射頻識別技術(shù)漫談(5)——防沖突

正常情況下讀寫器某一時刻只能對磁場中的一張射頻卡進行讀寫操作。但是當多張卡片同時進入讀寫器的射頻場時，讀寫器怎么辦呢？讀寫器需要選出唯一的一張卡片進行讀寫操作，這就是防沖突。
防沖突機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，因為接觸式智能卡的讀寫器有一個專門的卡座，而且一個卡座只能插一張卡片，不存在讀寫器同時面對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制主要有以下幾種：

1. 面向比特的防沖突機制 。
ISO14443A中使用這種防沖突機制，其原理是基于卡片有一個全球唯一的序列號。比如Mifare1卡，每張卡片有一個全球唯一的32位二進制序列號。顯而易見，卡號的每一位上不是“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總有一位的值是不一樣的，也就說總存在某一位，一張卡片上是“0”，而另一張卡片上是“1”。
當兩張以上卡片同時進入射頻場，讀寫器向射頻場發(fā)出卡呼叫命令，問射頻場中有沒有卡片。這些卡片同時回答“有卡片”；
然后讀寫器發(fā)送防沖突命令“把你們的卡號告訴我”，收到命令后所有卡片同時回送自己的卡號。
可能這些卡片卡號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自己的第五位卡號的時候，由于有卡片說“0”，有卡片說“1”，讀寫器聽出來發(fā)生了沖突。
讀寫器檢測到?jīng)_突后，對射頻場中的卡片說，讓卡號前四位是“1010”，第五位是“1”的卡片繼續(xù)說自己的卡號，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)，當只剩下一張卡片的時候，就沒有沖突了，最后勝出的卡片把自己完整的卡號回送給讀寫器，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才能再次參與防沖突過程。
上述防沖突過程中，當沖突發(fā)生時，讀寫器總是選擇沖突位為“1”的卡片勝出，當然也可以指定沖突位為“0”的卡片勝出。
上述過程有點擬人化了，實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”，當發(fā)生沖突時，由于同時有卡片回送“0”和“1”，導致整個碼元都有副載波調(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防沖突，最多經(jīng)過32個防沖突循環(huán)就能選出一張卡片。缺點是由于卡序列號全世界唯一，而卡號的長度是固定的，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個字節(jié)的卡序列號，所以其生產(chǎn)數(shù)量最多為2的32次方，即4294967296張。

2. 面向時隙的防沖突機制
ISO14443B中使用這種防沖突機制。這里的時隙(timeslot)其實就是個序號。這個序號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。當兩張以上卡片同時進入射頻場，讀寫器向射頻場發(fā)出卡呼叫命令，命令中指定了時隙的范圍，讓卡片在這個指定的范圍內(nèi)隨機選擇一個數(shù)作為自己的臨時識別號。然后讀寫器從1開始叫號，如果叫到某個號恰好只有一張卡片選擇了這個號，則這張卡片被選中勝出。如果叫到的號沒有卡片應答或者有多于一張卡片應答，則繼續(xù)向下叫號。如果取值范圍內(nèi)的所有號都叫了一遍還沒有選出一張卡片，則重新讓卡片隨機選擇臨時識別號，直到叫出一張卡片為止。
這種辦法不要求卡片有一個全球唯一序列號，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，就是永遠也選不出一張卡片來。
Felica采用的也是這種機制。

3. 位和時隙相結(jié)合的防沖突機制
ISO15693中使用這種機制。一方面每張卡片有一個8字節(jié)的全球唯一序列號，另一方面讀寫器在防沖突的過程中也使用時隙叫號的方式，不過這里的號不是卡片隨機選擇的，而是卡片唯一序列號的一部分。
叫號的數(shù)值范圍分為0-1和0-15兩種。其大體過程是，當有多張卡片進入射頻場，讀寫器發(fā)出清點請求命令，假如指定卡片的叫號范圍是0-15(4bits可以表示 : 0000)，則卡片序列號最低4位為0000的卡片回送自己的7字節(jié)序列號。如果沒有沖突，卡片的序列號就被登記在PCD中。然后讀寫器發(fā)送一個幀結(jié)束標志，表示讓卡片序列號最低4位為0001的卡片作出應答；之后讀寫器每發(fā)送一個幀結(jié)束標志，表示序列號的最低4位加1，直到最低4位為1111的卡片被要求應答。如果此過程中某一個卡片回送序列號時沒有發(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，表示射頻場中沒有卡片；如果有卡片反應的時隙發(fā)生了沖突，比如最低4位是1010的卡片回送卡號時發(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位作為時隙，重復前面的巡檢。如果被叫卡片的5-8位時隙也相同，之后再用卡片的9-12位作為時隙，重復前面的巡檢，依次類推。讀寫器可以從低位起指定任意位數(shù)的序列號，讓卡號低位和指定的低位序列號相同的卡片參與防沖突循環(huán)，卡片用指定號前面的一位或4位作為時隙對讀寫器的叫號作出應答。由于卡片的序列號全球唯一，所以任何兩張卡片總有某個連續(xù)的4位二進制數(shù)不一樣，因而總能選出一張卡片。需要指出的是，當選定的時隙數(shù)為1時，這種防沖突機制等同于面向比特的防沖突機制。
另外需要說明的是，TTF（Tag Talk First）的卡片一般是無法防沖突的。這種卡片一進入射頻場就主動發(fā)送自己的識別號，當有多張卡片同時進入射頻場時就會發(fā)生不讀卡的現(xiàn)象。這時只有靠卡片的持有者自己去避免沖突了。

審核編輯 黃宇