3.1 全球三大全球三大RFID标准体系比较标准体系比较3.2 不同频率的电子标签与标准不同频率的电子标签与标准3.3 超高频超高频RFID 协议标准的发展与应用协议标准的发展与应用 3.1 全球三大全球三大RFID标准体系比较标准体系比较 图3-1 RFID系统关系图 1ISO制定的制定的RFID标准体系标准体系RFID系统与相应技术标准的关系图如图3-1所示。RFID标准化工作最早可以追溯到20世纪90年代，1995年国际标准化组织ISO/IEC联合技术委员会JTCl设立了子委员会SC31(以下简称SC31)，负责RFID标准化的研究工作。SC31委员会由来自各个

2、国家的代表组成，如英国的BSI IST34委员、欧洲的CEN TC225成员，他们既是各大公司内部的咨询者，也是不同公司利益的代表者。因此在RFID标准化的制定过程中，有企业、区域标准化组织和国家三个层次的利益代表者。SC31委员会制定的RFID标准可以分为四个方面：数据标准(如编码标准ISO/IEC 15691、数据协议ISO/IEC 15692、ISO/IEC 15693，它们解决了应用程序、电子标签和空中接口多样性的要求，提供了一套通用的通信机制)、空中接口标准(ISO/IEC 18000系列)、测试标准(性能测试标准ISO/IEC 18047和一致性测试标准ISO/IEC 18046)

3、、实时定位(TSO/IEC 24730系列应用接口与空中接口通信标准)方面的标准，它们之间的关系如图3-2所示。图3-2 RFID国际标准 图3-2中的标准涉及到电子标签、空中接口、测试标准、读卡器与到应用程序之间的数据协议，它们考虑的是所有应用领域的共性要求。ISO对于RFID的应用标准是由应用相关的子委员会制定的，如RFID在物流供应链领域中应用方面的标准由ISO TC 122104联合工作组负责制定，包括ISO 17358应用需求、ISO 17363货运集装箱、ISO 17364装载单元、ISO 17365运输单元、ISO 17366产品包装、ISO 17367产品标识；RFID在动物追

4、踪方面的标准由ISO TC23/SCl9来制定，包括ISO 11784/11785动物RFID畜牧业的应用。从ISO制定的RFID标准内容来说，RFID应用标准是在RFID编码、空中接口协议、读卡器协议等基础标准之上，针对不同的使用对象，确定了使用条件、标签尺寸、标签粘贴位置、数据内容格式、使用频段等方面特定应用要求的具体规范，同时也包括数据的完整性、人工识别等其他一些要求。RFID的通用标准为RFID标准提供了一个基本的框架，而应用标准是对它的补充和具体规定。RFID这一标准制定思想，既保证了RFID技术具有互通与互操作性，又兼顾了应用领域的特点，能够很好地满足应用领域的具体要求。2EPC

5、Global 与ISO通用性RFID标准相比，EPC global标准体系是面向物流供应链领域，可以看成是一个应用标准。EPC global的目标是解决供应链的透明性和追踪性，透明性和追踪性是指供应链各环节中所有合作伙伴都能够了解单件物品的相关信息，如位置、生产日期等信息。为此EPC global制定了EPC编码标准，它可以实现对所有物品提供单件唯一标识。此外，EPC global也制定了空中接口协议、读卡器协议，这些协议与ISO标准体系类似。在空中接口协议方面，目前EPC global的策略尽量与ISO兼容，如CiGen2 UHF RFID标准递交ISO将成为ISO 18000 6C标准，但

6、EPC global空中接口协议有其局限，如它仅仅关注860 MHz930 MHz频段。除信息采集外，EPC global非常强调供应链各方之间的信息共享，为此制定了信息共享的物联网相关标准，包括EPC中间件规范、对象名解析服务(Object Naming Service，ONS)、物理标记语言(Physical Markup Language，PML)。物联网系列标准是根据自身的特点参照因特网标准制定的，物联网是基于因特网的，与因特网具有良好的兼容性。物联网标准是EPC global所特有的，ISO仅仅考虑自动身份识别与数据采集的相关标准，但对数据采集以后如何处理、共享并没有作出规定。物联网

7、是未来的一个目标，对当前应用系统建设来说具有指导意义。3日本日本UID制定的制定的RFID标准体系标准体系日本UID制定RFID相关标准的思路类似于EPC global的，其目标也是构建一个完整的标准体系，即从编码体系、空中接口协议到泛在网络体系结构，但是每一个部分的具体内容存在差异。为了制定具有自主知识产权的RFID标准，日本UID在编码方面制定了uCode编码体系，它能够兼容日本已有的编码体系，同时也能兼容国际上其他的编码体系。此外在空中接口方面，日本UID积极参与ISO的标准制定工作，并尽量考虑与ISO的相关标准兼容；在信息共享方面，它主要依赖于泛在网络，泛在网络可以独立于因特网实现信息

8、的共享。泛在网络与EPC global的物联网还是有区别的，EPC采用业务链的方式，面向企业、面向产品信息的流动(物联网)，比较强调与互联网的结合；而UID采用扁平式信息采集分析方式，强调信息的获取与分析，比较强调前端的微型化与集成。4AIMglobalAIMglobal是全球自动识别组织。AIDC(Automatic Identification and Data Collection)组织原先制定通行全球的条形码标准，它于1999年另成立了AIM(Automatic Identification Manufacturers)组织，目的是推出RFID标准。AIM在全球有13个国家与地区性的分

9、支，且目前其全球会员数已超过1000个。5IP-XIP-X即南非、澳大利亚、瑞士等国的RFID标准组织，其标准主要在南非等国家推行。6ISO/IEC制定的制定的RFID标准体系中的主要标准标准体系中的主要标准(1)空中接口标准。空中接口标准体系定义了RFID不同频段的空中接口协议及相关参数，所涉及到的问题包括：时序系统、通信握手、数据帧、数据编码、数据完整性、多标签读写防冲突、干扰与抗干扰、识读率与误码率、数据的加密与安全性、读卡器与应用系统之间的接口等问题，以及读卡器与电子标签之间进行命令和数据双向交换的机制、电子标签与读卡器之间互操作性问题。(2)数据格式管理标准。数据格式管理是对编码、数

10、据载体、数据处理与交换的管理，而数据格式管理标准系统主要规范物品编码、编码解析和数据描述之间的关系。(3)信息安全标准。电子标签与读卡器之间、读卡器中间件之间、中间件与中间件之间以及RFID相关信息网络方面均需要相应的信息安全标准的支持。(4)测试标准。对于电子标签、读卡器、中间件，根据其通用产品规范制定测试标准；针对接口标准制定相应的一致性测试标准，这些标准包括编码一致性测试标准、电子标签测试标准、读卡器测试标准、空中接口一致性测试标准、产品性能测试标准、中间件测试标准。(5)网络服务规范。网络服务规范是完成有效、可靠通信的一套规则，它是任何一个网络的基础，它包括物品注册、编码解析、检索与定

11、位服务等。(6)应用标准。RFID技术标准包括基础性标准和通用性标准以及针对事务对象的应用标准，如动物识别、集装箱识别、身份识别、交通运输、军事物流、供应链管理等。7三大标准体系空中接口协议的比较三大标准体系空中接口协议的比较目前，ISO/IEC 18000、EPC global、日本UID三个空中接口协议正在完善中，这三个标准相互之间并不兼容，它们的主要差别在通信方式、防冲突协议和数据格式这三个方面，在技术上差距并不大。这三个标准都按照RFID的工作频率分为多个部分，在这些频段中，以13.56 MHz频段的产品最为成熟，处于860 MHz960 MHz内的超高频段的产品因为工作距离远且最可能

12、成为全球通用的频段而最受重视，发展也最快。ISO/IEC 18000标准是最早开始制定的关于RFID的国际标准，它按频段被划分为七个部分，目前支持ISO/IEC 18000标准的RFID产品最多。EPC global是由UCC和EAN两大组织联合成立的，并吸收了麻省理工Auto ID中心的研究成果后推出的系列标准草案。EPC global最重视超高频段的RFID产品，也极力推广基于EPC编码标准的RFID产品。目前，EPC global标准的推广和发展十分迅速，许多大公司如沃尔玛等都是EPC标准的支持者。日本的UID一直致力于本国标准的RFID产品的开发和推广，拒绝采用美国的EPC编码标准。与

13、美国大力发展超高频段RFID不同的是，日本对2.4 GHz微波频段的RFID似乎更加青睐，目前日本已经开始了许多2.4 GHz RFID产品的实验和推广工作。EPC globol与日本UID标准体系的主要区别：一是编码标准不同，EPC global使用EPC编码，代码为96位；日本UID使用uCode编码，代码为128位；使用uCode的好处在于能够继续使用在流通领域中常用的“JAN代码”等现有的代码体系。uCode使用UID中心制定的标识符对代码种类进行识别，例如，若希望在特定的企业和商品中使用JAN代码时，在IC标签代码中写入表示“正在使用JAN代码”的标识符即可。同样，在uCode中还可

14、以使用EPC。二是根据IC标签代码检索商品详细信息的功能上有区别，EPC global标准的最大前提条件是经过网络，而UID中心还设想了离线使用的标准功能。Auto ID中心和UID中心在使用互联网进行信息检索的功能方面基本相同。UID中心使用名为“读卡器”的装置，将所读取到的IC标签代码发送到数据检索系统中，数据检索系统通过互联网访问UID中心的“地址解决服务器”来识别代码，如果是JAN代码，就会使用JAN代码开发商-流通系统开发中心的服务器信息，检索企业和商品的基本信息，然后再由符合条件的企业的商品信息服务器中得到生产地址和流通渠道等详细信息。除此之外，UID中心还设想了不通过互联网就能够

15、检索商品详细信息的功能。具体来说就是利用具备便携信息终端(PDA)的高性能读卡器，预先把商品详细信息保存到读卡器中，即便不接入互联网，也能够了解到与读卡器中IC标签代码相关的商品的详细信息。UID中心认为：“如果必须随时接入互联网才能得到相关的信息，那么其方便性就会降低。如果最多只限定两万种商品的话，将所需信息保存到PDA中就可以了。”EPC global与日本UID标准体系的第三个区别是日本的电子标签采用的频段为2.45 GHz和13.56 MHz，而欧美的EPC标准采用超高频段，例如902 MHz928 MHz。此外，日本的电子标签标准可用于库存管理、信息发送和接收以及产品和零部件的跟踪管

16、理等，而EPC标准更侧重于物流管理、库存管理等。3.2 不同频率的电子标签与标准不同频率的电子标签与标准1低频标签与标准低频标签与标准低频段电子标签简称为低频标签，其工作频率范围为30 kHz300 kHz，典型的工作频率为125 kHz、133 kHz。低频标签一般为被动标签，其电能通过电感耦合方式从读卡器天线的辐射近场中获得。与读卡器之间传送数据时，低频标签须位于读卡器天线辐射的近场区内，其阅读距离一般情况下小于1.2 m。低频标签的典型应用有：动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗(带有内置应答器的汽车钥匙)等。与低频标签相关的国际标准有：ISO 11784/11785(用于动物识别

17、)、ISO 18000-2(125 kHz135 kHz)。2中频标签与标准中频标签与标准中高频段电子标签的工作频率一般为3MHz30MHz，其典型的工作频率为13.56 MHz。中高频段的电子标签，从射频识别应用角度来说，因其工作原理与低频标签的完全相同，即采用电感耦合方式工作，所以宜将其归为低频标签类中；另一方面，根据无线电频率的一般划分，其工作频段又称为高频，所以也常将其称为高频标签。鉴于中高频段的电子标签可能是实际应用中最大量的一种电子标签，因而将高、低理解成为一个相对的概念，即不会在此造成理解上的混乱，但为了便于叙述，将其称为中频标签。中频标签可方便地做成卡状，其典型应用包括电子车票

18、、电子身份证、电子闭锁防盗(电子遥控门锁控制器)等；相关的国际标准有ISO 14443、ISO 15693、ISO 18000-3.1、ISO 18000-3.2(13.56 MHz)等。中频标准的基本特点与低频标准的相似，由于相应的RFID系统工作频率的提高，可以选用较高的数据传输速率。中频标签天线的设计相对简单，标签一般制成标准卡片形状。3超高频标签与标准超高频标签与标准超高频与微波频段的电子标签简称为超高频电子标签，其典型的工作频率为433.92 MHz、862(902)MHz928 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz。超高频电子标签可分为有源标签(主动方式、半被动方式)与无源标签

19、(被动方式)两类。工作时，电子标签位于读卡器天线辐射场的远场区内，电子标签与读卡器之间的耦合方式为电磁耦合。读卡器天线辐射场为无源标签提供射频能量，将有源标签(半被动方式)唤醒。相应的射频识别系统的阅读距离一般大于1 m，典型情况为4 m6 m，最大可达10 m。读卡器天线一般均为定向天线，只有在读卡器天线定向波束范围内的电子标签可被读/写。以目前的技术水平来说，无源微波电子标签比较成功的产品相对集中在902 MHz928 MHz 工作频段上，2.45 GHz 和5.8 GHz 射频识别系统多以半无源微波电子标签(半被动方式)产品面世。半无源标签一般采用钮扣电池供电，具有较远的阅读距离。超高频

20、电子标签的典型特点主要集中在是否无源、无线读写距离、是否支持多标签读写、是否适合高速识别应用、读卡器的发射功率容限、电子标签及读卡器的价格等方面。典型的微波电子标签的识读距离为3 m5 m，个别有达10 m或10 m以上。对于可无线写的电子标签而言，通常情况下，写入距离要小于识读距离，其原因在于写入要求更大的能量。超高频电子标签的典型应用包括移动车辆识别、电子身份证、仓储物流应用、电子闭锁防盗(电子遥控门锁控制器)等，相关的国际标准有ISO 10374、ISO 18000-4(2.45 GHz)、ISO 18000-5(5.8 GHz)、ISO 18000-6(860 MHz930 MHz)、

21、ISO 18000-7(433.92 MHz)，ANSINCITS256-1999 等。4常用的中频电子标签对比常用的中频电子标签对比在13.56 MHz 的中频电子标签中，最常用的有两种，即接触式的ISO 14443 和近距非接触式的ISO 15693。在我国第二代身份证和公交卡中，广泛使用的是ISO 14443标准的接触式RFID；在图书馆中，广泛使用的是ISO 15693 标准的近距非接触式的RFID。公交卡中采用接触式的RFID，是因为如果采用近距式的，天线可能对靠近它而不准备登车的卡产生误检测，并进行扣钱处理，而采取接触式就能对公交卡一个一个进行检测和扣钱处理，不会把附近的卡误处理。

22、以13.56 MHz交变信号为载波频率的标准主要有ISO 14443和ISO 15693标准。由于ISO 15693读写距离较远(这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，更符合小区门禁系统对识别距离的要求，因此小区门禁系统应选择ISO 14443标准。ISO 14443标准定义了TypeA、TypeB两种类型协议，通信速率为106 kb/s。两种协议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，TypeA采用改进的Miller编码方式，调制深度为100的ASK信号；TypeB则采用NRZ编码方式，调制深度为10%的ASK信号；从PI

23、CC向PCD传送信号时，两者均通过调制载波传送信号，副载波频率皆为847 kHz。TypeA采用开关键控(On-Off Keying)的Manchester编码；TypeB采用NRZ-L的BPSK编码。与TypeA相比，TypeB具有传输能量不中断、速率更高、抗干扰能力更强的优点。表表3-1 ISO 14443和和ISO 15693对比对比 3.3 超高频超高频RFID 协议标准的发展与应用协议标准的发展与应用1超高频超高频RFID协议标准协议标准1)第一代超高频RFID 协议标准(Gen 1协议标准)目前已经推出的第一代超高频RFID协议标准有：EPC Tag Data Standard 1

24、.1、EPC Tag Data Standard 1.3.1、EPC Tag Data Transtation 1.0 等。美国的MIT实验室自动化识别系统中心(Auto-ID)建立了产品电子代码管理中心网络，并推出第一代超高频RFID协议标准：0类、1类。ISO 18000-6 标准是ISO(国际标准化组织)和IEC(国际电工技术委员会)共同制定的860 MHz960 MHz的空中接口RFID通信协议标准，其中的A类和B类是第一代标准。2)第二代超高频第二代超高频RFID协议标准协议标准(Gen 2协议标准协议标准)Auto-ID在2003年就开始研究第二代超高频RFID 协议标准，到200

25、4年末，Auto-ID的全球电子产品码管理中心(EPC global)推出了更广泛适用的超高频RFID协议标准版本ISO 18000-6C，但直到2006年才被批准为第一个全球第二代超高频RFID标准协议。Gen 2 协议标准解决了第一代部署中出现的问题。因Gen 2协议标准适合于全球使用，ISO组织接受了ISO/IEC 18000-6空中接口协议的修改版本C版本。事实上，由于Gen 2协议标准有很强的协同性，因此从Gen 1协议标准到Gen 2协议标准的升级是从区域版本到全球版本的一次转移。第二代超高频RFID协议标准的设计改进了ISO 18000-6 超高频空中接口协议标准和第一代EPC

26、超高频协议标准，弥补了第一代超高频协议标准的一些缺点，同时增加了一些新的安全技术。2Gen 2协议标准的安全漏洞协议标准的安全漏洞Gen 2协议标准具有更大的存储空间、更快的阅读速度、更好的降低噪声易感性；Gen 2 协议标准采用更安全的密码保护机制3，它的32位密码保护也比Gen 1协议标准的8位密码安全；Gen 2协议标准采用了读卡器永远锁住电子标签内存并启用密码保护阅读的技术。EPC global和ISO标准组织还考虑了使用者和应用层次上的隐私保护问题。如果要避免通信渠道被偷听造成的隐私侵害或信息泄露,就需要关注安全漏洞在关键随机原始码的定义与管理。但是，Gen 2协议标准还没有解决覆盖

27、编码的随机数交换、电子标签可能被复制等一些关键问题。对于研究人员来说，最大的挑战是防止射频中的信息偷窃和偷听行为。很多RFID 协议标准在解决无线连接下通信的安全和可信赖问题时，却受到电子标签处理能力小、内存小、能量少等问题的困扰。虽然为确保电子标签在各种威胁条件下的阅读可靠性和安全性，Gen 2协议标准里采用了很多安全技术，但仍存在安全漏洞。3Gen 2协议标准的一些技术改进协议标准的一些技术改进1)操作的灵活性Gen 2协议标准的频率在860 MHz960 MHz之间，覆盖了所有的国际频段，因而遵守ISO 18000-6C协议标准的电子标签在这个区间内的性能不会下降；Gen 2协议标准提供

28、了欧洲使用的865 MHz868 MHz 频段、美国使用的902 MHz928 MHz 频段。因此，ISO 18000-6C协议标准是一个真正灵活的全球Gen 2协议标准。2)鲁棒防冲突算法Gen 1协议标准要求RFID读卡器只识别序列号唯一的电子标签，如果两个电子标签的序列号相同，它们将拒绝阅读，但Gen 2协议标准可同时识别两个或更多相同序列号的电子标签。Gen 2协议标准采用了时隙随机防冲突算法，当载有随机(或伪随机)数的电子标签进入槽计数器时，根据读卡器的命令槽计数器会相应的减少或增加，直到槽计数器为0时电子标签回答读卡器。Gen 2协议标准的电子标签使用了不同的Aloha算法(也称为

29、著名的Aloha槽)实现反向散射，Gen 1协议标准和ISO协议标准也使用了这种算法，但Gen 2协议标准在查询命令中引入一个Q参数。读卡器能从015之间选出一个Q参数对防冲突结果进行微调。例如，读卡器在阅读多个电子标签的同时也发出Q参数(初始值为0)的查询命令，那么Q值的不断增加将会处理多个电子标签的回答，但也会减少多次回答的机会。如果电子标签没有给读卡器响应，Q值的减少同时也会增加电子标签的回答机会。这种独特的通信序列使得反冲突算法更具鲁棒性，因此当读卡器与某些电子标签进行对话时，其他电子标签将不可能进行干扰。3)读取率和向后兼容性的改进读取率和向后兼容性的改进Gen 2协议标准的一个特点

30、是读取率的多样性，它读取的最小值是40 kb/s，高端应用的最大值是640 kb/s，这个数据范围的一个好处是向后兼容性，即读卡器更新到Gen 2协议标准只需要一个固件的升级，而不是任意固件都要升级。Gen 1协议标准中的0类与1类协议标准的数据读取速率分别被限制在80 kb/s 和140 kb/s，由于读取速率低，很多商业应用都使用基于微控制器的低成本读卡器，而不是使用基于数字信号处理器或高技术微处理控制器的读卡器。为享受Gen 2协议标准的真正好处,厂商就会为更高的数据读取率去优化他们的产品,这无疑需要硬件升级。一个理想的适应性产品是使最终用户根据不同的应用从读取率的最低值到最高值间任意挑

31、选。无论是传送带上物品的快速阅读还是在嘈杂昏暗环境下的低速密集阅读,Gen 2协议标准的电子标签数据读取率都比Gen 1协议标准的快3倍8倍。4)会话的使用在任意给定时间与不同给定预期下，Gen 1协议标准不支持一组电子标签与给定电子标签群间的通信，例如，在Gen 1协议标准中为避免对一个电子标签的多次阅读，读卡器在阅读完成后给电子标签一个睡眠命令。如果别处的另一个读卡器靠近它，并在这个区域寻找特定项目时，就不得不调用和唤醒所有的电子标签。这种情况下将中断发出睡眠命令读卡器的计数，强迫读卡器重新开始计数。Gen 2协议标准在读取电子标签时使用了会话概念，两个或更多的读卡器能使用会话方式分别与一

32、个共同的电子标签群进行通信。5)密集阅读条件的使用除使用会话进行数据处理外，Gen 2协议标准的阅读工作还可以在密集条件下进行，即Gen 2协议标准可以克服Gen 1协议标准中存在的阅读冲突状态，它通过分割频谱为多个通道来克服这个限制，使得读卡器工作时不能相互干涉或违反安全问题。6)使用查询命令改进Ghost阅读阅读慢和阅读距离短限制了RFID技术的发展，Gen 2协议标准对此做了改进，其主要处理方法是Ghost阅读。Ghost阅读是Gen 2协议标准为保证电子标签序列号合法性、没有来自环境的噪声、没有由硬件引起的小故障引入的机制，它利用一个信号处理器处理电子标签序列号的噪声。因为Gen 2协

33、议标准是基于查询的，所以读卡器不能创造任何Ghost序列号，也就很容易地探测和排除电子标签的整合型攻击。7)覆盖编码(Cover Coding)覆盖编码是在不安全通信连接下为减少偷听威胁而隐匿数据的一项技术。在开放环境下使用所有数据既不安全也不好实现。假如攻击者能偷听会话的一方(读卡器到电子标签)但不能偷听到另一方(电子标签到读卡器)，Gen 2协议标准使用覆盖编码去阅读/写入电子标签内存,从而实现数据安全传输。RFID 的应用越来越广,目前应用最多的是Gen 1协议标准电子标签。Gen 1协议标准电子标签的主要应用领域有物流、零售、制造业、服装业、身份识别、图书馆、交通等，但应用中的突出问题

34、主要有价格问题、隐私问题、安全问题等。随着国际通用的Gen 2协议标准的出台，Gen 2协议标准电子标签的应用将会越来越多。目前，Gen 2协议标准电子标签已有了一些应用案例，例如基于Gen 2协议标准的电子医疗系统，充分利用了Gen 2协议标准的灵活性、可测量性、更高的智能性18。超高频Gen 2协议标准电子标签由于具有一次性读取多个电子标签、识别距离远、传送数据速度快、安全性高、可靠性和寿命高、耐受户外恶劣环境等特点，因此得到了世界各国的重视和欧美大企业的青睐。在我国，随着经济的高速发展和运用信息技术提高企业效益的形势推动,政府也提出大力发展物联网产业，加之电子标签价格逐年下降，这也将极大地促进超高频Gen 2协议标准电子标签的使用和推广。