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CN103500348B - 一种增强的rfid通信方法 - Google Patents

一种增强的rfid通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种增强的RFID通信方法，通过修改RTF RFID空口协议以增加TTO功能，包含对RTF空口协议中电子标签上电后进入的“准备”状态进行修改，使该状态具备TTO模式，在等待阅读器发送命令的过程中，随机发送ID或者ID+数据，该方法还包含增加了一个特殊的命令，使得阅读器直接从TTO模式获得标签的句柄，从而可以按照RTF处理方式来访问标签。本发明的增强的RFID通信方法，将RTF空口协议的所有原有功能都保留，同时增加了TTO功能，可以实现对快速运动物体的识别，并降低干扰，多个阅读器可近距离同时工作。

Description

一种增强的 RFID 通信方法
技术领域
本发明涉及无线射频识别（RFID）领域，具体是一种增强的RFID空中接口通信方法。
背景技术
无线射频识别系统一般由一台或多台阅读器和一定数量的电子标签组成。电子标签一般多为无源，以及有源或半有源方式，无源标签通过从阅读器发射的电磁波获取能量激活，有源和半有源标签自身携带电池或其他形式的电源。阅读器通过给电子标签发送带有调制信号的电磁波以完成通信（称为“前向链路”），电子标签通过反向散射方式，对阅读器发射的电磁波进行不同强度的反射以实现标签对阅读器的通信（常称为“后向链路”）。空口协议规定了阅读器和电子标签的通信规则，该协议一般包括编码方式、波特率、命令顺序、命令格式和应答内容等参数。
当前，世界上有很多种的不同RFID空口协议。广义上来讲，根据是由阅读器还是电子标签率先发起通信，可分为“阅读器先讲”（RTF，Reader Talk First）和“标签先讲”（TTF，Tag Talk First）两种方式。“仅标签讲”（TTO，Tag Talk Only）是TTF协议的一种特殊类型，无需阅读器发送任何调制信号。
ISO/IEC18000-63是一种典型的RTF通信协议，也是当前最流行，应用最广的空口协议。ISO/IEC 18000-64则属于TTO空口协议。IP-X属于TTF空口协议，也可工作在TTO模式。
在如ISO/IEC18000-63等RTF通信协议中，抗冲突协议非常复杂。主要实现过程是通过电子标签存储内容或者其它参数的不同进行分类，从而选择电子标签中的部分标签，最终完成标签的一一识别。一旦单独选中一个标签，阅读器和电子标签之间就建立起了一对一的通信信道，阅读器可对标签存储区如进行读或写操作以及其它方式的访问。这种访问可用加密方式来完成，如通过核对口令或者建立加密信道方式进行通信。
RTF这种灵活但复杂的通信方式，从理论上讲，可以高效地处理不同数量的电子标签，也可以处理大量标签数据，还可进行加密。然而，它不可避免的具有如下缺点：
（1）阅读器主导的RTF抗冲突过程中产生大量干扰信号。阅读器发射的信号强度可能比电子标签反射信号高出10个数量级（阅读器发射信号可能为+36 dBm ，电子标签反射信号可能为-80 dBm），这在很远的距离上都会对电子标签反射信号造成干扰。因而阅读器无法工作在相同信道，甚至也不能工作在相邻信道。当在近距离范围内需要部署多个阅读器时，如果信道数量不够多，则必须进行时分复用，这势必会限制单个阅读点的吞吐效率。
（2）RTF通信协议很难有效识别快速运动物体，物体运动速度受限于阅读器的盘点周期（“询问速率”）。而且，频谱限制以及信道带宽还会限制前向链路的通信速率，从而进一步降低RTF阅读器对运动物体的识别速度。
TTO通信协议则没有上述缺陷。由于没有阅读器信号调制，阅读器干扰非常小。大量阅读器可以近距离范围内在同一信道工作。由于电子标签进入阅读器能量场后，点子标签会自动发送ID和数据，而无需阅读器发送查询信号。此外，由于无需阅读器调制，也不存在由于频谱规则导致的波特率限制问题，和RTF相比，TTO协议可以更有效的识别快速运动的目标。
发明内容
为了消除或减弱RTF通信协议存在的各种上述问题，本发明提供了一种增强的RFID通信方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种增强的RFID通信方法，包括以下步骤：
a、电子标签进入阅读器波束并获取能量后，RTF空口通信中，电子标签上电后进入TTO状态（1），在等待阅读器发送命令的过程中，发送ID或者ID+数据；
b、从当前状态开始阅读器可以进入通常的RTF抗冲突过程（2）；
c、阅读器一旦收到电子标签以TTO方式发送的ID，则可以发送一个新的特殊命令，并使用ID或ID的一部分以作为命令参数以指定该标签，从而获取当前标签的应答信号，进入确认状态（3）；
d、阅读器直接从TTO抗冲突模式获取应答信号，以开放方式（5）或者通过加密方式（4）访问标签。
所述电子标签以随机时间间隔发送ID或ID及数据，时间间隔为固定或不固定形式
平均时间间隔可变，可随着时间增大或减小。
所述的ID或ID及数据以较低的占空比发送，通常小于4%。
所述对于新的特殊命令的应答信号为句柄、或者用于后续命令的随机数、或者句柄以及用于后续命令的随机数。
所述RTF空口通信协议为ISO/IEC18000-63、EPC C1G2协议或后续版本、或射频识别800/900MHz空中接口协议。
所述TTO是ISO/IEC18000-64协议或IP-X协议。
TTO配置命令在RTF抗冲突完成之后通过RTF通信参数来完成或者在“开放”或者“安全”状态进行或者在TTO抗冲突完成后，采用预先设定的TTO通信参数实现。
本发明的增强的RFID通信方法，将RTF空口协议的所有原有功能都保留，同时增加了TTO功能，这就可以实现对快速运动物体的识别，并降低干扰，多个阅读器可近距离同时工作。
附图说明
图1是典型的RTF空口协议流程图。
图2是本发明增强的RFID通信方法流程图。
图3是通过本发明的方法对ISO/IEC18000-63进行修改以增加TTO功能的流程图。
图4是通过本发明的方法对中国UHF空口协议增加TTO功能的流程图。
具体实施方式
图1为无源RTF通信协议方法的流程示意图。当电子标签进入阅读器波束并获取能量后，电子标签上电后进入等待状态1，在该状态下电子标签等待阅读器发出的命令。阅读器主导整个抗冲突过程2，首先发送命令选择电子标签中的一部分，然后进入盘点周期，阅读器通过发送一系列命令，通过指定大量不同类型的参数，以完成整个抗冲突过程，直到仅有一个标签发出的正确回答，这时，阅读器可以确认该唯一标签，电子标签返回句柄，并进入“确认”状态。这样就在阅读器和电子标签就建立了一对一的通信信道，通过使用该句柄，阅读器可以访问标签，可根据需要从电子标签读取或写入数据（访问状态5）。如果需要进行安全识别，阅读器和电子标签可以先核对口令或其它安全参数（状态4）。
图2 为本发明增强的RFID通信方法流程图，描述了如何通过本发明的方法对RTF状态进行修改，以在RTF空口协议中增加TTO功能。在改进的状态图中，当电子标签从阅读器能量场获取能量后，上电并进入TTO状态1。除仅仅等待阅读器命令外，电子标签会以事先设定的占空比，在随机或伪随机的时间间隔发送ID或者ID及附属数据。占空比一般设的很低，使TTO发送不会对RTF通信过程造成影响。
这时，阅读器在发送命令之前，就已获取了电子标签的ID及数据，这个过程非常快，不会造成任何干扰。从当前状态开始阅读器可以进入通常的RTF抗冲突过程2。而且，阅读器一旦收到电子标签以TTO方式发送的ID，则可以发送一个新的特殊命令，并使用ID或ID的一部分以作为命令参数以指定该标签，从而获取当前标签的应答信号，对于新的特殊命令的应答信号为句柄、或者用于后续命令的随机数、或者句柄以及用于后续命令的随机数。和增加TTO之前处理方式相同，阅读器可使用这个应答信号，以开放方式5或者通过加密方式4访问这个标签。唯一的不同是该句柄直接从TTO抗冲突方式获取，而不是通过RTF抗冲突方式获取。
所述电子标签以随机时间间隔发送ID或ID及数据，时间间隔为固定或不固定形式，平均时间间隔可变，可随着时间增大或减小，ID或ID及数据以较低的占空比发送，通常小于4%。RTF空口通信协议为ISO/IEC18000-63、EPC C1G2协议或后续版本、或射频识别800/900MHz空中接口协议。TTO是ISO/IEC18000-64协议或IP-X协议。TTO配置命令在RTF抗冲突完成之后通过RTF通信参数来完成或者在“开放”或者“安全”状态进行或者在TTO抗冲突完成后，采用预先设定的TTO通信参数实现。TTO通信参数可以在芯片生产或芯片测试环节预先设定，也可以通过客户自定义命令来设定或重新设定或者可以在RTF抗冲突完成之后通过RTF通信参数来完成。
实施例一，如图3所示，通过修改ISO/IEC 18000-63空口协议以增加TTO功能。改进前的RTF空口协议具有如下缺点：（1）阅读器干扰：在抗冲突过程中过量的调制信号会对其它阅读器和电子标签造成干扰。（2）低速度：由于需要不断查询以及由于前向链路波特率的限制，使得该协议下对运动物体识别速度较慢；（3）不能大规模应用：阅读器需要工作在单独信道，在频谱资源受限时必须采用时分复用方式。在近距离范围内只有少数阅读器可同时工作；（4）由于前向链路信号调制，造成电子标签灵敏度降低。
可以通过增加额外的TTO功能以增强该协议，并带来如下好处：（1）大量阅读器可在小范围内同时工作；(2)降低阅读器干扰，相邻RFID系统之间以及与其它电子设备之间减小干扰。（3）高速度：这是由于无需阅读器发送查询命令，反向链路波特率也不受频谱规定影响；（4）由于前向链路调制被取消，TTO模式下可获得高灵敏度。
参考ISO/IEC18000-63协议相关具体内容，以更好理解如下内容：
ISO/IEC18000-63中，电子标签存储区分为保留，UII，TID和用户区四部分。TID部分包括芯片的唯一序列号，可以在TTO模式发送该TID，以对该标签进行唯一识别。通过对原状态图进行修改并增加2个新命令，即可实现TTO增强模式。
Req_TTO_RN命令与Req_RN命令等效。标签经过TTO抗冲突并发送TID+数据后，如果在规定的时间内收到该命令，将根据是否需要进行鉴别，直接从“准备状态”转入“鉴别”或“开放”状态。这和RTF抗冲突中收到应答和确认命令后的处理方式相同。和通常RTF抗冲突处理后相同，所有命令都可从这两种状态下执行。Req_TTO_RN命令用收到的TID或部分TID作为指定该标签的参数，当电子标签收到Req_TTO_RN命令后，则发送16位随机数，用于后续命令的句柄，这和RTF抗冲突处理过程中Req_RN类似。
Config_TTO命令用来对用户配置区进行写入操作。该命令用于设定在TTO抗冲突过程中与TID一起发送的数据信息、标签发送占空比等参数。Config_TTO命令实际上可以看作一个特殊的写命令，标签应答方式和写命令也相同，如应答写入成功或失败标志。
如图3所示，对 “准备”状态1进行修改，在该状态下，标签在等待阅读器“Select”和“Qurey”命令期间，可在随机或伪随机时隙发送TID或者TID+数据（如，发送UII区或用户区的数据）。
从“准备”状态，可出现如下情况：
（1）收到“Select”命令，处理方式不变，电子标签停留在“准备”状态。
（2）收到“Qurey”命令，标签转换到“仲裁”状态2。
（3）在发送TID+数据后，在规定T2时间内收到Req_TTO_RN命令，根据标签保留区存储的访问口令不同，分别进入 “开放”状态3或“安全”状态4。此后，标签工作和正常工作模式类似，支持所有的获取和灭活等命令。
只读标签可以仅支持“准备”状态。读写标签可支持RTF或TTO抗冲突机制，并保留所有该标准中的所有其它特征。
实施例二、如图4所示，通过将本发明对《信息技术 射频识别800/900MHz空中接口协议》国家标准征求意见稿V06进行改进，该空口协议也采用了RTF方式，和ISO/IEC18000-63相似，具有ISO/IEC18000-63的上述缺点，同样可通过在标准中增加TTO功能，以解决RTF的上述缺陷。
参考公开的《信息技术 射频识别800/900MHz空中接口协议》国家标准征求意见稿V06，以更好的理解如下内容：在该标准中，标签存储区划分为四个区，其中一个是TID区，具有一个唯一序列号，可以在TTO模式下作为唯一识别标识。
通过修改状态图并增加2个新命令，即可实现TTO增强模式。新命令为：
Get_TTO_RN命令，与Get_RN命令等效。标签经过TTO抗冲突并发送TID+数据后，如果在规定的时间内收到该命令，将根据需要直接从“准备”状态转入“鉴别”或“开放”状态，这和RTF抗冲突中收到编码信息和确认命令后方式相同。和通常RTF抗冲突处理后相同，所有命令都可从这两种状态下执行。Config_TTO命令用收到的TID或部分TID作为指定该标签的参数，当电子标签收到Get_TTO_RN命令后，发送该标签的句柄和16位随机数，用于后续命令，和RTF抗冲突处理过程类似。
Config_TTO命令用来对用户配置区进行写入操作。该命令用于设定在TTO抗冲突过程中与标签TID共同发送的数据信息和标签发送的占空比。Config_TTO命令实际上可以看作一个特殊的写命令，标签应答方式与写命令应答方式也相同，如应答写入成功或失败标志。
修改的状态图如图4所示。对 “准备”状态（1）进行修改，在该状态下，标签在等待阅读器“Select”和“Query”命令期间，可在随机时隙发送TID+数据（如，编码区或用户区的数据）。
从“准备”状态，可出现如下情况：（1）收到“Sort”命令，处理方式不变，电子标签停在“准备”状态；（2）收到“Query”命令，转换到“应答”状态（2）。（3）在发送TID+数据后，在规定T2时间内收到Get_TTO_RN命令，根据标签是否需要安全鉴别，分别进入“鉴别”状态（3）或“开放”状态（4）。此后，和正常工作模式类似，支持所有的获取和灭活等命令。
虽然本发明后续讨论均以UHF无源空口协议为例，但RTF、TTF或TTO的划分方式不仅局限于UHF，本发明同样适用于低频（LF）、高频（HF）或等其它频段。本发明不仅适于无源RFID系统，对半有源、电池辅助和有源标签系统同样适用。
通过本发明，RTF空口协议的所有原有功能都将保留，同时增加了TTO功能，这就可以实现对快速运动物体的识别，并降低干扰，多个阅读器可近距离同时工作。RTF空口协议中，反向链路的波特率和编码方式等参数，一般是通过盘点过程进行设置。但是在TTO抗冲突过程中，没有此过程，和ISO /IEC18000-64中相似，这些参数必须事先设定。这可在芯片生产、晶圆测试或标签初始化环节进行配置，这些配置也可以通过用户自定义命令进行设定或重设。
在编号为US 8154387的美国发明中，描述了一种支持TTO协议电子标签，该标签可以检测RTF协议的信号，并在检测后，暂停TTO发送功能，这主要是为了防止对RTF系统的干扰。和本发明不同，US 8154387中描述的电子标签不能工作在RTF模式。
在编号为20090045923的美国专利申请中，描述了一种即可工作在RTF空口协议，也可工作在TTO空口协议的标签。然而，和本发明不同，该发明并不对RTF或者TTO空口协议进行任何修改，该标签仅仅是根据应用需要，在两种通信协议之间进行简单切换。
本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种增强的RFID通信方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、电子标签进入阅读器波束并获取能量后，RTF空口通信中，电子标签上电后进入TTO状态（1），在等待阅读器发送命令的过程中，电子标签会以事先设定的、小于4%的占空比在随机或伪随机的时间间隔发送ID或者ID+数据；
b、从当前状态开始阅读器可以进入通常的RTF抗冲突过程（2）；
c、阅读器一旦收到电子标签以TTO方式发送的ID，则可以发送一个新的特殊命令，并使用ID或ID的一部分以作为命令参数以指定该标签，从而获取当前标签的应答信号，进入确认状态（3）；
d、阅读器直接从TTO抗冲突模式获取应答信号，以开放方式（5）或者通过加密方式（4）访问标签。
2.根据权利要求1所述的一种增强的RFID通信方法，其特征在于：所述电子标签以随机时间间隔发送ID或ID及数据，时间间隔为固定或不固定形式。
3.根据权利要求2所述的一种增强的RFID通信方法，其特征在于：平均时间间隔可变，可随着时间增大或减小。
4.根据权利要求1所述的一种增强的RFID通信方法，其特征在于：所述对于新的特殊命令的应答信号为句柄、或者用于后续命令的随机数、或者句柄以及用于后续命令的随机数。
5.根据权利要求1所述的一种增强的RFID通信方法，其特征在于：所述RTF空口通信协议为ISO/IEC18000-63、EPC C1G2协议或后续版本、或射频识别800/900MHz空中接口协议。
6.根据权利要求1所述的一种增强的RFID通信方法，其特征在于：所述TTO是ISO/IEC18000-64协议或IP-X协议。
7.根据权利要求1所述的一种增强的RFID通信方法，其特征在于：TTO配置命令在RTF抗冲突完成之后通过RTF通信参数来完成或者在“开放”或者“安全”状态进行或者在TTO抗冲突完成后，采用预先设定的TTO通信参数实现。
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