RFID干貨專欄概述

經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，每年的出貨量達到了200億的級別。在這個過程中，中國逐步成為超高頻RFID標簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國，在國家對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應用和整個生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內(nèi)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

為了填補這方面的空缺，甘泉老師花費數(shù)年之功，撰寫的新書《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應用》正式出版發(fā)布，本書對UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場應用進行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿滿！RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號特設(shè)專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。

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3.4國標超高頻 RFID協(xié)議

3.4.1 國標協(xié)議的歷史背景

超高頻RFID在全球的高速發(fā)展，帶來了大量的創(chuàng)新應用。然而超高頻RFID的主流協(xié)議EPC C1 Gen2和相關(guān)專利都掌握在美國企業(yè)手中。由于我國的一些超高頻 RFID應用涉及到軍用和安全領(lǐng)域，因此迫切需要一個自主知識產(chǎn)權(quán)的超高頻RFID協(xié)議標準，GB/T29768-2013應運而生。

該協(xié)議的全稱為《信息技術(shù)射頻識別 800/900 MHz 空中接口協(xié)議》英文名為《Informationtechnology——Radio Frequency identification——Air interface protocol at 800/900MHz》。協(xié)議的籌備工作始于2012年，經(jīng)過全國的超高頻 RFID相關(guān)企業(yè)和單位的拼搏努力編撰完成，其中包含了多個業(yè)內(nèi)公司的核心專利共享以及行業(yè)人士的全力奉獻。最終于2013年9月18日發(fā)布，2014年5月1日實施。

本標準起草單位:中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學、工業(yè)和信息化部電子工業(yè)標準化研究院、北京中電華大設(shè)計有限責任公司、天津中興智聯(lián)科技有限公司、睿芯聯(lián)科(北京)電子科技有限公司、西安西電捷通無線網(wǎng)絡(luò)通信股份有限公司、深圳市遠望谷信息技術(shù)股份有限公司、國家無線電監(jiān)測中心、北京航空航天大學、上海聚星儀器有限公司、北京同方微電子有限公司、西安電子科技大學、中國物品編碼中心、上海坤銳電子科技有限公司。

本標準主要起草人:李建成、耿力、高林、王宏義、馮敬、楊青、谷曉忱、沈紅偉、王立、管超、曹軍、王政、杜志強、蘭天、宋繼偉、金倩、王文峰、夏娣娜、劉文莉、曹國順、鄭黎明、吳建飛、李聰、張兵兵、馮漢炯、宋起柱、張有光、陳柯、吳行軍、劉偉峰、王毅、李卓凡、喬申杰、朱正。

3.4.2 GB/T 29768國標協(xié)議詳細內(nèi)容

GB/T 29768中有大量內(nèi)容，本節(jié)主要針對有特色的部分以及與Gen2協(xié)議差異較大的部分進行詳解。國標協(xié)議中的創(chuàng)新部分為：閱讀器的編碼方式、多標簽碰撞算法、安全加密機制。

01、工作頻率

閱讀器工作頻率為840MHz～845 MHz和920MHz～925 MHz，頻帶內(nèi)共40個信道，每信道帶寬為250kHz，其信道中心頻率fc表達為

fc=840.125+0.25n或fc=920.125+0.25n （3-9）

式中——fc：信道中心頻率，單位為兆赫（MHz）；

N：整數(shù)，取值范圍為0～19。

02、跳頻（FHSS）參數(shù)

該標準規(guī)范了跳頻的頻點數(shù)量以及駐留時間，駐留時間不可以超過2s。閱讀器使用FHSS通信時，應使用式（3-9）中工作頻率規(guī)定的40個信道，每信道的最大駐留時間為2s。在一般的系統(tǒng)中，一般駐留時間都是小于1s的，從而保障更多的信道被釋放和充分利用。

03、鄰信道功率泄露比

如圖3-19所示閱讀器的鄰信道功率泄漏比，其主要目的是限制閱讀器工作時，對附近信道的干擾。

圖3-19閱讀器的鄰信道功率泄漏比

閱讀器在發(fā)射信道R的功率P(R)和其他信道S的功率P(S)的比值應滿足下述規(guī)定：

當∣R-S∣=1時，10 lg(P(S)/P(R))<-40 dB；

當∣R-S∣>1時，10 lg(P(S)/P(R))<-60 dB。

對于左右相鄰的兩個信道，其輸出信號的抑制要求超過40dB；對于除相鄰信道之外的帶內(nèi)信道，其抑制超過60dB。國標中鄰信道功率泄漏要求比FCC苛刻一些，目的是為了保障多閱讀器場景中的系統(tǒng)靈敏度和穩(wěn)定性。

04、數(shù)據(jù)編碼

閱讀器使用如圖3-20所示的TPP對基帶數(shù)據(jù)進行編碼。符號00的持續(xù)時間為2Tc，符號01的持續(xù)時間為3Tc，符號11的持續(xù)時間為4Tc，符號10的持續(xù)時間為5Tc，四種符號的長度允差均為±1%。Tc可以取6.25μs或者12.5μs，長度允差為±1%，閱讀器應在一個盤點循環(huán)內(nèi)使用固定的Tc。當數(shù)據(jù)包的長度為奇數(shù)時，則最后一位補0后再進行編碼。

圖3-20 TPP符號

TPP編碼與Gen2采用PIE編碼非常相似，只是從1比特編碼變成2比特編碼，從2種符號變?yōu)?種符號。

在超高頻 RFID系統(tǒng)中采用TPP編碼可以比PIE編碼提供更多的正電平載波，也就是說標簽工作時接收到更多的能量，靈敏度會更高。通過計算和實測，在相同標簽芯片整流電路系統(tǒng)下，采用TPP編碼可以提高0.1dB的靈敏度。

05、反向鏈路頻率

反向鏈路頻率由啟動查詢命令中的反向鏈路速率因子數(shù)據(jù)域決定，可按照式（3-10）計算反向鏈路頻率值，反向鏈路頻率具體值見表3-16。

BLF=1/Tpri=320kHz×K            （3-10）

式中——K：反向鏈路速率因子。

表3-16反向鏈路速率

從表3-16中可以看出，GB29768協(xié)議中的反向鏈路頻率固定8種，與Gen2協(xié)議的多種連續(xù)可選不同。在實際應用中這8種鏈路速率已經(jīng)足夠，再配合FM0/Miller的4組編碼可實現(xiàn)32種組合，足夠應對所有場景。

06、多標簽算法

多標簽的防碰撞使用DDS-BT機制，如圖3-21所示。在該機制中，標簽時隙計數(shù)器初始值置為0，根據(jù)后續(xù)命令逐步調(diào)整時隙計數(shù)器，當時隙計數(shù)器為0時，標簽從仲裁狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到應答狀態(tài)，開始響應閱讀器：

當標簽無回復時：

1. 在閱讀器無法接收到標簽回復的時候，首先判斷是否結(jié)束盤點，如果判據(jù)為真，則認為盤點結(jié)束，結(jié)束的判斷方法為閱讀器設(shè)置盤點結(jié)束閾值。閱讀器發(fā)送啟動查詢命令時，將盤點結(jié)束閾值置為2；閱讀器發(fā)送分裂位置為0的分裂命令時，盤點結(jié)束閾值加1；閱讀器發(fā)送重復查詢命令時，盤點結(jié)束閾值減1；閱讀器發(fā)送分散命令時，盤點結(jié)束閾值乘以2后加1；閱讀器發(fā)送收縮命令時，盤點結(jié)束閾值除以2后取整；閱讀器發(fā)送其他命令時，盤點結(jié)束閾值不變。如果盤點結(jié)束閾值為0，則閱讀器認為盤點結(jié)束；

2. 如果不結(jié)束盤點，需要判斷連續(xù)空閑時隙的次數(shù)是否達到CIN（連續(xù)空閑閾值，典型值為4）。如果連續(xù)空閑時隙的次數(shù)不小于CIN，則發(fā)送收縮命令，所有仲裁和應答狀態(tài)的標簽時隙計數(shù)器值除以2取整；

3. 如果連續(xù)空閑時隙的次數(shù)小于CIN，且上一時隙閱讀器發(fā)送的是分裂命令，閱讀器發(fā)送分裂位置為“1”的分裂命令，所有時隙計數(shù)器值為1的標簽分裂；

4. 如果連續(xù)空閑時隙的次數(shù)小于CIN，且上一時隙閱讀器發(fā)送的不是分裂命令，則閱讀器發(fā)送重復查詢命令，所有仲裁和應答狀態(tài)的標簽時隙計數(shù)器值減1。

當標簽正確回復時：

閱讀器接收到標簽正確回復的RN11+CRC5，閱讀器發(fā)送編碼獲取命令, 標簽發(fā)送安全模式、編碼長度和編碼并跳轉(zhuǎn)到確認狀態(tài)。

當標簽發(fā)生碰撞時：

1. 當閱讀器接收到多個標簽碰撞信號的時候，需要判斷連續(xù)碰撞時隙的次數(shù)是否達到CCN；

2. 如果連續(xù)碰撞時隙的次數(shù)小于CCN（連續(xù)碰撞閾值，典型值為3），則發(fā)送分裂位置為0的分裂命令，處于應答狀態(tài)的標簽分裂，仲裁狀態(tài)的標簽時隙計數(shù)器加1；

3. 如果連續(xù)碰撞時隙的次數(shù)不小于CCN，則發(fā)送分散命令，所有應答和仲裁狀態(tài)的標簽時隙計數(shù)器的值乘以2之后加上1位隨機數(shù)。

圖3-21多標簽防碰撞處理流程圖

DDS-BT機制的多標簽算法與Gen2的協(xié)議不同，不需要用戶再對算法進行二次開發(fā)和優(yōu)化，在標準中已經(jīng)規(guī)定了所有的算法和策略，對于普通開發(fā)者來說是很大的福利。從系統(tǒng)復雜度看，國標的多標簽算法比Gen2協(xié)議的復雜一些，閱讀器的判斷流程也復雜一些，不過這些復雜度對于閱讀器和標簽的實現(xiàn)與Gen2協(xié)議幾乎沒有差別。從多標簽識別數(shù)量上進行對比：采用DDS-BT 機制的多標簽算法的隨機數(shù)只有11位，而Gen2具有16位隨機數(shù)，在場內(nèi)標簽數(shù)量巨大時，Gen2具有優(yōu)勢。從多標簽識別速度進行對比：在Gen2采用較高的多標簽策略時，兩種的多標簽識別效率相差無幾。

07、安全鑒別協(xié)議

安全鑒別協(xié)議是國標超高頻RFID創(chuàng)新出來的，Gen2協(xié)議中沒有相關(guān)內(nèi)容。安全鑒別協(xié)議的目的是保證通信連接的閱讀器和標簽的身份是安全的，協(xié)議中共存在三種鑒別方式，分別是標簽對閱讀器的單向鑒別協(xié)議、閱讀器對標簽的單向鑒別協(xié)議和雙向鑒別協(xié)議。在鑒別過程中的加密算法協(xié)議中提供了最簡單的異或加密算法或用戶可以采用自建的對稱加密算法，如現(xiàn)在的電子車牌和軍隊應用都是采用了SM7（商用加密7號算法）作為系統(tǒng)的鑒別對稱加密算法。

閱讀器和標簽的對稱加密雙向鑒別協(xié)議流程見圖3-22：

1. 閱讀器發(fā)送安全參數(shù)獲取命令；

2. 標簽發(fā)送安全參數(shù)；

3. 閱讀器用根密鑰RK和TID生成鑒別密鑰AK，發(fā)送請求鑒別命令Req_SAuth；

4. 標簽生成隨機數(shù)RNt 發(fā)送給閱讀器；

5. 閱讀器生成隨機數(shù)RNr 和會話密鑰SK，用AK加密RNr║RNt║SK得到EAK(RNr║RNt║SK)，發(fā)送雙向鑒別命令Mul_SAuth(RNt║EAK(RNr║RNt║SK))；

6. 標簽首先判斷收到的RNt 是否與自己在步驟d）中產(chǎn)生的RNt 相等，如果相等，標簽用AK解密EAK(RNr║RNt║SK)得到RNr'║RNt'║SK，比較RNt'和RNt，如果相等，則標簽認為閱讀器過鑒別，將RNr'發(fā)送給閱讀器，跳轉(zhuǎn)到開放狀態(tài)，且會話密鑰為SK，如果不相等，則標簽認為閱讀器未通過鑒別，發(fā)送響應數(shù)據(jù)包，跳轉(zhuǎn)到仲裁狀態(tài)；

7. 閱讀器比較RNr'和RNr，如果相等，則閱讀器認為標簽通過鑒別，且會話密鑰為SK，如果不相等，則認為標簽未通過鑒別。

圖3-22閱讀器和標簽的對稱加密雙向鑒別協(xié)議流程

采用安全鑒別后，整個通信的身份得到識別和鑒別，保證了許多安全領(lǐng)域的要求。不過采用較為復雜的加密算法帶來的缺點也很明顯，比如芯片尺寸增加導致成本增加，芯片的功耗增加導致靈敏度下降，通信時間增加。在傳統(tǒng)的物流領(lǐng)域應用中使用的芯片，一般不會攜帶該功能。關(guān)于安全加密鑒別協(xié)議部分是芯片的可選內(nèi)容，并非系統(tǒng)必需。

08、安全通信協(xié)議

需要進行安全通信的標簽可采用安全通信協(xié)議。安全通信協(xié)議的目的是保證通信過程中的數(shù)據(jù)即使被截獲，也無法還原有效的傳輸數(shù)據(jù)。

標簽在通過安全鑒別后，只響應盤點組命令和安全通信命令。安全通信協(xié)議流程見圖3-23。

閱讀器生成隨機數(shù) RNr，用SK加密cmd║RNr，發(fā)送安全通信命令Sec_Com(ESK(cmd║RNr))。

標簽用SK解密ESK(cmd║RNr)得到cmd，標簽執(zhí)行cmd中的命令，操作結(jié)果為result；然后標簽生成隨機數(shù)RNt，用SK加密result得到ESK(result)發(fā)送給閱讀器。

閱讀器用SK解密得到result。

圖3-23安全通信協(xié)議流程

安全通信協(xié)議對于有數(shù)據(jù)交互前關(guān)注數(shù)據(jù)安全的超高頻 RFID應用有重要作用。尤其是應用于大數(shù)量存儲的重要物品，如軍工設(shè)備、危險爆炸物等。

總體來說，GB/T29768國標協(xié)議是有非常重要的歷史意義的，并且在許多方面有很大的創(chuàng)新，對我國RFID的發(fā)展作出了重要的貢獻。

小結(jié)

本章詳細講述了有關(guān)超高頻 RFID的所有標準及規(guī)范，其中3.1節(jié)的超高頻 RFID無線電射頻標準需要完全掌握，3.2節(jié)的Gen2空口協(xié)議也需要讀者完全理解，3.3節(jié)是本書的精華部分，蘊含了行業(yè)中最重要的多標簽碰撞算法的深入解析以及多標簽的綜合解決方案，對這部分感興趣的讀者可以深入學習；3.4節(jié)的國標協(xié)議，有興趣的讀者可以詳讀。