RFID复习.docx
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RFID复习
RFID复习
第一章物联网概论
一、物联网Internetofthings
分为标识、感知、处理和信息传送四个环节，对应的关键技术为RFID、传感器、智能芯片和无线传输网络。
中国——感知中国
美国“智能电网”和“智慧地球”
欧洲“物联网行动计划”
日韩“U-Japan”和“U-Korea”战略
新加坡“智慧国2015”发展蓝图
第二章RFID系统概论
一、RFID——RadioFrequencyIdentification
RFID利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递达到识别目标的技术。
系统通常读写器、电子标签及应用软件组成。
可用于物流，电子票证，动物或资产追踪管理，供应冷链，高速公路智能收费等领域。
二、工作原理：
读写器控制射频模块发出射频信号，电子标签主动发送（有源标签）或者凭借感应电流所获得的能量（无源标签）发送出芯片中的存储信息，接收标签的应答，读写器对标签的传递过来的信息进行解码，并传输到主机进行数据处理。
1）在低频段（100MHz以下）基于电感耦合（近距）
2）在高频段（400MHz以上）基于电磁反向散射耦合（雷达，远距）
三、按工作频段分类：
工作频段
通信标准协议
优点
缺点
低频（LF）
<125KHz
ISO18000-2
ISO11785
标准CMOS工艺
技术简单可靠成熟
无频率限制
通信速度低
识别距离短（<10cm）
天线尺寸大
高频（HF）
13.56MHz
ISO18000-3
ISO14443
ISO15693
与标准CMOS工艺兼容
技术可靠成熟
在交通智能卡等领域应用广泛
距离不够远（<75cm）
天线尺寸大，
受金属材料等影响大
超高频（UHF）
840-845MHz和
920-925MHz
ISO18000-6
ISO18000-7
长距离定向识别
天线尺寸小，可绕射，无需可视距离，
发展潜力巨大
各国有不同的频段管制，
受金属和液体等材料影响较大
对人体有伤害，限制发射功率
微波
2.45～5.8GHz
ISO18000-4
DSRC
除了UHF特性外
更高的带宽和通信速率
更长识别距离，更小的天线尺寸
ISM频段共享产品多
易受干扰，技术相对复杂
对人体有伤害，限制发射功率
第三章RFID的工作原理
一、RFID工作原理
•阅读器通过天线向周围空间发送一定频率的射频信号;
•标签一旦进入阅读器天线的作用区域将产生感应电流，获得能量被激活;激活标签将自身信息编码后经天线发送出去;
•阅读器接收该信息，经过解码后必要时送至后台网络;
•后台网络中主机鉴定标签身份的合法性，只对合法标签进行相关处理，通过向前端发送指令信号控制阅读器对标签的读写操作;
二、RFID的三种工作模型
1）以能量供给为基础的工作模型
无源电子标签：
当标签进入阅读器的工作范围内以后，标签收到阅读器发送的信号，产生感应电流从而激活内部的电路，内部整流电路将射频能量转化为电能，将该能量存储在标签内部的大电容里，进而为其正常工作提供了所需的能量。
半有源电子标签：
阅读器发送的射频信号只用来激活标签。
有源电子标签：
只要标签处于阅读器的工作范围以内，就可以主动向阅读器发送信号。
2）以时序方式完成数据传输的工作模型
阅读器先发言模式（RTF,ReaderTalkFirst）
如果阅读器不主动激活电子标签的话，电子标签不会向阅读器发送信号，通常用于无源标签。
电子标签先发言模式（TTF,TagTalkFirst）
就算阅读器不激活标签，标签也会主动向阅读器发送信号
3）以数据传输为目的的工作模型
上行链路传输
电子标签向阅读器的数据传输。
下行链路传输
阅读器向电子标签的数据传输。
离线写入：
无论是哪一类电子标签都有离线写入这种情况。
所有电子标签在出厂之前都要由生产厂家将标签的ID号（EPC）固化写入，该ID号是标签的身份标识，是唯一的，一旦写入以后将永远不能修改。
在线写入：
拓展高级功能，可写标签，结构复杂，成本高。
三、RFID防碰撞理论
1）碰撞的种类
阅读器碰撞：
多个阅读器同时与一个标签通信，致使标签无法区分阅读器的信号。
电子标签碰撞：
多个标签同时响应阅读器的命令而发送信息，使阅读器无法识别标签。
2）传统解决方案
1）空分多址（SDMA）
2）频分多址（FDMA）
3）码分多址（CDMA）
4）时分多址（TDMA）
应用最广泛，又可以分为基于概率的ALOHA算法（饿死）和确定的二进制算法两种。
3）ALOHA反碰撞算法
1、纯ALOHA算法
•主要采用标签先发言（Tag-Talk-First）的方式，即电子标签一旦进入阅读器的工作范围获得能量后，便向阅读器主动发送自身的序列号。
•在某个电子标签向阅读器发送数据的过程中，如果有其它电子标签也同时向该阅读器发送数据，此时阅读器接收到的信号就会产生重叠，导致阅读器无法正确识别和读取数据。
•阅读器通过检测并判断接收到的信号是否发生碰撞，一旦发生碰撞，阅读器则向标签发送指令使电子标签停止数据的传送，电子标签接到阅读器的指令后，便随机的延迟一段时间再重新发送数据。
在纯ALOHA算法中，假设电子标签在t时刻向阅读器发送数据，与阅读器的通信时间为To，则碰撞时间为2T0。
G为数据包交换量，S为吞吐率。
2、SlottedALOHA算法：
•为提高RFID系统的吞吐率，可以把时间划分为多段等长的时隙，时隙的长度由系统时钟确定，并且规定电子标签只能在每个时隙的开始时才能向阅读器发送数据帧，这就是SlottedALOHA算法；
•根据上述规定可得，数据帧要么成功发送，要么完全碰撞，避免了纯ALOHA算法中部分碰撞的发生，使碰撞周期变为To；
•它是纯ALOHA算法的简单改进，也属于时分多址法，它的缺点是需要同步时钟的控制；
3、FrameSlottedALOHA算法（FSA）：
•ALOHA的另一种改进算法是帧时隙ALOHA算法（FSA）。
•它是在SlottedALOHA算法的基础上把N个相同的时隙组成一帧，且在整个电子标签识别过程中，帧的大小是固定的，帧中的每个时隙足够一个电子标签与阅读器进行完通信，该算法也称为固定帧时隙ALOHA算法。
•该算法比较适用于传输信息量较大的场合，和SlottedALOHA算法一样，帧时隙ALOHA算法同样需要一个同步开销。
步骤
•首先由阅读器把帧长度N发送给电子标签，电子标签则产生[1，N]之间的随机数，接下来各电子标签选择相应的时隙，与阅读器进行通信；
•如果当前时隙与电子标签随机产生的数相同，电子标签则响应阅读器的命令，若不同，标签则继续等待。
•假如当前时隙内仅有一个电子标签响应，阅读器就读取该标签发送的数据，读取完了以后就使该标签处于“无声”状态。
•如果当前时隙内有多个标签响应，则该时隙内的数据就出现了碰撞，此时阅读器会通知该时隙内的标签，让它们在下一轮帧循环中重新产生随机数参与通信。
•逐帧循环，直到识别出所有电子标签为止。
4、DynamicFSA算法：
•该算法根据上一读写周期中统计的成功识别的时隙数、发生碰撞的时隙数、空闲时隙数信息来调整下一读写周期的帧长度。
具体调整方法有两种。
•第一种：
根据统计信息，当碰撞时隙数达到规定的上限时，读写器增大下一帧的长度；当碰撞时隙数少于规定的下限时，读写器减少下一帧时隙数。
使用该方法当标签规模不大时，读写器使用较短的帧长度就能快速识别标签，而当标签数量很多时，读写器不得不增加帧长度以减少碰撞次数。
•第二种：
读写器以2或4个时隙数为一帧开始，如果没有一个标签能够成功识别，读写器增加帧长度开始下一轮读写周期。
重复上述过程直到至少有一个标签被成功识别。
当有一个标签成功识别后，读写器立刻停止当前的读写周期，然后读写器再以开始时最小的帧长度开始下一轮读写识别。
•该算法通过动态调整帧长度，相比帧时隙算法在标签规模不大时能够取得较理想的吞吐率。
可是一旦标签个数很大时，增大帧长度就不是很好的解决方法，因为帧长度不能无限制的增大。
•采用ALOHA系列算法，假设阅读器射频工作范围内存在n个标签，理论上阅读器至少需要n个时隙的时间才能成功识别完，最坏的情况下，阅读器经过多次搜索也未能识别出某个标签，导致出现“饿死现象”。
•而Binary-Tree系列算法并不会采取退避原则，而是直接进行解决。
当多标签同时发送信息而碰撞时，读写器利用碰撞位将碰撞的标签分为两个或更多子集，对每个子集分别识别。
如果存在碰撞则继续再划分，直到标签被完全识别为止。
这样则有效地避免了标签的“饿死现象”。
四、RFID相关电磁场理论
读写器和电子标签通过各自的天线构建了二者之间的非接触信息传输通道。
根据观测点与天线之间的距离由近及远可以将天线周围的场划分为三个区域：
非辐射场区：
场强与距离天线的远近有关，电磁能量只在场源附近来回流动，随着与天线的距离不断增大，场强不断减小。
分界：
R=λ/2π
辐射近场区：
菲涅尔区，电磁能量会脱离天线的束缚进入到外空间。
该区域里辐射场的角度分布与距天线口径的距离远近有关。
分界：
R=2D2/λ（已知天线直径为D，天线波长为λ）
辐射远场区：
夫郎荷费区，该区域里辐射场的角度分布与距天线口径的距离远近是不相关的。
五、RFID的能量传递
读写器到电子标签的能量传递
距离读写器R处的电子标签的功率密度S为：
电子标签所能接收到的最大功率Ptag：
PTx读写器的发射功率，GTx读写器发射天线的增益，Gtag电子标签接收天线的增益，R电子标签与读写器间距
电子标签到读写器的能量传递
Pback电子标签反射出去的功率，σ雷达散射截面，Sback功率密度，PRx读写器接收到的功率
第四章RFID读写器
一、读写器的功能
①实现与电子标签的通讯：
最常见的就是对标签进行读数，这项功能需要有一个可靠的软件算法确保安全性、可靠性等。
除了进行读数以外，有时还需要对标签进行写入，这样就可以对标签批量生产，由用户按照自己需要对标签进行写入；
②给标签供能:
在标签是被动式或者半被动式的情况下，需要读写器提供能量来激活射频场周围的电子标签；阅读器射频场所能达到的范围主要由天线的大小以及阅读器的输出功率决定的。
天线的大小主要是根据应用要求来考虑的，而输出功率在不同国家和地区，都有不同的规定。
③实现与计算机网络的通讯
④实现多标签识别
⑤实现移动目标识别
⑥实现错误信息提示
⑦有源标签的电池信息
二、读写器的组成
天线：
•发射和接收射频载波信号
•将读写器中的电流信号转换成射频载波信号并发送给电子标签，或者接收标签发送过来的射频载波信号并将其转化为电流信号；
•无源标签能量供给
射频接口模块
•包括发射器、射频接收器、时钟发生器和电压调节器等。
该模块是读写器的射频前端，负责射频信号的发射及接收。
•调制电路负责将需要发送给电子标签的信号加以调制，然后再发送；
•解调电路负责将解调标签送过来的信号并进行放大；
•时钟发生器负责产生系统的正常工作时钟。
逻辑控制模块
•读写器的逻辑控制模块是整个读写器工作的控制中心、智能单元，是读写器的“大脑”，读写器在工作时由逻辑控制模块发出指令，射频接口模块按照不同的指令做出不同的操作。
•包括微控制器、存储单元和应用接口驱动电路等。
•微控制器可以完成信号的编解码、数据的加解密以及执行防碰撞算法；
•存储单元负责存储一些程序和数据；
•应用接口负责与上位机进行输入或输出的通信。
三、读写器的IO接口
①RS-232串行接口：
计算机普遍适用的标准串行接口，能够进行双向的数据信息传递。
它的优势在于通用、标准，缺点是传输距离不会达到很远，传输速度也不会很快。
②RS-485串行接口：
也是一类标准串行通信接口，数据传递运用差分模式，抵抗干扰能力较强，传输距离比RS-232传输距离较远，传输速度与RS-232差不多。
③以太网接口：
阅读器可以通过该接口直接进入网络。
④USB接口：
也是一类标准串行通信接口，传输距离较短，传输速度较高。
四、读写器的发展趋势
低成本，多功能、多制式兼容、多频段兼容、小型化、多数据接口、便携式、多智能天线端口、嵌入式和模块化。
第五章RFID电子标签
一、RFID电子标签的构成
①天线：
主要的功能是接收阅读器传送过来的电磁信号或者将阅读器所需要的数据传回给阅读器，也就是负责发射和接收电磁波。
它是电子标签与读写器之间联系的重要一环；
天线的要求
①体积要足够小，因为天线还要嵌入到体积很小的电子标签中
②要具有全向性，或者覆盖半球的方向性
③要能够为电子标签当中的芯片供给能量，并保证芯片获得的信号最大化
④要保证不管标签的位置在哪里，天线都能够正常的与阅读器进行通信
⑤要具有鲁棒性。
⑥考虑到电子标签的价格，天线的价格也不应过高。
天线的分类
（1）线圈型
（2）微带贴片天线
（3）偶极子天线
②射频接口：
电压调节单元：
主要用来把从读写器接收过来的射频信号转化为直流电源（DC），并且经由其内部的储能装置（大电容）将能量储存起来，再通过稳压电路，以确保稳定的电源供应；
调制解调单元：
由控制单元传出的数据需要经过调制单元的调制以后，才能加载到天线上，成为天线可以传送的射频信号，再回传给阅读器；解调单元负责将经过调制的信号加以解调，将载波去除，以获得最初的调制信号
③芯片：
存储单元：
主要用于存储系统运行时产生的数据或者识别数据等。
逻辑控制单元：
负责对读写器传送来的信号进行译码，并且按照读写器的要求回传数据给读写器
二、电子标签的技术参数
①能量需求
②传输速率
③读写速度
④工作频率
⑤容量
⑥封装形式
三、电子标签的发展趋势
①工作距离更远：
②无线可读写性能更加完善
③更加适合高速移动物体识别
④快速多标签读写功能更加完善
⑤自我保护功能更加完善
⑥标签附属功能更多。
⑦体积更小
⑧成本更低
第六章射频数据的完整性
一、射频数据的完整性基本概念
完整性：
指信息XX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。
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。
保证信息完整性：
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。
二、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。
三、差错控制方式
四、差错控制编码
定义：
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：
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。
评价标准
•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。
五、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。
•码重：
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。
•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
六、奇偶校验法
常用的奇偶检验法为垂直奇偶校验、水平奇偶校验和水平垂直奇偶校验。
七、循环冗余校验（CRC）
CRC校验码的计算步骤如下：
1
设G（x）为r阶，在数据块M（x）的末尾附加r个0，则相应的多项式为；
2
按模2除法用对应于G（x）的位串去除对应于的位串；
3按模2减法从对应于的位串中减去余数（总是小于等于1）。
结果就是要传送的带循环冗余校验码的数据块。
下面举个例子来说明一下校验码的计算过程。
•假设4位的信息位为1010，生成多项式G（x）为，那么G（x）的二进制表示形式就为1011，因为G（x）为3阶，所以要在数据块M（x）后面附加3个0，变成1010000。
•用生成多项式G（x）1011去除1010000，可得余数为011，
•所以传输的数据块为1010011。
八、性能指标
•射频识别系统的性能指标包括有效性、可靠性、适应性、标准型、经济性以及易维护性等等。
•在射频识别系统中，识读率PR和误码率PE是用户最为关心的问题。
设待识读标签数为NA，正确识读的标签数为NR，每个标签的码元数为NL，读写器识读出发生错误的码元总数为NE，则：
第七章射频数据的安全性
一、射频识别系统的安全分析
RFID信息系统可能受到的威胁有两类：
物理环境如电磁干扰、断电、设备故障等威胁；
人员威胁：
管理者攻击、用户攻击、前管理者的攻击、前用户攻击、外部人员攻击。
攻击手段
（1）主动攻击：
1.获得RFID标签的实体，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、进行目标标签的重构。
2.用软件利用微处理器的通用接口，扫描RFID标签和响应阅读器的探寻，寻求安全协议加密算法及其实现弱点，从而删除或篡改标签内容。
3.通过干扰广播、阻塞信道或其他手段，产生异常的应用环境，使合法处理器产生故障，拒绝服务器攻击等。
（2）被动攻击
1.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，获得RFID标签和阅读器之间的通信数据。
Eg：
美国某大学教授和学生利用定向天线和数字示波器监控RFID标签被读取时的功率消耗，通过监控标签的能耗过程从而推导出了密码。
根据功率消耗模式可以确定何时标签接收到了正确或者不正确的密码位。
二、密码学技术原理
常见的密码算法体制有对称密码体制和非对称密码体制两种。
对称密码体制从得到的密文序列的结构来划分，有序列密码和分组密码两种不同的密码体制
三、射频识别系统的加密机制
在射频识别应用系统上主要采用三种传输信息保护方式，
•认证传输方式：
不保密，纠错
•加密传输方式：
保密，不纠错
•和混合传输方式：
保密，纠错
物联网射频识别（RFID）试题！
求大神！
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智能电网
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1，在低频、高频系统中，电子标签通过电阻负载调制实现数据传输的方法是如何实现的？
2，EPC系统对象名称解析的工作流程是怎么的？
稍作说明
3，试说明RFID通信系统模型
4，试说明数字通信系统模型
5，举例说明存储型标签是如何保证应用安全的？
6，以MFIARE公交卡为例，说明逻辑加密型的电子标签是如何进行身份验证的？
7，试说明由U2270B构成的读写器硬件结构。
8，试说明单片机AT89S51和MFRC500芯片构成的读写器的硬件结构。
10，EPC电子标签结构
11，读写器结构。
12，EPC中间件结构。
13，EPC读写器结构。
14，一般的读写器硬件结构。
15，RFID系统的中间件结构。
16，中间件的逻辑结构。
17，中间件的组件可以分为？
18，中间件的分类
19，按中间件的系统结构分为
20，含有芯片的电子标签组成
21，含有微处理器的电子标签组成
22，具有存储功能的电子标签有控制电路组成
23，RFID系统的组成和一般工作原理
24，在RFID中，电子标签处于什么地位？
有哪些功能特征？
25，各射频段电子标签的特点
26，RFID系统的一般工作流程
27，读写器的功能特征
28，系统高层（中间件）的功能特征
29，RFID天线制造工艺有哪些方法？
而对于微波RFID又采用的是哪种制造工艺？
以及有何应用价值？
30，EPC读写器的功能特征
31，EPC系统（基于RFID物联网）包括哪些部分？
并说明各部分具有哪些功能？
32，什么是条码？
什么是EPC代码？
二者有怎样的联系?
33,EPC代码数据结构的组成
34，RFID有哪些标准体系？
所包括的内容有哪些？
35，ISM频段有哪些？
用于物联网主要频段又有哪些？
36，低、高频RFID电磁场特征
37，微波频RFID电磁场特征
38，基于RFID电磁反向散射方式的射频前端结构
39，误码差错控制的原理实质
40，按工作原理的不同，电子标签分为哪些？
41，中间件的作用
42，ISO/IECRFID标准体系架构有哪些？
试举例说明
2013至2014学年第一学期
课程《RFID技术应用》期末考试试题
题目
一
二
三
四
总分
得分
阅卷人
一、填空题（每空1分，共20分）
1.RFID系统按照工作频率分类，可以分为、、、四类。
2.常见的密码算法体制有和两种。
3.在奇校验法中，无论信息位多少，监督位只有1位，它使码组中“1”的数目为。
4.RFID系统中有两种类型的通信碰撞存在，一种是，另一种是。
5.最常用的差错控制方法
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