1、第 44 卷 第 1 期 复 旦 学 报 ( 自 然科学版 ) Vo1. 44 , No. 12005 年 2 月 Journal of Fudan University (Natural Science) Feb. , 2005文章编号 :042727104 (2005) 0120046205X 一种基于动态二进制的 RFID 抗冲突算法鞠伟成 , 俞承芳( 复旦大学 电子工程系 , 上海 200433)摘 要 : 抗冲突是非接触式 IC卡系统必须解决的问题 . 基于 ISO/ IEC 14443 A型标准推荐算法的抗冲突电路具有可靠性强的特点 . 从提高抗冲突速度和降低电路功耗的角度考虑
2、,在此基础上提出一种改进的算法 . 功能验证与功耗模拟证明新算法显著提高了抗冲突速度 ,且电路的功耗也有一定程度的降低 .关键词 : 信息处理 ; 射频识别 ; 抗冲突 ; 功耗中图分类号 : TN 4 文献标识码 : A射频识别 (radion frequency identification ,RFID)是一种目标识别技术 ,它利用射频方式进行非接触式双向数据通信 . 射频识别系统由读写器和射频卡两部分组成 ,读写器向射频卡发送命令 ,处于射频区的射频卡根据命令返回数据 ,或更改射频卡内的数据 . 对于一个射频识别系统 ,同一时间可能有多张射频卡进入射频区 ,在与读写器进行数据通讯时将产生
3、通常所说的冲突 . 抗冲突研究主要解决如何快速和准确地从多张射频卡中选出一张与读写器进行数据交流 1 ,而其他未被选中的射频卡则在此后的抗冲突循环中被选出与读写器通讯 . ISO/ IEC 14443 A 型标准 2 ,3 推荐的是基于动态二进制搜索机制上的抗冲突算法 ,本文在此基础上提出一种改进的算法 ,以期提高非接触式 IC 卡抗冲突速度 ,并降低功耗 .1 算法简介当多张非接触式 IC 卡同时与读写器交换数据时必须进行抗冲突处理 ,抗冲突处理的时间等于抗冲突命令传输时间与抗冲突模块 (ACU)的处理时间之和 . 根据动态二进制算法 4 ,抗冲突命令的格式为 SEL +NVB + UID
4、,其中 SEL 表示命令码 ,NVB 表示传输的有效位数 ,UID2 表示满足要求的非接触式 IC 卡序列号 . 当读写器检测到冲突后 ,将冲突位置为 0 ,然后传输给非接触式 IC 卡 . 以 16 bit 的序列为例 ,如射频区有 2 张卡 (N1 ,N2) ,读写器发出请求命令后返回的数据为 :N1 发回序列号数据 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 ,N2 发回序列号数据 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1.检测到第 12 bit 发生冲突后读写器将此 bit 置 0 ,由读写器发出 UID :110011001100 ,仅 N1
5、 卡序列号前 12 bit 符合要求并发回余下数据 :1101. 很明显发出的 UID 长度随着冲突位置改变 ,而表示冲突位置的码其长度是固定的 ,对 16 bit 的序列号 ,只需要 4 bit 即可表示其冲突发生的位置 . 新的算法将只传输 4 bit 的冲突位置信息 . 设 5 张卡进入射频区 ,5 张卡接到读写器的请求命令后发送各自的序列号 ,读写器收到的数据为 :N1 发回序列号数据 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 ,N2 发回序列号数据 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 ,N3 发回序列号数据 1 1 1 0 1 0 0
6、 0 1 1 0 0 1 1 0 0 ,N4 发回序列号数据 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 ,X 收稿日期 : 2003211227作者简介 : 鞠伟成 (1979 ) , 男 , 硕士研究生 ;通讯联系人俞承芳教授 .N5 发回序列号数据 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0.读写器监测到了冲突 ,并将第 1 个冲突位置信息 (第 3 bit)以抗冲突命令的方式传送给非接触式 IC 卡 . 接到抗冲突命令的 5 张卡检测各自序列号的第 3 bit 是否为 0 ,为 0继续发回自己剩余的序列号 ;为 1则进入屏蔽状态 ,即对此后的抗冲
7、突命令不响应 ,直到下一次抗冲突循环接到读写器请求命令时才退出屏蔽状态 .在本例中 N3 将进入屏蔽状态 ,其他卡继续响应 . 读写器发出命令 :SEL + NVB + 0010 ,返回的数据为 :N1 发回余下序列号 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 ,N2 发回余下序列号 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 ,N4 发回余下序列号 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 ,N5 发回余下序列号 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0.类似于上一步将第 2 个冲突位置信息以抗冲突命令的方式传送给非接触式 IC 卡 ,经过 4 次抗冲突
8、检测 ,只剩下最后一张卡 N4 ,至此第 1 次抗冲突循环完成 .当卡 N4 在第 1 次抗冲突循环中被选中后 ,读写器就获得了与它通讯的权利 . 在这次通讯完成后 ,卡N4 进入 HALT状态 (对读写器发出的所有命令不响应 )一段时间 ,因而在接下来的抗冲突循环中只会有剩下的 4 张卡参与到循环中去 . 经过 4 次抗冲突循环 ,所有的卡都可以被读写器访问到 .假设发生了 m 次冲突 ,冲突发生的位置是随机的 ,设原方法每次发出的 UID 平均长度表 1 新算法下抗冲突速度的改善Tab. 1 Increase of the anti2collision velocityN L 1 L2 Q
9、8 4. 5 3 1. 0816 8. 5 4 1. 2332 16. 5 5 1. 5564 32. 5 6 2. 20128 64. 5 7 3. 50L1 = Cm - 1N - 1 (1 + 2 + + N)mCmN= (1 + N) / 2.新算法每次冲突传输的冲突位置信息的长度 L2 仅仅与序列号长度 N 有关 , L2 = log2 N. 同等情况下 ,传输信息长度即意味着抗冲突命令传输时间 ,尽量降低传输长度可以提高速度(如表 1) . 抗冲突命令的格式为 SEL + NVB + UID ,SEL 和NVB 的长度都是 8 bit ,抗冲突速度改善比例 :Q = ( L SEL
10、 + LNVB + L1) / ( L SEL + LNVB + L2) = (16 + L1) / (16 + L2) .2 硬件实现非接触式 IC卡电路的结构如图 1 所示 ,图 2 是此电路的控制状态图 . 读写器发出经过调制的变形miller 编码信号经解调后串行移入 INTERFACE模块 ,首先解码成 NRZ码 ,然后转换成并行数据 (数据宽图 1 结构图Fig. 1 Structure of the circuit图 2 状态图Fig. 2 State transition diagram74第 1 期 鞠伟成等 :一种基于动态二进制的 RFID 抗冲突算法度 = L SEL +
11、 LNVB + L2)输出到 CRCTEST模块进行校验 ,由于算法改进后需要进行转换和校验的码比较少 ,INTERFACE和 CRCTEST模块规模相应地减小 . 如果没能通过 CRC5 检验 ,CRCTEST模块发回错误信息 ;校验正确后的数据通过控制模块进入抗冲突模块 ACU ,SEL 或 R是 0则继续 ,直到本次抗冲突循环结束 .图 3 ACU 电路Fig. 3 ACU cirruitACU (Anti2Collision Unit)主要负责对序列号进行检测 ,图 3 (a ,b) 是 2 种算法情况下 16 bit 的 ACU 电路简图 . 在图 3 (a) 中 ,直接采用异或方式
12、对拼接后的 UID(输入的 UID 不等长 ,在 CONTROL 模块里用剩余的序列号和输入的 UID 拼接成等长的 16 bit 信息 )与序列号 SN 进行比较 . 而在图 3 (b) 中 ,输入的位置信息需要译码电路来确定冲突位置码的状态 ,如序列号是 16 bit 的 ,则要增加一个 4 16 译码器 . 随着序列号位数增加译码器规模将更大 ,所以改进的算法在一定程度上使得 ACU 电路变得复杂 .从功耗的角度考虑 ,电路的功耗 P 可以分为静态功耗 Ps 和动态功耗 Pd , Ps 远小于 Pd ,所以主要研究电路的动态功耗 . 动态功耗 6 Pd = 1/ 2 CVf clk E.
13、 在其他参数 C , V , f clk不变的情况下 ,减少活动开关率E 可以降低电路功耗 , E 等于电路的节点与该节点上的翻转率的乘积和 ,即 E = Mi ei ,其中电路总节点数 M = Mi .在一般情况下 ,进入射频区的卡不会很多 ,所以抗冲突的次数 m 不会很大 . 图 3 (b)的电路虽然具有更大的节点数 M2 ,但是 4 16 译码器电路每次只有一个选中输出到后级的 16 bit 选择器 ,所以在这个 16bit 电路的抗冲突循环中 ,最多只有 1/ 8 M2 的节点发生了翻转 ,即E2 = Miei = M20 e0 + M21 e1 + + M2 eee .E2 = 1/
14、 8 M2 e.而图 3 (a)电路的节点数 M1 虽然比较小 (电路综合后的结果表示为 M1 : M2 = 1 :1. 4) ,但是输入的 UID 是不定的 ,每一路比较器都有可能发生翻转 . 假设 UID 是随机的 ,那么在抗冲突循环中 ,平均有一半的电路节点会发生翻转 .E1 = 1/ 2 M1 e. M1 = 1/ 1. 4 M2.E2 = 1/ 8 M2 e = 0. 35 E1.从平均情况来看 ,改进算法的 ACU 电路功耗降低了 65 %.3 模拟结果本文分别设计了 16 ,32 ,64 bit 序列号的非接触式 IC 卡电路来研究改进算法对电路规模、速度和功耗的影响 . 卡电路
15、抗冲突功能采用 FPGA7 硬件实现的方式进行验证 . 沿用前面 5 张卡的例子 ,图 4 显示卡N4 进行了 4 轮抗冲突循环并被选中 ,以下是图 4 中一些主要信号的说明 :miller :卡电路的输入信号 (变形 miller 码信号 ) ;84 复 旦 学 报 (自然科学版 ) 第 44 卷man-out :卡电路的输出信号 (Manchester 码信号 ) ;rxdata :卡电路接收的数据 (并行数据 ) ;txdata :卡电路将发送的数据 (并行数据 ) ;state :卡电路的内部状态信号 ;图 4 卡 N4 的时序模拟图Fig. 4 Simulation of the N
16、4表 2 两种算法实现电路的等效门Tab. 2 Equivalent gate number of the different circuitsN/ bit 原算法电路 / 门 新算法电路 / 门16 6 055 5 52332 8 231 6 84264 11 567 8 888虽然新算法的 ACU 模块复杂程度增加了一些 ,但是由于传输信息的长度比较小 ,模块 IN2TERFACE和 CRCTEST规模相应地减少了 ,从电路综合后的情况可以看出电路的总规模有一定程度的降低 (见表 2) .在 0. 18 m CMOS 工艺条件下 ,系统频率为25 MHz ,采用 5 V 电压 ,使用 PR
17、IMEPOWER 软件对卡电路的抗冲突实现进行基于门级的功耗模拟 . 为了验证抗冲突算法的改进能够使功耗有一定程度的降低 ,分别对 16 ,32 ,64 bit 序列号的 2 种算法的电路进行功耗对比 . 图 5 显示了改进算法 ACU 电路的功耗大约降低了 70 % ,与上面一节分析的结果 (65 %)相近 . 图 6显示了改进算法总电路功耗降低的百分比 ,对卡电路功耗降低做出贡献的是 INTERFACE ,CRCTEST 和ACU 3 个部分 ,其中 ACU 模块的功耗降低最明显 ;但是由于 ACU 电路在总的电路中比重不是很大 ,所以总的电路功耗降低比例相对较小 ,64 bit 序列号的
18、卡电路在抗冲突循环中的功耗大约能降低 10 %.图 5 两种算法以下 ACU 电路功耗的对比Fig. 5 Power dissipation contrast of the different ACU图 6 卡电路的功耗降低比例Fig. 6 Decrease of the circuit power disspation非接触式 IC 卡系统是 RFID 技术的重要应用 ,常用非接触式 IC 卡的序列号位数为 64 (128) bit ,在抗冲突循环中 ,用 n bit 的冲突位置信息代替 1 2 n (随机 ) bit 的序列号 UID 信息可以加快抗冲突的速度 ,降低电路结构的规模 ,且功
19、耗也有一定程度的降低 .94第 1 期 鞠伟成等 :一种基于动态二进制的 RFID 抗冲突算法参考文献 :1 肖 斌 ,秦 东 . 一种非接触式 IC卡控制器的设计 J . 半导体技术 ,2000 ,25 (2) :57260.2 ISO/ IEC 1444323. Identification cards2contactless integrated circuit (s) cards2proximity cards2Part3 : Initialization andanticollision. 2003 S.3 王爱英 . 智能卡技术 IC卡 M. 北京 :清华大学出版社 ,2000.4
20、 Finkenzeller K,陈大才 . 射频识别技术 M. 北京 :电子工业出版社 ,2001.5 江美龙 ,于兴启 ,毕慧玲 . CPLD 在射频卡读写器中的应用 J . 电子技术应用 ,2002 , (4) :66268.6 吴训威 ,卢仰坚 ,Pedram M.基于冗余抑制技术的低功耗组合电路设计 J . 电子学报 ,2002 ,30 (5) :6722675.7 Smith M J S.专用集成电路 M. 北京 :电子工业出版社 ,2003.An Anti2Collision RFID Algorithm Based on theDynamic BinaryJ U Wei2chen
21、g , YU Cheng2fang( Department of Electronic Engineering , Fudan University , Shanghai 200433 , China)Abstract : Anti2collision is necessary for the system of contactless IC card. To increase the anti2collision speed and reduce thecircuit power dissipation , a new algorithm based on the dynamic binary is presented FPGA is used to verify the function of thecircuit designed. Meanwhile , power dissipation simulation for the anti2collision circuit shows good performance.Keywords : information process ; RFID ; anti2collision ; power dissipation05 复 旦 学 报 (自然科学版 ) 第 44 卷
