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(dá)到了200億的級(jí)別。在這個(gè)過程中，中國逐步成為超高頻RFID標(biāo)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(yīng)用和整個(gè)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(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UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場應(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國標(biāo)超高頻 RFID協(xié)議

3.4.1 國標(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)專利都掌握在美國企業(yè)手中。由于我國的一些超高頻 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(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:中國人民解放軍國防科學(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、國家無線電監(jiān)測中心、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(biāo)協(xié)議詳細(xì)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(jìn)行詳解。國標(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。

對于左右相鄰的兩個(gè)信道，其輸出信號(hào)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(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(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(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，也就是說標(biāo)簽工作時(shí)接收到更多的能量，靈敏度會(huì)更高。通過計(jì)算和實(shí)測，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)對所有場景。

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)，開始響應(yīng)閱讀器：

當(dāng)標(biāo)簽無回復(fù)時(shí)：

1. 在閱讀器無法接收到標(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，不需要用戶再對算法進(jìn)行二次開發(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，對于普通開發(fā)者來說是很大的福利。從系統(tǒng)復(fù)雜度看，國標(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，不過這些復(fù)雜度對于閱讀器和標(biāo)簽的實(shí)現(xiàn)與Gen2協(xié)議幾乎沒有差別。從多標(biāo)簽識(shí)別數(shù)量上進(jìn)行對比：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)，在場內(nèi)標(biāo)簽數(shù)量巨大時(shí)，Gen2具有優(yōu)勢。從多標(biāo)簽識(shí)別速度進(jìn)行對比：在Gen2采用較高的多標(biāo)簽策略時(shí)，兩種的多標(biāo)簽識(shí)別效率相差無幾。

07、安全鑒別協(xié)議

安全鑒別協(xié)議是國標(biāo)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(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)簽對閱讀器的單向鑒別協(xié)議、閱讀器對標(biāo)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(duì)?wèi)?yīng)用都是采用了SM7（商用加密7號(hào)算法）作為系統(tǒng)的鑒別對稱加密算法。

閱讀器和標(biāo)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(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)為閱讀器過鑒別，將RNr'發(fā)送給閱讀器，跳轉(zhuǎn)到開放狀態(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)簽未通過鑒別。

圖3-22閱讀器和標(biāo)簽的對稱加密雙向鑒別協(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。不過采用較為復(fù)雜的加密算法帶來的缺點(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(biāo)簽在通過安全鑒別后，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。

總體來說，GB/T29768國標(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，對我國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，對這部分感興趣的讀者可以深入學(xué)習(xí)；3.4節(jié)的國標(biāo)協(xié)議，有興趣的讀者可以詳讀。