CN114595711B - 一种基于方向敏感特性的射频标签认证方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于方向敏感特性的射频标签认证方法，涉及射频标签认证技术领域；S1、收集不同角度和通信频率下的标签射频信号；S2、对收集到的射频信号进行处理；收集不同角度和不同频率下的标签相位数据组成认证标签的特征矩阵，通过该特征矩阵训练得到认证模型；S3、实际认证过程进行标签认证；从连续相位时间序列中依次提取出指定频率和指定角度的相位数据，通过该相位数据构建射频信号特征矩阵，且代入认证模型中得到认证结果；本发明中射频标签认证方法，提升认证准确率，并且免疫外部环境的改变对认证结果的影响。

Description

一种基于方向敏感特性的射频标签认证方法
技术领域
本发明涉及射频标签认证技术领域，尤其涉及一种基于方向敏感特性的射频标签认证方法。
背景技术
目前射频识别(RFID)标签的认证技术主要分为两类：一部分工作集中于设计密码算法的认证协议上，虽然这些认证协议的效果良好，但是很难应用到现实场景中。一些密码算法需要很高的计算开销，无源RFID标签负担不起；此外，密码算法还增加了无源RFID的成本，并缩小了阅读器和标签之间的通信范围。其次，一些基于密码的方法容易受到协议层的攻击，如反向工程、侧隧道、重放攻击和克隆。总结来说，基于密码算法的认证要求对硬件或C1G2协议进行修改，因此，与商用RFID设备不兼容。另一部分研究人员着力于利用RFID标签的物理层信息执行标签的识别或认证，不同标签由于制造缺陷会导致硬件差异，利用这一差异可以进行物理层标签识别。
与基于密码的方法相比，物理层识别(RF指纹)的方法有两个优点。首先，物理层的功能是独特的和不可预测的，因此它可以针对各种协议层攻击提供高安全性保证；其次，不需要在现有系统上升级硬件或固件。现有的物理层识别工作通常有三类：基于位置的RF指纹(LRF)，基于瞬时状态和基于前同步码的RF指纹(TPF)，以及基于调制误差的RF指纹(MEF)。物理层认证的主要任务是找到一个有利的特征或特征集，作为目标设备唯一的、稳定的指纹。
LRF将位置信息作为指纹对目标进行身份认证，对目标的位置有很强的依赖性。TPF通过从其转换信号和前导信号中提取的特定段的唯一性来对设备进行指纹识别。由于基于瞬时状态和基于前同步码的特征总是通过频谱变换得到，因此这种方法对环境变化很敏感。MEF通过硬件缺陷(例如同步相关、载波频率偏移和时间间隔误差)引起的调制错误对设备进行指纹识别，这些错误是信道健壮的，但通常需要专门构建的设备(例如，USRP)来获取精细的增益信号特征，因此不能扩展到商用RFID系统。
基于当前的研究现状，本发明提出了一种基于方向敏感特性的射频标签认证方法，利用射频标签在不同角度和通信频率下所表现出的信号特征进行标签认证。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于方向敏感特性的射频标签认证方法，提升认证准确率，并且免疫外部环境的改变对认证结果的影响。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于方向敏感特性的射频标签认证方法，包括如下步骤：
S1、收集不同角度和通信频率下的标签射频信号；
S2、对收集到的射频信号进行处理；收集不同角度和不同频率下的标签相位数据组成认证标签的特征矩阵，通过该特征矩阵训练得到认证模型；
S3、实际认证过程进行标签认证；从连续相位时间序列中依次提取出指定频率和指定角度的相位数据，通过该相位数据构建射频信号特征矩阵，且代入认证模型中得到认证结果。
优选地，所述S1中收集不同角度和通信频率下的标签射频信号包括如下步骤：
S1.1、搭建实验环境；采用的实验硬件设备包括一个RFID阅读器、一个型号匹配的天线和一个用于模拟天线转动的电动转盘；将RFID阅读器与天线连接，天线垂直于地面放置，电动转盘垂直于地面放置，天线所在平面与电动转盘所在平面保持平行，并将需要采集数据和认证的标签对粘贴在电动转盘上的指定位置；
S1.2、收集标签射频信号；定义多个不同角度，根据事先定义好的发射频率，在不同角度下让标签对静止；RFID阅读器通过频率跳变收集不同频率、不同角度下的射频数据；角度和通信频率的预定义分别如公式(1)和公式(2)所示：
Freq＝{freq|freq＝920.625+0.5k，0≤k≤7} (2)。
优选地，所述RFID阅读器收集的射频数据包括通过与其相连接的天线持续接收来自标签对的后向反射信号，且收集EPC、时间戳、通信频率和相位信息。
优选地，所述S2对收集到的射频信号进行处理包括如下步骤：
S2.1、对收集数据进行预处理；
S2.2、每个标签对生成一个二维的特征矩阵，两个维度分别是标签对的角度和发射频率；
S2.3、利用卷积神经网络对标签对的特征矩阵进行分类的训练得到认证模型。
优选地，所述S2.1中对收集数据进行预处理包括如下步骤：
S2.1.1、对每个角度下标签对的射频数据，根据EPC筛选出需要认证的标签对；
S2.1.2、对于标签对中每个标签的射频数据，根据信号发射频率对其分组；分组后对于每一个角度和每一个发射频率，得到数个相位数据；
S2.1.3、对数个相位数据先排序再取中位数，作为当前角度和发射频率下的相位数据；
S2.1.4、重复以上步骤，得到不同角度和不同频率下的标签相位数据组成认证标签的特征矩阵，处理原始相位数据中跳变数据完善特征矩阵。
优选地，所述S2.1.4中处理原始相位数据中跳变数据完善特征矩阵包括如下步骤：
S2.1.4.1、利用前后数据的均值补全特征矩阵中所出现的部分缺失值；
S2.1.4.2、对于特征矩阵中的每一行数据，即每一个角度下的不同发射频率的相位数据序列，对其进行解卷绕以消除相位的跳变，处理完毕后，得到单个标签的二维特征矩阵；
S2.1.4.3、将标签对中的两个标签的特征矩阵作差，得到一个新的差值特征矩阵，该差值特征矩阵作为每个标签对所生成的二维特征矩阵，两个维度分别是标签对的角度和发射频率。
优选地，所述S3中实际认证过程进行标签认证包括如下步骤：
S3.1、转盘带动标签对持续不断的旋转，通过天线读取标签信息；
S3.2、将获得的数据根据频率分组，得到离散的时间序列数据；
S3.3、先后进行特征提取和数据插值完善其数据，得到单频率下连续的时间序列数据；
S3.4、利用角度定位算法从连续的时间序列数据中找到所需角度；
S3.5、利用以上数据构建转盘转动时的射频信号特征矩阵，将特征矩阵代入到训练好的认证模型中，判断其合法性。
有益效果
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
(1)本发明提出了一种全新的基于方向敏感特性的射频(RFID)标签认证方法；不同于现有的RFID认证方法，本发明利用RFID天线绕自身转动时收集到的标签相位数据的变化特征作为认证的依据，由于不同标签的物理特性不同，RFID天线转动时不同标签呈现的变化趋势不同；本发明在RFID天线在转动的同时进行频率跳变，收集不同角度和不同频率下的标签相位数据组成认证标签的特征矩阵。
(2)本发明提出了一种全新的从连续相位时间序列中提取指定频率和指定角度相位数据的方法；在系统验证标签过程中，RFID天线收集到的是角度和频率同时发生改变时的连续相位时间序列数据；本发明提出了一种全新的方法，从这样的连续相位时间序列中依次提取出指定频率和指定角度的相位数据。
(3)本发明使用RFID设备和其他机械设备实现了射频标签认证系统；实验结果表明本发明在认证标签对时达到了较高的准确率，93.8％。并且在不同的环境条件下进行了大量的实验，如改变RFID天线与标签的相对距离等，距离的改变不会影响本发明的认证准确率。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是本发明中标签对在不同频率和不同角度下的相位差值特征矩阵的图；
图3是本发明中同一距离下不同标签相位随角度的变化的曲线图；
图4是本发明中不同距离下同一标签相位随角度的变化的曲线图；
图5是本发明中标签相位随通信频率的变化的曲线图；
图6是本发明中二维特征矩阵中标签相位数据的跳变的图；
图7是本发明中转盘转动时标签相位的时间序列的曲线图；
图8是本发明中转盘转动时单个频率下标签相位的时间序列的图；
图9是本发明中转盘转动时对单个频率下标签对相位的数据序列进行数据恢复的图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1：
步骤S0101：搭建实验所需的硬件环境。使用一个RFID阅读器、一个型号匹配的天线和一个用于模拟天线转动的电动转盘构建本发明的实验环境。将RFID阅读器与天线连接，天线垂直于地面放置，电动转盘也垂直于地面放置，使得天线所在平面与电动转盘所在平面保持平行，并将需要采集数据和认证的标签对粘贴在电动转盘上的指定位置。
步骤S0102：搭建实验所需的软件环境。在PC机上使用Java语言编写数据收集程序，分别是收集固定角度下标签射频数据的程序和收集转盘转动时标签射频数据的程序。数据收集程序包括配置文件模块、阅读器连接模块、阅读器及天线功能及特性设置模块、标签设置模块、频率跳变模块、标签返回信息处理模块和文件写入模块。然后，将PC机与RFID阅读器相连，通过网线直接相连或局域网无线连接。
步骤S0201：实现固定角度下对标签射频数据的收集。将电动转盘分别转至公式(1)中定义的几个角度，在每个角度下，启动PC机上收集固定角度下标签射频数据的程序。RFID阅读器通过与其相连接的天线持续不断地接收来自标签对的后向反射信号，并且收集EPC、时间戳、通信频率和相位信息；角度和通信频率的预定义分别如公式(1)和公式(2)所示。
Freq＝{freq|freq＝920.625+0.5k，0≤k≤7} (2)。
步骤S0301：实现对收集数据的预处理。经过步骤S0301，获得了9个不同角度下的标签对射频数据。对于每个角度下标签对的射频数据，首先根据EPC筛选出需要认证的标签对。然后，对于标签对中每个标签的射频数据，根据信号发射频率对其分组。分组之后，对于每一个角度和每一个发射频率，得到了数个相位数据，相位数据数量与每个角度下的数据收集时长相关。对这数个相位数据先排序再取中位数，作为当前角度和发射频率下的相位数据。重复以上步骤，可以得到一个9x 8的二维特征矩阵，其两个维度分别是角度和发射频率。由于数据采集过程中频率跳变的出错，特征矩阵中可能会出现部分缺失值，如图6所示。对于这些缺失值，利用前后数据的均值补全。部分角度下的相位数据随着频率的跳变可能发生周期性的跳变。因此，对于特征矩阵中的每一行数据，即每一个角度下的不同发射频率的相位数据序列，需要对其进行解卷绕以消除相位的跳变。处理完毕后，得到了单个标签的二维特征矩阵。最后，将标签对中的两个标签的特征矩阵作差，得到一个新的差值特征矩阵(以下简称特征矩阵)，如图2所示。
步骤S0302：实现对处理后数据的模型训练。在采集完大量的标签对特征矩阵数据之后，下一步对特征矩阵进行分类训练。特征矩阵与灰度图高度相似，角度和发射频率类似于灰度图中的像素点，相位大小类似于灰度图的灰度。因此，灰度图分类常用的卷积神经网络非常适合特征矩阵分类场景。由于特征矩阵尺寸很小，分类所使用的卷积神经网络结构也比较简单，直接使用事先定义的卷积神经网络结构。
步骤S0401：实现转盘转动时对标签射频数据的收集。设置电动转盘的转动速度，使其在预设的速度下匀速转动。启动PC机上收集转盘转动时标签射频数据的程序，待电动转盘多个周期后，终止收集数据。
步骤S0402：对转盘转动时收集的数据进行处理。经过步骤S0401，获得的射频数据是相位的时间序列数据，这个序列是连续的，如图7所示。将相位时间序列根据频率分组，分别得到8个频率下的相位时间序列，这个序列是离散的，如图8所示。离散的时间序列中有多个数据簇，对每个数据簇进行特征提取，找出其的一个特征点用于表示这个数据簇。接下来对这些数据簇进行数据插值，得到一条平滑的连续曲线，如图9所示。最后，根据不同标签对相位随角度的变化特性，在曲线中定位到预定义的9个角度。综上所述，得到了8个频率、9个角度下的射频数据，构建转盘转动时的射频信号特征矩阵。
步骤S0403：利用训练好的模型对标签进行认证。将步骤S0403中得到的特征矩阵输入到步骤S0302中训练好的模型中，得到模型的分类结果，从而判断标签对的合法性。
现有的工作已经完成了一些基于物理层指纹信息的射频标签认证工作：(1)相关研究人员提取时间间隔误差、平均基带功率和频谱特征作为指纹，尽管认证准确率很高，但这项工作需要一个非常昂贵的频谱分析仪进行特征提取。(2)与现有C1G2协议完全兼容的GenePrint利用标签的RN16前导信号脉冲之间的内部相似性来提取硬件特征作为指纹，可以达到非常高的识别准确率，并且能够抵抗包括特征重放攻击在内的各种恶意攻击，但是这一基于指纹的标签认证解决方案会受到环境变化的影响。(3)同样与商用RFID标签和标准C1G2协议完全兼容的Butterfly利用两个标签射频信号的差值作为指纹，这一方法虽然在一定程度上消除了环境因素的影响，但没有考虑到两个标签射频信号的差值亦会随着标签角度的改变而发生改变这一事实。
本发明所述的一种基于方向敏感特性的射频标签认证方法，为射频标签的认证提供了一种新思路，提供了一种更加安全可靠的射频标签认证方法，可以有效的认证粘贴在物品上的标签对，并且免疫外部环境的变化。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于方向敏感特性的射频标签认证方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、收集不同角度和通信频率下的标签射频信号；
S2、对收集到的射频信号进行处理；收集不同角度和不同频率下的标签相位数据组成认证标签的特征矩阵，通过该特征矩阵训练得到认证模型；
S3、实际认证过程进行标签认证；从连续相位时间序列中依次提取出指定频率和指定角度的相位数据，通过该相位数据构建射频信号特征矩阵，且代入认证模型中得到认证结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于方向敏感特性的射频标签认证方法，其特征在于，所述S1中收集不同角度和通信频率下的标签射频信号包括如下步骤：
S1.1、搭建实验环境；采用的实验硬件设备包括一个RFID阅读器、一个型号匹配的天线和一个用于模拟天线转动的电动转盘；将RFID阅读器与天线连接，天线垂直于地面放置，电动转盘垂直于地面放置，天线所在平面与电动转盘所在平面保持平行，并将需要采集数据和认证的标签对粘贴在电动转盘上的指定位置；
S1.2、收集标签射频信号；定义多个不同角度，根据事先定义好的发射频率，在不同角度下让标签对静止；RFID阅读器通过频率跳变收集不同频率、不同角度下的射频数据；角度和通信频率的预定义分别如公式(1)和公式(2)所示：
Freq＝{freq|freq＝920.625+0.5k，0≤k≤7} (2)。
3.根据权利要求2所述的一种基于方向敏感特性的射频标签认证方法，其特征在于，所述RFID阅读器收集的射频数据包括通过与其相连接的天线持续接收来自标签对的后向反射信号，且收集EPC、时间戳、通信频率和相位信息。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于方向敏感特性的射频标签认证方法，其特征在于，所述S2对收集到的射频信号进行处理包括如下步骤：
S2.1、对收集数据进行预处理；
S2.2、每个标签对生成一个二维的特征矩阵，两个维度分别是标签对的角度和发射频率；
S2.3、利用卷积神经网络对标签对的特征矩阵进行分类训练得到认证模型。
5.根据权利要求4所述的一种基于方向敏感特性的射频标签认证方法，其特征在于，所述S2.1中对收集数据进行预处理包括如下步骤：
S2.1.1、对每个角度下标签对的射频数据，根据EPC筛选出需要认证的标签对；
S2.1.2、对于标签对中每个标签的射频数据，根据信号发射频率对其分组；分组后对于每一个角度和每一个发射频率，得到数个相位数据；
S2.1.3、对数个相位数据先排序再取中位数，作为当前角度和发射频率下的相位数据；
S2.1.4、重复以上步骤，得到不同角度和不同频率下的标签相位数据组成认证标签的特征矩阵，处理原始相位数据中跳变数据完善特征矩阵。
6.根据权利要求5所述的一种基于方向敏感特性的射频标签认证方法，其特征在于，所述S2.1.4中处理原始相位数据中跳变数据完善特征矩阵包括如下步骤：
S2.1.4.1、利用前后数据的均值补全特征矩阵中所出现的部分缺失值；
S2.1.4.2、对于特征矩阵中的每一行数据，即每一个角度下的不同发射频率的相位数据序列，对其进行解卷绕以消除相位的跳变，处理完毕后，得到单个标签的二维特征矩阵；
S2.1.4.3、将标签对中的两个标签的特征矩阵作差，得到一个新的差值特征矩阵，该差值特征矩阵作为每个标签对所生成的二维特征矩阵，两个维度分别是标签对的角度和发射频率。
7.根据权利要求6所述的一种基于方向敏感特性的射频标签认证方法，其特征在于，所述S3中实际认证过程进行标签认证包括如下步骤：
S3.1、转盘带动标签对持续不断的旋转，通过天线读取标签信息；
S3.2、将获得的数据根据频率分组，得到离散的时间序列数据；
S3.3、先后进行特征提取和数据插值完善其数据，得到单频率下连续的时间序列数据；
S3.4、利用角度定位算法从连续的时间序列数据中找到所需角度；
S3.5、利用以上数据构建转盘转动时的射频信号特征矩阵，将特征矩阵代入到训练好的认证模型中，判断其合法性。
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