CN102880843B - 一种用于rfid系统的多标签防碰撞方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于RFID系统的多标签防碰撞方法,该方法以16个时隙的识别为基础,采用轮询和随机接入相结合的思想:将整个标签的响应过程分为16个时隙;阅读器不断发送清点请求指令,要求在其阅读范围内的标签给予响应;当有标签进入读写器的阅读范围时,接收到阅读器发出的射频信号后发送自身携带的信息,阅读器检测收到的信息,若对信号解析成功,表示没有碰撞发生,清点完毕,完成对标签的读取;若没有成功解析出标签发送的信息,则表示标签发生碰撞。该多标签防碰撞方法避免了大规模轮询,提高了识别效率,可以有效防止假冒标签等恶意攻击。

Description

一种用于RFID系统的多标签防碰撞方法
技术领域
本发明属于物联网通信领域,涉及一种用于射频识别(RFID)的以16个时隙为基础的多标签防碰撞方法。
背景技术
无线射频识别系统(RFID)是一种在开放的系统环境中使用无线射频进行对象识别的技术。这种开放式识别的优点是不需要进行物理接触或其它任何可见的接触即可识别,同时还防水、防磁、耐高温,并且可以工作在恶劣环境中,使用寿命长。RFID技术可以追溯到二战时期,后来慢慢发展应用到了物流、物品管理、超市、军事以及票证管理、动物识别上,中国的第二代身份证采用的也是射频识别技术。它是沟通物理世界与虚拟网络的桥梁,必将对人类的现实生活产生深远的影响。
标签碰撞(collision)是RFID系统中不可避免的一类问题。当一台阅读器的阅读范围内同时出现了两个或者两个以上的标签时,信号就会产生叠加,从而使阅读器无法正确地解析出标签所发送的信号,这就是标签的碰撞问题。
解决标签碰撞问题的方法有很多,可以分为时分多路法(TDMA)、频分多路法(FDMA)、空分多路法(SDMA)和码分多路法(CDMA)。但是考虑到设备的复杂性及标签的成本问题,时分多路法最为常用。通常,时分多路法可分为标签控制法和阅读器控制法。标签控制法最具代表性的是ALOHA方法,这是一种随机接入的方法,发生碰撞的标签在接收到阅读器发送的碰撞指令后会随机的等待一段时间后再重新发送自身信息以避免冲突,直到发送成功为止。ALOHA方法的计算复杂度较小,对标签要求也较低,但是存在标签永远不被识别的风险。阅读器控制法可以分为轮询法和二进制搜索法:1)轮询法原理比较简单,即阅读器挨个询问标签,只有符合条件的标签发送应答。但是轮询法在标签较多时识别效率不高,且容易受到假冒标签的攻击。1)二进制搜索法的基本思想是按照递归的工作方式将发生碰撞的标签集合划分为两个标签子集,如仍有碰撞则将碰撞的子集继续划分,直到集合中只剩下一个标签为止。优点是能够百分之百地识别标签,但算法复杂度高,泄露的信息较多而安全性差,且标签在清点开始时发生碰撞的概率极大,识别效率受到标签ID分布情况的影响变化较大;
随着社会的飞速发展,标签需要携带的信息越来越多,阅读器与标签之间交互的信息量也越来越大,但是RFID系统使用的环境却越来越复杂。因此,制定出安全、高效的防碰撞接入机制是非常有意义的。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,提出了一种用于RFID系统的多标签防碰撞新方法。该方法以16个时隙的识别为基础,将轮询机制和随机接入机制有机结合,在执行2轮16个时隙的轮询后,若仍然存在碰撞,则转入随机接入方式,从而避免了大规模轮询,提高了防碰撞性能,可以有效地防止攻击者利用伪造的假冒标签进行的阅读器攻击。
其技术解决方案是:
一种用于RFID系统的多标签防碰撞方法,包括以下步骤:
a在初始状态下,阅读器发给标签的掩码Mask长度设置为0,阅读器不断发送清点请求指令,要求在其阅读范围内的标签给予响应;
b当有标签进入阅读器的阅读范围时,标签接收到阅读器发出的射频信号,凭借感应电流获得的能量向阅读器发送自身携带的信息;阅读器检测收到的信息,若对信号解析成功,表示没有碰撞发生,清点完毕,完成对标签的读取;若没有成功解析出标签发送的信息,表示标签发生碰撞,则进入防碰撞过程;
c在防碰撞过程中,阅读器将应答时间划分为16个时隙,每个时隙的长度大于一个标签和阅读器完成数据交换所需的时间长度;初始时,Mask值设为0000,并向所有标签发送清点请求指令;标签接收到清点请求指令后,将时隙计数器清0,然后从阅读器发送的请求数据帧中取出Mask值的有效位;标签比较Mask值的有效位与标签的唯一标识符UID中相同位数的最低有效位,若两者相同且符合条件的标签数只有一个,则成功读取标签,当前Mask值加1,继续轮询;若符合条件的标签数不止一个,阅读器记下此时的Mask值XXXX,然后把当前Mask值加1,重新发送清点请求指令,直到16个时隙轮询完,若此时仍有未被识别的标签,则读写器把Mask值设为0000XXXX,继续进行下一次16个时隙的轮询;若进行完以上两次16时隙共32时隙的轮询后,仍有标签未被识别,则命令剩余的标签随机独立地在0~15中选择一个整数作为自己发送UID的时隙序号,并将这个序号存在标签寄存器SN中;然后与时隙0至时隙15进行比较,若标签寄存器SN中的值等于时隙值,则发送自身UID;若无碰撞发生,则标签被成功识别;若仍有碰撞,则标签进入等待状态,在下一个16时隙过程中重复该步骤,直到执行阅读器的某次清点请求指令发现不存在碰撞为止,此时标签全部被识别。
上述步骤c中,时隙计数器的计数范围为0~15,用来计算当前时隙数以及轮询的次数。
上述步骤c中,Mask值的位数分为4位和8位两种,最大为8位,Mask值为0000~1111,或为00000000~11111111。
上述步骤c中,在标签之中嵌入时钟控制部分,各控制单元必须与此时钟同步,标签发送信息的起始点为一个时隙的起始处;所有的标签保持同步,均由阅读器控制。
上述步骤a中,读写器的清点请求指令包括SOF、标志、命令、Mask长度、Mask值、CRC和EOF字段,其中标志、命令、Mask长度字段为8位,Mask值、CRC字段为16位,SOF、EOF分别表示数据帧的开头和结尾;CRC为循环冗余校验。
上述步骤a中,标签的通用响应格式包括SOF、标志、参数、数据、CRC和EOF字段,其中标志字段为8位,参数、CRC字段为16位,数据段为8字节。
本发明具有以下有益技术效果:
本发明中,数据的调制、编码等过程以及涉及到的命令在现实的应用中有很好的兼容性。本发明有效地利用16个时隙,采用轮询机制和随机接入思想相结合的方式,避免了大规模轮询,提高了识别效率,有效地防止了攻击者利用伪造的假冒标签进行的阅读器攻击。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作更进一步说明:
图1为本发明一种实施方式的流程示意框图。
具体实施方式
结合图1,本发明的基本思想是针对RFID系统的实际使用情况,将整个标签的响应过程分为16个时隙。碰撞发生时,系统首先在阅读器的控制下进行两次16个时隙共32个时隙的轮询过程,理论上可读取的标签数为28=256个;然后阅读器再根据实际情况判断是否仍有碰撞发生。若仍有碰撞,则让剩余标签随机独立地在0~15中选择一个整数作为自己发送UID的时隙序号来发送自身信息,从而摒弃后面的大规模轮询,提高了标签识别效率,可以有效地防止攻击者利用伪造的假冒标签进行的阅读器攻击。
为了更好地理解本发明,将涉及到的部分缩略语定义(解释)为:
ASK:幅度键控
CRC:循环冗余校验
LSB:最低有效位
MSB:最高有效位
Mask:阅读器发给标签的掩码
UID:标签唯一标识符
VCD:附近式耦合设备,即阅读器
VICC:附近式集成电路卡,即标签
具体包括以下三个方面:
(1)对阅读器和标签之间的通信信号进行调制,采用ASK的调制原理,使用两个调制指数10%和100%,VICC对两者都能够解码,使用何种调制指数由VCD决定;数据编码采用脉冲位置调制方式,存在256选1和4选1两种编码模式,VICC应能够支持两种数据编码模式,使用何种模式由VCD决定。
(2)传输协议:定义了VCD和VICC之间指令和数据双向交换的机制,基于“VCD首先说”的概念,简单规则如下:
协议基于一个交换:从VCD到VICC的一次请求以及从VICC(s)到VCD的一次响应,每一次请求和每一次响应包含在一帧内,一帧中传输的比特数是8的倍数,即整数个字节。数据在传输过程中首先传输LSB部分。当收到来自VCD的一次清点请求指令,VICC将校对清点请求指令中CRC的值是否有效。若有效,则执行命令;若无效,VICC将丢掉该帧,并不响应。
(3)防碰撞过程:以16个时隙的识别为基础,融入了轮询和随机接入的思想,主要分为两部分。
①轮询部分:采用16个时隙,每个时隙的长度稍大于一个标签和阅读器完成数据交换所需的时间长度。该部分以VCD为主导,阅读器不断修改Mask值传给VICC,标签收到清点请求指令后比较掩码值与自身UID相对应的LSB,若相等则发送自身UID给阅读器,完成标签的识别;当掩码值位数完成8位的轮询时,即停止轮询,进入随机接入部分。
②随机接入部分:采用16个时隙的随机接入思想。让所有在前一部分中没有被识别的标签随机独立地在0~15中选择一个整数作为自己发送UID的时隙序号,16个时隙完成后若仍有碰撞,则在阅读器的控制下再进行16个时隙的识别,直至无碰撞发生为止。
上述过程的标签UID格式为:
64      57 56        49 48                 1
‘E0' IC制造商编码 IC制造商制定的序列号
UID包括:
①8位MSB部分固定为‘E0’;
②8位IC制造商编码;
③48位由制造商制定的标签唯一的流水号。
上述读写器的清点请求指令格式参见表1。
表1
SOF 标志 命令 Mask长度 Mask值 CRC EOF
8位 8位 8位 8位 16位
其中,“标志”域规定了VICC需要完成的动作以及目前响应域是否存在。请求标志的1-4位定义参见表2。
表2
上述标签的通用响应格式参见表3。
表3
SOF 标志 参数 数据 CRC EOF
8位 16位 8字节 16位
响应标志的1-8位定义参见表4。
表4
本发明主要按以下步骤实现:
(1)初始状态,阅读器发给标签的掩码Mask长度值设置为0,阅读器不断发送清点请求指令,要求在其阅读范围内的标签给予响应;
(2)有标签进入阅读器的阅读范围时,标签接收到阅读器发出的射频信号,凭借感应电流获得的能量向阅读器发送自身携带的信息。阅读器检测收到的信息,若对信号解析成功,表示没有碰撞发生,清点完毕,完成对标签的读取;若没有成功解析出标签发送的信息,表示标签发生碰撞,则进入防碰撞过程。
(3)在防碰撞过程中,阅读器将应答时间划分为16个时隙,每个时隙的长度大于一个标签和阅读器完成数据交换所需的时间长度;初始时,Mask值设为0000,并向所有标签发送清点请求指令。电子标签接收到清点请求指令后,将时隙计数器清0,然后从阅读器发送的请求数据帧中取出Mask值的有效位。标签比较Mask值的有效位与标签UID中相同位数的最低有效位,若两者相同且符合条件的标签数只有一个,则成功读取标签,当前Mask值加1,继续轮询;若符合条件的标签数不止一个,阅读器记下此时的Mask值XXXX,然后把当前Mask值加1,重新发送清点请求指令,直到16个时隙轮询完。若此时仍有未被识别的标签,则阅读器把Mask值设为0000 XXXX,继续进行下一次16个时隙的轮询。若进行完以上两次16时隙共32个时隙的轮询后,仍有标签未被识别,则命令剩余标签随机独立地在0~15中选择一个整数作为自己发送UID的时隙序号,并将这个序号存在寄存器SN中。然后与时隙0至时隙15进行比较,若标签寄存器SN中的值等于时隙值,则发送自身UID。若无碰撞发生,则标签被成功识别;若仍有碰撞,则标签进入等待状态,在下一个16时隙过程中重复该步骤,直到执行阅读器的某次清点请求指令后发现不存在碰撞为止,此时标签全部被识别。
这一过程中要求标签之中嵌入时钟控制部分,各控制单元必须与此时钟同步,标签发送信息的起始点不能任意,只能在一个时隙的起始处。所有的标签必须同步,均由阅读器控制。具体过程是将所有在前面轮询过程中没有被识别的标签随机分配一个等待时隙数,经过相应的等待时间后再发送自己的信息,直到所有的标签均被识别为止。
本发明把在RFID的防碰撞方法中用的比较广泛的轮询机制和随机接入机制有效地结合起来,第一部分的轮询只进行了两轮(32个时隙)的比较,比较了序列号的低8位,理论上可识别的标签数为28=256个。剩下的未被识别的标签随机等待一段时间后再发送自己的信息,直到所有的标签均被识别为止。
本发明能在保障完成基本识别功能的前提下,结构简单,复杂度低,兼容性好,适合在RFID系统中大规模应用。
上述方式中未述及的技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。
需要说明的是,在本说明书的教导下本领域技术人员还可以作出这样或那样的容易变化方式,诸如等同方式,或明显变形方式。上述的变化方式均应在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于RFID系统的多标签防碰撞方法,其特征在于包括以下步骤:
a在初始状态下,阅读器发给标签的掩码Mask长度设置为0,阅读器不断发送清点请求指令,要求在其阅读范围内的标签给予响应;
b当有标签进入读写器的阅读范围时,标签接收到阅读器发出的射频信号,凭借感应电流获得的能量向阅读器发送自身携带的信息;阅读器检测收到的信息,若对信号解析成功,表示没有碰撞发生,清点完毕,完成对标签的读取;若没有成功解析出标签发送的信息,表示标签发生碰撞,则进入防碰撞过程;
c在防碰撞过程中,阅读器将应答时间划分为16个时隙,每个时隙的长度大于一个标签和阅读器完成数据交换所需的时间长度;初始时,Mask值设为0000,并向所有标签发送清点请求指令;标签接收到清点请求指令后,将时隙计数器清0,然后从阅读器发送的请求数据帧中取出Mask值的有效位;标签比较Mask值的有效位与标签的唯一标识符UID中相同位数的最低有效位,若两者相同且符合条件的标签数只有一个,则成功读取标签,当前Mask值加1,继续轮询;若符合条件的标签数不止一个,阅读器记下此时的Mask值XXXX,然后把当前Mask值加1,重新发送清点请求指令,直到16个时隙轮询完;若此时仍有未被识别的标签,则阅读器把Mask值设为0000 XXXX,继续进行下一次16个时隙的轮询;若进行完以上两次16时隙共32时隙的轮询后,仍有标签未被识别,则命令剩余的标签随机独立地在0~15中选择一个整数作为自己发送UID的时隙序号,并将这个序号存在标签寄存器SN中;然后与时隙0至时隙15进行比较,若标签寄存器SN中的值等于时隙值,则发送自身UID;若无碰撞发生,则标签被成功识别;若仍有碰撞,则标签进入等待状态;在下一个16时隙过程中重复该步骤,直到执行阅读器的某次清点请求指令发现不存在碰撞为止,此时标签全部被识别;
所述步骤c中,Mask值的位数分为4位和8位两种,最大为8位,Mask值为0000~1111,或为0000 0000~1111 1111;
所述步骤c中,在标签之中嵌入时钟控制部分,各控制单元必须与此时钟同步,标签发送信息的起始点为一个时隙的起始处;阅读器控制所有的标签保持同步。
2.根据权利要求1所述的一种用于RFID系统的多标签防碰撞方法,其特征在于:所述步骤a中,阅读器的清点请求指令包括SOF、标志、命令、Mask长度、Mask值、CRC和EOF字段,其中标志、命令、Mask长度字段为8位,Mask值、CRC字段为16位,SOF、EOF分别表示数据帧的开头和结尾;CRC为循环冗余校验。
3.根据权利要求2所述的一种用于RFID系统的多标签防碰撞方法,其特征在于:所述步骤a中,标签的通用响应格式包括SOF、标志、参数、数据、CRC和EOF字段,其中标志字段为8位,参数、CRC字段为16位,数据段为8字节。
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