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），又稱電子標簽（E-Tag），是一種利用射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(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、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)開始準備采用RFID 技術(shù)對業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行改造，以提高企業(yè)的工作效率并為客戶提供各種增值服務(wù)。在標簽領(lǐng)域，RFID 標簽與條碼相比，具有讀取速度快、存儲空間大、工作距離遠、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
當前RFID 的研究主要圍繞RFID 技術(shù)標準、RFID 標簽成本、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)標準
RFID 的標準化是當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RFID 技術(shù)標準的制定。目前，還未形成完善的關(guān)于RFID 的國際和國內(nèi)標準。RFID 的標準化涉及標識編碼規(guī)范、操作協(xié)議及應(yīng)用系統(tǒng)接口規(guī)范等多個部分。其中標識編碼規(guī)范包括標識長度、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系列標準。其中ISO 標準主要定義標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 中心負責(zé)制定。日本泛在ID 中心由T-Engine論壇發(fā)起成立，其目標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 標簽泛指所有包含ucode 碼的設(shè)備，如條碼、RFID 標簽、智能卡和主動芯片等，并定義了9 種不同類別的標簽。
2.2 RFID 技術(shù)研究
當前，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，它既影響標簽的性能和尺寸大小，還影響標簽與讀寫器的價格。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 標簽在要求低成本的同時，還要求有高的可靠性。此外，標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)計提出了嚴格要求。當前對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，比較適合電子標簽應(yīng)用；由于RFID 標簽放置方向不可控，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
鑒于多個電子標簽工作在同一頻率，當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。文獻提出了Colorwave 算法以解決閱讀器沖突問題。根據(jù)電子標簽工作頻段之不同，人們提出了不同的防沖突算法。對于標簽沖突，在高頻（HF）頻段，標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、對企業(yè)用戶的商業(yè)秘密保護、防范對RFID 系統(tǒng)的攻擊以及利用RFID 技術(shù)進行安全防范等多個方面。面臨的挑戰(zhàn)是：
（1）保證用戶對標簽的擁有信息不被未經(jīng)授權(quán)訪問，以保護用戶在消費習(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）防護對RFID 系統(tǒng)的各類攻擊，如：重寫標簽以竄改物品信息；使用特制設(shè)備偽造
標簽應(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距離竊聽標簽信息；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簽等；
（4）如何把RFID 的唯一標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 標簽對物體的唯一標識特性，引發(fā)了人們對基于RFID 技術(shù)的應(yīng)用進行研究的熱潮。物流與實物互聯(lián)網(wǎng)是當前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)主要利用標簽對物體的唯一標識特性，依據(jù)讀寫器與安裝在物體上的標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 標簽具有對物體的唯一標識能力，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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