射頻識别技術漫談(5)——防沖突

 正常情況下讀寫器某一時刻隻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，讀寫器怎麼辦呢？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，而且一個卡座隻能插一張卡片，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号。比如mifare1卡，每張卡片有一個全球唯一的32位二進制序列号。顯而易見，卡号的每一位上不是“1”就是“0”，而且由于是全世界唯一，是以任何兩張卡片的序列号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，讀寫器向射頻場發出卡呼叫指令，問射頻場中有沒有卡片。這些卡片同時回答“有卡片”；

    然後讀寫器發送防沖突指令“把你們的卡号告訴我”，收到指令後所有卡片同時回送自己的卡号。

    可能這些卡片卡号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号的時候，由于有卡片說“0”，有卡片說“1”，讀寫器聽出來發生了沖突。

    讀寫器檢測到沖突後，對射頻場中的卡片說，讓卡号前四位是“1010”，第五位是“1”的卡片繼續說自己的卡号，其他的卡片不要發言了。

    結果第五位是“1”的卡片繼續發言，可能第五位是“1”的卡片不止一張，于是在這些卡片回送卡号的過程中又發生了沖突，讀寫器仍然用上面的辦法讓沖突位是“1”的卡片繼續發言，其他卡片禁止發言，最終經過多次的防沖突循環，當隻剩下一張卡片的時候，就沒有沖突了，最後勝出的卡片把自己完整的卡号回送給讀寫器，讀寫器發出卡選擇指令，這張卡片就被選中了，而其他卡片隻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。

    上述過程有點拟人化了，實際情況下讀寫器是怎麼知道發生沖突了呢？在前面的資料編碼中我們已經提到，卡片向讀寫器發送指令使用副載波調制的曼側斯特(manchester)碼，副載波調制碼元的右半部分表示資料“0”，副載波調制碼元的左半部分表示資料“1”，當發生沖突時，由于同時有卡片回送“0”和“1”，導緻整個碼元都有副載波調制，讀寫器收到這樣的碼元，就知道發生沖突了。

    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，最多經過32個防沖突循環就能選出一張卡片。缺點是由于卡序列号全世界唯一，而卡号的長度是固定的，是以某一類型的卡片的生産數量也是一定的，比如常見的mifare1卡，由于隻有4個位元組的卡序列号，是以其生産數量最多為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。這裡的時隙(timeslot)其實就是個序号。這個序号的取值範圍由讀寫器指定，可能的範圍有1-1、1-2、1-4、1-8、1-16。當兩張以上卡片同時進入射頻場，讀寫器向射頻場發出卡呼叫指令，指令中指定了時隙的範圍，讓卡片在這個指定的範圍内随機選擇一個數作為自己的臨時識别号。然後讀寫器從1開始叫号，如果叫到某個号恰好隻有一張卡片選擇了這個号，則這張卡片被選中勝出。如果叫到的号沒有卡片應答或者有多于一張卡片應答，則繼續向下叫号。如果取值範圍内的所有号都叫了一遍還沒有選出一張卡片，則重新讓卡片随機選擇臨時識别号，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号，是以卡片的生産數量沒有限制，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7位元組的全球唯一序列号，另一方面讀寫器在防沖突的過程中也使用時隙叫号的方式，不過這裡的号不是卡片随機選擇的，而是卡片唯一序列号的一部分。

    叫号的數值範圍分為0-1和0-15兩種。其大體過程是，當有多張卡片進入射頻場，讀寫器發出清點請求指令，假如指定卡片的叫号範圍是0-15，則卡片序列号最低4位為0000的卡片回送自己的7位元組序列号。如果沒有沖突，卡片的序列号就被登記在pcd中。然後讀寫器發送一個幀結束标志，表示讓卡片序列号最低4位為0001的卡片作出應答；之後讀寫器每發送一個幀結束标志，表示序列号的最低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号時沒有發生沖突，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生了沖突，比如最低4位是1010的卡片回送卡号時發生了沖突，則讀寫器在下一次防沖突循環中指定隻有最低4位是1010的卡片參與防沖突，然後用卡片的5-8位作為時隙，重複前面的巡檢。如果被叫卡片的5-8位時隙也相同，之後再用卡片的9-12位作為時隙，重複前面的巡檢，依次類推。讀寫器可以從低位起指定任意位數的序列号，讓卡号低位和指定的低位序列号相同的卡片參與防沖突循環，卡片用指定号前面的一位或4位作為時隙對讀寫器的叫号作出應答。由于卡片的序列号全球唯一，是以任何兩張卡片總有某個連續的4位二進制數不一樣，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送自己的識别号，當有多張卡片同時進入射頻場時就會發生不讀卡的現象。這時隻有靠卡片的持有者自己去避免沖突了。