Часто метки похожи на этикетки, которые могут быть помещены, например, на джинсы на полках в магазине. Большая часть этикетки занята антенной, которая на ней напечатана. Крошечная точка в середине — интегральная схема RFID. Другой вариант — метка RFID может быть внедрена в объект, например в водительские права. В обоих случаях метки не содержат никакой батареи и должны получать энергию для работы из радиопередачи ближайшего RFID-считывателя. Этот вид меток называют метки «Class 1», чтобы отличить их от меток с большими возможностями, у которых есть батареи.

Рис. 4.34. Архитектура RFID

Считыватель — это информационный центр системы, аналогичной базовым станциям и точкам доступа в сотовых сетях и WiFi. Считыватели намного более энергоемкие, чем метки. Они имеют собственные источники энергии, часто имеют разнообразные антенны и отвечают за то, когда метки посылают и получают сообщения. Так как в диапазоне чтения обычно бывает несколько разных меток, считыватели должны решить задачу множественного доступа. Возможно и присутствие нескольких считывателей в одном пространстве, которые могут конфликтовать друг с другом.

Основное дело считывателя — инвентаризировать ближайшие метки, то есть обнаруживать их идентификаторы. Инвентаризация производится протоколом физического уровня и протоколом идентификации метки, которые в общих чертах описаны в следующих разделах.

4.7.2. Физический уровень EPC Gen 2

Физический уровень определяет, как биты пересылаются между метками и RFID-считывателем. В основном используются методы отправки беспроводных сигналов, которые мы видели ранее. В США обмен происходит в нелицензированном диапазоне ISM полосы 902-928 МГц. Эта полоса относится к диапазону UHF (УВЧ), поэтому соответствующие метки называют UHF-метками RFID. Считыватель выполняет скачки частоты по крайней мере каждые 400 мс, чтобы распространить сигнал по каналу, ограничить помехи и выполнить нормативные требования. Чтобы закодировать биты, считыватель и метки используют формы амплитудной модуляции ASK, которую мы описали в разделе 2.5.2. Они посылают биты по очереди, таким образом, канал — полудуплексный.

Имеется два основных отличия от других физических уровней, которые мы изучили. Прежде всего, сигнал всегда передает считыватель, независимо от того, осуществляет ли коммуникацию он или метка. Естественно, считыватель передает сигнал, чтобы послать биты в метки. А для того чтобы метки послали биты считывателю, он передает сигнал фиксированной несущей, который не переносит битов. Метки собирают этот сигнал для получения энергии, которая необходима для их работы; таким образом, метка не могла бы передавать первой. Чтобы послать данные, метка меняет свое поведение — отражает ли она сигнал от считывателя, как радарный сигнал, возвращающийся от цели, или поглощает его.

Этот метод называют обратным рассеянием (backscatter). Он отличается от всех других беспроводных ситуаций, которые мы видели до сих пор, когда отправитель и получатель никогда не передают оба в одно и то же время. Обратное рассеяние — низкоэнергетический способ создания меткой собственного слабого сигнала, который обнаруживается считывателем. Для того чтобы считыватель расшифровал поступающий сигнал, он должен отфильтровать исходящий сигнал, который он передает. Поскольку сигнал метки слаб, метки могут посылать биты только с низкой скоростью и не могут получать или даже обнаруживать передачи от других меток.

Второе отличие в том, что применяются очень простые формы модуляции, так чтобы они могли быть осуществлены меткой, которая работает на очень небольшой мощность и очень дешево стоит. Чтобы послать данные в метки, считыватель использует два уровня амплитуды. Биты 0 или 1 определяются в зависимости от того, сколько времени считыватель ждет перед периодом низкой мощности. Метка измеряет время между периодами низкой мощности и сравнивает это время с измеренной во время преамбулы. Как показано на рис. 4.35, 1 более длинный, чем 0.

Ответы метки состоят из изменения состояния его обратного рассеяния через фиксированные интервалы, что создает серию импульсов в сигнале. Чтобы закодировать каждый 0 или 1, может использоваться от одного до восьми периодов импульса, в зависимости от потребности в надежности. 1 имеют меньше переходов, чем 0, как показано на рис. 4.35 в примере кодирования с периодом в два импульса.

Рис. 4.35. Сигналы считывателя и сигналы обратного рассеяния от метки

4.7.3. Уровень идентификации метки EPC Gen 2

Чтобы инвентаризировать ближайшие метки, считыватель должен получить от каждой из них сообщение, содержащее идентификатор метки. Эта ситуация — задача множественного доступа, для которой в общем случае количество меток неизвестно. Считыватель мог бы передать широковещательный запрос, чтобы попросить все метки прислать свои идентификаторы. Однако немедленный ответ меток привел бы к коллизии, почти такой же, как у станций в классическом Ethernet.

В этой главе мы видели уже много способов, относящихся к задаче множественного доступа. Самый близкий к данной ситуации, когда метки не могут слышать друг друга, протокол дискретная ALOHA, один из самых первых изученных нами. Этот протокол адаптирован к использованию в Gen 2 RFID.

Последовательность сообщений, используемых, чтобы идентифицировать тег, показана на рис. 4.36. В первый слот (слот 0) считыватель посылает сообщение Query, чтобы запустить процесс. Каждое сообщение QRepeat подается в следующий слот. Считыватель сообщает меткам диапазон слотов, по которым можно рандомизировать передачи. Использовать диапазон необходимо, потому что считыватель синхронизирует метки, когда запускает процесс; в отличие от станций на Ethernet, метки не просыпаются с сообщением в выбранное время.

Рис. 4.36. Пример обмена сообщениями для идентификации метки

Метки выбирают случайный слот, в котором можно отвечать. На рис. 4.36 метка отвечает в слоте 2. Однако отвечая, метки не сразу посылают свои идентификаторы. Вместо этого они посылают короткое 16-битовое случайное число в сообщении RN16. Если нет коллизий, считыватель получает это сообщение и посылает собственное сообщение ACK. На этом этапе метка получает слот и посылает свой идентификатор EPC.

Обмен производится таким способом потому, что идентификаторы EPC — длинные, поэтому коллизии содержащих их сообщений были бы дороги. Вместо этого используется короткий обмен, чтобы проверить, может ли метка безопасно использовать слот, чтобы послать свой идентификатор. Как только ее идентификатор успешно передан, метка временно прекращает отвечать на новые сообщения Query, чтобы могли быть идентифицированы другие метки.

Ключевая проблема для считывателя — определить такое количество слотов, чтобы избежать коллизий, но не использовать слишком много слотов, отчего пострадает производительность. Это согласование похоже на двойную экспоненциальную выдержку в Ethernet. Если считыватель видит слишком много слотов без ответов или слишком много слотов с коллизиями, он может послать сообщение QAdjust, чтобы уменьшить или увеличить диапазон слотов, по которым отвечают метки.

Считыватель RFID может выполнять на метках и другие операции. Например, он может выбрать подмножество меток прежде, чем выполнить инвентаризацию, например собрать ответы у меток на джинсах, но не у меток на рубашках. Считыватель может также записать данные на идентифицированные метки. Эта функция может быть использована, чтобы сделать запись торговой точки или другой релевантной информации.

4.7.4. Форматы сообщения идентификации метки

Формат сообщения запроса показан на рис. 4.40 как пример сообщения от считывателя к метке. Сообщение компактно, потому что скорости передачи информации ограничены, от 27 до 128 Кбит/с. Поле команды содержит код 1000, что идентифицирует сообщение как Query.