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1、,物联网射频识别（RFID）技术与应用,第6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）技术与应用,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）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,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
2、用差错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）技术与应用,6.1.1 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）技术与应用,1. 差错的分类 （1）随机错误是热噪声引起的差错。传输随机错误的信道称为无记忆信道或随机信道。 （2）突发错误是冲击噪声引起的，冲击噪声是由短暂原因造成的，如电机的启动或停止。冲击噪声引起的差错时连续的。传输突发错误的信道称为有记忆信道或突发信道。,点击此处结束放映,物联网射频识别（
3、RFID）技术与应用,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）技术与应用,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）技术与应用,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
4、码元之间建立一定的关系。在收信端，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）技术与应用,（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）技术与应用,（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（RFI
5、D）技术与应用,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,2018/9/2,检错码 （1）奇偶校验码 （2）循环冗余码（CRC） 都属于线性码 纠错码 汉明码（Hamming),物联网射频识别（RFID）技术与应用,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。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,（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
6、奇数。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,7. 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。循环冗余码具有较高的检错能力。 （1） CRC码的特点 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。 循环码组中任意两个码组模2和必定为该码组集合中的一个码组。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,（2） 生成CRC码的原则(n，k)循环码中，为了便于描述与计算，经常使用 n-1 次 码多项式来表示码字，码字 A =an-1 an-2
7、a1 a0 ，它对应的码多项式为：例如 A=0111001，对应的码多项式为 ：,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,（2）生成CRC码的原则 例1：设信息流为10110011 ， G（X）= X4+X+1，即10011,点击此处结束放映,101100110000,10011,10101100,10011,01010,00000,10101,10011,0100 余数,10110011,0100,发送信息流为：,2018/9/2,例2 ：CRC检错数据帧 1101011011（ M(x) ，m=10 ）生成多项式G(x) = x4 + x + 1（r=4）生成多项式也可表示
8、为 10011以2为模的除法：11010110110000 /10011 = 1110发送帧 11010110111110（以2为模的减法）接收端检测：11010110111110 /10011 = 0,2018/9/2,CRC-16,CRC-CCITT,CRC-32,国际标准生成多项式,（4）常用的CRC生成多项式,2018/9/2,汉明码码长为n，信息位为k，则监督位数 r = n -k 称为(n,k)海明码的编码效率为4/7。 r个监督位构造出r个监督关系式来指示一位错码的n种可能位置：2r 1 n 或 2r k + r + 1,2018/9/2,汉明码,2018/9/2,S1= c6
9、c5 c4 c2 S2= c6 c5 c3 c1 S3= c6 c4 c3 c0 S=S1S2S3=000表示没有差错位，传输全部正确，所以又可以得出下页等式：,汉明码偶校验关系,2018/9/2,c2= c6 c5 c4 c1= c6 c5 c3 c0= c6 c4 c3,汉明码校验位生成式,2018/9/2,例假如在接收端收到码字0000011，请判断是否有错？如何纠正？ 解：按以上校正因子的计算式 可得： S1= c6 c5 c4 c2=0， S2= c6 c5 c3 c1=1， S3= c6 c4 c3 c0=1， 因为三个校正因子不全为0，说明码字有错，错误位置为S=S1S2S3=0
10、11=3，即信息位c3有错，将c3上的0变为1，即可纠正错误。最后去掉校验位，得到正确信息位为0001。,汉明码,物联网射频识别（RFID）技术与应用,6.1.2 数据传输中的防碰撞问题在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）技术与应用,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,物联网射频识别（RFID）技术与应用,（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
11、传送给读写器。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,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）技术与应用,（1）ALOHA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
12、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）技术与应用,（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）技术与应用,6.1.3 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，能显著提高数据传输的完整性和可靠性。,点击此处结束放映,物联网射
13、频识别（RFID）技术与应用,1. 信号的编码、调制与校检RFID系统基带编码的方式有多种，编码方式与系统所用的防碰撞算法有关，RFID系统一般采用曼彻斯特编码。在RFID系统中，为简化设计、降低成本，大多数系统采用ASK的调制技术。 RFID常用的校验方法有奇偶校验方法和CRC校验方法等。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2. 信号防冲突（1）标签冲突。 随机性解决方案:ALOHA。 确定性解决方案:二进制树型搜索算法。（2）读写器冲突。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3. ISO 18000-6编解码和防冲突简介ISO 18000是现今RF
14、ID的最新国际标准，其中ISO 180006是频率为860-960MHz的RFID标准，该标准给出了读写器与电子标签之间通信的空中接口。ISO 18000-6的编解码电路和校验电路可以采用FPGA进行设计。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,ISO 180006A和B型比较如下。PIE（Pulse interval encoding）编码的全称为脉冲宽度编码，原理是通过定义脉冲下降沿之间的不同时间宽度来表示数据。在该标准的规定中，由阅读器发往标签的数据帧由SOF（帧开始信号）、EOF（帧结束信号）、数据0和1组成,点击此处结束放映,FM0 编码,Aloha 防冲突机制,P
15、IE 编码,曼彻斯特编码,ASK 调制,TypeA,TypeB,二进制树 防冲突机制,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,在RFID系统中，数据信息可能受到人为和自然原因的威胁。数据的安全性主要解决消息认证和数据保密的问题，以防止RFID系统非授权的访问，或企图跟踪、窃取甚至恶意篡改电子标签信息的行为。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,6.2.1密码学基础密码学是研究编制密码和破译密码的技术科学，密码技术是信息安全技术的核心。密码学主要由密码编码技术和密码分析技术两个分支组成，密码编码技术的主要任务是寻求产生安全性高的有效密码算法和协议；密码分析技术的主要任务是破译密码或伪造认证信息。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,1. 加密模型图6.7 加密模型,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2. 密钥密码学的真正秘密在于密钥。密钥是一种参数，它是在明文转换为密文或将密文转换为明文的算法中输入的数据。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3. 密码的体制密码学目前主要有两大体制，即公钥密码与单钥密码。其中，单钥密码又可以分为分组密码和序列密码。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,
