基于TH-PPM的RFID安全認(rèn)證是怎樣的

0 引 言

近年來，很多種RFID安全認(rèn)證的算法和協(xié)議（如Hash-Lock協(xié)議、分組加密算法）在協(xié)議層和算法層上解決RFID系統(tǒng)的安全認(rèn)證，而這些方法都假設(shè)標(biāo)簽和閱讀器之間的通信已經(jīng)被竊聽的情況下實(shí)現(xiàn)對信息的保護(hù)。數(shù)字加密算法必然增加標(biāo)簽電路的復(fù)雜程度從而增加標(biāo)簽功耗，研究表明運(yùn)用3 595個(gè)與非門構(gòu)成的AES算法需要8.5μA電流才能驅(qū)動，即使減少了加密算法的功耗和成本，加密算法的時(shí)延也不可忽視，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)加密算法需多次循環(huán)計(jì)數(shù)，且工作在低頻時(shí)鐘下，使得標(biāo)簽和閱讀器的大部分通信都浪費(fèi)在實(shí)現(xiàn)加密上。研究證明，實(shí)現(xiàn)一個(gè)AES算法需要大約995個(gè)周期，假設(shè)標(biāo)簽的時(shí)鐘是1 MHz，那么完成AES加密大約需要1μs，而Gen-2標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽只有1.6μs的時(shí)間來傳輸128位信息，可見加密算法的時(shí)延是很可觀的。

為了解決數(shù)字加密的缺點(diǎn)，人們提出多種輕量級的安全認(rèn)證（如HB，HB+，HB++協(xié)議）試圖降低標(biāo)簽的成本、功耗。在HB協(xié)議中，標(biāo)簽和閱讀器共享一個(gè)密鑰x，HB協(xié)議的流程為：閱讀器產(chǎn)生的一個(gè)隨機(jī)挑戰(zhàn)值a，并發(fā)送給標(biāo)簽;標(biāo)簽根據(jù)a和x的值，通過一系列計(jì)算后把結(jié)果發(fā)給閱讀器;閱讀器檢測結(jié)果是否符合規(guī)范;如果閱讀器對標(biāo)簽發(fā)送來的結(jié)果驗(yàn)證失敗的次數(shù)在規(guī)定的次數(shù)內(nèi)的話，標(biāo)簽就通過驗(yàn)證。HB協(xié)議雖然使電路結(jié)構(gòu)簡單化了，但不能抵抗主動攻擊，假如攻擊者偽裝成閱讀器，傳送一個(gè)經(jīng)過修改的隨機(jī)挑戰(zhàn)值a給標(biāo)簽n次，就能夠推測出x的值。

由于HB協(xié)議的缺點(diǎn)，很多學(xué)者又對其改進(jìn)產(chǎn)生了HB+協(xié)議和HB++協(xié)議，還產(chǎn)生了一些新的協(xié)議（如Hash-Lock和Hash鏈協(xié)議），但是都是基于Hash運(yùn)算模塊或分組加密算法，沒有減少標(biāo)簽安全認(rèn)證的成本和功耗。

由于加密算法以上缺陷，所以提出基于UWB的RFID安全認(rèn)證，這種認(rèn)證是在通信的物理層上實(shí)現(xiàn)對RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)的保護(hù)，采用TH-PPM調(diào)制。TH- PPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的每個(gè)標(biāo)簽采用各自特定的跳時(shí)碼，只有知道跳時(shí)碼的接收機(jī)才能解調(diào)信號?；赨WB的RFID安全認(rèn)證的優(yōu)點(diǎn)有：

（1）UWB信號的功率接近信道的噪聲功率，很難被竊聽;

（2）UWB信號不需要加密，因?yàn)槊總€(gè)標(biāo)簽都有不同的跳時(shí)碼，而跳時(shí)碼是絕對保密的;

（3）由于基于UWB的RFID安全認(rèn)證系統(tǒng)沒有加密算法的遲延使得通信遲延更短;UWB信號比窄帶信號的抗干擾性能更好，不容易阻塞和竊聽，且可實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用。

1、UWB RFID安全認(rèn)證系統(tǒng)

1.1 UWB及TH-PPM

根據(jù)香農(nóng)定律，在有噪聲干擾的條件下，通信系統(tǒng)的極限傳輸速率（信道容量）可以用香農(nóng)公式表示，即：C=Blog（1+SNR）（C為信道容量;B為信號帶寬;SNR為信噪比）。由香農(nóng)公式，在信道容量不變的條件下，信噪比和信號帶寬是可以相互置換的，所以當(dāng)信噪比不變時(shí)信道容量和帶寬成正比，增加帶寬也就增加了信道容量（極限容量內(nèi)），同時(shí)減小了對信噪比的要求，擴(kuò)頻、超寬帶等寬帶通信系統(tǒng)就來源于此。

UWB信號是指其相對帶寬大于0.2，它是利用很窄的脈沖（脈寬一般小于1 ns）來傳輸數(shù)據(jù)，而不采用連續(xù)的波形，所以信號的帶寬很大。窄脈沖一般用高斯多階微分脈沖、升余弦脈沖、多周期脈沖和脈沖串等，由于高斯多階微分脈沖易產(chǎn)生，且階數(shù)選得合適可使信號沒有直流分量，還能很好地向空中輻射能量（如一階、二階微分等），所以最常用。高斯多階微分的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

UWB系統(tǒng)有多種脈沖調(diào)制方式（TH-PPM，DS-PAM等），由于TH-PPM電路簡單，成本低和功耗小，所以可用于UWB RFID系統(tǒng)的調(diào)制方式。PPM調(diào)制是利用脈沖出現(xiàn)的位置相對于標(biāo)準(zhǔn)位置的偏移量來表示一個(gè)特定的符號。TH-PPM是跳時(shí)和脈位調(diào)制的結(jié)合，首先用PN 碼選擇傳輸碼元的時(shí)隙（一個(gè)周期為2N-1的PN碼的跳時(shí)，由于偽隨機(jī)生成器在PN碼的一個(gè)周期內(nèi)有2N-1個(gè)狀態(tài)，所以傳輸一個(gè)符號需要2N-1個(gè)時(shí)隙）;然后在PPM調(diào)制中用符號來控制脈沖在所選時(shí)隙內(nèi)相對于標(biāo)準(zhǔn)位置的偏移量，TH-PPM信號為：

比如一個(gè)二進(jìn)制的信源，用周期為2N-l的PN碼進(jìn)行跳時(shí)，首先根據(jù)PN碼生成器的狀態(tài)cj，選擇傳輸PN碼的時(shí)隙即在位空間偏移ciTc;然后在選擇的時(shí)隙內(nèi)，當(dāng)符號為“0”時(shí)，脈沖的位置不發(fā)生偏移，當(dāng)符號為“1”時(shí)，在時(shí)隙內(nèi)脈沖的位置偏移ai△，脈沖在位空間的總偏移量就為ciTc+ai△，要求 ai△《ciTc（當(dāng)ci≠0）。

1.2 TH-PPM RFID數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

TH-PPM RFID的數(shù)據(jù)幀格式如圖1，圖中底層為在位空間中一個(gè)被隨機(jī)選擇傳輸符號的時(shí)隙，由上分析，位空間只可能有一個(gè)時(shí)隙才有脈沖，一個(gè)時(shí)隙內(nèi)偏移量不同代表不同的符號。由圖可見整個(gè)數(shù)據(jù)幀共176 b，分為三個(gè)部分：首部、PN序列初態(tài)和標(biāo)簽ID。首部由32 b組成，用于標(biāo)簽和讀寫器的同步。PN序列的初態(tài)和標(biāo)簽ID分別由16 b和128 b組成。PN序列的初態(tài)傳輸給閱讀器實(shí)現(xiàn)偽隨機(jī)碼同步，如果PN碼不同步，閱讀器就無法對信號進(jìn)行解擴(kuò)，無法獲得標(biāo)簽信息，所以同步是TH-PPM的關(guān)鍵。

1.3 TH-PPM RFID示簽結(jié)構(gòu)

UWB RFID標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由能量轉(zhuǎn)換供應(yīng)電路、PN碼生成器、PPM和脈沖成形等模塊組成。當(dāng)標(biāo)簽的能量轉(zhuǎn)換電路收到信號后，將一部分能量轉(zhuǎn)換為標(biāo)簽所需的能量，另一部分通過窄帶接收機(jī)處理為標(biāo)簽提供時(shí)鐘;如果標(biāo)簽獲得了足夠的能量則根據(jù)防碰撞算法（在此未加討論）準(zhǔn)備要發(fā)送的數(shù)據(jù)，這時(shí)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)幀中的176 b數(shù)據(jù)經(jīng)整合后形成一個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，以速率Rb=1/Tb輸入重復(fù)編碼器;重復(fù)編碼器對輸入的每個(gè)符號重復(fù)Ns次編碼，將數(shù)據(jù)流速率提高到 Rcd=Ns/Tb=1/Ts（Ts為傳輸一個(gè)符號的位空間），實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的信道編碼;然后通過跳時(shí)和PPM模塊實(shí)現(xiàn)對每個(gè)脈沖在位空間和時(shí)隙的定位，經(jīng)沖激響應(yīng)為高斯多階微分的脈沖成形濾波器后向閱讀器發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀。以下主要介紹系統(tǒng)中PN碼生成器和PPM調(diào)制模塊。

1.3.1 PN碼生成器

PN碼生成器的結(jié)構(gòu)采用模件抽頭型（MSRG），如圖3所示;MSRG型序列生成器的反饋系數(shù)由特征多項(xiàng)式 f（x）=c0+c1x+c2x2+…+cixi的系數(shù)決定，它們的關(guān)系是ci=dm-i。MSRG型序列發(fā)生器是在兩個(gè)觸發(fā)器之間接入一個(gè)模2加法器，使得反饋路徑上無時(shí)延部件，和反饋移位寄存器結(jié)構(gòu)（SSRG）的發(fā)生器比較，其反饋支路上沒有時(shí)延部件，其工作頻率為fMSRC=1/（Ti+Ta），而 SSRG結(jié)構(gòu)的模2加法器在反饋支路上其工作頻率為fSSR=1/（Tt+∑Ta），所以MSRG型結(jié)構(gòu)提高了發(fā)生器的工作速率。m序列共產(chǎn)生2m-1種狀態(tài)，所以跳時(shí)編碼時(shí)一個(gè)位空間有2m-1個(gè)時(shí)隙（m為反饋移位寄存器的級數(shù)）。

1.3.2 PPM調(diào)制模塊

PPM調(diào)制可以采用計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，但是這種結(jié)構(gòu)耗能大，所用分頻器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

分頻器結(jié)構(gòu)PPM調(diào)制器由分頻器和觸發(fā)器構(gòu)成。因?yàn)橄到y(tǒng)選擇的是15級的偽隨機(jī)序列發(fā)生器，所以圖中共15個(gè)模塊，每個(gè)模塊都會對前一模塊進(jìn)行二分頻，然后為該模塊的觸發(fā)器提供時(shí)鐘。每個(gè)模塊在時(shí)鐘的驅(qū)動下，如果P［i］為‘0’則對輸入時(shí)延一個(gè)時(shí)鐘周期后輸出;如果P［i］為‘1’則時(shí)延兩個(gè)時(shí)鐘周期輸出。15個(gè)模塊最小延遲215-1個(gè)周期（當(dāng)P［14..0］=00…00），所以數(shù)據(jù)只有可能被調(diào)制在216-1個(gè)時(shí)隙的后面215-1個(gè)時(shí)隙上，消除了相鄰兩個(gè)位空間的碼間串?dāng)_。

2、結(jié) 語

文中比較了多種基于算法和協(xié)議的RFID安全認(rèn)證，但這種安全認(rèn)證方式都會使標(biāo)簽的電路復(fù)雜化，不利于集成和降低成本，且標(biāo)簽信息容易泄漏，所以本文提出一種基于UWB的RFID安全認(rèn)證系統(tǒng)，并對其中的某些重要模塊的實(shí)現(xiàn)做了研究和仿真。由于篇幅和能力有限，這樣的系統(tǒng)還有很多問題需要探討和研究，比如基于UWB RFID系統(tǒng)的閱讀器和標(biāo)簽之間的MAC協(xié)議等還需更深入探討。

責(zé)任編輯：ct