RFID设计技术基础

第2章RFID设计技术基础2.1数字通信基础2.2信号的编码与调制2.3RFID数据传输的完整性2.4RFID数据安全性2.1数字通信基础2.1.1数字通信模型2.1数字通信基础2.1.2数字通信的特点和主要性能指标1．数字通信的特点在传输过程中可实现无噪声积累便于加密处理便于设备的集成和微型化占用的信道频带宽2.1数字通信基础2.1.2数字通信的特点和主要性能指标2.数字通信的主要性能指标数据传输速率信道频带宽度误码率2.1数字通信基础2.1.3RFID通信方式

RFID通信是指读写器和标签之间的信息传输，传输的是无线电信号，其主要特点是通信距离很短。2.1数字通信基础图2-5给出了RFID系统的通信模型。在这个模型中，信道由自由空间、读写器天线、读写器射频前端、电子标签天线和电子标签射频前端构成。2.2信号的编码与调制2.2.1信号与信道信号是消息的载体，在通信系统中消息以信号的形式从一点传送到另一点。信道是信号的传输媒质，信道的作用是把携有信息的信号从它的输入端传递到输出端。2.2信号的编码与调制在RFID系统中，读写器与电子标签之间交换的是信息，由于采用非接触的通信方式，读写器与电子标签之间构成一个无线通信系统，其中读写器是通信的一方，电子标签是通信的另一方。2.2信号的编码与调制1.信号信号分为模拟信号和数字信号，RFID系统主要处理的是数字信号。信号可以从时域和频域两个角度来分析，在RFID传输技术中，对信号频域的研究比对信号时域的研究更重要。2.2信号的编码与调制1.信号读写器与电子标签之间传输的信号有其自身的特点，常需要讨论信号工作方式和通信握手等问题。信号工作方式读写器与电子标签之间的工作方式可以分为时序系统、全双工系统和半双工系统。2.2信号的编码与调制(1)时序系统在时序系统中，从电子标签到读写器的信息传输是在电子标签能量供应间歇进行的，读写器与电子标签不同时发射，这种方式可以改善信号受干扰的状况，提高系统的工作距离。2.2信号的编码与调制时序系统的工作过程如下。（1）读写器先发射射频能量，该能量传送到电子标签，给电子标签的电容器充电，将能量用电容器存储起来，这时电子标签的芯片处于省电模式或备用模式。（2）读写器停止发射能量，电子标签开始工作，电子标签利用电容器的储能向读写器发送信号，这时读写器处于接收电子标签响应的状态。（3）能量传输与信号传输交叉进行，一个完整的读出周期由充电阶段和读出阶段两个阶段构成。2.2信号的编码与调制时序系统发射能量，给电子标签充电读写器停止发射能量，电子标签工作，向读写器发送信号2.2信号的编码与调制(2)全双工系统电子标签和读写器之间可以在同一时刻互相传送信息(3)半双工系统电子标签和读写器之间可以双向传送信息，但在同一时刻只能向一个方向传送信息2.2信号的编码与调制通信握手通信握手是指读写器与电子标签双方在通信开始、结束和通信过程中的基本沟通，通信握手要解决通信双方的工作状态、数据同步和信息确认等问题。2.2信号的编码与调制2.信道信道可以分为两大类，一类是电磁波在空间传播的渠道，如短波信道、微波信道等；另一类是电磁波的导引传播渠道，如电缆信道、波导信道等。RFID的信道是具有各种传播特性的自由空间，所以RFID采用无线信道。2.2信号的编码与调制

1）信道带宽信号所拥有的频率范围叫做信号的频带宽度，简称带宽。模拟信道的带宽为2.2信号的编码与调制2）信道传输速率就是数据在传输介质（信道）上的传输速率。数据传输速率的单位为比特/秒，记做bps或bit/s。1kbit/s=103bit/s1Mbit/s=103kbit/s1Gbit/s=103Mbit/s2.2信号的编码与调制3）波特率RB与比特率Rb在信息传输通道中，携带数据信息的信号单元叫码元，每秒钟通过信道传输的码元数称为码元传输速率，简称波特率。比特率是数据传输速率，表示单位时间内可传输二进制位的位数。如果一个码元的状态数可以用M个离散电平个数来表示，有如下关系：2.2信号的编码与调制4）信道容量信道容量是信道的一个参数，反映了信道所能传输的最大信息量。（1）具有理想低通矩形特性的信道。根据奈奎斯特准则，这种信道的最高码元传输速率为：最高码元传输速率=2BW也即这种信道的最高数据传输速率为：2.2信号的编码与调制（2）带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道。香农提出并严格证明了在被高斯白噪声干扰的信道中，最大信息传送速率的公式。这种情况的信道容量为：2.2信号的编码与调制（3）RFID的信道容量。带宽越大，信道容量越大。在物联网中RFID主要选用微波频率，微波频率比低频频率和高频频率有更大的带宽。信噪比越大，信道容量越大。RFID无线信道有传输衰减和多径效应等，应尽量减小衰减和失真，提高信噪比。2.2信号的编码与调制2.2.2编码与调制数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统，其涉及的技术问题很多，其中主要有信源编码与解码、加密与解密、信道编码与解码、数字调制与解调以及同步等。2.2信号的编码与调制1.编码与解码编码是为了达到某种目的而对信号进行的一种变换。其逆变换称为解码或译码。根据编码的目的不同，编码理论有信源编码、信道编码和保密编码三个分支。2.2信号的编码与调制1）信源编码与解码信源编码是对信源输出的信号进行变换，包括连续信号的离散化（即将模拟信号通过采样和量化变成数字信号），以及对数据进行压缩以提高信号传输有效性而进行的编码。信源解码是信源编码的逆过程。2.2信号的编码与调制2）信道编码与解码信道编码是对信源编码器输出的信号进行再变换，包括区分通路、适应信道条件和提高通信可靠性而进行的编码。信道解码是信道编码的逆过程。2.2信号的编码与调制3）保密编码与解码保密编码是对信号进行再变换，即为了使信息在传输过程中不易被人窃译而进行的编码。保密解码是保密编码的逆过程，保密解码在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数据进行解密，恢复原来信息。2.2信号的编码与调制2.调制和解调调制的目的是把传输的模拟信号或数字信号，变换成适合信道传输的信号，意味着要把信源的基带信号，转变为一个相对基带频率而言非常高的频带信号。2.2信号的编码与调制调制的过程用于通信系统的发送端，调制就是将基带信号的频谱搬移到信道通带中的过程，经过调制的信号称为已调信号，已调信号的频谱具有带通的形式，已调信号称为带通信号或频带信号。在接收端需将已调信号还原成原始信号，解调是将信道中的频带信号恢复为基带信号的过程。2.2信号的编码与调制数字调制的方法通常称为键控法，常用的数字调制解调方式有：幅移键控（AmplitudeShiftKeying，ASK）频移键控（FrequencyShiftKeying，FSK）相移键控（PhaseShiftKey，PSK）为简化射频标签设计并降低成本，多数射频识别系统采用ASK调制方式。2.2信号的编码与调制2.2.3RFID常用的编码方法编码是RFID系统的一项重要工作，二进制编码是用不同形式的代码来表示二进制的1和0。对于传输数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字，也即数字信号由矩形脉冲组成。2.2信号的编码与调制按数字编码方式，可以将编码划分为单极性码和双极性码，单极性码使用正（或负）的电压表示数据；双极性码1为反转，0为保持零电平。根据信号是否归零，还可以将编码划分为归零码和非归零码，归零码码元中间的信号回归到0电平，而非归零码遇1电平翻转，零时不变。2.2信号的编码与调制1.编码格式1）反向不归零编码这是一种简单的数字基带编码方式，反向不归零编码用高电平表示二进制的1，用低电平表示二进制的0。2.2信号的编码与调制2）曼彻斯特编码曼彻斯特编码也称为分相编码（Split-PhaseCoding）。在曼彻斯特编码中，用电压跳变的相位不同来区分1和0，其中从高到低跳变表示1，从低到高跳变表示0。2.2信号的编码与调制3）单极性归零编码对于单极性归零码，当发1码时发出正电流，但正电流持续的时间短于一个码元宽度，即发出一个窄脉冲；当发0码时，仍然完全不发送电流。2.2信号的编码与调制4）差动双相编码差动双相编码在半个位周期中的任意边沿表示二进制0，而没有边沿跳变表示二进制1。此外，在每个位周期开始时，电平都要反相。差动双相编码对接收器来说较容易重建。2.2信号的编码与调制5）密勒编码密勒编码在位周期开始时产生电平交变，对接收器来说，位节拍比较容易重建。密勒编码在半个位周期内的任意边沿表示二进制1，而经过下一个位周期中不变的电平表示二进制0。2.2信号的编码与调制5）密勒编码--编码规则：对原始符号“1”码元起始不跃变，中心点出现跃变来表示，即用10或01表示。对原始符号“0”则分成单个“0”还是连续“0”予以不同处理；单个“0”时，保持0前的电平不变，即在码元边界处电平不跃变，在码元中间点电平也不跃变；对于连续“0”，则使连续两个“0”的边界处发生电平跃变。2.2信号的编码与调制6）变形密勒编码变形密勒编码相对于密勒编码来说，将其每个边沿都用负脉冲代替。由于负脉冲的时间较短，可以保证数据在传输过程中，能够从高频场中持续为射频标签提供能量。变形密勒编码在电感耦合的射频识别系统中，主要用于从读写器到射频标签的数据传输。2.2信号的编码与调制7）差分编码对于差分编码，每个要传输的二进制1都会引起信号电平的变化，而对于二进制0，信号电平保持不变。2.2信号的编码与调制

--汇总图2.2信号的编码与调制

--汇总图2.2信号的编码与调制2.编码方式的选择因素

1）编码方式的选择要考虑电子标签能量的来源

2）编码方式的选择要考虑电子标签检错的能力

3）编码方式的选择要考虑电子标签时钟的提取2.2信号的编码与调制2.2.4RFID常用的调制方法按照从读写器到电子标签的传输方向，读写器中发送的信号首先需要编码，然后通过调制器调制，最后传送到传输通道上去。用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字已调信号的过程称为数字调制，RFID主要采用数字调制的方式。2.2信号的编码与调制1.载波在信号传输的过程中，并不是将信号直接进行传输，而是将信号与一个固定频率的波进行相互作用，这个过程称为加载，这样一个固定频率的波称为载波。在RFID系统中，正弦载波除了是信息的载体外，在无源电子标签中还具有提供能量的作用，这一点与其他无线通信有所不同。2.2信号的编码与调制2.振幅键控调幅是指载波的频率和相位不变，载波的振幅随调制信号的变化而变化。振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息，在二进制数字调制中，载波的幅度只有两种变化，分别对应二进制信息的1和0。2.2信号的编码与调制目前电感耦合RFID系统常采用ASK调制方式，如ISO/IEC14443及ISO/IECl5693标准均采用ASK调制方式。2.2信号的编码与调制2.2信号的编码与调制3.频移键控频移键控（FSK）是利用载波的频率变化来传递数字信息，是对载波的频率进行键控。二进制频移键控载波的频率只有两种变化状态，载波的频率在和两个频率点变化，分别对应二进制信息的1和0。2.2信号的编码与调制2.2信号的编码与调制4.相移键控相移键控（PSK）是利用载波的相位变化来传递数字信息，是对载波的相位进行键控。二进制相移键控载波的初始相位有两种变化状态，通常载波的初始相位在0和两种状态间变化，分别对应二进制信息的1和0。2.2信号的编码与调制π02.2信号的编码与调制5.副载波调制副载波调制是指首先把信号调制在载波1上，出于某种原因，决定对这个结果再进行一次调制，于是用这个结果去调制另外一个频率更高的载波2。在RFID副载波调制中，首先用基带编码的数据信号调制低频率的副载波，已调的副载波信号用于切换负载电阻，然后采用振幅键控ASK、频移键控FSK或相移键控PSK的调制方法，对副载波进行二次调制。2.2信号的编码与调制5.副载波调制就RFID而言，副载波调制主要用在6.78MHz、13.56MHz、27.125MHz和微波的RFID系统中，而且是从电子标签到读写器的数据传输。2.3RFID数据传输的完整性使用非接触技术传输数据时，很容易遇到干扰，使传输数据发生意外的改变从而导致传输错误。此类问题通常是由外界的各种干扰和多个应答器同时占用信道发送数据产生碰撞造成的，针对这两种情况，常用的处理方法是采用校验和法和多路存取法。2.3RFID数据传输的完整性2.3.1校验和法1.奇偶校验奇偶校验是一种简单的使用广泛的校验方法。奇偶校验分奇校验和偶校验，收发两端必须约定校验方式。奇偶校验码是一种最简单而有效的数据校验方法。实现方法:在每个被传送码的左边或右边加上1位奇偶校验位0或1,若采用奇校验位,只需把每个编码中1的个数凑成奇数;若采用偶校验位,只要把每个编码中1的个数凑成偶数。检验原理:这种编码能发现1个或奇数个错,但因码距较小,不能实现错误定位。对奇偶校验码的评价:它能发现一位或奇数个位出错，但无错误定位和纠错能力。尽管奇偶校验码的检错能力较低，但对出错概率统计,其中70～80％是1位错误,另因奇偶校验码实现简单,故它还是一种应用最广泛的校验方法。实际应用中,多采用奇校验,因奇校验中不存在全“0”代码,在某些场合下更便于判别。00001000100010000111010000101101101011101000010011101011011011001110101110011111奇偶校验码2.3RFID数据传输的完整性2.纵向冗余校验纵向冗余校验（LRC）是把传输数据块的所有字节进行按位加（或称异或运算），其结果就是校验字节。在传输数据时，附加传输校验字节。在收端，将数据字节和校验字节进行按位加，如果结果为0，就认为传输正确，否则认为传输错误。纵向冗余校验也称作代码和校验。

2.3RFID数据传输的完整性3.循环冗余码校验循环冗余码校验是由循环多项式生成的。假如16位的CRC生成多项式是：其二进制序列为10001000000100001（十六进制为11021h）。2.3RFID数据传输的完整性3.循环冗余码校验--编码规则传输的帧是由两部分组成，前部分是信息码，就是需要校验的信息，后部分是校验码，如果CRC码共长n个bit，信息码长k个bit，就称为（n,k）码。它的编码规则是：移位：将原信息码（kbit）左移r位（k+r=n)相除：运用一个生成多项式g(x)（也可看成二进制数）用模2除上面的式子，得到的余数就是校验码。非常简单，要说明的：模2除就是在除的过程中用模2加，模2加实际上就是我们熟悉的异或运算，就是加法不考虑进位，公式是：0+0=1+1=0,1+0=0+1=1即‘异’则真，‘非异’则假。2.3RFID数据传输的完整性3.循环冗余码校验--编码规则有了加减法就可以用来定义模2除法，于是就可以用生成多项式g(x）生成CRC校验码。生成多项式应满足以下原则：a、生成多项式的最高位和最低位必须为1。b、当被传送信息（CRC码）任何一位发生错误时，被生成多项式做模2除后应该使余数不为0。c、不同位发生错误时，应该使余数不同。d、对余数继续做模2除，应使余数循环。2.3RFID数据传输的完整性3.循环冗余码校验—例例：对于生成多项式g(x)=x^4+x^3+x^2+1，报文110产生的CRC的过程如下：1.对于g(x)=x^4+x^3+x^2+1的解释：（都是从右往左数）x4就是第五位是1，因为没有x1所以第2位就是0。将生成多项式g(x)=x^4+x^3+x^2+1转换成对应的二进制除数11101。2、此生成多项式有5位（R+1）(注意：5位的生成多项式计算所得的校验码为4位，R为校验码位数)，要把原始报文左移4（R）位变成11000003、用1100000与11101进行模2除，相当于按位异或。得到余数：1001所以CRC码是1001，传输码为：110,10012.3RFID数据传输的完整性被校验二进制序列M(X)除以16位校验多项式G(X)，余数就是16位的CRC值。例如：M(X)=4D6F746Fh，其CRC-16的值是B994h。在传输时将计算结果附加在数据尾部，收端将收到的数据除以11021h，如果余数为0表示正确，否则表示错误。2.3RFID数据传输的完整性2.3.2多路存取法在射频识别系统工作时，可能会有一个以上的应答器同时处在读写器的作用范围内，这样如果有两个或两个以上的应答器同时发送数据时就会出现通信冲突和数据相互干扰（碰撞）。同样，有时也有可能多个应答器处在多个读写器的工作范围内，它们之间的数据通信也会引起数据干扰。2.3RFID数据传输的完整性射频识别系统中三种不同通信形式：“无线广播”式多路存取通信(常常遇到)多个读写器同时给多个应答器发送数据。(现在这种情况很少遇到)

2.3RFID数据传输的完整性（1）无线电广播方式读写器发送的信号同时被多个电子标签接收。2.3RFID数据传输的完整性（2）多路存取方式

在这种工作方式中，读写器的工作范围同时有多个电子标签，多个电子标签同时将数据传送给读写器。空分多路（SpaceDivisionMultipleAccess）法可以理解为在分离的空间范围内重复使用确定的资源。应用到无线射频识别中，一般有两种方式：使用多个读写器，并将它们的天线安置在一个阵列中，当应答器进入不同的天线作用区内的时候，对应的读写器可以读取应答器中的数据。空分多路的缺点：复杂的天线系统相当高的实施费用一般应用于某些特殊应用场合频分多路（FrequencyDivisionMultipleAccess，FDMA）法是把若干个使用不同载波频率的传输通路同时供通信用户（应答器）使用的方法在射频识别的下行通路（从读写器到应答器）的频率固定的情况下，上行通路（从应答器到读写器）中，应答器可以采用各自独立的副载波频率（如在某个频率范围内）来进行数据传输频分多路法的缺点每个接收通路必须有自己单独的接收器，以接收不同频率的应答器信号局限性更大，读写器的成本很高时分多路（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA）法是把整个可供使用的通路容量按时间槽分配给多个用户（应答器）使用的方法，可以分为：标签控制法（随机的冲突分析）读写器控制法（减少冲突应答器集合）标签控制法——随机的冲突分析每个应答器随机选择一个时间槽。如果发生冲突，应答器就换成另外的时间槽。开关断开法：应答器成功完成数据交互后，通过读写器发出的命令进入“静止”状态，即不再发送自己的序列号和数据非开关法标签控制法——随机的冲突分析成功识别所有应答器的概率由应答器数目和时间槽总数决定应答器数目：进行多次试探性读取并根据结果估计时间槽总数：根据估计结果进行调整优点：可以在比较短的时间内识别出大部分的应答器缺点：最后可能会产生一定的误差读写器控制法——减少冲突应答器集合每次找到一个应答器，成功后就沉默应答器依次产生响应轮询法：所有的序列号被读写器依次询问，直至某个有相同序列号的应答器响应为止二进制搜索法二进制搜索法读写器发出一个请求命令，以从一组应答器中选择其中之一读写器通过合适的信号编码，确定发生冲突的准确比特位置，从而对应答器返回的数据做出进一步的判断，发出另外的请求命令，以最终确定读写器作用范围内的所有应答器读写器控制法——减少冲突应答器集合优点：在足够长的时间内总可以识别出所有的应答器缺点：在某些情况下，可能在不匹配任何应答器的序列号上耽搁太长时间2.3RFID数据传输的完整性2.3.3防碰撞算法1.ALOHA算法

1）纯ALOHA算法Aloha是1968年美国夏威夷大学一项研究计划的名字，Aloha网络是世界上最早的无线电计算机通信网络。ALOHA采用的是一种随机接入的信道访问方式。ALOHA算法因具有简单易实现等优点而成为应用最广的算法之一。2.3RFID数据传输的完整性2）时隙ALOHA算法帧时隙（FSA）ALOHA算法是基于通信领域的ALOHA协议提出的。在FSA中，帧(Frame)是由读写器定义的一段时间长度，其中包含若干个时隙(Slot)，电子标签在每个帧内随机选择一个时隙发送数据。在帧时隙ALOHA算法中，信道的利用率有所提高。2.3RFID数据传输的完整性3）动态时隙ALOHA算法2.3RFID数据传输的完整性2.二进制搜索算法二进制防碰撞算法基于轮询的办法，按照二进制树模型和一定的顺序对所有的可能进行遍历，因此它不是基于概率的算法，而是一种确定性的防碰撞算法，但该算法要将所有可能全部遍历，因此其应用起来比较慢。2.3RFID数据传输的完整性二进制搜索算法的基本思路是，多个标签进入读写器工作场后，读写器发送带限制条件的询问命令，满足限制条件的标签回答，如果发生碰撞，则根据发生错误的位修改限制条件，再一次发送询问命令，直到找到一个正确的回答，并完成对该标签的读写操作。对剩余的标签重复以上操作，直到完成对所有标签的读写操作。2.3RFID数据传输的完整性2.3.4RFID中数据完整性的实施策略在读写器与电子标签的无线通信中，存在多种干扰因素，最主要的干扰因素是信道噪声和信号冲突。采用恰当的信号编码、调制与校检方法，并采取信号防冲突控制技术，能显著提高数据传输的完整性和可靠性。2.4RFID数据安全性2.4.1安全攻击与安全风险1．安全攻击针对RFID主要的安全攻击可以简单的分为主动攻击和被动攻击两种类型。2.4RFID数据安全性主动攻击包括从获得的射频标签实体，通过物理手段在实验室环境中去除芯片封装，使用微探针获取敏感信号，从而进行射频标签重构的复杂攻击；通过软件，利用微处理器的通用接口，通过扫描射频标签和响应读写器的探询，寻求安全协议和加密算法存在的漏洞，进而删除射频标签内容或篡改可重写射频标签内容；通过干扰广播、阻塞信道或其他手段，构建异常的应用环境，使合法处理器发生故障，进行拒绝服务攻击等。2.4RFID数据安全性

被动攻击主要包括通过采用窃听技术，分析微处理器正常工作过程中产生的各种电磁特征，来获得射频标签和读写器之间或其他RFID通信设备之问的通信数据；通过读写器等窃听设备，跟踪商品流通动态等。2.4RFID数据安全性应对主动攻击的重要技术是认证技术应对被动攻击的主要技术手段是加密。2.4RFID数据安全性2．安全风险RFID当初的应用设计是完全开放的，是出现安全隐患的根本原因。安全隐患会出现在射频标签、网络和数据等各个环节。2.4RFID数据安全性RFID系统中最主要的安全风险是保密性。另一个安全风险是位置保密或跟踪。拒绝服务和伪造标签是常见的安全风险。另外，增加供应链的透明度是RFID的主要优势之一，但这给数据安全带来了新的隐患。2.4RFID数据安全性2.4.2RFID系统的安全需求机密性完整性可用性真实性隐私性2.4RFID数据安全性2.4.3密码学基础

1.密码学的基本概念2.4RFID数据安全性密码学包含密码编码学和密码分析学。密码编码学研究密码体制的设计，破译密码的技术称为密码分析。密码学的一条基本原则是必须假定破译者知道通用的加密方法，也就是说，加密算法E是公开的，因此真正的秘密就在于密钥。2.4RFID数据安全性2.对称密码体制

1）概述对称密码体制是一种常规密钥密码体制，也称为单钥密码体制或私钥密码体制。在对称密码体制中，加密密钥和解密密钥相同。2.4RFID数据安全性2）分组密码分组密码中具有代表性的是数据加密标准（DataEncryptionStandard，DES）和高级加密标准（AdvancedEncryptionStandard，AES）。3）序列密码序列密码也称为流密码，由于其计算复杂度低，硬件实现容易，因此在RFID系统中获得了广泛应用。2.4RFID