WLANRFID組合系統(tǒng)應用的研究

1、WLAN+RFI組合系統(tǒng)的應用研究作者：陳斗雪 黎毅明 陳一天 李 節(jié) 來源：RFID世界網(wǎng) 2007-6-4 19:20:29關鍵詞：摘 要:WLAN5 篇RFID 540篇提出了一種由WLAN和RFID組成的稱為 WLAN+ID的組合系統(tǒng)。闡述了該系統(tǒng) 的工作原理，以及在室外貨場中的應用。該系統(tǒng)利用了 WLAN勺無線傳輸和RFID 的非接觸式自動識別的特點，能為用戶提供快捷、靈活和移動式的識別服務。分析了該系統(tǒng)的工作頻率分配、所采用的調(diào)制技術、移動終端的漫游以及系統(tǒng) 的信息安全保障。指出了該系統(tǒng)的信息安全重點是WLAN如果WLA已經(jīng)采用了足夠的安全措施，那么 RFID就可以不再設加密功能了

2、。無線局域網(wǎng)（WLAN）能夠降低網(wǎng)絡基礎設施的成本，使用戶能夠享受移動網(wǎng)絡 的應用，獲得高效率、高質(zhì)量和低成本的服務?？梢苿有允褂脩粼谑褂谜粕嫌嬎?機或數(shù)據(jù)采集器等設備的同時能自由地變換位置，極大地方便了在工作時需要 不斷移動位置的人員。這些設備能實時訪問存儲在中心數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)“。無線射頻識別（RFID）是一種非接觸式的自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號 和空間耦合傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。它具有數(shù)據(jù)儲存量大、可讀寫、穿透力強、識別距離遠、識別速度快、使用壽命長和環(huán)境適應性好等特 點。此外，它還是惟一可以實現(xiàn)多標簽同時識讀的自動識別技術。本文研究由WLAN和RFID組成，稱為

3、 WLAN+RFID 的組合系統(tǒng)（以下簡稱組合系統(tǒng)）。 它建立在無線局域網(wǎng)和無線射頻識別技術的基礎之上，利用WLAN的無線傳輸和RFID的非 接觸式自動識別的特點，為用戶提供更快捷更靈活的識別服務。1組合系統(tǒng)的應用RFID設備由電子標簽（簡稱標簽，Tag）和閱讀器（讀頭，Reader）組成。在實 際應用中，標簽附在被識別物品上的表面或內(nèi)部，當被識別物品通過可識讀范圍時，閱讀器自動以無接觸的方式將標簽中的約定識別信息取出來， 從而實現(xiàn)自動 識別物品或自動收集物品標志信息的功能。手持機（HandheldReader） 是閱讀器當中的一種，職員用它能很快地從貨物堆中識別出要尋找的貨物。以Lucent

4、Technologies公司的 WaveLAN 系列產(chǎn)品為例，WLAN設備包括有：無線接入網(wǎng)橋（接入點Access Point ，AP），產(chǎn)品有Orinoco AP . 1000和 Orinoco Wave POINT-II、無線網(wǎng)卡OrinocoPCCard 、天線、網(wǎng)橋設置軟件OrinocoWaveManagerAP v6. 00、無線網(wǎng)卡驅(qū)動程序 OrinocoClientv6. 0和漫游協(xié)議Wave AROUND。在港口碼頭、 車站或物流中心的室外露天大型貨場, 由于場地大且物資的種類繁 多,傳統(tǒng)的人工操作耗費大量的人力和時間, 而且容易出現(xiàn)差錯。 建立組合系統(tǒng) 識別貨物,并對中心數(shù)據(jù)

5、庫進行無線訪問, 使貨物的收貨、 發(fā)貨和盤點的整個處 理過程非常方便快捷,而且差錯率大大減少。職 員在對貨物進行驗收、存放、登記、挑選、尋找和運輸時，他們和鏟車的位 置需要移動。在貨場建筑物的樓頂或有關地方安裝多個 AP,使WLAN的無線信 號覆蓋 整個貨場。 手持機可以在覆蓋區(qū)內(nèi)漫游， 并通過 WLAN 連接到貨場的存 貨系統(tǒng), 由此解決了操作人員的流動性問題。 在收貨時, 職員攜帶手持機靠近貨 物。在識讀 范圍內(nèi),標簽的數(shù)據(jù)可以在手持機的液晶顯示屏上顯示出來,并通 過 WLAN 進入中心數(shù)據(jù)庫。 職員也可以在手持機的小型鍵盤輸入其它相關數(shù)據(jù), 這些數(shù)據(jù)也通過 WLAN 進入中心數(shù)據(jù)庫。接下

6、來,系統(tǒng)將該貨物的存放地點和 有關數(shù)據(jù)反饋回手持機, 并在顯示屏上顯示。 職員和鏟車司機按照指令將貨物送 到存放地點。在出貨 時,職員根據(jù)庫存管理系統(tǒng)提供的出貨清單,到達貨物的 存放地點附近。 只要貨物的標簽進入手持機的識讀范圍內(nèi), 手持機就會從貨物堆 中識別出要尋找的貨物,并 在顯示屏上顯示出該批貨物的數(shù)據(jù)。盤點貨物與收貨和發(fā)貨的方法相同。庫 存管理系統(tǒng)一直跟蹤收貨、 發(fā)貨和盤點整個過程的進行, 從而能實時和方便地生 成準確的 存貨報告。在貨場的出口處安裝讀頭,用來識別運出的貨物。當貨車 將要通過出口處時, 讀頭對所有貨物的標簽進行識別。 如果全部是出貨清單上的 貨物,讀頭會發(fā) 出語音提示,

7、并通過控制系統(tǒng)自動打開通道的閘門,放行貨物。 與此同時,庫存管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫自動更新數(shù)據(jù)。反之,如果有不準放行的貨物, 包括隱藏 在準予運出的貨物包裝箱內(nèi),讀頭會自動識別出來,關閉通道的閘門,并發(fā)出提 示。因此,應用組合系統(tǒng)對貨物也能起到防盜監(jiān)控的作用。2 RFID 及其數(shù)據(jù)通信 21 RFID 的閱讀器和電子標簽 閱讀器由控制系統(tǒng)、通信接口、 微帶天線和電源等模塊構成。 手持機是一種適合 于用戶手持使用的閱讀器,其工作原理和其它的閱讀器、讀頭完全一樣。 它除了 一般閱讀器所具有的 4 個模塊以外,還帶有液晶顯示屏和鍵盤。手 持機的供電電壓采用可充電池供電， 6 V 或 9 V 直流；操作系統(tǒng)可

8、以采用 WinCE 或其它操作系統(tǒng)；數(shù)據(jù)存儲 32MB 閃存，32 MB 內(nèi)存：天線為內(nèi)置天 線或探針探測器；通信接口可選 RS232 等接口以及 802 11 接口。手持機還 可以加入條形碼掃描模塊，使其同時具有 RFID 識別 和條形碼掃描功能。電子標簽由數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、通信接口、微帶天線和電源等模塊構成。標簽 寫入 ID 代碼和物體的有關信息。標簽根據(jù)不 同的供電形式分為無源標簽和有 源標簽。無源標簽的電能供應從閱讀器發(fā)出的射頻信號中取得, 因此閱讀器要有 較高的發(fā)射功率,識別距離較近。目前的低電壓和低 功耗供電技術可以解決無 源標簽要求閱讀器發(fā)射功率高的缺點。 有源標簽依靠自身的微

9、型電池供電, 因此 對閱讀器的發(fā)射功率要求較低,系統(tǒng)的識別距離較遠。無源 標簽與有源標簽相比較，具有成本低、不用維護、可靠性高和壽命長的優(yōu)點。在組合系統(tǒng)中，可以 應用無源標簽和有源標簽。2 2 RFID 的數(shù)據(jù)通信RFID 的數(shù)據(jù)通信通過閱讀器與標簽之間的射頻傳輸來進行。 閱讀器與標簽之間 的信息傳輸應符合選定的通信協(xié)議。標簽先發(fā)言 （TTF）和閱讀器先發(fā)言（RTF）是 RFID 的兩種抗沖突協(xié)議方式。 TTF 是指標簽不需要閱讀器的指令，就可以主動 發(fā)送自身的 ID 代碼。 RTF 是指標簽接收到閱讀器的指令才能發(fā)送。 兩者相比 較， TTF 具有識別速度快和穩(wěn)定的特點，能適應高速傳輸和標簽

10、數(shù)量動態(tài)變化的情 況。對于無源標簽，它需要將閱讀器的射頻信號的能量轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨硭枰碾?能，因此一般采用RTF。有源標簽不需要閱讀器提供能量，因此可以采用RTF或 TTF。RFID 的一個很大的特點是多標簽同時識讀，即一 個閱讀器能對接多個標簽。 閱讀器以無線電廣播方式同時向各個標簽發(fā)射信號，各個標簽同時接收這些信 號；各個標簽以多路存取的方式向閱讀器傳送信號。當采用 TTF 時，所有標簽 隨機地反復發(fā)送自身的 ID 代碼，在不同的時候不同的標簽被閱讀器讀取。當采 用 RTF 時，閱讀器首先對識讀范圍內(nèi)的一批標簽發(fā)出隔離指 令，只保留一個標 簽處于激活狀態(tài)， 并與其建立起無沖突的通信聯(lián)系； 通

11、信結束后指令該標簽進入 休眠狀態(tài)。然后依照上述完成對一個個標簽的識讀。3 組合系統(tǒng)的工作頻率選擇928 Mnz 、FCC 的無線電頻譜條例第 15 部分（ 修訂），允許不用經(jīng)過批準，無線網(wǎng)絡產(chǎn)品 就可以在 ISM 頻帶中運行。 ISM 包括了 3 個頻段： 902 242 483 5 GHz 、5 7255 85 GHz 。目前， 902Mnz 頻段的 WLAN 在美國部署運行， 它并非在全球適用。 24 GHz 是全球適用的惟一非特許頻段。 現(xiàn)在全球占主導地位的 WLAN產(chǎn)品工作在2 . 4 GHz頻段m。標簽與閱讀器之間進行無線通信的頻段是：低頻 135KHz 以下，高頻 13 56 MH

12、z ，超高頻 869 MHz 、902928 MHz 和微波 24 GHz 、58 GHz 。低 頻和高頻的通信距離近，數(shù)據(jù)傳輸速率慢。高頻、超高頻和微波的通信距離遠， 數(shù)據(jù)傳輸速率快。目前， RFID 存在兩個技術標準：歐美的 EPC 標準和日本的 UID 標準。兩者使 用的無線頻段不一樣， EPC 標準采用超高頻 902 928 MHz ， UID 標準采用 245 GHz 和 l356 MHz 。在組合系統(tǒng)中， WLAN 與 RFID 必須共存，兩者的射頻信號互相不干擾。頻率 分割是最好最簡單的選擇。 因此，在組合系統(tǒng)中的 WLAN 選用 24 GHz 頻段， RFID 選用 902 M

13、Hz 頻段。它們都是可以自由使用的開放頻段，但是發(fā)射功率 受到規(guī)定的限制。4 組合系統(tǒng)采用的調(diào)制技術截 至目前，DSSS與FHSS以現(xiàn)有的產(chǎn)品參數(shù)比較，DSSS在需要最佳可靠性 的應用中具有較佳的優(yōu)勢，而FHSS在需要低成本的應用中占優(yōu)勢。DSSS由于 采用全頻帶傳送資料，速度較快，而且具有抗干擾抗噪聲能力、抗衰落能力、隱 蔽性和保密性強、不干擾同頻的系統(tǒng)等性能優(yōu)點。因為 DSSS 有以上的優(yōu)點，組合系統(tǒng)中的 WLAN 采用 DSSS。 DSSS 的高數(shù) 據(jù)傳輸速率能滿足大型貨場對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求； 良好的抗干擾性能適應了在 貨場中比較復雜的傳播環(huán)境，例如由于物體移動產(chǎn)生的信號衰落所造成的多

14、徑干 擾；DSSS的傳輸距離比較遠，在相同面積的貨場中設置 AP的數(shù)量可以少。組合系統(tǒng)中的 WLAN 采用 IEEE802 1lb 標準。 802 1lb 是 802 11 的一 個擴充，規(guī)定采用 24GHz 頻段。它在 802 11 協(xié)議的物理層 中增加了兩個 新的速率： 55 Mbps 和11 Mbps 。為了實現(xiàn)這個目標， DSSS 被選作該技術 的惟一物理層傳輸技術，這是由于 FHSS 在不違反 FCC 原則的基礎上無法再提 高速度了。DSSS的調(diào)制 方式在1 Mb ps時為DBPSK，在2 Mbps時為 DQPSK，在5 . 5 Mbps和11 Mbps 時采用了 CCK，都使用QP

15、SK作為調(diào)制 技術。RFID的射頻傳輸可以采用電感耦合方式，又稱為負載調(diào)制，常用在近距 離的低頻和高頻識別系統(tǒng) a 射頻傳輸也可以采用電磁反向散射耦合方式，又稱 為反向散射調(diào)制，常用在較遠距離的超高頻 （如902 MHz） 和微波（如24 GHz） 識別系統(tǒng)。在組合系統(tǒng)中， RFID 采用反向散射調(diào)制，工作頻率為 902MHz 頻 段。因此標反向散射調(diào)制的工作原理是:在無源標簽將數(shù)據(jù)發(fā)回給讀頭時，標簽根據(jù)要發(fā)回 的數(shù)據(jù)信號控制天線開關，使標簽的天線處于阻抗失配或阻抗匹配狀態(tài)， 簽反射回讀寫器的能量相應也有大和小的兩種情況， 分別代表了二進制信號中的“ 0 和'“I。5 WLAN 的漫游

16、“組合系統(tǒng)采用多小區(qū)無線局域網(wǎng)（指ESS :擴展服務組）。多小區(qū)無線局域網(wǎng)的 一個功能是漫游，漫游功能使得無線用戶可以從一個小區(qū) （Cel1） 到另一個小區(qū) 進行移動。因為 802 :11 沒有提供漫游的規(guī)范，所以就由 WLAN 供應商來定 義漫游協(xié)議通常，各公司提供專用漫游協(xié)議，這類協(xié)議工作在具備 802 ，11 接 口的分布系統(tǒng)之上。每一個工作站會定期評估可接收 AP 的信號強度，工作站將 和信號最強的 AP 重新建立連接。 LucentTechnologies 公司的 WaveAROUND 就是一個典型的專用漫游協(xié)議，它屬于該公司的 WaveLAN 系 列產(chǎn)品之一。下面以 WaveARO

17、UND 為例介紹這個典型的專用漫游協(xié) 議的工 作過程。一個 Wave LAN 體系中的所有小區(qū)在一個無線網(wǎng)絡紐中被相互連接起 來，稱為一個域。在域內(nèi)，移動工作站可以自動地在不同的小區(qū)之間交換，以保 持不問斷的連接。移動工 作站將監(jiān)視其與當前所在小區(qū)的 AP的通信質(zhì)量，如 果通信質(zhì)量下降到低于一個預先設定的值， 它就會開始尋找另一個小區(qū)。一旦找 到，該工作站將檢索并采用新小 區(qū)的 w eLAN 網(wǎng)絡 ID ，保證網(wǎng)絡的連通性。在 WaveAROUND 工作模式下，多個小區(qū)不需要重疊。在小區(qū)重疊的位置，WaveLAN在終止與前一個AP的連接之前，已經(jīng)連接到了新的 AP,從而提供 了穩(wěn)定的網(wǎng)絡連接。

18、AP 以固定的間隔廣播信標信息，從而支持漫游移動工作站。信標信息中包含域ID 、AP 的 Wave LA 網(wǎng)絡 ID 、通信質(zhì)量信息和小區(qū)搜索閾 (Cell SearchThre §hPld §)的值。填 指明了屬于同一個 Wave LAN 漫游網(wǎng)絳的 AP 和耩動工作站。 一個正在監(jiān)聽信標的移動工作站只會解釋具有相同域 ID 的信標 信息。 Wave LAN 網(wǎng)絡 ID 指明了 Wave LAN 網(wǎng)絡的某一個特定小區(qū)，是為每 一個AP分配的網(wǎng)絡ID。它告知移動工作站在該地用哪一個 Wave LAN網(wǎng)絡ID 與網(wǎng)絡進行通信。可以利用信標密鑰 (Beac onKey ) 對網(wǎng)

19、絡 ID 信息進行編碼。通信質(zhì)量信息幫助 移動工作站決定與某個小區(qū)的 AP 的實際連接質(zhì)量。 小區(qū)搜索閾與通信質(zhì)量水平 有關，當通信質(zhì)量下降，例如當移動工 作站移往另一個地點時，就會激活小區(qū) 搜索閱。在小區(qū)搜索模式下，移動工作站會監(jiān)聽信標開始搜索其它AP。依據(jù)環(huán)境選擇不同的敏感度水平，可以改變閾值。6 組合系統(tǒng)的信息安全在選擇 RFID 時，應該根據(jù)實際情況考慮是否選擇具有密碼功能的系統(tǒng)。 在對安 全功能沒有要求的應用中，如果引用密碼過程，會使費用增高。與此相反，在要 求高安全性的應用中， 如果省略密碼過程， 可能會由于使用假冒的應答器來獲取 未許可的服務，從而形成非常嚴重的疏漏 。WLAN

20、使用無線電波傳輸介質(zhì)，所以它的信息安全問題比較復雜，組合系統(tǒng)的 信息安全重點是 WLAN 。由于 WLAN 已經(jīng)采用了許多安全措施， RFID 就可以 不再設加密功能了。802 .11采用的DSSS或FHSS不能視為安全措施的主 要部分，因為這兩種技術原本都只是通信技術， 不能提供足夠的抗惡意攻擊的能 力。 802 ， 11 的安全機制通過加密和認證來實現(xiàn)，雖然這些機制并不十分完善 和有效，但是，它們畢竟在發(fā)展補充，并且為網(wǎng)絡提供安全措施。這些安全機制 包 括：WEP加密協(xié)議i用戶認證方法，SSID的使用；MAC地址過濾4- . si。 如果組合系統(tǒng)僅是一個范圍有限的內(nèi)部網(wǎng)絡，這些安全措施就足

21、夠了。如果 組 合系統(tǒng)是一個外聯(lián)的網(wǎng)絡，這些措施顯然不足夠文獻【 46 】介紹了這些安全機制及其存在的安全漏洞和缺陷：802 ,11默認的是開放系統(tǒng)認證，這等于 沒有認證，共享密鑰認證存在蕾重大漏洞，認證形同虛設；SSID幾乎不能保證安金MAC地址過濾只能提供最簡單的訪問控制；P算法存在巨大的安全漏洞 .因此，必須采用新的安全措施，或者在原有安全機制的基礎之上進行改諶翮奉 充，才能確保 WLAN 的信息安全。目前，這方面盼研究在國內(nèi)外已有不少報導， 文獻【 46 】也做了介紹。下面介紹的是本課題組提出的一種新的安全防范補充措施：MAC、靜態(tài)IP與用是；戶口令的捆綁認證 ”簡(稱“捆綁認證 )。官基于上述原有的安全機制，能提高網(wǎng) 絡的安全性能其方法 (1) 按照 802 11 建立基本的 MAC 地址過濾表。首先把網(wǎng)絡中所有網(wǎng)絡適配 器的 MAC 硬件地址，即固化地址 (burnedin) 收集起來，建立一張 MAC 地 址 明細表 注明每個 MAC 地址所在的 AP 位置。然后通過設備廠商所提供的管理軟 件，在每一個 AP 的安全設囂項中 建立合法用戶的可信 MAC 地址表。 該表組成 了802 ，11 所要求的 MA C 地址過濾器，可以實現(xiàn) MAC 地址過濾.(2) 設立無線靜態(tài) IP 地址。 WLAN 利用了與以太網(wǎng)或令牌環(huán)訪問方法相同