UHF RFID空口技术自主创新之路

UHF RFID空口技术自主创新研究
Independent innovation for UHF RFID Airinterface
中兴通讯股份有限公司杜江
摘要在分析自主RFID标准的必要性的基础上，介绍中兴通讯在RFID领域的自主创新，包括RFID产品研发历程、UHF RFID关键技术创新及自主空口协议，重点阐述了自主空口协议中物理层信道编码、物理层数据同步、多标签防碰撞、高效空口交互等关键技术。

关键词RFID UHF 空口标准碰撞算法
Abstract：Basec on analysis of the need for Chinese RFID standards, this paper introducesd ZTE Corporation’s independent innovation in the RFID field, including RFID products R&D history, UHF RFID key technology innovation and airinterface standard draft，especially focus on some key technologies, such as the physical layer channel coding, physical layer data synchronization, multi-tag anti-collision and efficient interaction.
Keywords：RFID;UHF;airinterface standard;Anti-collision algorithm
1 RFID自主标准的重要意义
RFID不仅仅是一种自动识别的数据采集技术，其“无所不在，无处不用”的泛在网特性将对全社会的智能化、信息化和人民的生活模式产生深刻影响，也是构成目前热炒的“物联网”的信息基础的主要技术之一，因此RFID标签虽小，其重要意义将关乎国计民生的战略层面，涉及国家信息安全和国家经济利益。

正是由于RFID技术的重要作用：
●2005年10月，原信息产业部批准成立了电子标签标准工作组；
●2006年1月，国家发改委将RFID技术列入信息产业关键技术产业化专项支持的重点；
●2006年6月，科技部等15部委联合发表了了《中国射频识别(RFID)技术政策白皮书》；
●2007年9月，原信息产业部发布了《关于发布800/900MHz频段射频识别（RFID）技术应用试行规定的通知》；
●2009年，科技部召集国家15个部委组织《中国射频识别技术与产业发展报告》（蓝皮书）的编写；
●最近，国家发改委将RFID技术列入《电子信息产业技术进步和技术改造投资方向》重点目录；
纵观整个RFID产业链，中国企业的自身核心技术有限，大多数知识产权都控制在国外厂商手中。

从近期专利检索的情况看，1985年9月10日至2008年9月10之间国家知识产权局公开的全部中国专利中共有7200件RFID技术相关专利，其中80%以上是2003年之后申请的，说明最近几年我国企业开始注重RFID的知识产权工作。

通过对专利的分析，在现有的专利中，有3516件专利是外国公司在我国申请的，欧美国家包括Philips、Intel、Siemens、Intermec、Impinj、Motorola、Nokia、英国电讯、万事达等，日韩公司有东芝、富士通、欧姆龙、NEC、兄弟工业、日立制作所、Sumsung、LG、韩国电子通信研究院等，占总专利数量的49%。

我国的专利数量共有3684件，占总数的51%。

在7200件专利中，发明专利共有5333件，其中有3493件由外国掌握，我国仅有1840件，可见我国的专利虽然在数量上较多，但是在专利价值上反而较差，大多属于实用新型和外观设计类等，涉及RFID核心技术的很少，大多数核心技术专利仍然掌握在外国公司手中。

例如Intermec拥有的124项RFID 相关关键技术和专利，确保了其在RFID领域的技术优势。

在其核心专利中，包括“反向二极管包络检波技术”是低成本阅读器设计中较为理想的反向解调实现方法。

这些核心技术是
我国企业所欠缺的
在技术标准方面，目前超高频RFID国外主流技术标准体系有EPCglobal、ISO、IP-X 等标准。

我国在UHF RFID技术与应用的标准化研究工作起步晚，相对簿弱，目前已经从多个方面开展了相关标准的研究制定工作。

在频率规划方面，2007年6月中国国家无委颁布了中国的RFID频率规划，特别是明确有别于国际标准频段860－960MHz的中国特有的840－845MHz频段，这将对中国的RFID应用起到推动作用；在技术标准方面，参照ISO/IEC 18000系列标准制定国家标准的工作正在制定中，我国的电子标签标准工作组正在积极制定我国的RFID空中接口标准，中国通信标准协会CCSA推出的超高频RFID测试标准为超高频RFID产品提供认证的依据和准则，现此测试标准已形成报批稿。

在产业链中关于中国RFID标准的定位是完全遵循沿用国际标准，还是推出自主知识产权的自主标准争论已久，笔者坚决支持后者，认为全面采用国际现行的RFID标准会带来系列风险，而具有自主知识产权的中国标准对我国RFID产业链的发展具有促进作用，因此发展中国自主知识产权的RFID标准体系的必要性如下：
⑴完全采用国际现行的RFID标准存在巨大的经济风险，主要是编码付费问题和知识产权版权费编码付费问题。

编码付费方面，如果采用国际标准的编码规则，各种RFID标签的海量使用会带来巨大的编码使用量，就好象占用IP需要付费一样，这些编码资源也需要付费，就会带来巨大的经济问题。

知识产权版权费是另一个问题，当年VCD/DVD产业由于没有标准上的发言权，只能充当国际加工厂的角色，获得的大部分利润都被国际标准以版权费的形式抢走，对整个行业的发展形成巨大的影响。

有些RFID标准目前承诺是免费的，但是能够保证永远是免费的吗？目前，ISO18000-6系列标准的专利池工作已经开始筹备，意大利的Sisvel公司已经成为国际超高频标准专利池的管理者，开展UHF RFID标准专利的管理和授权工作，这就充分说明了完全使用国际标准带来的问题。

即便我们通过政府行为得到允诺，对中国的RFID产品免费，那么为了使其协议升级而做的后续工作所发生的费用由谁来买单呢？如果谁都不买单，那么没有经费支持的技术和协议无从发展。

天下没有免费的午餐。

⑵完全采用国际现行的RFID标准存在巨大的安全风险，国家信息安全高于一切，在RFID标准的制定过程中，应牢牢把握这个核心。

RFID标准中涉及国家安全的核心问题是空口协议、编码规则、中央数据库等，我国必须警惕信息侵略，国家必须掌握电子标签领域发展的主动权。

谁掌握了产品信息的中央数据库和电子标签的注册登记和密码发放权，谁就获得了全部产品、产品身份、产品结构、物流及市场信息的拥有权。

以采用EPCglobal为例，EPC系统的中央数据库在美国，且美国国防部是EPCglobal的强力支持者，如果我国使用EPCglobal的编码体系必然使我们物资有关信息被美国所掌控，这显然会对我国国民经济运行、信息安全甚至国防安全造成重大隐患。

特别针对我国的RFID军标尤其重要，如果没有自主的RFID标准，我国的国防军事安全等重要信息将无疑于赤裸裸的暴露在他国面前，国家安全利益将受到严重威胁。

没有自主知识产权的RFID空口协议技术、芯片和核心技术、编码技术，不能形成一套自主的RFID标准，就不可能有真正的信息安全。

⑶目前我国有数量众多的企业参与到RFID产业链的各环节中，但是相对企业规模较小，没有大型企业，RFID产业中的大型企业都是国外公司，这对于我国RFID产业的发展极为不利。

以往的经验和教训告诉我们，为了扶持国内RFID企业做大做强，还需从标准协议方面给予巨大的支持，否则国内企业与国外企业的竞争起点不同。

例如在移动通信领域，在2G阶段，GSM标准被国外把持，使得我国的移动通信企业处于落后的地位，一直在追赶，没有办法得到良好的发展。

到了3G阶段，我们投入巨大的力量研究制定了中国自主知识产权的TD-SCDMA标准，在标准方面占据的主动性，促进我国移动通信发展的同时，也给国内通信企业发展壮大的机会。

RFID应用涉及面很广，深入社会各行各业，作为“物联
网”的支撑技术之一，其未来形成的相关经济规模与战略意义不亚于“TD-SCDMA”产业，因此我国自主知识产权的RFID标准工作将非常重要。

⑷对于国际互通可能是支持沿用国际RFID标准，反对采用自主中国RFID标准的主要原因，但我们应该清醒认识到在当前RFID的应用中，特别是UHF RFID，涉及国际互通的应用所占比例非常小，绝大部分是闭环应用、某行业局部开环应用及国内开环应用；当然“地球村”的国际化趋势使该问题不可回避，对于此问题的解决笔者有以下几个不成熟的方案建议：①在频段上区分：国际化互通应用沿用国际化标准，采用920-925MHz国际频段，对于大量非国际化互通应用采用中国自主标准，采用840-845MHz中国频段；②升级未来的中国自主标准也成为国际标准，促进标准融合，及多协议UHF RFID标签芯片的技术；或③通过技术手段完成在互通网关节点的编码与协议转换工作；
据上分析，推进具有自主知识产权的RFID标准将是中国RFID产业的一件大事，RFID 技术标准是一个庞大的体系，而空口标准是其最重要的基础标准，下面将介绍中兴通讯在这方面的相关工作。

2自主创新空口协议
2.1 主要研发历程
中兴通讯公司RFID研发历程主要大事如下：
⑴从2003年开始，由中兴通讯技术中心新技术研究部对RFID技术领域进行跟踪和调研，了解RFID技术发展与应用情况。

2004年初，开始对RFID关键技术进行预研，着重对RFID芯片设计关键技术和RFID阅读器技术进行研究。

年底承担了粤港基金项目“RFID标签与标签阅读器技术项目”，进行超高频RFID固定式阅读器研究开发、超高频RFID无源标签芯片研究与开发以及将RFID应用于仓储管理系统。

2005年9月，成功完成支持EPC Gen2协议的超高频RFID阅读器原型机，同年底完成RFID中间件的技术研究和功能验证工作。

2006年3月，加入了中国RFID标准工作组，参加了总体组、频率与通讯组和应用组的工作，并密切关注其他组的工作进展。

⑵2006年4月，RFID被正式确立为中兴通讯战略发展方向，决定全面涉足RFID产业，由原CDMA事业部负责RFID产品产业化。

2007年初，根据公司在天津滨海新区的发展战略规划，RFID产品团队整体迁移到天津，进入新的发展时期。

⑶2008年6月，完全自主开发的基于中国频段的超高频RFID阅读器系列化产品通过了二个频段的国家无委信号核准认证测试，且是唯一一家支持840－845MHz的公司；2008年6月，完全自主开发的ETC电子不停车收费产品通过国家交通部认证测试。

2009年6月完成了HF、UHF、ACTIVE系列产品发布，完成了中间件、编码信息系统、一卡通应用系统的发布；
中兴通讯从2003年开始预研RFID技术，从2006年开始产品产业化，至今已形成近300人的RFID产品团队：
⑴在RFID研发方面：有多年的无线技术研究及产品开发经验积累，拥有专利申请135项，积累了大量的关键技术，形成了高水平的RFID专业人才队伍；
⑵在RFID产品方面：是业内产品系列最全的公司,覆盖了包括无源系统（HF、UHF）与有源系统（433M、2.4G、5.8G），可提供从标签、阅读器、中间件到行业应用的完全自主研发的端到端整体解决方案。

2.2 自主空口协议
中兴通讯RFID团队自2003年成立以来，一直十分重视知识创新及自主知识产权保护，积极推动具有自主知识产权的RFID关键技术创新，经过4年多的研究和发展，投入了大量的精力，在关键技术研究、专利保护与规避以及具有自主知识产权的RFID标准体系设计及原型验证等方面，获得了丰硕的成果，形成了一系列的技术突破，成效明显。

中兴通讯已在RFID领域申请专利135项发明专利，涉及RFID标签、RFID阅读器、空口协议、RFID网络技术、RFID应用技术及系统集成技术等各个方面。

其中空口基础性研究占绝大部分。

见图1。

图1中兴通讯RFID专利分布图
在2008年，中兴通讯向中国电子标签标准工作组针对UHF空口共提交了5份提案，占UHF RFID提案的绝大多数。

见表1。

1948年美国科学家哈里·斯托克曼在Proceedings of the IRE上发表了“利用反射功率的通讯”（Communication by Means of Reflected Power），这是整个RFID技术最核心的理论基础，其后的其他技术发展都是基于这篇文章提出的。

RFID技术本身最核心的思想是利用最简单的“反向散射”技术来实现近距离通信，越是简单越难突破，这就造成RFID技术的创新难度大。

自主知识产权不是以不一样为目的，而应该是以性能提升为目的，中兴通讯在6B和6C协议的基础上，通过自主创新已经在技术上取得系列创新突破并使整体性能方面优于当前主流的国外RFID标准，并进行了可行性验证与局部实验验证。

空中接口协议是整个RFID系统中最基础的协议标准，是整个RFID协议架构的地基。

图2是中兴通讯RFID空口协议的整体框架结构。

物理层
MAC
层
如图2所示，空中接口协议可分为物理层和MAC 层两部分，物理层定义了阅读器与标签之间接口的物理参数，物理层协议中粉色的部分是对参数性能的规定，根据新的标准技术对其中的链路时序进行了创新改进；绿色的部分是物理层技术方面的内容，图中红色的模块是实现了技术创新的部分。

MAC 层规定了阅读器与标签之间的操作过程和命令，中兴对MAC 各模块均有所改进；整个空口标准涉及诸多技术，下面对较典型的几个关键技术进行描述，其他不在此叙述：
●物理层信道编码技术：通过研究现有信道编码技术，发现ISO 18000-6 Type B 和EPC GEN2的信道编码各有利弊，EPC GEN2的PIE 编码方式可以提供较多的能量，从而使得标签工作距离增大；而ISO 18000-6 Type B 中，Manchester 编码是定长编码方式，可以保证链路速率，从而提高空口的交互效率。

经过大量的仿真和研究，我们提出了一种全新的的编码EEC ，采用定常编码方式，保证了链路速率，同时可以提供更多的能量，从而获得更好的交互性能。

●物理层数据同步技术：经过对ISO 18000-6 Type B 和EPC GEN2协议的研究，发现EPC GEN2协议的反向帧同步码优于ISO 18000-6 Type B ，但该码字受到专利保护。

经过大量的仿真和研究，我们创新出一种新的帧同步码，可获得相当的性能情况，且有效避免知识产权问题。

●多标签防碰撞技术：这是国际上RFID 寻求创新最关注的领域，许多专利均是针对此，6B 协议采用二叉树算法，6C 协议采用动态时隙Alohal 算法中的Q 算法。

我们通过大量的仿真和实践研究，创新地提出了一种改进的的预先分裂防碰撞方法，在基本未增加标签端复杂性的前提下，将现有的平均清点效率达到41%以上：相对6B 提高了19%；相对6C 协议的提高了24%，标签清点速率可超过122个/秒：相对6B 提高了30%；相对6C 提高了17%，明显优于现有标准性能。

见图。

图 3 防碰撞算法性能对比
●高效空口交互技术：在充分研究现有超高频RFID标准基础之上，经过了大量的仿真，充分吸收了现有标准协议的优点，基于自定义的防碰撞方法，提出了一套完整的空口交互协议流程和指令集的状态图，与现有标准相比，清点耗时大大降低。

3自主RFID技术发展建议
基于作为“物联网”的支撑技术之一的UHF RFID技术在未来各行业的应用涉及面很广，其附带的相关经济规模将高达几千亿，且有效促进社会的智能化与信息化，因此促进与推广中国自主知识产权的UHF RFID技术是必要与急迫的，在此建议：
需加快创新技术的验证融合，在此基础上加速中国UHF RFID标准的提交与确立；
需整合芯片产业链资源加速支持中国自主标准的UHF RFID标签芯片的研发与产业化；
需加速与完善完全自主知识产权的全套国产UHF RFID采集网络的硬软件系统(系列化标签、系列化阅读器)，中间件系统、相关应用系统的研发与产业化；
政府要加大对自主创新的原创性技术及未来的中国标准给予明确的政策与项目支
持，即要求政府RFID项目、军队RFID项目、国企RFID项目：
⏹须采用中国自主知识产权的RFID标准与技术体系；
⏹须采用中国自主RFID频段：840－845MHZ；
⏹要求在中国商用的RFID系统须进行相关型号核准与标准认证；
⏹优先选用有自主知识产权的RFID系统。

（收稿日期：2009-10-12）。