超高频射频识别UHFRFID系统抗干扰策略的研究.docx

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1、超高频射频识别UHFRFId系统抗干扰策略的研究天津大学博士学位论文超高频射频识别(UHFRFID)系统抗干扰策略的研究ResearchonAnti-interferenceStrategyOfUHFRFIDSystem(申请博士学位)一级学科:信息与通信工程学科专业:信号与信息处理研究生：白煜指导教师:滕建辅教授天津大学电子信息工程学院二零零九年六月-1-独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作

2、的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：导师签名：签字日期:年月日签字日期:年月日-3-中文摘要工作在UHF频段的RFID系统,具有识别距离远、数据传输快等优点,是目前应用和研究的重点。然而,超高频射频识别(UHFRFl

3、D)系统在实际应用环境中，会受到各种干扰的影响,使得误码率增大、识别速度变慢、识别距离减小,难以满足物联网等应用。因此,对UHFRFlD系统抗干扰策略进行研究具有重要的理论意义和实用价值。本论文以工作在UHF频段的RFID系统为对象，对其受到的部分干扰进行了分类,在此基础上提出了相应的抗干扰策略。首先,详细分析研究了UHFRFID系统受到的干扰,并且根据干扰产生的原理不同,将其划分为四类,即安全隐私问题、多径干扰、冲突干扰和同频段设干扰,并对己有的抗干扰方法进行了研究。其次,针对UHFRFID系统的安全隐私问题,提出了基于HaSh锁的同步强化RFID验证协议。该协议基于Hash函数和密钥刷新机

4、制，实现了双向认证、动态密钥刷新。并且通过在数据库中添加保护同步密钥解决了密钥刷新机制可能导致“数据同步问题”，实现了数据同步加强。同时,该协议具有防止信息泄露、防止位置跟踪和健壮性的安全要求,且计算复杂度低。再次,针对多径干扰问题,首次将Bussgang盲均衡算法引入高性能UHFRFID系统。Bussgang类盲均衡算法中的恒模盲均衡算法(CMA)具有计算复杂度低、适于实时信号处理、收敛性能好、代价函数仅与接收信号的幅度有关而与其相位无关等特点。恒模盲均衡算法的上述特点使其适用于RFID系统。通过对Reyleigh衰落信道与Rician衰落信道的仿真，证明该方法能有效降低UHFRFID系统的

5、误码率。的后,针对RFID读写器冲突干扰问题,提出了三种读写器防冲突算法,即基于分布式功率控制的防冲突算法、基于SAQ学习的防冲突算法和基于神经网络图着色的防冲突算法。由于三种算法分别基于空分复用、频分复用和时分复用机制，因此对于不同的应用场合,在算法的选择上具有较强的灵活性。上述协议和算法为UHFRFID系统提出一个较为完整的抗干扰策略,在一定程度上解决了干扰恶化系统性能的问题。仿真实验结果证明了上述算法的有效性。关键词:超高频射频识别；隐私安全;多径干扰;读写器冲突;-I-ABSTRACTTheUHFRFIDsystemhastheadvantageoffartheridentificat

6、iondistance,fasterdatarateetc,whichmakeitbethecurrentfocusofapplicationandresearch.However,theinterferencefromtherealapplicationenvironmentincreasesthebiterrorrate(BER),reducetheidentificationrateandspaceoftheUHFRFIDsystem,andmakesitfailtosatisfythecapabilityrequirementoftheinternetofthings.Sotheres

7、earchonanti-interferencestrategyofUHFRFIDsystemhasgreattheoreticalsignificanceandpracticalvalue.Inthispaper,wechosetheUHFRFIDsystemasstudyobject,andclassifiedandanalyzedtheinterference,basedonwhichcorrespondinganti-interferencestrategywasputfOrwardFirst,theinterferencetoUHFRFIDsystemwasanalyzeddetai

8、ledly.Accordingtotheoccurprinciple,interferencewasdividedintofourcategories,securityandprivacy,multipathinterference,collisioninterferenceandtheinterferencefromISMdeviceBesides,theanti-interferencemethodinexistencewasresearchedSecond,thehashlock-basedstrengthensynchronizationRFIDauthenticationprotoc

9、olwasputforwardforthesecurityandpricacyproblemofUHFRFIDSystemTheRFIDauthenticationprotocolbasedonone-wayhashlockandkeyupdatingmechanismrealizedtwo-wayauthenticationanddynamickeyupdate.Furthermore,theprotocolsatisfiedtheanti-desynchronizationrequestmentbyaddinganti-desynchronizationkeyKintothedatabas

10、e.Analysisandsimulationshowsthatthenewschemerealizestherequestmentofanti-informationleakage,intractabilityandsynchronizationwithalowcomputerloadThird,theconstantmodulusalgorithm(CMA)asoneofBussgangblindequalizationalgorithmwasintroducedintoUHFRFIDsystemstosolvemultipathinterferenceproblem.Theconstan

11、tmodulusalgorithmislowincomputationalload,fitforreal-timesignalprocessing,fastinconvergencerateandthecostfunctionisjustrelaredwiththeamplitudeofreceivedsignalnotitsphase,whichadaptittotheUHFRFIDsystem.ComputersimulationillustratesthatconstantmodulusblindequalizationalgorithmcanreducetheBERofUHFRFIDs

12、ystemeffectivelyFinally,weputforwardthreeRFIDreaderanti-collisionalgorithms,namelytheRFIDanti-collisionalgorithmbasedondistributedpowercontrol,theanti-collisionalgorithmbasedonneuralnetworkgraphcoloringandtheanti-collisionalgorithm-Ill-basedonsimulatedannealingQ-Iearning.Thesealgorithmsarebasedonspa

13、cedivisionmultipleaccess(SDMA),timedivisionmultipleaccess(TDMA)andfrequencydivisionmultipleaccess(FDMA)separately,sothesealgorithmcanapplyflexiblelytodiverseOccasionTheprotocolandalgorithmsgivenformsanintegratedanti-interferencestrategy,solvestheproblemthatinterferencedeterioratesystemperformance.By

14、differentcombinations,thesealgorithmsareextremelyflexibleinpracticalapplicationsKEYWORDS:UHFRFID,securitjprivacy,multipathinterference,readercollision,-IV-目录第一章绪论.11.1射频识别技术概述11.2研究背景与意义.31.3国内外研究现状.41.3.1安全隐私问题的研究.43.2防冲突干扰的研究61.3.3防止多径干扰的研究.81. 4本论文的结构安排及创新点.8第二章射频识别系统的干扰分析.112.1射频识别技术基础.112. 1.1系

15、统组成与特点.112. 1.2耦合方式.133. 1.3通信方式.164. 1.4通信模型.164.1. 5协议分析.172. 1.6频谱规范.172. 2干扰分析.192. 2.1ISM频段无线设备对超高频射频识别系统的干扰.192. 2.2多径干扰.212. 2.3安全隐私威胁222. 2.4冲突干扰.222. 3性能指标.242. 4本章小结.26第三章UHFRFID安全认证协议的研究272.1 射频识别安全问题.273. 1.1RFID系统面临的安全威胁.284. 1.2RFlD系统的安全需求293.1.3RFID标签与读写器通讯安全模型措施.313.2射频识别安全协议分析.33-V-3.2.1Hash锁协议.343.2.2随机Hash锁协议.353.2.3Hash链协议.353.2.4通用重加密协议.363.2.5对称加密协议373.2.6LCAP协议.383.2.7EPCClasslGen2协议.393.3RFID验证协议的数据同步问题.403.4基于HASH锁的同步强化RFID验证协议.413.4.1Hash函数预备知识.413.4.2协议原理.423.5协议性能分析433.6协议的安全性证明.453.6.1通用可组合模型.453