Análisis mediante simulación de mecanismos anticolisión en redes RFID

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(1)Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Análisis mediante simulación de mecanismos anticolisión en redes RFID.. Autor: Yusniel Ruiz Reyez Tutor: Ing. Erik Ortiz Guerra Consultante: Dra. Marlen Pérez.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Análisis mediante simulación de mecanismos anticolisión en redes RFID. Autor: Yusniel Ruiz Reyes [email protected]. Tutor: Ing. Erik Ortiz Guerra [email protected]. Santa Clara 2010 "Año 52 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central ―Marta Abreu‖ de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. “Daría todo lo que sé por la mitad de lo que no sé” René Descartes.

(5) ii. DEDICATORIA. A mi abuela y a mi mamá por el apoyo de toda una vida..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mi abuela y mi mamá por el apoyo brindado en toda mi vida. A mi abuelo Félix, que aunque ya no esté entre nosotros, sigue siendo mi ejemplo a seguir. A mis tres hermanas, en especial a la más pequeñita. A mi papá y a mi tío Nelson con los que pude contar en cada momento. A mis grandes amigos Arian, Lisbey, Gustavo, Jorge, Yanet, Melba, Rafa, Yaily, Yohanna e Indira que siempre estuvieron ahí para lo que hiciera falta. A Erik, mi tutor, que nunca me falló y me orientó muy profesionalmente. A todos mis compañeros de aula. A todos los que de una manera u otra creyeron en mí, y me ayudaron a ser lo que soy..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. Con la intención de darle cumplimiento a los objetivos trazados para la realización de esta tesis, se tuvo en cuenta una serie de tareas técnicas de suma importancia para la confección del informe, ellas fueron: Caracterización de los Sistemas RFID Análisis de los mecanismos anticolisión usados en RFID. Resumir los aspectos esenciales correspondientes al estándar EPC Global Clase 1 Generación 2 Implementar dicho protocolo en el lenguaje de programación Matlab, incluyendo sus tres variantes. Estudio de posibles alternativas para la obtención de futuros resultados que puedan ser de interés. Realización del informe final.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. En el presente trabajo se realiza una caracterización de los sistemas de Identificación por Radiofrecuencia. Se realiza. una descripción de los sistemas RFID, detallando sus. principales componentes y las características de cada uno de ellos desde distintos puntos de vista. Se describen los métodos anticolisión usados hasta llegar el estándar EPCglobal Generación 2, el cual es descrito en sus tres variantes, con trama estática, con trama adaptativa ciclo a ciclo y con trama adaptativa slot a slot. Por último se hace un análisis de los resultados obtenidos en las simulaciones para cada una de las variantes anteriormente mencionadas, donde se demuestra la superioridad de la variante con trama adaptativa ciclo a ciclo en cuanto a número de slots necesarios para la identificación de una cantidad N de tags..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO ................................................................................................................ i DEDICATORIA ................................................................................................................ ii AGRADECIMIENTOS ....................................................................................................iii TAREA TÉCNICA ........................................................................................................... iv RESUMEN ....................................................................................................................... v INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. LA. TECNOLOGÍA. DE. IDENTIFICACIÓN. POR. RADIOFRECUENCIA ...................................................................................................... 4 1.1. Origen y evolución. .............................................................................................. 4. 1.2. Elementos de un sistema RFID. ............................................................................ 6. 1.2.1. Tag RFID. ..................................................................................................... 6. 1.2.2. Lector de RFID o Reader. ............................................................................. 8. 1.2.3. Middleware. ................................................................................................ 10. 1.3. Funcionamiento básico de un sistema RFID pasivo. ........................................... 11. 1.4. Rangos de frecuencia.......................................................................................... 13. 1.5. RFID vs otras tecnologías. .................................................................................. 15. 1.6. Aplicaciones de los sistemas RFID. .................................................................... 19. 1.7. Multiacceso: anticolisión. ................................................................................... 20. CAPÍTULO 2.. PROTOCOLOS DE IDENTIFICACIÓN EN SISTEMAS RFID .......... 23.

(10) vii 2.1. Estándares actuales. ............................................................................................ 23. 2.1.1. Estándar ISO. .............................................................................................. 24. 2.1.2. EPC ............................................................................................................ 24. 2.2. Protocolos de identificación / anticolisión en sistemas RFID. ............................. 27. 2.3. Protocolos anticolisión en la capa MAC de RFID. .............................................. 28. 2.3.1. Protocolos deterministas. ............................................................................. 29. 2.3.2. Protocolos Aloha. ........................................................................................ 30. 2.4. EPCGlobal Class-1 Gen-2. ................................................................................. 31. 2.4.1. Formato de paquetes EPC............................................................................ 32. 2.4.2. Protocolo de comunicación Reader-Tags. .................................................... 32. 2.4.3. Monitorización del entorno.......................................................................... 33. 2.4.4. Protocolo de identificación para tags pasivos. .............................................. 33. 2.4.5. Protocolo anticolisión con trama adaptativa. ................................................ 37. 2.4.6. Trama adaptativa ciclo a ciclo. .................................................................... 38. 2.4.7. Trama adaptativa slot a slot. ........................................................................ 39. 2.4.8. Volcado de datos. ........................................................................................ 39. 2.4.9. Otras funciones. .......................................................................................... 40. 2.5. Efecto Captura ................................................................................................... 40. CAPÍTULO 3.. RESULTADOS Y DISCUSIÓN DE LAS SIMULACIONES .............. 42. 3.1. Software utilizado. ............................................................................................. 43. 3.2. Parámetros de diseño del sistema. ....................................................................... 44. 3.3. Throughput ........................................................................................................ 46. 3.4. Teoría vs Simulación. ......................................................................................... 48. 3.5. Simulaciones para trama estática. ....................................................................... 49.

(11) viii 3.6. Simulaciones con trama adaptativa ciclo a ciclo. ................................................ 51. 3.7. Simulaciones con trama adaptativa slot a slot. .................................................... 53. 3.8. Conclusiones. ..................................................................................................... 55. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................ 56 Conclusiones ................................................................................................................ 56 Recomendaciones ......................................................................................................... 57 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 59 ANEXOS ......................................................................................................................... 61 Anexo I. Lista de estándares relacionados con RFID ................................................ 61. Glosario ............................................................................. ¡Error! Marcador no definido..

(12) INTRODUCCIÓN. INTRODUCCIÓN. Con el aumento y distribución a nivel mundial de las redes de telecomunicaciones, cada día toman más importancia las distintas aplicaciones que brindan prestaciones específicas de valor agregado. En los últimos años han sido desarrollados los sistemas de identificación por radiofrecuencia (RFID) y el interés por los mismos ha ido en incremento debido a la gran cantidad de aplicaciones que los mismos pueden sustentar. La tecnología de identificación por radiofrecuencia es una tecnología basada en la detección e identificación de ítems. No es una tecnología nueva, de hecho, su origen se remonta a la Segunda Guerra Mundial. Sin embargo, en aquellos tiempos, la inmadurez de la tecnología y el alto costo de los dispositivos que hacía posible la identificación de los ítems hicieron que RFID dejara de ser una tecnología atractiva para su difusión, estandarización y utilización por parte de empresas y particulares. Actualmente, los precios de los dispositivos RFID se han reducido hasta tal punto que RFID se enfoca hacia una futura identificación unitaria, siendo por tanto el futuro sustituto de la actual tecnología de código de barras. Para asegurar la adopción global y multisectorial de RFID, en el año 2003 se creó la institución EPCglobal. Esta institución tiene como fin administrar todos los estándares industriales para EPC (Electronic Product Code) y realizar la comercialización y difusión de ellos. De los estándares manejados por EPCglobal, EPCglobal Class-1 Gen-2 es el estándar mayoritario, ampliamente adoptado por fabricantes y distribuidores. Este estándar está diseñado para cubrir las necesidades de los sistemas RFID bajo las frecuencias UHF (860 MHz-930MHz). Incluye las especificaciones hardware de las etiquetas y los lectores y las especificaciones software, donde se incluye el protocolo anti-colisión, implementado en el lector y en las etiquetas.. 1.

(13) INTRODUCCIÓN La capa de control de acceso al medio (MAC) controla el acceso del nodo al medio de comunicación por medio de técnicas como acuerdos y división del tiempo. Básicamente, la capa MAC debe manejar los canales de comunicación disponibles para el nodo, para evitar colisiones y errores en la comunicación. La mayoría de las soluciones intentan proporcionar una fiable y eficiente solución. En los sistemas RFID pasivos, la comunicación entre el lector y los tags se realiza mediante acceso a un canal de comunicación compartido. Por ello, cuando hay más de un tag en la zona de cobertura es necesario un mecanismo de acceso al medio (MAC) para. minimizar. el impacto de las colisiones que. se producen por. las. transmisiones simultáneas. La simplicidad del hardware en los tags pasivos obliga a trasladar la complejidad del protocolo o mecanismo de anticolisión al lector. Los mecanismos anticolisión para sistemas RFID pasivos, incluyendo los estándares actuales, son variaciones de Aloha o Aloha Ranurado por trama (FSA, Frame Slotted Aloha), una variación de Aloha Ranurado donde los slots están confinados en tramas consecutivas llamadas ciclos. El objetivo general de nuestro trabajo sido estudiar mediante simulación el protocolo EPC Gen 2 con el fin de mostrar la respuesta de dicho protocolo ante las posibles alternativas que el fabricante puede tomar a la hora de implementarlo. Para ello nos hemos trazado como objetivos específicos los siguientes: Caracterizar los sistemas de identificación por radio frecuencia teniendo en cuenta: la frecuencia de operación, la potencia utilizada, el tipo de dispositivo móvil y la capacidad de lectura/escritura de las etiquetas empleadas. Identificar, a partir de los diferentes estándares de la tecnología de identificación por radiofrecuencia, las fortalezas y debilidades de los mecanismos anticolisión empleados en estos sistemas. Determinar, mediante simulaciones del estándar EPC Gen 2, el comportamiento de las 3 alternativas, trama estática, trama adaptativa ciclo a ciclo y trama adaptativa slot a slot, y a partir de los resultados escoger el más apropiado para determinado entorno.. 2.

(14) INTRODUCCIÓN Con este proyecto se pretende contribuir al desarrollo de los mecanismos anticolisión en sistemas RFID y servirá como material de apoyo y consulta a nuevas investigaciones en el tema, permitiendo la comparación entre varias soluciones. El informe se encuentra estructurado en tres capítulos, en el primero se aborda la estructura de un sistema RFID y sus características. A partir del segundo capítulo se estudia con detenimiento el estándar EPCGlobal Class-1 Gen-2, asimilando conceptos relacionados, tanto con los requisitos hardware de cada uno de los componentes del sistema RFID, como la implementación del software. Se analizará el protocolo de comunicación entre el reader y los tags y las distintas implementaciones del protocolo anticolisión que se pueden adoptar en un lector: trama estática, y trama adaptativa en sus dos versiones (ciclo a ciclo y slot a slot). El tercer capítulo nos muestra los resultados de la validación y simulación realizados para cada uno de los escenarios configurados, estableciendo diversos parámetros relacionados con el entorno simulado, el protocolo anticolisión establecido, o la población de tags a identificar. Para finalizar, se reflexionan las conclusiones obtenidas y las posibles líneas de trabajo futuras.. 3.

(15) Capítulo 1 LA TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA. CAPÍTULO 1. LA TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA. La tecnología de Identificación por Radiofrecuencia (Radio Frecuency Identification, RFID) tiene como meta la identificación de dispositivos remotos mediante protocolos de radiocomunicación. Un sistema RFID se compone de una o varias antenas receptoras (readers) situadas en zonas estratégicas que cubren un área de cobertura y cientos o miles de dispositivos transponders RFID (denominados tags), compuestos por una antena y diversa circuitería electrónica, que interactúan con el o los readers para identificarse y volcar los datos que llevan almacenados (p.ej. códigos estándar de productos, histórico de temperaturas de los productos, etc.) en los sistemas gestores conocidos como middleware (Alonso, Delgado et al. 2006). 1.1. Origen y evolución.. El origen de la tecnología RFID se remonta a la II Guerra Mundial, época en la que el uso del radar permitía la detección de aviones a kilómetros de distancia, pero no su identificación. Los sistemas de radar y de comunicaciones por radiofrecuencia avanzaron en las décadas de los 50 y 60 en las que los científicos de los países más avanzados trabajaban para explicar cómo identificar objetos remotamente. Las primeras patentes para dispositivos RFID fueron solicitadas en EEUU, concretamente en Enero de 1973 cuando Mario W. Cardullo se presentó con un tag RFID activo que contenía una memoria reescribible. El mismo año, Charles Walton recibió la patente para un sistema RFID pasivo que abría las puertas sin necesidad de llaves, una tarjeta con un tag comunicaba una señal al. 4.

(16) Capítulo 1 LA TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA. lector de la puerta, que cuando validaba la tarjeta, desbloqueaba la cerradura(Belmonte, 2008). En los años 80 aparecieron nuevas aplicaciones. Fue la década de la completa implementación de la tecnología RFID. Los principales intereses en Estados Unidos estuvieron orientados al transporte, al acceso de personal y, más débilmente, a la identificación de animales. En Europa sí cobró un especial interés el seguimiento de ganado con receptores de identificación por radiofrecuencia como alternativa al marcado tradicional de los animales. Más tarde también aparecieron los primeros peajes electrónicos. La primera aplicación para aduanas se realizó en 1987, en Noruega, y en 1989 en Dallas. Todos los sistemas eran propietarios, y no existía la interoperabilidad (Portillo, Bermejo et al. 2008). Ya en la década de los 90 se tomó conciencia de las enormes posibilidades que podía brindar la explotación de RFID y comenzaron a aparecer los primeros estándares. En Estados Unidos se siguió profundizando en la mejora de los peajes automáticos y la gestión de autopistas. Mientras tanto en Europa se implementaron aplicaciones RFID para controles de acceso, peajes y otras aplicaciones comerciales. En 1999, un consorcio de empresas fundó el Auto-ID Center en el MIT. Hace unos años desarrollaron lo que hoy conocemos como la Red EPC™ y sus componentes. El AutoID Center, ahora conocido como AUTOID Labs, está formado por 6 laboratorios localizados en universidades de prestigio como el MIT (Massachussets Institute of Technology) de EEUU, Universidad de Cambridge en el Reino Unido, Universidad de Adelaide en Australia, Keio University en Japón, Universidad Fudan en China y Universidad de St. Gallen en Suiza (Belmonte 2008). A lo largo de su evolución, han sido numerosas las mejoras en la capacidad de emisión y recepción, así como en la distancia, lo cual ha llevado a extender su uso al ámbito tanto doméstico como de seguridad nacional. Empleando esta tecnología se puede identificar personas, animales y todo tipo de productos de consumo (similar al tradicional código de barras) y rastrear a una determinada distancia para proporcionar cierta información. Varios estudios han revelado la tendencia al fuerte crecimiento de esta tecnología gracias a las. 5.

(17) Capítulo 1 LA TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA. ventajas que presenta frente a factores desincentivadores, como el coste, el desconocimiento de la tecnología y la necesidad de seguridad en los niveles de acceso que aseguren los derechos de privacidad de los consumidores (Belmonte 2008). 1.2. Elementos de un sistema RFID.. Un sistema RFID está compuesto por cientos o miles de tags, los cuales se identifican enviando su información a uno o varios dispositivos lectores, llamados readers. Los readers están conectados a su vez, con un subsistema de tratamiento de datos (LAN, WAN, etc.…) de forma inalámbrica o mediante cableado (Belmonte 2008). Cada uno de éstos dispositivos se explican con más detalle a continuación: 1.2.1 Tag RFID. Este dispositivo contiene una antena cuyo propósito es permitir al chip la transmisión de información de identificación del tag que contiene en su memoria interna (capacidad que depende del modelo y varía de una decena a millares de bytes). Podemos clasificar estos dispositivos atendiendo a dos criterios diferentes, por un lado, según el tipo de memoria y por otro, dependiendo de la fuente de alimentación. Según el tipo de memoria, los tags se pueden clasificar en (Wille 2005; Belmonte 2008): o. Tags solo lectura: El código de identificación que contiene es único y no puede reescribirse. Normalmente se establece durante la fabricación del tag. o Tags de múltiple lectura y una única escritura: La información de identificación puede ser modificada por el lector una sola vez. Estos tags vienen sin información a la salida de fábrica y es el usuario del sistema RFID quien escribe la información de interés en el tag mediante un lector. o Tags de múltiple lectura, múltiple escritura: La memoria de los tags puede ser leída y escrita múltiples veces.. 6.

(18) Capítulo 1 LA TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA. Figura 1.1 Tag RFID.. Por otro lado, según la fuente de alimentación utilizada, los tags se pueden clasificar principalmente en (Wille 2005; Belmonte 2008): o Pasivos: Este tipo de tags no tienen fuente de alimentación integrada, utilizan la energía emitida por el lector para autoalimentarse y transmitir su información almacenada al reader. La comunicación la inicia siempre el lector, con lo que la presencia de este es imprescindible para que el tag transmita sus datos. Tienen como ventaja que son simples y baratos de fabricar, además, al no tener partes móviles, tienen una mayor vida. Soportan condiciones extremas como corrosivos o altas temperaturas. Sin embargo, el rango de alcance es inferior al del resto [10mm – 6m]. o Semipasivos: Incluyen una pequeña batería que permite que el circuito integrado esté constantemente alimentado. Emplean una batería para activar sus circuitos y, a partir de ese momento, emplean la energía procedente del lector para funcionar. Responden más rápido y el radio de lectura es más grande que el de los tags pasivos. Tienen una fiabilidad comparable a la de los tags activos a la vez que pueden mantener el rango operativo de un tag pasivo. Suelen durar más que los tags activos. o Activos: Contienen una fuente de alimentación incorporada (una batería o panel solar). El tag activo utiliza la energía de su batería para enviar la señal al reader, con lo que no necesita que éste envíe la onda continua para energizar la antena. El tag es. 7.

(19) Capítulo 1 LA TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA. siempre el primero en comunicarse, seguido de la respuesta/consulta del reader. Es importante destacar su capacidad para almacenar información y una duración de batería de hasta varios años. Además, cuenta con factores como exactitud, funcionamiento en ambiente cercano al agua o metal y un alto nivel de fiabilidad, con rangos de aproximadamente 10 m. 1.2.2 Lector de RFID o Reader. Un lector o interrogador es el dispositivo que proporciona energía a las etiquetas, lee los datos que le llegan de vuelta y los envía al sistema de información. Asimismo, también gestiona la secuencia de comunicaciones con el lector (Wille 2005; Portillo, Bermejo et al. 2008). Con el fin de cumplir tales funciones, está equipado con un módulo de radiofrecuencia (transmisor y receptor), una unidad de control y una antena. Además, el lector incorpora un interfaz a un PC, host o controlador, a través de un enlace local o remoto: RS232, RS485, Ethernet, WLAN (RF, WiFi, Bluetooth, etc.), que permite enviar los datos del reader al sistema de información (Wille 2005; Portillo, Bermejo et al. 2008).. Figura 1.2 Esquema de un Reader RFID.. 8.

(20) Capítulo 1 LA TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA. Los componentes del lector son, como podemos ver en la Figura 2.8, el módulo de radiofrecuencia (formado por receptor y transmisor), la unidad de control y la antena. A continuación se procede a describir un poco más cada uno de estos elementos (Wille 2005; Portillo, Bermejo et al. 2008). El módulo de radiofrecuencia, consta básicamente de un transmisor que genera la señal de radiofrecuencia y un receptor que recibe, también vía radiofrecuencia, los datos enviados por las etiquetas. Sus funciones por tanto son(Wille 2005; Portillo, Bermejo et al. 2008): o Generar la señal de radiofrecuencia para activar las etiquetas y proporcionarle energía. o Modular la transmisión de la señal para enviar los datos al transpondedor. o Recibir y demodular las señales enviadas por el transpondedor.  La unidad de control, constituida básicamente por un microprocesador. En ocasiones, para aliviar al microprocesador de determinados cálculos, la unidad de control incorpora un circuito integrado ASIC (Application Specific Integrated Circuit), adaptado a los requerimientos deseados para la aplicación.  La antena del lector es el elemento que habilita la comunicación entre el lector y el transpondedor. Las antenas están disponibles en una gran variedad de formas y tamaños. Su diseño puede llegar a ser crítico, dependiendo del tipo de aplicación para la que se desarrolle. Este diseño puede variar desde pequeños dispositivos de mano hasta grandes antenas independientes. Por ejemplo, las antenas pueden montarse en el marco de puertas de acceso para controlar el personal que pasa, o sobre una cabina de peaje para monitorizar el tráfico que circula. Los lectores pueden variar su complejidad considerablemente dependiendo del tipo de transpondedor que tengan que alimentar y de las funciones que deban desarrollar. Una posible clasificación los divide en fijos o móviles dependiendo de la aplicación que se considere(Wille 2005; Portillo, Bermejo et al. 2008).. 9.

(21) Capítulo 1 LA TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA. Los dispositivos fijos se posicionan en lugares estratégicos como puertas de acceso, lugares de paso o puntos críticos dentro de una cadena de ensamblaje, de modo que puedan monitorizar las etiquetas de la aplicación en cuestión.. Figura 1.3 Lector RFID fijo del fabricante SAMSys.. Los lectores móviles suelen ser dispositivos de mano. Incorporan una pantalla LCD, un teclado para introducir datos y una antena integrada dentro de una unidad portátil. Por esta razón, su radio de cobertura suele ser menor.. Figura 1.4 Lectores RFID móviles que trabaja a 900 MHz.. 1.2.3 Middleware. El middleware es el software que se ocupa de la conexión entre el hardware de RFID y los sistemas de información existentes (y posiblemente anteriores a la implantación de RFID) en la aplicación. Del mismo modo que un PC, los sistemas RFID hardware serían inútiles. 10.

(22) Capítulo 1 LA TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA. sin un software que les permita funcionar. Esto es precisamente el middleware. Se ocupa, entre otras cosas, del encaminamiento de los datos entre los lectores, las etiquetas y los sistemas de información, y es el responsable de la calidad y utilidad de las aplicaciones basadas en RFID (Wille 2005; Portillo, Bermejo et al. 2008). El middleware de RFID se ocupa por tanto de la transmisión de los datos entre los extremos de la transacción. Por ejemplo, en un sistema RFID basado en etiquetas, en el proceso de lectura se ocuparía de la transmisión de los datos almacenados en una de las etiquetas al sistema de información. Las cuatro funciones principales del middleware de RFID son (Wille 2005; Portillo, Bermejo et al. 2008): Adquisición de datos. El middleware es responsable de la extracción, agrupación y filtrado de los datos procedentes de múltiples lectores RFID en un sistema complejo. Sin la existencia del middleware, los sistemas de información de las empresas se colapsarían con rapidez. Por ejemplo, se ha estimado que cuando Walmart empezó a utilizar RFID, generaba datos a una velocidad del orden de 2 TBytes de datos por segundo. Encaminamiento de los datos. El middleware facilita la integración de las redes de elementos y sistemas RFID con la aplicación. Para ello dirige los datos al sistema apropiado dentro de la aplicación. Gestión de procesos. El middleware se puede utilizar para disparar eventos en función de las reglas de la organización empresarial donde opera, por ejemplo, envíos no autorizados, bajadas o pérdidas de stock, etc. Gestión de dispositivos. El middleware se ocupa también de monitorear y coordinar los lectores RFID, así como de verificar su estado y operatividad, y posibilita su gestión remota. 1.3. Funcionamiento básico de un sistema RFID pasivo.. Un sistema RFID pasivo se comporta de la siguiente forma: Se equipa a todos los objetos a identificar, controlar o seguir, con una etiqueta RFID.. 11.

(23) Capítulo 1 LA TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA. La antena del lector o interrogador emite un campo de radiofrecuencia que activa las etiquetas. Cuando una etiqueta ingresa en dicho campo utiliza la energía y la referencia temporal recibidas para realizar la transmisión de los datos almacenados en su memoria. En el caso de etiquetas activas la energía necesaria para la transmisión proviene de la batería de la propia etiqueta. El lector recibe los datos y los envía al ordenador de control para su procesamiento.. Figura 1.5 Esquema de funcionamiento de un sistema RFID pasivo.. Como se muestra en la Figura 2.2, existen dos interfaces de comunicación:  Interfaz Lector (reader) - Middleware. o La conexión se realiza a través de un enlace de comunicaciones estándar, que puede ser local o remoto y cableado o inalámbrico como el RS 232, RS 485, USB, Ethernet, WLAN, GPRS, UMTS, etc. (Wille 2005; Belmonte 2008; Portillo, Bermejo et al. 2008).  Interfaz Lector (reader) - Etiqueta (tag). o Se trata de un enlace de radio con sus propias características de frecuencia y protocolos de comunicación (Wille 2005; Belmonte 2008; Portillo, Bermejo et al. 2008). 12.

(24) Capítulo 1 LA TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA. 1.4. Rangos de frecuencia.. El hecho de que los sistemas de RFID generen y radien ondas electromagnéticas implica que éstos sean clasificados como sistemas de radio por tanto es particularmente importante asegurarse de que los sistemas RFID no interfieren con la televisión y la radio, los servicios de radio móviles (policía, seguridad, industria), las comunicaciones marinas y aeronáuticas y los teléfonos móviles. La necesidad de acomodar otros servicios de radio disminuye significativamente la variedad de frecuencias disponibles en las que podemos trabajar a la hora de implementar un sistema de RFID. Por este motivo, normalmente sólo es posible usar rangos de frecuencia que han sido reservados específicamente para aplicaciones industriales, científicas o médicas. Estas son las frecuencias clasificadas mundialmente como rangos ISM (Industrial-Scientific-Medical) y pueden también ser usadas para aplicaciones de identificación por radiofrecuencia (Herrera and Casanovas ; Wille 2005; Belmonte 2008; Dobkin 2008) o Sistemas de frecuencia baja (LF): Comprende las frecuencias emitidas en un rango de 125 KHz y 134 KHz, los tags LF se caracterizan por la baja velocidad y las cortas distancias de lectura y por la identificación unitaria (no existe multilectura). o Sistemas de alta frecuencia (HF): Comunicación a 13.56 MHz, empleando tags con lectura a velocidad media y distancia inferior a 2m. o Sistemas de Ultra alta frecuencia (UHF): Es la banda comprendida entre 860 y 960 MHz. Se utiliza en aplicaciones donde se deben leer masivamente varios tags a alta velocidad, además permiten lecturas a grandes distancias. Se utilizan tags de tamaño mediano y multilectura. o Sistemas de microondas (~2.45GHz): Ofrecen grandes alcances (por encima de los 30 metros). En la tabla 1.2 se muestran algunos rangos de frecuencia usados en sistemas de RFID y sus principales características:. 13.

(25) Capítulo 1 LA TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA. Tabla 1.1 Rangos de frecuencia para RFID Rango de frecuencia <135 KHz 6.765 … 6.795 MHz. Observaciones. 72 dBμA/m. Media Frecuencia (ISM), acoplamiento inductivo.. 42 dBμA/m. Media frecuencia, usado solo para EAS (Electronic article. MHz. surveillance).. 13.567 MHz. 14443, MIFARE, LEGIC, smart labels (ISO 15693, Tag-It, I-. 27.283 MHz. aplicaciones especiales. UHF (ISM), acoplamiento por backscatter, raramente usado para RFID.. 868 … 870. UHF (SRD), acoplamiento por backscatter, nueva frecuencia,. MHz. sistemas bajo desarrollo.. MHz. 42 dBμA/m. Code,...) y control de artículos ISO 18000-3.. Media Frecuencia (ISM), acoplamiento inductivo, sólo. 902 … 928. 9 dBμA/m. Media Frecuencia (13.56 MHz ISM) acoplamiento inductivo, ISO. 26.957 …. 433 MHz. / potencia de TX.. Baja potencia. Acoplamiento inductivo.. 7.400 … 8.800. 13.553 …. Intensidad de campo. UHF (SRD), acoplamiento por backscatter, varios sistemas.. 42 dBμA/m. 10 … 100 mW. 500 mW, sólo Europa.. 4 W – solo USA/Canadá.. 4 W – solo 2400 … 2483. SHF (ISM), acoplamiento por backscatter, varios sistemas,. GHz. (identificación de vehículos: 2.446… 2.454 GHz).. USA/Canadá. 500 mW sólo Europa.. 5725 … 5875. SHF (ISM), acoplamiento por backscatter, raramente usado para. 4 W USA/Canadá.. GHz. RFID.. 500 mW Europa.. 14.

(26) Capítulo 1 LA TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA. Como se observa en la figura 1.6 la banda ISM recoge un amplio grupo de frecuencias que se pueden usar en los sistemas RFID.. Figura 1.6 Espectro electromagnético.. Una mayor frecuencia suele significar una mayor velocidad en la transmisión de datos, aunque también encarece el precio del sistema. Elegir el rango de frecuencia es uno de los parámetros de diseño más importante a la hora de crear un sistema RFID, y se deberá adecuar a la aplicación diseñada. 1.5. RFID vs otras tecnologías.. La tecnología RFID es muy versátil y puede ser aplicada en diferentes sectores. El uso de soluciones basadas en RFID permite la captura de datos en tiempo real de manera ágil, lo que es sinónimo de enormes ventajas donde destacan (Wille 2005; Belmonte 2008; Portillo, Bermejo et al. 2008):. 15.

(27) Capítulo 1 LA TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA. o Procesos de captura de información automatizados, reduciendo los costes derivados de errores en la introducción manual de datos. o Información disponible en tiempo real, acelerando la toma de decisiones y facilitando la reacción ante los distintos escenarios de negocio. o Escalabilidad del sistema. Es posible estudiar RFID en comparación con otras tecnologías desde dos puntos de vista muy distintos. En primer lugar en la Tabla 1.2 se trata desde el punto de vista de las distintas alternativas de identificación de objetos: Códigos de barras, memorias de contacto y los dos tipos principales de sistemas de identificación por radiofrecuencia (activos y pasivos). Actualmente, los precios de los dispositivos RFID se han reducido hasta tal punto que RFID se enfoca hacia una futura identificación unitaria, siendo por tanto el futuro sustituto de la actual tecnología de código de barras. RFID destaca frente al código de barras por muchas e interesantes características(Wille 2005; Belmonte 2008; Portillo, Bermejo et al. 2008): o. A diferencia del código de barras, las etiquetas de tecnología RFID identifican los. objetos y no necesitan estar en visión directa con el lector que las identifica. Además, dependiendo de la frecuencia utilizada, las lecturas pueden producirse a distancias de hasta 100 metros. o El código de barras identifica un tipo de producto de un fabricante, mientras que los tags identifican cada producto de forma individual. o La tecnología RFID permite leer múltiples tags de forma simultánea mediante protocolos anti-colisión eficientes implementados en los lectores. Por el contrario, los códigos de barras se deben leer individualmente, de forma secuencial. Esta característica del sistema de identificación por radiofrecuencia ofrece numerosas ventajas, entre las que destaca el ahorro en tiempo de identificación.. 16.

(28) Capítulo 1 LA TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA. o Los tags pueden almacenar mucha más información sobre un producto que el código de barras, ya que poseen una memoria donde se pueden almacenar hasta decenas de KBytes. o El código de barras es un elemento de solo lectura mientras que los tags permiten múltiple lectura y escritura de datos en su memoria. o La tecnología RFID evita falsificaciones ya que la información se almacena encriptada en la memoria de los tags. Sin embargo, un código de barras es vulnerable a todo tipo de falsificaciones, ya que con una simple fotocopiadora es posible reproducir un código de barras. o Un código de barras se daña fácilmente, mientras que un tag es más resistente porque, normalmente, forma parte del producto o se coloca bajo una superficie protectora y soporta mejor la humedad y las altas y bajas temperaturas. Tabla 1.2 Comparativa de tecnologías de identificación de objeto. Código de. Memorias de. barras. contacto. No modificable. Seguridad de datos. Modificación de datos. RFID pasivo. RFID activo. Modificable. Modificable. Modificable. Seguridad. Altamente. Rango de baja a alta. mínima.. seguro.. seguridad.. caracteres. De 8Mbytes en. Alrededor de 64. Alrededor de 8. 2D: 7200. adelante.. KBytes. Mbytes. Bajo. Alto. Medio. Muy alto. Estable e. Propietario, sin. Estándares en fase de. Propietario y. implantado. estándar.. implementación.. estándares abiertos.. Bajo por. Largo. Indefinido. 3-5 años de vida de. Alta seguridad. Lineal: 8 – 30 Almacenamiento dígitos. Coste. Estándares. Tiempo de vida. 17.

(29) Capítulo 1 LA TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA. deterioro. batería. Distancia de. Pocos. Contacto. lectura. centímetros.. necesario.. Interfaz. Lectura óptica directa. Contacto. Del orden de 1 m.. Del orden de 100 m.. Sin barreras, aunque. Sin barreras, aunque. con interferencias.. con interferencias.. La Tabla 1.3 presenta otro enfoque. Se puede tratar RFID como una de las tecnologías de comunicación entre sistemas computacionales y las alternativas ya maduras con las que podría competir serían Bluetooth y WiFi. Sin embargo, en muchas aplicaciones, la convivencia entre RFID y otras tecnologías de comunicación inalámbrica es posible y deseable (Belmonte, 2008). Tabla 1.3 Comparativa entre tecnologías Tecnología. Bluetooth. WIFI. RFID. Transmisión. Voz y datos. Voz y datos.. Datos(Código EPC). Equipos con Equipos. Hasta 8 equipos.. configuración compatible.. Comunicación. Miles de etiquetas RFID con uno o varios lectores.. Síncronos, Bidireccional y. Varios estándares,. Síncrono y Bidireccional.. asíncronos.. IEEE 802.11.. Varios estándares.. Según el estándar.. -. WEP, WPA.. Código EPC.. Síncronos: 432 Kbps Velocidad. Bidireccional: 721 Kbps en un sentido y 57.6 Kbps en otro.. Encriptación. -. Utilización. Señales de radiofrecuencia.. Distancia. 10 a 100 m. Señales de radiofrecuencia.. 30 m. Señales de radiofrecuencia.. Pasivas: 10 mm a 6 m Activas: varios Km. 18.

(30) Capítulo 1 LA TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA. Red. 1.6. Inalámbrica.. Inalámbrica, conocida como 802.11.. Transmisión por campos electromagnéticos e identificación.. Aplicaciones de los sistemas RFID.. La principal característica de la tecnología RFID es la capacidad de identificar, localizar, seguir o monitorizar personas u objetos sin necesidad de que exista una línea de visión directa entre la etiqueta y el lector. Alrededor de esta funcionalidad han surgido una gran variedad de aplicaciones perfectamente adaptables a una gran diversidad de sectores industriales(Finkenzeller 2003; Wille 2005; Golding and Tennant 2007; Portillo, Bermejo et al. 2008). En el ámbito de las aplicaciones de negocios, comerciales y de servicios, el potencial de negocio de las aplicaciones RFID es muy grande, como muestran los siguientes ámbitos(Finkenzeller 2003; Portillo, Bermejo et al. 2008): Logística e industrias. Para realizar el seguimiento de productos, identificación de contenedores, control de productividad, inventariado eficiente, etc. Centros comerciales y pequeños comercios. Para la realización de inventario de forma eficiente, como mecanismo de seguridad anti hurto o para identificación de productos. Sanitario. Localización de pacientes, control de medicación, localización de equipos médicos. Localización. Búsqueda de equipamiento en recintos, localización de palés. Seguridad y control. Para el control de accesos por proximidad, control de accesos para vehículos, anti hurto de equipamiento, localización en interiores de equipos y personas. Ocio y cultura. Identificación de entradas, mecanismo de acceso a servicios pagados, etc.. 19.

(31) Capítulo 1 LA TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA. Las posibilidades son mucho mayores: palacios de ferias y congresos, museos, bibliotecas, autobuses, son algunos de las muchos ámbitos donde la tecnología RFiD puede también dar grandes resultados. 1.7. Multiacceso: anticolisión.. Muchas veces un sistema de RFID tiene numerosos tags dentro de su zona de interrogación. En este tipo de situación podemos diferenciar entre 2 principales tipos de comunicación. La primera es usada para transmitir datos desde el lector a la etiqueta (como se observa en la Figura 1.7). El flujo de datos enviado es transmitido por todos los tags simultáneamente. Este tipo de comunicación es la que conocemos como broadcast (Herrera and Casanovas).. Figura 1.7 Modo broadcast: el flujo de datos transmitido por el lector es recibido simultáneamente por todas las etiquetas que se encuentran en la zona de interrogación.. La segunda forma de comunicación supone la transmisión de datos desde muchas etiquetas, que se encuentran en la zona de interrogación, hacia el lector. Esta forma de comunicación es llamada multiacceso (Herrera and Casanovas).. 20.

(32) Capítulo 1 LA TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA. Figura 1.8 Multiacceso: múltiples tags se comunican a la vez con el lector.. El problema del multiacceso ha existido desde hace mucho tiempo en las radiocomunicaciones. Como ejemplo podemos fijarnos en los satélites o en las redes de telefonía móvil donde un gran número de participantes intenta acceder a un mismo satélite o estación base (Herrera and Casanovas ; Shu-qin, Wu-chen et al. 2010; Vales-Alonso, Bueno-Delgado et al. 2010). Por este motivo han sido desarrollados numerosos métodos con el objetivo de separar la señal de cada participante individual de la de otro cualquiera. Básicamente existen 4 métodos diferentes: acceso múltiple por división de espacio (space division multiple access, SDMA), acceso múltiple por división de frecuencia (frequency domain multiple access, FDMA), acceso múltiple por división de tiempo (time domain multiple access, TDMA), y acceso múltiple por división de código (code division multiple access, CDMA); esta última también conocida como técnica del espectro ensanchado (spread spectrum) (Herrera and Casanovas ; Shu-qin, Wu-chen et al. 2010; Vales-Alonso, Bueno-Delgado et al. 2010). De todos modos, estos métodos clásicos están basados en la suposición de un flujo de datos continuo e ininterrumpido desde y hacia los participantes. En el momento que se dedica una capacidad de canal, dicha capacidad permanece dedicada hasta que termina la comunicación (por ejemplo mientras dura una llamada telefónica).. Por otro lado las. etiquetas de un sistema RFID se caracterizan por períodos de actividad, intercalados con períodos de inactividad de distinta duración. La capacidad del canal tan sólo se dedica. 21.

(33) Capítulo 1 LA TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA. durante el tiempo justo y necesario para establecer un intercambio de datos (Herrera and Casanovas ; Shu-qin, Wu-chen et al. 2010; Vales-Alonso, Bueno-Delgado et al. 2010). En el contexto de los sistemas RFID, el proceso técnico (protocolo de acceso) que facilita el manejo de múltiples accesos, evitando así las interferencias, es llamado sistema anticolisión (Herrera and Casanovas ; Shu-qin, Wu-chen et al. 2010; Vales-Alonso, BuenoDelgado et al. 2010). En el siguiente capítulo se estudiarán más a fondo los estándares y métodos multiacceso que regulan las comunicaciones en RFID.. 22.

(34) Capítulo 2 PROTOCOLOS DE IDENTIFICACIÓN EN SISTEMAS RFID. CAPÍTULO 2. PROTOCOLOS DE IDENTIFICACIÓN EN SISTEMAS RFID. 2.1. Estándares actuales.. RFID es una tecnología heterogénea con un significativo número de estándares asociados. Los estándares más relevantes describen las capas física y de enlace de datos (interfaz aéreo, anticolisión, protocolos de comunicación y funciones de seguridad). Adicionalmente los estándares RFID describen métodos de prueba y estándares de aplicación de datos (formato de identificación única, protocolo de datos e interfaces de programación de aplicación). La estandarización de RFID se debe a dos organizaciones, por un lado, a la Organización Internacional para la Estandarización, ISO, y por otro, a la responsable del desarrollo del Electronic Product Code (EPC), la organización Auto-ID Center que desarrolló el estándar EPCGlobal. A continuación se muestra en la tabla 2.1 una relación entre las bandas de frecuencias y los distintos estándares, detallando la región de operación(Engels and Sarma 2002; Roberti 2005; Belmonte 2008): Tabla 2.1 Desarrollo de estándares Banda de frecuencias. Nombre del estándar. Detalles. >135 KHz. ISO 18000-2. -. 6.765 … 6.795 MHz. -. -. 7.4 … 8.8 MHz. -. -. 13.55 … 13.57 MHz. ISO 18000-3. Uso común. 26.96 … 27.78 MHz. -. Aplicaciones especiales. 23.

(35) Capítulo 2 PROTOCOLOS DE IDENTIFICACIÓN EN SISTEMAS RFID. 2.1.1. 433 MHz. ISO 18000-7. Tags activos en Asia. 868 … 870 MHz. ISO 18000-6 A/B. Europa. 902 … 928 MHz. AutoID clase 0/1. Norteamérica. 860 … 960 MHz. EPCGlobal Gen2. Mundial. 2400 … 2483 MHz. ISO 18000-4. -. 8725 … 5785 MHz. ISO 18000-5. Usado raramente en RFID. Estándar ISO.. ISO ha desarrollado estándares de RFID para la identificación automática y la gestión de objetos. La serie de estándares de ISO relacionada con las RFID y las frecuencias que se emplean en dichos sistemas es la serie 18000. En el Anexo I se incluye la lista completa de estándares ISO. 2.1.2. EPC. El EPC, siglas de Código Electrónico de Producto (Electronic Product Code), nace de las manos de EPCglobal, un consorcio formado por EAN International (European Article Numbering) el cual tiene 101 organizaciones miembro, representadas en 103 países y UCC (Uniform Code Council) propietario del UPC (Universal Product Code), presente en 140 países y ahora llamado GS1 US. La intención de EPCglobal al crear el EPC no fue otra que la de promover la EPCglobal Network, un concepto de tecnología que pretende cambiar la actual cadena de suministro por otra con un estándar abierto y global, que permita la identificación en tiempo real de cualquier producto, en cualquier empresa de cualquier parte del mundo(Engels and Sarma 2002; Roberti 2005; Wille 2005; EPCglobal 2008). La EPCglobal Network ha sido desarrollada por el Auto-Id Center, un equipo de investigación del MIT (Massachussets Institute of Technology) que cuenta con laboratorios por todo el mundo. Dicho desarrollo fue llevado a cabo en más de 1000 compañías alrededor del mundo. Así mismo, actualmente, todo estándar que desarrolla EPCglobal pasa por la supervisión de la ISO (International Standards Organization), con la única. 24.

(36) Capítulo 2 PROTOCOLOS DE IDENTIFICACIÓN EN SISTEMAS RFID. condición de que los estándares concretos que crea ISO sean ratificados y usados en los que cree EPCglobal (Herrera and Casanovas). Las especificaciones del EPC se pueden dividir en: Especificaciones para las etiquetas, referentes a los datos almacenados en ellas, a los protocolos de comunicación con el lector y la parte de RF que permite la comunicación. Especificaciones para los lectores: protocolo para el interfaz aire y comunicaciones lógicas con las etiquetas. El estándar EPC divide las etiquetas usadas en seis tipos diferentes, dependiendo de su funcionalidad: Tabla 2.2 Clasificación de tags según EPCGlobal Clase. Descripción. Clase 0. Pasivo solo lectura. Clase0+. Pasivo, escritura única usando el protocolo Class 0. Clase I. Pasivo, escritura única usando el protocolo Class 0. Clase II. Pasivo, lectura/escritura de hasta 65 KB. Clase III. Clase IV. Clase V. Reescribible. Semipasivo (funciona con batería, comunicación impulsada por el lector), sensores integrados. Reescribible, activo, ―bidireccionales‖, pueden comunicarse con otros tags, impulsando sus propias comunicaciones. Activo, puede comunicarse con tags de la Clase IV y otros dispositivos.. En el año 2008, EPCglobal publicó las especificaciones del EPC Generation 2, versión 1.2.0. Esta publicación está llamada a ser el estándar adaptado a nivel mundial en el uso de los sistemas de RFID ya que se ha realizado para cumplir con las necesidades de los consumidores. Para poder suplir las necesidades mencionadas EPCglobal, además de incluir especificaciones no observadas en otras regulaciones realizadas anteriormente, ha pretendido homogeneizar los principales estándares existentes(EPCglobal 2008).. 25.

(37) Capítulo 2 PROTOCOLOS DE IDENTIFICACIÓN EN SISTEMAS RFID. En la siguiente tabla se observan los estándares que se tienen como pre-requisito en EPC Gen2, los más importantes existentes en la actualidad. Un dato muy importante es que se incluye la norma EN 302 208 de la ETSI, lo cual representa un gran paso para una estandarización única entre Europa y USA, es decir: el EN 302 208 y el EPC Generation 2 se complementan el uno al otro. Tabla 2.3 Documentos de obligatorio cumplimiento para aplicar la especificación EPC Generation 2. EPCglobal™: EPC™. Estándar para datos de las etiquetas. EPCglobal™ (2004): FMCG. RFID Documento de requerimientos físicos. EPCglobal™ (2004). Class-1 Generation-2 UHF RFID Referencia de implementación. European Telecommunications Standards Institute (ETSI), EN 302 208. European Telecommunications Standards Institute (ETSI), EN 302 208:. ISO/IEC Directives, Part 2. Compatibilidad electromagnética y asuntos del espectro de radio (ERM) equipamiento de RFID que funciona en la banda de 865 MHz a 868 MHz con niveles de potencia mayores a 2 W, Parte 1 - Características Técnicas y métodos de prueba Compatibilidad electromagnética y asuntos del espectro de radio (ERM) equipamiento de RFID que funciona en la banda de 865 MHz a 868 MHz con niveles de potencia mayores a 2 W, Parte 2–EN armonizado bajo el articulo 3.2 de la directiva R&TTE Reglas para la estructura y la redacción de Estándares Internacionales Tecnología de información - Telecomunicaciones y intercambio de. ISO/IEC 3309:. información entre sistemas – procedimientos para High-level data link control (HDLC) - estructura de la trama Tecnología de información, Identificación automática y recolección de. ISO/IEC 15961:. datos. RFID para manipulación de artículos. Protocolo de Datos: interfaz de aplicación Tecnología de información, Identificación automática y técnicas de. ISO/IEC 15962. recolección de datos. RFID para manipulación de artículos. Protocolo de datos: reglas de codificación de datos y funciones de memoria lógicas. ISO/IEC 15963. Tecnología de información. Identificación por radiofrecuencia para. 26.

(38) Capítulo 2 PROTOCOLOS DE IDENTIFICACIÓN EN SISTEMAS RFID. manipulación de artículos. Identificación única para etiquetas de RF Tecnología de información. Identificación por radiofrecuencia para ISO/IEC 18000-1. manipulación de artículos. Parte 1: Arquitectura de referencia y definición de parámetros a ser estandarizados Tecnología de información, Identificación automática y técnicas de. ISO/IEC 18000-6. recolección de datos — Interfaz aérea para la manipulación de artículos Identificación por radiofrecuencia. Parte 6: Parámetros para las comunicaciones entre 860-960 MHz. ISO/IEC 19762. U.S. Code of Federal Regulations (CFR), Título 47,. Tecnología de información, técnicas AIDC. Vocabulario armonizado. Parte 3: identificación por Radiofrecuencia (RFID). Dispositivos de radiofrecuencia, Comisión de Comunicaciones Federales. Capítulo I, Parte 15. 2.2. estadounidenses. Protocolos de identificación / anticolisión en sistemas RFID.. En la capa física, FDMA (Frequency Division Multiple Access, Acceso múltiple por division de frecuencia), TDMA (Time Division Multiple Access, Acceso múltiple por division de tiempo), SDMA (Space Division Multiple Access, Acceso múltiple por division de espacio), CDMA (Code Division Multiple Access, Acceso múltiple por division de código) and CSMA (Carrier Sense Multiple Access,) han sido las alternativas más estudiadas (Finkenzeller 2003; Wille 2005; Nejah, Abdennaceur et al. 2010). Aunque no pueden ser usadas directamente en RFID debido a los siguientes problemas(Finkenzeller 2003; Wille 2005; Vales-Alonso, Bueno-Delgado et al. 2010): Frequency Division Multiple Access (FDMA). El canal es dividido en diferentes subcanales y los usuarios son asignados a diferentes frecuencias de portadora. En sistemas RFID, esta técnica encarece los lectores, porque estos deben proporcionar un receptor dedicado para cada canal de recepción. Por otra parte, los tags deberían ser capaces de distinguir entre frecuencias diferentes y seleccionar los subcanales de interés. Solo los tags activos añaden esta funcionalidad.. 27.

(39) Capítulo 2 PROTOCOLOS DE IDENTIFICACIÓN EN SISTEMAS RFID. Time Division Multiple Access (TDMA). El canal es dividido en ranuras de tiempo que son asignadas a los usuarios. Uno de los problemas más importantes de esta técnica es que los usuarios deben estar sincronizados para enviar su información en la ranura seleccionada. Esta técnica puede ser aplicada directamente en RFID. Para sistemas RFID pasivos, la simplicidad de la etiqueta requiere que el lector controle la sincronización (centralizada). Para sistema RFID activos, la sincronización puede ser centralizada o las etiquetas pueden controlar la sincronización (distribuida). Space Division Multiple Access (SDMA). Esta técnica reutiliza ciertos recursos, como capacidad de canal en áreas espacialmente separadas. Esta técnica puede ser aplicada a un sistema RFID como sigue: en un escenario con dos o más readers, el rango de lectura de cada uno. se reduce pero compensada por la formación de un arreglo de antenas,. proporcionando un área de cobertura grande. El inconveniente principal es el alto costo de implementación del arreglo de antenas. Code Division Multiple Access (CDMA). Consiste en usar técnicas de modulación de espectro basadas en un código pseudo aleatorio para extender los datos sobre el espectro entero. El CDMA es el procedimiento ideal en muchas aplicaciones, e.g. sistemas de navegación, GPS. Sin embargo, en sistemas RFID, esta técnica significa hardware más complejo en los tags y de ahí, más alto costo. Carrier Sense Multiple Access (CSMA). Esta técnica requiere que los tags censen el tráfico del canal antes de enviar su información. Si no hay tráfico, la etiqueta comienza a enviar. Este mecanismo solo puede ser usado con tags activos porque las etiquetas pasivas no pueden monitorizar el canal. Muchas de estas soluciones no son rentables debido a que requieren una complejidad extra en los tags. 2.3. Protocolos anticolisión en la capa MAC de RFID.. Cuando varias etiquetas/lectores son presentadas simultáneamente en el área de cobertura, un apropiado protocolo de. Control de Acceso al Medio (MAC) es necesario para. manejar/evitar colisiones causadas por transmisiones simultáneas. Las colisiones en RFID. 28.

(40) Capítulo 2 PROTOCOLOS DE IDENTIFICACIÓN EN SISTEMAS RFID. ocurren de varios modos (Finkenzeller 2003; Roberti 2005; Wille 2005; Vales-Alonso, Bueno-Delgado et al. 2010): Caso de un lector - múltiples tags. Múltiples tags se encuentran en el rango de lectura del mismo reader y responden simultáneamente. El reader detecta la onda electromagnética pero no es capaz de interpretar la señal recibida. Caso de múltiples readers - un tag. Solo un tag se encuentra en el rango de lectura de varios readers. La interferencia ocurre cuando la señal de un reader vecino colisiona con la transmisión del tag. Caso de reader - reader. Varios readers configurados para trabajar en la misma banda de frecuencia, interfieren unos con otros, provocando las colisiones. La discusión de estos tres tipos de colisiones requeriría un volumen completo. Por lo tanto, en este capítulo, una descripción del caso Un lector-Múltiples tags es presentada, así como las soluciones de anticolisión más relevantes. 2.3.1 Protocolos deterministas. En los protocolos deterministas, el reader posee una lista con todos los números de serie únicos de cada uno de los tags que pueden identificarse. Cuando los tags están en cobertura, el reader interroga uno a uno hasta identificarlos a todos. Estos algoritmos también se llaman algoritmos de ―búsqueda de árbol‖. El mecanismo consiste en la descomposición en pequeños grupos del conjunto de tags a identificar mediante técnicas de segmentación o splitting, hasta que el número de tags por subgrupo sea de uno. Para llevar a cabo este algoritmo, el reader transmite a todos los tags el primer bit de un número de serie aleatoriamente seleccionado. Cada tag comparará si el bit recibido coincide con el primer bit de su número de serie, de forma que, si coincide, transmitirá su identificador provocando una colisión entre todos los tags cuyo primer bit sea el mismo. Ahora tendremos 2 subgrupos de tags. En el siguiente ciclo, el reader transmitirá 2 bits, y así sucesivamente hasta que solo quede un tag cuyo número de serie coincida con los bits que envía el reader y se identifique correctamente. Finalmente se habrá creado un árbol de identificación. Este procedimiento es ineficiente cuando el número de tags a identificar es elevado (Roberti 2005; Wille 2005; Belmonte 2008; EPCglobal 2008).. 29.

(41) Capítulo 2 PROTOCOLOS DE IDENTIFICACIÓN EN SISTEMAS RFID. 2.3.2 Protocolos Aloha. Los protocolos Aloha son clasificados en cuatro grupos principales. El primer grupo es el Aloha Puro (Garcia and Widjaja 1996) el cual tiene el esquema anticolisión más simple para etiquetas con memoria de solo lectura. El segundo grupo es el protocolo Aloha Ranurado (Weselthier, Ephremides et al. 1988) Este es una modificación del algoritmo Aloha original. En este nuevo método se emite periódicamente sobre el canal una referencia temporal que marca el inicio de una ranura o slot temporal. El periodo de esta señal es igual al tiempo requerido para transmitir una identificación sobre el canal. Ahora, si un tag quiere transmitir su identificación, se espera al inicio de la siguiente ranura temporal, de forma que solo podrá colisionar la información transmitida en el mismo slot, reduciendo así la ventana de colisión. En caso de colisión o de slot vacío, los tags esperarán un tiempo aleatorio para volver a intentarlo, empleando algún algoritmo para elegir dicho tiempo de espera. Al contrario, si en un slot se identificó un único tag, el reader le indicará que se ha identificado correctamente y dejará de competir, evitando así que vuelva a participar en el proceso de identificación. Este método tan simple, no es eficiente para un elevado número de tags, ya que el número medio de slots que necesitan para identificarse, aumenta exponencialmente, por lo tanto, no será un algoritmo escalable y necesitaremos un mecanismo de adaptación si el número de tags aumenta considerablemente (Wille 2005; Belmonte 2008). El tercer grupo, Frame-Slotted-Aloha (FSA), es una variante del Aloha Ranurado, donde los slots están agrupados en tramas consecutivas. Cada trama equivale a un ciclo y los tags transmiten solo una vez en cada ciclo. Existen mecanismos de adaptación, con tamaño de trama dinámico (D-FSA), donde al finalizar un ciclo y en función de ciertos criterios, incrementa o decrementa el número de slots que compondrán el siguiente ciclo (Wille 2005; Belmonte 2008). El FSA ha sido puesto en práctica en muchos productos comerciales y ha sido estandarizado en ISO/IEC-18000-6C (ISO, 2003) y en la Clase EPCglobal 1 General 2 (EPCglobal 2008). En FSA, cuando el número de etiquetas es mucho más grande que el número de ranuras, el retraso en la identificación se incrementa considerablemente. Por otra parte, si el número de etiquetas es bajo y el número de ranuras es alto, muchas ranuras vacías pueden existir, lo. 30.

(42) Capítulo 2 PROTOCOLOS DE IDENTIFICACIÓN EN SISTEMAS RFID. que conduce a un tiempo de identificación mayor. En FSA dinámico, el número de ranuras por ciclo es variable. Las etiquetas al azar eligen una ranura dentro del ciclo para enviar su información al lector. Cuando un ciclo termina, un ciclo de identificación concluye y el lector,. siguiendo. algunas. reglas,. toma. una. decisión. sobre. si. hay. que. aumentar/disminuir/mantener el número de intervalos de tiempo por ciclo en el siguiente ciclo de identificación. Según (Schoute 1983), el rendimiento óptimo. en un ciclo de un protocolo DFSA es. conseguido si el número de etiquetas N iguala el número de ranuras K en aquel ciclo, este rendimiento está dado por e-1≈0.36. Como el número de etiquetas en rango por ciclo es comúnmente desconocido, primero el lector debe estimar el número de etiquetas que van a competir por ciclo, posiblemente a través de información estadística guardada en una base de ciclo a ciclo o algún método heurístico. Entonces, el lector ajusta el tamaño de ciclo para garantizar el rendimiento máximo y minimizar la demora de identificación. Los principales algoritmos anticolisión de DFSA para aplicaciones RFID han sido exhaustivamente estudiadas en (Delgado, Alonso et al. 2009) 2.4. EPCGlobal Class-1 Gen-2.. EPCGlobal Class-1 Gen-2, define las especificaciones físicas y lógicas para sistemas RFID activos y pasivos que trabajan a una frecuencia de 860 MHz a 960 MHz, está basado en el protocolo Aloha Ranurado y se caracteriza por (Roberti 2005; Wille 2005; Belmonte 2008): o Es simple y robusto, debido a que la complejidad del algoritmo de identificación recae sobre el reader. o Puesto que los tags que se comercializan hoy en día cumplen los requisitos para su implementación, no supone un coste hardware añadido. o Es ideal para sistemas RFID donde el reader no conoce a priori los tags que hay en su zona de cobertura. o Mediante un sencillo algoritmo, el reader es capaz de adaptar el tamaño de cada ciclo, obteniendo mejores resultados en tiempo medio de identificación, utilización del canal y probabilidad de colisión.. 31.

(43) Capítulo 2 PROTOCOLOS DE IDENTIFICACIÓN EN SISTEMAS RFID. A continuación se detallará el funcionamiento de este estándar, así como otros aspectos relevantes para el desarrollo de este proyecto (Wille 2005; Belmonte 2008; EPCglobal 2008). 2.4.1 Formato de paquetes EPC. En la figura 2.1 se muestra el contenido del paquete de datos EPC así como el tamaño y el significado de cada uno de sus campos.. Figura 2.1 Formato de paquete EPC. 2.4.2 Protocolo de comunicación Reader-Tags. Dependiendo del tipo de tag, la comunicación entre éste y el reader puede ser de distintos tipos(Finkenzeller 2003; Roberti 2005; Wille 2005; Belmonte 2008; EPCglobal 2008; Nejah, Abdennaceur et al. 2010): Modulación backscatter. Es empleada tanto para los tags activos como para los pasivos. El lector envía una señal de radiofrecuencia continua que contiene corriente alterna y el reloj de la señal a la frecuencia en la que trabaja el tag. El tag obtiene la energía transformándola a corriente continua y alimentando los sistemas. Tipo transmisor. Comunicación usada solo para los tags activos. El tag emite su mensaje al entorno en intervalos regulares independientemente de la existencia o no de un lector. Tipo transpondedor. El tag permanece en un estado de letargo mientras no recibe peticiones del lector. En este estado, el tag envía periódicamente un mensaje para. 32.

(44) Capítulo 2 PROTOCOLOS DE IDENTIFICACIÓN EN SISTEMAS RFID. consultar la existencia del lector. El lector puede decidir cuando responder con un ―Wake up‖ con lo que el tag comienza a mandar su mensaje. 2.4.3 Monitorización del entorno. Los lectores pueden realizar una exploración de los tags de su entorno para realizar inventarios o, si los tags se asocian a sensores y pueden obtener información acerca de las condiciones del entorno. Si un reader intenta trabajar con un conjunto de tags debe conocer los dispositivos que se encuentran en su área de cobertura para después recorrerlos uno a uno o bien hacer uso de protocolos anticolisión(Finkenzeller 2003; Roberti 2005; Wille 2005; Belmonte 2008; EPCglobal 2008; Nejah, Abdennaceur et al. 2010). Es habitual necesitar tags de varios tipos en una aplicación distribuida. Los tags pasivos no pueden realizar labores de monitorización continua sino que realizan tareas bajo demanda cuando los readers se las solicitan. Son útiles para realizar actividades regulares y bien definidas con necesidades de almacenamiento y seguridad acotadas. Si hay accesos frecuentes, continuos o impredecibles, o bien existen requerimientos de tiempo real o procesamiento de datos (como búsqueda en bases de datos internas) suele ser conveniente el empleo de tags activos(Finkenzeller 2003; Roberti 2005; Wille 2005; Belmonte 2008; EPCglobal 2008; Nejah, Abdennaceur et al. 2010). 2.4.4 Protocolo de identificación para tags pasivos. Antes de comenzar un ciclo de identificación, el reader envía un paquete Broadcast a la población de tags en cobertura, indicando si los tags que han recibido el paquete deben identificarse o no. Los N tags que reciben el paquete y deben identificarse responden enviando su ID, produciéndose una colisión múltiple que el reader detectará. En este instante, el reader comenzará un ciclo de identificación transmitiendo un paquete Query con un campo de cuatro bits en el que se almacena el valor en hexadecimal Q donde Q ∈ [0,15](Finkenzeller 2003; Roberti 2005; Wille 2005; Belmonte 2008; EPCglobal 2008; Nejah, Abdennaceur et al. 2010). Los tags, al recibir el paquete generan un número aleatorio r, cuyo valor estará comprendido en el rango [0,2Q-1]. A continuación, se inicializará un contador con el valor r obtenido, el cual, irá decrementando al comienzo de cada slot. En el momento en el que un. 33.

(45) Capítulo 2 PROTOCOLOS DE IDENTIFICACIÓN EN SISTEMAS RFID. tag obtiene un valor de dicho contador a 0, transmitirá su identificador en ese instante. Una vez iniciado el ciclo de identificación, el comportamiento del sistema será el siguiente. Si se detecta un slot con un único identificador, el reader enviará un paquete ACK a todos los tags en su zona de cobertura, de modo que el tag que había enviado su ID contestará enviando ahora sus datos almacenados. El reader comprobará los datos, si son correctos, enviará una señal QueryRep a todos los tags, indicando que comienza un nuevo slot (incrementará su contador de slots), figura 2.2. Por el contrario, si los datos recibidos son incorrectos, enviará un paquete NACK a todos los tags, seguido de un QueryRep. Si el tag que se había identificado recibe ahora un paquete QueryRep, su proceso de identificación habrá finalizado(Finkenzeller 2003; Roberti 2005; Wille 2005; Belmonte 2008; EPCglobal 2008; Nejah, Abdennaceur et al. 2010).. Figura 2.2 Slot exitoso. Figura 2.3 Slot vacío. 34.

(46) Capítulo 2 PROTOCOLOS DE IDENTIFICACIÓN EN SISTEMAS RFID. Figura 2.4 Slot con colisión Tabla 2.4 Valores típicos de los parámetros de EPC Gen 2 Parámetro. Símbolo. Valor. Razón de transmisión ReaderTag. RTrate. 64 Kbps. Razón de transmisión Tag Reader. TRrate. BLF/M. TARI. 6.25, 12.5 y 25 µs. Símbolo de calibración TagReader. TRcal. 64 µs. Símbolo de calibración ReaderTag. RTcal. 2.5*TARI. Razón de división. DR. 8 o 64/3. Frecuencia del enlace backscatter. BLF. DR/TRcal. Numero de ciclos de subportadora por símbolo de TagReader. M. 1, 2, 4, 8. Tiempo de símbolo. Tpri. 1/BLF. Tiempo de bit. DATA1. 1.5*TARI. Tiempo entre transmisión del Reader y respuesta del tag. T1. Max(RTcal,10Tpri). Tiempo entre respuesta del Tag y transmisión del Reader. T2. 5Tpri. T3. 5Tpri. Intervalo de Referencia para un cero binario, en la señalización ReaderTag. Tiempo que un lector espera, después de T1, antes de enviar otro comando. 35.