RFID

Radio-Frequency Identification

Basic 基础原理

硬件组成

Tag Reader 阅读器

主要功能
- 供能：对「无源标签」进行供能
- 通信：实现标签和应用层之间的通信
- 安全保证
- 自组网能力
- 多天线管理
- 中间件接口
- 连接外设
阅读器分类（按工作频率）
- 工作频率越高，识别距离越远，数据传输速率越高，信号衰减越厉害
- 低频阅读器 / 高频阅读器 / 超高频阅读 / 特高频阅读器
阅读器组成
- 射频模块（高频接口模块）
- 信号处理与控制模块
  - ⬆️与上位机进行通信、执行上位机命令
  - ⬇️控制与射频标签的通信过程
  - 信号的解码和编码
  - 执行防碰撞算法
  - 对阅读器和射频标签之间传送的数据进行解密和加密
  - 进行阅读器和标签之间的身份验证

RFID tag 标签

RFID Hardware
- Magnetic / Inductive Coupling 磁性/感应型耦合
  - 电感耦合型射频模块
- Propagation Coupling 传播耦合
  - 电磁反向散射耦合型射频模块
Little Memory and Little computational power

Antenna 天线

工作原理

Modulation Techniques 调制/解调方式

Amplitude Modulation (AM) 调幅
Frequency Shift Kyeing (FSK) 调频
⭐ Phase Shift Keying (PSK) 调相
- Faster data rate than FSK
- Noise immunity

防冲突协议

冲突场景
- 多个阅读器同时发送信号，造成阅读器之间的冲突干扰
- 多个阅读器同时响应阅读器，造成标签之间的冲突干扰
解决方案
- ⭐ 基于时分多址 TDMA
  - 阅读器实现时间同步
  - 基于 ALOHA 的防冲突算法
  - 基于二进制树的防冲突算法
- 基于频分多址 FDMA
- 基于载波侦听多路访问 CSMA

基于 ALOHA 的防冲突算法

采用回退的机制，标签以概率的方法参与识别过程
三种基于 ALOHA 的防冲突算法
- 纯 ALOHA 算法：发生冲突 随机等待
- 时隙 ALOHA 算法：将时间分为时隙，发生冲突 随机等待
- 基于帧的时隙 ALOHA 算法（FSA 算法）
  - 阅读器广播帧长度 f
  - 标签在收到 f 以后随机在 0~(f-1) 中选择一个整数作为时隙序号，存于寄存器（SN）
  - 标签倒计时 SN，然后发送标识符
  - 标签若成功发送标识符，则休眠；否则等待下一帧重新选择时隙以及发送标识符

基于二进制树的防冲突算法

查询二进制树算法
- 不断发送查询字串，比如 0、01、111 等等
- 标签将自己的标签标识符前几位与此时二进制前缀进行比对，若相同则发送标识符号
随机二进制树算法
- 标签需要维护一个计数器（初始值为 0）
- 每一个间隙开始时，标签会从 0 或 1 中随机选择一个，将其加入计数器上
- 如果计数器为 0，则立即发送自己的标识符号
- 标签被是恶别成功后将进入沉默状态

防冲突算法优劣比较

ALOHA 算法
- 优点
  - 算法简单
  - 标签识别性能良好
  - 结果可进行统计性分析
- 缺点
  - 标签“饿死”
  - 最坏情况，时延趋于 +∞
二进制树算法
- 优点
  - 算法简单
  - 无需要存储中间状态变量
- 缺点
  - 标签识别时延受标签 ID 分布及长度影响

RFID Security and Privacy

Proposed Solutions

Kill RFID tags
Re-naming tags
Distance Measurement
Policy and Legislation

HB Protocol

Goal: authenticate RFID tag to the reader

Learning Parity with Noise 噪声下的奇偶性校验

HB+ Protocol

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Roadmap of RFID Authentication

Crypto based authentication
Device fingerprint
Anti-counterfeiting and Anti-replaying
Human-and-Environment-in-the-Loop