CN103345648B - 一种rfid标签设备指纹认证系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种RFID标签设备指纹认证系统。包括：RFID标签设备指纹认证系统采集RFID标签在近耦合状态下反馈给相应读写器的电磁感应信号x(t)；对所述信号x(t)进行基于第一低通滤波器LPF-1的低通滤波；由第一低通滤波器LPF-1输出的副载波下边带信号x₁(t)；对所述信号x₁(t)进行基于数字载波o(t)与乘法器M的正交下变频，形成I路和Q路信号；对所述I路和Q路信号进行基于第二低通滤波器LPF-2的低通滤波；由第二低通滤波器LPF-2输出低通信号x_I(t)与x_Q(t)；把所述信号x_I(t)和信号x_Q(t)构成复信号r(t)；采用设备指纹变换器DF-T，对所述复信号r(t)进行设备指纹变换。其优点是，变换得到RFID标签倒谱设备指纹具有稳定性，增强了近耦合RFID系统的信息安全与隐私保护。

Description

一种RFID标签设备指纹认证系统

技术领域

本发明涉及设备指纹认证技术领域，尤其涉及一种RFID标签设备指纹认证系统。

背景技术

目前对近耦合RFID标签的物理层认证研究表明，根据采集的射频信号抽取标签的设备指纹，进而进行标签识别，得到了2.43%的平均误识率。由于同一厂家的RFID标签的数量一般极其巨大，RFID标签的物理层认证问题仍是一个有待继续研究的问题。开发多种设备指纹（DeviceFingerprint,DF），进而进行近耦合RFID标签身份的物理层融合认证是一个可行方法。DF是携带无线设备发射机硬件信息的接收无线电信号的变换，这种变换体现无线设备发射机的硬件性质并具有可比性。典型DF包括经典的由开机瞬态信号变换得到的Turn-onDF与最近出现的由无线网络物理层帧前导信号等变换得到的steady-stateDF。

近耦合RFID标签已经在供应链系统、电子护照与身份证中得到了广泛应用。近耦合RFID标签的资源一般极其有限，传统的密码与安全协议很难直接应用到RFID系统。近年来，一大批运行于应用层的轻量级与超轻量级密码与安全协议陆续被提出。然而，研究表明，RFID标签的数字信息很容易被复制；基于数字信息的应用层认证协议也容易存在安全漏洞。为此，急需新机制来实现近耦合RFID系统的信息安全增强与隐私保护。

发明内容

本发明的目的在于为标签的融合识别提供新的硬件信息而提出一种RFID标签设备指纹变换方法。上述目的通过下述技术方案来实现。

所述指纹认证系统，包括：

由所述在近耦合状态下采集的RFID标签反馈给对应读写器的电磁感应信号x(t)；

对所述信号x(t)进行低通滤波的第一低通滤波器LPF-1；

由第一低通滤波器LPF-1输出的副载波下边带信号x₁(t)；

对所述信号x₁(t)进行正交下变频形成I路和Q路信号的乘法器M；

对所述I路和Q路信号进行低通滤波的第二低通滤波器LPF-2；；

由第二低通滤波器LPF-2输出的低通信号x_I(t)与x_Q(t)；

由所述信号x_I(t)和信号x_Q(t)复合形成的复信号r(t)；

对所述复信号r(t)进行倒谱分析的设备指纹变换器DF-T。

所述指纹认证系统的进一步设计在于，所述读写器发射的信号为ISO14443ARFID信号。

所述指纹认证系统的进一步设计在于，所述数字载波o(t)为：

o(t)＝cos[(w_T-w_s)t]。

所述指纹认证系统的进一步设计在于，所述信号x₁(t)的行为级描述为：

x₁(t)＝m(t)*h_tx(t)·cos[(w_T-w_s+Δw)t]+n(t)；

其中，m(t)为RFID标签发送的基带数字信号；h_tx(t)为标签发送电路的等效单位冲击响应；w_T与w_s分别为标准规定的载波与负载波频率，w_T-w_s则表示为下边带频率；Δw为RFID系统实际谐振频率与w_T-w_s之间的频率差；n(t)为加性高斯白噪声。

所述指纹认证系统的进一步设计在于，所述复信号r(t)是由所述信号x_I(t)、x_Q(t)进行如下复合形成，

r(t)＝x_I(t)+j·x_Q(t)。

所述指纹认证系统的进一步设计在于，所述设备指纹变换器DF-T对复信号r(t)进行倒谱分析，包括：

对复信号r(t)进行傅立叶变换，获得对应信号R(w)：

R(w)＝M(w-Δw)·H_tx(w-Δw)+N₁(w-Δw)；

对上述信号R(w)提取乘项后进行求模、对数和反傅立叶变换，获得r(t)的倒谱分量信号为：

$\hat{r}\left(t\right)=\hat{m}\left(t\right)+{\hat{h}}_{\mathrm{tx}}\left(t\right)+\hat{n}\left(t\right);$

对上述信号进行低通滤波，滤除所有快变分量，则标签的倒谱DF为：

$\mathrm{LPF}\left\{\hat{r}\left(t\right)\right\}={\hat{h}}_{\mathrm{tx}}\left(t\right)$

其中，M(w)与H_tx(w)分别为m(t)与h_tx(t)的傅立叶变换，N₁(w-Δw)为噪声傅立叶变换项；分别表示m(t)、h_tx(t)与噪声项引起的倒谱分量。

本发明系统为RFID标签的融合识别提供一种具有标签物理特征的倒谱设备指纹变换方法，由标签硬件物理特性决定的h_tx(t)与Δw具有唯一性与稳定性，因而增强了近耦合RFID系统的信息安全与隐私保护。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图。

图2是ISO14443A射频信号样本。

图3是标签倒谱DF变换实验结果。

图4的对应倒谱信号。

图5三个标签的特征矢量分布。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

对照图1，本发明的RFID标签设备指纹认证系统是基于软件无线电构建RFIDDF认证系统，它包括：电磁感应信号x(t)、第一低通滤波器LPF-1、副载波下边带信号x₁(t)、第二低通滤波器LPF-2、乘法器M、I路信号x_I(t)、Q路信号x_Q(t)、复信号r(t)和射频指纹变换器DF-T；电磁感应信号x(t)是在近耦合状态下采集的RFID标签反馈给对应读写器信号，第一低通滤波器LPF-1对所述信号x(t)进行低通滤波，形成副载波下边带信号x₁(t)，信号x₁(t)经乘法器M与数字载波o(t)进行正交下变频，形成I路和Q路信号，第二低通滤波器LPF-2对该两路信号分别进行低通滤波，第二低通滤波器LPF-2对应输出低通信号x_I(t)、x_Q(t)，对该两低通信号进行组合，构成复信号r(t)，该复信号r(t)通过设备指纹变换器DF-T进行倒谱分析，从而获得标签的倒谱设备指纹DF。

上述本发明系统中，读写器发射的信号可以是ISO14443A信号，标签没有供电电源，读写器发送电磁场，通过电感感应，标签获得电源；读写器与标签之间通过负载调制进行信息传递。标签的负载电阻以很高的时钟频率接通和断开，从而在读写器发送频率的两侧产生两条副载波谱线；标签基带数据传输通过对副载波进行振幅键控、频移键控或相移键控调制来完成。一个ISO14443A实际射频信号及其局部解调信号如图2所示，图2中的图（a）为在ISO14443A读写器天线处采集的一次完整会话射频信号，开始部分是读写器发出的询问信号，接着是帧延迟阶段，最后是标签响应信号。图（b）是图（a）信号延迟、解调部分的局部放大图。由图2可知，ISO14443A标签的射频信号可建模为BPSK调制信号。

在近耦合状态下采集的RFID读写器与RFID标签之间的电磁感应信号x(t)，该信号x(t)经过低通滤波器LPF-1后的副载波下边带信号x₁(t)，根据标签信号产生原理与其频谱可行为级描述为：

x₁(t)＝m(t)*h_tx(t)·cos[(w_T-w_s+Δw)t]+n(t)（1）

其中，m(t)为RFID标签发送的基带数字信号；h_tx(t)为标签发送电路的等效单位冲击响应；w_T与w_s分别为标准规定的载波与负载波频率，w_T-w_s则表示为下边带频率；Δw为RFID系统实际谐振频率与w_T-w_s之间的频率差；n(t)为加性高斯白噪声；*表示卷积运算。

上述信号x₁(t)经基于乘法器M与数字载波o(t)的正交下变频，形成I路和Q路两路信号。所用数字载波o(t)为：

o(t)＝cos[(w_T-w_s)t]（2）

I路和Q路两路信号经第二低通滤器LPF-2滤波后，形成的对应低通信号为x_I(t)、x_Q(t)，该低通信号x_I(t)、x_Q(t)实质是基带信号，该两路信号可采用下述方式：

r(t)＝x_I(t)+j·x_Q(t)（3）

进行组合，构成复信号r(t)。

复信号r(t)经设备指纹变换器DF-T进行设备指纹变换，其变换包括：

首先，对复信号r(t)进行傅立叶变换，获得对应的频谱R(w)为：

R(w)＝M(w-Δw)·H_tx(w-Δw)+N₁(w-Δw)（4）

其中，M(w)与H_tx(w)分别为m(t)与h_tx(t)的傅立叶变换，N₁(w-Δw)为噪声傅立叶变换项。

接着，根据本领域技术人员所熟知的求模、对数和反傅立叶变换方法，对上述信号R(w)提取乘项后进行求模、对数和反傅立叶变换获得r(t)的倒谱分量信号为：

$\hat{r}\left(t\right)=\hat{m}\left(t\right)+{\hat{h}}_{\mathrm{tx}}\left(t\right)+\hat{n}\left(t\right)---\left(5\right)$

其中，分别表示m(t)、h_tx(t)与噪声项引起的倒谱分量。

最后，对对上述信号进行低通滤波；由于近耦合状态下采集的RFID标签反馈信号信噪比一般较高（40dB以上），低通滤波滤除了所有快变分量，则标签的倒谱设备指纹DF为：

$\mathrm{LPF}\left\{\hat{r}\left(t\right)\right\}={\hat{h}}_{\mathrm{tx}}\left(t\right)---\left(6\right)$

本申请发明人进行下述两个实验用以对本发明的倒谱DF性能进行验证。

实验一

用于ISO14443ARFID信号采集与倒谱DF认证的系统包括RFID读写器、标签、示波器、计算机与天线等。计算机对ISO14443ARFID读写器进行控制。射频示波器为带宽2GHz的力科432，采样率设为250MSps，外接13.56M天线线圈。射频示波器采集的信号通过有线网络送至计算机。

按照提出的近耦合RFID标签倒谱DF变换方法对采集的标签射频感应信号进行实验。其中下边带带宽为设954KHz，下变频频率设为12.7125MHz。一次标签倒谱DF变换实验结果的局部信号如图3所示。图3中，(a)为含标签发送信息的射频信号x(t)；(b)为x(t)的下边带信号x₁(t)；(c)与(d)分别为RFIDDF认证系统处理得到的I路与Q路信号x_I(t)与x_Q(t)；(e)为构造复信号r(t)＝x_I(t)+j·x_Q(t)的实倒谱，对其进行低通滤波，发现能量主要集中在其“低时”区，截取“低时”区部分作为近耦合RFID标签的倒谱一个实例如图4(b)所示，图4(a)为其低通滤波前的倒谱信号头部。由图4可知，滤除了倒谱头部信号中的快变分量。

实验二

随机选取同一厂家同一系列的3个ISO1444A标签，记为PICC-1、PICC-2与PICC-3，进行近耦合RFID标签倒谱DF变换实验。每个标签采集50个射频信号，并分别变换为倒谱对每个进行基于相似因子的特征提取，获得的特征矢量记为[C_r1,C_r2]。[C_r1,C_r2]是对矩形基与三角形基的投影，体现了形状与矩形及三角形形状的相似程度。三个标签的150个[C_r1,C_r2]分布及判别界面如图5所示。

由理论推导可知，本发明系统的RFID标签倒谱DF中含有噪声分量，但由于认证系统是基于软件无线电的近耦合RFIDDF系统，信噪比较高，因而提出倒谱DF中的噪声分量可以忽略。通过上述实验也显示了，本发明系统的RFID标签倒谱DF主要由标签的硬件属性决定，与基带数字信号无关，可应用于近耦合RFID标签身份的物理层识别与验证中。

Claims (2)

1.一种RFID标签设备指纹认证系统，其特征在于包括：

在近耦合状态下采集的RFID标签反馈给对应读写器的电磁感应信号x(t)；

对所述信号x(t)进行低通滤波的第一低通滤波器LPF-1；

由第一低通滤波器LPF-1输出的副载波下边带信号x₁(t)，所述信号x₁(t)的行为级描述为：x₁(t)＝m(t)*h_tx(t)·cos[(w_T-w_s+Δw)t]+n(t)，

其中，m(t)为RFID标签发送的基带数字信号；h_tx(t)为标签发送电路的等效单位冲击响应；w_T与w_s分别为标准规定的载波与负载波频率，w_T-w_s则表示为下边带频率；Δw为RFID系统实际谐振频率与w_T-w_s之间的频率差；n(t)为加性高斯白噪声，*表示卷积运算；

对所述信号x₁(t)经基于乘法器M与数字载波o(t)的正交下变频，形成I路和Q路两路信号，所述数字载波o(t)为：o(t)＝cos[(w_T-w_s)t]，

其中，w_T、w_s分别为标准规定的载波与负载波频率；

多所述I路和Q路信号进行低通滤波的第二低通滤波器LPF-2；

由第二低通滤波器LPF-2输出的低通信号x_I(t)与x_Q(t)；

由所述信号x_I(t)和信号x_Q(t)复合形成的复信号r(t)，该复信号r(t)是由所述信号x_I(t)与x_Q(t)进行r(t)＝x_I(t)+j·x_Q(t)的复合形成；

对所述复信号r(t)进行倒谱分析的设备指纹变换器DF-T，该变换包括：

对复信号r(t)傅立叶变换，获得对应信号R(w)，

R(w)＝M(w-Δw)·H_tx(w-Δw)+N₁(w-Δw)；

对上述信号R(w)提取乘项后进行求模、对数和反傅立叶变换，获得r(t)的倒谱分量信号

$\hat{r}\left(t\right)=\hat{m}\left(t\right)+{\hat{h}}_{tx}\left(t\right)+\hat{n}\left(t\right);$

对上述信号进行低通滤波，滤除了所有快变分量，则标签设备的指纹倒谱DF为：

$LPF\left\{\hat{r}\left(t\right)\right\}={\hat{h}}_{tx}\left(t\right);$

其中，M(w)与H_tx(w)分别为m(t)与h_tx(t)的傅立叶变换；N₁(w-Δw)为噪声傅立叶变换项；分别表示m(t)、h_tx(t)与噪声项引起的倒谱分量。

2.根据权利要求1所述的一种RFID标签设备指纹认证系统，其特征在于所述读写器发射的信号为ISO14443ARFID信号。