物联网射频识别RFID核心技术教程PPT_001.pptx

1、,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,电,子,教,案,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,物联网射频识别（RFID）核心技术教程 本书物联网-射频识别（RFID）核心技术教程由物联网-射频识别（RFID）核心技术详解一书改编而来。物联网-射频识别（RFID）核心技术详解2011年11月荣获陕西省普通高等学校优秀教材一等奖，2012年12月修订出版第2版，2013年荣获陕西省高等教育教学成果二等奖。物联网-射频识别（RFID）核心技术教程2016年出版，本书适合作为高校教材。,点击此处结束放映,物联网射频识别（R

2、FID）核心技术教程,第10章 数据的完整性与 数据的安全性,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,RFID系统是一个开放的无线系统，外界的各种干扰容易使数据传输产生错误，同时数据也容易被外界窃取，因此需要有相应的措施，使数据保持完整性和安全性。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,在读写器与电子标签的无线通信中，存在许多干扰因素，最主要的干扰因素是信道噪声和多卡操作。在RFID系统中，为防止各种干扰和电子标签之间数据的碰撞，经常采用差错

3、控制和防碰撞算法来分别解决这两个问题。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,在RFID系统中，数据传输的完整性存在两个方面的问题：1、外界的各种干扰可能使数据传输产生错误；2、多个应答器同时占用信道使发送数据产生碰撞。运用数据检验（差错检测）和防碰撞算法可分别解决这两个问题。,数据传输的完整性存在哪些问题？,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,10.1.1 差错控制差错控制是一种保证接收数据完整、准确的方法。在数字通信中，差错控制利用编码方法对传输中产生的差错进行控制，以提高数字消息传输的准确性。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术

4、教程,1.差错的分类（1）随机错误（2）突发错误2.差错的衡量指标误码率（Bit Error Ratio，BER）是衡量在规定时间内数据传输精确性的指标。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,3.差错控制的基本方式差错控制编码可以分为检错码和纠错码。检错码能自动发现差错的编码；纠错码不仅能发现差错，而且能自动纠正差错的编码。（1）反馈纠错（ARQ）（2）前向纠错（FEC）（3）混合纠错,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,差错的控制方式,前向纠错接收端通过纠错解码自动纠正传输

5、中出现的差错，所以该方法不需要重传。这种方法需要采用具有很强纠错能力的编码技术。,检错重发中，在发送端加入少量的监督码元，在接收端根据编码规则对收到的信号进行检查，当发现有错码是，即向发送端发出询问信号，要求重发。发送端收到询问信号后，立即重发，直到信息正确接收为止。,混合纠错是ARQ和FEC的结合，设计思想是对出现的错误尽量纠正，纠正不了则需要通过重发来消除差错。,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,4.误码控制的基本原理为了使信源代码具有检错和纠错的能力，应当按照一定的规则在信源编码的基础上增加一些冗余码元(又称为监督码元)，使这些冗余码元与被传送信息码元之间建立一定的关系。在收信端，

6、根据信息码元与监督码元的特定关系，可以实现检错或纠错。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,（1）信息码元与监督码元信息码元又称为信息序列或信息位，这是发端由信源编码得到的被传送的信息数据比特，通常以 表示。监督码元又称为监督位或附加数据比特，这是为了检纠错码而在信道编码时加入的判断数据位，监督码元通常以 表示。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,检纠错码 信息码元与监督码元,信息码元 k 监督码元r,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,（2）许用码组与禁用码组（3）编码的效率编码效率越高，信道中用来传送信息码元的有效利用率就

7、越高。编码效率的计算公式为（4）码重与码距,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,5.误码控制编码的分类不同的编码建立在不同的数学模型基础上，具有不同的检错与纠错特性。（1）纠正随机错误码与纠正突发错误码（2）线性码与非线性码（3）分组码与卷积码,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,检纠错码的分类,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,6.奇偶校验码奇偶校验码无论信息位有多少，监督码元只有一位。（1）偶数监督码在偶数监督码中，它使码组中“1”的数目为偶数。（2）奇数监督码在奇数监督码中，它使码组中“1”的数目为奇数。,点击此处结束放

8、映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,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7080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。

9、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,RFID系统中的差错校验,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,奇偶校验的校验方程,设7位信息码组为C7C6C5C4C3C2C1,校验码为C0,则对偶校验,当满足C7C6C5C4C3C2C1C00（1）时,为合法码;对奇校验,当满足C7C6C5C4C3C2C1C0 1（2）时,为合法码。这里的表示模2相加。对于偶校验,合法码字应满足

10、n CiC00（3）i-1对于奇校验,合法码字应满足 n CiC01（4）i-1,注意:公式(1)(2)为奇偶校验位的生成方程;公式(3)(4)为校验方程。,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,7.行列监督码行列监督码是二维的奇偶校验码。行列监督码的基本原理与奇偶校验码相似，不同的是每个码元要受到纵和横的两次监督。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,8.CRC校验循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）是RFID常用的一种差错校验方法。循环码具有循环性，即循环码中任意一个码组循环一位(将最右端的码移至最左端)以后，仍为该码中的一个码组。

11、（1）CRC码的特点（2）生成CRC码的原则（3）CRC码的校验方法（4）常用的CRC生成多项式,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,循环冗余校验码(Cyclic Redundancy Check,CRC),CRC码是一种检错、纠错能力很强的数据校验码,主要用于网络、同步通信及磁表面存储器等应用场合。1循环冗余校验码的编码方法循环冗余校验码由两部分组成,左边为信息位,右边为校验位。若信息位为N位,校验位为K位,则该校验码被称为(NK,N)码。编码步骤如下：(1)将待编码的N位有效信息位表示为一个n

12、1阶的多项式M(X)。(2)将M(X)左移K位,得到M(X).Xk（K由预选的K1位的生成多项式G(X)决定）。(3)用一个预选好的K1位的G(X)对M(X).Xk作模2除法。(4)把左移K位后的的有效信息位与余数作模2加法,形成长度为NK的CRC码。M(X).XkR(X)Q(X).G(X),物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,举例,例:选择生成多项式为G(X)X4X1(10011),请把8位有效信息11110111编码成CRC码。解：步骤1：M(X)X7X6+X5X4+X2X1+1 11110111 步骤2:M(X).X4 111101110000(即左移4位）步骤3：

13、模2除，M(X)X4G(X)111101110000 1001111100101111110011，即R(X)1111步骤4：模2加，得到循环冗余码为M(X)X4R(X)111101110000 1111 111101111111,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,纠错原理,由于M(X).XkQ(X).G(X)R(X)，根据模2加的规则M(X).Xk R(X)Q(X).G(X)R(X)R(X)Q(X).G(X)上式表明,合法的CRC码应当能被生成多项式整除。若CRC码不能被生成多项式整除，说明出现了信息的传送差错。,发送数据,接收数据,CRC,CRC校验,物联网射频识别

14、（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,生成多项式的选择,生成多项式被用来生成CRC码,但并非任何一个K1位的多项式都能作为生成多项式用,它应满足下列要求：（1）任何一位出错都应使余数不为0。（2）不同位出错应使余数不同。（3）对余数继续作模2除法，应使余数循环。生成多项式的选择主要靠经验，但已有3种多项式成为标准而被广泛运用,它们都具有极高的检错率,分别是:CRC-12X12X11X3X2X1CRC-16X16X15X21CRC-CCITTX16X12X51CRC-32=X32X26X23+X22X16X12+X11X10X8+X7X5X4+X2X1,物联网射频识别（RFID）核心技术教

15、程,点击此处结束放映,多项式除法，可用除法电路来实现。除法电路的主体由一组移位寄存器和模2加法器(异或单元)组成。以CRC-ITU为例，它由16级移位寄存器和3个加法器组成，见下图(编码/解码共用)。编码、解码前将各寄存器初始化为1，信息位随着时钟移入。当信息位全部输入后，从寄存器组输出CRC结果。,补充1：,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,补充2：,16位CRC适用于校验4000字节长的数据块的完整性，超过此长度，性能下降。RFID中传输的数据块都比4000字节短，故也可用12位或8位的CRC。,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,10.1.2 数据传输中的防碰

16、撞问题在RFID系统中，读写器的作用范围经常有多个电子标签同时要求通信，导致数据传输经常发生碰撞问题，因此需要对防碰撞进行研究。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,不需拆箱即可同时读取多笔资料同时要求通信会发生碰撞吗？,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,在RFID系统应用中，因为多个读写器或多个标签，造成的读写器之间或标签之间的相互干扰，统称为碰撞。,1、标签碰撞2、读写器碰撞,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,1.数据传输的工作方式（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。,点击此处结束放映,物联网射频

17、识别（RFID）核心技术教程,（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。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,电子标签1,电子标签2,电子标签4,电子标签3,电子标签5,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,电子标签1,电子标签2,电子标签4,电子标签3,电子标签5,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,R1,Rr,Rr,Reader2,Reader1,读写器-读写器频率干扰,Rr为Reader1和Reader2的读取范围,从标签T反射到读写器Rea

18、der2的信号很容易被从Reader1发出的信号干扰。,Tag,读写器碰撞,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,多读写器一标签干扰,标签1接收到的信息为两个读写器发射信号的矢量和,是一个未知信号。,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,无线通信技术中，通信碰撞的四种解决防碰撞方法：空分多址(SDMA)频分多址(FDMA)码分多址(CDMA)时分多址(TDMA),二、防碰撞机制的实现,如何解决碰撞的问题呢？,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,空分多址SDMA法,空间分割多重存取,分离的空间范围内重新使用确定的资源（通信容量）,1、

19、自适应SDMA，电子控制定向天线，天线的方向直接对准某个标签,2、减少单个读写器的作用范围,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,读写器,Tag1,Tag3,Tag5,Tag4,Tag2,阅读器广播命令,阅读器读写区域,f1,f2,f3,f4,f5,频分多址FDMA法,RFID系统把不同载波频率的传输通道分别提供给电子标签用户,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,时间分割TDMA,TDMA是把整个可供使用的信道容量按时间分配给多个同户的技术。,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来

20、区分，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说，靠信号的不同波形来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。CDMA是利用不同的码序列分割成不同信道的多址技术。CDMA的频带利用率低，信道容量较小，地址码选择较难、接收时地址码捕获时间较长，其通信频带和技术复杂性在RFID系统中难以应用。,码分多址(CDMA),物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,标签控制（驱动法）以电子标签为主控器，读写器对数据传输没有控制。该方法 控制很慢不灵活。阅读器控制（询问驱动法）所有标签同时由阅读器进行控制和检测，通过一定算法，在所有标签中选择其中一个标签，然后进行相互通信（如鉴

21、别、读出或写入数据）。为了选择另一个标签，应该解除原来的通信关系，因为在某一时间内只能建立起唯一的通信关系，即单个标签占用信道通信，可以按时间顺序快速地操作众多标签。所以阅读器控制的方法也称作定时双工传输法。,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,2.防碰撞算法现有的RFID防碰撞算法都是基于TDMA算法，可划分为Aloha防碰撞算法和基于二进制搜索（Binary Search，BS）算法两大类。Aloha防碰撞算法有ALOHA算法、时隙ALOHA算法；BS防碰撞算法有二进制树型搜索算法、修剪枝的二进制树型搜索算法等。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,（1）ALOH

22、A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。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,（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。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）

23、核心技术教程,点击此处结束放映,ALOHA防碰撞算法 Aloha协议或称Aloha技术、Aloha网，是世界上最早的无线电计算机通信网。Aloha网络可以使分散在各岛的多个用户通过无线电信道来使用中心计算机，从而实现一点到多点的数据通信。第一个使用无线电广播来代替点到点连接线路作为通信设施的计算机系统是夏威夷大学的ALOHA系统。该系统所采用的技术是地面无线电广播技术，采用的协议就是有名的ALOHA协议，叫做纯ALOHA(Pure ALOHA)。以后，在此基础上，又有了许多改进过的ALOHA协议被用于卫星广播网和其它广播网络。各种ALOHA算法：纯ALOHA算法、时隙ALOHA算法、帧时隙AL

24、OHA算法、动态帧时隙ALOHA算法。,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,ALOHA算法的模型图,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,纯ALOHA算法 思想：只要用户有数据要发送，就尽管让他们发送 纯ALOHA算法的标签读取过程：（1）各个标签随机的在某时间点上发送信息。（2）阅读器检测收到的信息，判断是成功接收或者碰撞。（3）若判断发生碰撞，则标签随机等待一段时间再重新发送信息。纯ALOHA存在的问题：（1）错误判决。即对同一个标签，如果连续多次发生碰撞，则将导致阅读器出现错误判断，认为标签不在阅读器作用范围内。（2）数据帧的发送过程中发生碰撞的

25、概率很大。过多的碰撞导致吞吐量下降系统性能降低。解决方向：减小碰撞发生次数缩短重发延时,存在的问题？,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,吞吐率S-代表有效传输的实际总数据率，即在观察时间T0内标签成功通信的平均次数输入负载G-发送的总数据率，即观察时间T0内标签的平均到达次数S=G*Pe 其中Pe是到达的标签能成功完成通信的概率,性能分析,由概率论知识：Pe=e-2G所以：纯ALOHA算法的吞吐率为：S=G*e-2G,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,当输入负载G=0.5时，系统的吞吐率达到最大值0.184。由于纯ALOHA算法中存在碰撞概率较大

26、，在实际中，该算法仅适于只读型的标签，即阅读器只负责接收标签发射的信号，标签只负责向阅读器发射信号的情况。,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,时隙ALOHA算法 在ALOHA算法的基础上把时间分成多个离散时隙(slot)，并且每个时隙长度要大于标签回复的数据长度，标签只能在每个时隙内发送数据。每个时隙存在：a 空闲时隙：此时隙内没有标签发送 b 成功识别时隙：仅一个标签发送且被正确识别 c 碰撞时隙：多个标签发送，产生碰撞,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,时隙ALOHA算法的吞吐率为：S=G*e-G当输入负载G=1时，系统的吞吐量达到最大值0.

27、368，避免了纯ALOHA算法中的部分碰撞，提高了信道的利用率。需要一个同步时钟以使阅读器阅读区域内的所有标签的时隙同步。,时隙ALOHA算法示意图,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,Frame Slotted Aloha(FSA)将N个时隙组成一帧，一帧中包含的时隙数固定，标签随机选择N个时隙中的一个与阅读器通信，一旦碰撞则等待下一帧，重新选择时隙重发信息。优点：简化了时隙Aloha的随机退避机制。缺点：当标签数远大于N时，出现“饿死现象”；当标签数远小于N时，较多时隙空闲，产生浪费。,固定帧时隙Aloha运用于RFID系统示意图,帧时隙ALOHA算法,物联网射频识别

28、（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,动态帧时隙ALOHA算法（DFSA）,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,动态帧时隙Aloha运用于RFID系统示意图,当系统待识别标签数较多时，动态增加帧长，可以降低时隙碰撞率，提高系统性能；当系统待识别标签数较少时，动态减少帧长，可以降低空闲时隙比率，提高时隙利用率，提高系统性能；,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,二进制树型搜索算法,冲突节点,非冲突节点,0,1,10,11,100,101,树分叉算法,基本思想是：将处于碰撞的标签分成左右两个子集0和1，先查询子集0，若没有碰撞，则正确识别标签，若仍

29、有碰撞则分裂，把1子集分成00和01两个子集，直到识别子集1中所有标签。,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,1,0,1,1,0,0,0,0,1,1,1,0,?,?,?,射频卡1,射频卡2,读写器译码,在二进制搜索算法的实现中，起决定作用的是读写器所使用的信号编码必须能够确定碰撞的准确比特位置。曼彻斯特码(Mancherster)可在多卡同时响应时，译出错误码字，可以按位识别出碰撞。这样可以根据碰撞的位置，按一定法则重新搜索射频卡。,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,范例,A:10100111,B:10110101,C:10101111,D:101

30、11101,R:11111111,R:11111111,送REQUEST（11111111）命令，要求区域内所有标签应答，根据曼彻斯特编码，解码数据为101?1?1,发生碰撞，算法做下如下，将碰撞的最高置0，其它碰撞位置1。得下次的REQUEST(10101111),?,?,R表示阅读器,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,Improved Anti-collision Algorithm搜寻过程,10100111,10110101,10101111,10111101,11111111,101?1?1,10101111,10100111,10101111,1010?111

31、,10100111,10100111,识别TagA,10110101,10101111,10111101,11111111,101?1?1,10101111,10101111,识别TagB,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,Improved Anti-collision Algorithm搜寻过程,10110101,10111101,11111111,1011?101,10110101,10110101,10111101,10111101,识别TagC,识别TagD,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,射频卡进入读写器的工作范围，读写器发出一个最大

32、序列号让所有射频卡响应；同一时刻开始传输它们的序列号到读写器的接收模块。,读写器对比射频卡响应的序列号的相同位数上的数。,出现不一致的现象,即有的序列号该位为0，而有的序列号该位为1,把有不一致位的数从最高位到低位依次置O再输出系列号，即依次排除序列号大的数，至读写器对比射频卡响应的序列号的相同位数上的数完全一致时，说明无碰撞。,选出序列号最小的数后，对该标签进行数据交换，然后使该卡进入“无声”状态。,Y,N,二进制搜索算法的工作流程是：,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,10.1.3 RFID中数据完整性的实施策略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

33、数据传输的完整性和可靠性。1.信号的编码、调制与校检2.信号防冲突,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,70,TYPE A（位检测防碰撞协议）帧有3种类型：短帧、标准帧和面向比特的防碰撞帧。,ISO/IEC 14443标准中的防碰撞协议,短帧,标准帧,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,面向比特防碰撞帧,加校验位,不加校验位,不加校验位,物联网射频识别（RFID）核心技术教程,点击此处结束放映,备用,经营者编码,UID大小00：UID级长为101：UID级长为210：UID级长为3,比特帧防碰撞方式，仅有1位设置成1,命令集 REQA/WUPA命令PCD给PICC发送查询信息。这两个命令为短帧。REQA编码为26H（高半字节取3位），WUPA编码为52H（高半字节取3位）