Çok antenli RFID sisteminin fiziksel katman güvenliği optimizasyon şeması üzerine araştırma
Song Huiying, Gao Yuanyuan, Sha Nan
(İletişim Mühendisliği Okulu, PLA Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Nanjing 210000, Jiangsu)
Son yıllarda, radyo frekansı tanımlama (RFID) teknolojisi, "Nesnelerin İnterneti" nin oluşturulması için kilit bir teknoloji olarak insanların ilgisini çekmiştir.RFID sisteminin iletişim güvenliğinin nasıl sağlanacağı da önemli bir zorluk haline gelmiştir. Fiziksel katman temelinde, çok antenli bir pasif RFID iletişim sisteminin güvenlik aktarım performansı incelenir. Yapay girişim (AN) teknolojisi, iki farklı güvenlik optimizasyon şeması önermek için kullanılır: "iletim gücünün en aza indirilmesi" ve "yasal alıcı uç" temelli Sinyal-parazit ve gürültü oranını en üst düzeye çıkarın ve iki tip şema için özel bir durum verin, "sıfır alan şeması" ve ardından şemayı optimize etmek için yarı kesin gevşeme ve dışbükey optimizasyon matematiksel yöntemlerini kullanın. Simülasyon, AN kullanan iki çözüm türünün güvenlik performansının AN olmayan çözümden daha iyi olduğunu ve güç tasarrufu sağlayabileceğini ve güç kısıtlı RFID aygıtları için büyük önem taşıyan yasal kullanıcıların sinyal-gürültü oranını iyileştirebileceğini kanıtlıyor.
Çoklu antenler; radyo frekansı tanımlama; fiziksel katman güvenliği; yapay girişim; yarı kesin gevşeme; dışbükey optimizasyon
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TN925
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.171201
Çince alıntı biçimi: Song Huiying, Gao Yuanyuan, Sha Nan.Çok antenli RFID sisteminin fiziksel katman güvenliği optimizasyon şeması üzerine araştırma.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (1): 100-103.
İngilizce alıntı biçimi: Song Huiying, Gao Yuanyuan, Sha Nan.Çok antenli RFID sisteminin fiziksel katman güvenliği ile ilgili optimizasyon şemaları üzerine araştırma.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2018, 44 (1): 100-103.
0 Önsöz
Radyo Frekansı Tanımlama (RFID) teknolojisi, belirli hedefleri belirleyebilen ve ilgili verileri radyo sinyalleri yoluyla okuyup yazabilen bir tür kablosuz iletişim teknolojisidir.RFID teknolojisinin hızlı gelişimi, Nesnelerin İnternetinin ilerlemesi için büyük önem taşımaktadır.
Sistemin yayın özellikleri nedeniyle, kulak misafiri olanların saldırılarına karşı savunmasızdır ve gizli bir kişisel mahremiyet ihlali tehlikesi vardır. RFID güvenlik konularını içeren birçok araştırma, esas olarak anahtar seviyeye odaklanır, ancak aynı zamanda birçok kusur da gösterir. Geleneksel üst katman anahtar teknolojisi ile karşılaştırıldığında, fiziksel katman güvenlik teknolojisi, bilgi aktarımının güvenliğini artırmak için kablosuz kanalın solma özelliklerini ve gürültü özelliklerini tam olarak kullanır ve birçok teknik avantaja sahiptir.
Son yıllarda bilim adamları, RFID sistemlerinin fiziksel katman güvenlik özelliklerini ve güvenli iletim yöntemlerini art arda incelediler. Bununla birlikte, RFID sisteminin fiziksel katman güvenlik performansı ile ilgili yukarıdaki belgelerin tümü güvenlik kapasitesine dayanmaktadır ve bu performansı çoklu anten senaryosu ile birleştirmek için çok az çalışma vardır, bu nedenle bu makale güç tasarrufu sağlayacak ve alıcı uç sinyal parazitini optimize edecektir. Sinyal-Parazit ve Gürültü Oranının (SINR) amacı, pasif çok antenli RFID sistemlerinin fiziksel katman güvenlik performansını incelemektir.
Bu makalede yer alan ilgili semboller ve anlamları şu şekildedir: üst simge H eşlenik devriği temsil eder, Cn karmaşık sayılar boyut kümesidir, Tr (·) matrisin izini temsil eder ve Öklid normu || · || , A0, A pozitif yarı kesin bir matris anlamına gelir, E {·} istatistiksel matematiksel beklentiyi temsil eder, rank (·) matrisin sırasını temsil eder, x CN (, ) x'in ortalama değeri ve varyansı olan bir konu olduğunu gösterir Dağıtılmış karmaşık Gauss rastgele değişkeni.
1 Sistem modeli ve güvenlik performansı analizi
Şekil 1'deki sistem, bir tek antenli pasif etiket (T), bir çoklu anten okuyucu (R) ve bir çok antenli gizli dinleyiciden (E) oluşur. R, K verici antenlerle ve M alıcı antenlerle donatılmıştır; E, N alıcı antenle donatılmıştır. R, her kanalın anlık istatistiksel karakteristik tahminlerinin elde edilebileceğini varsayarak tam çift yönlü modda çalışır.
Şekil 1'deki modele göre, R ve E tarafından alınan bilgiler şu şekilde ifade edilir:
2 Minimum toplam güç tasarım şeması
2.1 Program açıklaması
Yukarıda türetilen SINR formuna göre, taşıyıcı sinyal vektörü w ve girişim sinyali kovaryans matrisi optimize edilecek ve R'nin toplam iletim gücü, yasal alıcı uç R ve kulak misafiri E'nin SINR seviyelerinin eşiğe ulaşması koşuluyla yapılacaktır. En küçük, şu şekilde ifade edilir:
Formül (8) 'in NP-zor bir problem olduğu kanıtlanabilir.Bu tür bir problem için, bununla başa çıkmak için yarı kesin gevşetme yöntemi kullanılacaktır.
2.2 Pozitif yarı kesin gevşeme
Denklem (9) gevşetilmiş rank (W) = 1'dir, denklem (9) bir dışbükey optimizasyon problemi haline gelir ve optimal çözümü SeDuMi ve CVX gibi algoritmalarla çözülebilir.
2.3 Sıfır alan şeması
3 Maksimum alınan sinyal-parazit ve gürültü oranının tasarım şeması
3.1 Program açıklaması
Alınan maksimum sinyal-parazit-gürültü oranı şemasının amacı, toplam iletim gücü P ve dinleyicinin E SNR'sinin kısıtlamalarını karşılarken okuyucu R ucunda alınan SINR'yi maksimize etmektir:
3.2 Pozitif yarı belirsiz gevşeme
3.3 Sıfır alan şeması
Benzer şekilde, formül (14) 'ün özel bir durumu olarak, okuyucu R maksimum SINR'yi aldığında "sıfır alan şeması" şu şekilde ifade edilir:
4 Simülasyon ve performans analizi
Bu bölüm, makalede önerilen iki tür şema üzerinde performans simülasyonları gerçekleştirecektir. Her bir şema türü "sıfır alan şeması" ve yapay olmayan parazit şeması ile karşılaştırılacaktır. Analizde, bu üç şema "parazit zayıflatma şeması" ve " "Sıfır Uzay Şeması" ve "AN Olmayan Şema". Drt = 4 m, dte = 5 m, dre = 3 m, r = 2, = 0.3, = -20 dBm olduğunu varsayalım.
4.1 Güç tasarrufu şeması
İlk olarak, R ucunda ve E ucunda farklı SINR eşiği kısıtlamaları olması durumunda, okuyucu tarafından iletilen toplam güç P ile E'deki gürültü seviyesi arasındaki ilişkiyi araştırın ve R ve E antenlerinin sayısı 3'e ayarlanır.
Aşağıdaki sonuçlar Şekil 2'den çıkarılabilir: (1) "Girişim zayıflama şeması" ve "sıfır alan şeması" kullanım performansı neredeyse aynıdır ve her ikisi de "AN olmayan şemadan" daha iyidir; "AN olmayan şema" yalnızca E gürültüsü büyük olduğunda çalışır Çözümün yalnızca kulak misafiri olan kişinin performansı zayıf olduğunda uygulanabileceğini gösteren karşılık gelen bir güç değeri vardır. (2) E'deki gürültünün artmasıyla birlikte tüketilen toplam iletim gücü azalır, bu da dinleyicinin ortamı kötü olduğunda, sistemin güvenli iletişim sağlamak için çok fazla güç tüketmesine gerek olmadığını gösterir. (3) r'nin artması veya e'nin azalması, gereken toplam gücü artıracaktır, bu da performansın artmasının toplam güç tüketimi pahasına geldiğini kanıtlamaktadır.
Daha sonra, farklı anten numaraları durumunda, okuyucu tarafından gönderilen parazit gücü Pz ve taşıyıcı güç Pw arasındaki ilişkiyi araştırmaya devam etmek için sadece "parazit zayıflatma şeması" kullanılır ve r = 30 dBm ve e = 5 dBm olarak ayarlanır.
Şekil 3'ten görülebilir: (1) Pz daha küçük olduğunda > Pw, Pz'yi artırdıktan sonra < Pw; Pz arttıkça azalırken Pw sabit kalır. Bunun nedeni, parazit sinyalinin gücünün esas olarak kulak misafiri olan kişiye etki etmesi ve gücünün doğrudan kulak misafiri olan kişinin gürültü seviyesi ile ilgili olması ve taşıyıcı gücün elektronik etiketi uyarmak için kullanılmasıdır, böylece sabit kalır. (2) Anten sayısı arttığında, R'nin ihtiyaç duyduğu toplam iletim gücü azalır, bu da daha fazla antenin toplam güç tasarrufu yaptığını gösterir, ancak bunun maliyeti yüksektir.
4.2 Maksimum SNR Alım Şeması
İlk olarak, farklı E-uç eşiği e kısıtlamaları altında, üç okuyucu şemasının maksimum alınan sinyal-parazit ve gürültü oranı SINRr ile dinleyicinin gürültü seviyesi arasındaki ilişki incelenir.R ve E antenlerinin sayısı 3 olarak ayarlanır ve P = 50 mW .
Şekil 4'teki eğriden, aşağıdaki sonuçlar çıkarılabilir: (1) AN ile iki tip çözümle elde edilen SINRr, "AN olmayan çözümden" daha büyüktür ve "sıfır alan çözümünün" performansı "girişim zayıflatma çözümü" ile hemen hemen aynıdır. (2) "Girişim zayıflatma şeması" ile elde edilen SINRr her zaman yüksek bir seviyede olmuştur ve bu pratik uygulamalarla uyumludur; küçük olduğunda, "AN olmayan şema" ile elde edilen SINRr çok düşüktür ve pratik uygulama değeri yoktur; büyük olduğunda, "AN şeması yok" "Etki, yapay parazit kullanan diğer iki şema ile aynı. (3) e arttıkça, erişilebilir SINRr genel olarak artar, bu da e değer sınırının gevşetilmesinin hedef ucunun alım performansını iyileştirebileceğini gösterir.
Son olarak, farklı maksimum toplam güç P kısıtlamaları altında, "parazit zayıflatma şeması" ve "AN olmayan şema" nın SINRr'si arasındaki ilişkiyi karşılaştırın, R ve E antenlerinin sayısı 3'e ayarlanır ve Ae = 5 dBm.
Şekil 5'teki eğriden görülebileceği gibi, toplam kısıtlanmış güç P arttıkça, "parazit azaltma şeması" kullanılarak elde edilen toplam SINRr de artar, bu da performans iyileştirmesinin maliyetteki artışın maliyetinde olduğunu gösterir. P'nin "AN içermeyen çözümün" performansı üzerinde temelde hiçbir etkisi yoktur.
5. Sonuç
Fiziksel katmana dayalı olarak, bu makale yapay girişim teknolojisi, yarı kesin gevşetme ve dışbükey optimizasyon yöntemlerinin kullanımı yoluyla "iletim gücü minimizasyon şeması" ve "alma sinyali parazit oranı maksimizasyon şeması" önermekte ve pasif RFID sistemlerinin yasallığını optimize etmektedir. Alıcı uçta güvenlik kalitesi.
Referanslar
Hu Wei. Nesnelerin İnternetinde RFID Tabanlı Sistem Güvenlik Teknolojisinin Araştırma ve Uygulaması Zhenjiang: Jiangsu Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, 2012.
EISENBARTH T, KUMAR S, PAAR C, ve diğerleri. Hafif kriptografi uygulamaları üzerine bir araştırma. Bilgisayarların Tasarımı ve Testi IEEE, 2007, 24 (6): 522-533.
VAHEDI E, WARD R K, BLAKE I F. Bazı yeni hafif RFID protokollerinin güvenlik analizi ve karmaşıklık karşılaştırması Bilgi Sistemleri için Güvenlikte Hesaplamalı Zeka Springer Berlin Heidelberg, 2011: 92-99.
DEFEND B, FU K, JUELS A. İki hafif RFID kimlik doğrulama şemasının kriptanalizi.IEEE Uluslararası Yaygın Bilgi İşlem ve İletişim Çalıştayları Konferansı, 2007. PERCOM Çalıştayları. IEEE, 2007: 211-216.
Liu Zaishhuang, Wang Jian, Sun Rui ve diğerleri. Kablosuz iletişim fiziksel katman güvenlik teknolojisine genel bakış. İletişim Teknolojisi, 2014, 47 (2): 128-135.
Zhang Bangning, Uydu Haberleşmesinin Fiziksel Katmanının Güvenlik Teknolojisi Araştırmasına Genel Bakış, Askeri Haberleşme Karışıklık Karşıtı Seminer, 2013: 151-157.
CHAI Q, GONG G, ENGELS D W, et al. Pasif RFID sistemlerinde gizli dinleme-aktif dinleme nasıl geliştirilir Kablosuz Mobil ve Multimedya Ağları Dünyası, 2012: 1-6.
YOU J, WANG G, ZHONG Z. Ortam geri saçılımı iletişim sistemi için gizli dinlemeye karşı fiziksel katman güvenliğini artıran iletim protokolü Kablosuz, Mobil ve Çoklu Ortam (ICWMMN 2015), 6. Uluslararası Konferans, IET, 2015: 43-47.
TROTTER MS, VALENTA C R, KOO G A, et al.Mikrodalga frekanslarında pasif RFID etiketlerini ve sensörleri etkinleştirmek için çoklu anten teknikleri RFID (RFID), 2012 IEEE Uluslararası Konferansı, IEEE, 2012: 1-7.
YANG Q, WANG H, ZHANG Y, ve diğerleri.MIMO geri saçılım kablosuz sistemlerinde fiziksel katman güvenliği. Kablosuz İletişimde IEEE İşlemleri, 2016, 15 (11): 7547-7560.
Huang Wenqi Modern Hesaplama Teorisine Giriş: NP Zorluk Problemlerinin Arka Planı, Beklentileri ve Algoritmaları Üzerine Araştırma Pekin: Science Press, 2004.
