1、 ISO/IEC的RFID空中接口標準比較分析Compare and Analysis of RFID Air Interface Standards of ISO/IEC信息產業部電子標簽標準工作組秘書處中國電子技術標準化研究所耿力摘要介紹了ISO/IEC制定的射頻識別空中接口標準ISO/IEC14443、ISO/IEC15693和ISO/IEC 18000的主要技術特性并進行了對比分析,為制定我國相關技術標準提出了建議。關鍵詞射頻識別空中接口ISO/IEC14443 ISO/IEC15693ISO/IEC18000Abs tract:This paper introduces techno

2、logy characteristics of RFID Air interface standards-ISO/IEC 14443, ISO/IEC 15693 and ISO/IEC 18000, and analyses the characteristics of them. At the same time, the suggestions are given for the d evelopment of relevant technology standards in China.Keywords: RFID; air interface; ISO/IEC 14443; ISO/

3、IEC 15693; ISO/IEC 180001概述隨著全球集成電路產業、微電子產業、互聯網和無線通訊產業的發展,射頻識別(RFID技術在生產、物流、醫療、防偽、交通、危險品安全管理等領域迅速發展,正醞釀形成巨大的產業鏈。目前國際上現有的RFID產品工作在多個無線頻率范圍內,常見的工作頻率有:低頻125kHz與134.2kHz,高頻13.56MHz,超高頻433MHz、860930MHz、2.45GHz 等。針對不同頻段,國際上制定了不同的技術標準,而在相同的頻率下也有多種RFID技術標準共存。不同的標準采用的無線調制方式、基帶編碼格式、傳輸協議和傳輸距離各有差異,采用不同標準的RFID標簽

4、和讀寫器無法互通。目前比較成熟并且應用最多的是載波頻率為13.56MHz的ISO/IEC14443和ISO/IEC15693系列標準,而最受關注的是ISO/IEC18000系列標準,它涵蓋了從125kHz到2.45GHz的頻段內的空中接口通信參數。以下將著重介紹ISO/IEC14443、ISO/IEC15693及ISO/ IEC18000系列標準的技術特性并進行分析。欄目編輯:羅月茹E-mail: luoyr集成電路 2ISO/IEC 的RFID 空中接口標準RFID是一種利用射頻技術實現的非接觸式自動識別技術。電子標簽和讀寫器之間通過相應的空中接口協議才能進行相互通信。空中接口協議定義了讀寫

5、器與標簽之間進行命令和數據雙向交換的機制,即讀寫器發給標簽的命令和標簽發給讀寫器的響應。因此空中接口標準在RFID系統中舉足輕重,它將直接決定系統傳輸和識別的可靠性和有效性。國際標準化組織ISO/IEC制定了一些RFID空中接口標準,其中影響最大的主要有ISO/IEC14443、ISO/IEC15693和ISO/IEC180003個系列標準。2.1ISO/IEC14443系列標準ISO/IEC14443:2001識別卡無觸點的集成電路卡接近式卡系列標準是由ISO/IECJTC1SC17負責制定的非接觸式IC卡國際標準,它采用的載波頻率為13.56MHz,應用十分廣泛,目前的二代身份證標準中采用

6、的就是ISO/IEC14443TYPEB 協議。該系列標準共分為物理特性、空中接口和初始化、防沖突和傳輸協議、擴展命令集和安全特性4個部分。它定義了TYPEA、TYPEB 兩種類型協議,通信速率為106kbps,它們的不同主要在于載波的調制深度及位的編碼方式。從接近式耦合設備(PCD向接近式卡(PICC傳送信號時,TYPEA 采用改進的Miller 編碼方式,調制深度為100%的ASK 信號;T Y P E B 則采用N R Z 編碼方式,調制深度為10%的A S K 信號。從PICC 向PCD 傳送信號時,二者均通過調制載波傳送信號,副載波頻率皆為847kHz。TYPEA 采用開關鍵控(On

7、-Offkeying的Manchester 編碼;TYPEB 采用B P S K 的N R Z -L 編碼。T Y P E B 與T Y P E A 相比,由于調制深度和編碼方式的不同,具有傳輸能量不中斷、速率更高、抗干擾能力更強的優點。2.2ISO/IEC15693系列標準ISO/IEC15693:2001識別卡無觸點的集成電路卡鄰近式卡系列標準也是由ISO/IECJTC1SC17負責制定的載波頻率為13.56MHz的非接觸式IC卡國際標準。該系列標準分為4個部分:物理特性、空中接口和初始化、防沖突和傳輸協議、擴展命令集和安全特性。它規定了鄰近式耦合設備(VCD和鄰近式卡(VICC之間全部采

8、用ASK 的調制原理進行通信,調制指數為10%和100%,VCD 確定使用哪種調制指數,VICC 應對兩種調制指數正確解碼。從VCD 向VICC 傳送信號時,編碼方式為兩種:“256取1”和“4取1”,二者皆以固定時間段內以位置編碼。這兩種編碼方式的選擇與調制指數無關。當“256取1”編碼時,10%的ASK 調制優先在長距離模式中使用,在這種組合中,與載波信號的場強相比,調制波邊帶較低的場強允許充分利用許可的磁場強度對IC卡提供能量。與此相反,讀寫器的“4取1”編碼可和100%的ASK 調制的組合在作用距離變短或在讀寫器的附近被屏蔽時使用。從VICC 向VCD 傳送信號時,用負載調制副載波。電

9、阻或電容調制阻抗在副載波頻率的時鐘中接通和斷開,而副載波本身在Manchester 編碼數據流的時鐘中進行調制,使用ASK 或FSK 調制。調制方法的選擇是由讀寫器發送的傳輸協議中F L A G 字節的標記位來標明,因此,VICC 支持ASK(副載波頻率為424kHz和FSK(副載波頻率為424/484kHz兩種調制方法。數據傳輸速率分為高速和低速兩種,同樣是通過FLAG 字節的標記位來選擇。這Tracks for Standard & Technology 兩種速率根據采用的副載波速率不同而略有不同,采用單副載波時低速為6.62kbps,高速為8kbps;采用雙副載波時則分別為6.6

10、7kbps和26.69kbps。可見,ISO/IEC15693標準應用更加靈活,操作距離遠,而且與I S O/I E C 18000-3標準兼容。2.3ISO/IEC18000系列標準ISO/IEC18000:2004信息技術用于項管理的射頻識別技術系列標準是由ISO/IECJTC1SC31負責制定的RFID空中接口通信協議標準,它涵蓋了從125kHz 到2.45GHz的通信頻率,識讀距離由幾厘米到幾十米,主要適用于射頻識別技術在單品管理中的應用。目前該系列標準分為以下6部分:ISO/IEC18000-1:2004參考結構和標準化參數定義;ISO/IEC18000-2:2004頻率小于135k

11、Hz的空中接口通信參數;ISO/IEC18000-3:200413.56MHz頻率下的空中接口通信參數;ISO/IEC18000-4:20042.45GHz頻率下的空中接口通信參數;ISO/IEC18000-6:2004860960MHz頻率下的空中接口通信參數;ISO/IEC18000-7:2004433MHz頻率下的有源空中接口通信參數。其中,ISO/IEC18000-1定義了在所有ISO/IEC 18000系列標準中空中接口定義所要用到的參數。還列出了所有相關的技術參數元數據及各種通信模式,如工作頻率、跳頻速率、跳頻序列、占用頻道帶寬、最大發射功率、雜散發射、調制方式、調制指數、數據編碼

12、、比特速率、標簽惟一標識符(UID、讀處理時間、寫處理時間、錯誤檢測、存儲容量、防沖突類型、標簽識讀數目等,并在標準的其他5個部分中詳細給出了在該通信頻率和模式下的具體參數值,為后續的各部分標準設定了一個框架和規則,并提供了有關射頻法規方面的信息和結構框架示例,這樣更有利于簡化、增加或修訂標準內容的工作。ISO/IEC18000的其他部分分別定義了通信頻率在125134kHz、13.56MHz、2.45GHz、860960MHz、433MHz下的空中接口通信協議。規定了讀寫器與標簽之間的物理層和媒體存取控制(MAC參數、協議和命令以及防沖突判斷機制。這些協議使讀寫器與標簽之間能夠實現通信。時序

13、參數以及協議中的信號特性在每一種模式中的物理鏈路規范中確定。ISO/IEC18000的物理層和媒體存取控制(MAC參數、協議參數和防沖突參數較為復雜,表1列出了該系列標準中的主要空中接口技術指標。Tracks for Standard & Technology 表1ISO/IEC18000的主要空中接口技術指標 3比較分析ISO/IEC14443和ISO/IEC15693系列標準主要從射頻IC卡的角度描述了接近式卡和鄰近式卡與相應的耦合設備處于不同距離時的情況,而ISO/IEC18000系列標準側重描述了在單品管理中,在不同頻率下利用射頻識別技術進行自動識別和數據采集。3.1定義對象I

14、SO/IEC14443和ISO/IEC15693系列標準是射頻IC卡標準,它針對封裝成IC卡的射頻標簽定義了4個部分內容:物理特性、空中接口和初始化、防沖突和傳輸協議、擴展命令集和安全特性。ISO/IEC18000系列標準針對單個物品管理的射頻識別規定了相關空中接口協議,而對標簽的封裝形式、物理特性、數據內容和數據結構沒有限制和定義。3.2通信頻率I S O/I E C18000系列標準涵蓋了從125k H z到2.45GHz的通信頻率,其中的ISO/IEC18000-3標準與ISO/IEC14443、ISO/IEC15693系列標準采用的通信頻率均為13.56MHz,形成了在相同的頻率下也有

15、多種RFID技術標準共存的局面。3.3讀寫距離RFID的工作頻段大體決定了讀卡器與標簽之間有效識別距離。ISO/IEC14443和ISO/IEC15693系列標準皆以13.56MHz交變信號為載波頻率。ISO/IEC15693讀寫距離較遠,有效距離可達1米左右,而ISO/IEC14443讀寫距離稍近,有效距離在10厘米以內,但應用較廣泛。ISO/IEC18000系列標準覆蓋的頻段較為寬泛,因此識讀距離可從幾厘米到幾十米。3.4工作原理由于ISO/IEC14443、ISO/IEC15693和ISO/IEC 18000系列標準中定義的工作頻率不同,各頻段下的標簽與讀寫設備之間的工作原理也有所差異。

16、HF頻段13.56MHz 下的讀寫設備和標簽采用近距離磁場耦合的方式來工作,標簽感應讀寫設備所產生的磁場信號,并依靠磁場的變化來傳遞信息,因此工作距離很近;UHF段下的標簽和讀寫設備采用反向散射的方式工作,標簽利用接收到的由讀寫器發出的射頻能量,將其中的編碼信息利用電波傳播回去,其工作距離較大。而且UHF頻段波長較短,所以射頻標簽也可以實現相對較小的物理尺寸,同時該頻段的繞射能力較強,適合大規模使用。3.5防沖突機制續表1Tracks for Standard & Technology 如果在同一時間段內有多于一個的射頻標簽同時響應,則說明發生沖突。RFID的核心是防沖突技術,防沖突機

17、制使得同時處于讀寫區內的多個標簽的正確操作成為可能,通過算法編程,讀寫器即可自動選取其中一個標簽進行讀寫操作。這樣既方便了操作,也提高了操作的速度。ISO/IEC 14443中規定了T Y P E A 和T Y P E B 兩種防沖突機制,前者是基于比特沖突檢測協議,后者是通過系列命令序列完成防沖突。ISO/IEC15693則是采用基于時隙的輪詢機制、分時查詢的方式完成防沖突機制,在模式1的防沖突算法中最多有16個時隙,電子標簽在每個時隙通過比較讀寫器指定的UID中某些位來決定是否響應,從而達到防沖突的目的。ISO 18000系列標準中則采用了多種防沖突機制,如ALOHA 法、時分多址和頻分多

18、址法、二進制樹搜索算法等。3.6應用領域一般來說,RFID系統使用的頻率不同,讀寫距離、數據傳輸量及傳輸速率差別很大,應用領域也就不同。ISO/IEC 14443主要應用在短距離中等速率讀取少量數據的領域,如門禁控制、電子門票、電子證照等,ISO/IEC15693由于讀寫距離稍遠,目前在危險品管理方面應用比較廣泛。ISO/IEC18000的應用更為寬泛,其中ISO/IEC18000-2適用于低成本、短距離、小量數據和低速率的應用,如動物識別、工具識別等;ISO/IEC18000-3適用于產品標識和門禁管理;ISO/IEC18000-4適合較長閱讀距離的應用,如高速公路收費、托盤和貨箱標識等;I

19、SO/IEC18000-6適合以較長的閱讀距離和較高速率讀取數據的應用,如物流和供應管理,生產制造和裝配;ISO/IEC18000-7可用于集裝箱、托盤和貨箱標識的管理。4結論通過對ISO/IEC14443、ISO/IEC15693和ISO/IEC 18000的技術特性進行對比分析,筆者認為我國制定相應技術標準有很多值得思考和借鑒之處:(1目前國內缺乏相應的標準規范,生產RFID產品的公司采用的標準也不盡相同,同一頻段下的空中接口協議應趨于一致,以降低標簽成本并滿足標簽與讀寫器之間互操作性的要求。(2我國在制定RFID空中接口標準時首先要符合中1I S O /I E C 14443:2001I

20、 d e n t i f i c a t i o n c a r d s -C o n t a c t l e s s i n t e g r a t e d c i r c u i t (s c a r d s -ProximitycardsS.2I S O /I E C 15693:2001I d e n t i f i c a t i o n C a r d s -ContactlessIntegratedCircuit(sCards-Vicinity CardsS.3ISO/IEC18000:2004Informationtechnology-AIDC t e c h n i q u e s -R F I D f o r i t e m m a n a g e m e n t -A i r interfaceS.4張綱,楊慶森,程君俠,俞軍.ISO/IEC18000-6(CD研究綜述J.信息技術與標準化,2004,04.5趙晝辰,何偉,張曉華.RFID