（电路与系统专业论文）rfid系统的关键技术——防碰撞技术的研究.pdf

硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 摘要 无线射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i 6 c a t i o n ) 技术是从2 0 世纪9 0 年代兴起 的、近年来备受关注的一项非接触式自动识别技术。因其不需接触、无需人工干预， 可工作于恶劣环境等优点，得到了越来越广泛的应用，被人誉为2l 世纪最具发展 潜力的技术之一。作为一种新兴的技术，在应用中还存在一些不足，如标准不统一、 成本较高等，本文对其关键技术之防碰撞技术进行了详细的研究和讨论，并 对相关技术进行了m a t l a b 仿真分析。 。 在阅读器的天线区域中有多个标签到达时，它们几乎同时发送信号，产生信道 争用的问题，信号之间相互干扰，即发生了碰撞。为了保证信息的正确传输，应采 用防碰撞技术尽可能地避免碰撞的发生。 一般情况下，碰撞可以分为标签碰撞和阅读器碰撞两类。目前，研究大多是建 立在时分复用基础上，而且大多是用软件来实现。本文对射频识别系统中的两大算 法：确定性和不确定性算法进行了研究，在全面分析已有算法的同时，总结了它们 各自的优缺点，并基于已有的算法，提出了一种改进算法，对其进行了m a t l a b 仿真验证。通过大量对比实验，得到下述结论：当标签序列号为8 位时，改进的算 法在总搜索次数这个指标上比已有的算法( 这里为二进制算法和动态二进制算法) 减少约5 0 ；在标签需要发送比特数和阅读器需要传回的比特数这两个指标上，本 算法也优于己有所有算法。且随着标签序列号比特数的增加，算法性能保持一定的 水平，有一定的稳定性。最后对防碰撞技术中存在的问题进行了分析和展望，并给 出了研究的方向。 关键词：r f d ；防碰撞；马尔可夫；二叉树堆栈；查询树；先序遍历 i a b s t r a c t r a d i o 丘朝u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) t e c l l i l o l o g yi s al ( i n do fn o n - t o u c m n g a u t o m a t i ci d e n t m c a t i o nt e c i l o l o g yw l l i c hh a sb e e nd e v e l o p e ds i n c e19 9 0 sa n dh a sb e e n c l o s e l yc o n c e m e d b e c a u s eo fi t sa d v a l l t a g e ss u c ha l sn o n - t o u c l l i n g ，n o n - a r t i j e i c i a l ，a n d c a nw d r ki nh a r s he 1 1 v i r o m e n t ，i th 鹊b e e nu s e dm o r ea 1 1 dm o r ew i d e l y ，a i l di th a sb e e n c a l l e dt h em o s td e v e l o p m e mp o t e n t i a lt e c l l o l o g yi i l21s tc e n t u 巧h o w e v e r ，a l san e w r i s i n ga p p l i e dt e c l l o l o 鼢r f i dh a ss o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sm ed i s u i l i 够i i ls t a i l d 莉， l l i 曲- c o s tp r i c ea n ds oo n t l l i sd i s s e r t a t i o nm a l ( e s d e t a j l e ds t u d ya i l dd o e ss o m e s i m u l a t i o na i l a l y s i s 诮mm a t l 蛆o ni t so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g y ：a n t i c o l l i s i o n i i lt h er e g i o no ft h er e a d e r s 锄t e r m ai ft 1 1 e r ea r ei i l o r et l l a no n et a ga m v e d ，t h e y a l i n o s ts e n das i g n a la tt h es 锄1 e 劬e ，w h j c hc a i lc a u s ec l l a 衄e l sc o m p e t i t i o n ，锄dt l l e s i g i l a l 、v i nb ei n t e r f e r e n c eb e 艄r e e i l ，m a ti s t l l ec o l l i s i o no c c 眦e d t 0e n s u r e l ec o 玎e c t i i l f o 加1 a t i o nt 眦s m i s s i o 玛w es h o u l du s e 珊i - c o l l i s i o nt e c h n o l o g ya sm u c h 嬲p o s s i b l et o a v o i d 也ec o l l i s i o no c c u 玎e d i i ln o n n a jc i r c u 】 i l s t a n c e s ，m ec o u i s i o nc a nb ed i v i d e di n t dt v 旧咖e sw h i c hi st a g c o l l i s i o na i l dr e a d e rc o l l i s i 0 1 1 t h ep r e s e n ts t u d yo ft h e 枷i - c o l l i s i o nt e c h 0 i l o g yi sm o s t l y e s t a b l i s h e do nt h eb a s i so ft h et d m a ，a i l do r e nr e a l i z e d 、) l ，i t l ls o 小 协e i i l 廿1 i sp a p l e r ，h t 1 1 i sp a p e r m e r eh a v eac o m p r e h e n s i v es t u d yo fn l e s et 、) r oa l g o d t h m s ，t l l a ti s ，c e n l i i 啊 a 1 1 du n c e r t 诎ya l g o r i t i l i n sa n da n a l y s i so ft 1 1 e i rr e s p e c t i v ea d 咖g e sa n dd i s a d v a n t a g e s b a s e do nt h ea l r e a d ye x i s ta l g o r i t l l l n s ，w ep r o p o s e dan e ws u p 甜o ra l g o r i m i la n dm a d e m eb a l s i ss i m u l a t ea i l dv e r i 匆w i mm a t l a b b yal a r g en 1 册b e ro fc o n t r a s te x p e r i m e n t ， 也e r ea r ef o l l o w i n gc o n c l u s i o i l s ：、h e nm e 魄ss e r i a ln 瑚曲e ri se i g 虬m en e wa l g o r i t h m r e d u c e da _ b o u t5 0p e r c e mo fi t st o t a ln u m b e ro fs e a r c hc o m p a r e dt o l ee x i s ta j g o r i t h m s u c h 嬲t h eb i n a 巧a l g o r i t l l 】ma l l dt 1 1 ed ) ，i l a i l l i cb i i l ；a 巧a l g o r i 讥 i l ，i i lt l l e 位毽sn e e dt 0s e n d b i t s 锄dr e a d e r s1 1 e e dt or 曲舳廿l eb i t so ft h e s et v mi n d i c a t o r s ，t h ea l g o r 砒m li ss u p e r i o r t oa l lo m e r sa l g o r i t 虹，嬲t h e 切g ss e r i a ln 啪b e ri i l c r e a s e ，t h ea l g o r i t h mp e r f o m a l l c e r e m a i l l e da tal e v e l ，w l l i c hi sam e a l s u r eo fs 切b i l 吼f i i 谢l y ，m e 肌t i c o l l i s i o nt e c h n o l o g y i s s u e si nt l l ea i l a l y s i sa n dp r o s p e c t s ，a n dg i v e san e wd i r e c t i o nf o rr e s e a r c h k e yw o r d s ：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 ；a n t i - c o l l i s i o n ； m a r k o v ； b i i l a u r ) ，旬r e e s t a c ke n q u i r i e sn e e ；f i r s t 仃a 、r e r s a l i i 硕士学位论文 m a s 1e r s r h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 诋赫枷 日期：劢昭年月堂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：。诹抵辛钆 日飙加o g 年乡月f 日 钠虢例延申 日期汕。扩年6 月f 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。回童迨塞握塞丘溢卮；旦圭生；旦二生；旦三生筮查! 作者签名：谳畚枷 日期：加p 8 年月r 日 糊豁席蜒中 日期：细dp 年月j 日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 研究历史背景 第一章绪论 射频识别技术【1 】即i 强i d ( 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 ) ，它利用射频信号的空 间耦合或雷达反射的传输特性，实现对物体的自动识别。识别工作无须人工干预， 可工作于各种恶劣环境等优点，受到越来越多的关注，其关键技术之一防碰撞 技术也成为众多科研人员研究的对象。 i 江i d 技术直接继承了雷达的概念，并由此发展起来。1 9 4 8 年，哈里- 斯托克曼 ( h a 田rs t o c l 【i i l a l l ) 发表的“利用反射功率的通信”奠定了射频识别的理论基础，成为射 频识别理论f 2 】 【5 】领域的不朽之作。 r f i d 技术最早起源于雷达技术，其历史可追溯至2 0 世纪初期【6 1 。按照r f i d 技术的发展过程，可以将其发展划分为以下几个阶段： ( 1 ) 1 9 4 l 1 9 5 0 年雷达的改进和应用催生了i u i d 技术，1 9 4 8 年奠定了r f i d 技术的理论基础。 ( 2 ) 1 9 5 1 1 9 6 0 年早期i 强i d 技术的探索阶段，主要处于实验室研究阶段。 ( 3 ) 1 9 6 1 1 9 7 0 年r f i d 技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。 ( 4 ) 1 9 7 1 1 9 8 0 年r f i d 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种i 江i d 技术测试得到加速，出现了一些最早的i 讧i d 应用。 ( 5 ) 1 9 8 l 1 9 9 0 年r f i d 技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始 出现。 ( 6 ) 1 9 9 1 2 0 0 0 年i 疆i d 技术标准化问题日趋得到重视，r f i d 产品得到广泛 采用，i 强i d 产品逐渐成为人们生活中的一部分。 ( 7 ) 2 0 0 1 年至今标准化问题日趋为人们所重视，i 强i d 产品种类更加丰富， 有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降 低，规模应用行业扩大，i 江i d 技术的理论得到了丰富和完善。 1 2 研究意义 1 2 1r f i d 优点 i 心i d 作为一种古老又年轻的自动识别技术，存在着无可比拟的优势。表现为： 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s l s ( 1 ) 快速扫描 与传统的条形码相比，r f i d 读卡器可同时读取多个r f i d 标签，因此可以大 大提高工作效率。 ( 2 ) 体积小型化、形状多样化 i 江i d 在读取上并不受尺寸大小与形状限制，且可往小型化与多样形态发展， 以应用于不同产品。 ( 3 ) 抗污染能力和耐久性 传统条形码的载体是纸张，容易受到污染，但i 江i d 对水、油和化学药品等物 质具有很强抵抗性，且r f i d 卷标是将数据存在芯片中，可免受污损。 ( 4 ) 可重复使用 现今的条形码印刷上去之后就无法更改，r f i d 标签则可以重复地新增、修改、 删除r f i d 卷标内储存的数据，方便信息的更新。 ( 5 ) 穿透性和无屏障阅读 在被覆盖的情况下，r f i d 能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材 质，并能够进行穿透性通信。 ( 6 ) 数据的记忆容量大 i 强i d 最大的容量则有数兆字节。随着记忆载体的发展，数据容量也有不断扩 大的趋势。 ( 7 ) 安全性 由于i 心i d 承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保护，使其内容不易 被伪造或更改。 ( 8 ) 确保产品质量 在仓储物流过程中可以有效控制产品的生产日期，有效日期以及产品质量。 ( 9 ) 有效跟踪物流动态 r f i d 可以增加货物流通过程的能见度和正确性，减少存货持有的成本和搬运 成本，此外，在整个供应链的使用过程中，r f i d 还可以使各个公司的产品需求预 测更为精确，存货管理更加方便。同时还可以通过物流中心的装置的读取设备，避 免含有r f i d 标签的货物被偷窃，减少损失和数量不正确的情况发生。 1 2 2i 讧i d 存在的问题 i 强i d 在推广应用中遇到了不少挑战7 1 ，主要表现在成本、标准、精确度与应用 模式等方面，主要表现在： 2 硕士学位论交 m a s t e r st h e s i s ( 1 ) 标准化问题 标准化是推动产品广泛获得市场接受的必要措施，但射频识别阅读器与标签的 技术仍未见其统一，因此无法一体化使用。此外，标签的芯片性能，存储器存储协 议与天线设计约定等，也都没有统一标准。 ( 2 ) 价格问题 价格问题是制约r f i d 标签推广应用市场发展的巨大瓶颈之一。r f i d 系统不论 是标签、阅读器和天线，其价格都比较昂贵。 ( 3 ) 技术的突破 r f i d 技术上尚未完全成熟，特别是应用于某些特殊的产品，如液体或金属罐 等时，大量i u i d 标签无法正常起作用。标签的可靠性也是个大问题。就目前看来， 现在普遍使用的1 3 4 k h z 和1 3 5 6 z 因传输距离太短，限制了阅读器和r f i d 标签 间的传输距离，使若干标签不能有效地被读取，标签失效率很高。 ( 4 ) 人员失业、隐私保护以及安全问题 企业采用射频识别系统后，原来由手工完成的工作将有很多被该系统取代，其 衍生而来的问题就是将有许多劳工面临失去工作的危机。同时i 江i d 的大规模应用 还会涉及到隐私保护以及安全问题，当前的无源r f i d 系统没有读写能力，所以无 法使用密钥验证方法来进行身份验证。正因为如此，目前的i 江i d 技术要想在对信 息有保密要求的领域展开应用还存在着障碍。 1 3 研究现状 1 3 1 国外研究现状 随着r f i d 理论基础的确立，r f i d 技术逐渐从概念步入到商业应用阶段1 8 j ，美 国、法国、意大利、西班牙和日本等国家都在不同的应用领域使用r f i d 系统。第 一个实用的r f i d 电子收费系统于1 9 8 7 年在挪威正式使用。近年来在国外有很多公 司都投入了一定的力量来研究。韩国已经成功地将研究成果应用到了公交行业， 1 9 9 6 年初韩国已经在汉城投入运营了非接触式电子车票系统；欧共体宣布1 9 9 7 年 开始生产的新车型必须具有基于i u i d 技术的防盗系统；欧盟将i 强i d 技术用到 “i c 灿也 和“c a i 胛s o 项目上，形成了一个基于i 强i d 技术的“信用卡 系统； 德国汉莎航空公司对高频率乘客发放的m i i e s & m o r e 卡，也是应用了i 强i d 技术， 大大提高了机场的效率，节省了乘客的时间；德国的宝马公司将i 心i d 系统应用在 生产流水线的生产控制过程中。这些应用的成功标志着r f i d 系统已经占据了信息 3 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s l s 系统中举足轻重的地位。 从i 强i d 全球的应用范围1 9 】【1 0 】来看，美国在r f i d 标准的建立、相关软硬件技 术的开发和应用都走在世界前列：欧洲i u i d 标准追随美国主导的e p c 酉o b a l 标准。 在封闭系统应用方面，欧洲与美国基本处在同一阶段。日本虽然己经提出了u i d 标 准，但主要得到的是本国厂商的支持，如要成为国际标准还有很长的路要走。i 江i d 在韩国的重要性得到了加强，政府给予了高度重视。 在产业方面，t i 、i n t e l 等美国集成电路厂商目前都在r f i d 领域投入巨资进行 芯片开发；s y i i l _ b o l 己经研发出同时可以阅读条形码和r f i d 的扫描器；i b m 、 m i c r o s o r 和h p 等也在积极开发相应的软件及系统来支持i 心i d 的应用。目前美国 的交通、车辆管理、身份识别、生产线自动化控制、仓储管理及物资跟踪等领域已 经开始逐步应用i u i d 技术。在物流方面，美国己有1 0 0 多家企业承诺支持i 讧i d 技术，这其中包括：零售商沃尔玛、制造商吉列、强生、宝洁、物流行业的联合包 裹服务公司以及政府方面国防部的物流应用等。 欧洲的p 1 1 i l i p s 、s t 在积极开发廉价i 江i d 芯片；c h e c k p o i n t 在开发支持多系统 的i u i d 识别系统；诺基亚在开发能够基于r f i d 的移动电话购物系统：s a p 则在 积极开发支持r f i d 的企业应用管理软件。 日本在电子标签研究领域起步较早，政府也将i 强i d 作为一项关键的技术来发 展。m p h p t 在2 0 0 4 年3 月发布了针对r f i d 的“关于在传感网络时代运用先进的 i 疆i d 技术的最终研究草案报告”，报告称m p h p t 将继续支持测试在u h f 频段的被 动及主动的电子标签技术，并在此基础上进一步讨论管制的问题；韩国主要通过国 家的发展计划，再联合企业的力量来推动r f i d 的发展，即主要是由产业资源部和 情报通信部来推动r f i d 的发展计划。虽然目前韩国在r f i d 的开发和应用领域乏 善可陈，但值得引起关注的是在韩国政府的高度重视下，韩国关于i u i d 的技术开 发和应用试验正在加速展开。 1 3 2 国内研究现状 目前在我国也有很多公司在进行r f i d 的研发，如深圳世纪潮智能科技有限公 司、信安数据系统有限公司、杭州力汇电子有限公司、t a g m a s t e r ( 中国) 有限公司、 北京兰德华电子技术有限公司、上海华虹集成电路有限公司等，有的公司已经开发 出了有关的产品。这些产品已广泛用于服务、销售、分配等领域，如动物识别器、 门禁卡机、指纹考勤机、电子闭锁防盗装置、产品产量统计、产品质量跟踪、产品 防伪、公交车系统等。为适应全国信息化技术的要求，我国铁道部于1 9 9 9 年开始 4 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 投资建设自动车号识别系统，并于2 0 0 0 年开始正式投入使用，作为电子清算的依 据。2 0 0 1 年7 月，上海虹桥国际机场组合式电子不停车收费系统( e t c ) 试验开通， 该项目被国家经贸委和交通部确定为“高等级公路电子收费系统技术开发和生产创 新”项目的示范工程。 中国i 疆i d 联盟于2 0 0 5 年1 1 月在北京宣告成立，4 0 0 余家中外企业申请加入， 其中包括世界5 0 0 强中的2 0 个跨国企业。作为国家金卡工程2 0 0 5 的一项重要成果， 中国r f i d 联盟将联合国内致力于射频识别与电子标签的发展与应用，以及新型信 息服务业建设的企事业单位及个人，在平等互利、优势互补、资源共享、合作共赢 的原则下，积极推动i 强i d 技术与电子产品的自主创新与科学发展。 1 4 本文的主要内容 i 江i d 技术的发展得益于多项技术的综合发展。所涉及的关键技术大致包括： 芯片技术、天线技术、无线收发技术、数据变换与编码技术、电磁传播特性。i u d 技术的发展已经走过5 0 余年，在过去的1 0 多年里得到了更快的发展。随着技术的 不断进步，r f i d 产品的种类将越来越丰富，应用也越来越广泛。可以预计，在未 来的几年中，l 强i d 技术将持续保持高速发展的势头。 本文主要对r f i d 系统及其关键技术进行了研究，重点研究了其中的防碰撞技 术。从数字通信的角度出发，对现存的防碰撞技术进行了分析和介绍，给出了各自 的优缺点，并在现在的技术的基础上进行了改进和处理，从而提出了新的防碰撞算 法并对其进行了分析。本文的仿真分析都是基于美国m a t h w o r k s 公司开发的 m a t l a b 软件进行的。 主要的内容安排如下： 第一章为绪论，介绍了本课题的研究背景、意义和本课题的研究现状； 第二章介绍了r f i d 系统的组成及工作原理，并研究了与其相关的各种理论依 据，基于电磁场和数字通信的角度对其传输的能量、编码、数据的调制解调、传送 方式等进行了分析；最后给出了其技术的研究并提出了未来i u i d 系统发展的新方 向。 第三章对本文讨论的i 疆i d 技术中的关键技术之一防碰撞技术进行了详细 的分析与讨论。从防碰撞的基本原理，设计要求，指令，防碰撞的硬件和软件方案 等方面进行了研究，并对当前存在的防碰撞算法进行了详细介绍。 第四章是讨论的重点内容之一，从数学的角度对帧时隙a l o h a 算法及其性能 进行了分析，并用计算机对分析的结果进行了仿真。仿真结果从理论上证实了其可 5 嚣、 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 行性和优越性。 第五章同样是讨论的重点。本章首先介绍了现有的两种防碰撞算法：查询树算 法和二叉树堆栈算法，给出了其核心思想，并基于两者的思想，对两者进行了揉和 和借鉴，从而产生了一种新的基于两者的算法；并对该算法的性能进行了分析，并 对其进行了仿真，证实了其理论可行性与优越性，结合硬件的条件，证明该算法也 有一定的实用性。 第六章对全文的工作做了总结，并对将来的工作方向进行了展望。 本文的创新点在于： ( 1 ) 对现有的防碰撞算法，结合数学的相关知识，对算法的过程进行了随机 模拟，构建了其数学模型上，从数学的角度给出了其可行性及优越性，并对其进行 了仿真。 ( 2 ) 参考了二叉树堆栈和查询树算法的思想，对其分别进行了讨论，且在其 上继续延伸，给出了一种改进的防碰撞算法，对其可行性、优越性进行了分析，并 用计算机进行了仿真验证。 6 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 第二章i i d 系统概述及相关技术 2 1r f i d 系统组成及工作原理 2 1 1i 强i d 系统组成 i i d 系统由三大部分组成【1 1 1 ：电子标签( t a g ) 、阅读器( r e a d e r ) 和数据管理系 统，如图2 1 所示。 图2 1 射频识别系统基本组成 电子标签又称为射频卡、应答器、数据载体等。每个电子标签都含有唯一的 识别码，用来表示电子标签所附着的物体。电子标签上有数kb i t s 的存储单元，可 以反复读写l o ，0 0 0 次以上。i 江i d 标签分为主动式( a c t i v e ) 和被动式( p 嬲s i v e ) 两种。 主动式标签主动向阅读器发送射频信号，通常由内置电池供电，又称为有源标签； 被动式标签不带电池，又称为无源标签，其所需能量均由阅读器所产生的电磁波提 供，它在接收到阅读器发出的电磁波信号后，将部分电磁能量转化为供自己工作的 本文统一称为标签 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 能量。其性能比较如表2 1 所示。 表2 1 有源标签与无源标签性畿 有源( a c t i v e ) 标签无源( p a l s s i v e ) 标签 能量来源自身电池，可持续供电通过电磁感应获取 工作距离可达1 0 0 m3 5 m ，通常2 0 4 0 c m 存储容量可达1 6 k 字节以上通常小于1 2 8 字节 信号强度要求 低向 平均价格 高低 工作寿命 2 4 年长 阅读器又称为读出装置、扫描器、读头、通信器、阅读器。阅读器是读写电 子标签信息的设备，其主要任务是控制射频模块向标签发射读取或写入信号，并接 收标签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其它 相关信息传输到主机以供处理。 数据管理系统主要由人对计算机实行控制来完成，主要是数据信息的存储及管 理，它通过网络与分散在异地的阅读器通信，实时获取阅读器捕获到的电子标签信 息。 2 1 2 基本工作流程 射频识别系统的基本工作流程如下： ( 1 )阅读器将无线电载波信号经过发射天线向外发射； ( 2 )当电子标签进入发射天线的工作区时，电子标签被激活，将自身信息的 代码经天线发射出去； ( 3 )系统的接收天线接收电子标签发出的载波信号，经天线的调节器传输给 阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调解码，送往后台的数据处理系统； ( 4 )数据处理系统判断该标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和 控制，完成相应的动作。 本文统一称为阅读器 8 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 2 2r f i d 基本理论与技术 2 2 1 电磁波理论 射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递并通过 所传递的信息达到识别目的的技术，其基本原理是电磁理论。 由电磁学的基本知识我们知道变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。而 当电场是连续交变的，则将产生交变的磁场，连续交变的磁场又将产生连续交变的 电场。由于随时间变化的电磁场的相互依赖关系，于是在空间中有一系列的电场和 磁场效应。 麦克斯维方程对电磁场的这种性能进行了描述，为方便起见，将麦克斯维方程 写为频域表达形式如下： v e = 歹彩b ( 2 2 - 1 ) v 日= t ，一，国d ( 2 2 2 ) v d = p v 曰= o 其中：以“舻i t 在方程( 2 2 1 ) ( 2 2 - 4 ) 中： e - 电场强度矢量m ) h = 磁场强度矢量( f m ) b = 磁感应强度矢量( t ) d = 电感应强度矢量( c m ? ) j = 体电流密度矢量( m 3 ) p ：体电荷体密度矢量( c m ? ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 2 2 2i 疆i d 系统能量的传输 电子标签在工作时，本身没有电源，因此需要从阅读器发送的电磁波中获取能 量，在电子标签接收数据期间，它一方面从接收到的信号中解调出数据信息，另一 方面从接收到的信号中提取能量。当电子标签返回数据时，是通过负载调制的方式， 使标签天线上的信号幅度发生变化，这样耦合到阅读器的天线上的信号幅度也就发 生相应的变化，从而使阅读器得到电子标签返回的信息，同时电子标签将阅读器上 的电磁波信号耦合过来，提供电子标签工作所需的能量。 9 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 阅读器和标签之间的射频信号的耦合类型【1 3 j 有两种： ( 1 ) 电感耦合，即变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是 电磁感应定律【1 4 1 ，只要穿过回路的磁通量发生变化，电路中将产生感应电动势。 ( 2 ) 电磁反向散射耦合，即雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后 返回，携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播【l5 j 规律。 2 2 3 通信系统中的信号传输 在数字通信系统中，为了保证信息能够准确无误地传送到接收端，在发送端通 常要将发送信息作各种处理1 16 】，常见的如编码，调制，滤波等。接收端利用和发送 端相反的处理将所要获取的信息提取出来，模型如图2 2 所示。 图2 2 数据的传送框图 2 2 4 信号的编码 信号编码【1 5 】的作用是使要传输的信息尽可能最佳地与传输通道的性能相匹配， 从而对信息提供某种程度的保护，以防止信息受干扰或相碰撞。 在r f i d 系统中常用的编码方法有以下几种编码方法： m 逻编码：“高”信号表示二进制l ，“低 信号表示二进制o 。在f s k 或p s k 调制中几乎仅仅使用n i 屹编码。 曼彻斯特编码：在半个周期的下降沿表示1 ，半个周期的上升沿表示o 。 在数据传输过程中“没有变化 的状态是不允许的，将作为错误被识别，从而可以 检测出碰撞，如图2 3 所示。 单极性归零编码：在半个比特周期中的“高 信号表示二进制1 ，而持续整 】0 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 个周期的低信号表示二进制o 。 差动双相编码( d b p ) ：在半个比特周期中的任意边缘表示二进制o ，而没有 边缘就是二进制1 。此外在每一个比特周期开始时，电平都要反向，这样对于接 收器来说位节拍信号容易重建。 m i l l e r 编码：在半个比特周期的任意边缘表示二进制l ，而经过下一个周期 中不变的l 电平表示二进制o 。如果连续一串0 ，则在o 比特周期开始 时产生电平交变。 变形m i l l e r 编码：变形m i l l e r 编码相对于m i l l e r 编码来说，将其每个边沿都用 负脉冲代替，由于负脉冲的时间很短，可以保证数据传输过程中从高频场中连续给 标签提供能量。变形m i l l e r 编码在电感耦合的i 强i d 系统中用于从阅读器到标签的 数据传输。 m a i l c h e s t e r 编码 101l0olo 标签1 标签2 lolol0 1 o 觇l 扒n 寸扒n 小卜a n 犷州 阅读器上的混合信号 数据流的译码 图2 3m a n c h e s t e r 码的冲突检测 2 2 5 数据的调制与解调 由于r f i d 系统是一个数字通信系统，所以一般用数字调制的方法进行调制。 数字调制是用载波信号参量的离散状态来表征所传输的数字信息，在解调时只需对 载波信号的受调参量进行检测和判决，数字调制信号因此称为键控信号。由于载波 信号是正弦波信号，相应于幅度、频率和相位，有调幅、调频和调相三种基本形式， 】 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 在电子标签中常采用调幅形式。 阅读器向标签数据发送数据的过程中，采用l o o 或1 0 的幅度调制m ，如表 2 2 所示。 表2 2 阅读器到标签的数据传输 p c d p i c ca 型b 型 调制 a s k l o o a s k l 0 ( 键控度8 1 2 ) 位编码 改进的m i l l e r 编码n r z 编码 位级同步( 帧起始，帧结束标每个字节有一个起始位和结束 同步 记)位 波特率 1 0 6 k b d 1 0 6 k b d 在电子标签返回给阅读器数据的过程中，采用负载调制方式，如表2 3 所示。 负载调制是幅度调制的一种形式，它是通过改变天线的负载，从而改变天线两端信 号幅度的一种调制方式。这种调制方式在1 2 5 k h z 和1 3 5 6 m h z 射频识别系统中得 到了广泛的应用。对a s k 调制的信号的解调常有相干解调方法和包络检波法两种。 对1 0 0 的幅度调制信号可采用包络检波法【l8 】进行调解；而对于1 0 的幅度调制信 号，由于存在判决门限低的问题，需要进行特殊的考虑。 表2 3 标签到阅读器的数据传输 p i c c p c da 型b 型 用振幅键控调制8 7 k h z 的负用相位键控调制的8 4 7 乜 调制 载调制的副载波的负载调制的副载波 位编码 m a n c h e s t e r 编码n r z 编码 1 位“帧同步”( 帧起始，帧结每个字节有一个起始位和一 同步 束标记)个结束位 波特率 1 0 6 k b d1 0 6 k b d 2 2 6 数据传输方法 为了进行通信，必须在标签和阅读器之间能够传输数据，数据传输使用了三种 基本不同的方法：全双工、半双工以及时序法。如图2 4 所示。 1 2 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 方式 f d x ( 全双 3 丑艺啦n 羽丹：i， 下俺4 j 。：一! 一 上l 奄 ， 一 ：愀睾双d h 正嚣口啊鼍硼敷 一 乃够 卜舷 ， ，、l 涮时粥 能黝冬输， _ 1 _ 上 卜1 亥一、夕 1， 气 i o 囊 图2 4 全双工、半双工、时序法的比较 在半双工法中，从标签到阅读器的数据传输与从阅读器到标签的数据传输是交 替进行的，当频率在3 0 m h z 以下时常常使用负载调制的半双工法。 在全双工法中，数据在标签和阅读器之间的双向传输是同时进行的。 半双工与全双工的共同点是从阅读器到标签的能量传输是连续的，与数据传输 的方向无关。 时序法是从阅读器到标签的能量传输总是在限定的时间间隔内进行的，从标签 到阅读器的数据传输是在标签能量供应间歇时进行的。 2 3r f i d 技术研究 当前，r f i d 技术是当今各大厂商争夺的焦点，因此r f i d 技术的研究就变的 尤其重要。目前研究【l9 】的方向都集中在工作频率选择、天线设计、防碰撞技术和安 全与隐私保护等方面。 2 3 1 工作频率选择 工作频率选择【2 0 】是i 强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i 强i d 工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，还影响标签与阅读器的价格。此外，无线电发射功率的差别影响阅读器作用距 1 3 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 离。表2 4 为i 疆i d 频段特性表。 表2 4 姗频段特性 频段描述作用距离穿透能力 1 2 5 1 3 4 她低频( l f ) 4 5 c m 能穿透大部分物体 1 3 5 5 3 1 3 5 6 7 m h z高频( h f ) 1 3 m 勉强能穿透金属和液体 4 0 0 10 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 2 3 2i 强i d 天线技术 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。天线按工作频段可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性可分 为全向天线、定向天线等；按外形可分为线状天线、面状天线等。当前对i i 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。 天线结构决定了天线方向图、极化方向、阻抗特性、驻波比、天线增益和工作 频段等特性。天线特性受所标识物体的形状及物理特性影响，同时也受周围物体和 环境的影响。障碍物会妨碍电磁波传输；金属物体产生电磁屏蔽，会导致无法正确 地读取电子标签内容；其他宽频带信号源，比加发动机、水泵、发电机和交直流转 换器等，也会产生电磁干扰，影响电子标签的正确读取。如何减少电磁屏蔽和电磁 干扰，是r f i d 技术研究的一个重要方向1 2 1 1 。 2 3 - 3 防碰撞技术研究 对于一个i 心i d 系统，标签中存储有需要识别、交互的数据。在很多应用场合， 阅读器要在很短时间内尽快识别多个标签。鉴于多个电子标签工作在同一频率，当 它们处于同一个阅读器作用范围内时，在没有采取多址访问控制机制情况下，信息 传输过程将产生碰撞，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 造成碰撞。为了保证信息的正确传输，应采用防碰撞技术尽可能地避免碰撞的发生。 r f i d 系统中的碰撞分为阅读器碰撞和标签碰撞瞄】。阅读器碰撞是指多个阅读 器同时与一个标签通信，致使无法区分阅读器的信号，也包括相邻的阅读器同时使 用相同的频率及其阅读区域内的标签通信而引起的频率冲突。标签碰撞是指多个标 签同时响应阅读器的命令而发送信息，引起信号冲突，使阅读器无法识别标签。 文献 2 3 提出了c o l o rw a v e 算法以解决阅读器碰撞问题。根据电子标签工作频 1 4 、：一， 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 段之不同，人们提出了不同的防碰撞算法。对于标签碰撞，在高频( 砸) 频段，标 签的防碰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阅读器传送信息的方法，来避免碰撞。在超高频( u h f ) 频段， 主要采用树分叉算法来避免碰撞。同采用a l o h a 协议的高频频段电子标签相比， 树分叉算法泄漏的信息较多，安全性较差。上面两种标签防碰撞方法均属于时分多 址访问( t d m a ) 方式，应用比较广泛。本论文将重点讨论此方面的内容。 2 3 4 安全与隐私问题 同其他智能卡相比，射频卡具有很多优点，但也存在一定的不足，如安全性能 不够，所以在银行等其它方面对安全性较高的场合的应用受到限制，主要有： ( 1 ) 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； ( 2 ) 避免由于r f i d 系统读取速度快，可以迅速对超市中所有商品进行扫描 并跟踪变化，而被利用来窃取用户商业机密； ( 3 ) 防护对i 江i d 系统的各类攻击，如：重写标签以窜改物品信息；使用特 制设备伪造标签应答欺骗阅读器以制造物品存在的假相；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； ( 4 ) 如何把r f i d 的唯一标识特性用于门禁安防、支票防伪、产品防伪等。 为了避免i 玎i d 标签给客户带来关于个人隐私的担忧，同时也为了防止用户携带安 装有标签的产品进入市场所带来的混乱，很多商家在商品交付给客户时把标签拆 掉。这种方法增加了系统成本，降低了标签的利用率，且有些场合标签不可拆卸。 为解决上述安全与隐私问题，人们还从技术上提出了多种方案【2 4 】。 2 4 本章小结 本章首先从宏观的角度介绍了i 讧i d 系统的组成及工作原理，然后针对目前存 在的技术问题进行了分析。首先给出了系统组成框图，结合框图阐述了各部分的主 要功能，其次给出了一些基本的理论知识，重点介绍了r f i d 系统工作时的能量及 数据传送情况，借鉴了数字通信系统中信号的编解码及调制解调等知识，最后提出 了当前i 江i d 技术研究中的重点及难点，提出了研究的方向。 1 5 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s l s 第三章防碰撞技术 在射频识别技术的发展过程中，防碰撞技术是信号识别与处理【2 研的关键技术 之一。当在阅读器的天线区域中有多个标签到达时，因为它们可能同时发送信号， 将会产生信道争用的问题，信号互相干扰，即发生了碰撞。为了解决信号之间相互 干扰的问题，产生了防碰撞技术。 3 1 防