射頻識(shí)別技術(shù)漫談(5)——防沖突

正常情況下讀寫器某一時(shí)刻只能對(duì)磁場(chǎng)中的一張射頻卡進(jìn)行讀寫操作。但是當(dāng)多張卡片同時(shí)進(jìn)入讀寫器的射頻場(chǎng)時(shí)，讀寫器怎么辦呢？讀寫器需要選出唯一的一張卡片進(jìn)行讀寫操作，這就是防沖突。
防沖突機(jī)制是非接觸式智能卡特有的問題。在接觸式智能卡的操作中是不存在沖突的，因?yàn)榻佑|式智能卡的讀寫器有一個(gè)專門的卡座，而且一個(gè)卡座只能插一張卡片，不存在讀寫器同時(shí)面對(duì)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(jī)制主要有以下幾種：

1. 面向比特的防沖突機(jī)制 。
ISO14443A中使用這種防沖突機(jī)制，其原理是基于卡片有一個(gè)全球唯一的序列號(hào)。比如Mifare1卡，每張卡片有一個(gè)全球唯一的32位二進(jìn)制序列號(hào)。顯而易見，卡號(hào)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(hào)總有一位的值是不一樣的，也就說(shuō)總存在某一位，一張卡片上是“0”，而另一張卡片上是“1”。
當(dāng)兩張以上卡片同時(shí)進(jìn)入射頻場(chǎng)，讀寫器向射頻場(chǎng)發(fā)出卡呼叫命令，問射頻場(chǎng)中有沒有卡片。這些卡片同時(shí)回答“有卡片”；
然后讀寫器發(fā)送防沖突命令“把你們的卡號(hào)告訴我”，收到命令后所有卡片同時(shí)回送自己的卡號(hào)。
可能這些卡片卡號(hào)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(shuō)自己的第五位卡號(hào)的時(shí)候，由于有卡片說(shuō)“0”，有卡片說(shuō)“1”，讀寫器聽出來(lái)發(fā)生了沖突。
讀寫器檢測(cè)到?jīng)_突后，對(duì)射頻場(chǎng)中的卡片說(shuō)，讓卡號(hào)前四位是“1010”，第五位是“1”的卡片繼續(xù)說(shuō)自己的卡號(hào)，其他的卡片不要發(fā)言了。
結(jié)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(hào)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(dāng)只剩下一張卡片的時(shí)候，就沒有沖突了，最后勝出的卡片把自己完整的卡號(hào)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(shí)才能再次參與防沖突過程。
上述防沖突過程中，當(dāng)沖突發(fā)生時(shí)，讀寫器總是選擇沖突位為“1”的卡片勝出，當(dāng)然也可以指定沖突位為“0”的卡片勝出。
上述過程有點(diǎn)擬人化了，實(shí)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(cè)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(dāng)發(fā)生沖突時(shí)，由于同時(shí)有卡片回送“0”和“1”，導(dǎo)致整個(gè)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(lái)防沖突，最多經(jīng)過32個(gè)防沖突循環(huán)就能選出一張卡片。缺點(diǎn)是由于卡序列號(hào)全世界唯一，而卡號(hào)的長(zhǎng)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(gè)字節(jié)的卡序列號(hào)，所以其生產(chǎn)數(shù)量最多為2的32次方，即4294967296張。

2. 面向時(shí)隙的防沖突機(jī)制
ISO14443B中使用這種防沖突機(jī)制。這里的時(shí)隙(timeslot)其實(shí)就是個(gè)序號(hào)。這個(gè)序號(hào)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(dāng)兩張以上卡片同時(shí)進(jìn)入射頻場(chǎng)，讀寫器向射頻場(chǎng)發(fā)出卡呼叫命令，命令中指定了時(shí)隙的范圍，讓卡片在這個(gè)指定的范圍內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)數(shù)作為自己的臨時(shí)識(shí)別號(hào)。然后讀寫器從1開始叫號(hào)，如果叫到某個(gè)號(hào)恰好只有一張卡片選擇了這個(gè)號(hào)，則這張卡片被選中勝出。如果叫到的號(hào)沒有卡片應(yīng)答或者有多于一張卡片應(yīng)答，則繼續(xù)向下叫號(hào)。如果取值范圍內(nèi)的所有號(hào)都叫了一遍還沒有選出一張卡片，則重新讓卡片隨機(jī)選擇臨時(shí)識(shí)別號(hào)，直到叫出一張卡片為止。
這種辦法不要求卡片有一個(gè)全球唯一序列號(hào)，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(yuǎn)也選不出一張卡片來(lái)。
Felica采用的也是這種機(jī)制。

3. 位和時(shí)隙相結(jié)合的防沖突機(jī)制
ISO15693中使用這種機(jī)制。一方面每張卡片有一個(gè)8字節(jié)的全球唯一序列號(hào)，另一方面讀寫器在防沖突的過程中也使用時(shí)隙叫號(hào)的方式，不過這里的號(hào)不是卡片隨機(jī)選擇的，而是卡片唯一序列號(hào)的一部分。
叫號(hào)的數(shù)值范圍分為0-1和0-15兩種。其大體過程是，當(dāng)有多張卡片進(jìn)入射頻場(chǎng)，讀寫器發(fā)出清點(diǎn)請(qǐng)求命令，假如指定卡片的叫號(hào)范圍是0-15(4bits可以表示 : 0000)，則卡片序列號(hào)最低4位為0000的卡片回送自己的7字節(jié)序列號(hào)。如果沒有沖突，卡片的序列號(hào)就被登記在PCD中。然后讀寫器發(fā)送一個(gè)幀結(jié)束標(biāo)志，表示讓卡片序列號(hào)最低4位為0001的卡片作出應(yīng)答；之后讀寫器每發(fā)送一個(gè)幀結(jié)束標(biāo)志，表示序列號(hào)的最低4位加1，直到最低4位為1111的卡片被要求應(yīng)答。如果此過程中某一個(gè)卡片回送序列號(hào)時(shí)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(yīng)，表示射頻場(chǎng)中沒有卡片；如果有卡片反應(yīng)的時(shí)隙發(fā)生了沖突，比如最低4位是1010的卡片回送卡號(hào)時(shí)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(shí)隙，重復(fù)前面的巡檢。如果被叫卡片的5-8位時(shí)隙也相同，之后再用卡片的9-12位作為時(shí)隙，重復(fù)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(hào)，讓卡號(hào)低位和指定的低位序列號(hào)相同的卡片參與防沖突循環(huán)，卡片用指定號(hào)前面的一位或4位作為時(shí)隙對(duì)讀寫器的叫號(hào)作出應(yīng)答。由于卡片的序列號(hào)全球唯一，所以任何兩張卡片總有某個(gè)連續(xù)的4位二進(jìn)制數(shù)不一樣，因而總能選出一張卡片。需要指出的是，當(dāng)選定的時(shí)隙數(shù)為1時(shí)，這種防沖突機(jī)制等同于面向比特的防沖突機(jī)制。
另外需要說(shuō)明的是，TTF（Tag Talk First）的卡片一般是無(wú)法防沖突的。這種卡片一進(jìn)入射頻場(chǎng)就主動(dòng)發(fā)送自己的識(shí)別號(hào)，當(dāng)有多張卡片同時(shí)進(jìn)入射頻場(chǎng)時(shí)就會(huì)發(fā)生不讀卡的現(xiàn)象。這時(shí)只有靠卡片的持有者自己去避免沖突了。

審核編輯 黃宇