基于TH-PPM的RFID安全認證

0 引 言
??? 近年來，很多種RFID安全認證的算法和協(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)的安全認證，而這些方法都假設(shè)標簽和閱讀器之間的通信已經(jīng)被竊聽的情況下實現(xiàn)對信息的保護。數(shù)字加密算法必然增加標簽電路的復(fù)雜程度從而增加標簽功耗，研究表明運用3 595個與非門構(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，加密算法的時延也不可忽視，因為實現(xiàn)加密算法需多次循環(huán)計數(shù)，且工作在低頻時鐘下，使得標簽和閱讀器的大部分通信都浪費在實現(xiàn)加密上。研究證明，實現(xiàn)一個AES算法需要大約995個周期，假設(shè)標簽的時鐘是1 MHz，那么完成AES加密大約需要1μs，而Gen-2標準的標簽只有1．6μs的時間來傳輸128位信息，可見加密算法的時延是很可觀的。
??? 為了解決數(shù)字加密的缺點，人們提出多種輕量級的安全認證(如HB，HB+，HB++協(xié)議)試圖降低標簽的成本、功耗。在HB協(xié)議中，標簽和閱讀器共享一個密鑰x，HB協(xié)議的流程為：閱讀器產(chǎn)生的一個隨機挑戰(zhàn)值a，并發(fā)送給標簽；標簽根據(jù)a和x的值，通過一系列計算后把結(jié)果發(fā)給閱讀器；閱讀器檢測結(jié)果是否符合規(guī)范；如果閱讀器對標簽發(fā)送來的結(jié)果驗證失敗的次數(shù)在規(guī)定的次數(shù)內(nèi)的話，標簽就通過驗證。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，傳送一個經(jīng)過修改的隨機挑戰(zhàn)值a給標簽n次，就能夠推測出x的值。
??? 由于HB協(xié)議的缺點，很多學(xué)者又對其改進產(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運算模塊或分組加密算法，沒有減少標簽安全認證的成本和功耗。
??? 由于加密算法以上缺陷，所以提出基于UWB的RFID安全認證，這種認證是在通信的物理層上實現(xiàn)對RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)的保護，采用TH-PPM調(diào)制。TH-PPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的每個標簽采用各自特定的跳時碼，只有知道跳時碼的接收機才能解調(diào)信號?；赨WB的RFID安全認證的優(yōu)點有：
??? (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，因為每個標簽都有不同的跳時碼，而跳時碼是絕對保密的；
??? (3)由于基于UWB的RFID安全認證系統(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，且可實現(xiàn)頻率復(fù)用。

l UWB RFID安全認證系統(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，所以當信噪比不變時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))，同時減小了對信噪比的要求，擴頻、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)的位置相對于標準位置的偏移量來表示一個特定的符號。TH-PPM是跳時和脈位調(diào)制的結(jié)合，首先用PN碼選擇傳輸碼元的時隙(一個周期為2N-1的PN碼的跳時，由于偽隨機生成器在PN碼的一個周期內(nèi)有2N-1個狀態(tài)，所以傳輸一個符號需要2N-1個時隙)；然后在PPM調(diào)制中用符號來控制脈沖在所選時隙內(nèi)相對于標準位置的偏移量，TH-PPM信號為：
???
??? 比如一個二進制的信源，用周期為2N-l的PN碼進行跳時，首先根據(jù)PN碼生成器的狀態(tài)cj，選擇傳輸PN碼的時隙即在位空間偏移ciTc；然后在選擇的時隙內(nèi)，當符號為“0”時，脈沖的位置不發(fā)生偏移，當符號為“1”時，在時隙內(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被隨機選擇傳輸符號的時隙，由上分析，位空間只可能有一個時隙才有脈沖，一個時隙內(nèi)偏移量不同代表不同的符號。由圖可見整個數(shù)據(jù)幀共176 b，分為三個部分：首部、PN序列初態(tài)和標簽ID。首部由32 b組成，用于標簽和讀寫器的同步。PN序列的初態(tài)和標簽ID分別由16 b和128 b組成。PN序列的初態(tài)傳輸給閱讀器實現(xiàn)偽隨機碼同步，如果PN碼不同步，閱讀器就無法對信號進行解擴，無法獲得標簽信息，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。當標簽的能量轉(zhuǎn)換電路收到信號后，將一部分能量轉(zhuǎn)換為標簽所需的能量，另一部分通過窄帶接收機處理為標簽提供時鐘；如果標簽獲得了足夠的能量則根據(jù)防碰撞算法(在此未加討論)準備要發(fā)送的數(shù)據(jù)，這時標簽的數(shù)據(jù)幀中的176 b數(shù)據(jù)經(jīng)整合后形成一個二進制數(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為傳輸一個符號的位空間)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的信道編碼；然后通過跳時和PPM模塊實現(xiàn)對每個脈沖在位空間和時隙的定位，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)生器是在兩個觸發(fā)器之間接入一個模2加法器，使得反饋路徑上無時延部件，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)，所以跳時編碼時一個位空間有2m-1個時隙(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。因為系統(tǒng)選擇的是15級的偽隨機序列發(fā)生器，所以圖中共15個模塊，每個模塊都會對前一模塊進行二分頻，然后為該模塊的觸發(fā)器提供時鐘。每個模塊在時鐘的驅(qū)動下，如果P[i]為‘0’則對輸入時延一個時鐘周期后輸出；如果P[i]為‘1’則時延兩個時鐘周期輸出。15個模塊最小延遲215-1個周期(當P[14．．0]=00…00)，所以數(shù)據(jù)只有可能被調(diào)制在216-1個時隙的后面215-1個時隙上，消除了相鄰兩個位空間的碼間串擾。

2 結(jié) 語
??? 文中比較了多種基于算法和協(xié)議的RFID安全認證，但這種安全認證方式都會使標簽的電路復(fù)雜化，不利于集成和降低成本，且標簽信息容易泄漏，所以本文提出一種基于UWB的RFID安全認證系統(tǒng)，并對其中的某些重要模塊的實現(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)的閱讀器和標簽之間的MAC協(xié)議等還需更深入探討。