物联网技术与应用武奇生电子课件201510版第3章节

1、物联网,武奇生,第三章 无线射频技术,本章内容： 无线射频技术概述 RFID基本工作原理 RFID的数据传输协议 RFID的频率标准与技术规范 RFID标准体系结构 无线射频识别的应用行业标准,3.1无线射频技术概述,无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）传输特性，实现对被识别物体的自动识别。 RFID具有两个基本部分，即标签和阅读器。 电子标签具有智能读写和加密通信的功能，通过无线电波与读写设备进行数据交换，它工作的能量由阅读器发生的射频脉冲提供。 阅读器可将主机的读写命令传送到电子标签，并把从主机发往电子标签的数据加密，然后将电子标签返回的数据解密后送到主机。,图3-1 RFID应用系统组成图,3.1.2无线射频识别技术的现状和发展,RFID技术的前身可以追溯到第二次世界大战（约1940年）期间，当时该技术被英军用于识别敌我双方的飞机。 被动式RFID技术应该归结为雷达技术的发展及应用，因此其历史可追溯到20世纪初期，大约在1922年雷达诞生了。 在1

2、948年出现了早期研究RFID技术的一篇具有里程碑意义的论文Communication by Means of Reflected Power。 在20世纪60年代出现了一系列的RFID技术论文、专利及文献。 RFID的应用己于20世纪60年代应运而生，出现了商用RFID系统电子商品监视（Electronic Article Surveillance，EAS）设备。 20世纪70年代，RFID技术成为人们研究的热门课题。,20世纪80年代是充分使用RFID技术的10年。 20世纪90年代是RFID技术繁荣发展的10年，主要体现在美国大量配置了电子收费系统。 从20世纪末到21世纪初，RFID技术中的一个重大的突破就是微波肖特基（Schottky）二级管可以被集成在CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）集成电路上。,3.1.3无线射频识别技术的分类,1.根据标签的供电形式分类 1）有源标签 2）无源标签 3）半有源标签 2.根据标签的工作方式分类 1）主动式 2）被动式 3）半主动式 3.根据标签的工作频率分类 1）低频段电子标签 2）

3、中频段电子标签 3）高频段电子标签,4.根据标签的可读性分类 1）只读标签 2）可读写标签 3）一次写入多次读出标签 5.根据标签中存储器数据存储能力分类 标识标签 便携式数据文件 6.根据标签和阅读器之间的通信工作时序分类 阅读器首先唤醒（Reader Talk First，RTF） 标签首先自报（Tag Talk First，TTF） 7.按数据通信方式划分 半双工系统 全双工系统 时序系统,图3-3 半双工、全双工与时序系统示意图,3.2 RFID基本工作原理,1RFID的基本交互原理 2RFID的耦合方式 电感耦合方式（磁耦合） 反向散射耦合方式（电磁场耦合）,图3-4 RFID的基本原理框图,3RFID的工作频率 （1）低频（LF，频率范围为30300kHz）：工作频率低于135kHz，最常用的是125kHz。 （2）高频（HF，频率范围为330MHz）：工作频率低于13.56MHz7kHz。 （3）特高频（UHF，频率范围为300MHz3GHz）：工作频率为433MHz，866960MHz和2.45GHz； （4）超高频（SHF，频率范围为330GHz）：工作频率为5.8G

4、Hz和24GHz，但目前24GHz基本没有采用。,3.2.2射频识别系统的工作过程,1. RFID应用系统的组成,图3-5 RFID应用系统的组成结构,2. 应答器（射频卡和标签） 射频卡（RF Card） 标签（Tag）,射频卡,图书标签,电子车牌标签,物流标签,超高频不干胶标签,应答器的主要性能参数 工作频率、读/写能力、编码调制方式、数据传输速率、信息数据存储容量、工作距离、多应答器识读能力（也称为防碰撞或者防冲突能力）、安全性能（密钥、认证）。 应答器的分类 无源（被动式） 半无源（半被动式） 有源（主动式）应答器 应答器电路的基本结构和作用 1）存储器应答器、具有密码功能的应答器和智能应答器 2）能量获取 3）时钟,4）数据的输入/输出 5）存储器 6）控制器,图3-8 应答器电路的基本结构,3. 阅读器（读写器和基站）,UHF读写器,2.4GHzRFID手持式远距离读卡器,433MHz RFID远距离有源读卡器,13.56MHz读卡器,图3-9 阅读器,（1）阅读器的功能 以射频方式向应答器传输能量； 从应答器中读出数据或向应答器写入数据； 完成对读取数据的信息处理并实现应

5、用操作； 若有需要，应能和高层处理单元交互信息。 （2）阅读器电路的组成,图3-10 阅读器电路的组成框图,4. 天线 天线的应用目的是取得最大的能量传输效果。RFID系统所用的天线类型主要有偶极子天线、微带贴片天线、线圈天线等。 5. 高层 高层的作用。对于由多阅读器构成网络架构的信息系统，高层（或后端）是必不可少的。针对RFID的具体应用，需要在高层将多阅读器获取的数据有效地整合起来，提供查询、历史档案等相关管理和服务。更进一步，通过对数据的加工、分析和挖掘，为正确决策提供依据。这就是所谓的信息管理系统和决策系统。 中间件与网络应用。 RFID中间件是介于RFID阅读,和后端应用程序之间的独立软件，能够与多个RFID阅读器和多个后端应用程序连接。应用程序使用中间件所提供的一组通用应用程序接口（API），应能连接到RFID阅读器，读取RFID应答器数据。,图3-11 利用中间件的网络应用的结构,3.2.3射频标签的分类,1根据射频标签工作方式 1）主动式标签 2）被动式标签 2根据射频标签的读写方式 1）只读型标签。分为只读标签，一次性编程只读标签，可重复编程只读标签 2）读写型标签

6、。 3根据射频标签的有无电源 1）无源标签 2）有源标签,4根据射频标签的工作频率 1）低频标签 500kHz以下 2）高频标签（包括超高频） 500kHz到1GHz 3）微波标签 1GHz以上 5根据射频标签的工作距离 （1）远程标签。工作距离在100cm以上的标签称为远程标签。 （2）近程标签。工作距离在10100cm的标签称为近程标签。 （3）超近程标签。工作距离在0.2cm到10cm的标签称为超近程标签。,3.3 RFID的数据传输协议,数据编码一般又称为基带数据编码，一方面便于数据传输，另一方面可以对传输的数据进行加密。 常用的数据编码方式 （1）NRZ编码（Non-Return-to-Zero）。NRZ编码用“高”电平表示1，“低”电平表示0。 （2）曼彻斯特编码（Manchester）。曼彻斯特编码在半个比特周期时的负跳变表示l，半个比特周期时的正跳变表示0。曼彻斯特编码在采用负载波的负载调制或者反相散射调制时，通常用于从标签到读写器的数据传输，因为这有利于发现数据传输的错误。 （3）单极性归零编码。单极性归零编码在第一个半比特周期内的“高”表示1，而持续整个比特周期的“

7、低”表示0。,（4）差动双相编码（DBP）。差动双相编码在半个比特周期内的任意边沿跳变表示0，而没有边沿跳变表示l。因为在每个比特周期的开始电平都要反相，因此对于接收器来说，位同步重建比较容易。 （5）米勒编码（Miller）。米勒编码在半个比特周期内的任意边沿表示1，而经过下一个比特周期内不变的电平表示0。一连串的零在比特周期开始时产生跳变。对于接收器来说，要建立位同步也比较容易。 （6）变形米勒编码。变形米勒编码相对于米勒编码来说，将其每个边沿都用负脉冲代替。由于负脉冲的时间很短，可以保证数据传输过程中从高频场中连续给标签提供能量。变形米勒编码在电感耦合的射频识别系统中用于从读写器到射频标签的数据传输。,（7）差动编码。采用差动编码时，每个要传输的二进制1将引起信号电平的改变，而对于0则保持信号电平不变。 （8）脉冲间歇编码。对脉冲位置编码来说，在下一脉冲前的暂停持续时间t表示二进制l，而下一脉冲前的暂停持续时间2t表示二进制0。 （9）脉冲位置编码。脉冲位置编码与上述的脉冲间歇编码类似，不同的是，在脉冲位置编码方式中，每个数据比特的宽度是一致的。,图3-12射频识别系统中的数据编

8、码（传递的数据为10110010）,图3-13 脉冲间歇编码,图3-14 脉冲位置编码,3.3.2数据安全性,高度安全的射频识别系统对于以下单项攻击应能够予以防范： 为了复制或改变数据，未经授权的读取数据载体。 将外来的数据载体置入某个读写器的询问范围内，企图得到非授权出入建筑物或不付费的服务。 为了假冒真正的数据载体，窃听无线电通信并重放数据。,射频识别系统常用的系统安全手段 1相互对称的鉴别 对称算法是指加密密钥和解密密钥要一样。 读写器和标签之间的相互鉴别是建立在国际标准ISO 97982“三通相互鉴别”的基础上。双方在通信中互相检测另一方的密码。 相互鉴别的过程从读写器发送“查询”命令给射频标签开始，于是，在标签中产生一个随机数A，并回送给读写器。读写器收到A后，产生一个随机数B，使用共同的密钥K和和共同的密码算法ek，读写器算出一个加密的数据块，用令牌l（Token l）表示。Token l包含了两个随机数及附加的控制数据，并将此数据块发送给标签。,在标签中，收到的Token l被译码，并将从明码报文中取得的随机数A1与原先发送的随机数A进行比较。如果二者一致，则标签确认两个

9、公有的密钥是一致的。射频标签中另行产生一个随机数A2，并用以算出一加密的数据块，用令牌2（Token 2）表示，其中也包含有B和控制数据，Token 2由标签发送给读写器。 读写器将Token 2译码，检查原先发送的B与刚收到的 是否一致。如果两个随机数一致，则读写器也证明了两个公有的密钥是一致的。于是读写器和标签均已查实属于共同的系统，双方更进一步的通信是合法的。,图3-15标签和读写器相互鉴别的过程,综上所述，相互鉴别的过程具有以下优点： 密钥从不经过空间传输，而只是传输加密的随机数。 总是两个随机数同时加密，排除了为了计算密钥用A执行逆变换获取Token l的可能性。 可以使用任意算法对令牌进行加密。 通过严格使用来自两个独立源(标签、读写器)的随机数，使回放攻击而记录鉴别序列的方法失败。 从产生的随机数可以算出随机的密钥，以便加密后续传输的数据。,2利用导出密钥的鉴别 相互对称的鉴别方法有一个缺点，即所有属于同一应用的标签都是用相同的密钥K来保护。改进措施是每个标签采用不同的密钥来保护。 在射频标签生产过程中读出它的序列号，用加密算法和主控密钥KM计算密钥KX，而标签就这样被初始化。每个标签因此接受了一个与自己识别号和主控密钥KM相关的密钥。 利用导出密钥的相互鉴别过程如下：首先由读写器读取射频标签的ID号，然后用读写器通过安全模块（Security Authentication Module，SAM），使用主控密钥KM计算出标签的专用密钥，以便启动鉴别过程。,图3-16鉴别过程的改进,3加密的数据传输 攻击者的类型可以分为两种类型，试图窃听数据和试图修改数据的攻击者。 加密过程可以用来防止主动攻击和被动攻击，为此传输数据（明文）可以在传输前改变（加密），使隐藏的攻击者不能推断出信息的真实内容（明文）。,攻击者l试图窃听数据，攻击者2试图修改数据,图3-17数据传输线路攻击模型,如果每个符号在传输前单独加密，这种方法称为序列密码（也称流密码）。相反，如果多个符号划分为一组进行加密，则称其为分组密码。,图3-18 对传输数据加密能有效地保护数据不被窃听和修改,图3-19 “一次插入”密钥是从随机数产生的而且只能使用一次，然后被销毁,图3-20由线性移位寄存器组成的伪

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