RFID读写器和电子标签的防冲突机制介绍

RFID读写器和电子标签的防冲突机制介绍

摘要：正常情况下读写器某一时刻只能对磁场中的一张射频IC卡进行读写操作。但是当多张IC卡片同时进入读写器的射频场时，读写器怎么办呢？读写器需要选出唯一的一张卡片进行读写操作，这就是防冲突。常见的非接触式智能卡中的防冲突机制主要有：面向比特的防冲突机制，面向时隙的防冲突机制，位和时隙相结合的防冲突机制。      

   常情况下读写器某一时刻只能对磁场中的一张射频IC卡进行读写操作。但是当多张IC卡片同时进入读写器的射频场时，读写器怎么办呢？读写器需要选出唯一的一张卡片进行读写操作，这就是防冲突。

    防冲突机制是非接触式智能IC卡特有的问题。在接触式智能IC卡的操作中是不存在冲突的，因为接触式智能卡的读写器有一个专门的卡座，而且一个卡座只能插一张卡片，不存在读写器同时面对两张以上卡片的问题。常见的非接触式智能卡中的防冲突机制主要有以下几种：

    1.RFID读写器和电子标签面向比特的防冲突机制。

    ISO14443A中使用这种防冲突机制，其原理是基于卡片有一个全球唯一的序列号。比如Mifare1卡，每张卡片有一个全球唯一的32位二进制序列号。显而易见，卡号的每一位上不是“1”就是“0”，而且由于是全世界唯一，所以任何两张卡片的序列号总有一位的值是不一样的，也就说总存在某一位，一张卡片上是“0”，而另一张卡片上是“1”。

    当两张以上卡片同时进入射频场，读写器向射频场发出卡呼叫命令，问射频场中有没有卡片。这些卡片同时回答“有卡片”；

    然后读写器发送防冲突命令“把你们的卡号告诉我”，收到命令后所有卡片同时回送自己的卡号。

    可能这些卡片卡号的前几位都是一样的。比如前四位都是1010，第五位上有一张卡片是“0”而其他卡片是“1”，于是所有卡片在一起说自己的第五位卡号的时候，由于有卡片说“0”，有卡片说“1”，读写器听出来发生了冲突。

    读写器检测到冲突后，对射频场中的卡片说，让卡号前四位是“1010”，第五位是“1”的卡片继续说自己的卡号，其他的卡片不要发言了。

    结果第五位是“1”的卡片继续发言，可能第五位是“1”的卡片不止一张，于是在这些卡片回送卡号的过程中又发生了冲突，读写器仍然用上面的办法让冲突位是“1”的卡片继续发言，其他卡片禁止发言，最终经过多次的防冲突循环，当只剩下一张卡片的时候，就没有冲突了，最后胜出的卡片把自己完整的卡号回送给读写器，读写器发出卡选择命令，这张卡片就被选中了，而其他卡片只有等待下次卡呼叫时才能再次参与防冲突过程。

    上述防冲突过程中，当冲突发生时，读写器总是选择冲突位为“1”的卡片胜出，当然也可以指定冲突位为“0”的卡片胜出。

    上述过程有点拟人化了，实际情况下读写器是怎么知道发生冲突了呢？在前面的数据编码中我们已经提到，卡片向读写器发送命令使用副载波调制的曼侧斯特(Manchester)码，副载波调制码元的右半部分表示数据“0”，副载波调制码元的左半部分表示数据“1”，当发生冲突时，由于同时有卡片回送“0”和“1”，导致整个码元都有副载波调制，读写器收到这样的码元，就知道发生冲突了。

    这种方法可以保证任何情况下都能选出一张卡片，即使把全世界同类型的所有卡片都拿来防冲突，最多经过32个防冲突循环就能选出一张卡片。缺点是由于卡序列号全世界唯一，而卡号的长度是固定的，所以某一类型的卡片的生产数量也是一定的，比如常见的Mifare1卡，由于只有4个字节的卡序列号，所以其生产数量最多为2的32次方，即4294967296张。

    2.RFID读写器和电子标签面向时隙的防冲突机制

    ISO14443B中使用这种防冲突机制。这里的时隙(timeslot)其实就是个序号。这个序号的取值范围由读写器指定，可能的范围有1-1、1-2、1-4、1-8、1-16。当两张以上卡片同时进入射频场，读写器向射频场发出卡呼叫命令，命令中指定了时隙的范围，让卡片在这个指定的范围内随机选择一个数作为自己的临时识别号。然后读写器从1开始叫号，如果叫到某个号恰好只有一张卡片选择了这个号，则这张卡片被选中胜出。如果叫到的号没有卡片应答或者有多于一张卡片应答，则继续向下叫号。如果取值范围内的所有号都叫了一遍还没有选出一张卡片，则重新让卡片随机选择临时识别号，直到叫出一张卡片为止。

    这种办法不要求卡片有一个全球唯一序列号，所以卡片的生产数量没有限制，但是理论上存在一种可能，就是永远也选不出一张卡片来。

    Felica采用的也是这种机制。

    3.RFID读写器和电子标签位和时隙相结合的防冲突机制

    ISO15693中使用这种机制。一方面每张卡片有一个8字节的全球唯一序列号，另一方面读写器在防冲突的过程中也使用时隙叫号的方式，不过这里的号不是卡片随机选择的，而是卡片唯一序列号的一部分。

    叫号的数值范围分为0-1和0-15两种。其大体过程是，当有多张卡片进入射频场，读写器发出清点请求命令，假如指定卡片的叫号范围是0-15，则卡片序列号最低4位为0000的卡片回送自己的7字节序列号。如果没有冲突，卡片的序列号就被登记在PCD中。然后读写器发送一个帧结束标志，表示让卡片序列号最低4位为0001的卡片作出应答；之后读写器每发送一个帧结束标志，表示序列号的最低4位加1，直到最低4位为1111的卡片被要求应答。如果此过程中某一个卡片回送序列号时没有发生冲突，读写器就可选择此张卡片；如果巡检过程中没有卡片反应，表示射频场中没有卡片；如果有卡片反应的时隙发生了冲突，比如最低4位是1010的卡片回送卡号时发生了冲突，则读写器在下一次防冲突循环中指定只有最低4位是1010的卡片参与防冲突，然后用卡片的5-8位作为时隙，重复前面的巡检。如果被叫卡片的5-8位时隙也相同，之后再用卡片的9-12位作为时隙，重复前面的巡检，依次类推。读写器可以从低位起指定任意位数的序列号，让卡号低位和指定的低位序列号相同的卡片参与防冲突循环，卡片用指定号前面的一位或4位作为时隙对读写器的叫号作出应答。由于卡片的序列号全球唯一，所以任何两张卡片总有某个连续的4位二进制数不一样，因而总能选出一张卡片。需要指出的是，当选定的时隙数为1时，这种防冲突机制等同于面向比特的防冲突机制。

    另外需要说明的是，TTF（Tag Talk First）的卡片一般是无法防冲突的。这种卡片一进入射频场就主动发送自己的识别号，当有多张卡片同时进入射频场时就会发生不读卡的现象。这时只有靠卡片的持有者自己去避免冲突了。