一种RFID标签射频指纹认证系统的制作方法与工艺

本发明涉及射频指纹认证技术领域，尤其涉及一种RFID标签射频指纹认证系统及其射频指纹变换方法。

背景技术：
RFID系统一般由读写器、标签与后台管理系统构成。RFID系统中读写器与标签之间通过具有开放性的空气媒介进行无线通信，因此可能面临克隆、篡改、窃听、假冒、拒绝服务、去同步化与重传等攻击，从而带来系统信息安全与用户隐私保护问题，这已成为制约RFID发展的关键问题之一。无电源的近耦合RFID标签已经在电子身份证、电子护照、供应链系统中得到了广泛应用。近耦合RFID标签的资源一般极其有限，传统的基于密码与协议的安全机制很难直接应用到RFID系统中。为此，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标签内的数字信息易被复制；并且，基于数字信息的应用层认证协议也容易存在安全漏洞。通信双方的认证是信息安全与隐私保护的基础与关键。近年来，运行于物理层的非密码认证技术被提出用于无线设备的信息安全与隐私保护。基于射频指纹（RadioFrequencyFingerprint，简称RFF）的无线电发射设备识别与验证是非密码认证技术之一。RFF是携带无线电发射设备硬件信息的接收无线电信号的变换，这种变换体现无线电发射设备的硬件性质并具有可比性。已有研究表明，对标签施加各种激励，再根据标签响应的射频信号抽取标签射频指纹，进而进行标签识别，得到了2.43%的平均误识率。目前对标签射频指纹的研究还包括：把近耦合RFID标签的不同频率下最小功率响应作为指纹，能以很高正确率对克隆标签进行检测；对近耦合RFID标签信号进行小波变换，进而可得到基于小波指纹的标签认证。尽管这些研究大都取得了较好的实验结果，但存在着：需要增加额外设备、占用额外频谱、采样率高同时对信号起始点检测精度敏感等缺陷。

技术实现要素：
本发明的目的在于为增强RFID系统的信息安全强度而提出一种RFID标签射频指纹变换方法。上述目的通过下述技术方案来实现。所述射频指纹认证系统，包括：由所述近耦合状态下采集的RFID标签反馈给读写器的电磁感应信号x(t)；对所述信号x(t)进行带通滤波的带通滤波器BPF；由带通滤波器BPF输出的副载波下边带信号或上边带信号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低通滤波器LPF；由低通滤波器LPF输出的信号xI(t)、xQ(t)；由所述信号xI(t)和信号xQ(t)复合形成的复信号r(t)；和对所述复信号r(t)进行频偏与冲击响应特征提取的射频指纹变换器RFF-T。所述射频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。所述射频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[2π(fT-fs)t]；其中：fT为标准规定的载波频率；fs为负载波频率。所述射频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)*htx(t)·cos[2π(fT-fs+Δf)t]+n(t)；其中，m(t)为RFID标签发送的基带信息信号；htx(t)为标签发送电路的等效单位冲击响应；fT-fs为标准规定的下边带频率；Δf为RFID系统实际谐振频率与fT-fs之间的频率差；n(t)为加性高斯白噪声。由于x1(t)是标签与读写器近距离下的耦合信号，因而信噪比高；故这里可以忽略n(t)信号的作用。所述射频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xI(t)、xQ(t)进行如下复合形成，r(t)＝xI(t)-j·xQ(t)。上述射频指纹变换系统对射频指纹进行变换的方法，包括：对复信号r(t)进行傅立叶变换，获得对应信号R(f)为：R(f)＝M(f)·Htx(f-Δf)；对上述信号R(f)进行求模和对数运算，获得信号log[|R(f)|]为：log[|R(f)|]＝log[|M(f)|]+log[|Htx(f-Δf)|]；对上述信号log[|R(f)|]进行低通滤波，滤除快变分量，得到具有频偏与冲击响应特征的标签的射频指纹RFF为：LPF{log[|R(f)|]}＝LPF{log[|Htx(f-Δf)|]}；其中，M(f)与Htx(f)分别为m(t)与htx(t)的傅立叶变换。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频偏与冲击响应射频指纹变换方法，由标签硬件物理特征决定的Δf与htx(t)具有唯一性与稳定性，因而增强了RFID系统的信息安全强度。附图说明图1是本发明系统的结构示意图。图2是ISO14443A射频信号的频谱。图3是ISO14443A射频信号样本。图4是一种射频信号近耦合硬件系统示意图。图5是射频信号变换实验的局部信号图6是四个标签的特征矢量分布及判别界面示意图。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标签射频指纹认证系统是基于软件无线电的RFIDRFF认证系统，它包括：电磁感应信号x(t)，带通滤波器BPF，下边带信号或上边带信号x1(t)，乘法器M，低通滤波器LPF，低通信号xI(t)、xQ(t)、复信号r(t)和射频指纹变换器RFF-T；电磁感应信号x(t)是在近耦合状态下获得的RFID标签反馈给读写器的信号，带通滤波器BPF对所述信号x(t)进行带通滤波，输出的副载波下边带信号或上边带信号x1(t)，信号x1(t)经乘法器M的数字载波o(t)正交下变频，形成相位差90°的I路和Q路信号，低通滤波器LPF对该两路信号分别进行低通滤波，低通滤波器LPF对应输出低通信号为xI(t)、xQ(t)，对该两低通信号进行复合，构成复信号r(t)，通过射频指纹变换器RFF-T对该复信号r(t)进行频偏与冲击响应特征提取，从而获得对应射频指纹RFF。上述本发明系统中，读写器发射的信号可采用ISO14443A电子标签（RFID）信号，工作时，读写器发送电磁场，标签通过电磁感应获得电源；读写器与标签之间通过负载调制进行双向信息传递，标签的附加负载电阻以一定的时钟频率接通和断开，从而在读写器发送频率两侧形成两条副载波谱线；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。ISO14443A是近耦合RFID系统的一种标准，其频谱示意图如图2所示。fT＝13.56MHz为读写器载波频率，fs＝847.5KHz为副载波频率，实际信息包含在两个副载波上、下边带中。ISO14443A系统的一个实际射频信号及其延迟解调结果如图3所示。其中图（a）为在ISO14443A读写器天线处采集的一次完整会话射频信号，首先是读写器发出询问信号，接着是帧延迟阶段，最后是标签响应信号；图（b）是上图的延迟解调结果；图（c）是图（b）的局部放大图。在近耦合状态下采集的RFID标签反馈给RFID读写器的电磁信号x(t)，该信号x(t)经过带通滤波器BPF滤波后形成的副载波下边带或上边带信号x1(t)，根据标签信号产生原理与其频谱，信号x1(t)可行为级描述为：x1(t)＝m(t)*htx(t)·cos[2π(fT-fs+Δf)t]+n(t)（1）其中，m(t)为RFID标签发送的基带数字信号；htx(t)为标签发送电路的等效单位冲击响应；fT与fs分别为标准规定的载波与负载波频率，fT-fs为标准规定的下边带频率；Δf为RFID系统实际谐振频率与fT-fs之间的频率差；*表示卷积运算；n(t)为加性高斯白噪声。由于x1(t)是标签与读写器近距离下的耦合信号，因而信噪比高；故这里可以忽略n(t)信号的作用。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[2π(fT-fs)t]（2）当然信号x1(t)也可通过其他数字载波进行正交下变频，例如o＇(t)＝sinπ[2fT-(fst。I路和Q路两路信号经低通滤器LPF滤波后，形成的相应低通信号xI(t)、xQ(t)，该低通信号xI(t)、xQ(t)实质是基带信号，该两路正交信号可采用下述方式进行组合，构成复信号r(t)为：r(t)＝xI(t)-j·xQ(t)（3）当然信号xI(t)、xQ(t)两路信号也可通过其他方式组合，形成复信号r(t)。复信号r(t)经射频指纹变换器RFF-T进行射频指纹变换，其变换包括：首先，对复信号r(t)进行傅立叶变换，获得对应信号R(f)为：R(f)＝M(f)·Htx(f-Δf)（4）其中，M(f)与Htx(f)分别为m(t)与htx(t)的傅立叶变换。接着，对上述信号R(f)进行求模和对数运算，获得信号log[|R(f)|]为：log[|R(f)|]＝log[|M(f)|]+log[|Htx(f-Δf)|]（5）由于标签发送的基带数字信号m(t)等效表示为而该式中b(k)是二进制序列{±1}，δ(t)为单位脉冲信号，Tb为比特间隔，所以（5）中log[|M(f)|]可视为快变分量；另外，根据电路理论，log[|Htx(f-Δf)|]为慢变分量。最后，对上述信号log[|R(f)|]进行低通滤波，滤除了式（5）中的快变分量，则获得的射频指纹RFF为：LPF{log[|R(f)|]}＝LPF{log[|Htx(f-Δf)|]}（6）由上式可知，射频指纹RFF主要由RFID标签等效系统冲击响应htx(t)与频偏Δf唯一确定。因此，LPF{log[|R(f)|]}可作为一种RFF用于近耦合RFID标签的认证。本申请发明人对本发明所产生射频指纹RFF性能效果进行实验认证。实验1本次实验是按ISO14443ARFID近耦合标准进行，硬件系统如图4，包括RFID读写器、标签、示波器、计算机与天线等；无线电软件系统为如图1所示的认证系统。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进行处理。按照提出近耦合RFID标签频偏与冲击响应RFF变换方法对采集标签射频感应信号进行实验。其中下边带带宽取为954KHz，下变频载波频率为12.7125MHz。一次标签频偏与冲击响应RFF变换实验中间结果的局部信号如图5所示。其中的（a）图为x(t)的下边带信号x1(t)；（b）图与（c）图分别为RFIDRFF认证系统处理得到的I路信号xI(t)与Q路信号xQ(t)；（d）图为构造复信号r(t)的幅频谱的对数运算结果log[|R(f)|]，由图（d）可知，其包含丰富的快变分量；图（e）为log[|R(f)|]的低通滤波后信号，截取其正幅值部分，即提出的近耦合RFID标签频偏与冲击响应RFF。实验2随机选取同一厂家同一系列的4个ISO1444A标签，记为PICC-1、PICC-2、PICC-3与PICC-4，进行近耦合RFID标签频偏与冲击响应RFF变换实验。每个标签采集50个射频信号，并分别变换为频偏与冲击响应RFFLPF{log[|R(f)|]}。对每个LPF{log[|R(f)|]}进行基于相似因子的特征提取，获得的特征矢量记为[Cr1,Cr2]。4个标签的200个[Cr1,Cr2]分布及判别界面如图6所示。由理论推导可知，频偏与冲击响应RFF主要由标签的硬件物理属性决定，与基带数字信号无关，对接收信号起始点检测精度不敏感，具备稳健性。上述实验验证了理论分析与数值仿真结果。