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近几年来,随着大规模集成电路、无线通信、计算机网络、信息安全等技术的发展,RFID(射频识别,Radio Frequency Identification)技术进入实用化应用阶段。由于其具有非接触识别、多目标识别和高速移动物体识别等特点,RFID技术已经显示出巨大的发展潜力与应用空间,被认为是21世纪最有发展前途的信息技术之一,已得到全球业界的高度重视。当前面对实际应用中存在的问题和新需求的不断涌现,RFID技术仍处在高速发展中,本文在分析国内外相关研究的基础上,结合我们的研究兴趣和实际情况,有重点地选取RFID中几类关键技术和实际应用系统进行研究,包括RFID概括性的技术介绍和国内外技术进展情况、标签的防碰撞、读写器侧自动增益控制、系统安全性和实际应用等关键问题。
论文的主要贡献包括以下几个方面:
(1)针对实际应用对解决标签碰撞问题的需求,在现有时隙ALOHA算法的基本思想和理论结果的基础上,提出了引入码分思想的CS-ALOHA算法。该算法主要思想是:每个标签中存有两组数据:其自身的ID号和在生产时随机写入的某一正交码,标签实际发送的信号为经该正交码扩频的信号,读写器通过解扩得到标签真正的lD号并利用扩频码的正交性来杜绝一部分的标签碰撞以提高系统的吞吐量。理论和仿真试验均表明,该算法的最大的吞吐量可以达到原时隙ALOHA算法的N倍(N为扩频码的阶数);同时该算法的系统稳定范围要大于时隙ALOHA系统。具体实现时对现有系统的硬件改动很小,实现过程将会非常简单,有利于实际应用。该算法已申请国家发明专利并已得到批准与公告。
(2)同样针对标签碰撞问题,提出了选用Gold序列进行码分的防碰撞算法的工作机制及实现方法。该工作机制包括读写器侧和标签侧工作机制的状态机,并对读写器侧的实现方法作了详细的说明,通过在不同码长和标签数目的条件下对碰撞次数和识别耗时的仿真。仿真试验表明:在同时待识别的标签数目较少的情况下,采用小的码长可以节约耗时,而在标签数目较多的情况下,采用较大的码长可以减少碰撞次数而节约耗时。在标签数目为1500~1900左右的情况下,采用1024bit的Gold序列比较合适。机制中还允许读写器对于标签的码长进行设置,能够比较灵活地适应当前存在的标签数目。该机制与实现方法已申请国家发明专利并已得到批准与公告。
(3)针对射频识别系统读写器中接收机的自动增益控制问题,提出了一种适用于实际应用的工程算法FAGC,该算法克服了常用的LMS算法的缺陷,其中的收敛因子的选择并不依赖与对接收信号性质(例如其自相关的特性)的事先掌握,其收敛速度为指数级,而且可以及时地在迭代中进行幅值调整,经过有限的几次迭代即可使接收信号收敛到设定值。优点在于其可以达到很大的动态增益范围,使得该算法对接收信号幅值的较大变化具有一定的鲁棒性,其数字化的设计使得在数字电路中易于实现。
(4)针对射频识别系统中的“绑定检验”(Binding Proof)问题,在前人研究工作的基础上提出了解决此类问题的基于单向散列函数的双向绑定检验协议。在此协议中引入了公钥的思想,以保证在认证标签的绑定关系的同时也能对读写器进行认证。该协议无需事先已知待检验的两个标签的密钥,减少了标签密钥的预先获取的过程,能有效地抵抗各种形式的攻击,重点分析和说明了包括窃听攻击、重放攻击、中间人攻击和伪装攻击等安全攻击的情况。
(5)研制开发了一个基于RFID技术的应用系统,并已投入实际应用。该系统用于企事业单位出入管理,整个研制过程经历了需求分析、技术考察、模型建立、系统设计与实现(包括设备选型、控制器硬件设计和软件实现、应用软件设计)、系统总体与现场调试等过程,最后实现了系统设计目标。我们以RFID技术为核心,自行开发和研制了控制器并编制了集成其它相关设备的控制软件,上层应用软件的编制也充分考虑到一些较为特殊的实际需求和呈现良好的用户界面。该产品已通过由江苏省科技厅和教育厅联合组织的科技成果鉴定,并已向国家知识版权局申请了实用新型专利且已得到批复授权。