二 射频数据的完整性.ppt

射频数据的完整性射频识别技术 RFID Technology• 1、基本概念 • 2、RFID系统的数据传输出错 • 3、差错控制方式 • 4、差错控制编码 • 5、汉明码 • 6、奇偶校验法 • 7、循环冗余校验（CRC） • 8、性能指标射频数据的完整性射频数据的完整性1、基本概念 • 完整性是指信息未经授权不能进行改变的特性，即信息在 存储或传输过程中保持不被偶然或蓄意地删除、修改、伪 造、乱序、重放、插入等破坏和丢失的特性 • 完整性是一种面向信息的安全性，它要求保持信息的原样 ，即信息的正确生成、正确存储和传输 • 完整性与保密性不同，保密性要求信息不被泄漏给未授权 的人，而完整性则要求信息不致受到各种原因的破坏 • 影响信息完整性的主要因素有：设备故障、误码（传输、 处理和存储过程中产生的误码，定时的稳定度和精度降低 造成的误码，各种干扰源造成的误码）、人为攻击、计算 机病毒等1、基本概念• 保证信息完整性的主要方法包括以下几种： ①协议：通过各种安全协议可以有效地检测出被复制的信 息、被删除的字段、失效的字段和被修改的字段 ②纠错编码方法：由此完成检错和纠错功能最简单和常 用的纠错编码方法是奇偶校验法。

③密码校验和方法：它是抗篡改和传输失败的重要手段 ④数字签名：保障信息的真实性 ⑤公证：请求网络管理或中介机构证明信息的真实性射频数据的完整性2、RFID系统的数据传输出错 • RFID系统采取无接触的方式进行数据传输，因此在传输 过程中很容易受到干扰，包括系统内部的热噪声和系统外 部的各种电磁干扰等，这些都会使传输的信号发生畸变， 从而使传输数据发生不受欢迎的改变从而导致传输错误， 如下图所示：图1 干扰导致数据传输发生错误射频数据的完整性2、RFID系统的数据传输出错• 当接收读写器发出的命令以及数据信息发生传输错误时， 如果被电子标签接收到，可能会导致以下结果： ①电子标签错误的响应读写器的命令； ②电子标签的工作状态发生混乱； ③电子标签错误的进入休眠状态 • 当电子标签发出的数据发生传输错误时，如果被读写器接 收到，可能导致以下结果： ①不能识别正常工作的电子标签，误判电子标签的工作状态 ； ②将一个电子标签判别为另一个电子标签，造成识别错误射频数据的完整性2、RFID系统的数据传输出错 • 因传输的信号畸变而导致的数据传输出错在RFID系统的 数据通信中是不能容忍的，解决的方法有两种： ①加大读写器的输出功率，从而提高信噪比，但这种方式有 一定的局限性，读写器发出的功率有限制，如果超限，会 造成电磁污染。

②在原始数据的后面加上一些校验位，这些校验位和前边的 数据之间具有某种关联，接收端根据判断收到的数据位和 校验位之间是否满足这种关联关系来判断有没有发生畸变 ，这就是差错控制编码射频数据的完整性3、差错控制方式 • 常用的差错控制方式主要有检错重发（简称ARQ），前向 纠错（简称FEC），混合纠错（简称HEC）射频数据的完整性3、差错控制方式 （1）检错重发（ARQ） • 检错重发又称自动请求重传方式，记作ARQ(Automatic Repeat Request) • 由发端送出能够发现错误的码，由收端判决传输中有无错 误产生，如果发现错误，则通过反馈信道把这一判决结果 反馈给发端，然后，发端把收端认为错误的信息再次重发 ，从而达到正确传输的目的 • 其特点是需要反馈信道，译码设备简单，对突发错误和信 道干扰较严重时有效， 但实时性差，主要在计算机数据 通信中得到应用 射频数据的完整性3、差错控制方式 （1）检错重发（ARQ） • 停止等待ARQ系统• 数据按分组发送每发送一组数据后，发送端等待接收端 的确认答复（ACK），然后再发送下一组数据 • 图中的第3组接收数据有误，接收端发回一个否认答复（ NAK），这时发送端将会重发第3组数据。

射频数据的完整性接收码组ACKACKNAKACKACKNAKACKt1233455发送码组 12334556 t有错码组有错码组3、差错控制方法 （2）前向纠错 • 前向纠错方式记作FEC( Forward Error Correction ) • 发端采用某种在解码时能纠正一定程度传输差错的较复杂 的编码方法，使接收端在收到的信码中不仅能发现错码， 还能够纠正错码 • 采用前向纠错方式时，不需要反馈信道，也不需反复重发 而延误传输时间，对实时传输有利，但是纠错设备比较复 杂射频数据的完整性3、差错控制方式 （3）混合纠错方式（HEC） • 混合纠错方式记作HEC(Hybrid Error Correction)是FEC和 ARQ方式的结合• 发端发送具有自动纠错同时又具有检错能力的码收端收 到码后，检查差错情况，如果错误在码的纠错能力范围以 内，则自动纠错，如果超过了码的纠错能力， 但能检测出 来，则经过反馈信道请求发端重发 • 这种方式具有自动纠错和检错重发的优点，可达到较低的 误码率，因此， 近年来得到广泛应用 • RFID系统一般使用第一种或第二种差错控制方式射频数据的完整性4、差错控制编码 •差错控制时所使用的编码，常称为纠错编码。

•根据码的用途，可分为检错码和纠错码检错码以检错为目的 ，不一定能纠错；而纠错码以纠错为目的，一定能检错 •监督码元：上述几种技术中，都是在接收端识别有无错码所 以在发送端需要在信息码元序列中增加一些差错控制码元，它 们称为监督码元 •不同的编码方法，有不同的检错或纠错能力 • 多余度：就是指增加的监督码元多少例如，若编码序列 中平均每两个信息码元就添加一个监督码元，则这种编码 的多余度为1/3 • 编码效率(简称码率) ：设编码序列中信息码元数量为k， 总码元数量为n，则比值k/n 就是码率 • 冗余度：监督码元数(n-k) 和信息码元数 k 之比射频数据的完整性4、差错控制编码 • 纠错编码的基本原理举例说明如下: • 设有一种由3位二进制数字构成的码组，它共有8种不同的 可能组合若将其全部用来表示天气，则可以表示8种不 同天气例如： “000”（晴），“001”（云），“010”（阴），“011”（雨），“100”（雪），“101”（霜），“110”（雾），“111”（雹） • 其中任一码组在传输中若发生一个或多个错码，则将变成 另一个信息码组这时，接收端将无法发现错误。

射频数据的完整性4、差错控制编码 •若在上述8种码组中只准许使用4种来传送天气，例如：“000”＝ 晴、“011”＝云、“101”＝阴、“110”＝雨 •这时，虽然只能传送4种不同的天气，但是接收端却有可能发现 码组中的一个错码 •例如，若“000”（晴）中错了一位，则接收码组将变成“100”或 “010”或“001”这3种码组都是不准使用的，称为禁用码组 •接收端在收到禁用码组时，就认为发现了错码当发生3个错码 时，“000”变成了“111”，它也是禁用码组，故这种编码也能检 测3个错码 •但是这种码不能发现一个码组中的两个错码，因为发生两个错 码后产生的是许用码组射频数据的完整性4、差错控制编码•上面这种编码只能检测错码，不能纠正错码例如，当接收码 组为禁用码组“100”时，接收端将无法判断是哪一位码发生了错 误，因为晴、阴、雨三者错了一位都可以变成“100” •要能够纠正错误，还要增加多余度例如，若规定许用码组只 有两个：“000”（晴），“111”（雨），其他都是禁用码组，则 能够检测两个以下错码，或能够纠正一个错码 •例如，当收到禁用码组“100”时，若当作仅有一个错码，则可以 判断此错码发生在“1”位，从而纠正为“000”（晴）。

因为“111” （雨）发生任何一位错码时都不会变成“100”这种形式 •但是，这时若假定错码数不超过两个，则存在两种可能性： “000”错一位和“111”错两位都可能变成“100”，因而只能检测出 存在错码而无法纠正错码射频数据的完整性5、汉明码•汉明码又叫线性分组码，它是一种能够自动检测并纠正一重错 的线性纠错码 •汉明码一般可用(n , k)表示其中，k是每组二进制信息码元的 数目，n是编码码组的码元总位数，又称为码组长度，简称码长 n-k=r为每个码组中的监督码元数目 •简单地说，汉明码是对每段k位长的信息组以一定的规则增加r 个监督元，组成长为n的码字在二进制情况下，共有2k个不同 的信息组，相应地可得到2k个不同的码字，称为许用码组其 余 2n-2k个码字未被选用，称为禁用码组射频数据的完整性• 检纠错码 –信息码元与监督码元 信息码元 k 监督码元r 185、汉明码• 在分组码中，非零码元的数目称为码字的汉明重量， 简称 码重例如，码字 10110，码重w=3 • 码距：把两个码组中对应位上数字不同的位数称为码组的 距离，简称码距码距又称汉明距离 • 例如，“000”＝晴，“011”＝云，“101”＝阴，“110”＝雨，4 个码组之间，任意两个的距离均为2。

再例如 11000 与 10011之间的距离为3 • 最小码距：把某种编码中各个码组之间距离的最小值称为 最小码距，用d０表示最小码距是码的一个重要参数， 它 是衡量码检错、纠错能力的依据射频数据的完整性5、汉明码 • 码距的几何意义• 对于3位的编码组，可以在3维空间中说明码距的几何意义 • 每个码组的3个码元的值(a1, a2, a3)就是此立方体各顶点 的坐标而上述码距概念在此图中就对应于各顶点之间沿 立方体各边行走的几何距离 • 由此图可以直观看出，上例中4个许用码组之间的距离均 为2射频数据的完整性(0,0,0)(0,0,1)(1,0,1)(1,0,0)(1,1,0)(0,1,0)(0,1,1)(1,1,1)a2a0a15、汉明码• 汉明不等式： • 设信息位的个数为k，监督位的个数为r，码长为n=k + r， 则汉明不等式为：• 由于n位码长中有一位出错，可能产生n个不正确的代码（ 错误位也可能发生在校验位），所以加上r位监督位后， 就需要定位n个状态 • 用 个状态中的一个状态指出“有无错”，其余 个状态 便可用于错误的定位射频数据的完整性5、汉明码码距与编码纠错能力的关系 •一种编码的最小码距d0的大小直接关系着这种编码的检错和纠 错能力。

为检测e个错码，要求最小码距d0≥e+1，现证明如下 ： •设一个码组A位于O点若码组A中发生一个错码，则我们可以 认为A的位置将移动至以O点为圆心，以1为半径的圆上某点， 但其位置不会超出此圆 •若码组A中发生两位错码，则其位置不会超出以O点为圆心，以2为半径的圆因此，只要最小码距不小于3，码组A发生两位以下错码时，不可能变成另一个许用码组，因而能检测错码的位数等于2 射频数据的完整性0123 BA 汉明距离ed05、汉明码码距与编码纠错能力的关系 •同理，若一种编码的最小码距为d0 ，则将能检测(d0 -1)个错码 反之，若要求检测e个错码，则最小码距d0至少应不小于( e+1) •为了纠正t个错码，要求最小码距d0  2t + 1，现证明如下： •图中画出码组A和B的距离为5码组A或B若发生不多于两位错 码，则其位置均不会超出半径为2以原位置为圆心的圆这两个 圆是不重叠的判决规则为：若接收码组落于以A为圆心的圆 上就判决收到的是码组A，若落于以B为圆心的圆上就判决为码 组B这样，就能够纠正两位错码射频数据的完整性B tA汉明距离012345 td05、汉明码码距与编码纠错能力的关系 • 若这种编码中除码组A和B外，还有许多种不同码组，但 任两码组之间的码距均不小于5，则以各码组的位置为中 心以2为半径画出之圆都不会互相重叠。

• 这样，每种码组如果发生不超过两位错码都将能被纠正 因此，当最小码距d0＝5时，能够纠正2个错码，且最多能 纠正2个若错码达。