基于指尖阻抗和RFID标签物理层信号的轻量化联合认证方法与流程

本发明属于无线射频识别(rfid)和生物认证技术领域，具体涉及一种基于指尖阻抗和rfid标签信号物理层信息的轻量化联合认证方法。

背景技术：

随着各行业及个人对安全、保密、隐私的需求愈发强烈，安全认证技术显得尤为重要。然而，绝大多数传统认证技术将设备和用户孤立分开，即或是认证设备如门禁卡(常见利用rfid技术)，或是认证用户如指纹，两种认证技术由于安全机制不完善，都各自面临着许多潜在的风险和隐患。比如，设备认证几乎无法抵御仿冒、克隆、窃取等攻击(我们将密码也归为设备认证)，而主流的用户认证大多基于指纹、人脸和虹膜等，其本质属于静态图像或数据的匹配，依然存在被复制的可能，而更顶尖的dna认证普适度低且本身就存在着隐私泄露的风险。

为克服上述问题，前沿研究提出了一种持续认证的概念，即利用某种设备持续提取人体动态生物特征进行认证，如心率、声音共鸣等。但持续认证对设备的采集速率和计算能力要求非常高，导致应用代价和难度过大，目前还只能在实验环境中实现。

综上，现有安全认证技术在应用对象、部署范围、成本代价、系统复杂度、安全抵御能力等方面都存在着一些矛盾和弊端。因此，一种联合人体动态生物特征与设备信号物理层信息的易实现、轻量化、高精度的联合认证技术有了更大的市场需求、存在价值、现实意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于指尖阻抗和rfid标签物理层信号的轻量化联合认证方法，能够有效抵抗多种常见攻击特别是非法用户仿冒类攻击，为多种访问控制应用场景提供可靠可信的安全认证手段。

本发明采用以下技术方案：

基于指尖阻抗和rfid标签物理层信号的轻量化联合认证方法，设计标签阵列结构，采用svm机器学习算法对用户初次注册时的相位特征进行训练；之后，当用户手持标签阵列进行认证时，通过对标签阵列引入人手指阻抗后的唯一相位信号进行处理提取有效相位特征，并采用svm算法实现分类，与数据库中该用户注册时录入的相位特征进行比对，同时检测是否为合法标签阵列与合法用户，完成联合认证。

具体的，设计标签阵列结构具体为：首先分析rfid标签之间感应耦合对信号相位的影响，确定用户所持认证设备即标签阵列中标签数量和每个标签之间的间距；分析人手指触摸对标签阵列中某个标签及其他标签信号相位的影响，确定引入人指尖阻抗的方法。

进一步的，建立标签等效电路，标签阵列由若干个含有环形天线的相同型号的矩形超高频商用标签组成，部署方式为平面部署，每个标签有4个可转动方向，标签阵列的不同部署方式产生不同的相位信号值用以提取认证所需特征。

进一步的，从阵列中某一标签连出一个位于阵列之外的导体，并用非导体封闭除用户接触固定位置以外区域，确保用户每次触摸标签阵列的相同位置相同面积；

建立标签内部等效电路，标签在通信过程中内部电路中电流电压阻抗之间的关系如下：

其中，vo代表阅读器发射信号激活标签时标签内部电路产生的电压，zic代表标签芯片阻抗，zant代表标签天线阻抗，zh代表人指尖阻抗。

具体的，用户手持标签阵列进行认证具体为：

根据epcglobalclass1generation2protocol对进入阅读器读取范围的标签阵列进行id和数量的识别，并采集标签阵列相位信号，比对数据库中预先存储的合法用户数据，确定是否对标签阵列相位信号进行处理。

具体的，对标签阵列相位信号进行处理包括数据预处理、相位修正算法和提取认证特征，消除设备差异性、特定认证距离和人手抖动带来的相位测量误差，通过相位修正算法提取有效相位信号特征。

进一步的，数据预处理具体为：

采集多组相位数据并求其平均值，确保结果稳定且尽量逼近中心值；通过解缠绕技术，消除标签与阅读器之间特定距离和人手抖动带来的相位值在0与2π的跳变。

进一步的，相位修正算法的步骤如下：

s301、按照由大至小的顺序对采集到某阵列中每个标签的相位值进行排序；

s302、计算步骤s1排序后相邻相位值之间的差值δi，保存最大相位差值δmax←max(δi)，找到具有最大差值的一对相位值θj和θj+1；

s303、同时移动阵列中所有标签相位值，直到具有最大差值的一对相位值中其中一个值为当前最大，另一个值为当前最小；

若当前具有最大差值的相邻相位值分别为θ1和θn，则给所有标签相位值减去同一个定值如下：

若当前具有最大差值的相邻相位值分别为θj和θj+1，则给所有标签相位值加上同一个定值如下：

完成相位整体搬迁；

s304、在阵列中所有标签相位值同时移动到第三步的情况下，按照标签初始序列还原相位序列。

进一步的，提取认证特征具体为：

由标签阵列中每两个不同标签之间相位差值组成的集合δp作为认证所需相位特征，具体如下：

提取阵列中每两个标签之间的相位差值如下：

其中，i和j代表不同标签的序号，dij代表标签i和标签j与阅读器天线之间的距离差(垂直于天线平面)，代表标签i和标签j由于硬件引起的附加相位差值。

具体的，其特征在于，联合认证具体为：

数据库存有合法用户预先录入的手持标签阵列时的相位信号特征以及该标签阵列中每个标签的id和总数量；将对标签阵列相位信号进行处理所提取的有效相位信号特征与数据库中该合法用户手持标签阵列初次注册时录入的相位信号特征进行比对，检测标签阵列与用户是否同时合法。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明是一种基于指尖阻抗和rfid标签物理层信号的轻量化联合认证方法，联合具有高度唯一性的人体生物特征与信号物理层信息，实现对用户和设备的联合认证，克服单独设备认证或用户认证存在的各类安全漏洞，进一步提高系统可靠性，系统实现和运行都具有轻量化的特点，并提出了一种生物特征与rfid射频信号双要素联合认证模式，而非先现有的生物认证与设备认证前后分开的两步认证。

进一步的，从工程设计上克服了人体阻抗引入的不稳定性，从理论上分析了人体阻抗和标签感应耦合对相位以及读取距离(识别范围)的影响，从认证原理和方式上改进了原本单一要素和静态要素的制约。

进一步的，建立标签等效电路，分析带有环形天线的rfid超高频标签之间感应耦合发生的原因，能够为试图利用或消除感应耦合作用给系统带来的正面或负面影响提供理论依据，同时给出了本发明标签阵列部署结构设计的标准。

进一步的，建立引入人体阻抗前后标签内部等效电路，分析引入人体阻抗对标签阵列相位信号的影响以及影响人体阻抗的因素，能够从理论上解答人手触摸标签将导致其相位信号变化的原因，并确定了能够向信号物理层信息引入人体阻抗影响的方法。

进一步的，用户认证时手持标签阵列，手指触摸预设的固定区域，能够引入用户阻抗并对标签阵列相位信号产生一个稳定的唯一的影响，从而同时实现设备与用户的联合认证。处理标签阵列相位信号实施联合认证之前，对标签id和数量做认证是为了进一步提高系统安全性，并减少不必要的相位信号处理，从而减轻系统运行负担。

进一步的，数据预处理采用求均值和解缠绕技术，能够消除设备硬件、特定认证距离和人手抖动带来的相位测量误差，提高系统精度。

进一步的，采用相位修正算法，有效克服了相位随距离周期性变化的问题，确保了相位信号特征的一致性、稳定性，同时也给用户带来更大的认证范围(约15cm)。

进一步的，本发明提取两个不同标签之间相位差值作为有效认证特征，既能够消除由于不同阅读器天线引起的误差，也能够减小由于标签阵列位置移动和角度旋转带来的误差。

综上所述，本发明充分融合了传统设备认证和生物认证的优势，实现了一种双要素联合认证方法，并且仅利用商业rfid阅读器、标签和协议，无需定制设备，成本低、精度高、系统简单、安全性好，更易于普适化推广。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为带有环形天线的某型号rfid超高频标签发生感应耦合时的等效电路图；

图3为人手触摸标签前后的等效电路图；

图4为单个标签相位信号采用解缠绕技术前后对比图；

图5为某标签阵列在不同距离下相位信号采用相位修正算法的效果图，其中，(a)为不同距离下标签阵列原始相位；(b)为排序后相位搬迁结果；(c)为恢复排序前标签顺序；

图6为本发明实现联合认证的精确度，其中，(a)为若干合法用户手持本人合法标签阵列的情况；(b)为若干用户手持某一特定标签阵列的情况；

图7为不同标签组成相同阵列部署结构时的区分精确度；

图8为不同距离下认证精确度，其中，(a)为标签阵列到天线之间垂直距离的影响；(b)为标签阵列在距天线某特定垂直距离下水平移动的影响。

具体实施方式

本发明提供了一种基于指尖阻抗和rfid标签物理层信号的轻量化联合认证方法，依托商用rfid设备和协议实现认证功能，从工程设计上克服人体阻抗引入的不稳定性，从理论上分析了人体阻抗和标签感应耦合对信号相位以及读取距离(识别范围)的影响，从认证原理和方式上改进了原本单一要素和静态要素的制约，充分融合传统设备认证和生物认证的特点优势，提出一种双要素联合认证模式。

请参阅图1，本发明一种基于指尖阻抗和rfid标签物理层信号的轻量化联合认证方法，设计标签阵列结构，采用常见的机器学习算法svm对用户初次注册时的相位特征进行训练；之后，当用户手持标签阵列进行认证时，通过对标签阵列相位信号进行处理(引入人手指阻抗之后的唯一的相位信号)提取有效相位特征，并采用svm算法实现分类，即与数据库中该用户注册时录入的相位特征进行比对，同时检测是否为合法标签阵列与合法用户。包括以下步骤：

s1、设计标签阵列结构：

分析rfid标签之间感应耦合对信号相位的影响，确定用户所持认证设备即标签阵列中标签数量和每个标签之间的间距；分析人手指触摸对标签阵列中某个标签及其他标签信号相位的影响，确定稳定引入人指尖阻抗的方法；

通过对带有环形天线的rfid超高频标签的分析，建立标签等效电路，从理论上分析了标签之间感应耦合对信号相位的影响；标签之间感应耦合对相位产生影响的分析：

rfid阅读器的发射信号以辐射耦合方式激活标签，标签电路中会因此产生一定量电流。针对单个标签内部的环形电路(环形天线)，若将该环形电路分为对称两部分，那么两部分电路中的电流大小相同方向相反，产生的磁场也大小相同方向相反，因此相互抵消。然而，当另一带有环形天线的标签靠近时，会同时影响两者内部电路电流，进而改变两者回复阅读器的反向散射信号幅值和相位。

如图2所示，某型号rfid超高频标签内部的环形天线可以看作一个环形电路，静置在某一固定位置。当另一带有环形天线的标签靠近且放置在a点时，该点与原本静置标签环形电路左右对称两部分之间的距离分别为d1和d2，进而可知原本静置标签环形电路左右对称两部分的电流所产生的磁场在a点无法相互抵消，导致a点标签环形电路被附加了一个额外电流，最终改变天线辐射信号的幅值和相位，两个标签相互之间影响相同。

通过对标签之间感应耦合的研究和对大量实验现象的分析，上述两个带有环形天线的标签之间由感应耦合而影响各自信号相位的情况，随标签之间距离缩小而越发强烈，随标签数量增多而越发复杂。因此，用于认证的标签阵列中标签数量应当尽量多，相邻标签之间应当尽量相互靠近，同时，为避免同一阵列中不同标签因相位奇异性导致相位相同的情况发生，阵列应当小于半波长(约16cm)，又考虑本发明中用户所持标签阵列不应比当前市场上常见的认证设备如门禁卡的面积体积大，由此给出了确定标签阵列大小的依据和标准。不同部署的标签阵列(阵列大小、标签数量和方向等)能够产生不同的相位信号值用以提取认证所需的特征。

标签阵列由若干个含有环形天线的相同型号的矩形超高频商用标签组成，部署方式为平面部署，每个标签有4个可转动方向(每90度)，标签阵列的不同部署方式会产生不同的相位信号值用以提取认证所需特征。

通过对人体阻抗的分析，建立引入人体阻抗后标签的等效电路，从理论上研究人指尖阻抗对标签信号相位的影响；人手指触摸对标签阵列中某个标签以及其他标签信号相位影响的分析：

人是导体并具有一定量的阻抗。当人触摸标签时，就如同给标签原本电路中引入了一个额外的电阻。如图3所示，人触摸标签前标签内部电路可以被看作图3中左侧电路，人触摸后标签内部电路可以被看作图3中右侧电路。

其中，vo代表阅读器发射信号激活标签时标签内部电路产生的电压，zic代表标签芯片阻抗，zant代表标签天线阻抗，zh代表人指尖阻抗。标签在通信过程中内部电路中电流电压阻抗之间的关系可以写成如下算式：

由此可知，当人手指触摸标签时，算式(1)中分母会额外增加一个电阻zh项，导致标签内部电路电流大小及相位的改变，进而也改变了标签回复阅读器的反向散射信号的幅值和相位。而对于标签阵列而言，人手触摸某一标签对其内部电路造成的影响，也因感应耦合作用影响着周围其他标签。

相关研究发现，人体阻抗的差异性大约在300至1000欧姆之间，随个体年龄、体重、肌肉含量等因素的不同而存在差异，即不同用户触摸标签阵列将引入不同阻抗。但是，个体皮肤的阻抗随每次接触位置、面积等因素不同而不完全一致。为解决同一用户每次触摸引入的阻抗不一致的问题，本发明从阵列中某一标签连出一个位于阵列之外的导体，并用非导体封闭了除用户接触固定位置以外的其他区域，确保用户每次触摸标签阵列的相同位置相同面积。

通过限制人手指触摸标签的位置、面积、力度等因素，确保人指尖阻抗引入的稳定，即从阵列中某一标签连出一导体，人手指接触导体末端固定区域。

s2、识别标签id及数量，采集相位信号：

根据epcglobalclass1generation2protocol对进入阅读器读取范围的标签阵列进行id和数量的识别，并采集标签阵列相位信号，比对数据库中预先存储的合法用户数据，确定是否进入步骤s3；

本发明需要用户在初次使用时进行注册，即向数据库中录入合法用户手持本人合法标签阵列时相位特征，以及该合法标签中每个标签的id和总数量。因此，当用户手持某标签阵列进入认证区域时，阅读器首先根据epcglobalclass1generation2protocol对其id和数量进行识别，同时采集阵列中每个标签在用户手持状况下的相位值，只有当该标签阵列已被注册为合法设备时，才对采集到的标签阵列相位值进行下一步处理和认证；epcglobalclass1generation2protocol是目前商用设备使用非常广泛的一种识别协议，阅读器采用922.38mhz定频工作模式。

在阅读器发射功率不变的情况下，由于标签之间感应耦合作用，导致阵列的识别距离远小于单个标签的识别距离。即当一定数量标签组成阵列后，随阵列与阅读器之间的距离增大，阅读器会不断读取不到某个标签的反向散射信号，最终阅读器丢失所有标签信号的距离远小于单个标签读取距离。较短的识别距离既保证了一定的攻击难度，同时也不像传统nfc(进场通信)设备仅1厘米左右的使用距离的限制。

s3、信号处理：

对标签阵列相位信号进行处理，消除设备差异性、特定认证距离和人手抖动带来的相位测量误差，并设计相位修正算法解决相位随距离周期性跳变的问题，进而提取有效相位信号特征；

采集到某阵列每个标签相位值后，发现由于设备差异性、特定读取距离以及人手抖动会使得相位值在0与2π周围跳变，发现不同阅读器天线在相同环境相同距离采集到同一标签阵列的相位值不同，为减小误差提高系统精度，通过解缠绕技术，消除标签与阅读器之间特定距离和人手抖动带来的相位值的跳变(0与2π)；通过提取阵列中不同标签之间相位差值作为认证特征，消除不同阅读器及天线带来的相位测量误差。

本发明在提取阵列中每对标签之间的相位差作为认证特征后，发现由于相位随距离变化会有周期性2π翻转，即某两个标签之间的相位差也会随距离变化发生变化，从而造成认证特征不稳定，为克服上述问题设计相位修正算法以消除影响。信号处理的总体流程主要包括数据预处理、相位修正算法、提取认证特征等步骤。

数据预处理：由于相位采集设备(阅读器天线)硬件误差及通信环境的不稳定，导致采集到标签阵列中每个标签相位值围绕某中心值小幅波动，为解决该问题，采集多组相位数据并求其平均值，确保结果稳定且尽量逼近中心值。

分析rfid反向散射信号相位距离典型公式如下：

其中，θ代表阅读器采集到某标签反向散射信号相位值，d代表阅读器天线与标签之间的距离(垂直于天线平面的距离)，λ代表信号波长，θreader代表阅读器及其天线硬件引起的附加相位值，θtag代表标签硬件引起的附加相位值。

可知信号相位值随距离在0至2π之间翻转，当标签处于某特定位置的相位值为0或2π时，由于设备硬件采集不精确和人手的抖动，导致该相位值在0与2π周围跳变。解决该问题采取解缠绕技术，如图4所示。

相位修正算法：当不同时刻，用户将标签阵列放置在相对阅读器天线不同位置和距离进行认证时，认证所需相位差值特征会发生变化，从而导致认证失败。解决该问题最简单的方法，是限制用户认证区域，但该做法对用户并不友好。为此，本发明设计相位修正算法克服上述问题，主要由初始相位排序、确定最大间隔、相位整体搬移、恢复初始序列等部分组成。具体步骤如下：

s301、按照由大至小的顺序对采集到某阵列中每个标签的相位值进行排序；

阵列中共n个标签，使得所有标签相位值按照从大到小的顺序排列θ＝(θ1,θ2,...,θn)；

s302、计算步骤s1排序后相邻相位值之间的差值δi(最大相位值θ1和最小相位值θ2视为相邻)，保存最大相位差值δmax←max(δi)，找到具有最大差值的一对相位值θj和θj+1；

δi＝|θi-θi+1|

s303、同时移动(持续加或减同一个值)阵列中所有标签相位值，直到具有最大差值的一对相位值中其中一个值为当前最大，另一个值为当前最小；

若当前具有最大差值的相邻相位值分别为θ1和θn，则给所有标签相位值减去同一个定值如下：

若当前具有最大差值的相邻相位值分别为θj和θj+1，则给所有标签相位值加上同一个定值如下：

至此完成相位整体搬迁并消除了用户认证位置距离不同带来的影响；

s304、在阵列中所有标签相位值同时移动到第三步的情况下，按照标签初始序列还原相位序列，相位修正算法实施过程中标签阵列相位值变化的过程如图5所示。

提取认证特征：由于不同阅读器天线所引起的附加相位值不同，在提取相位特征时，本发明不直接使用每个标签的相位值，而提取阵列中每两个标签之间的相位差值，即:

其中，i和j代表不同标签的序号，dij代表标签i和标签j与阅读器天线之间的距离差(垂直于天线平面)，代表标签i和标签j由于硬件引起的附加相位差值。

从算式(3)中可知，由阅读器天线不同造成的测量误差被消除。由标签阵列中每两个不同标签之间相位差值组成的集合，为本发明认证所需相位特征，即：

s4、联合认证：

将步骤s3中所提取的有效相位信号特征与数据库中该合法用户手持标签阵列初次注册时录入的相位信号特征进行比对，即可检测标签阵列与用户是否同时合法。

数据库存有合法用户预先录入的手持标签阵列时的相位信号特征以及该标签阵列中每个标签的id和总数量。

数据比对采用一种常见的机器学习分类算法——支持向量机(supportvectormachine，svm)。

进一步，本发明发现，若干带有环形天线的超高频标签组成阵列后，由于感应耦合作用使得其具有一定的近场特性。即原本单一标签识别距离远，构成阵列后识别距离大幅缩短。

只有在标签阵列部署高度相似，并且用户年龄、身高、体重等影响人体阻抗的因素极为相近时，才存在极低认证失败的可能。即便是同一批次生产的同型号超高频标签，由于硬件差异性引起的附加相位不同，导致由不同标签构成的相同部署的阵列相位特征不同，此现象也说明本发明样本数量并不局限于标签阵列中标签数量。

优选的，本发明用户所持认证设备即标签阵列并不局限于某一特定形状，其大小和部署可根据应用场景及标签型号进行改变和调整，以适应更多更广泛需求。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明利用同批次生产的某型号超高频标签进行实验，所有数据均来自若干由9个标签组成的3×3平面标签阵列产生。如图6所示，(a)为本发明最典型的认证场景下的精确度，即若干合法用户手持本人合法标签进行认证，实验中15个用户(7女8男)的平均认证精确度大于99％；(b)为若干用户手持某一特定标签阵列(已注册)进行认证，实验中10个用户都不是该标签阵列的合法用户，平均误通过率不足4％，并且发生误通过的用户与合法用户年龄、身高、体重具有高度的相似性。

请参阅图7，本发明利用同批次生产的90个某型号超高频标签组成10个相同部署的标签阵列，对其相位特征进行分辨，成功分辨率超过99％，此现象在一定程度上说明了本发明样本数量并不局限于阵列中的标签数量。

请参阅图8，同一用户手持本人合法标签阵列在位于阅读器天线不同位置进行认证时，在大约平均15cm的垂直距离和平均10cm的水平距离上能够保证较高的正确率，即本发明对用户认证范围有良好容忍度。

综上所述，本发明针对现有认证技术安全性方面存在的短板问题，融合传统设备认证和生物认证的特点优势，依托商用rfid设备和协议，实现了一个易操作、高精度、系统简单、安全性高的双要素联合认证方法。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。