RFID习题参考答案
习题 1
1-1 什么是RFID？ RFID系统主要由哪⼏部分组成？
RFID 是Radio Frequency Identification的⾸字母缩写，意为射频识别。RFID技术通过射频信号对电⼦标签⾃动识别，是物联⽹技术中的核⼼和关键技术。典型的RFID系统主要由读写器、电⼦标签、应⽤系统软件组成。 1-2 简述RFID的⼯作原理。
标签进⼊发射天线的⼯作区域后，接收读写器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯⽚中的产品信息（⽆源标签或被动标签），或者由标签主动发送某⼀频率的信号（有源标签或主动标签），读写器读取信息并解码后，送⾄中央信息系统进⾏有关数据处理。 1-3 简述RFID系统的电感耦合⽅式和反⽅向散射耦合⽅式的原理。
在电感耦合⽅式中，读写器将射频能量束缚在读写器电感线圈的周围，通过交变闭合的线圈磁场，沟通读写器线圈与射频标签线圈之间的射频通道，没有向空间辐射电磁能量。⽽反⽅向散射耦合⽅式中，读写器将射频能量以电磁波的形式发送出去，标签线圈与读写器线圈通过射频信号双向通信。
习题2
2-1 说明电磁波产⽣的基本原理。
根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场在其周围空间产⽣变化的磁场，⽽变化的磁场⼜产⽣变化的电场。这样，变化的电场和变化的磁场之间相互依赖，相互激发，交替产⽣，并以⼀定速度由近及远地在空间传播。
2-2 什么是天线? 对天线性能的要求有哪些？
⽤来辐射和接收⽆线电波的装置称为天线。
对天线性能的要求：（1）天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。（2）天线应能使电磁波尽可能集中于确定的⽅向上，或对确定⽅向的来波最⼤限度地接受，即天线应具有⽅向性。（3）天线应能发射或接收具有规定极化特性的电磁波。（4）天线应具有⾜够宽的⼯作频带。
2-3 简述磁场耦合式天线的基本⼯作原理和主要参数。
磁场耦合式天线的基本⼯作原理是，当交变电流在线圈中流动时，会在线圈周围产⽣较强的磁场，磁场穿过线圈的横截⾯和线圈周围空间，可以把读写器与电⼦标签耦合起来，读写器通过磁场耦合⽅式与标签实现通信。
磁场耦合式天线的主要参数有：线圈的电感L；线圈的⾯积；线圈天线的Q 值等。
2-4 RFID天线的⼯作频段有⼏个？典型的⼯作频率有哪些？
⽬前RFID天线的⼯作频率主要分布在4个频段，低频(125KHz)、⾼频(13.56MHz）、特⾼频（850MHz～910MFz）和微波（2.45GHz）。
典型的⼯作频率有：125kHz、133kHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、902MHz～928MHz、2.45GHz、5.8GHz等。
2-5 RFID天线设计要点主要有哪些？试分别说明。
RFID天线结构和环境因素对天线性能有很⼤影响。天线的结构决定了天线⽅向图、阻抗特性、驻波⽐、天线增益、极化⽅向和⼯作频段等特性。天线特性也受所附着物体的形状及物理特性的影响。例如，磁场不能穿透⾦属等导磁材料，⾦属物附近磁⼒线形状会发⽣改变，⽽且，由于磁场能在⾦属表⾯引起涡流，由楞次定律可知，涡流会产⽣抵抗激励的磁通量，导致⾦属表⾯磁通量⼤⼤衰减。读写器天线发出的能量被⾦属吸收，会导致读写距离⼤⼤减⼩。另外，液体对电磁信号有吸收作⽤，弹性基层会造成标签及天线变形，宽频带信号源（如发动机、⽔泵、发电机）会产⽣电磁⼲扰等，这些都是设计天线时必须细致考虑的要点。
2-6 简述RFID天线的设计流程。
RFID天线的性能指标与天线的微带单元尺⼨、基板尺⼨、馈电点位置等密切相关，⽽这些参数⼜直接由RFID系统的⼯作频率、基⽚介电系数、基⽚厚度、馈电⽅式决定，因此在选定基⽚介电系数和基板厚度、馈电⽅式之后，可使⽤相关公式，计算出贴⽚尺⼨、馈电点的位置，再使⽤⼯具软件计算出馈线的尺⼨。得到以上设计参数之后，再在电磁仿真软件HFSS 中进⾏仿真。
2-7 蚀刻法制作RFID标签天线应注意哪些问题?
⼀般来说，要注意以下⼏个⽅⾯的问题： 1) 注意减少侧蚀和产⽣突沿； 2) 提⾼线路板之间蚀刻速率的⼀致性； 3) 保证线路板表⾯蚀刻速率的均匀性； 4) 注意薄铜箔完好； 5) 注意绿⾊环保，减少环境污染。
2-8 冷烫印制作RFID标签天线的主要特点有哪些？
RFID冷烫印的主要特点如下： 1)印刷速度快； 2)⽅法简单； 3)导电率好；
4) 精细程度⾼，产品美观。
2-9 ⽤导电油墨印刷法制作RFID天线有哪些优点？
⽤导电油墨印刷法制作RFID天线，替代传统的压箔法或蚀刻法，是近年来新推出的较好的⽅法。这种⽅法具有两个明显的优点，⾸先，传统的压箔法或蚀刻法制作的⾦属天线，⼯艺复杂，成品制作时间长，⽽应⽤导电油墨印刷天线则省去了覆箔、印刷抗蚀油墨、蚀刻、去除抗蚀油墨层等众多⼯序，采⽤丝⽹印刷、凹版印刷等直接将导电油墨按照天线设计的图案印刷在基材表⾯，快速⾼效，与传统的蚀刻法相⽐，它不仅可⼤⼤缩短⽣产流程，降低成本，还可减少⽣产过程对环境的污染，是印刷天线和电路中多快好省的⾸选⽅法。其次传统的压箔法或蚀刻法制作的⾦属天线要消耗浪费⾦属材料，成本较⾼，⽽导电油墨的原材料成本要低于传统的⾦属天线，这对于降低智能标签的制作成本有很⼤的意义。
3-1 RFID电⼦标签主要包括哪些部分? 功能有哪些？
电⼦标签⼀般由耦合元件（天线）及芯⽚组成。
RFID标签最基本的功能有三个。第⼀，能以某种⽅式贴附到⼀个物品上；第⼆，具有—定的存储容量，可以存储被识别物品的相关信息；第三，能通过某种频率以⼀定⽅式实现信息通信，即能由读写器识读其中的内容。
3-2 RFID电⼦标签可以分为哪⼏类？
根据封装形式的不同可分为信⽤卡标签、线形标签、纸状标签、玻璃管标签、圆形标签以及特殊⽤途的异形标签等。根据标签的供电形式不同可分为有源标签和⽆源标签。根据标签的数据调制⽅式不同可分为主动式、被动式和半主动式。根据⼯作频率的不同可分为低频电⼦标签、中⾼频电⼦标签、特⾼频电⼦标签与微波电⼦标签。
3-3 RFID电⼦标签芯⽚主要由那⼏个部分组成？它们的功能如何？
芯⽚是电⼦标签的核⼼部分，由微处理器、存储器、整流电路（AC/DC）、编解码电路等⼏个部分组成，它的作⽤包括标签信息的获取和存取、标签接收信号的处理和标签发射信号的处理。
3-4 RFID电⼦标签芯⽚的主要封装形式有哪⼏种？
信⽤卡与半信⽤卡标签、线形标签、盘形标签、⾃粘标签、⽚上线圈、钥匙扣形标签、⼿表形标签等等。
4-1 读写器的硬件包括哪些部分?它们的功能如何？
读写器的基本构成包括：控制器、射频模块、发射接收天线、显⽰模块、输出模块、键盘输⼊模块、数据存储器、程序存储器、接⼝电路、供电电源等。
控制器：控制器是读写器的控制中⼼；
射频模块：射频模块包括发射部分和接收部分；
天线：天线的作⽤是定向地发送UHF射频能量和调制的载波信号，接收反射的调制载波信号；
显⽰模块：⽤以显⽰读写器⼯作或信息采集的信息；
输出模块：其作⽤是在标签上印刷可视信息；
键盘输⼊模块：其作⽤是输⼈控制信号和参数；
数据存储器：⽤来存储接收到的标签信息，需要⾜够的容量；
程序存储器：⽤来存停控制程序；
接⼝电路：是与上位机通信的接⼝。
4-2 U2270B芯⽚内部由哪些部分构成？画出由U2270B构成的低频读写器框图。
U2270B内部由振荡器、天线驱动器、电源供给电路、频率调节电路、低通滤波电路、⾼通滤波电路、输出控制电路等部分组成。
4-3 简述TRF7970A芯⽚的特点。
TRF7970A是德州仪器（TI）推出的⼀款业界功耗最低的适⽤于近场通信（NFC）的⾮接触式短距离通信收发器。此
TRF7970A收发器适⽤于基础设备，其电池寿命是竞争产品的两倍，可提供功率范围为1µA~120mA的
8个不同的功率模式。该收发器带有可配置的辅助软件，以帮助开发⼈员更快⼊⼿，收发器与软件通过⼀系列超低功耗 MSP微控制器兼容。该收发器⽀持点对点通信，例如⽤于医疗设备、移动⽀付以及卡仿真。它也还具有读写能⼒，两个晶体振荡频率（13.56MHz 或27.12M 赫兹）和⼀个容量为128字节的“先进先出（FIFO）”缓冲器，使之能够处理⼤量数据的传输。
4-4 画出基于TRF7970A芯⽚的读写器系统框图，并对各部分进⾏简要说明。
最⼩MCU需求取决于应⽤要求和编码风格。如果只需⽀持⼀个ISO协议或者⼀个协议的有限命令集，则对于MCU闪存和RAM 的要求将会⼤⼤减少。递归⽬录和防冲突命令⽐单槽运⾏要求更多的RAM。例如，ISO15693（含主机接⼝）⽬前的基准固件⼤约为8kB，使⽤512B RAM；对于所有⽀持的协议（具有同样的主机接⼝），此基准固件接近12kB并且最少使⽤1kB的RAM。为了实现直接模式0运⾏需要⼀个GPIO运⾏频率能达到13.56MHz的MCU。
4-5 简述特⾼频读写器的组成和⼯作原理。
整个读写器的硬件包括基带处理电路、射频发射电路和射频接收电路3个部分。基带处理电路是整个硬件电路的控制中⼼，负责接收上位机的命令，解析编码后向射频发射电路发送指令，同时，把从射频接收电路接收到的标签返回信息
解码后传送给上位机。射频接收和发射电路完成射频信号和基带信号之间的转换。射频接收电路还完成信号的解调和放⼤。
4-6 简述读写器的发展趋势。
RFID读写器设计与制造向模块化、⼩型化、便携式、嵌⼊式⽅向发展。读写器技术的发展主要体现在以下⼏个⽅⾯。
(1)标准化、集成化。读写器射频模块与基带处理模块的标准化、模块化会使得读写器设计更加简单，功能更完善。
(2)推出智能化的多天线接⼝，智能天线相位控制技术，定位跟踪技术。
(3)多种通信数据接⼝，适应不同的应⽤系统需求，接⼝之间可以转换。
(4)读写器⼩型化、便携化、嵌⼊化。
(5)多种⾃动识别技术集成，如条码与RFID集成。
(6)更强的防冲撞能⼒，使得多标签读写更有效、更便捷。
(7)采⽤更多新技术，如智能信道分配技术、扩频技术、码分多址技术等在读写器设计中开始采⽤上述技术。
习题5
5-1 RFID系统⾯临的攻击⼿段主要有哪些？
1、主动攻击
对获得的标签实体，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，进⽽进⾏⽬标标签重构的复杂攻击；
通过软件，利⽤微处理器的通⽤通信接⼝，通过扫描标签和响应读写器的探询，寻求安全协议、加密算法以及它们实现的弱点，进⾏删除标签内容或篡改可重写标签内容的攻击；
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，进⾏拒绝服务的攻击等。
2、被动攻击
通过采⽤窃听技术，分析微处理器正常⼯作过程中产⽣的各种电磁特征，来获得RFID标签和读写器之间或其它RFID通信设备之间的通信数据（由于接收到读写器传来的密码不正确时标签的能耗会上升，功率消耗模式可被加以分析以确定何时标签接收了正确和不正确的密码位）。通过读写器等窃听设备，跟踪商品流通动态等。
5-2 RFID存在的安全威胁主要有哪⼏种⽅式？
1、截获RFID标签
基础的安全问题就是如何防⽌对RFID标签信息进⾏截获和破解，因为RFID 标签中的信息是整个应⽤的核⼼和媒介，在获取了标签信息之后攻击者就可以对RFID系统进⾏各种⾮授权使⽤。
2、破解RFID标签
RFID标签是⼀种集成电路芯⽚，这意味着⽤于攻击智能卡产品的⽅法在RFID标签上也同样可⾏。破解RFID标签的过程并不复杂。使⽤40位密钥的产品，通常在⼀个⼩时之内就能够完成被破解出来；对于更坚固的加密机制，则可以通过专⽤的硬件设备进⾏暴⼒破解。
3、复制RFID标签
即使能将加密机制设定得⾜够强壮，强壮到攻击者⽆法破解．RFID标签仍然⾯临着被复制的危险。特别是那些没有保护机制的RFID标签，利⽤读写器和附有RFID标签的智能卡设备就能够轻⽽易举的完成标签复制⼯作。尽管⽬前篡改RFID标签中的信息还⾮常困难，⾄少要受到较多的限制，但是，在⼤多数情况下，成功的复制标签信息已经⾜以对RFID系统完成欺骗。
5-3 简述解决RFID系统安全与隐私问题的⽅法？
1、物理⽅法
Kill标签法：电⼦标签接收到Kill命令后停⽌⼯作，它所有的功能都将被永久关闭并⽆法被再次激活，从此不能接收或传送数据。
法拉第⽹罩：法拉第⽹罩是⼀个由传导材料构成的容器，这个容器可以屏蔽掉⽆线电信号。
对射频信号进⾏有源⼲扰：主动发出⽆线电⼲扰的设备可以使附近RFID系统的读写器⽆法正常⼯作，从⽽达到保护隐私的⽬的。
阻⽌标签法：阻⽌标签是内置在购物袋中的专门设计的电⼦标签能发动DOS攻击，防⽌RFID读写器读取袋中所购货物上的电⼦标签。
2、逻辑⽅法
是基于RFID安全协议的⽅法，有Hash Lock协议、随机化Hash Lock协议Hash协议链、基于杂凑的ID变化协议、分布式RFID 询问应答认证协议、LCAP 协议等。
5-4 有效解决RFID系统的安全和隐私问题取决于那⼏个⽅⾯的发展？
1、最关键的研究领域仍然是开发和实施硬件实现的低成本的密码函数，包括摘要函数、随机数发⽣器以及对称加密和公钥加密函数等；
2、在电路设计和⽣产上进⼀步降低电⼦标签的成本并为解决安全问题分配更多的资源；
3、设计开发新的更有效的防偷听、错误归纳、电⼒分析等RFID协议。
习题6
6-1 防碰撞问题的研究主要解决哪两个问题？
⼀是如何避免或减少标签之间的碰撞问题；⼆是避免或减少标签到读写器及读写器之间的⼲扰碰撞问题。
6-2 什么是标签碰撞? 发⽣标签碰撞会导致什么结果？
在RFED系统中，读写器向其有效识别范围内的所有标签发送查询信息。在收到读写器的查询信息后，所有标签向读写器发送返回信号。如果同⼀时刻只有⼀个标签向读写器返回信息，则读写器能将标签成功识别;⽽如果同⼀时刻有两个或以上的标签向读写器返回信息，这样不同标签的返回信号就会产⽣相互⼲扰，导致读写器⽆法准确识别标签，这种⼲扰被称为标签碰撞。
标签碰撞的结果将会导致该次数据传输的失败。
6-3 什么是读写器碰撞？读写器碰撞是怎样产⽣的？
所有由于读写器操作引起的⼲扰称为读写器碰撞。
多个读写器询问区域重叠造成它们之间在读取⼀个或多个标签时产⽣信号⼲扰，发⽣读写器碰撞。
6-4 读写器冲突问题的主要特征有哪些？
读写器冲突问题的主要特征是:(1) 隐藏终端问题是读写器冲突问题的⼀个⽅⾯。读写器不在彼此感应范围内可能在标签处发⽣冲突，因此通常的载波侦听在这种情形下不⼯作；(2) 当从多个读写器发出的请求或传输在标签处发⽣冲突，信号失真⽽且标签不能接受到任何⼀个读写器的请求；(3) 我们假设标签都是被动的。因此标签不能确定⾃⼰的位置也不能预知通信，在避免冲突中不能给出任何帮助。标签只能在某个阅读区域内被激活才能进⾏通信。
6-5 说明防碰撞算法的基本原理。
由于标签含有⽬标物体可被识别的唯⼀信息，RFID系统的⽬的就是要读取出这些信息，从⽽识别⽬标物体。如果只有⼀个标签位于⼀个读写器的有效识别范围内，则⽆需复杂的操作读写器就即可直接读取标签数据；如果有多个标签同时位于⼀个读写器的有效识别范围内，或者⼀个标签位于多个读写器的有效识别范围内，或者⼀个读写器位于另外⼀个读写器的有效识别范围内，标签的应答信号或者读写器的识别信号就会相互⼲扰形成数据冲突，导致发⽣RFID 系统碰撞，从⽽造成读写器和标签之间的通信失败。
为了防⽌系统产⽣碰撞，在RFID系统中需要设置⼀定的相关命令，解决碰
撞问题，这些命令被称为“防冲突算法(Anti-collision Algorithms)”或者“防碰撞算法”。由于RFID中的碰撞分为读写器碰撞和标签碰撞，因此解决标签碰撞问题的⽅法或者协议称为标签防碰撞算法，解决读写器碰撞问题的算法或者协议则称为读写器防碰撞算法。
6-6 标签防碰撞的主要⽅法有哪些？试分别说明。
RFID系统标签防碰撞主要⾤⽤空分多址、频分多址、码分多址以及时分多址四种多址接⼊⽅法。
（1）频分多址(Frequency division multiple access,FDMA)是把若⼲个使⽤不同载波频率的传输通路同时提供给⽤户使⽤的技术。对于RFID系统来说，下⾏链路的频率是固定的，⽤于数据命令的传输和能量供应；⽽上⾏链路的频率是可变的，标签可以采⽤不同的独⽴的频率向读写器传输数据和信号，FDMA 就是要求标签对读写器的响应使⽤不同的频率。采⽤这种⽅法可靠⾼效，但是会导致读写器制造的成本相当⾼，因为每个接收通路由于频率不同，必须有⾃⼰的单独的接收模块，这是FDMA⽅法的⼀个显著的缺点。因此，FDMA防碰撞⽅法限制在少数⼏种特殊的场合上应⽤。
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