射频识别技术工作原理

4
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）
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工作频率
915 MHz 125 KHz
门禁管理 动物识别
13.56 MHz
智能卡 智能货架
物品管理 交通管理
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数据编码方法
1 0 1 1 0 0 1 0
NRZ编码
1 0 1 1 0 0 1 0
曼彻斯特编码(双向)
1 0 1 1 0 0 1 0
单极性归零编码
1 0 1 1 0 0 1 0
差动双相编码
35
数据编码方法
1 0 1 1 0 0 1 0
米勒编码
1 0 1 1 0 0 1 0
变形米勒编码
（1） 1 0 1 1 0 0 1 0
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纵向冗余校验法（LRC）
数据 7F 43 3C 56 8E LRC D8
7F 43 3C 56 8E D8 接收数据
00 LRC校验
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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
电源
微处理器、存储器、标准接口、时钟电路
计算机及网络
辅助显示
其他设备
射频模块 电源装置 射频处理器 天线
射频振荡器
射频接收器
射频模块包含发送器和接收器，其功能包括： 编解码器 放大器 • 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 电源
控制模块 微处理器、存储器、标准接口、时钟电路
计算机及网络
辅助显示
其他设备
射频模块 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 电源装置 射频处理器 天线 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； 射频振荡器 射频接收器 • 进行物理读写器与应答器之间的身份认证
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
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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
无线射频识别技术（Radio Frequency Identification）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。
无线射频识别系统的基本构成
Data-carrying （应答器） 卡或标签 RFID Reader （读写器） 天线 Data Power Clock 天线 Data-carrying （应答器） 卡或标签 Data-carrying （应答器） 卡或标签
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
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

电磁反向散射耦合

百度文库
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
差动编码
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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
脉冲-间歇编码
开始
同步 1 0 1 1 0 0 1 0
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脉冲位置编码

每个数据比特的宽度 是一致的 脉冲出现在

00 01

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11
不同的电子标签及封装

inlay
11
不同的电子标签及封装
12
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
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不同的电子标签及封装
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不同的电子标签及封装
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不同的电子标签及封装
18
不同的电子标签及封装
19
无线射频识别系统工作原理
应用系统 读写器
解码器
电子标签

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相互对称的鉴别过程
①查询口令 ②随机数A
读写器
③令牌1
④令牌2
电子标签
密钥K
密钥K
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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
02 03
38
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
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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
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循环冗余校验法（CRC）
数据 46 72 61 6E 7A CRC E5 80
46
72
61 6E 7A E5 80
00
00
接收数据
CRC校验
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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100100010000
读写器将合法信息传 送到后台主机
读写器对接收的信号 进行解调和解码
读写器天线接收应答 器的载波信号
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工作时序方式

读写器和电子标签的工作次序

读写器先讲（Reader Talk First, RTF） 标签先讲（Tag Talk First, TTF）

多标签同时识读（无冲突）
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数据通信方式
标签物理存储
编码器
C/R 协议 指令
逻辑 内 存映射
应 用 程 序 接 口
应用指令 指令 / 响应单元 应用响应
标签驱 动程序 和映射 规则
空气介面
响应
逻辑内存 数据协议处理器 物理读写器
Note: The Logical Memory Map in the Tag Physical Memory is defined by the Tag architecture and the mapping rules in the Tag Driver. All the information in the Logical Memory is represented in the Logical Memory Map

读写器→标签

数据写入（离线/在线） 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
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标签→读写器


2.2 无线射频识别的 数据传输协议与安全性
数据传输协议与方式


幅移键控（Amplitude Shift Keying, ASK） 频移键控（Frequency Shift Keying, FSK） 相移键控（Phase Shift Keying, PSK）
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数据编码方法



反向不归零码（Non Return to Zero） 曼彻斯特编码（Manchester） 单极性归零编码（Unipolar RZ） 差动双项编码（DBP） 米勒编码（Miller） 差动编码 脉冲宽度编码（Pulse Width Modulation） 脉冲位置编码（Pulse Position Modulation）
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无线射频识别系统的基本构成
Data-carrying （应答器） 卡或标签 RFID Reader （读写器） 天线 Data Power Clock 天线 Data-carrying （应答器） 卡或标签 Data-carrying （应答器） 卡或标签
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被动式标签系统流程图
读写器通过天线发射 射频信号 应答器产生感应电流 并被激活 应答器将信息通过内 置天线发射
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循环冗余校验法（CRC）
10101 10110111 100100010000 10101 11100 10101 10011 10101 11000 10101 11010 10101 11110 10101 1011 10101 10110111 100100011011 10101 11100 10101 10011 10101 11010 10101 11111 10101 10101 10101 0
42
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
43
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KM
①查询ID
②ID识别号
ID识别号
生产 时间
③查询口令 ④随机数A
⑤令牌1
电子标签 密钥 KM
密钥KX
⑥令牌2
密钥KX
44
加密的数据传输
46

序列密码加密示意图
密钥K 发送数据 46 0F 61 6E 7A E5 K K’ 接收数据 46 0F 61 6E 7A E5
加密数据 3F 04 1E 4B BA FC ？？？
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 攻击者
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发送数据
„ 1 0 0 1 1 0 „
接收数据
二、无线射频识别技术工作原理
刘睿
2010年3月11日
liurui@buaa.edu.cn
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
2.1 无线射频识别技术 基本工作原理
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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＋1
编解码器
放大器
电源装置 控制模块
电源
微处理器、存储器、标准接口、时钟电路
计算机及网络
辅助显示
其他设备
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 当前配置状态 命令的执行结果

读写器→应用系统

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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


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）
干扰 接收数据 46 1F 61 6E 7A E5
发送数据 46 0F 61 6E 7A E5
攻击者1 试图窃听数据
攻击者2 试图修改数据
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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
2.45 GHz
物品管理 交通管理 无线局域网
数据终端 手机 TV 无线电 玩具 调幅广播 调频 车库 广播
10 kHz
100 kHz
1 MHz
10 MHz
100 MHz
1000 MHz 2.45 GHz 300 GHz
频谱
6
读写器及天线
7
读写器及天线
8
读写器及天线
9
不同的电子标签及封装
10
20
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
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射频模块 电源装置 射频处理器 天线
射频振荡器
射频接收器
编解码器
放大器
电源装置 控制模块
„ 1 0 1 1 1 0 „
„ 0 0 1 0 1 0 „
„ 0 0 1 0 1 0 „
密钥
密钥
密钥销毁 密钥产生
由线性反馈移位寄存器组成的 伪随机数发生器
移位寄存器 节拍脉冲
触发器 开关机构（编码器）
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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。