[硕士论文精品]超高频射频识别通信协议研究及实现

上海交通大学硕士学位论文IV超高频射频识别通信协议研究及实现摘要射频识别是一种新兴的自动识别技术，以含有射频识别芯片的标签为识别对象、无线电波为信息传输载体，具有免接触、无需人操作、识别速度快、识别目标信息可修改等优点。超高频射频识别是一种利用超高频射频为载波与标签实现无线通信的射频识别技术，具有更远的识别距离、更广的识别范围、更高的识别深度等特性。EPC技术是以含有EPC标识码的射频识别标签为基础、结合互联网技术的射频识别系统，目的是识别、收集和管理全球的产品信息，形成全球统一的物流网体系。本文详细分析了最新的EPCCLASS1GENERATION2射频识别通信协议，并基于该协议实现包括阅读器、标签和上位机在内的射频识别通信系统，提出抗冲突算法以及扩谱跳频通信方式，改善射频识别的效率。关键词射频识别，超高频，电子产品代码，阅读器，抗冲突，扩谱跳频上海交通大学硕士学位论文VRESEARCHANDIMPLEMENTATIONOFULTRAHIGHFREQUENCYRADIOFREQUENCYIDENTIFICATIONCOMMUNICATIONPROTOCOLABSTRACTRDIDISANEWAUTOIDENTIFICATIONTECHNOLOGYBASEDONRFIDTAGSANDRADIOWAVEITPROVIDESACONTACTLESSANDMANFREEMETHODOFIDENTIFICATIONWITHFASTIDENTIFICATIONANDMODIFIABLETARGETINFORMATIONUHFRFIDISONEKINDOFRFIDTECHNOLOGYBYWHICHTHEDEVICESIMPLEMENTWIRELESSCOMMUNICATIONWITHTAGSATUHFFREQUENCYBANDBESIDESTHEADVANTAGESLISTEDABOVEITALSOPROVIDESLONGERIDENTIFICATIONDISTANCE,WIDERIDENTIFICATIONRANGEANDDEEPERIDENTIFICATIONDEPTHEPCTECHNOLOGYISTHECOMBINATIONOFRFIDANDINTERNETITISASYSTEMTOIDENTIFY,COLLECTANDMANAGETHEPRODUCTALLOFTHEWORLDBYWHICHMEANINGSEPCCANBUILDAWORLDWIDENETOFPRODUCTCALLEDEPCGLOBALNETWORKTHISPAPERANALYSESTHELATESTEPCCLASS1GENERATION2RFIDCOMMUNICATIONPROTOCOLINDETAILAND上海交通大学硕士学位论文VIIMPLEMENTSARDIDCOMMUNICATIONSYSTEMBASINGONIT,INCLUDINGINTERROGATOR、TAGANDPCHOSTINORDERTOIMPROVETHERATIOOFIDENTIFICATIONTHISPAPERALSOOFFERANANTICOLLISIONARITHMETICANDHFSSCOMMUNICATIONMETHODKEYWORDSRFID，UHF，EPC，INTERROGATOR，ANTICOLLISION，HFSS上海交通大学硕士学位论文IX图索引图1线圈磁耦合原理2图2电磁波空间传输3图3射频识别系统组成4图4EPC组成关系图7图5阅读器至标签通信过程的信道编码格式11图6实际信道信号包络12图7RT前导码13图8RT同步帧13图9FM0编码格式14图10FM0编码举例14图11FM0前导码15图12MILLER编码格式15图13MILLER副载波编码举例16图14MILLER前导码17图15负载调制实现原理18图16通信链路时间指标示意图19图17EPCC1G2标签芯片内部记忆体地址分配20图18EPCC1G2标签状态转移图21图19全向天线与半波偶极子天线的辐射功率谱26图20数字电路框图28图21模拟电路框图28图22简单EPC射频识别系统仿真30图23简单EPC射频识别系统解调波形30图24数字分频锁相器原理图31图25二等分分功率器32图26二等分分功率器模型32图27二等分分功率器版图模型33图28平衡功放结构33图29平衡功放抵消反射波原理34图30环行器35图31环行器功率计算35图32定向耦合器36图33定向耦合器功率计算36图34混合信号分离器37图35差分I/Q解调电路37图36简化差分接收电路38上海交通大学硕士学位论文X图37分离元器件混频电路39图38运放图标39图39简单单电源运放组成反向放大器41图40简单单电源运放组成改进型反向放大器42图41低电阻实现简单单电源运放组成反向放大器43图42EPC阅读器识别EPC标签的过程46图43单个EPC射频识别标签的识别过程47图44自适应Q值的抗冲突算法48图45跳频数据通信对比50图46跳频时间测量51图47跳频图案51图48跳频实现52图49超高频射频识别子信道分配52图50信道侦测53图51调制信号包络54图52无EPC标签时的接收信号55图53有EPC标签时的接收信号55图54无调制信号发射频谱56图55调制信号发射频谱57图56EPCC1G2发射频信号功率限制57图57发射信号最大功率58上海交通大学硕士学位论文XI表索引表1超高频射频识别与条码的比较4表2RT通信主要参数10表3TR通信主要参数10表4TARI和PW的限制条件11表5包络限制条件12表6T1，T2，T3，T4限制规范19表7主要硬件设计指标25表8二等分分功率器性能参数33表9定向耦合器个端口含义36表10SELECT命令44表11QUERY命令44表12QUERYADJUST命令45表13固定Q值的抗冲突算法步骤举例，Q取247表14自适应Q值的抗冲突算法步骤举例，Q取248表15功率衰减测量58上海交通大学硕士学位论文XII术语和定义CW连续载波，指连续稳定的载波，为标签工作提供能量DBM以MW为单位的相对功率增益DBI依照EIRP方式为参考标准的相对功率增益EIRP等效全向辐射功率，以全向天线为参考的功率增益ERP有效辐射功率，以半波偶极振子为参考的功率增益INTERROGATOR阅读器，发送接收射频信号的设备RF射频，一种无线电频率，声音频率与红上频率之间的电磁波频率，用于无线电和电视发射RFID射频识别，通过射频通信进行物体自动识别TAG标签，这里特指整合有RFID芯片以及RFID天线的物体UHF超高频，通信使用频段的一种称呼，范围为300MHZ至3GHZHALFDUPLEX半双工，一种通信交换数据的方式，发送和接收是分开进行的两个过程上海交通大学硕士学位论文XIII符号说明A信号电场包络平均高电平B信号电场包络平均低电平LF标签信息返回时的频率MH信号包络过冲电平ML信号包络下冲电平RTCAL阅读器至标签基本信息单元的校准符号RT阅读器至标签的下行通信TARI阅读器至标签通信“0”编码的时间长度TF信号包络下降时间TR信号包络上升时间TRCAL标签至阅读器基本信息单元的校准符号TPRI信元间隔时间，即1/LFTR标签至阅读器的上行通信上海交通大学硕士学位论文XIV缩略语CRCCYCLICREDUNDANCYCODECWCONTINUOUSWAVEDSBASKDOUBLESIDEBANDAMPLITUDESHIFTKEYINGEIRPEQUIVALENTISOTROPICRADIATEDPOWEREPCELECTRONICPRODUCTCODEEPCC1G2EPCCLASS1GENERATION2ERPEFFECTIVERADIATEDPOWERFCCFEDERALCOMMUNICATIONSCOMMISSIONHFSSFREQUENCYHOPPINGSPREADSPECTRUMISMINDUSTRIAL,SCIENTIFICANDMEDICALLBTLISTENBEFORETALKLNALOWNOISEAMPLIFIERONSOBJECTNAMINGSERVICEPCBPRINTCIRCUITBOARDPIEPULSEINTERVALENCODINGPMLPHYSICALMARKUPLANGUAGEPRASKPHASEREVERSALAMPLITUDESHIFTKEYINGRFIDRADIOFREQUENCYIDENTIFICATIONSSBASKSINGLESIDEBANDAMPLITUDESHIFTKEYINGTIDTAGIDENTIFIERUHFULTRAHIGHFREQUENCY上海交通大学硕士学位论文II上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名戴永清日期2006年1月18日上海交通大学硕士学位论文III上海交通大学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，同意学校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。本人授权上海交通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。保密，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名戴永清指导教师签名薛质日期2006年1月18日日期2006年1月18日上海交通大学硕士学位论文1绪论射频识别，RFID，是英文RADIOFREQUENCYIDENTIFICATION的缩写。射频识别是一种自动识别技术，它主要由三部分组成，阅读器（INTERROGATOR）、天线（ANTENNA）和标签（TAG）。阅读器是命令发送和接收的主体，通过使用稳定的载波频率，将所需发送的命令利用相应的数字调制技术加载于载波之上进行传播，同时检测回波信号，解调出对应的响应信息，完成一个通信周期；天线则是电磁波发射接收的工具，不同天线具有不同的增益、不同的极化方向、不同的半功率角度等参数，应当选择合适的天线以适应不同应用环境的需求；标签是对象识别信息的载体，具有全球统一且唯一的识别码用以区分每一个识别对象。射频识别是利用电磁波进行识别的新技术，因此具有非接触、无需人为干预、识别速度快、识别效率高、识别范围广、抵抗环境污染、标签可反复利用、可携带对象相关信息等多种优点，射频识别已广泛地应用于各种场合，诸如物流、防伪、身份认证、供应链、高速公路不停顿收费、仓储管理等。本文主要论述超高频射频识别协议EPCCLASS1GENERATION2以及实现该协议的阅读器设计。首先通过学习相应的理论知识，经过反复的设计论证，形成EPC阅读器的系统结构框架，经过投板、生产、焊接、调试后，验证设计的可行性与预期的性能，其间需要经过一个反复的过程，理论指导实践，是实践的指挥棒，但是理论不等于实践，实践过程中需要使用获得的实际经验修正原有的设计理念和思路。只有通过如此循而上升的反复循环过程，才能获得理论与实践相结合的宝贵知识经验。其后论述了有关抗冲突算法对识别射频标签的作用与优势，由于在存在有多个射频识别标签的应用环境中，一般的阅读器工作方式不能够有效的读取相应的信息，因此必须使用能够抵抗多个标签通信冲突的方法，才能达到识别的目的，并且提高识别的可靠性。本文还引入扩谱跳频在射频识别中的应用，通过使用扩谱跳频，使信号的能量均匀得分布在一定的带宽内，减小外界固定频率对通信的干扰以及通信被侦听的可能性。最后通过实际对阅读器的参数测试验证系统设计的指标。本文章节安排如下第一章主要阐述射频识别基础理论、射频识别的工作原理方式和优点与应用，并且论述了EPC的相关理论知识，EPC的系统结构组成；第二章阐述了EPCCLASS1GENERATION2射频识别通信协议，详细分析了协议中有关射频通信的相关要点、通信过程、状态转移等；第三章阐述了基于EPC射频通信协议设计的阅读器结构框架，重点阐述了对应的指标性能，并且使用仿真工具对其原理进行仿真，验证设计的可行性；第四章阐述了阅读器设计过程中涉及的主要关键功能模块，详细论述了各模块的设计方法和几种相关设计的比较结果；第五章阐述了抗冲突算法和扩谱跳频在射频识别中的应用；第六章阐述了实际测量的阅读器相应指标；第七章对全文做了个总结。上海交通大学硕士学位论文21射频识别和EPC11射频识别原理简介射频识别，RFID，是上世纪90年代才兴起的一种非接触自动识别技术，其工作原理是利用电磁场在磁耦合或空中交变耦合的特性传播信息，自动识别目标并获得目标上携带的相关信息，无需人为干预，无需接触目标，可工作于比较恶劣的环境，不怕污染，可携带对象信息，信息可重复擦除，识别速度快，可识别高速目标，其发展历史可以追述至上世纪40年代，由于战争的需要和雷达技术的催化，产生了射频识别技术，早期，射频识别技术只存在于实验室中，随着时间的推移、科技的进步，射频识别技术不断地得到发展、巩固和飞跃，在7080年代，已经出现了一些初级尝试甚至商业应用，进入90年代后，由于技术的领先性和市场的积极肯定，射频识别技术得到了世界范围内的标准化，有了统一的标准后反过来又积极推动了射频识别技术的应用、发展和普及1。射频识别技术从原理上分可分为两种，一种是利用磁耦合进行通信的近距离射频识别技术，另一种是利用电磁波在空中的交变耦合传输进行通信的远距离射频识别技术2。近距离磁耦合原理见图1所示，通过近距离磁场耦合，交换两个线圈的能量，达到阅读器（INTERROGATOR）向标签（TAG）芯片供电和通信的目的。线圈A线圈B磁场耦合图1线圈磁耦合原理FIG1PRINCIPLEOFLOOPMAGNETCOUPLING磁耦合根据耦合距离的远近还分为密耦合和疏耦合。密耦合指耦合距离在01CM的射频识别耦合方式，此类耦合方式可以为线圈提供较大的能量，驱动功耗要求非常高的射频识别芯片，这种耦合方式一般应用于安全性要求较高的场合，射频识别芯片需要使用非常复杂的运算来确保验证正确性和身份认证以上海交通大学硕士学位论文3及安全的数据交换。ISO/IEC14443协议3中规定使用密耦合进行能量交换。疏耦合指耦合距离在1CM1M的射频识别耦合方式，此种耦合方式只提供一般射频识别芯片工作所需能量，对于实现也无非常高的要求，应用面广泛，几乎现今90的近距离射频识别均使用此类耦合方式工作，ISO/IEC15693协议4中规定使用疏耦合进行能量交换。远距离射频识别通信使用电磁耦合进行能量传输和数据交换，电磁耦合指利用电磁波在空间中的传播特性将能量发送至射频识别标签芯片，传播方式见图2，芯片获得能量后，利用发向散射（BACKSCATTER）原理将数据加载于阅读器发送的电磁波上进行回传。电磁耦合工作距离一般为1M10M，为射频芯片提供的能量很小，所以除了上述无源射频识别芯片外，还有有源射频识别芯片，即标签上携带有电池为芯片提供电源支持，此类射频标签往往具有更好的工作特性和工作距离。图2电磁波空间传输FIG2TRANSMISSIONOFELECTROMAGNETICINFREESPACE在电磁波的传播方向上（图2中横轴箭头所指方向），电场向量E和磁场向量H始终保持相互垂直，且以共同的频率将能量沿传播方向进行传送。本文将重点阐述超高频频段上的远距离射频识别技术和应用，所谓超高频频段指的是工作频率在300MHZ3GHZ内的通信频段，目前在此频段内有两个应用比较成熟的工作频带，900MHZ和245GHZ，本文将针对900MHZ左右频段的射频识别协议进行系统构建。12超高频射频识别系统超高频射频识别系统主要包括阅读器，天线和射频识别芯片三部分5，见图3。阅读器天线射频识别芯片EH上海交通大学硕士学位论文4图3射频识别系统组成FIG3CONSTRUCTIONOFRFIDSYSTEM阅读器指发送接收射频信号的主体，阅读器产生射频载波信号，将所需传送的数据以相应调制方式调制于射频载波信号上，然后馈送至天线进行信号的发射，然后用天线接收射频识别芯片发送回的回应电磁波，经过一定的信号加工处理后提取射频识别芯片发送的回应信息，并根据发送的信息以及经检测后得到的标签回应信息来判断通信是否成功，是否需要进行进一步的操作。天线天线是信号发送接收的载体，在阅读器端，天线将馈送来的调制载波向空间进行发送，射频标签端的天线则接收相应信号并馈送至射频识别芯片进行信号的处理，同时将射频芯片提供的回应信号进行发送，传至阅读器端天线，又阅读器端天线接收信号并向阅读器进行信号的馈送，天线的本质就是发送和接收无线电波。射频识别芯片由于超高频的能量传输原理决定了超高频的射频识别芯片只能接收到极其微弱的能量信号，芯片利用这些能量进行简单且高效的运算后，产生回应信息，由于能量微弱的关系，芯片不可能利用自身的能量发送回应信息，因此引入负载调制原理，射频芯片通过改变与天线接触的阻抗来改变由于阻抗不匹配的关系而产生的反射波的能量大小，利用这种调制方式将回应信息加载于阅读器产生的载波频率上进行回传。也有的超高频射频芯片自备电池以提高发送接收性能，但本文不详细描述其工作原理。13超高频射频识别优点与应用超高频射频识别利用电磁波的空间传播特性，具有多种其它自动识别方式不具有的显著优点，射频识别自从诞生以来就与条码（BARCODE）扫描有着错综复杂的关系，条码扫描系统是现今应用最为广泛的自动识别系统，具有一定的识别距离、比较高的识别率和比较快的识别速度，且使用方便，而超高频射频识别系统于条码相比较具有更为突出的性能优点6，表1列举了两者相比较的结论。表1超高频射频识别与条码的比较比较项目条码超高频射频识别识别距离20CM30CM3M7M，甚至更远识别率比较高比较高识别速度比较快很快，达MS级反应速度一次识别数目单个识别多个识别识别方向性定向性窄定向性宽识别穿透性差良好数据量小大数据写入不可可以标签重复使用性不可可以与条码系统相比，超高频射频识别系统具有更为优越的特点，如今，此类射频识别系统已开始应用于超市结算处用以替代原先使用的条码扫描系统，今后射频识别结算系上海交通大学硕士学位论文5统将组成网络，自动识别结算处经过的货品，无需购买者停留，系统将自动进行标签检测并结算，结算效率将大大增加。以上只是射频识别应用的一个方面，此外超高频射频识别还应用于以下场合789物流管理利用超高频射频识别的远距离识别性和电磁波的穿透性，将射频识别标签安装于有待运输和管理的货物上，通过到处安装的阅读器扫描经过的货物，并将货物的信息上传至服务器，服务器根据所得的数据实时管理跟踪货物，大大加快物流的速度，可以方便的跟踪物流货物的运送和管理，极大程度上减少货物在流通过程中的损失。9防伪和身份认证射频标签携带者全球唯一的序列号，用以辨识物体，具有安全通信机制的射频识别协议将保护射频芯片内存储的信息，唯一的序列号为防伪和身份认证提供了实现的可能性，更重要的是该序列号是通过芯片生产的时候固化在芯片内部的，外界只有通过一定的访问程序才能读出这个序列号，且任何尝试修改该序列号的行为都将被视为非法操作。基于序列号的唯一性，还可以引入相应安全加密算法，对此序列号进行加密运算，实现更为安全的防伪认证机制。9供应链方便的识别和及时的信息收集系统可以为供货商提供即时的供求信息，为平衡和改善供求矛盾提供了强有力的保证，通过无处不在的射频识别阅读器，可以及时地获取供应链中货物的数量以及流通情况，保证供应链的完整性。9高速公路自动收费系统射频识别标签通常安置于汽车前挡风玻璃上，汽车可以以相对较快的速度通过设有射频识别设备的通道，射频设备将自动识别车辆上贴有的射频识别标签，并计算相应的费用，费用核算系统可以在标签上，也可以由专用的服务器完成，以进一步加快通道的通过速度，使用射频识别系统能够极大程度上缓解了高速公路收费处的拥挤状况，增加高速公路的使用效率。9流水线生产和管理将射频标签贴置于生产的产品上，在流水线两边安置阅读器，通过阅读器识别产品上的标签，实时管理流水线生产，调整生产能力，计算出货数量等，生产管理可以简化至只需要远程控制生产机器，因为生产线上全部的产品数据已经通过射频识别传送至主机上了。9仓储管理依靠超高频射频识别的远距离优点，加快仓库货物的进出速度，实时反应出仓库的仓储空余量，加快仓储货物的识别速度，提高仓储管理的效率。上海交通大学硕士学位论文614EPC系统在过去的二三十年间，EANUCC编码为货物的辨识和管理流通做出了杰出的贡献，提高了货物生产、管理、供应的效率，成为了世界最通用的标准之一，然而，以EANUCC编码为主的条码扫描体系已经不适应如今的生产管理供应模式，最突出的缺点就是Z其编码信息的容量决定了EANUCC编码只能针对某类货物，而不是某个货物，这种条码对于现今的许多商品都不再适用，我们需要的是一种唯一代表特定货物的编码，需要每件物品都具有唯一的编码以区分同类产品中的每一件；Z条码的扫描速度慢、需要人工操作、扫描范围狭小、扫描的穿透性差，条码的这些不足之处在如今快速发展的社会中日益凸显；Z条码极易受到环境的污染和损坏，并且不能够重复使用，条码承载信息的容量过小，不能够全面反映物品的各方面信息，条码上的信息不可以修改，因此条码不利于反复使用。在这种背景条件下，如何才能解决上述问题，如何才能获得更高效的编码，因此产生了EPC编码体系。EPC编码将被应用于全球每一件货物上，该编码将为每一件货物提供唯一的EPC码。EPC码的载体为EPC射频识别芯片，每个射频识别芯片将唯一固化一个唯一的EPC码来识别唯一的货物，利用如今四通八达的网络，我们将在任意时刻获得所有货物的信息，包括所处地理位置、货物所处的状态、货物携带的秘密信息等。而且最重要的是，EPC编码可以完全兼容EANUCC编码，因此在系统升级的过程中，可以兼容以往的条码内容。EPC系统是一个非常先进的、综合性的和复杂的系统。其最终目标是为每一货物建立全球的、开放的标识标准。EPC主要由如下六方面组成（1）EPC编码标准EPC编码主要由版本号（HEADER），域名管理号（EPCMANAGERNUMBER），对象分类（OBJECTCLASS），序列号（SERIALNUMBER）组成，版本号和域名管理号由EPCGLOBAL管理，对象分类和序列号由域名管理号持有者进行管理9。各自含义如下版本号标识头，用于标识数据的长度、类型、结构、版本以及区别EPC的不同GENERATION域名管理号管理者的代号，用于区别不同的管理者，管理者拥有对随后的对象分类和序列号的管理权限对象分类标识某一类对象的号码，不同的类具有不同的对象分类号码序列号标识某个类中的唯一对象（2）EPC标签上海交通大学硕士学位论文7EPC标签由射频识别芯片、天线和载体介质组成，芯片内固化有EPC编码，是EPC编码的物质载体，分为主动型标签、半主动型标签和被动标签，由于被动标签（即无缘标签）具有更优秀的性价比，无需维护等优点，获得了比较好的应用。本文正是基于EPCCLASS1GENERATION2的通信协议开发相应的阅读器组成射频通信系统，EPCCLASS1GENERATION2标签是被动型的射频识别标签，无需携带备用电源模块即可工作，相比较EPCCLASS0的射频识别标签，（3）阅读器阅读器由射频链接回路、数据处理芯片构成，处理与EPC标签的数据通信，完成数据交换验证等功能，向上层应用层提供接口。（4）SAVANT（神经网络软件）传送管理阅读器产生数据的软件，它具有分布式运行管理和交换数据的特性10。（5）对象名解析服务（OBJECTNAMINGSERVICE，ONS）对象名解析服务是一种自动的网络服务系统，类似于域名解析服务，它会对SAVANT传来的EPC编码信息进行处理，为SAVANT系统指明了存储这个产品的有关信息的服务器，为SAVANT的数据交换提供服务。（6）物理标记语言（PHYSICALMARKUPLANGUAGE，PML）PML是基于为人们广为接受的可扩展标识语言（XML）发展而来的，它是一种描述EPC标识货物的相关信息的语言。EPC这六个组成部分相互关系如图4所示，阅读器利用射频识别技术识别出EPC标签上所携带有的EPC码，然后送至SAVANT服务器，SAVANT通过互联网上的ONS获得相应EPC码表示货物的地址，然后访问该数据库，从相应的PML描述中获得EPC标识货物的具体信息。SAVANT服务器阅读器EPC标签ONS服务器PML服务器数据库数据库INTERNET图4EPC组成关系图FIG4RELATIONSHIPOFEPCCOMPONENTS上海交通大学硕士学位论文8综上所述，EPC网络有很多重要的特点不像传统的条码，本网络不需要人的干预与操作而是通过自动技术实现网络运行；无缝链接；网络的成本相对较低；本网络是通用的，可以在任何环境下运行；采纳一些管理实体的标准如UCC、EAN、ANSI、ISO等现今使用最为广泛的EPC标签为CLASS0和CLASS1G1的标签，最新的EPC标准描述了EPCCLASS1GENERATION2标签的性能参数、功能与通信的空中接口，EPCC1G2以其优越的性能终将淘汰CLASS0和CLASS1G1标签，成为使用最为广泛的EPC标签。然而，世界各国对于EPC在本国的应用加以限制，必须符合本国对于通信频率的划分，并且满足一定的发射功率要求，具体各国使用EPC通信频段和发射功率参见参考文献11。欧洲主要使用8656MHZ8676MHZ，发射功率限制为2WERP，而北美地区则使用902MHZ928MHZ，发射功率限制为4WEIRP。上海交通大学硕士学位论文92射频识别协议EPCCLASS1GENERATION221EPCC1G2协议概要EPCC1G2协议12全面、深入地阐述了EPC最新一代的CLASS1GENETATION2RFID标签的空中接口，包括接口形式、接口定义、接口参数、接口规则等，规范了EPC射频通信的数据交换方式，下面简要概述一下该协议的主要内容。如上所述，EPCC1G2是一种新兴的RFID通信标准，有着更高效的通信效率、更广的适用环境，是至今为止最为成熟的RFID空中接口标准，但是其最根本的通信原理和方式与UHF被动标签通信是相似的，协议要求的是TALKFIRST的通信方式，阅读器首先发送命令，然后在侦听标签的回应信息，阅读器通过特定的调制方式将发送的信息加载于发送的载波上，经过调制的载波携带其加载的信息传送至EPCC1G2的RFID标签，通过标签的天线将能量传输至RFID芯片，RFID芯片通过对应的解调方式解调出相应阅读器发送的信息，经处理器运算后将所需回应的信息以负载调制的方式加载于阅读器发送的稳定载波上进行回传，阅读器分离出RFID芯片加载的回波后通过相应的解调放大处理，检测出标签的回应信息，完成整个通信过程。上述是一个最简单的EPCC1G2通信周期，阅读器发送信息，RFID标签接收处理并回应信息，阅读器检测该信息，一个通信周期即告结束。然而一个通信周期通常情况下并不能完成一个特定的通信功能。何为通信功能通信功能指的是能够完成某个通信目的的通信周期集合，它带有明确的通信意义，必须完成某个通信目的，因此要完成一个通信功能可能将包含一个或数个通信周期，最典型的例子就是下文中将叙述的RFID标签读写验证过程。通常意义上，我们又可以以一个通信命令来表征一个通信功能，而EPCC1G2就是这样一个以命令为单元的通信协议，以命令为接口数据交换形式对上层通信层提供通信服务。EPCC1G2通信使用频率范围为860MHZ960MHZ，包含了至今为止所有UHFRFID900MHZ频段通信协议使用的频率范围，在世界范围内奠定了通用性的基础，EPCC1G2使用的调试方式包括双边带幅移键控（DSBASK）、单边带幅移键控（SSBASK）和相位反转幅移键控（PRASK），阅读器信道编码方式为脉冲编码间隔编码方式（PIE），标签返回信息调制方式为负载调制方式，编码格式为二相空间码（FM0）或者米勒编码（MILLER），双方使用半双工（HALFDUPLEX）通信进行信息交换。22EPCC1G2协议参数EPCC1G2协议主要参数指标集中在表2和表3中，根据协议中规定的技术参数来指导我们阅读器和标签通信的全过程。如上所述，射频通信主要分为两个步骤，阅读器上海交通大学硕士学位论文10发送信息至标签的下行通信过程和标签返回信息至阅读器的上行通信过程，表2罗列了下行通信过程的主要参数，表3则罗列了上行通信过程的主要参数。表2RT通信主要参数参数名参数描述工作频率范围860MHZ960MHZ信道数50发送接收转换时间MAXRTCAL,10TPRI接收发送转换时间3TPRIMINIMUM20TPRIMAXIMUM调制方式DSBASK，SSBASK或PRASK调制深度90占空比48823数据编码PIE比特率267KBPS128KBPS比特率准确度/1表3TR通信主要参数工作频率范围860MHZ960MHZ发送接收转换时间3TPRIMINIMUM,20TPRIMAXIMUM接收发送转换时间MAXRTCAL,10TPRI调制方式ASK或PSK副载波频率40KHZ640KHZ副载波调制方式MILLER占空比50数据编码FM0或MILLER比特率FM040KBPS640KPBS副载波调制5KBPS320KBPS23阅读器至标签通信过程231信道编码阅读器至标签通信过程中使用的信道编码为脉冲间隔编码PIE，主要指标为TARI，阅读器至标签通信过程中数据“0”的信道编码的码长；PW，编码的脉冲宽度。这两个指标决定了阅读器至标签通信过程所使用的信道编码格式，具体见图5上海交通大学硕士学位论文11图5阅读器至标签通信过程的信道编码格式FIG5CHANNELENCODINGFORMATINRT其中高电平代表发送的连续载波，低电平代表衰减后发送的连续载波，分别对应了调制时使用的高低电平，在下文中我们可以看到，这种高低电平的含义也对应着实际所使用的调制信号开关的状态，即高电平代表调制开关打开，载波几乎无损耗的通过发射回路，而低电平代表调制开关关闭，载波受到调制开关的衰减后再通过发射回路，其衰减的程度取决于所设计电路的衰减比例，但必须满足调制深度的限制条件，见12节。TARI和PW的限制条件见表4表4TARI和PW的限制条件最小值最大值TARI625US25USPWMAX0265TARI,2US0525TARI注意，TARI和PW在同一个命令周期内是固定不变的，阅读器必须以相同的TARI和PW值来构造信道编码的码元，若在通信中使用不同的信道码元格式，标签将会产生错误的处理结果。X取值为0或1。232信号包络定义在实际的通信过程中，我们不可能获得上述理想情况下的码元信号，由于存在元器件的差异、开关速度的限制以及各种容性分布参数的影响，实际中信道中传播的编码信号包络类似图6所示。上海交通大学硕士学位论文12图6实际信道信号包络FIG6ENVELOPEOFCHANNELSIGNAL由于现实中上述因素的影响，实际信号包络会有一个比较明显的上升和下降缓冲边沿，对于边沿的规范要求见表5，通过限制过冲（OVERSHOOT）和下冲（UNDERSHOOT）的程度以及包络上升下降时间，要求阅读器能都输出一个比较稳定且质量比较高的调制信号，过冲或下冲过于明显的信号会造成标签芯片的工作状态的不稳定，上升下降时间过长的信号也会造成标签芯片对于边沿判断的错误。表5包络限制条件TARI最小值典型值最大值单位调制深度AB/A8090100包络纹波MHML0005ABV/M包络上升时间TR0033TARIUS625US25US包罗下降时间TF0033TARIUS233前导码和同步帧EPCC1G2协议是一种半双工的通信协议，阅读器首先“发话”，然后侦听标签的“回答”，阅读器和标签就必须要有通信协议的保证，通信协议如何保证对话的顺利进行，首先就必须规定双方的握手规则，（一）协议规定阅读器首先发送指令，标签接收指令后才能返回信息，默认情况下标签不主动发送任何信息，这是EPCCLASS1被动识别标签的工作特性；（二）标签首先使用前导码（PREAMBLE）进行QUERY命令，其余则使用同步帧（FRAMESYNC）维持对话的同步性。前导码编码格式如图7所示上海交通大学硕士学位论文13图7RT前导码FIG7RTPREAMBLE首先是用于界定通信边界的分隔符（DELIMITER），然后发送数据“0”，再是RT的校准单元（RTCAL），最后是用于标签返回信息格式的RT校准单元（TRCAL）。这里有几点要作说明1）RTCAL的长度为数据“0”和数据“1”的长度总和，标签侦测出数据“0”和RTCAL的长度后，计算时间值2RTCALTPIVOT作为判断将来接收数据“0”和数据“1”的标准，若脉冲下降沿在PIVOT之前到来，则判断为数据“0”；相反则判断为数据“1”，这是RTCAL作为校准符号的原因。2）TRCAL功能类似RTCAL，不过TRCAL是用作规定标签返回时使用的通信频率。通过参数DR（DIVIDERATIO）标签可以计算出返回信息是使用的频率（LF），公式如下TRCALDRLF（21）同步帧编码格式如图8所示图8RT同步帧FIG8RTFRAMESYNC同步帧结构类似于前导码，只是比前导码缺少了TRCAL，因为在使用同步帧之前已经使用了前导码来确认标签返回信息时所使用的频率，因此没有必要进行反复确认，而且省略TRCAL的同时降低了通信协议的复杂性，节约了宝贵的通信资源。24标签至阅读器通信过程上海交通大学硕士学位论文14241FM0信道编码FM0编码又称为二相空间编码（BIPHASESPACEENCODING），其特征为数据与数据的边界处信号相位反转，数据“0”的相位在数据中间要反转。图9FM0编码格式FIG9ENCODINGFORMATOFFM0因为FM0编码格式为有记忆的编码方式，其信号的相位由前一个编码信号相位决定，因此，FM0编码的数据“0”和数据“1”没有绝对的编码格式，其编码信号分为两种，见图10所示，图10中也举例两种不同的编码格式产生的信号序列。图10FM0编码举例FIG10EXAMPLEOFFM0ENCODING由于FM0编码在码与码的边界处相位必相反，所以阅读器在侦测信号时很容易判断码元之间的位置关系，也便于其对误码的判断。标签利用FM0进行编码通信时使用的前导码如图11所示，根据QUERY命令中TREXT参数的不同设置有两种前导码型。上海交通大学硕士学位论文15图11FM0前导码FIG11FM0PREAMBLE242MILLER信道编码MILLER编码的特征是相邻数据“0”之间信号相位需反相，数据“1”中间需反相，数据“0”和数据“1”之间无需反相，如图12所示。和FM0编码一样，MILLER编码同样具有记忆性。当前的编码信号相位取决于前一个编码的相位。图12MILLER编码格式FIG12ENCODINGFORMATOFMILLEREPCC1G2协议中还规定可使用MILLER副载波进行数据传输，MILLER副载波产生方法是将原先的MILLER编码与高频率方波进行模2加法运算后获得的，高频方波的频率为MILLER编码频率的2N倍，即MILLERNMMILLERFREQFREQ2（22）式中N1，2，3令M2N，可得诸如图13中所示的MILLER副载波编码上海交通大学硕士学位论文16图13MILLER副载波编码举例FIG13EXAMPLEOFMILLERSUBCARRIERSENCODING根据TREXT的取值不同，有MILLER前导码如图14所示。上海交通大学硕士学位论文17图14MILLER前导码FIG14MILLERPREAMBLE243负载调制负载调制的理论依据为电磁波的反射原理，即在电磁波的传播过程中，当电磁波经过两种不同介质的时候会有一部分能量通过这两种介质的分界面，同时也会有一部分能量被反射回来，前者称为前向波，后者称为反射波13。反射系数定义如下式INININEESZZZZ01100（23）式中ZIN电磁波输入介质阻抗Z0电磁波输出介质阻抗EIN电磁波输入平均电场强度E0电磁波反射波平均电场强度若两种介质具有相同的阻抗Z，即ZINZ0，则0，|E0|0，没有产生电磁反射波，电磁波能量完全通过两种介质的分界面。若两种介质具有不同的阻抗Z，则0，|E0|0，存在电磁反射波。此种工作模式也成为反向散射，的取值大小直接关系着反射波电场强度E0的模值大小，|越大，|E0|越大，这也意味着在相同条件下，反射波的电场强度越大，阅读器捕获反射波的能力越强，同时，从另一个角度来说，在使用相同的阅读器进行信号发射接收时，实际有效的读取距离也将越远，有效读取范围将越大，这对于RFID的实际应用有着更多的优势和便利。基于以上电磁波反射原理，RFID标签根据自身所需发射的信息来调制芯片输出阻抗，通过调节不同的输出阻抗产生不同的电磁反射波，加载需要传输的比特信息，阅读器分离出此反向波并经过处理后获得相应的传输比特，完成信号的接收功能。负载调制上海交通大学硕士学位论文18实现原理简图见图15。天线调制开关ZAZB图15负载调制实现原理FIG15PRINCIPLEOFLOADMODULATION25通信链路时间指标EPCC1G2通信链路由一系列阅读器和标签之间的数据交换过程组成，这些通信数据交换过程按交换的步骤主要分为两类，一类为单个标签数据交换协议，另一类为多个标签数据交换协议，区分这两类数据交换协议的标志是是否需要引入抗冲突协议，由于在单个标签情况下，阅读器与标签的通信是一个一对一的通信过程，理想情况下不存在通信链路的转换或丢失，通信质量和通信目的性比较好，因而数据交换不存在障碍，然而在另一类数据交换协议中，由于存在多个标签的缘故，阅读器发送无指向的数据，多个标签接收数据并同时返回各自的处理响应，造成通信链路上存在多个回发数据，产生通信冲突，在这种情况下，阅读器将启用抗冲突协议，分辨各个标签并完成相应的数据交换，两种数据交换步骤是截然不同的。抗冲突理论将在下文中有所阐述，这里仅举例说明通信链路时间的协议指标，详细参数参见图16。图中上部为单个标签通信步骤举例，下部为多个标签同时存在的状况下，阅读器与标签之间的通信步骤举例。上海交通大学硕士学位论文19图16通信链路时间指标示意图FIG16SKETCHMAPOFTIMESPECINCOMMUNICATIONCHAIN整个通信步骤主要有四个时间指标T1、T2、T3、T4，分别指出了相互通信交换数据的时间间隔，以下简要介绍各时间指标的含义T1阅读器发送数据结束后接收到标签返回数据的时间间隔T2标签返回数据后阅读器继续发送数据的时间间隔T3抗冲突过程中阅读器发送侦测标签数据的时间间隔T4阅读器选择相应标签簇后发送数据的时间间隔T1、T2、T3、T4的限制条件如表6所示表6T1，T2，T3，T4限制规范最小值典型值最大值T1MAXRTCAL,10TPRI1FT2SMAXRTCAL,10TPRIMAXRTCAL,10TPRI1FT2ST230TPRI200TPRIT300TPRIT420RTCAL26EPCC1G2标签芯片EPCC1G2标签芯片的记忆体主要有以下四个部分组成14上海交通大学硕士学位论文20（1）RESERVEDMEMORY用于存放KILL和ACCESS命令所需的密码，在EPC的通信过程中未经过验证其具有KILL或ACCESS权限时，此记忆体为隐蔽状态，不存在访问地址，即外界不可访问该记忆体，不能读取数据更不能修改数据。（2）EPCMEMORY此记忆体包含CRC16循环垄余校验码、PC（PROTOCOLCONTROL）和EPC编码，CRC16运算的对象是PC和EPC编码，注意这里CRC16运算结束点为EPCMEMORY的末尾。PC包含了EPC编码长度（5BIT），可以告知CRC16进行计算时的计算结束点。（3）TIDMEMORY包含有TID码，用以标识该标签的类别（4）USERMEMORY用户自由存储空间图17EPCC1G2标签芯片内部记忆体地址分配FIG17ADDRESSMAPOFEPCC1G2TAGMEMORY以上四个组成部分的具体地址分配见图17。27EPC安全数据交换上海交通大学硕士学位论文21图18为EPCC1G2标签的状态转移图，从这张图可以清晰地得到EPCC1G2标签实际工作时的内部状态变化和对应各种命令的回应信息。在这里，首先介绍几个比较重要的概念。图18EPCC1G2标签状态转移图FIG18EPCC1G2TAGSTATETRANSFERFIGURE271EPC标志位Z对话（SESSION）标志位上海交通大学硕士学位论文22EPC标签具有4个对话状态，分别为S0，S1、S2、S3，每个标签在通信过程内各种只能处于其中的一个对话状态，特别是在INVENTORY过程中对话状态不能改变。对话标志位的作用是区别对话群，将众多有效读取范围内响应的标签进行细分，有利于分别识读每个离散标签。ZINVENTORIED标志位INVENTORIED标志位有两个值分别代表了不同的INVENTORIED标志状态A和B，用以区别同一个对话中的两种状态。A和B只是代表了两种不同的状态，并不代表某特定的取值，A和B之间是可以相互转换的。ZSELECTED标志位（SL）SELECTED标志位用来记录响应SELECT命令后的结果，如标签符合SELECT命令中的选择要求，则设置SELECTED标志位，如不符合则清除相应标志位。SELECTED标志位的作用是标识被选中的EPC射频标签，为下一个通信步骤做准备。272EPC随机数发生器和计数器EPC芯片内部含有一个随机数发生器（RNG），用以进行随机数运算，获得一个等于或小于15BIT长度的随机数，随机数应具有一定的随机性，以保证通信的安全。EPC芯片内部同时含有一个计数器（SLOTCOUNTER），计数器的计数范围为15BIT，当接收到QUERY或者QUERYADJUST命令时，计数器将按命令中的参数Q从随机数发生器获得一个02Q1的初始值，其中0Q15。当接收到QUERYREQ命令时，计数器自动递减1，若此时计数器计数值为非0，则标签无任何操作，继续等待QUERY或QUERYADJUST命令。直到计数器递减为0时，才发送RN16作为标签对阅读器的响应。SLOT计数器的目的是区分通信中SLOT，在读取多个标签的情况下将有效的辨识出每一个EPC芯片，快速且效率非常高。273EPC状态位EPC含有如下状态READYREADY状态是每个EPC标签进入阅读器有效读取范围后进入的状态，已经被“KILL”的标签除外，当标签进入射频场，获得足够的能量（POWERUP）后自动进入READY状态，等待阅读器的读取。ARBITRATEARBITRATE状态是EPC标签进入读取程序后的状态，当标签在READY状态中接收到QUERY命令后就会进入该状态。在该状态中的标签将处于阅读器辨识过程中，直到内部