（通信与信息系统专业论文）移动rfid网络移动性研究.pdf

南京邮电大学硕l 研究生学位论文 摘要 摘要 射频识别r f i d 是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通 信，对目标加以识别并获取相关数据。r y l d 技术无需人工干预，可工作于各种恶劣环 境，且无源免接触，操作方便，因此，未来将会被应用在生产、物流、医疗等各种领域。 r f l d 技术的发展前景受到了世界的广泛关注。 基于r f l d 技术的e p c 网络构建在i n t e r n e t 网络之上，开拓了r f i d 的应用范围。美 国的e p c g o b a l 提出了物联网的概念，物联网体系架构包括e p c 编码、e p c 标签及读写 器、e p c 中间件、o n s 服务器和e p c i s 服务器等。在此阅读研究文献的基础上，本文 提出了将r f i d 技术应用在移动通信网中，移动网以g p r s 网络为主，实现了在移动网 络中面向个人的移动r f i d 应用。 本文所作研究工作总体分为两个阶段： 第一阶段，首先研究了r f i d 技术、e p c 网络及g p r s 网络的特性，并在此基础上 提出了移动r f i d 网络。 第二阶段，重点研究了构建移动r f i d 网络需要解决的几个关键问题，包括：移动 r f i d 网络的体系架构、移动r f i d 网络移动性管理协议、移动读写器即m r e a d e r 的设计、 m r e a d e r 接入与信息检索规程设计。 移动读写器( m r e a d e r ) 的设计包括功能模块、协议栈、硬件配置、接i z l 、参数等。 m r e a d e r 接入与信息检索规程设计包括：标签读取、代码识别、代码解析以及商品内容 检索等。并且详细分析了o n s 的工作过程。根据m r e a d e r 的工作位置不同，分为归属 网络域和漫游网络域。 为了实现移动r f i d 网络为用户提供通过g p r s 网络查询商品信息等功能，在e p c b 2 c 网络中增加了w a p w e b 服务器，在e p cb 2 c 和e p cb 2 b 之间增加了e p c s g 服 务器，使得移动r f i d 用户可以访问e p cb 2 c 和e p cb 2 b 网络中的e p c i s 和e p c d s 服务器，以获取物品信息，并且将o n s 服务器建立在d n s 服务器基础之上，从而尽量 重用现有网络设备，减少了投资，节省了费用。 主题词：r f i d ；g p r s ；e p c g l o b a h 移动r f i d 网络；移动读写器；内容检索 妻!壁垒苎兰堡!翌茎兰!垒笙!一一一!翌a b s t r a c t t h er a d i of i e q u e n c yi a e n t i f i c a t i o n ，o n ek i n do f 目, t l t o m a t i o ni d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ，i s c o u t u c t l e s sb i d i r e c t i o n a ld a t ac o m m u n i c a t i o n t h er f i dt e c h n o l o g yd o e s n t n e e dm a n u a l i n t e r v e n t i o n ，c a l lw o r ki nv a r i o u sa d v e r s ec i r c u m s t a n c e s ，h a sp a s s i v ed i s p e n s ew i t ht o u c h i n g ， a n do p e r a t e sc o n v e n i e n t l y t h e r e f o r e ，i ti s a b l et ob ea p p l i e dt ov a r i o u sf i e l d s t h eb r i g h t p r o s p e c t o f t h e k f i d t e c h n o l o g y i n t h e f u r o r e h a s b e c o m e t h e f o c u s a r e a a l l o v e r t h e w o r l d t e p c g l o b a ln e t w o r k s ，b a s e do nt h er f i dt e c h n o l o g ya n ds t r u c t u r e da b o v ei n t e m e lh a v e e x p a n d e dt h ea p p l i e dr a n g eo ft h e r f i dt e c h n o l o g y a m e r i c a ne p c g l o b a lh a sb r o u g h t f o r w a r dt h en e t w o r ko ft h i n g s ，i n c l u d i n ge p cc o d e ，e p ct a ga n de p cr e a d e r , e p c m i d d l e w a r e ，o n s $ e v v e ra n de p c i ss e f v a re t c o f tt h i sb a s i s , t h ep a p e rp r o p o s e st o 目, p p l y r f l dt e c h n o l o g yt ot e t e c o m m m l i e a t i o nn e t w o r k s ，c a l l e dm o b i l er f i dn e t w o t 虹w h i c hi s b a s e do ng p r si ti sr t e wa p p l i c a t i o nt ou s t h ep a p e ri sc o m p r i s e do f t w op a r t s f i r s t t y , t h ep a p e rs t u d i e st t l ec b a r a c t e t s t i eo f t h er f t dt e c b a t o l o g y , e p c 硝曲型n e 似阱k s a n dg p r sn e t w o r k sa n dt h e np r o p o s e sm o b i l er f i dn e t w o r k s - s e c o n d l y ，t h ep a p e rr e s e a r c h e ss e v e r a lk e yi s s u e s ，i n c l u d i n gt h es y s t e mf r a m e w o r ko f m o b i l er f i dn e t w o r k s ，t h em o b i l i t - tp r o t o c o lo f m o b i l e i o e t w o r k s ，t h e6 e s i g no f m o b i l e r e a d e r ( r e r e a d o r ) a n dt h ec o u t e n tr e t r i e v a lf l o w , a n ds go n t h ed e s i g no f m r e a d e ri n c l u d e sf u n c t i o nm o d u l e ，p r o t o c o ls t a c k ，h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n ， i n t e r f a c ea n dp a r a m e t e r s ，a n ds of o r t ha n dt h e n ，w es t u d yt h er e f e r e n c em o d e lo fm o b i l e p f f i dn e t w o r k sa c c e s sa n dd e s i g n e dt h es i g n a lf l o w w eh a v ea d d e dt w og a t e w a y si nb 2 bn e t w o r k sa n db 2 c n e t w o r k s ，v a i l e dw a p w e ba n d e p c s gw h i c hi su s e df o rm o b i l er f i dc u s t o m e r st or e t r i e v em e r c h a n d i s ei n f o r i l l a t i o nf r o m b 2 cn e t w o r k sa n db 2 bn e t w o r k s k e y w o r d s ：r f l d ；g p r s ；e p c g l o b a ln e t w o r k s ；m o b i l er f i dn e t w o r k s ；m o b i l er e a d e r ； c o n t e n tr e t r i e v a l 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：互立鲴 e 1g q ：丛婴：幺：乡 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学i 中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：至圣蜩 导师签名： 日期：塑圣：丝! 墨 南京邮电人学硕七研究生学位论文 第一章r f i d 系统技术 1 1r f i d 技术介绍 1 1 1r f i d 概述 第一章r f i d 系统技术 射频识另1 ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r e i d ) 技术是2 0 世纪9 0 年代开始兴起的一 种非接触式的自动识别技术。它利用射频信号通过空间耦合( 交变磁场或电磁场) 实现无 接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别目的。 同传统的接触式识别技术和光学识别技术相比，r f i d 技术不但可以使射频标签和 读卡器之间实现无接触，而且还可以实现多个标签的防冲撞读写操作，从而可以解决很 多传统识别技术上的缺陷。例如r f i d 技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、 读取距离大、数据加密、存储数据容量更大、存储信息更改简单等特点。正是由于射频 识别技术的这些独特的优势，射频识别j 下在逐渐地被广泛应用于工业生产自动化、商业 自动化和交通运输控制管理等领域。另外随着大规模集成电路技术的进步以及生产规模 的不断扩大，应用r f i d 技术的产品成本将会不断降低，其应用领域也将越来越广泛。 1 1 2r f i d 概念及工作原理 最基本的r f i d 系统由三部分组成： 电子标签( t a g ) ：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，在标签中 一般保存有约定格式的电子数据。 阅读器( r e a d e r ) ：读取( 或者可以写入) 电子标签中的数据信息。 天线( a n t e n n a ) ：在电子标签和读取器间传递射频信号。 天线天线 g 3 崎 匕= 吲 匕 叻吲 图l - lr f i d 系统模型 此外，还有应用支撑系统。应用支撑系统是介于阅读器与企业应用之间的中间件， b 堕室些皇茎兰堡兰竺塞兰兰些笙兰 苎二圣! ! ! 里至垫塾查 r f l d 系统的重要组成部分。该中间件为企业应用提供一系列计算功能，在电子产品编 码( e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d e ，e p c ) 规范中被称为s a v a n t 。其主要任务是对读写器读取 的标签数据进行过滤、汇集和计算，减少从阅读器传往企业应用的数据量。同时s a v a n t 还 提供与其他r f i d 支撑系统进行互操作的功能。s a v a n t 定义了阅读器和应用两个接口。 斟1 - 2r f i d 原理圈 r f i d 应用系统的基本工作原理田：r f i d 卡进入读写器的射频场后，由其天线获得 的感应电流经升压电路作为芯片的电源，同时将带信息的感应电流通过射频前端电路检 得数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理；所需回复的信息则从存储器中获取经由逻 辑控制电路送回射频前端电路，最后通过天线发回给读写器。可见，r f l d 卡与读写器 实现数据通讯过程中起关键的作用是天线。一方面，无源的r f i d 卡芯片要启动电路工 作需要通过天线在读写器天线产生的电磁场中获得足够的能量；另一方面，天线决定了 r f i d 卡与读写器之1 l j j 的通讯信道和通讯方式。 1 + 1 3r f i d 技术分类 r f i d 技术的分类方法常见的有下面四种： 根据工作频率通常可分为低频( 3 0 k h z 一3 0 0 k h z ) 、中频( 3 m h z 3 0 m h z ) 和高频系 统( 3 0 0 m h z - 3 g k ) 。r f i d 系统的常见的工作频率有低频1 2 5 k i t z 、1 3 4 2 k i l z ，中频 8 6 0 m h z - 9 6 0 m h z 、2 4 5 g h z 、58 g h z 等。低频系统特点是电子标签内保存的数据量较少， 阅读距离较短，电子标签外形多样，阅读天线方j 旬性不强等。中频系统则用于需传送大 量数据的应用系统。高频系统的的特点是电子标签及阅读器成本均较高，标签内保存的 数据量较大，阅读距离较n ( g 达十几米) ，适应物体高速运动，性能好。 根据读写次数可分为可读写卡( w r ) 、一次写入多次读出卡( w o r m ) 和只读卡( r 0 ) 。 根据有无电源又可分为有源的和无源的。有源电子标签，也称为主动式( a c t i v et a g ) ， 使用卡内电池的能量，识别距离较长，可达十几米，主要用于有障碍物的应用中，但寿 命有限( 3 - 1 0 年) ，且价格较高。无源电子标签，也称为被动式( p a s s i v e t a g ) ，不含电池， 免维护、重量轻、体积小、寿命长、较便宜，但发射距离一般是几十厘米，且需要读写 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章r f i d 系统技术 器的发射功率大，利用读写器的载波调制自己的信号，适宜在门禁或交通的应用中使用。 1 2r f i d 技术标准 目前常用的r f i d 国际技术标准主要有：i s 0 1 1 7 8 4 和i s 0 1 1 7 8 5 ，用于动物识别； i s 0 1 0 5 3 6 、i s 0 1 5 6 9 3 和i s 0 1 4 4 4 3 ，用于非接触智能卡；i s 0 1 0 3 7 4 ，用于集装箱识别。 制定r f i d 技术标准的国际组织主要有：i s o ，e p c g l o b a l ，u b i q u t o u si dc e n t e r 等。 i s 0 1 1 7 8 4 和i s 0 1 1 7 8 5 技术标准： i s 0 1 1 7 8 4 和i s o l l 7 8 5 分别规定了动物识别的代码结构和技术准则，标准中没有对 应答器样式尺寸加以规定，因此可以设计成适合于所涉及的动物的各种形式，如玻璃管 状、耳标或项圈等。代码结构为6 4 位，其中的2 7 至6 4 位可由各个国家自行定义。技术 准则规定了应答器的数据传输方法和阅读器规范。工作频率为1 3 4 2 k h z ，数据传输方式 有全双工和半双工两种，阅读器数据以差分双相代码表示，应答器采用f s k 调制，n r z 编码。由于存在较长的应答器充电时间和工作频率的限制，通信速率较低。 i s 0 1 0 5 3 6 、i s 0 15 6 9 3 和i s 0 1 4 4 4 3 技术标准： i s 0 1 0 5 3 6 ，由于这种标准的卡成本高，所以从未在市场上销售。i s 0 1 5 6 9 3 和 i s 0 1 4 4 4 3 两个标准在2 0 0 0 年后制定完成，皆以1 3 5 6 m h z 交变信号为载波频率。 i s 0 1 5 6 9 3 读写距离较远，而i s 0 1 4 4 4 3 读写距离稍近，但应用较广泛。目前的第二代电 子身份证采用的标准就是i s 0 1 4 4 4 3 t y p eb 协议。i s 0 1 4 4 4 3 定义了t y p e a 和t y p eb 两种 类型协议，通信速率为1 0 6 k b i t s ，它们的不同主要在于载波的调制深度及位的编码方式。 t y p e a 采用开关键控的m a n c h e s t e r 编码，t y p e b 采用n r z l 的b p s k 编码。t y p e b 与 t y p e a 相比，具有传输能量不中断、速率更高、抗干扰能力更强的优点。r f i d 的核心是 防冲撞技术，这也是和接触式i c 卡的主要区别。i s 0 1 4 4 4 3 3 规定了t y p e a 和t y p e b 的 防冲撞机制。二者防冲撞机制的原理不同，前者是基于位冲撞检测协议，而后者通过系 列命令序列完成防冲撞。i s 0 1 5 6 9 3 采用轮寻机制。分时查询方式完成防冲撞机制。防冲 撞机制使得同时处于读写区内的多张卡的正确操作成为可能，方便操作，且提高了速度。 i s 0 1 8 0 0 0 技术标准： i s 0 1 8 0 0 0 是系列标准，目前较新，原因是它可用于商品的供应链，其中的部分标 准也正在形成之中i s 0 1 8 0 0 0 6 基本上是整合了现有r f i d 厂商的产品规格和e a n u c c 所提出的标签架构要求而订出的规范。i s 0 1 8 0 0 0 只规定了空气接口协议，对数据内容和 数据结构无限制，因此可用于e p c ，i s 0 1 8 0 0 0 系列标准如表1 1 所示。 南京郏电大学硕士研究生学位论文 第一章r f t d 系统技术 表1 1i s o1 8 0 0 0 系列标准 标准号内容 应用领域 i s o l 8 0 0 0 一l 一般参数定义 无 l s o l 8 0 0 0 2 1 3 5 k h z 以f 空气接口参数 适合短距离纸类标签，如门禁专 i s 0 18 0 0 0 31 3 5 6 m h z 空气接口参数适合中距离使泪，如货架 i s 0 18 0 0 0 - 4空气接口参数 适合较长距离使用 i s 0 18 0 0 0 68 6 0 m h z 9 3 0 m h z 空气接口参数适合较长距离使用 i s o l8 0 0 0 74 3 3 9 2 m h z 空气接口参数只是作为一种选择，易被其他通 信器材干扰 1 3r f i d 技术研究 当前，r f i d 技术研究主要集中在工作频率选择、天线设计、防冲撞技术和安全与 隐私保护等方面。 1 3 1r f i d 频率选择 工作频率选择是r f i d 技术中的一个关键问题。工作频率的选择既要适应各种不同 应用需求，还需要考虑各国对无线电频段使用和发射功率的规定。当前r f i dq - 作频率 跨越多个频段，不同频段具有各自优缺点，它既影响标签的性能和尺寸大小，还影响标 签与读写器的价格。此外，无线电发射功率的差别影响读写器作用距离。表l 。2 描述了 无源情况下的r f i d 频率特性。 表1 - 2r f i d 频率特性： 频率 频段作用距离( 无 穿透能力 源) 1 2 5 1 3 4 k h z 低频( 乙f ) 4 5 c m 能穿透大部分物体 l3 5 5 3 13 5 6 7 m h z 高频( h f )勉强穿透金属和液体 1 3 m 4 0 0 一l0 0 0 m h z 超高频( u h f )3 - 9 m穿透能力较弱 2 4 5 g h z 微波( m i c r o w a v e )3 m穿透能力最弱 4 南豪邮电大学硕十目 究生学位论文 第一g - r e i d 系统技术 1 3 2r f i d 天线研究 天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置。 受到应用场合的限制，r f i d 标签通常需要贴在不同类型、不同形状的物体表面，甚至 需要嵌入到物体内部。r f i d 标签在要求低成本的同时，还要求有高的可靠性。此外， 标签天线和读写器天线还分别承担接收能量和发射能量的作用，这些因素对天线的设计 提出了严格要求。当前对r f l d 天线的研究主要集中在研究天线结构和环境因素对天线 性能的影响上。 1 3 3r f i d 防冲撞技术研究 鉴于多个电子标签工作在同一频率，当它们处于同一个读写器作用范围内时，在没 有采取多址访问控n 封i , n 情况下，信息传输过程将产生冲突，导致信息读取失败。同时 多个阅读器之间工作范围重叠也将造成冲突。根据电子标签工作频段之不同，人们提出 了不同的防冲撞算法。 对于标签冲突在高频( h f ) 频段，标签的防冲撞算法一般采用经典a l o h a 协议。 使用a l o h a 协议的标签，通过选择经过一个随机时间向读写器传送信息的方法，来避 免冲突。在超高频( u h f ) 频段，主要采用树分叉算法来避免冲突。同采用a l o h a 协 议的高频频段电子标签相比，树分叉算法泄捅的信息较多，安全性较差。 上面两种标签防冲撞方法均属于时分多址访问( t d m a ) 方式，应用比较广泛。除 此之外，目前还有人提出了频分多址访问( f d m a ) 和码分多址访问( c d m a ) 方式的 防冲撞算法，主要应用于超高频和微波等宽带应用场景。 1 3 4r f i d 安全与隐私研究 r f i d 安全问题集中在对个人用户的隐私保护、对企业用户的商业秘密保护、防范 对r f i d 系统的攻击以及利用r f i d 技术进行安全防范等多个方面。面临的挑战是：保 证用户对标签的拥有信息不被未经授权访问，以保护用户在消费习惯、个人行踪等方面 的隐私； 避免由于r f i d 系统读取速度 夹，可以迅速对超市中所有商品进行扫描并跟踪变化， 而被利用柬窃取用户商业机密； 防护对r f i d 系统的各类攻击，如：重写标签以窜改物品信息；使用特制设备伪造 南京邮电大学硕j j 研究生学位论文 第一章p j e l d 系统技术 标签欺骗读写器以物品存在的假相；根据r f i d 前后向信道的不对称性远距离窃听标签 信息；通过干扰r f i d 工作频率实施拒绝服务攻击；通过发射特定电磁波破坏标签等； 如何把i u i d 的唯一标识特性用于门禁安防、支票防伪、产品防伪等。 目前，已提出多种方案，例如k i l l 标签、法拉第网罩、主动干扰、智能标签、阻止 标签、h a s h 锁等，各有优缺点，都不完美，需进一步研究。 1 4r f i d 应用及其发展 当前r f i d 的研究主要围绕r f i d 技术标准、r f i d 标签成本、r f i d 技术和r f i d 应 用系统等多个方面展开。 1 4 1i 讧i d 应用 基于r f i d 标签对物体的唯一标识特性，对基于r f i d 技术的应用进行研究称为热 潮。物联网是当前r f i d 应用研究的热点，其他应用研究还包括空间定位与跟踪、普适 计算、系统安防等多个方面【3 1 。 1 4 1 1 物联网 物联网是通过在物品贴r f i d 标签，在互连网上构建所有参与流通的物品的信息网 络。物联网的建立对生产制造、销售、运输、回收等物品流通的各个环节，对政府、企 业和个人行为将产生重要影响。通过物联网，任何物品都能够随时随地按需的被标识、 追踪和监控。r f i d 标准组织e p c g l o b a l 在基本r f i d 系统的基础上引入了s a v a n t 、对 象名字服务o n s 、物理标识语言p m l 等多项核心技术。 r f i d 在物流领域的应用会产生大量r f i d 数据。以10 0 个读写器规模的r f i d 系 统为例，每个读写器每秒进行1 0 次遍历，整个系统每天产生的r f i d 数据可达1 0 0 0 g 。 因此，对r f i d 数据采集、过滤、分析、存储和提取也是当前r f i d 研究的热点之一。7 1 1 4 1 2 空间定位与跟踪 无线移动通信的发展及普及带动了人们对物体位置感知服务的需求，需要确定物体 的三维坐标并对其跟踪。r f i d 的普及为物品定位与跟踪提供了新的解决方案引。r f i d 定位与跟踪系统主要利用标签对物体的唯一标识特性，根据读写器与安装在物体上的标 签之间射频信号强度来测量物品的空间位置，主要应用于g p s 系统难以应用的室内定 6 南京邮电大学喂 q f 矬学在诠文 第一章r f l d 乐筑技术 位。 1 4 1 3 普适计算 r f d 标签具有对物体的唯一标识能力。可以通过与传感器技术楣结合，感知周围 物品和环境的温度、湿度和光照等状态信息，并利用无线通信技术方便地把这些状态信 息及其变化传递到计算单元，提高环境对计算模块的可见度构建普适计算嘲。 1 4 1 4 移动r f i i ) 的应用 r f i d 可以应用在移动网络中，在移动终端中集成r f i d 读写器、r f i d 标签或者n f c 模块，n f c 可以实现i t f i d 读写器、标签的功能以及实现两个n f c 之间的短距离通信。 主要用途有商品信息查询、电子支付等电子商务应用， 1 4 , 2 r f i d 的发展 从2 0 0 3 年沃尔玛规定其供应商使用r f i d 标签开始，r f i d 的商业化发展近出了重 要大步。下面从产业的角度，思考一下r f i d 的未来。 1 应用需求是产业发展的基础 需求是产业发展的内在动力，目前r f i d 需求很弱，成为r f i d 在物流领域发展的 重要阻碍。而e p c 促进了r f i d 的发展，其初衷只是应用于物流管理领域，但现在r f i d 的应用远远大于原柬人们的想像，例如国外的一些森林防火。 2 政策标准与产业共存亡 产业发展是标准的基础，标准的制定以产业发展为基础。政策及标准对产业发展的 指导作用。国家“十一五”规划中，明确指出将r f i d 作为重点方向发展。目前中国实际 应用的标准，有e p c 、i p x 和i s o 。 3 中国r f i d 产业链发展趋势 高频和超高频产品是未来的主要应用频率。目前中国的r f i d 应用，以低频为主， 第二代身份证促进了高频发展。e p c g i o b a l 提出的物联网将使用高频和超高频段。 软件和系统集成的市场潜力巨大。随着大规模物流应用及开环方式应用的发展，软 件将是r f i d 项目支出中相当重要的部分，在某些应用中，甚至会超过硬件的费用。 中国企业需要加强对芯片制造的能力，芯片制造将是其中非常重要的一个方向。 南京邮i 乜人学硕 ：研究生学位论文 第一章r f i d 系统技术 1 5 国内外研究现状 伊拉克战争期间，美国国防部就在军用物资箱上装置r f i d 卷标，而且许多欧美国 家高速公路有电子收费站可通过车上的r f i d 辨识卡片实行收费。诺基亚已经研发出适 用于g s m 手机5 1 4 0 的r f i d 工具包，西门子也开发出了集成r f i d 和n f c 等高端技术 的多功能手机。韩国、日本提出了b 2 c 模型，把移动电话集成阅读器功能，接入电信网。 在国内，经济部技术处1 9 9 2 年度起开始推动高频r f i d 的研发计划，研发内容包括 i c 芯片、天线、读取器等重要技术。科技部等十五部委于2 0 0 6 年又颁白了中国射频 识别( r f i d ) 技术政策白皮书，成为我固射频识别技术与产业未来几年发展的系统性 指导文件。在制订标准方面，国内已有1 3 5 6 m h z 的i s o i e c l 4 4 4 3 和i s o f l e c1 5 6 9 3 两 个标准。 当前g p r s 网络标准己相当成熟，而且e p c g l o b a l 组织对e p c 网络已有规范。 本文研究的目的是，在国内外研究的基础上，将r f i d 系统接入到现有的移动通信 网络，选择g p r s 网络作为承载网，构建移动r f i d 网络，并且设计出具有读写功能的 移动读写器( m r e a d e r ) ，利用m r e a d e r 通过g p r s 网络可获取e p c 网络中的r f i d 标 签信息。利用以g p r s 为核心技术的现有移动通信网络数据传输平台，研究移动r f i d 的网络化，实现移动r f i d 网络的移动性。 1 6 本文的主要研究内容和后续章节安排 1 6 1 主要研究内容 近几年来，r f i d 技术飞速发展，应用领域不断扩大，m r e a d e r 接入移动通信网成为 r f i d 发展趋势，并且目前的基于g p r s 网络的移动网络已相当成熟。因此，本文以移 动r f i d 网络移动性作为研究对象，提出基于g p r s 网络的移动r f i d 网络，解决移动 网络承载移动r f i d 的功能。在此移动r f i d 网络基础上，本文主要研究以下两方面的 内容： 第一阶段：深入研究r f i d 系统的特性及g p r s 网络的接入和移动性管理协议，在 此基础之上完成m r e a d e r 的设计，包括功能模块、协议栈、硬件配置、接口、参数等。 第二阶段：进一步研究m r e a d e r 在移动r f i d 网络中的信令流程，包括m r e a d e r 如 何接入移动r f i d 网络的信令规程，接入之后，m r e a d e r 如何进行商品或者服务信息检 索以及对其购买的信令规程。m r e a d e r 的工作区域分为归属网络和漫游网络。 r 南京邮电丈学硕士研究生学位论文 第一章r f i d 系统技术 1 6 2 后续章节安排 第二章和第三章是第阶段的主要研究成果。 第二章，基于g p r s 的移动r f i d 网络架构。 主要研究了g p r s 网络和e p c 网络的特点，分析了他们的异同，并且提出了移动 r f i d 网络。将e p c 网络分为e p cb 2 b 网络和e p cb 2 c 网络。 第三章，移动读写器的移动性管理。 主要研究了g p r s 网络的移动性管理及其状态转移，分析了移动i p 的工作机制，介 绍了移动i p v 6 在g p r s 网络中的应用。 第四章和第五章是第二阶段研究工作的主要成果。 第四章，移动读写器的系统设计。 主要研究了基于移动r f i d 网络的m r e a d e r 设计。考虑了如何读取标签数据，并进 行处理，然后与e p c i s 等服务器进行信息交互。m r e a d e r 的主要功能包括：l 、r f i d r e a d e r ，用于读取标签信息或者向标签写入信息；2 、中间件，用于根据用户或者网络的 需求对数据进行处理；3 、g p r s 功能，用于接入g p r s 网络并进行正常工作；4 、存储、 电源等设备。并对对m r e a d e r 进行了详细的硬件设计。 第五章，移动读写器接入移动r f i d 网络及信息检索的信令流程。 在研究m r e a d e r 接入移动r f i d 网络的参考模型上，详细设计了m r e a d e r 工作的各 个信令流程，包括：标签读取、代码识别、代码解析和内容检索等。详细分析了o n s 的工作过程。根据m r e a d e r 的工作位置不同，分为归属网络域和漫游网络域。 第六章，总结和展望。 对论文期间开展的工作进行了总结，并提出了可供进一步研究的内容和方向。 9 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第二章移动r f i d 网络体系架构 第二章移动r f i d 网络体系架构 目前，r f i d 正在全球引发不亚于i n t e r a c t 革命的下一代信息革命，构造全球的物联 网。移动网络对因特网接入的不断普及，移动设备与r f i d 相结合产生了一门新的技术： 移动r f i d 技术。通过r f i d 技术和移动智能终端( 手机、p d a 等) 的结合，将r f i d 技术应用到移动领域。有了移动r f i d ，人们可以随时随地得到附有r f i d 标签的产品的 信息及与产品相关联的服务，为移动商务提供了极大的发展空间：r f i d 与移动通信网 络结合的移动r f i d 网络服务发展前景广阔，具有巨大的市场空间。 移动通信网中的g p r s 网络是构建在g s m 网络之上的分组数据网络，具有很高的 数据传输速率，最高可达1 7 0 k b i t s s 。有了g p r s ，移动用户不必通过拨号专门的i s p 来 收发e m a i l 和浏览w e b 网页，g p r s 提供了无缝且直接的i n t e r n e t 连接。而且g p r s 还 向第三代移动通信系统迈进了一步，被认为是2 5 g 技术。中国移动和中国联通都已经铺 设了g p r s 网络，提供无线数据服务。g p r s 网络作为中国移动通信的分组数据网将长 期存在。因此，本章提出的移动r f i d 网络参考模型基于g p r s 网络，m r e a d e r 通过g p r s 网络访问r f i d 信息服务器，获取商品信息。 2 1g p r s 网络 g p r s 采用分组交换技术，高效传输数据和信令，优化了对网络资源和无线资源的 利用。g p r s 无线信道分配方式：每个t d m a 帧分配1 到8 个无线接口时隙。时隙可以 被用户共享，上下行链路分配是独立的。g p r s 支持中、高速数据传输，为每个用户可 提供9 0 5 - 1 7 1 2 k b i t s 的数据传输速率。g p r s 采用了与g s m 不同的信道编码方案，定义 了c s - 1 ，c s - 2 ， c s 一3 和c s 一4 四种编码方案。g p r s 的设计使得它既能支持间歇的突 发式数据传输，又能支持偶尔的大量数据的传输。g p r s 的安全功能同现有的g s m 安全 功能一样，身份认证和加密功能由s g s n 来执行。g p r s 移动设备可通过s i m 访问g p r s 业务，无论此s i m 是否具备g p r s 功能。 用户数据能够在m s 和外部数据网之间透明地传输，采用封装和隧道技术，数据包 使用特定的g p r s 协议打包并在m s 和g g s n 之间传输。这种透明的传输方式缩减了 g p r sp l m n ( p u b l i cl a n dm o b i l en e t w o r k ，公共陆地移动网络) 对外部数据协议的解释需 求，易于引入新的互通协议。用户数据可以压缩，且有重传协议保护，因此数据传输高 效可靠。相较g s m 拨号方式的电路交换数据传输方式，g p r s 具有实时在线、快捷登录、 1 0 南京邮电大学顾， = 研究生学位论文 第二章移动r f i d 网络体系架构 按量计费、高速传输等优点。 2 1 1g p r s 网络系统架构 g p r s 网络是在现有g s m 网络中增加g g s n 和s g s n 来实现的，使得用户能够在 端到端分组方式下发送和接收数据。其系统结构如图2 1 所示。 图2 - 1g p r s 系统结构 图2 1 中，笔记本电脑通过串行或无线方式连接到g p r s 终端上；g p r s 终端与g s m 基站通信，但与电路交换式数据呼叫不同，g p r s 分组是从基站发送到g p r s 服务支持 节点( s g s n ) ，而不是通过移动交换中心( m s c ) 连接到语音网络上。s g s n 与g p r s 网关 支持节点( g g s n ) 进行通信；g g s n 对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如 i n t e m e t 网或者x 2 5 网络。 来自i n t e m e t 标识有m s 地址的i p 包，由g g s n 接收，再转发到s g s n ，继而传送 到移动台上。 s g s n 是g s m 网络结构中的一个节点，它与m s c 处于网络体系的同一层。s g s n 通过帧中继与b t s 相连，是g s m 网络结构与移动台之间的接口。s g s n 的主要作用是 记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和g g s n 之间完成移动分组数据的发送和接 收。 g g s n 通过基于i p 协议的g p r s 骨干网连接到s g s n ，是连接g s m 网络和外部分 组交换网( 如因特网和局域网) 的网关。g g s n 主要是起网关作用，也有将g g s n 称为 g p r s 路由器。g g s n 可以把g s m 网中的g p r s 分组数据包进行协议转换，从而可以把 这些分组数据包传送到远端的t c p i p 或x 2 5 网络。 s g s n 和g g s n 利用g p r s 隧道协议( g t p ) 对i p 或x 2 5 分组进行封装，实现二者之 间的数据传输。 图2 2 给出了g p r s 网络结构的接入与参考点的简图。 l l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 r 参考点 u m 第二章移动r f i d 网络体系架构 三圈 。，7 m s 幽2 - 2g p r s 总体结构及接入接口和参考点 g g s n 到外部分组网络是通过g i 参考点连通的，而其他g p r s 网络是通过g p 接口 连通的。另外，从m s 端到g p r s 网络有两个接入点，u m 接口用于无线通信接入而r 参考点用于信息的产生或接收。移动终端m t ( 例如手机) 通过u m 接口接入g p r sp l m n ， r 则是m t 和t e ( ! t n 笔记本电脑) 之间的参考点。这里的m s 由t e 和m t 两部分组成， 它们通过r 参考点组成一个整体，另外，m s 也可单独由一个移动终端( m t ) 组成。 对于一个支持g p r s 的公共陆地移动网络( p l m n ) ，当它运行g p r s 业务时可能涉 及到任何其他网络，这时就产生了网络互通的需求。g p r s 网络通过g n 参考点实现与相 同p l m n 网络内部g p r s 之间的互通，通过g i 参考点实现与i n t e m e t 互通，通过c , p 接 口实现与不同p l m n 网络之间的互通。 对于具有g p r s 业务功能的移动终端，它本身具有g s m 和g p r s 业务运营商提供 的地址，这样，分组公共数据网的终端利用数据网识别码即可向g p r s 终端直接发送数 据。另外g p r s 支持与基于i p 的网络互通，当在t c p 连接中使用数据报时，g p r s 提供 t c p i p 报头的压缩功能。 由于g p r s 是g s m 系统中提供分组业务的一种方式，所以它能广泛应用于i p 域。 其移动终端通过g s m 网络提供的寻址方案和运营商的具体网问互通协议实现全球网间 通信。 2 1 2g p r s 网络特性 ( 1 ) 分组交换 分组交换的基本过程是把数据先分成若干个小的数据包，可通过不同的路由，以存 储转发的接力方式传送到目的端，而组装成完整的数据。分组交换基本上不是实时系统， 延时也不固定，但可以使不同的数据传输“共用”传输带宽：有数据时占用带宽，无数 据时不占用，从而分享资源。同时分组交换可以提供灵活的差错控制和流量控制，主要 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动r f i d 网络体系架构 是在端到端的高层进行，以减少中间网络低层环节不必要的开销；也可以在网络部分环 节上增加控制，提高安全性。另外，通过设置服务等级q o s 等手段，可以有效的控制和 分配延时、带宽等性能，所以分组交换非常适用于数据应用。 ( 2 ) 频谱效率 在g s m 无线系统中，采用的是电路交换技术，通信需要建立端到端的连接，通信 过程中要独占信道，无线信道资源非常宝贵。每条g s m 信道只能提供9 6 k b p s 或1 4 4 k b p s 传输速率。而采用分组交换的g p r s 则可灵活运用无线信道，每一个用户可以有多个无 线信道，而同一信道又可以由几个用户共享，从而极大地提高了无线资源的利用率。在 理论上，g p r s 可以将最多8 个时隙组合在一起，给用户提供高达1 7 1 2 k b s 的带宽，从 1 4 4 k 1 7 1 k ，足足比以前超出了1 0 倍的传输速度，保证了更大数据的传输，更快的因特 网接入。由于g p r s 用户的数据通信费是以数据量为基础，而不考虑通信时长，所以g p r s 用于i p 业务的接入将更为用户所接受。g p r s 最大的特点就是“永远在线 。只要移动 设备打开，