RFID干貨專欄概述

經(jīng)過(guò)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(dá)到了200億的級(jí)別。在這個(gè)過(guò)程中，中國(guó)逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國(guó)，在國(guó)家對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個(gè)生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

為了填補(bǔ)這方面的空缺，甘泉老師花費(fèi)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(yīng)用》正式出版發(fā)布，本書對(duì)UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)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(dú)家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號(hào)特設(shè)專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。

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3.4國(guó)標(biāo)超高頻 RFID協(xié)議

3.4.1 國(guó)標(biāo)協(xié)議的歷史背景

超高頻RFID在全球的高速發(fā)展，帶來(lái)了大量的創(chuàng)新應(yīng)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(guó)企業(yè)手中。由于我國(guó)的一些超高頻 RFID應(yīng)用涉及到軍用和安全領(lǐng)域，因此迫切需要一個(gè)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超高頻RFID協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，GB/T29768-2013應(yīng)運(yùn)而生。

該協(xié)議的全稱為《信息技術(shù)射頻識(shí)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(guò)全國(guó)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(gè)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(xiàn)。最終于2013年9月18日發(fā)布，2014年5月1日實(shí)施。

本標(biāo)準(zhǔn)起草單位:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、工業(yè)和信息化部電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、北京中電華大設(shè)計(jì)有限責(zé)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信股份有限公司、深圳市遠(yuǎn)望谷信息技術(shù)股份有限公司、國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心、北京航空航天大學(xué)、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(xué)、中國(guó)物品編碼中心、上海坤銳電子科技有限公司。

本標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)、蘭天、宋繼偉、金倩、王文峰、夏娣娜、劉文莉、曹國(guó)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(guó)標(biāo)協(xié)議詳細(xì)內(nèi)容

GB/T 29768中有大量?jī)?nèi)容，本節(jié)主要針對(duì)有特色的部分以及與Gen2協(xié)議差異較大的部分進(jìn)行詳解。國(guó)標(biāo)協(xié)議中的創(chuàng)新部分為：閱讀器的編碼方式、多標(biāo)簽碰撞算法、安全加密機(jī)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(gè)信道，每信道帶寬為250kHz，其信道中心頻率fc表達(dá)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了跳頻的頻點(diǎn)數(shù)量以及駐留時(shí)間，駐留時(shí)間不可以超過(guò)2s。閱讀器使用FHSS通信時(shí)，應(yīng)使用式（3-9）中工作頻率規(guī)定的40個(gè)信道，每信道的最大駐留時(shí)間為2s。在一般的系統(tǒng)中，一般駐留時(shí)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(shí)，對(duì)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(yīng)滿足下述規(guī)定：

當(dāng)∣R-S∣=1時(shí)，10 lg(P(S)/P(R))<-40 dB；

當(dāng)∣R-S∣>1時(shí)，10 lg(P(S)/P(R))<-60 dB。

對(duì)于左右相鄰的兩個(gè)信道，其輸出信號(hào)的抑制要求超過(guò)40dB；對(duì)于除相鄰信道之外的帶內(nèi)信道，其抑制超過(guò)60dB。國(guó)標(biāo)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(chǎng)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(duì)基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。符號(hào)00的持續(xù)時(shí)間為2Tc，符號(hào)01的持續(xù)時(shí)間為3Tc，符號(hào)11的持續(xù)時(shí)間為4Tc，符號(hào)10的持續(xù)時(shí)間為5Tc，四種符號(hào)的長(zhǎng)度允差均為±1%。Tc可以取6.25μs或者12.5μs，長(zhǎng)度允差為±1%，閱讀器應(yīng)在一個(gè)盤點(diǎn)循環(huán)內(nèi)使用固定的Tc。當(dāng)數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度為奇數(shù)時(shí)，則最后一位補(bǔ)0后再進(jìn)行編碼。

圖3-20 TPP符號(hào)

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(hào)變?yōu)?種符號(hào)。

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(shuō)標(biāo)簽工作時(shí)接收到更多的能量，靈敏度會(huì)更高。通過(guò)計(jì)算和實(shí)測(cè)，在相同標(biāo)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(dòng)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(jì)算反向鏈路頻率值，反向鏈路頻率具體值見(jiàn)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(shí)際應(yīng)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(shí)現(xiàn)32種組合，足夠應(yīng)對(duì)所有場(chǎng)景。

06、多標(biāo)簽算法

多標(biāo)簽的防碰撞使用DDS-BT機(jī)制，如圖3-21所示。在該機(jī)制中，標(biāo)簽時(shí)隙計(jì)數(shù)器初始值置為0，根據(jù)后續(xù)命令逐步調(diào)整時(shí)隙計(jì)數(shù)器，當(dāng)時(shí)隙計(jì)數(shù)器為0時(shí)，標(biāo)簽從仲裁狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到應(yīng)答狀態(tài)，開(kāi)始響應(yīng)閱讀器：

當(dāng)標(biāo)簽無(wú)回復(fù)時(shí)：

1. 在閱讀器無(wú)法接收到標(biāo)簽回復(fù)的時(shí)候，首先判斷是否結(jié)束盤點(diǎn)，如果判據(jù)為真，則認(rèn)為盤點(diǎn)結(jié)束，結(jié)束的判斷方法為閱讀器設(shè)置盤點(diǎn)結(jié)束閾值。閱讀器發(fā)送啟動(dòng)查詢命令時(shí)，將盤點(diǎn)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(shí)，盤點(diǎn)結(jié)束閾值加1；閱讀器發(fā)送重復(fù)查詢命令時(shí)，盤點(diǎn)結(jié)束閾值減1；閱讀器發(fā)送分散命令時(shí)，盤點(diǎn)結(jié)束閾值乘以2后加1；閱讀器發(fā)送收縮命令時(shí)，盤點(diǎn)結(jié)束閾值除以2后取整；閱讀器發(fā)送其他命令時(shí)，盤點(diǎn)結(jié)束閾值不變。如果盤點(diǎn)結(jié)束閾值為0，則閱讀器認(rèn)為盤點(diǎn)結(jié)束；

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

3. 如果連續(xù)空閑時(shí)隙的次數(shù)小于CIN，且上一時(shí)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(shí)隙計(jì)數(shù)器值為1的標(biāo)簽分裂；

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

當(dāng)標(biāo)簽正確回復(fù)時(shí)：

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

當(dāng)標(biāo)簽發(fā)生碰撞時(shí)：

1. 當(dāng)閱讀器接收到多個(gè)標(biāo)簽碰撞信號(hào)的時(shí)候，需要判斷連續(xù)碰撞時(shí)隙的次數(shù)是否達(dá)到CCN；

2. 如果連續(xù)碰撞時(shí)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(yīng)答狀態(tài)的標(biāo)簽分裂，仲裁狀態(tài)的標(biāo)簽時(shí)隙計(jì)數(shù)器加1；

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

圖3-21多標(biāo)簽防碰撞處理流程圖

DDS-BT機(jī)制的多標(biāo)簽算法與Gen2的協(xié)議不同，不需要用戶再對(duì)算法進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和優(yōu)化，在標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)規(guī)定了所有的算法和策略，對(duì)于普通開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)是很大的福利。從系統(tǒng)復(fù)雜度看，國(guó)標(biāo)的多標(biāo)簽算法比Gen2協(xié)議的復(fù)雜一些，閱讀器的判斷流程也復(fù)雜一些，不過(guò)這些復(fù)雜度對(duì)于閱讀器和標(biāo)簽的實(shí)現(xiàn)與Gen2協(xié)議幾乎沒(méi)有差別。從多標(biāo)簽識(shí)別數(shù)量上進(jìn)行對(duì)比：采用DDS-BT 機(jī)制的多標(biāo)簽算法的隨機(jī)數(shù)只有11位，而Gen2具有16位隨機(jī)數(shù)，在場(chǎng)內(nèi)標(biāo)簽數(shù)量巨大時(shí)，Gen2具有優(yōu)勢(shì)。從多標(biāo)簽識(shí)別速度進(jìn)行對(duì)比：在Gen2采用較高的多標(biāo)簽策略時(shí)，兩種的多標(biāo)簽識(shí)別效率相差無(wú)幾。

07、安全鑒別協(xié)議

安全鑒別協(xié)議是國(guó)標(biāo)超高頻RFID創(chuàng)新出來(lái)的，Gen2協(xié)議中沒(méi)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(biāo)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(biāo)簽對(duì)閱讀器的單向鑒別協(xié)議、閱讀器對(duì)標(biāo)簽的單向鑒別協(xié)議和雙向鑒別協(xié)議。在鑒別過(guò)程中的加密算法協(xié)議中提供了最簡(jiǎn)單的異或加密算法或用戶可以采用自建的對(duì)稱加密算法，如現(xiàn)在的電子車牌和軍隊(duì)?wèi)?yīng)用都是采用了SM7（商用加密7號(hào)算法）作為系統(tǒng)的鑒別對(duì)稱加密算法。

閱讀器和標(biāo)簽的對(duì)稱加密雙向鑒別協(xié)議流程見(jiàn)圖3-22：

1. 閱讀器發(fā)送安全參數(shù)獲取命令；

2. 標(biāo)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(qǐng)求鑒別命令Req_SAuth；

4. 標(biāo)簽生成隨機(jī)數(shù)RNt 發(fā)送給閱讀器；

5. 閱讀器生成隨機(jī)數(shù)RNr 和會(huì)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(biāo)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(biāo)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(biāo)簽認(rèn)為閱讀器過(guò)鑒別，將RNr'發(fā)送給閱讀器，跳轉(zhuǎn)到開(kāi)放狀態(tài)，且會(huì)話密鑰為SK，如果不相等，則標(biāo)簽認(rèn)為閱讀器未通過(guò)鑒別，發(fā)送響應(yīng)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(rèn)為標(biāo)簽通過(guò)鑒別，且會(huì)話密鑰為SK，如果不相等，則認(rèn)為標(biāo)簽未通過(guò)鑒別。

圖3-22閱讀器和標(biāo)簽的對(duì)稱加密雙向鑒別協(xié)議流程

采用安全鑒別后，整個(gè)通信的身份得到識(shí)別和鑒別，保證了許多安全領(lǐng)域的要求。不過(guò)采用較為復(fù)雜的加密算法帶來(lái)的缺點(diǎn)也很明顯，比如芯片尺寸增加導(dǎo)致成本增加，芯片的功耗增加導(dǎo)致靈敏度下降，通信時(shí)間增加。在傳統(tǒng)的物流領(lǐng)域應(yīng)用中使用的芯片，一般不會(huì)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(jìn)行安全通信的標(biāo)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(guò)程中的數(shù)據(jù)即使被截獲，也無(wú)法還原有效的傳輸數(shù)據(jù)。

標(biāo)簽在通過(guò)安全鑒別后，只響應(yīng)盤點(diǎn)組命令和安全通信命令。安全通信協(xié)議流程見(jiàn)圖3-23。

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

標(biāo)簽用SK解密ESK(cmd║RNr)得到cmd，標(biāo)簽執(zhí)行cmd中的命令，操作結(jié)果為result；然后標(biāo)簽生成隨機(jī)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(duì)于有數(shù)據(jù)交互前關(guān)注數(shù)據(jù)安全的超高頻 RFID應(yīng)用有重要作用。尤其是應(yīng)用于大數(shù)量存儲(chǔ)的重要物品，如軍工設(shè)備、危險(xiǎn)爆炸物等。

總體來(lái)說(shuō)，GB/T29768國(guó)標(biāo)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(duì)我國(guó)RFID的發(fā)展作出了重要的貢獻(xiàn)。

小結(jié)

本章詳細(xì)講述了有關(guān)超高頻 RFID的所有標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，其中3.1節(jié)的超高頻 RFID無(wú)線電射頻標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)含了行業(yè)中最重要的多標(biāo)簽碰撞算法的深入解析以及多標(biāo)簽的綜合解決方案，對(duì)這部分感興趣的讀者可以深入學(xué)習(xí)；3.4節(jié)的國(guó)標(biāo)協(xié)議，有興趣的讀者可以詳讀。