射頻識別（RFID）技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展展望
1.引言
射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID），又稱電子標(biāo)簽（E-Tag），是一種利用射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)信息的技術(shù)。RFID 最早的應(yīng)用可追溯到第二次世界大戰(zhàn)中用于區(qū)分聯(lián)軍和納粹飛機的“敵我辨識”系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，RFID 應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大，現(xiàn)已涉及到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面，并將成為未來信息社會建設(shè)的一項基礎(chǔ)技術(shù)。RFID 典型應(yīng)用包括：在物流領(lǐng)域用于倉庫管理、生產(chǎn)線自動化、日用品銷售；在交通運輸領(lǐng)域用于集裝箱與包裹管理、高速公路收費與停車收費；在農(nóng)牧漁業(yè)用于羊群、魚類、水果等的管理以及寵物、野生動物跟蹤；在醫(yī)療行業(yè)用于藥品生產(chǎn)、病人看護(hù)、醫(yī)療垃圾跟蹤；在制造業(yè)用于零部件與庫存的可視化管理；RFID 還可以應(yīng)用于圖書與文檔管理、門禁管理、定位與物體跟蹤、環(huán)境感知 和支票防偽等多種應(yīng)用領(lǐng)域。
目前，RFID 已成為IT 業(yè)界的研究熱點，被視為IT 業(yè)的下一個“金礦”。各大軟硬件廠商，包括IBM、Motorola、Philips、TI、Microsoft、Oracle、Sun、BEA、SAP 等在內(nèi)的各家企業(yè)都對RFID 技術(shù)及其應(yīng)用表現(xiàn)出了濃厚的興趣，相繼投入大量研發(fā)經(jīng)費，推出了各自的軟件或硬件產(chǎn)品及系統(tǒng)應(yīng)用解決方案。在應(yīng)用領(lǐng)域，以Wal-Mart、UPS、Gillette 等為代表的大批企業(yè)已經(jīng)開始準(zhǔn)備采用RFID 技術(shù)對業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行改造，以提高企業(yè)的工作效率并為客戶提供各種增值服務(wù)。在標(biāo)簽領(lǐng)域，RFID 標(biāo)簽與條碼相比，具有讀取速度快、存儲空間大、工作距離遠(yuǎn)、穿透性強、外形多樣、工作環(huán)境適應(yīng)性強和可重復(fù)使用等多種優(yōu)勢。
因此，分析RFID技術(shù)現(xiàn)狀，并展望其未來無疑將非常重要。
2.研究現(xiàn)狀
當(dāng)前RFID 的研究主要圍繞RFID 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、RFID 標(biāo)簽成本、RFID 技術(shù)和RFID 應(yīng)用
系統(tǒng)等多個方面展開。
2.1 RFID 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
RFID 的標(biāo)準(zhǔn)化是當(dāng)前亟需解決的重要問題，各國及相關(guān)國際組織都在積極推進(jìn)RFID 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定。目前，還未形成完善的關(guān)于RFID 的國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。RFID 的標(biāo)準(zhǔn)化涉及標(biāo)識編碼規(guī)范、操作協(xié)議及應(yīng)用系統(tǒng)接口規(guī)范等多個部分。其中標(biāo)識編碼規(guī)范包括標(biāo)識長度、編碼方法等；操作協(xié)議包括空中接口、命令集合、操作流程等規(guī)范。當(dāng)前主要的RFID 相關(guān)規(guī)范有歐美的EPC 規(guī)范、日本的UID（Ubiquitous ID）規(guī)范和ISO 18000系列標(biāo)準(zhǔn)。其中ISO 標(biāo)準(zhǔn)主要定義標(biāo)簽和閱讀器之間互操作的空中接口。
EPC 規(guī)范由Auto-ID 中心及后來成立的EPCglobal 負(fù)責(zé)制定。Auto-ID 中心于1999年由美國麻省理工大學(xué)（MIT）發(fā)起成立，其目標(biāo)是創(chuàng)建全球“實物互聯(lián)”網(wǎng)（internet ofthings），該中心得到了美國政府和企業(yè)界的廣泛支持。2003 年10 月26 日，成立了新的EPCglobal 組織接替以前Auto-ID 中心的工作，管理和發(fā)展EPC 規(guī)范。關(guān)于標(biāo)簽，EPC 規(guī)范已經(jīng)頒布第一代規(guī)范。
UID（Ubiquitous ID）規(guī)范由日本泛在ID 中心負(fù)責(zé)制定。日本泛在ID 中心由T-Engine論壇發(fā)起成立，其目標(biāo)是建立和推廣物品自動識別技術(shù)并最終構(gòu)建一個無處不在的計算環(huán)境。該規(guī)范對頻段沒有強制要求，標(biāo)簽和讀寫器都是多頻段設(shè)備，能同時支持13.56MHz 或2.45GHz 頻段。UID 標(biāo)簽泛指所有包含ucode 碼的設(shè)備，如條碼、RFID 標(biāo)簽、智能卡和主動芯片等，并定義了9 種不同類別的標(biāo)簽。
2.2 RFID 技術(shù)研究
當(dāng)前，RFID 技術(shù)研究主要集中在工作頻率選擇、天線設(shè)計、防沖突技術(shù)和安全與隱私
保護(hù)等方面。
2.2.1 工作頻率選擇
工作頻率選擇是RFID 技術(shù)中的一個關(guān)鍵問題。工作頻率的選擇既要適應(yīng)各種不同應(yīng)用需求，還需要考慮各國對無線電頻段使用和發(fā)射功率的規(guī)定。當(dāng)前RFID 工作頻率跨越多個頻段，不同頻段具有各自優(yōu)缺點，它既影響標(biāo)簽的性能和尺寸大小，還影響標(biāo)簽與讀寫器的價格。此外，無線電發(fā)射功率的差別影響讀寫器作用距離。
低頻頻段能量相對較低，數(shù)據(jù)傳輸率較小，無線覆蓋范圍受限。為擴大無線覆蓋范圍，必須擴大標(biāo)簽天線尺寸。盡管低頻無線覆蓋范圍比高頻無線覆蓋范圍小，但天線的方向性不強，具有相對較強的繞開障礙物能力。低頻頻段可采用1 至2 個天線，以實現(xiàn)無線作用范圍的全區(qū)域覆蓋。此外，低頻段電子標(biāo)簽的成本相對較低，且具有卡狀、環(huán)狀、鈕扣狀等多種形狀。高頻頻段能量相對較高，適于長距離應(yīng)用。低頻功率損耗與傳播距離的立方成正比，
而高頻功率損耗與傳播距離的平方成正比。由于高頻以波束的方式傳播，故可用于智能標(biāo)簽定位。其缺點是容易被障礙物所阻擋，易受反射和人體擾動等因素影響，不易實現(xiàn)無線作用范圍的全區(qū)域覆蓋。高頻頻段數(shù)據(jù)傳輸率相對較高，且通訊質(zhì)量較好。表1為RFID 頻段特性表。
表1RFID 頻段特性
頻段 | 描述 | 作用距離 | 穿透能力 |
125~134KHz | 低頻（LF） | 45cm | 能穿透大部分物體 |
13.553~13.567MHz | 高頻（HF） | 1~3m | 勉強能穿透金屬和液體 |
400~1000MHz | 超高頻（UHF） | 3~9m | 穿透能力較弱 |
2.45GHz | 微波（Microwave） | 3m | 穿透能力最弱 |
2.2.2 RFID 天線研究
天線是一種以電磁波形式把無線電收發(fā)機的射頻信號功率接收或輻射出去的裝置。天線按工作頻段可分為短波天線、超短波天線、微波天線等；按方向性可分為全向天線、定向天線等；按外形可分為線狀天線、面狀天線等。
受應(yīng)用場合的限制，RFID 標(biāo)簽通常需要貼不同類型、不同形狀的物體表面，甚至需要嵌入到物體內(nèi)部。RFID 標(biāo)簽在要求低成本的同時，還要求有高的可靠性。此外，標(biāo)簽天線和讀寫器天線還分別承擔(dān)接收能量和發(fā)射能量的作用，這些因素對天線的設(shè)計提出了嚴(yán)格要求。當(dāng)前對RFID 天線的研究主要集中在研究天線結(jié)構(gòu)和環(huán)境因素對天線性能的影響上。
天線結(jié)構(gòu)決定了天線方向圖、極化方向、阻抗特性、駐波比、天線增益和工作頻段等特性。方向性天線由于具有較少回波損耗，比較適合電子標(biāo)簽應(yīng)用；由于RFID 標(biāo)簽放置方向不可控，讀寫器天線必須采取圓極化方式（其天線增益較大）；天線增益和阻抗特性會對RFID 系統(tǒng)的作用距離產(chǎn)生較大影響；天線的工作頻段對天線尺寸以及輻射損耗有較大影響。
天線特性受所標(biāo)識物體的形狀及物理特性影響。如金屬物體對電磁信號有衰減作用，金屬表面對信號有反射作用，彈性基層會造成標(biāo)簽及天線變形，物體尺寸對天線大小有一定限制等。人們根據(jù)天線的以上特性提出了多種解決方案，如采用曲折型天線解決尺寸限制，采用倒F 型天線解決金屬表面的反射問題等。
天線特性還受天線周圍物體和環(huán)境的影響。障礙物會妨礙電磁波傳輸；金屬物體產(chǎn)生電磁屏蔽，會導(dǎo)致無法正確地讀取電子標(biāo)簽內(nèi)容；其他寬頻帶信號源，比加發(fā)動機、水泵、發(fā)電機和交直流轉(zhuǎn)換器等，也會產(chǎn)生電磁干擾，影響電子標(biāo)簽的正確讀取。如何減少電磁屏蔽和電磁干擾，是RFID 技術(shù)研究的一個重要方向。
2.2.3 防沖突技術(shù)研究
鑒于多個電子標(biāo)簽工作在同一頻率，當(dāng)它們處于同一個讀寫器作用范圍內(nèi)時，在沒有采取多址訪問控制機制情況下，信息傳輸過程將產(chǎn)生沖突，導(dǎo)致信息讀取失敗。同時多個閱讀器之間工作范圍重疊也將造成沖突。文獻(xiàn)提出了Colorwave 算法以解決閱讀器沖突問題。根據(jù)電子標(biāo)簽工作頻段之不同，人們提出了不同的防沖突算法。對于標(biāo)簽沖突，在高頻（HF）頻段，標(biāo)簽的防沖突算法一般采用經(jīng)典ALOHA 協(xié)議。使用ALOHA 協(xié)議的標(biāo)簽，通過選擇經(jīng)過一個隨機時間向讀寫器傳送信息的方法，來避免沖突。絕大多數(shù)高頻讀寫器能同時掃描幾十個電子標(biāo)簽。在超高頻（UHF）頻段，主要采用樹分叉算法來避免沖突。同采用ALOHA 協(xié)議的高頻頻段電子標(biāo)簽相比，樹分叉算法泄漏的信息較多，安全性較差。
上面兩種標(biāo)簽防沖突方法均屬于時分多址訪問（TDMA）方式，應(yīng)用比較廣泛。除此之外，目前還有人提出了頻分多址訪問（FDMA）和碼分多址訪問（CDMA）方式的防沖突算法，主要應(yīng)用于超高頻和微波等寬帶應(yīng)用場景。
2.2.4 安全與隱私問題
RFID 安全問題集中在對個人用戶的隱私保護(hù)、對企業(yè)用戶的商業(yè)秘密保護(hù)、防范對RFID 系統(tǒng)的攻擊以及利用RFID 技術(shù)進(jìn)行安全防范等多個方面。面臨的挑戰(zhàn)是：
（1）保證用戶對標(biāo)簽的擁有信息不被未經(jīng)授權(quán)訪問，以保護(hù)用戶在消費習(xí)慣、個人行蹤
等方面的隱私；
（2）避免由于RFID 系統(tǒng)讀取速度快，可以迅速對超市中所有商品進(jìn)行掃描并跟蹤變化，而被利用來竊取用戶商業(yè)機密；
（3）防護(hù)對RFID 系統(tǒng)的各類攻擊，如：重寫標(biāo)簽以竄改物品信息；使用特制設(shè)備偽造
標(biāo)簽應(yīng)答欺騙讀寫器以制造物品存在的假相；根據(jù)RFID 前后向信道的不對稱性遠(yuǎn)距離竊聽標(biāo)簽信息；通過干擾RFID 工作頻率實施拒絕服務(wù)攻擊；通過發(fā)射特定電磁波破壞標(biāo)簽等；
（4）如何把RFID 的唯一標(biāo)識特性用于門禁安防、支票防偽、產(chǎn)品防偽等。
2.3 RFID 應(yīng)用研究
基于RFID 標(biāo)簽對物體的唯一標(biāo)識特性，引發(fā)了人們對基于RFID 技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究的熱潮。物流與實物互聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前RFID 應(yīng)用研究的熱點，其他應(yīng)用研究還包括空間定位與跟蹤、普適計算、系統(tǒng)安防等多個方面。
2.3.1 物流與實物互聯(lián)網(wǎng)
實物互聯(lián)網(wǎng)是通過給所有物品貼上RFID 標(biāo)簽，在現(xiàn)有互連網(wǎng)基礎(chǔ)之上構(gòu)建所有參與流通的物品信息網(wǎng)絡(luò)。實物互聯(lián)網(wǎng)的建立將對生產(chǎn)制造、銷售、運輸、使用、回收等物品流通的各個環(huán)節(jié)，并將對政府、企業(yè)和個人行為帶來深刻影響。通過實物互聯(lián)網(wǎng)，世界上任何物品都可以隨時隨地按需的被標(biāo)識、追蹤和監(jiān)控。實物互聯(lián)網(wǎng)被視為繼Internet 后IT 業(yè)的又一次革命。
2.3.2 空間定位與跟蹤
無線及移動通信設(shè)備的普及帶動了人們對位置感知服務(wù)的需求，人們需要確定物品的三維坐標(biāo)并跟蹤其變化?，F(xiàn)有的定位服務(wù)系統(tǒng)主要包括基于衛(wèi)星定位的GPS 系統(tǒng)、基于紅外線或超聲波的定位系統(tǒng)以及基于移動網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)。RFID 的普及為人與物體的空間定位與跟蹤服務(wù)提供了一種新的解決方案。RFID 定位與跟蹤系統(tǒng)主要利用標(biāo)簽對物體的唯一標(biāo)識特性，依據(jù)讀寫器與安裝在物體上的標(biāo)簽之間射頻通信的信號強度來測量物品的空間位置，主要應(yīng)用于GPS 系統(tǒng)難以應(yīng)用的室內(nèi)定位。
2.3.3 普適計算
RFID 標(biāo)簽具有對物體的唯一標(biāo)識能力，可以通過與傳感器技術(shù)相結(jié)合，感知周圍物品和環(huán)境的溫度、濕度和光照等狀態(tài)信息，并利用無線通信技術(shù)方便地把這些狀態(tài)信息及其變化傳遞到計算單元，提高環(huán)境對計算模塊的可見度，構(gòu)建未來普適計算的基礎(chǔ)設(shè)施，讓計算無處不在，主動地、按需地為人們提供服務(wù)。
3 結(jié)論
RFID 將構(gòu)建虛擬世界與物理世界的橋梁?？梢灶A(yù)見，在不久的將來，RFID 技術(shù)不僅會在各行各業(yè)被廣泛采用，最終RFID 技術(shù)將會與普適計算技術(shù)相融合，對人類社會產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
作為全球的制造業(yè)基地，中國將是未來全球最大的RFID 應(yīng)用市場。這對于國內(nèi)的科研機構(gòu)和企業(yè)將是一次難得的機遇。目前，我國在RFID 芯片、RFID 系統(tǒng)安全等核心技術(shù)方面的研究幾乎還是空白，在RFID 應(yīng)用方面也還處于起步階段。但是可以相信，在政府推動、企業(yè)參與的環(huán)境下，在龐大市場空間的吸引下，在中國會有越來越多的企業(yè)和研究機構(gòu)參與RFID 技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，會有更多的企業(yè)利用RFID 技術(shù)進(jìn)行企業(yè)信息化改造。中國將不僅主導(dǎo)RFID 技術(shù)的應(yīng)用市場，也應(yīng)該成為RFID 技術(shù)的全球研發(fā)中心。
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