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无线技术在无线认证中的应用(上)
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Wireless Technology Application In RFID
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■清华大学微电子所 王志华教授
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前言
自动认证和数据采集(AIDC - Automatic Identification and Data Capture)技术是信息数据自动识读的重要方法和手段。
无线认证采用电信号控制、检测、追踪各种目标。将一个小标签粘贴或嵌入到被追踪的对象内，追踪对象可以是一般的物体，也可以是动物活体，标签携带有每个被追踪对象的唯一的、不可更改的编码。无线认证系统中的标签与前面讲的智能卡类似，由一片集成电路完成数据的处理、加密等。与智能卡不同，标签和读卡器之间的数据交换并非通过电接触完成的，而是通过无线方式完成。甚至标签提供能量也通过无线链路完成。
无线认证系统组成
RFID系统由两部分组成，如图1所示。系统中包括数个标签（收发器）、手持或者固定的读卡器、数据输入单元、系统软件等。读卡器可以对标签所携带的数据阅读和改写，有时也称为阅读器或编程器。典型的读卡器包括有射频模块（发射机和接收机），控制单元和耦合元件。许多读卡器还有额外的接口（RS232，RS485，…），它可将接收的数据传递给另一个系统，例如PC机、机器控制系统等。
无线认证系统标签
无线认证系统中标签包含了最核心的技术，它们有不同的种类、形状、物理尺寸和阅读范围。只读射频标签在工厂制造时为每个标签写入一个唯一的号码，号码由32~64bit组成，也有的标签由数个十进制数字编号。可读写标签的编号可以由最终用户改写、更新。这种能力使得可以将编码及编码数据方便地集成到基于计算机的信息系统或者其他数据采集系统中。收集到的数据可以通过标准接口中心计算机，或者存储在便携式阅读器内部供计算机下载和处理。
标签内的电路结构如图2所示。其中包含模拟电路完成标签供电、数据变换等功能。数字电路提供地址生成、加密逻辑等功能。对有高性能的无线认证标签，数字部分可能就是一个微控制器。其中的存储器部分则与智能卡相同。
RFID 标签有两种：有源标签和无源标签。有源标签（收发器）内部带有电池，无源标签则不带电池，从无线电波获取能量。无电池的标签寿命不受电池限制。使用无源标签的对象的被追踪时间可以很长。由于RFID不要求在标签和阅读器之间有光线通路，避免了其他自动认证系统（例如条形码）的缺点。这保证了RFID系统可以用于恶劣环境，比如灰尘、泥土、高湿度、可见度差的环境。
RFID的最大优点是在上述恶劣环境下仍可以得到令人满意的读写速度，在大多数情况下，可以在100毫秒之内响应。除此之外，RFID的读写是完全自动、全透明的，不需要手工扫描被追踪对象，也不需要象其他接触式标签技术那样，需要激活磁条阅读器、IC卡阅读器等。
由于RFID与其它认证系统相比有很多优点，RFID系统正开始占领巨大的新市场，例如在公交自动收费系统中的应用。加拿大Mounted
警察局曾经实验了RFID的应用，用RFID技术追踪250辆警车和800名警员。警察职业的特点确定了要实时监测警员和警车的位置和状态，由于标签安装在警车内，决定了必须在尘土、污垢、雨雪等环境下工作，且必须保持对数据的正确处理能力。
标签和阅读器的通信
在RFID系统中，标签和阅读器之间采用无线通信方式传递信息。其基本的通信方式有两种，第一种基于电磁耦合或者电感耦合，第二种基于电磁波的传播。图3示意画出了这两种不同的耦合方式。标签与阅读器之间的耦合通过天线完成，这里的天线通常可以理解为电波传播的天线，有时也指电感耦合的天线。
数据在阅读器和标签之间用无线方式传递，噪声、干扰以及失真与数据本身一样传递。与其他通信系统相似，技术上必须保证数据被正确传递和恢复。数据通信领域，数据传递有同步和异步之分，在RFID系统中，码流结构也要适应信道特性的要求，码流结构化过程称为信道编码。对于RFID系统，信道编码必须对用户透明，现在有各种不同的信道编码方法，其特点也不尽相同。
为了通过空间有效传递数据，要求将数据调制在载波上，这一过程称为调制。常用的调制方法有ASK、FSK和PSK。
设计需考虑的问题
无线认证系统的设计，需要考虑很多因素，这些因素包括：
载波频率问题
RFID系统中选择高频还是低频与应用领域有关。低频系统中阅读器与标签之间的距离较近，数据传输速度也较低，被追踪对象的移动速度也不高。通常生产线上被组装的部件的移动速度在20英里/每小时以下，可以采用低射频系统。高频系统的工作范围则可以达250英尺以上，被追踪对象的速度在150英里/小时的情况下仍可以应用。
高频系统
典型的高频无源标签工作在UHF波段，即500MHz以上，通常在900MHz至2.5GHz之间。这些系统适宜与汽车、货运作业、集装箱运输调配等工业。这些环境下通常要求阅读器与标签之间的距离在15英尺以上，通常要在标签和阅读器之间传递大量数据，且要求阅读器与标签之间的数据传递速度较高。
在高频系统工作过程中，阅读器首先通过天线发送信号到收发器（标签），标签采用某种调制方式将ID编码数据发送回阅读器。汽车自动收费系统就是这种高频、高速应用的实例。在这种系统中，射频标签安装在汽车内部的仪表盘上，在高速公路上可以在不减速、不停车的情况下自动扣除过路费。这种系统中数据传输速率可以达到300kbit/s，标签移动速度(车速)可以达到100英里/小时。
中频系统
中频系统的工作频率在10-15 MHz之间，适用于近距离及中等距离读写控制，价格可以做到很便宜，读取速度适中，通常用于门禁系统的各种智能卡
低频系统
典型的低频无源标签工作在30kHz~500kHz之间。适用于制造、生产和处理过程中的对象追踪。在低频系统工作过程中，阅读器发送信号到标签，该信号为标签提供能量，在该信号的激活下，标签返回存储于其内部的唯一的标识码。由于大部分低频RFID系统都是无源系统，标签可以在产品制造过程中嵌入被追踪对象内部，在被追踪对象的整个生命周期中都可以对其追踪。低频系统在大部分非金属材料内部都可以准确传递信息，因此其应用较广。
频带划分
在有线通信系统中，通信链路由物理导线构成的网络建立，物理导线将不同的通信链路隔离开来。在无线通信中，链路的划分通过频带划分实现。频带划分由政府立法完成，不同的频率波段分配给不同的业务。在不同国家，频带划分可能不同，政府通常要按业务的需求划分频段。为了RFID的应用，频带划分的标准化过程正在进行中。迄今为止，各国对频率的划分还算一致，在三个大区（第一区：欧洲和非洲，第二区：美州，第三区：远东和澳大利亚）内部，各国都遵守了大区对无线电频率资源管理的指导性意见。但是还没有一个频点是全球通用的频率。期望到2010年会有全球统一的RFID工作频率。
(待续)
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