第 05 章 超高频RFID协议标准

射频识别技术原理、协议及系统设计超高频RFID协议标准协议标准第五章

主要内容：电磁反向散射耦合与调制EPCglobalClass0识别协议EPCglobalClass1识别协议RFID标准概述EPC标准与EPC系统EPCglobalclass1Generation2一、电磁反向散射耦合与调制当电子标签进入到电磁场时，电子标签的天线将产生感应电流。这里的线圈大多是单偶极子或是双偶极子。电磁反向散射耦合的实质是读写器天线辐射出的电磁波到达射频标签天线表面后形成反射回波，反射回波再被读写器天线所接收。利用的是读写器天线辐射出的交变电磁能，这相当于天线的远场情况。由雷达技术得知，电磁波可以被外形尺寸大于其波长一半的物体所反射，因此标签电线的尺寸应满足波长的一半1.反向散射耦合（远场）2.反向散射耦合方式原理框图读写器和标签构成一个完整的收发通信系统。发射功率P1：经由于自由空间衰减到达标签，功率P1’的一部分被标签天线接收为“标签提供能量”，另一部分被标签天线反向散射，携带标签数据传输到读写器P2’。标签的散射横截面σ：反映目标反射电磁波的能力，与目标大小、形状、材料、表面结构以及发射的电磁波长、极化方向有关。3.反向散射中的调制方式S开路，天线处于负载匹配状态，辐射场的功率被吸收，反射最小

即：σ=σminS闭合，天线负载被短路，此时全反射，即：σ=σmax取决于标签天线的优先面积Ae：电磁反向散射耦合型射频模块远距离超高频RFID系统利用阅读器与射频标签之间的电磁反向散耦合原理工作的，类似于雷达的工作原理。该系统中，为了给射频标签提供工作能量，阅读器必须不断地发送射频信号。阅读器发送信号和标签返回信号频率相同、强度不同。为了区分，超高频的射频模块可分为：源模块、发送模块和接受模块。4.读写器端的射频模块电磁反向散射耦合型射频模块源模块的作用是为发送通道和接受通道提供本地振荡器（LocalOscillator）。放大之后的载波信号经过功分器分成两路，一路送往发送模块，一路送往接受模块。4.读写器端的射频模块电磁反向散射耦合型射频模块发送模块由混频器、线性放大器、前置放大器、功率放大器和阻抗变换网络组成。线性放大器信号放大混频器载波、基带信号混合调制功率放大器阻抗变换网阻抗匹配

低通滤波器和谐波抑制器环形器4.读写器端的射频模块电磁反向散射耦合型射频模块接受模块由线性放大器、两个功分器和两个混频器组成。射频标签返回微弱信号天线

环形器（三端口微波器件）带通滤波器功分器混频器I路基带信号输出混频器Q路基带信号输出4.读写器端的射频模块电磁反向散射耦合型射频模块射频模块主要功能产生高频发送能量，激活射频标签并为其提供能量（无源射频标签）对发送信号进行调制，用于将数据传输给射频标签。接受并解调来自射频标签的射频信号。4.读写器端的射频模块5.前向链路思考题一：1）前向链路？2）OOK调制？3）PIE编码规则？优点？6.反向链路思考题二：1）反向链路？2）调制方式？3）FM0编码规则？优点？EPCglobalClass0的标签是只读的其包含的信息由厂商写入，用户不可写入其EPC码（ElectronicProductCode）包括64比特和96比特两种。二、EPCglobalClass0识别协议1.Class0标签EPCglobalClass0标准使用了二进制树的变种算法用于媒介访问控制，访问模式如下图：00010100010110001100110111110001111标签的回复阅读器发送的序列NULL,00011(mute)(mute)(mute)(mute)00(mute)(mute)(mute)(mute)(mute)(mute)2.Class0标签识别协议EPCglobalClass0标准使用了二进制树的变种算法用于媒介访问控制，访问模式如下图：0001010001011000110011011111标签的回复阅读器发送的序列NULL,0001(mute)(mute)(mute)(mute)(mute)(mute)01标签0001的EPC码已经发送结束，标签0001被识别思考题三：1）识别一个标签需经过几次问询？ 2）识别过程需经历哪几种时隙？3）优点？此类标签的电子产品编码包括64比特和96比特两种，并且支持锁定（LOCK）和灭活（KILL)命令。EPCCIG1协议标准中使用数据包式的半双工协议。属于EPCC1G1的标签是被动标签。能够反射一个唯一的识别码（ID）给阅读器。EPCC1G1标准中，假设所有的标签至少能被重写一次。EPCC1G1和EPCglobalClass0标准是不兼容的，无论是在标签符号、媒介访问控制、命令集还是在状态图方面。三、EPCglobalClass1识别协议1.Class1标签EPCC1G1协议提供一些命令来改善媒介访问控制过程，并具有可以直接访问标签EPC码的命令。PingID：提供掩码（Mask）过滤器，其指定了遍历过程的起始位置以及对标签的访问情况。2.Class1标签识别协议EPCC1G1使用PingID命令遍历二叉树，识别标签。掩码为1前缀为1标准的意义：

Internet之所以能够在全球范围内实现软硬件以及信息资源共享，是因为实现了各种网络设备的软硬件及数据交换标准的统一。随着物联网的迅猛全球化和国际射频识别日趋激烈的竞争，物联网RFID标准体系已经成为各个企业和国家参与国际竞争的重要手段。标准化 对产品、过程或者服务中现实和潜在的问题做出规定，提供可共同遵守的工作语言，以利于技术合作，同时防止贸易壁垒。通过制定、发布和实施RFID标准，可以解决编码通信、空中接口和数据共享等问题，以最大程度地促进RFID技术及相关系统的应用。四、RFID标准概述1.概述RFID技术在国际标准化组织的分类中属于信息技术中的自动识别与数据采集领域（AIDC），由国际标准化组织ISO和国际电工委员会IEC负责制定。ISO和IEC专门为AIDC技术成立了技术标准组（JTC-1），1996年又成立了SC31分委员会，负责自动识别和数据采集技术的标准化制定工作，ISO/IEC分组制定相关标准：WG1：负责数据载体WG2：负责数据结构WG4：负责物品管理的RFID技术WG5：负责实时定位系统WG6：负责移动物品识别和管理WG7：负责物品管理的安全性。和其他非强制的标准一样，ISO标准是否被采用也取决于市场的需求。2.RFID国际标准化组织—ISO/IEC1）RFID标准内容2）

ISO/IEC的标准体系ISO/IEC已出台的RFID标准主要关注基本的模块构建、空中接口和涉及的数据结构以及它们的实施问题。具体可以分为技术标准、数据结构标准、性能标准及应用标准四个方面：数据标准（如编码标准ISO/IEC15691、数据协议ISO/IEC15692、ISO/IEC15693，解决了应用程序、标签和空中接口的多样性要求，提供一套通用的通信机制）空中接口标准（ISO/IEC18000系列）测试标准（性能测试ISO/IEC18047和一致性测试标准ISO/IEC18046）实时定位（RTLS)（ISO/IEC24730系列应用接口与空中接口通信标准）方面的标准。常用ISO标准:目前RFID非接触式智能卡常用的三个ISO标准：ISO/IEC14443、ISO/IEC15693和ISO/IEC10536。目前ISO14443以13.56 MHz交变信号为载波频率，应用较为广泛。ISO/IEC14443是近耦合非接触式IC卡的国际标准，可用于身份证和各种智能卡、存储卡等。ISO/IEC14443标准由四部分组成，即ISO/IEC14443—1/2/3/4。标准卡的类型阅读器作用距离ISO/IEC10536密耦合（CICC）CCD紧靠ISO/IEC14443近耦合（PICC）PCD<10cmISO/IEC15693疏耦合（VICC）VCD约50cmEPC:

EPC—ElectronicProductCode，基于RFID技术的EPC，为商品的识别、存储、生产加工、物流、销售各个环节带来了巨大变革，信息化浪潮使商业进入了一个崭新的时代，也将使工业进入崭新的时代。

EPCglobal：受业界委托而成立的非盈利组织，负责EPC网络的全球化标准，以便更加快速、自动、准确地识别供应链中商品。与ISO通用性RFID标准区别

EPCglobal标准体系只是面向物流供应链领域，可以看成是一个单独的行业应用标准。EPCglobal的目标是解决供应链的透明性和追踪性，透明性和追踪性是指供应链各环节中所有合作伙伴都能够了解单件物品的相关信息，如位置、生产日期等信息。为此PCglobal制定了EPC编码标准，它可以实现对所有物品提供单件惟一标识。3.RFID国际标准化组织--EPCglobalEPC系统在计算机互联网的基础上，利用射频识别技术，可构造一个覆盖世界上万事物的实物互联网。五、EPC系统与EPC标准EPCglobal的主旨：

搭建一个可以自动识别任何地方、任何事物的开放性的全球网络，即EPC系统，是物联网的一种典型架构。EPC强调对每一件物品都进行编码的通用方案，每一件物品基于RFID的EPC代码在物联网中所起到的作用就相当于一个索引。EPC系统主要特点：开放的体系结构EPC采用Internet系统，可避免系统复杂性、降低系统成本、利于系统增值。独立的平台与高度的互动性EPC系统识别的对象是一组十分广泛的实体，没有一种技术适用所有的识别对象。同时，不同地区、不同国家的RFID标准也不尽相同。因此开发的体系结构必须有独立的平台和高度的互操作性。EPC系统网络构建在Internet网络之上，并且与Internet所有可能的部件协同工作。灵活的可持续发展的体系EPC系统是一个灵活的、开放的、可持续发展的体系，可在不可替换原有系统的情况下做到系统升级条形码：20世纪70年代，商品条形码的出现引发了商业的第一次革命RFIDEPC21世纪的今天，基于RFID技术的电子产品编码（ElectronicProductCode，EPC）新技术，给商品的识别、存储、流动、销售各个环节带来了巨大的变革，信息化的浪潮使商业进入了崭新年代。Auto-ID中心1999年美国麻省理工学院成立Auto-ID中心，进行RFID技术研发，通过创建RFID标准，并利用网络技术，形成EPC系统EP编码规则：EPC统一对全球物品的编码方法，直到编码至单个物品EPC规定了将此编码以数字信息的形式存储于附着在物品上的应答器（在EPC中常称为标签）中阅读器通过无线空中接口读取标签中的EPC码，并经计算机网络传送至信息控制中心，进行相应的数据处理1.EPC的产生与发展EPCglobal

：

为实现和管理EPC的工作，国际物品编码协会EAN和美国统一代码委员会UCC在2003年11月成立了全球电子产品代码中心EPCglobal。2.EPC系统组成在由EPC标签、读写器、Savant服务器、Internet、ONS服务器、PML服务器以及众多数据库组成的实物互联网中，读写器读取的EPC只是一个信息参考，通过这个信息参考从Internet找到IP地址并获取该地址中存放的相关的物品信息，采用分布式Savant软件系统处理和管理由读写器读取的一连串EPC信息。EPC系统构成

系统构成名称注释全球产品电子代码编码体系EPC编码标准识别目标的特定代码射频识别系统RFID电子标签电子标签贴在物品之上，与之一一对应RFID读写器信息网络系统Savant（中间件）为EPC系统提供信息支撑对象名称解析服务ONSEPC信息服务射频识别系统：实现EPC代码自动采集的功能模块，主要由射频标签和射频读写器组成，射频标签是产品电子代码（EPC）的物理载体，附着于可跟踪的物品，可全球流通并对其进行识别和读写。射频读写器与信息系统相连，是读取标签中的EPC代码并将其输入网络信息系统的设备。信息网络系统：由本地网络和全球互联网组成，是实现信息管理和流通的功能模块。EPC系统的信息网络系统是在全球互联网的基础上，通过EPC中间件、对象名称解析服务ONS和EPC信息服务（EPCIS）来实现全球“实物互联”。信息网络系统包含三个组件：1）EPC中间件是有一系列特定属性的“程序模块”或“服务”，被用户集成以满足其特定需求，EPC中间件也称Savant。EPC中间件用来加工处理来自读写器的所有信息和事件流的软件，主要任务是将数据送往应用程序之前进行标签数据校对、读写器协调等操作，是物联网的核心。2）对象名称解析（ONS）服务是一个自动网络服务系统，类似于域名解析服务，ONS给EPC中间件指明了存储产品相关信息的服务器。ONS服务是联系EPC中间件和EPC信息服务的网络枢纽，且ONS涉及的架构也是以因特网域名解析服务为基础，因此可以使整个EPC网络以因特网为依托，迅速建立架构并顺利延伸到世界各地。3）EPCIS信息服务提供了一个模块化、可扩展的数据服务接口，使得EPC的相关数据可以在企业内部或者企业之间共享，它处理与EPC相关的各种信息。EPCIS有两种运行模式，一种是EPC信息直接应用于已经激活的EPCIS应用程序；另一种是将EPCIS信息存储在资料档案库中，以备今后查询时进行检索。EPC编码原则：唯一性：足够容量、组织保证、使用周期等可扩展性：为未来的发展提供了充足的备用空间保密性与安全性：EPC编码和加密、认证技术相结合

EPC编码类型与结构

3.EPC编码版本编码类型标头字段EPC管理者对象分类序列号EPC-64TYPEITYPEIITYPEIII222211526171313243423EPC-96TYPEI8282436EPC-256TYPEITYPEIITYPEIII888326412856565616012864长度为64位的版本号为2位：01、10、11长度大于64位版本号的最高两位必须为00，即，96位版本号从001开始长度大于96位版本号的最高三位必须为000，长度大于128位版本号的最高两位必须为0000，即，256位版本号从00001开始……EPC管理者（EPCManager）分布式架构：EPC体系架构的设计原则之一是分布式架构，具体是通过EPC管理者的概念来实现的。EPC管理者是指那些得到电子产品编码分配机构授权的组织，它们可以在授权的一个或多个编码段内自主地为各类实体指定编码，并负责保证该编码段内编码的唯一性，以及维护对象域名解析系统中的记录。EPC管理者代码：在电子产品编码分配机构向EPC管理者授权时，首先为EPC管理者分配一个唯一代码，即EPC管理者代码。一个EPC用户可以同时拥有多个EPC管理者代码，以此管理和维护多个EPC编码段。在产品电子编码的定义中，EPC管理者代码作为独立的一部分，这样就可以通过产品电子编码直接识别出EPC管理者的信息，以保证系统的可扩展性。举例：一个ONS查询可以从概念上理解为在一个大表中查询某个电子产品编码所映射到的EPCIS服务地址。但假如有了EPC管理者代码，就可以由EPC管理者负责维护ONS服务器中所分配编码段的小表，这样就可以提高ONS查询的执行效率。不同版本的EPC管理者编码具有长度的可变性，这就使得更短的EPC管理者编号变得更为宝贵。EPC-64II型有最短的EPC管理者部分，它只有15位。因此，只有EPC管理者编号小于215=32768的才可以由该EPC版本表示。对象分类（ObjectClass）对象分类部分用于一个产品电子码的分类编号，标识厂家的产品种类。对于拥有特殊对象分类编号者来说，对象分类编号的分配没有限制。但是Auto-ID中心建议第0号对象分类编号不要作为产品。电子码的一部分来使用。序列号（SerialNumber）序列号部分用于产品电子码的序列号编码。此编码只是简单地填补序列号值的二进制。一个对象分类编号的拥有者对其序列号的分配没有限制，但是Auto-ID中心建议第0号序列号不要作为产品电子码的一部分来使用。标签中存储的唯一信息是EPC编码标签通常是被动式标签，其空中接口采用EPC空中接口或ISO/IEC18000标准5类功能级别：Class0:

只读型，包含EPC编码、自毁代码和CRC码，自毁后不能被识别Class1:

一次写入型、无源、反向散射式标签，具有标签标示（TID）、加密、自毁功能。Class2:读写型Class1标签+扩展TID、认证访问控制等Class3:

半被动式Class2标签+内置传感器电路Class4:

主动式Class2标签+内置传感器电路+标签与标签互通信与多跳无线网络4.EPC标签Class：Class描述的是标签的基本功能，譬如说它里面存储器情况或有无电池。

Gen：Gen是指标签规范的主要版本号。通常所说的第二代EPC，实际上是第二代EPCClass1，这表明它是规范的第二个主要版本，针对拥有一次写入内存的标签。EPCClass:EPCClass的目的是为了提供一种模块化结构，涵盖一系列众多的可能类型的标签功能。

EPCGen2:EPCglobal_UHF_Class1_Gen2_空中接口协议(ver1.09)(中文).pdf指符合题为“EPCRadio-FrequencyIdentityProtocols/Class1Generation-2UHF/RFID/ProtocolforCommunicationsat860MHz~960MHz”规范的标签EPCGen2是一个开放的标准EPCGen2是一个多协议的标准EPCGen2是一个发展中的标准

5.Class与Gen（代）思考题三：EPC、RFID、条形码的区别与联系？6.EPC框架下RFID应用应用目标：某百货集团希望创建EPC-RFID系统，能通过某物流公司能可视化地从恭迎您链上游制造企业得到以单品为单位的及时信息，并进一步实实现对供应链下游的销售商及终端用户建立起动态的单品信息跟踪与服务。通过EPC-RFID项目的应用，以实现供应链管理一体化，优化业务流程，提高管理决策的效率，降低相关成本。任务：1.绘制业务流程1)制造商产品下线及出库流程？2)物流公司入库流程？3)物流公司出库流程？2.设计系统的架构与软件模块1)系统架构?2)软件模块?

思考题四1)制造商产品下线及出库流程

2)物流公司入库流程六、EPCglobalclass1Generation2遵守EPCglobalClass1Generation2（EPCG1G2)标准的RFID系统工作频段在860MHz~960MHz。EPCC1G2标准主要致力于提供一个统一的方法来读取RFID标签中的数据、向标签中写入数据以及与标签通信等。Auto-ID

Center的目标是规范编码系统和网络构造，并且采用ISO协议作为空中接口标准。早期，EAN和UCC致力于努力制订符合ISO的UHF协议的全球标签（GTAG）的标准。但是，Auto-

ID

Center反对这样做，原因在于ISO中的UHF协议过于复杂，并且因此导致电子标签的成本居高不下。Auto-ID

Center开始开发独自的UHF协议，最初计划制订一套适用于不同级别标签的协议。级别越高的标签更完善。结果却一直在调整计划。最终，Auto-ID

Center采用Class

0和Class

1的两种不同的协议，这意味着终端用户必须购买不同的读写器来读取Class

1和Class

0的标签。2003年，Auto-ID

Center的EPC技术因得到了UCC的认可，而开始与EAN组织进行合作，使EPC技术商业化。2003年11月，EPCglobal成立，Auto-ID

Center将Class

0和Class

1协议转交EPCglobal。后来EPCglobal通过会议批准Class

0和Class

1协议作为EPC标准。

Class

0和Class

1协议有两个缺点，其一是Class

0和Class

1协议互不兼容，并且与ISO更不兼容。其二是它们不能做到全球通用。例如，Class

0发射信号时使用一种频率，而接收信号时用另一种不同频率。这与欧洲的标准不同。2004年，EPCglobal开始着手第二代协议（Gen2)的开发，这个协议与Gen1不同，而是要使

EPC标准将更加接近ISO标准。2004年12月，EPCglobal又通过了Gen2。这样Gen2和ISO标准同时成为RFID产品厂家的标准。

Gen2虽然接近了ISO，但是，关于AFI却与ISO不同。所有的ISO标准都有AFI，这是一个8bit的编码，用来识别标签源码，来防止EPCglobal对标准的垄断。但是，生产商已经开始用Gen2标准来生产产品，这将在供应链中形成全球使用Gen2的趋势。EPC的Gen2标准将以18000-6

Type

C的形式，于2006年3月得到ISO的批准认可，纳入ISO标准体系。1.物理层的通信机制在EPCC1G2中的物理层通信接口与OSI协议栈七层模型中的物理层通信接口相同。在EPCC1G2中存在两种通信链路，即阅读器到标签的通信链路以及标签到阅读器的通信链路。这两个链路是独立的并且有着不同的数据编码方式、数据速率和数据调制模式。物理层的通信机制阅读器到标签的通信链路维持CW命令标签到阅读器的通信链路响应调制CWASK调制ASK/PSK调制EPCC1G2协议标准是半双工的协议，在一次传输中，只允许一个阅读器发送信号或者只有一个标签发送信号。2.EPCC1G2标签的典型的存储结构E2HEPCglobaltaskmask-designercodes(aspublishedon2009-03-12)3.EPCC1G2标签的七个状态EPCC1G2协议标准中，标签的行为可以用有限状态机来描述。以下为标签的七个状态：标签在通电前所处的状态。此时标签不参加询问过程。标签从阅读器发送的查询命令中，选择一个参数生成随机数用于计算发送的时隙。若为0，标签进入回复状态，否则进入仲裁态。标签参加本轮查询。此时标签时隙不为0，将等待时隙数变为0，然后进入回复状态。当标签需要回复EPC码时，首先进入回复态。RN16ACKEPC/PC/CRC标签接受到ACK后进入确认态。否则，标签会自动进入仲裁态。标签回复EPC码后进入确认态。这是标签进入访问命令的必经状态。如回复态一样，若标签在指定时间内没有接受到阅读器的命令，将会自动返回仲裁态。标签进入访问命令时需要互斥使用的状态。若标签没接受阅读器的命令将一直保持在此状态直至没有能量。标签能从开放态进入安全态。RFID标签中存储特定对象的信息，在不需要该标签将其杀死以保护信息。当标签进入杀死态以后，将不再响应阅读器发出的任何命令。标签可以使用一个可选的密码功能要求阅读器在执行任何访问命令时都要提供保护的密码。4.会话机制RFID系统必须允许多个阅读器和同一个标签通信。会话机制：在EPCC1G2标准中，最多能允许四个阅读器在同一时间帧中与标签通信。EPCC1G2采用基于时隙的ALOHA的防冲突算法来减少由于冲突造成的数据损坏。在EPCC1G2的四个会话中，每个会话都有一个自己的查询标记，其他的标签状态则在每一个会话中共享。这四个状态分别为S0/S1/S2/S3。会话状态图FlagPersistence：TagPowerOnPersistence：TagPowerLostS0IndefinitenoneS1500ms<t<5s500ms<t<5sS2Indefinitet>2sS3Indefinitet>2sS4Indefinitet>2s不同情况下标签的标志位持续时间多个阅读器的并发读取，每个阅读器必须选择一个不同的会话，避免读取EPC码以后不断地在A和B之间切换标记位的值。5.读取标签的命令在EPCC1G2协议中，收集标签的EPC码（ID）是一个很重要的操作。选择命令查询命令QueryAdjust命令识别标签的四个命令。QueryRep命令1）select定义了参与下一个查询过程的标签数目，选择参与下一轮查询的标签子集。选择命令可以允许阅读器更改选择的标记位或者存储在标签中的四个标记位的任意一个。选择命令包含6个强制的域和一个可选的域2）Query启动一轮新的识别过程，识别将参与下一轮查询过程的标签集合，并且选择标签到阅读器的编码方式和数据速率。指定SL标记位的值以及一个特定的会话中的标记位的值。

CommandDRMTRextSelSessionTargetQCRC-5比特数412122145描述10000:DR=81:DR=64/300:M=101:M=210:M=411:M=80:无导频信号1:使用导频信号00:All01:All10:~SL11:SL00:S001:S110:S211:S30:A1:B0-15

22个比特。只有当标签的标记位（SLflag）和其一个特定会话中的标记位与查询命令中的值相同时，标签才会参加下一轮的识别。3）QueryRep用于指示标签进入下一个时隙。当标签响应该命令时，将自身时隙计算器减1，至0时，标签向阅读器发送RN16。

CommandSession比特数22描述0000:S001:S110:S211:S34）QueryAdjust用于调整时隙数目并选择一个新的时隙计数器，或者指示标签不改变时隙数目而选择一个新的时隙计数器。不会启动一轮新的查询。

CommandSessionUpDn比特数423描述100100:S001:S110:S211:S3110:Q=Q+1000:Q保持不变011：Q=Q-16.选择指定的标签选择标签的过程：阅读器与一个特定的标签建