第二章-射频识别技术工作原理

二、无线射频识别技术工作原理刘睿2010年3月11日[e-mail]2二、无线射频识别技术工作原理2.1无线射频识别技术基本工作原理2.2无线射频识别的数据传输协议与安全性2.3数据完整性2.4多目标识别与系统防冲突2.1无线射频识别技术基本工作原理无线射频识别技术（RadioFrequencyIdentification）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。4无线射频识别系统的基本构成DataPowerClockRFIDReader（读写器）天线Data-carrying（应答器）卡或标签天线Data-carrying（应答器）卡或标签Data-carrying（应答器）卡或标签5工作频率读写器发送无线信号时所使用的频率被称为无线射频识别系统的工作频率低频（30～300kHz）高频（3～30MHz）超高频（300MHz～3GHz）微波（2.45G以上）610kHz100kHz1MHz10MHz100MHz1000MHz300GHz手机物品管理交通管理调幅广播无线电玩具车库调频广播门禁管理动物识别物品管理交通管理无线局域网TV数据终端智能卡智能货架2.45GHz125KHz13.56MHz915MHz2.45GHz频谱工作频率7读写器及天线8读写器及天线9读写器及天线10不同的电子标签及封装11不同的电子标签及封装inlay12不同的电子标签及封装13不同的电子标签及封装14不同的电子标签及封装15不同的电子标签及封装16不同的电子标签及封装17不同的电子标签及封装18不同的电子标签及封装19不同的电子标签及封装20C/R协议响应指令标签物理存储应用响应应用系统读写器电子标签应用指令指令/响应单元物理读写器数据协议处理器编码器逻辑内存逻辑内存映射Note:TheLogicalMemoryMapintheTagPhysicalMemoryisdefinedbytheTagarchitectureandthemappingrulesintheTagDriver.AlltheinformationintheLogicalMemoryisrepresentedintheLogicalMemoryMap解码器标签驱动程序和映射规则应用程序接口空气介面无线射频识别系统工作原理21读写器的主要功能与应答器的通信功能：读写器的基本功能与应用系统之间的通信功能：让应用系统能够对读写器进行控制并处理应答器的数据信息在读写区内实现多应答器识别，完成防冲突功能校验读写过程中的错误电源装置射频处理器射频接收器射频振荡器天线射频模块电源电源装置其他设备放大器编解码器微处理器、存储器、标准接口、时钟电路辅助显示计算机及网络控制模块电源装置射频处理器射频接收器射频振荡器天线射频模块电源电源装置其他设备放大器编解码器微处理器、存储器、标准接口、时钟电路辅助显示计算机及网络控制模块射频模块包含发送器和接收器，其功能包括：•产生发射功率以启动应答器并提供能量；•对发射信号进行调制，用于将数据传送给应答器；•接收并解调来自应答器的射频信号。电源装置射频处理器射频接收器射频振荡器天线射频模块电源电源装置其他设备放大器编解码器微处理器、存储器、标准接口、时钟电路辅助显示计算机及网络控制模块控制模块也称为读写模块，其功能包括：•与应用系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发来的动作指令；控制与应答器的通信过程；•信号的编码与解码；防冲突算法的执行；•对物理读写器与应答器之间传送的数据进行加密和解密；•进行物理读写器与应答器之间的身份认证25读写器与应用系统之间的接口应用系统→读写器配置命令其他命令读写器→应用系统当前配置状态命令的执行结果26发生在读写器和标签之间的射频信号的耦合类型有两种电感耦合变压器模型、电磁感应定律典型作用距离为10～20cm典型工作频率125kHz,225kHz,13.56MHz具有环形天线的典型低频、高频标签27发生在读写器和标签之间的射频信号的耦合类型有两种电磁反向散射耦合雷达原理模型、电磁波的空间传播规律典型工作距离为3～10m典型工作频率为433MHz,915MHz,2.45GHz,5.8GHz具有双极天线的超高频和微波标签28无线射频识别系统的基本构成DataPowerClockRFIDReader（读写器）天线Data-carrying（应答器）卡或标签天线Data-carrying（应答器）卡或标签Data-carrying（应答器）卡或标签29被动式标签系统流程图读写器通过天线发射射频信号读写器天线接收应答器的载波信号应答器将信息通过内置天线发射应答器产生感应电流并被激活读写器对接收的信号进行解调和解码读写器将合法信息传送到后台主机30工作时序方式读写器和电子标签的工作次序读写器先讲（ReaderTalkFirst,RTF）标签先讲（TagTalkFirst,TTF）多标签同时识读（无冲突）31数据通信方式读写器→标签数据写入（离线/在线）标签→读写器标签收到读写器的射频能量时，即被激活并向读写器反射标签存储的数据信息标签被激活后，根据读写器的指令转入数据发送状态或休眠状态2.2无线射频识别的数据传输协议与安全性33数据传输协议与方式幅移键控（AmplitudeShiftKeying,ASK）频移键控（FrequencyShiftKeying,FSK）相移键控（PhaseShiftKeying,PSK）34数据编码方法反向不归零码（NonReturntoZero）曼彻斯特编码（Manchester）单极性归零编码（UnipolarRZ）差动双项编码（DBP）米勒编码（Miller）差动编码脉冲宽度编码（PulseWidthModulation）脉冲位置编码（PulsePositionModulation）3510110010101100101011001010110010NRZ编码曼彻斯特编码(双向)单极性归零编码差动双相编码数据编码方法36101100101011001010110010米勒编码变形米勒编码差动编码（1）数据编码方法37数据编码方法在下一脉冲前的暂停持续时间t表示1下一脉冲前的暂停持续时间2t表示0“开始”和“同步”也是用不同间隔t的脉冲来表示的10110010脉冲-间歇编码开始同步38脉冲位置编码每个数据比特的宽度是一致的脉冲出现在第一个时间段表示00第二个时间段表示01第三个时间段表示10第四个时间段表示110001020339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，企图进行一些非授权的行为为了假冒真正的数据载体，窃听无线电通信并重放数据40相互对称的鉴别加密密钥和解密密钥一样读写器：需要防止假冒的伪造数据标签：需要防止未经认可的数据读取或重写41相互对称的鉴别过程读写器密钥K电子标签密钥K①查询口令②随机数A③令牌1④令牌242相互鉴别过程的优点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随机数A执行逆变换获取令牌1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43相互鉴别过程的缺点所有属于同一应用的标签都采用相同的密钥K来保护安全程度依赖于密钥的保密程度44改进后的相互对称的鉴别过程——利用导出密钥的鉴别读写器密钥KX电子标签密钥KX①查询ID②ID识别号③查询口令④随机数AID识别号⑤令牌1⑥令牌2密钥KM生产时间密钥KM45加密的数据传输数据在传输时受到的物理影响可能是面临某种干扰（隐藏的攻击者）460F616E7AE5发送数据461F616E7AE5接收数据干扰攻击者1攻击者2试图窃听数据试图修改数据46加密算法对称加密算法：加密密钥和解密密钥相同，或者相互间有直接的关系非对称加密算法：解密过程与加密密钥的知识无关序列密码：每个符号在传输前单独加密分组密码：多个符号划分为一组进行加密47序列密码加密示意图460F616E7AE5发送数据46616E7AE5接收数据攻击者K密钥K0FK’3F041E4BBAFC加密数据？？？每一步都用不同的函数把明文的字符序列变换为密码序列101010„„发送数据010010„„101110„„接收数据010010„„密钥密钥密钥产生密钥销毁49由线性反馈移位寄存器组成的伪随机数发生器开关机构（编码器）移位寄存器节拍脉冲触发器2.3数据完整性数据完整性用来描述数据传输过程中一组、一帧或者一包数据的内在关联一致性。51数据完整性采用非接触技术传输数据时，很容易遇上干扰，使传输数据发生改变，因而导致传输错误，通常采用数据检错与纠错算法来解决常采用的方法有奇偶校验、纵向冗余校验、循环冗余校验52奇偶校验法把一个奇偶校验位组合到每一字节中（即每字节发送9位）接收端对接收到的数据进行与发送端相同的校验方法优点：简单，且广泛使用缺点：识别错误的能力低53纵向冗余校验法（LRC）7F433C568E数据D8LRC7F433C568E00D8接收数据LRC校验54纵向冗余校验法（LRC）优点：算法简单缺点：多个错误可能相互抵消主要用于快速校验很小的数据块对容量较小的标签（每次交互数据量不大）比较适合55循环冗余校验法（CRC）4672616E7A数据E5CRC00接收数据CRC校验804672616E7AE5800056循环冗余校验法（CRC）以8位数据91H（10010001）为例可把它看成是7次多项式M（x）＝x7＋x4＋1的系数算法规则（CRC码）为4次多项式G（x）＝x4＋x2＋1，系数为10101在信息码后面添加4个0构成多项式x4·M（x）即10010001000057循环冗余校验法（CRC）10010001000010101101011110010101100111010111000101011101010101111101010110111011011110010001101110101101011110010101100111010111010101011111110101101011010101011011158常用的CRC码G（x）＝x8＋x2＋x＋1G（x）＝x12＋x11＋x3＋x2＋x＋1G（x）＝x16＋x12＋x5＋1（CCITT）G（x）＝x16＋x12＋x2＋1（IBM）G（x）＝x32＋x26＋x23＋x22＋x16＋x12＋x11＋x10＋x8＋x7＋x5＋x4＋x2＋x＋159干扰与抗干扰标签标签错误的响应读写器的命令标签工作状态的混乱可写入标签错误的进入休眠状态读写器不能识别正常工作的标签，误判标签故障将一个标签判别为另外一个标签，造成识别错误60可能的抗干扰措施通过标签与读写器通信约定的数据完整性方法，检验出受到干扰出错的数据通过数据编码提高数据传输过程中的抗干扰能力，使得数据传输中不容易受到干扰通过数据编码与数据完整性校验，纠正数据传输中的某些差错通过多次重发、比较剔除出错的数据并保留判断为正确的数据61识读率与误读率识读标签总数正确识读标签数＝OK识读标签总数误读标签数＝ERROR622.4多目标识别与系统防冲突读写器应答器1应答器2应答器3应答器5应答器6应答器463冲突？！由于无法预知读写范围内的应答器的情况，因此从读写器到应答器的数据传输只能采用广播形式，即读写器发送的信号被所有应答器同时接收此时，由于同一标准的应答器采用的频率是一样的，因此如果多个应答器同时发送数据必然会导致读写器读到的数据面目全非，这就是所谓的冲突