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RFID专题:17 国标超高频 RFID协议

2022-03-01 13:48:17 明申科技 642

3.4国标超高频 RFID协议

3.4.1 国标协议的历史背景

超高频RFID在全球的高速发展,带来了大量的创新应用。然而超高频RFID的主流协议EPC C1 Gen2和相关专利都掌握在美国企业手中。由于我国的一些超高频 RFID应用涉及到军用和安全领域,因此迫切需要一个自主知识产权的超高频RFID协议标准,GB/T29768-2013应运而生。

该协议的全称为《信息技术射频识别 800/900 MHz 空中接口协议》英文名为《Informationtechnology——Radio Frequency identification——Air interface protocol at 800/900MHz》。协议的筹备工作始于2012年,经过全国的超高频 RFID相关企业和单位的拼搏努力编撰完成,其中包含了多个业内公司的核心专利共享以及行业人士的全力奉献。最终于2013年9月18日发布,2014年5月1日实施。

本标准起草单位:中国人民解放军国防科学技术大学、工业和信息化部电子工业标准化研究院、北京中电华大设计有限责任公司、天津中兴智联科技有限公司、睿芯联科(北京)电子科技有限公司、西安西电捷通无线网络通信股份有限公司、深圳市远望谷信息技术股份有限公司、国家无线电监测中心、北京航空航天大学、上海聚星仪器有限公司、北京同方微电子有限公司、西安电子科技大学、中国物品编码中心、上海坤锐电子科技有限公司。

本标准主要起草人:李建成、耿力、高林、王宏义、冯敬、杨青、谷晓忱、沈红伟、王立、管超、曹军、王政、杜志强、兰天、宋继伟、金倩、王文峰、夏娣娜、刘文莉、曹国顺、郑黎明、吴建飞、李聪、张兵兵、冯汉炯、宋起柱、张有光、陈柯、吴行军、刘伟峰、王毅、李卓凡、乔申杰、朱正。

3.4.2 GB/T 29768国标协议详细内容

GB/T 29768中有大量内容,本节主要针对有特色的部分以及与Gen2协议差异较大的部分进行详解。国标协议中的创新部分为:阅读器的编码方式、多标签碰撞算法、安全加密机制。

01、工作频率

阅读器工作频率为840MHz~845 MHz和920MHz~925 MHz,频带内共40个信道,每信道带宽为250kHz,其信道中心频率fc表达为

fc=840.125+0.25n或fc=920.125+0.25n (3-9)

式中——fc:信道中心频率,单位为兆赫(MHz);

N:整数,取值范围为0~19。

02、跳频(FHSS)参数

该标准规范了跳频的频点数量以及驻留时间,驻留时间不可以超过2s。阅读器使用FHSS通信时,应使用式(3-9)中工作频率规定的40个信道,每信道的最大驻留时间为2s。在一般的系统中,一般驻留时间都是小于1s的,从而保障更多的信道被释放和充分利用。

03、邻信道功率泄露比

如图3-19所示阅读器的邻信道功率泄漏比,其主要目的是限制阅读器工作时,对附近信道的干扰。


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图3-19阅读器的邻信道功率泄漏比

阅读器在发射信道R的功率P(R)和其他信道S的功率P(S)的比值应满足下述规定:

当∣R-S∣=1时,10 lg(P(S)/P(R))<-40 dB;

当∣R-S∣>1时,10 lg(P(S)/P(R))<-60 dB。

对于左右相邻的两个信道,其输出信号的抑制要求超过40dB;对于除相邻信道之外的带内信道,其抑制超过60dB。国标中邻信道功率泄漏要求比FCC苛刻一些,目的是为了保障多阅读器场景中的系统灵敏度和稳定性。

04、数据编码

阅读器使用如图3-20所示的TPP对基带数据进行编码。符号00的持续时间为2Tc,符号01的持续时间为3Tc,符号11的持续时间为4Tc,符号10的持续时间为5Tc,四种符号的长度允差均为±1%。Tc可以取6.25μs或者12.5μs,长度允差为±1%,阅读器应在一个盘点循环内使用固定的Tc。当数据包的长度为奇数时,则最后一位补0后再进行编码。


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图3-20 TPP符号

TPP编码与Gen2采用PIE编码非常相似,只是从1比特编码变成2比特编码,从2种符号变为4种符号。

在超高频 RFID系统中采用TPP编码可以比PIE编码提供更多的正电平载波,也就是说标签工作时接收到更多的能量,灵敏度会更高。通过计算和实测,在相同标签芯片整流电路系统下,采用TPP编码可以提高0.1dB的灵敏度。

05、反向链路频率

反向链路频率由启动查询命令中的反向链路速率因子数据域决定,可按照式(3-10)计算反向链路频率值,反向链路频率具体值见表3-16。

BLF=1/Tpri=320kHz×K            (3-10)

式中——K:反向链路速率因子。

表3-16反向链路速率


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从表3-16中可以看出,GB29768协议中的反向链路频率固定8种,与Gen2协议的多种连续可选不同。在实际应用中这8种链路速率已经足够,再配合FM0/Miller的4组编码可实现32种组合,足够应对所有场景。

06、多标签算法

多标签的防碰撞使用DDS-BT机制,如图3-21所示。在该机制中,标签时隙计数器初始值置为0,根据后续命令逐步调整时隙计数器,当时隙计数器为0时,标签从仲裁状态跳转到应答状态,开始响应阅读器:

当标签无回复时:

  1. 在阅读器无法接收到标签回复的时候,首先判断是否结束盘点,如果判据为真,则认为盘点结束,结束的判断方法为阅读器设置盘点结束阈值。阅读器发送启动查询命令时,将盘点结束阈值置为2;阅读器发送分裂位置为0的分裂命令时,盘点结束阈值加1;阅读器发送重复查询命令时,盘点结束阈值减1;阅读器发送分散命令时,盘点结束阈值乘以2后加1;阅读器发送收缩命令时,盘点结束阈值除以2后取整;阅读器发送其他命令时,盘点结束阈值不变。如果盘点结束阈值为0,则阅读器认为盘点结束;

  2. 如果不结束盘点,需要判断连续空闲时隙的次数是否达到CIN(连续空闲阈值,典型值为4)。如果连续空闲时隙的次数不小于CIN,则发送收缩命令,所有仲裁和应答状态的标签时隙计数器值除以2取整;

  3. 如果连续空闲时隙的次数小于CIN,且上一时隙阅读器发送的是分裂命令,阅读器发送分裂位置为“1”的分裂命令,所有时隙计数器值为1的标签分裂;

  4. 如果连续空闲时隙的次数小于CIN,且上一时隙阅读器发送的不是分裂命令,则阅读器发送重复查询命令,所有仲裁和应答状态的标签时隙计数器值减1。

当标签正确回复时:

阅读器接收到标签正确回复的RN11+CRC5,阅读器发送编码获取命令, 标签发送安全模式、编码长度和编码并跳转到确认状态。

当标签发生碰撞时:

  1. 当阅读器接收到多个标签碰撞信号的时候,需要判断连续碰撞时隙的次数是否达到CCN;

  2. 如果连续碰撞时隙的次数小于CCN(连续碰撞阈值,典型值为3),则发送分裂位置为0的分裂命令,处于应答状态的标签分裂,仲裁状态的标签时隙计数器加1;

  3. 如果连续碰撞时隙的次数不小于CCN,则发送分散命令,所有应答和仲裁状态的标签时隙计数器的值乘以2之后加上1位随机数。


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图3-21多标签防碰撞处理流程图

DDS-BT机制的多标签算法与Gen2的协议不同,不需要用户再对算法进行二次开发和优化,在标准中已经规定了所有的算法和策略,对于普通开发者来说是很大的福利。从系统复杂度看,国标的多标签算法比Gen2协议的复杂一些,阅读器的判断流程也复杂一些,不过这些复杂度对于阅读器和标签的实现与Gen2协议几乎没有差别。从多标签识别数量上进行对比:采用DDS-BT 机制的多标签算法的随机数只有11位,而Gen2具有16位随机数,在场内标签数量巨大时,Gen2具有优势。从多标签识别速度进行对比:在Gen2采用较高的多标签策略时,两种的多标签识别效率相差无几。

07、安全鉴别协议

安全鉴别协议是国标超高频RFID创新出来的,Gen2协议中没有相关内容。安全鉴别协议的目的是保证通信连接的阅读器和标签的身份是安全的,协议中共存在三种鉴别方式,分别是标签对阅读器的单向鉴别协议、阅读器对标签的单向鉴别协议和双向鉴别协议。在鉴别过程中的加密算法协议中提供了最简单的异或加密算法或用户可以采用自建的对称加密算法,如现在的电子车牌和军队应用都是采用了SM7(商用加密7号算法)作为系统的鉴别对称加密算法。

阅读器和标签的对称加密双向鉴别协议流程见图3-22:

  1. 阅读器发送安全参数获取命令;

  2. 标签发送安全参数;

  3. 阅读器用根密钥RK和TID生成鉴别密钥AK,发送请求鉴别命令Req_SAuth;

  4. 标签生成随机数RNt 发送给阅读器;

  5. 阅读器生成随机数RNr 和会话密钥SK,用AK加密RNr║RNt║SK得到EAK(RNr║RNt║SK),发送双向鉴别命令Mul_SAuth(RNt║EAK(RNr║RNt║SK));

  6. 标签首先判断收到的RNt 是否与自己在步骤d)中产生的RNt 相等,如果相等,标签用AK解密EAK(RNr║RNt║SK)得到RNr'║RNt'║SK,比较RNt'和RNt,如果相等,则标签认为阅读器过鉴别,将RNr'发送给阅读器,跳转到开放状态,且会话密钥为SK,如果不相等,则标签认为阅读器未通过鉴别,发送响应数据包,跳转到仲裁状态;

  7. 阅读器比较RNr'和RNr,如果相等,则阅读器认为标签通过鉴别,且会话密钥为SK,如果不相等,则认为标签未通过鉴别。


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图3-22阅读器和标签的对称加密双向鉴别协议流程

采用安全鉴别后,整个通信的身份得到识别和鉴别,保证了许多安全领域的要求。不过采用较为复杂的加密算法带来的缺点也很明显,比如芯片尺寸增加导致成本增加,芯片的功耗增加导致灵敏度下降,通信时间增加。在传统的物流领域应用中使用的芯片,一般不会携带该功能。关于安全加密鉴别协议部分是芯片的可选内容,并非系统必需。

08、安全通信协议

需要进行安全通信的标签可采用安全通信协议。安全通信协议的目的是保证通信过程中的数据即使被截获,也无法还原有效的传输数据。

标签在通过安全鉴别后,只响应盘点组命令和安全通信命令。安全通信协议流程见图3-23。

阅读器生成随机数 RNr,用SK加密cmd║RNr,发送安全通信命令Sec_Com(ESK(cmd║RNr))。

标签用SK解密ESK(cmd║RNr)得到cmd,标签执行cmd中的命令,操作结果为result;然后标签生成随机数RNt,用SK加密result得到ESK(result)发送给阅读器。

阅读器用SK解密得到result。


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图3-23安全通信协议流程

安全通信协议对于有数据交互前关注数据安全的超高频 RFID应用有重要作用。尤其是应用于大数量存储的重要物品,如军工设备、危险爆炸物等。

总体来说,GB/T29768国标协议是有非常重要的历史意义的,并且在许多方面有很大的创新,对我国RFID的发展作出了重要的贡献。

小结

本章详细讲述了有关超高频 RFID的所有标准及规范,其中3.1节的超高频 RFID无线电射频标准需要完全掌握,3.2节的Gen2空口协议也需要读者完全理解,3.3节是本书的精华部分,蕴含了行业中最重要的多标签碰撞算法的深入解析以及多标签的综合解决方案,对这部分感兴趣的读者可以深入学习;3.4节的国标协议,有兴趣的读者可以详读。


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