RFID讀寫器和電子標簽的防沖突機制

摘要：正常情況下讀寫器某一時刻只能對磁場中的一張射頻IC卡進行讀寫操作。但是當多張IC卡片同時進入RFID讀寫器的射頻場時，讀寫器怎么辦呢？讀寫器需要選出唯一的一張卡片進行讀寫操作，這就是防沖突。常見的非接觸式智能卡中的防沖突機制主要有：面向比特的防沖突機制，面向時隙的防沖突機制，位和時隙相結合的防沖突機制。  

   正常情況下讀寫器某一時刻只能對磁場中的一張射頻IC卡進行讀寫操作。但是當多張IC卡片同時進入讀寫器的射頻場時，讀寫器怎么辦呢？讀寫器需要選出唯一的一張卡片進行讀寫操作，這就是防沖突。

    防沖突機制是非接觸式智能IC卡特有的問題。在接觸式智能IC卡的操作中是不存在沖突的，因為接觸式智能卡的讀寫器有一個專門的卡座，而且一個卡座只能插一張卡片，不存在讀寫器同時面對兩張以上卡片的問題。常見的非接觸式智能卡中的防沖突機制主要有以下幾種：

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    1.面向比特的防沖突機制。

    ISO14443A中使用這種防沖突機制，其原理是基于卡片有一個全球唯一的序列號。比如Mifare1卡，每張卡片有一個全球唯一的32位二進制序列號。顯而易見，卡號的每一位上不是“1”就是“0”，而且由于是全世界唯一，所以任何兩張卡片的序列號總有一位的值是不一樣的，也就說總存在某一位，一張卡片上是“0”，而另一張卡片上是“1”。

    當兩張以上卡片同時進入射頻場，讀寫器向射頻場發(fā)出卡呼叫命令，問射頻場中有沒有卡片。這些卡片同時回答“有卡片”；

    然后讀寫器發(fā)送防沖突命令“把你們的卡號告訴我”，收到命令后所有卡片同時回送自己的卡號。

    可能這些卡片卡號的前幾位都是一樣的。比如前四位都是1010，第五位上有一張卡片是“0”而其他卡片是“1”，于是所有卡片在一起說自己的第五位卡號的時候，由于有卡片說“0”，有卡片說“1”，讀寫器聽出來發(fā)生了沖突。

    讀寫器檢測到?jīng)_突后，對射頻場中的卡片說，讓卡號前四位是“1010”，第五位是“1”的卡片繼續(xù)說自己的卡號，其他的卡片不要發(fā)言了。

    結果第五位是“1”的卡片繼續(xù)發(fā)言，可能第五位是“1”的卡片不止一張，于是在這些卡片回送卡號的過程中又發(fā)生了沖突，讀寫器仍然用上面的辦法讓沖突位是“1”的卡片繼續(xù)發(fā)言，其他卡片禁止發(fā)言，最終經(jīng)過多次的防沖突循環(huán)，當只剩下一張卡片的時候，就沒有沖突了，最后勝出的卡片把自己完整的卡號回送給讀寫器，讀寫器發(fā)出卡選擇命令，這張卡片就被選中了，而其他卡片只有等待下次卡呼叫時才能再次參與防沖突過程。

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    上述防沖突過程中，當沖突發(fā)生時，讀寫器總是選擇沖突位為“1”的卡片勝出，當然也可以指定沖突位為“0”的卡片勝出。

    上述過程有點擬人化了，實際情況下讀寫器是怎么知道發(fā)生沖突了呢？在前面的數(shù)據(jù)編碼中我們已經(jīng)提到，卡片向讀寫器發(fā)送命令使用副載波調(diào)制的曼側斯特(Manchester)碼，副載波調(diào)制碼元的右半部分表示數(shù)據(jù)“0”，副載波調(diào)制碼元的左半部分表示數(shù)據(jù)“1”，當發(fā)生沖突時，由于同時有卡片回送“0”和“1”，導致整個碼元都有副載波調(diào)制，讀寫器收到這樣的碼元，就知道發(fā)生沖突了。

    這種方法可以保證任何情況下都能選出一張卡片，即使把全世界同類型的所有卡片都拿來防沖突，最多經(jīng)過32個防沖突循環(huán)就能選出一張卡片。缺點是由于卡序列號全世界唯一，而卡號的長度是固定的，所以某一類型的卡片的生產(chǎn)數(shù)量也是一定的，比如常見的Mifare1卡，由于只有4個字節(jié)的卡序列號，所以其生產(chǎn)數(shù)量最多為2的32次方，即4294967296張。

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    2.面向時隙的防沖突機制

    ISO14443B中使用這種防沖突機制。這里的時隙(timeslot)其實就是個序號。這個序號的取值范圍由讀寫器指定，可能的范圍有1-1、1-2、1-4、1-8、1-16。當兩張以上卡片同時進入射頻場，讀寫器向射頻場發(fā)出卡呼叫命令，命令中指定了時隙的范圍，讓卡片在這個指定的范圍內(nèi)隨機選擇一個數(shù)作為自己的臨時識別號。然后讀寫器從1開始叫號，如果叫到某個號恰好只有一張卡片選擇了這個號，則這張卡片被選中勝出。如果叫到的號沒有卡片應答或者有多于一張卡片應答，則繼續(xù)向下叫號。如果取值范圍內(nèi)的所有號都叫了一遍還沒有選出一張卡片，則重新讓卡片隨機選擇臨時識別號，直到叫出一張卡片為止。

    這種辦法不要求卡片有一個全球唯一序列號，所以卡片的生產(chǎn)數(shù)量沒有限制，但是理論上存在一種可能，就是永遠也選不出一張卡片來。

    Felica采用的也是這種機制。

    3.位和時隙相結合的防沖突機制

    ISO15693中使用這種機制。一方面每張卡片有一個8字節(jié)的全球唯一序列號，另一方面讀寫器在防沖突的過程中也使用時隙叫號的方式，不過這里的號不是卡片隨機選擇的，而是卡片唯一序列號的一部分。

    叫號的數(shù)值范圍分為0-1和0-15兩種。其大體過程是，當有多張卡片進入射頻場，讀寫器發(fā)出清點請求命令，假如指定卡片的叫號范圍是0-15，則卡片序列號最低4位為0000的卡片回送自己的7字節(jié)序列號。如果沒有沖突，卡片的序列號就被登記在PCD中。然后讀寫器發(fā)送一個幀結束標志，表示讓卡片序列號最低4位為0001的卡片作出應答；之后讀寫器每發(fā)送一個幀結束標志，表示序列號的最低4位加1，直到最低4位為1111的卡片被要求應答。如果此過程中某一個卡片回送序列號時沒有發(fā)生沖突，讀寫器就可選擇此張卡片；如果巡檢過程中沒有卡片反應，表示射頻場中沒有卡片；如果有卡片反應的時隙發(fā)生了沖突，比如最低4位是1010的卡片回送卡號時發(fā)生了沖突，則讀寫器在下一次防沖突循環(huán)中指定只有最低4位是1010的卡片參與防沖突，然后用卡片的5-8位作為時隙，重復前面的巡檢。如果被叫卡片的5-8位時隙也相同，之后再用卡片的9-12位作為時隙，重復前面的巡檢，依次類推。讀寫器可以從低位起指定任意位數(shù)的序列號，讓卡號低位和指定的低位序列號相同的卡片參與防沖突循環(huán)，卡片用指定號前面的一位或4位作為時隙對讀寫器的叫號作出應答。由于卡片的序列號全球唯一，所以任何兩張卡片總有某個連續(xù)的4位二進制數(shù)不一樣，因而總能選出一張卡片。需要指出的是，當選定的時隙數(shù)為1時，這種防沖突機制等同于面向比特的防沖突機制。

    另外需要說明的是，TTF（Tag Talk First）的卡片一般是無法防沖突的。這種卡片一進入射頻場就主動發(fā)送自己的識別號，當有多張卡片同時進入射頻場時就會發(fā)生不讀卡的現(xiàn)象。這時只有靠卡片的持有者自己去避免沖突了。

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