Gen 2魅力——解读第二代RFID标签

标签:EPCRFID
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        第二代(Gen 2)EPC是RFID标签的一项新标准,它明确规定了与EPC阅读器兼容的标签和通信协议如何工作。第二代EPC标准由几个主要的RFID用户和厂商开发而成,并通过非赢利性行业组织EPCglobal来运作。EPCglobal隶属于UCC/EAN组织,长期以来该组织负责管理全球的条形码及其他标准。 

        RFID技术在不断发展,而第二代就是面向供应链管理的RFID在发展过程中的一块里程碑。第二代标准旨在从许多方面改进性能,尤其是在读取大量RFID标签的速度方面。许多RFID厂商已承诺支持第二代RFID标签标准,数量超过了目前支持第一代EPC标准的厂商。这将加剧RFID市场的竞争,进而会推动创新步伐,从而逐渐降低价格、提高性能。 

        对第二代RFID标签来说,2005年是起始年。2006年初市面上陆续出现第二代标签。不过,第一代标签不会从供应链当中消失。相反,第一代和第二代标准会共存1年左右,同时人们对第二代标签的了解也会日渐加深。“第一代标签的阴影”会持续到2007年初,到时第一代标签会最终退出供应链领域。至于这“阴影”具体会笼罩到何时,主要取决于第二代标签的价格和性能以及市场形势。标签技术将继续发展,等到第二代产品在今明两年站稳脚跟,最终用户和技术厂商预计会开始开发“第三代”系统,并进一步改进第二代技术。 

        标签标准的这种不断发展是RFID基础设备用户所要考虑的一个重要因素。标签是RFID世界的消耗品,但永久性的基础设备由RFID阅读器组成。RFID阅读器作为资本设备买来,之后还需要日常的安装和维护费用。为了避免忍痛淘汰或者花巨资翻新,实际部署的RFID阅读器必须能够读取任何标签,无论是哪一代标签或者是哪家厂商的标签。它们还必须能够轻松升级,以便能够读取新标签;并且在标签厂商改变版本后,能够适应现有标签的变化。由于这些原因,EPC阅读器必须至少始终能够读取三代标签: 当前一代、上一代和下一代。

第二代EPC: 多协议标准 历史简述 

        第二代EPC标签标准起源于2002年10月麻省理工学院下设的自动识别中心(Auto-ID Center)在罗得岛州新港举办的一次会议。当时该中心希望把由Matrics公司提交的RFID协议方面的功能添加到第一代EPC ClassⅠ规范草案里面。除了自动识别中心的几名董事外,其他与会者包括来自Matrics、Alien、飞利浦和ThingMagic等厂商的代表。新港的这次思想交流会最终给EPC标签设计带来了新思路,并且推动了EPC技术的发展。 

        自动识别中心决定利用这些新思路开发新一代EPC标签,以便在2005年上市。新一代的EPC标准将满足三个用途: 首先,它旨在提高第一代技术的性能; 第二,它将促进第一代的Class 0协议和Class 1协议趋于融合; 第三,它将为没有密切参与第一代规范制订的RFID厂商提供进入市场的契机。一年后EPCGlobal接管了自动识别中心,随之接管了第二代开发项目。2004年,在EPCGlobal的领导下,越来越多的用户和厂商开发并商定了第二代EPC标签的最终规范。这项规范于该年年底得到了批准,随后开始开发符合第二代要求的商用产品。

规范综述 

        第二代规范是一份长达94页的技术文档,题为《EPC Radio-Frequency Identity Protocols / Class-1 Generation-2 UHF RFID / Protocol for Communications at 860 MHz~960 MHz》。它相当详细地描述了第二代RFID标签与RFID阅读器应当如何通信。

规范的几个主要要点如下:

  • 标准必须能够在860MHz到960MHz之间的任何频率上通信。为了符合不同地区的无线电法规,阅读器应当能够使用这个范围内的任何许可频率进行工作。 
  •  标准必须能够理解三种不同的调制方案: 双边带-振幅移位键控法(DB-ASK)、单边带-振幅移位键控法(SS-ASK)和反相-振幅移位键控法(PR-ASK)。阅读器将根据政府无线电法规,确定使用哪种调制方案。 
  •  标准必须能够具有几种不同的传输速率即数据速率: 80kbits、160kbits、320kbits和640kbits。阅读器负责决定使用哪种速度。相比之下,第一代协议的传输速率在70kbits到149kbits之间。从理论上来说,数据速率较高的第二代技术有望加快标签读取速度。但实际上,原始传输速率以外的其他众多因素影响着实际读取速率。数据速率较高有时会导致可靠性较低。
  • 第二代标签支持长达256位的电子产品编码(EPC),而第一代标签支持最多96位的电子产品编码。 
  •  第二代包括了支持“密集询问器信道化信令”(dense-interrogator channelized signaling)的方法。密集询问器信道化信令有时名为“密集阅读器模式”(dense reader mode),该方法通过减小阅读器信号“淹没”标签响应信号的可能性,从而竭力减少EPC阅读器之间的干扰。这种模式旨在用于多个阅读器在同时使用的位置。对阅读器生产厂商来说,实施规范的这部分机制是非强制性的。实际性能同样取决于许多因素,其中包括来自其他设备的外部干扰,譬如超高频无绳电话、工业设备以及原有的超高频无线局域网设备。

        从第二代规范文档可以得出最明显的一个结论是,对RFID而言,第二代好比是“多方菜单”。譬如说,多种调制方案提供了许多不同的方法来实现同一功能,即接收来自标签的数据。规范还提供了许多可选命令以及特定厂商的定制命令。要做到与规范完全兼容,标签必须提供全部菜单。另一方面,阅读器只要确定在某种通信环境下标签应当使用哪种调制方案和数据速率,就能够从这些选项当中进行挑选。由于众多原因,包括在众多最终用户应用下获得良好性能,想在有外部干扰的情况下有效使用,阅读器就可能会在这些众多选项当中动态选择,以适应每个具体环境。这就是为什么把第二代EPC标准称为“多协议协议”。 

        第二代EPC标准面临的变数比其他任何RFID标签都大得多。它对基本通信协议采用的“多方菜单”方法是其中的一个重要方面,但也存在其他因素。譬如说,不同的标签厂商对规范的理解会略有不同。由于生产计划或成本方面的限制,有些厂商可能仅仅实施部分选项。有些厂商会添加专有的“扩展功能”。有些标签会有两根天线,而另一些标签只有一根天线。即便标准是由同一家厂商生产的,一段时间过后也会带来不同情况,有些是因为成本或者生产能力带来的设计变化,有些则因为试图提供更好的性能。 

        虽然兼容性测试及遵守规范将为不同的“第二代”标签提供基本的互操作性,但RFID阅读器可能需要以不同方式来处理每种不同情况,才能获得最佳性能,另外要考虑到这一点——混合使用的第二代标签来自不同厂商。角逐第二代标签市场的标签厂商达到了空前数量,这意味着宣布与“第二代”兼容本身也许保证不了所有标签都有最佳的甚至是可接受的性能。 

        在第二代标准出现之前,RFID行业之前从来没有看到支持一种平台的这种程度。真正的互兼容性需要对RFID基础设施采用有细微差别的方案。情况可能相差很大,这意味着,购买RFID阅读器要是稍有失误,就会给系统集成商和最终用户带来重大的、不可预知的问题。

特别的芯片级特性: 更高的比特率 

        第二代标准的一项新特性就是速度或数据传输速率(即“比特位”)高于第一代标签。与第一代标签相比,第二代标签能够以高达8倍的速度发送数据、响应命令。从理论上来说,这种更高的比特率每秒可以读取更多数量的标签。然而在实际环境中,比特率的提高并不意味着每秒读取标签的速度也会相应提高,因为较高速度势必会导致错误率较高、对噪声更加敏感,而较长的电子产品编码(长达256位)也会耗用部分额外通信容量。

可以把这种情况比成购买较高车速的汽车并不能保证你上下班所用时间比较短——总的上下班时间完全取决于外部因素,譬如交通和公路状况。标签数据速率与标签读取速率也是如此。在许多情况下,第二代读取标签的速度可能高于第一代。但实际上的性能增加并没有与第二代提高的更高数据速率直接成正比。而在某些情况下,最佳办法也许就是:为了确保通信的可靠性,阅读器通过较低的数据速率传输。

特别的芯片级特性:密集阅读器模式 

        第二代标准的另一项新特性就是密集阅读器模式。密集阅读器模式旨在避免阅读器对标签响应的干扰,其办法就是保留政府批准的无线电频率的某些小部分供标签使用。因为标签在通信时信号强度比阅读器弱得多,所以这有助于标签在有多个阅读器在近距离使用的情形下正常工作。 

        不过,密集阅读器模式不是解决许多阅读器在近距离工作时可能产生的每个问题的灵丹妙药。造成干扰有几个重要因素,不是每个因素都可以由密集阅读器模式所能解决的。这包括以下几个方面的原因。 

        RFID阅读器以外的其他设备可能在超高频频谱上面或者附近工作。这些设备可以随意跳转到由标签使用的信道,因为会“淹没”标签信号。譬如说,美国允许免许可证的FCC Part 15设备在使用超高频频谱方面具有同样的优先级,譬如RFID阅读器、无绳电话、无线局域网设备和工业设备等。只要最终用户场地哪怕有一个非RFID设备,也会部分或者全部抵消密集阅读器模式的潜在好处,因为非RFID设备极可能不遵守为了确保密集阅读器模式发挥功效所需的信道化方案。 

        不是所有的第二代RFID阅读器都支持密集阅读器模式。密集阅读器模式是第二代规范的非强制性部分。只要有一个非密集阅读器模式的RFID阅读器也会淹没标签响应信号,抵消密集阅读器模式的潜在好处,譬如手持阅读器、超高频有源标签系统或者传统的专有RFID系统。
 
        无源RFID标准如第二代标签是宽频带反向散射(broadband backscatter)装置。正因为如此,它们在应答某个阅读器对某个频谱的询问时,实际上同时对所有频率上的响应进行调制。只要在响应标签的有效距离之内,任何阅读器都能够获得这种反向散射调制信号,这会导致干扰,甚至是在比有效读取标签的距离远得多的地方也会有干扰。因而,对所有附近的阅读器来说,某个阅读器读取的所有标签都是潜在的干扰发生器。这种效应在成排成排的仓库装卸平台门口等环境下特别明显:其中的大量标签由大量阅读器来询问,所有阅读器和标签都在近距离工作。 

        最重要的是,正如自动识别中心主任Daniel Engels博士撰写的几篇文章中指出的那样,除了充当宽频带反向散射“传送器”外,标签还是“宽频带接收器”——标签对阅读器所用的信道一无所知。标签上的接收器好比是晶体管收音机,原因在于选择频谱的能力完全受制于标签天线的特性。实际上这由第二代规范来执行,因为第二代规范要求标签在860MHz到960MHz之间工作。因而,阅读器工作在密集阅读器模式下时,某个特定标签会接收到有效距离内的所有阅读器同时传送的所有信号。这是当前一代RFID存在的根本性问题,最有效的解决办法就是采用准确的、基于时间的阅读器同步机制。该机制旨在防止两个阅读器试图同时与同一个标签通信。正因为如此,基于时间的阅读器同步机制是管理密集阅读器环境的最重要的方法。遗憾的是,第二代密集阅读器模式没有克服第二代标签上宽频带接收器的这个重大缺点。 

        密集阅读器模式应当被认为是向工作于密集阅读器环境迈出的头一步,但它不是克服如今无源RFID技术的局限因素的万灵药。密集阅读器环境的根本问题(包括标签的宽频带传输和接收)仍有待将来的几代无源RFID技术加以解决。
超越第二代EPC

EPC Class结构 

        EPC标签Class结构常常被人误解。Class与“代”不是同一回事。Class描述的是标签的基本功能——譬如说它里面有没有内存或者电池。代指的是标签规范的主要版本号。通常所说的第二代EPC其全名实际上是第二代EPC Class Ⅰ,这表明该规范是指规范的第二个主要版本,针对拥有一次写入内存的标签。 

        Class Ⅰ规范拟订后,Class 0才被添加到第一代系统里面,作为上图描述的过程的一部分。 

        Class Ⅰ标签(第二代标签就是个例子)含有一次写入内存,用于保存电子产品编码。Class Ⅱ标签添加了可以定期改变的内存,用于保存额外数据——譬如来自内置传感器的数据。Class Ⅲ标准添加了电池,以便延长读取标签的距离、提高可靠性,但基本上属于无源反向散射标签。Class Ⅳ标签实际上是可与其他Class Ⅳ标签和阅读器通信的有源标签。Class Ⅴ标签其实根本不是什么标签,实际上是无线联网阅读器。 

        EPC Class结构的目的就是为了提供一种模块化结构,涵盖一系列众多的可能类型的标签功能。譬如说,电池供电型标签的通信协议应当与没有电池的标签的协议相同,只是增加了支持电池的必要命令。这就保持了协议的简单化。如果电池供电型标签上的电池出故障或者失效,标签就完全类似没有电池的标签,对最终用户来说仍具有一些实用功能。这种模块化思想在理论上远比实际上来得简单——然而技术往往会不断融合,而且EPC业界也渴望提供模块化、多功能的标签协议堆栈。这就给阅读器基础设施必须能够适用的众多标签添加了另一个变数。鉴于第二代Class Ⅱ消除了Class 0和Class Ⅰ间的差异,可能会出现的下一步就是给系统添加电池标签。这可能具体表现为第二代Class Ⅲ标签——它也许为全新一代的产品指明出路。

推动第三代发展的因素 

        EPC系统不会到了第二代就停止前进的步伐。由于厂商互相竞争,而用户在降低成本、增加功能方面变得更精明、要求更高,第二代标准有望造就的RFID大众化市场应当会引发新的创新浪潮。与第一代EPC标准的情况一样,这些竞争压力很快就会带来第二代规范所没有的思想和发明。现阶段看来,EPC标准开发小组极可能会在2006年底或2007年初开发第三代标签。正如第一代向第二代转型时发生的那样,大获成功的第二代老牌厂商会抵制这种转型,而很晚进入EPC市场的企业家、新兴公司和大公司会踊跃参与。势头只会越来越猛,到2008年或者 2009年左右,第三代标签将会出现,再次开始刮起又一轮创新浪潮。RFID阅读器也必须准备好迎接这些变化。

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