1、RFID技术,班级：电信S161班 主讲：汪晶 学号：201672304,1 RFID概述,1.1 RFID的含义是什么以及优点 1.2 RFID的优势及特点主要有哪些 1.3 RFID的系统组成 1.4 RFID的应用范围,1.1 RFID的含义,射频识别是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别技术，俗称电子标签。它是通过无线射频方式获取物体的相关数据，并对物体加以识别，是一种非接触的自动识别技术，它是实现物联网的一项关键技术。,与传统识别方式相比的优点：无须直接接触、无须光学可视、无须人工干预，操作方便快捷。,1.2 RFID的主要优势及特点有哪些,
2、1、快速扫描 2、体积小型化、形状多样化 3、抗污染能力和耐久性 4、可重复性 5、可远距离识别多个标签 6、是物联网的基石 7、穿透性和无屏障阅读 8、数据的记忆容量大 9、安全性,1.3 RFID的系统组成,RFID的系统组成一般包含三部分：标签、读卡器（含天线）和应用软件。系统其结构如下：,1.3.1 组成部分的简介,（1）标签：它是由耦合元件及芯片组成，具有唯一的电子编码，附着在物体上识别目标对象，也称应答器、卡片等。标签通常由三部分组成：读写电路、硅芯片、相关天线。其结构如下：,（2）读卡器：它是读取标签信息的设备，内含天线，通过天线与RFID进行无线通信，可实现对标签识别码和内存数
3、据的读出或写入工作。它包含有RFID模块（射频或基带）、控制单元、读卡器天线。其结构如下：,（3）应用软件系统：它是在上位监控计算机中运行的包括数据库在内的管理软件系统，用于各种物品属性管理、目标定位与跟踪，具有良好的人机操作界面。其中间件结构：,1.4 RFID的应用范围,它主要用在生产、物流、交通运输、医疗、防伪、跟踪、设备和资产管理等需要收集和处理数据的应用领域，被认为是条形码的替代品。,2 RFID的基本工作原理,工作原理：标签进入磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（即Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主
4、动发送某一频率的信号（即Active Tag，有源标签或主动标签），阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。,RFID在操作中的一个关键技术是通过天线进行耦合，实现数据的传输转换，这种耦合方式大致可以分为电感耦合（低频）和后向散射耦合（高频）。,（1）电感耦合（低频）原理：两电感线圈在同一介质中，相互的电磁场通过该介质传导到对方，形成耦合。识别距离下于1米。其电路结构如下：,2.1 电感耦合和后向散射耦合,电感耦合方式的标签几乎是无源的，在上图中电容Cr与阅读器的天线线圈并联，电容器与天线线圈的电感一起，形成谐振频率与阅读器发射频率相符的并联振荡回路，该回路的谐振使得阅读器的
5、天线线圈产生较大的电流。电子标签的天线线圈和电容器C1构成震荡回路，调谐到阅读器的发射频率。通过该回路的谐振，电子标签上的电压U达到最大值。这两个线圈的结构可以被解释为变压器。,（2）反向散射耦合（高频）方式：根据雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标后反弹，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。识别距离大于1米，也称远场工作方式。其原理框图如下：,3.1 RFID的标准协议3.2 RFID的物理层 3.3 RFID的数据链路层,3 物理层和数据链路层的协议规程,3.1 RFID的标准协议,目前RFID还没有形成统一的标准，现阶段还在不断的演变之中，全球共有五大RFID技术标准化势
6、力，即ISO/IEC、EPC global、Ubiquitous ID Center 、AIM global和IP-X。前三个势力较大，后两个相对弱小。,（1）ISO/IEC标准：它是信息技术领域最重要的标准化组织之一，其制定的RFID空中接口协议系列标准受到了最为广泛的关注。电子标签和读写器之间通过相应的空中接口协议才能进行相互通信。,（2）EPC global标准：ISO/IEC空中接口协议标准侧重于数据采集，而在物品编码规则和数据采集后处理方面EPCglobal制定的一系列标准则更加成熟，它通过搭建一个可以自动识别任何地方任何事物的开放性全球网络。,、空中接口标准定义了RFID不同频段的
7、空中接口协议及相关参数。主要涉及的问题包括：时序系统、通信握手、数据帧、数据编码、数据完整性、多标签读写防冲突、干扰与抗干扰、识读率与误码率、数据的加密与安全性等。、数据格式管理标准是对编码，数据载体、数据处理与交换的管理。它主要规范物品编码、编码解析和数据描述之间的关系。、信息安全标准，它是支持标签与读卡器之间、读卡器中间件之间，中间件与中间件之间以及RFID相关信息网络方面的安全问题。、测试标准，它是针对标签、读卡器、中间件接口标准制定的，它包含编码一致性测试标准、标签测试标准、读卡器测试标准、空中接口一致性标准、产品性能测试标准、中间件测试标准。,3.1.1 ISO/IEC在RFID技术
8、标准体系中主要标准介绍,、网络服务规范，网络协议是完成有效、可靠通信的一套规范，是任何一个网络的基础，包括物品注册，编码解析、检索与定位服务等。、应用标准，RFID技术标准包括基础性和通用性标准以及针对事务对象的应用标准，设计根据实际需要制定的相应标准。,RFID系统与ISO/IEC数据标准和空中接口标准的关系图,目前ISO/IEC 18000、EPC global、UID三个空中接口协议正在不断的完善中，这三个标准相互之间并不兼容，主要在通信方式，防冲突协议和数据格式。 ISO/IEC 18000标准是最早开始制定的关于RFID技术的国际标准，按频段化为七个部分。也是支持产品最多的。EPC
9、global 最重视UHF频段的RFID产品 。EPC 、 global与UID标准体系有以下主要方面的区别： 编码标准不同 根据IC标签代码检索商品详细信息的功能有所不同 采用的频段不同,3.1.2 三大标准体系的比较,物理层：是计算机网络OSI模型中最低的一层，主要功能是为数据端设备提供传送数据通路、传输数据，也提供具有机械的，电子的，功能的和规范的特性。（1）为数据端设备提供传送数据的通路，数据通路可以是一个物理媒体，也可以是多个物理媒体连接而成。一次完整的数据传输，包括激活物理连接，传送数据，终止物理连接。（2）传输数据，物理层要形成适合数据传输需要的实体，为数据传送服务。一是要保证数
10、据能在其上正确通过，二是要提供足够的带宽（带宽是指每秒钟内能通过的比特（BIT）数），以减少信道上的拥塞。传输数据的方式能满足点到点，一点到多点，串行或并行，半双工或全双工，同步或异步传输的需要。,3.2 RFID的物理层,3.2.1 物理层的接口特性,（1） 机械特性指明接口所用的接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等（2） 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。（3） 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何意。（4）规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。,3.2.2 编码,对于物理层我们最好的记忆方法是用“信号和介质”来代表。（1）在R
11、FID技术里，信息的传递都是需要介质的，这总传输介质我们称之为“信道” ，它是数据传输系统里发送器和接收器之间的物理通路。,无线传输中射频识别所用的频率图,(2)数据编码（信源编码和信道编码）信源编码是对信源信息进行加工处理，模拟数据要经过采样、量化和编码变换为数字数据，为降低所需要传输量，在信源编码中还采用了数据压缩技术。信道编码是将数字数据编码成适合于在数字信道上传输的数字信号，并具有所需的抵抗差错的能力，即通过相应的编码方法使接收端能具有检错和纠错能力。,（3）数字基带信号波形,单极性矩形脉冲（NRZ)：此波形中的零电平和正电平分别代表0码和1码； 此种脉冲极性单一，具有直流分量，仅适合
12、近距离传输信息； 这种波形在码元脉冲之间无空隙间隙，在全部码元时间内传送码脉冲，称为不归零码（NRZ码）,双极性矩形脉冲：这种信号用脉冲电平的正和负来表示0码和1码；从信号的一般统计特性来看，由于0码和1码出现的概率相等，所以波形无直流分量，可以传输较远的距离。,单极性归零码：码脉冲出现的持续时间小于码元的宽度，即代表数码的脉冲在小于码元的间隔内电平归零值，所以称为归零码。特点：码元间隔明显，有利于码元定时信号的提取，但码元的能量小。,曼切斯特码：每一位的中间的一个跳变。位中间的跳变即作为时钟，有作为数据；从高到低的跳变表示1 ，从低到高的跳变表示0.它也是一种归零码。,（4）曼切斯特码是RF
13、ID常用的编码方法，也叫相位编码，是一个同步时钟编码技术，被物理层使用来编码一个同步位流的时钟和数据。,在此编码中，曼切斯特码的编码方式，1码是前半位高，后半位为低；0码是前半位为低，后半位为高；,NRZ码和数据时钟进行异或便可得到曼切斯特码，同样，曼切斯特码与数据时钟异或后，便可得到数据的NRZ码。 曼切斯特编码器由于有缺陷，在上升沿和下降沿的不理想，在输出中会产生尖峰脉冲P，所以需要改进。其缺陷图如下：,改进后的电路图如下，该电路的特点是采用了一个D触发器，从而消除了尖峰脉冲的影响，从图中可以看出，需要一个数据时钟的2倍信号2CLK，2CLK可以从载波分频获得。,曼切斯特编码器时序图：,起
14、始位为1，数据为00的时序波形如图，D触发器采用上升沿触发，由图可见，由于2CLK被倒相，是其下沿对D端采样，避开了可能遇到的尖峰P，所以消除了尖峰P的影响。,3.3 RFID的数据链路层,数据链路层：它是OSI参考模型中的第二层，介乎于物理层和网络层之间。数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的服务是将源自网络层来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。功能：（1）如何将数据组合成数据块（帧）（2）何控制帧在物理信道上的传输（3）以及在两个网络实体之间提供数据 链路通路的建立、维持和释放的管理。,3.3.1 RFID的MAC协议,RFID系统的主要目的是读取射频标签
15、所含有的信息。 在多路访问控制信道上，确定下一个使用者的协议属于数据链路层的一个子层，称为MAC（介质访问控制）子层。 MAC层主要负责控制与连接物理层的物理介质。 在发送数据时，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层； 在接收数据的时候，MAC协议首先判断输入的信息是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至逻辑链路控制（LLC）子层。 其核心是相互竞争的用户间如何分配同意信道资源。 为了尽量避免信道冲突的发生，RFID系统中需要在MAC层设计防冲突算法。,3.3.2 通信冲突解决基本方法,在通信技
16、术中，通信冲突问题是长久以来存在的问题，但同时也已研究了许多相应的解决方法。 这些方法大致可分为如下四种：空分多址(SDMA)、频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)。 防冲突算法的设计和选取与实际应用系统密切相关，需要具体问题具体分析。,防冲突基本方法,（1）空分多路法（SDMA）：在分离的空间范围内重新使用确定的资源（通路容量）的技术。 （2）时分多路法（TDMA）：把整个可供使用的通路容量按时间分配给多个用户的技术。 （3）频分多路法（FDMA）：把若干个使用不同载波频率的传输通路同时提供给通信用户使用的技术。 （4）码分多路法（CDMA）：允许所有使用者同时使
17、用全部频带(1.2288Mhz)，且把其他使用者发出讯号视为杂讯，完全不必考虑到讯号碰撞问题。,基于时间片的多址接入（TDMA）,该技术把整个可供使用的信道容量按时间分配给多个用户，它在数字移动无线电系统的范围内得到广泛的推广。 该方法又分为标签控制和识读器控制两种方法 标签控制法的工作是非同步的，因为这种方法中识读器没有参与数据的传输控制，这种控制法很慢而且不灵活。 因此大多数RFID系统采用由识读器作为主控制器的控制方式。通过设计合理的算法，在识读器的作用范围内，从所有应答器中选择其中一个应答器，然后进行相互通信，这里所有的标签同时由阅读器进行控制和检测，控制灵活，接入效率较高。 考虑到标
18、签的功耗，低存储性能，低价格，尽量少的计算能力等，TDMA是目前RFID系统使用最多的一种防冲突方法。,3.3.3 基于时间片的多址接入算法纯ALOHA,纯Aloha协议又称为Aloha技术、Aloha网，是世界上最早的无线电计算机通信网，是20世纪70年代初研制成功的一种使用无线广播技术的分组交换计算机网络。 纯ALOHA的信道不设置间隙，也没有网络同步信号。各个站点在需要发送的时候即向信道发送信息，当发生冲突时，各站点随机延迟一个时间段后重发已经发生冲突的数据，如再次发生冲突，则再延迟一个更大的时间后重发，如此反复，直至发送成功.,纯ALOHA方法,首先阅读器发出读指令，处于射频区的多个应
19、答器收到指令后，立即在随后的几个时隙中随机选择个将信息上传给阅读器，并且应答器会在一个周期的循环时隙内完成数据的上传。 加大时隙数量可以降低终端发生冲突的概率，但是信道多数时间将处于空闲的状态，意味着防冲突识别的速度变慢；反之，减小时隙数量，会导致RF终端的冲突明显增加。 只适用于简单的系统（如只读RF系统）。,时隙ALOHA算法（SA）,1972年，Roberts发表了一种能将纯ALOHA系统的容量加倍的方法，是对纯ALOHA的机一部改善。 将时间分为离散的间隔，每个间隔对应一个分组，这种方法要求有接入需求的节点遵守同意的时隙边界，每一个需要发送的数据都要等到下一个时隙的开始时刻才开始发送，
20、这样只有在同一时隙内到达的分组才会发生冲突，与纯ALOHA相比冲突明显减少。,时隙ALOHA算法（SA）,1、时间域被分为离散的时间间隔，即时隙； 2、标签发送信息的起始点不能任意，只能在一个时隙的起始点； 3、标签传送的信息要么不冲突，要么完全冲突； 4、标签信息的发送需要阅读器对其进行同步； 5、与纯算法相比，冲突的区间缩小了一半，信道利用率提高了一倍。,纯ALOHA与时隙ALOHA的吞吐率比较,吞吐率是一种关于数据通信系统的数据传输率的测度，吞吐率通常是对一个系统与它的部件处理传输数据能力的总体评价。 对于RFID系统，当吞吐率=1时，即在传输期间无冲突地传输数据包；当=0时，表示数据没
21、有发送或者是由于冲突不能准确地读出传输的数据。,3.3.4 载波侦听类接入协议CSMA,在局域网中，载波侦听类协议CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA是应用比较广泛的协议。 载波侦听多址接入（CSMA）是对时隙ALOHA协议的改进，改进的方法是在每个站点上增设硬件用于侦听其他站发送的载波信号。载波侦听信息的作用是减少冲突时间。 为了使载波侦听有效，必须缩短传播时延使它小于分组传输时间。否则因载波侦听的信息到达时间太晚而失去完成任务的作用。 采用载波侦听的接入协议具有时隙ALOHA协议的大部分特性，另外增加了以载波侦听信息为依据进行判决的功能。载波侦听信息的使用方法可分为非持续型和P持续型协议。这两种协议的操作又可分为时隙或非时隙型操作。,坚持与非坚持CSMA,坚持CSMA： （1）监听信道 （2）如果信道忙，则等待直到信道空闲 （3）当检测到信道空闲时，发送一个帧 （4）如果发生了碰撞（冲突），该站等待一个随 机时间，然后重复上述步骤,坚持与非坚持CSMA,非坚持CSMA:,监听信道 如果信道空闲，发送一个数据帧 如果信道忙，该站则等待一个随机时间，然后重复上述步骤,P-坚持CSMA:,监听信道 如果信道空闲，以概率P发送帧 以概率q=1-p推迟到下一个时隙 如果下一个时隙也是空闲的，该站即可发送帧，也可以推迟到下一个时隙概率分别为q和p.,
