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2.1 RFID标签的组成、分类及面临的挑战
RFID标签由标签芯片和标签天线或线圈组成，利用电感耦合或电磁反向散射耦合原理实现与读写器之间的通信。RFID标签中存储一个唯一编码，通常为64位、96位甚至更高，其地址空间大大高于条码所能提供的空间，因此可以实现单品级的物品编码。
电子标签是物品信息的数据载体，标签的设计对于RFID系统十分重要。电子标签主要由标签天线（或线圈）、存储器与控制系统的低电集成电路组成，通常把存储器和控制系统的低电集成电路用芯片实现，如图2-1所示。
▶ 图2-1 电子标签结构示意图
图2-1中所示的标签天线以简单的电偶极子和磁偶极子天线表示。标签天线通过芯片上的两个触点与芯片相连。标签芯片包括微处理器、存储器、整流电路（AC/DC）、编解码电路等部分。
通常，在频率较低时，如HF及以下，采用的是磁偶极子天线，天线只在近区场（感应场）工作，并且场强随读写器距离标签的距离增加将急剧减小。电场强度与距离的3次方成反比，磁偶极子近区场各场分量具体表达式如下：
电偶极子近区场和远区场各场分量具体表达式如下：
式（2-1）中，p为偶极距；式（2-2）中，I为电流，dl为电流元长度，且
。
标签天线的设计原则就是在已知芯片两触点输出阻抗的情况下，获得与芯片的最佳匹配，从而可以获得读写器与标签之间的最大识别距离。
根据不同的应用需求，电子标签有很多种不同的表现形式。本小节对电子标签的种类加以说明。根据不同的参数和特征，电子标签共包括五种分类形式。
（1）依据频率的不同，可分为低频电子标签、高频电子标签、超高频电子标签和微波电子标签。
（2）依据封装形式的不同，可分为信用卡标签、线形标签、纸状标签、玻璃管标签、圆形标签及特殊用途的异形标签等。
（3）根据标签的供电形式不同，可分为有源系统和无源系统。RFID电子标签可分为有源和无源两种。有源射频标签使用标签内电池的能量，识别距离较长，可达几十米甚至上百米。但由于有电池，使得它的寿命有限且成本也比较高，并且标签的体积比较大，无法制作成薄卡（如信用卡标签）。无源标签不含电池，利用耦合的读写器发射的电磁能量作为自己的能量，质量轻、体积小，寿命可以非常长，很便宜，可以制成各种各样的薄卡或挂扣卡；但它的发射距离受到限制，一般从几十厘米到几十米，并且需要比较大的读写器发射功率。
（4）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。一般来讲，无源系统为被动式，有源系统为主动式或半主动式。主动式的射频系统用自身的射频能量主动发送数据给读写器，调制方式可为调幅、调频或调相。被动式的射频系统使用调制散射的方式发射数据，它必须利用读写器的载波来调制自己的信号，在门禁或交通的应用中适宜，因为读写器可以确保只激活一定范围内的射频系统。在有障碍物的情况下，采用调制散射方式，读写器的能量必须来去穿过障碍物两次。而主动方式的射频标签发射的信号仅穿过障碍物一次，因此主动方式工作的射频标签主要用于有障碍物的射频识别中，距离更远。
在实际应用中，必须给标签提供能量它才能工作。主动式标签内部自带电池进行供电，它的电能充足，工作可靠性高，信号传送距离远。主动式标签的缺点主要是标签的使用寿命受到限制，而且随着标签内部电力的消耗，数据传输的距离会越来越短，从而影响系统的正常工作。也就是说，主动式标签的工作性能相对于时间段是稳定的。
被动式标签内部不带电池，要靠外界提供能量才能正常工作。被动式标签产生电能的典型装置是天线和线圈。当标签进入系统的工作区域时，天线接收到特定的电磁波，线圈就会产生感应电流，在经过整流电路（AC/DC）时，激活电路上的微型开关，给标签供电。被动式标签具有长久的使用期，常常用于在标签信息需要每天读写或频繁读写多次的地方，而且被动式标签支持长时间的数据传输和永久性的数据存储。被动式标签的特点主要是数据传输距离要比主动式标签短，因为被动式标签依靠外部的电磁感应供电，它的电能比较弱，数据传输的距离和信号的强度就受到限制，需要敏感性比较高的信号读写器才能识别。
主动标签和被动标签的比较如表2-1所示。
半主动的RFID标签系统也称为电池支援式反向散射调制系统。半主动标签本身也带有电池，但只起到对标签内部数字电路供电的作用，标签并不通过自身的能量主动发送数据，只有被读写器的能量“激活”时，才能通过反向散射调制方式传送自身的数据。
表2-1 主动标签和被动标签的比较
（5）根据标签的可读写性又可更具体地分为五种子类型，如表2-2所示。
① 只读（Read Only）标签。这是最简单的一种类型的标签，通常它内部只有只读存储器（Read Only Memory，ROM）用来存储标识信息（ID），并且EPC由制造商在制造过程中写入，此后不可更新。这种类型的标签也被用来做成一种称为EAS（Electronic Article Surveillance）的标签，这些标签没有ID号，其作用仅是通过读写器的时候，能够发现它们的存在。
② 一次写入只读（Write Once Readonly，WORM）标签。这种标签内部只有只读存储器（Read Only Memory，ROM）和随机存储器（Random Access Memory，RAM）。ROM用于储存发射器操作系统程序和安全性要求较高的数据，它与内部的处理器或逻辑处理单元完成内部的操作控制功能。只读标签ROM中还存储了标签的标识信息（ID），这些信息在标签制造过程中由制造商写入，也可以由用户自己写入，但是一旦写入之后就不能修改。
③ 读写（Read and Write）标签。这是一种非常灵活的标签，用户可以通过访问标签的存储器对这种标签进行读写操作，它的内部含有可编程记忆存储器，这种存储器除了有存储信息的功能外，还可以在适当的条件下由用户写入数据。例如，EEPROM（电可擦写可编程只读存储器）就是比较常见的一种，这种存储器可以在加电的情况下，实现对原来数据的擦除和数据的重新写入。
④ 利用片上传感器实现的可读写（Read Write）标签。这种标签包含一个片上传感器可以记录参数（如温度、压力、加速度等）并写入标签存储器（通常是可编程记忆存储器，如电可擦除可编程只读存储器EEPROM）。因为这种标签的工作环境并不在读写器的作用范围，因此必须是主动式或半主动式。
⑤ 利用收发信机实现的可读写（Read Write）标签。这种标签类似于一个小的发射接收系统，可以和其他标签或器件进行数据通信，而不用读写器的参与，并把相关信息通过可编程方式，写入到自身的可编程存储器中。这种标签通常都是主动式的。
表2-2 五种类型标签的比较
某些材料（如水和金属）会影响信号的读取，金属对射频信号有反射作用，水对射频信号有吸收作用。而不同的产品和射频信号之间的互动方式是不同的，一货盘金属罐饮品的特点和一货盘面包产品的特点是不同的。开发人员必须为不同的产品选择合适的标签。
标签放置方式将会对标签的极化方向产生影响，不管是在HF还是UHF系统中，这一差别都会对识别距离有很大的影响。如图2-2所示，当标签被与它成90°的标签所取代时，读写器将不能对它进行读写。最优的情形就是保持读写器的天线和标签的天线平行。UHF频段的标签对极化方向更加敏感。这一问题可以通过改变读写器和天线的结构来解决，如图2-3、图2-4所示。因此，在系统集成的时候，工作人员要对标签天线的工作方式有很好的理解，以合理放置，确保系统的读取率。
▶ 图2-2 天线的极化方向不同带来的识别问题（1维场，90°标签方位）
▶ 图2-3 利用二维读写器天线设计，可以识别更多的标签
▶ 图2-4 利用三维全空间读写器天线设计，可以识别所有标签
人们发现射频电波容易穿过比较皱的纸板。读写器很容易读取置入这种材料内部或贴在这种材料一侧的标签的信息。但是如果纸板变潮以后，电波要想穿过它就不那么容易了，即使它再次变干，电波也不像以前那样容易穿过这种纸板了。这就是人们所说的滞后效应，滞后效应对RFID标签的制造也提出了很大的挑战。研究表明，环境的改变会对RFID系统的工作性能产生很大的影响，无论是标签的方向化问题还是标签的滞后性问题，对标签的发展来说都是严峻的挑战。
从理论上讲，任何人都可以通过远程访问跟踪消费者手提袋里带有RFID装置的物品。针对此隐私问题，许多RFID的新标准中都增加了“Kill”命令，按此标准生产的RFID标签属于第二代标签。通过使用“Kill”命令可以使RFID标签丧失功能，使读写器无法读取标签内的数据。但是“Kill”命令是不可逆的操作，一经运行标签随即报废。这样，当消费者返回来退货时，RFID标签将不会被读出，而且标签无法回收重复利用。
针对这种情况，IBM公司开发了一种“裁剪标签”（ClippedTag）技术，消费者能够将RFID的天线扯掉或刮除，使RFID标签不能被随意读取。使用“裁剪标签”技术后，尽管天线不能再用，但RFID读写器仍然能够直接读取标签内容。
RSA实验室的研究人员提出了一种新技术——阻止标签，该技术是针对那些有关RFID技术所涉及的一些隐私和安全问题的一种廉价且有效的解决方法。该解决方案使用的阻止标签技术将模拟所有可能产生的标签序列号，这种标签可以通过编程来阻止RFID序列号中的某部分数字信息。
在RFID部署中，拒绝服务攻击、中间人攻击等网络攻击可能会严重影响服务性能，并降低信息的保密性。Hash锁是RFID标签与读写器之间通信访问的控制器，而一般的Hash锁无法解决位置隐私和中间人的攻击问题。Hash锁分为定读取控制Hash锁方法和随机读取控制Hash锁方法。在定读取控制Hash锁方法中，射频标签只对授权的读写器起作用，它代表了一种认证过程，认证密钥固定不变。
这仅是一种低成本解决安全与隐私问题的方法，但不能防止被跟踪，并且随机密匙和标签的ID可能被窃听。为了避免被跟踪，电子标签的反应不能被预测到而是随机的。因为被授权的读写器识别一个电子标签，就需要搜索和计算所有标签的ID，因此该方法不适合大量电子标签的情况。
目前，已经有了对随机读取控制Hash锁方法的改进，可以避免定读取控制Hash锁方法中的人为攻击和恶意跟踪的缺陷，并克服随机读取控制Hash锁方法中计算负载过大的不足。标准的EPC标签具有防篡改的安全保护能力，标准通信协议中也包含了数据加密的要求，并要求在数据传输之前，标签和读写器之间要建立安全连接，这就使得篡改代码非常困难。
RFID标签安全与隐私保护方法如表2-3所示。
表2-3 RFID标签安全与隐私保护方法
续表
开发低功耗的标签可以延长标签的使用时间，从而降低标签的成本。近年来，随着微型集成电路技术的进步，微型智能RFID标签得到了发展。低功耗IC技术方面的突破为发展小型、低功耗主动标签创造了条件。