《電子技術應用》
您所在的位置：首頁 > 通信與網絡 > 設計應用 > 多天線RFID系統(tǒng)物理層安全優(yōu)化方案的研究
多天線RFID系統(tǒng)物理層安全優(yōu)化方案的研究
2018年電子技術應用第1期
宋慧穎，高媛媛，沙 楠
中國人民解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京210000
摘要： 近年來，射頻識別（RFID）技術作為構建“物聯網”的關鍵技術受到人們的關注，如何保證RFID系統(tǒng)的通信安全也成為一個重要的挑戰(zhàn)。基于物理層層面，研究了一種多天線無源RFID通信系統(tǒng)的安全傳輸性能，采用人工干擾（AN）技術，提出兩種不同的安全優(yōu)化方案：基于“發(fā)送功率最小化”以及“合法接收端信干噪比最大化”，并分別給出兩類方案的特例“零空間方案”，接著利用半正定松弛以及凸優(yōu)化的數學方法對方案進行優(yōu)化。仿真證明，采用AN的兩類方案安全性能均優(yōu)于無AN方案，并且達到節(jié)省功率以及提高合法用戶接收信噪比的目的，對功率受限的RFID設備具有重要的意義。
中圖分類號： TN925
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.171201
中文引用格式： 宋慧穎，高媛媛，沙楠. 多天線RFID系統(tǒng)物理層安全優(yōu)化方案的研究[J].電子技術應用，2018，44(1)：100-103.
英文引用格式： Song Huiying，Gao Yuanyuan，Sha Nan. Research on optimization schemes about physical layer security of RFID system with multiple antennas[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(1)：100-103.

Research on optimization schemes about physical layer security of RFID system with multiple antennas
Song Huiying，Gao Yuanyuan，Sha Nan
College of Communication Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing 210000，China
Abstract： In recent years, Radio Frequency Identification(RFID) serves as a critical technology of "Internet of things" and attracts tremendous attention, and how to guarantee its communication security has become a challenge. Based on the physical layer, this paper does some researches on security performance of a passive RFID system equipped with multiple antennas. The paper adopts the technique of Artificial Noise(AN) and puts forward two different safety optimization schemes called "power minimization scheme" and "Signal to Interference and Noise Ratio(SINR) maximization scheme", and two related "null space schemes" are proposed. Then using the mathematical method called semi-definite relaxation and convex optimization to optimize those schemes，simulations proves that security performance of the schemes that adopt AN are better than that without using AN, and achieve the purpose of power saving and SINR maximizing as well. The works really make a great impact on the power limited and cost constrained RFID systems.
Key words : multiple antennas；radio frequency identification；physical layer security；artificial noise；semi-definite relaxation；convex optimization

0 引言

    射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術是無線通信技術的一種，可通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數據，現今RFID技術的飛速發(fā)展對于物聯網領域的進步具有重要的意義。

    由于系統(tǒng)的廣播特性，其容易受到竊聽者的攻擊，存在侵犯個人隱私的隱患[1]。許多涉及RFID安全問題的研究主要集中在密鑰層面[2-3]，但也表現出許多缺陷[4]。相比于傳統(tǒng)的上層密鑰技術，物理層安全技術[5]充分利用了無線信道的衰落特性和噪聲特性來增強信息傳輸的安全，具有許多技術優(yōu)勢[6]。

    近幾年來，陸續(xù)有學者對RFID系統(tǒng)的物理層安全特性以及安全傳輸方法進行了研究[7-10]。然而，以上涉及到RFID系統(tǒng)物理層安全性能的文獻都是以安全容量為指標的，且將該性能與多天線的場景結合的研究比較少，因此，本文將以節(jié)省功率、優(yōu)化接收端信干噪比（Signal to Interference and Noise Ratio，SINR）為目的，對無源多天線RFID系統(tǒng)的物理層安全性能進行研究。

    本文出現的相關符號及其意義如下：上標H表示共軛轉置，Cn是維度為n的復數集，Tr(·)代表矩陣的跡，歐幾里得范數表示為||·||，A≥0意味著A是半正定矩陣，E{·}代表統(tǒng)計數學期望，rank(·)表示矩陣的秩，x～CN(μ，Σ)表示x是一個服從均值為μ、方差為Σ分布的復高斯隨機變量。

1 系統(tǒng)模型及安全性能分析

    圖1的系統(tǒng)由一個單天線無源標簽(T)、一個多天線讀寫器(R)，以及一個多天線竊聽者(E)組成。R配備K根發(fā)送天線，M根接收天線；E配備N根接收天線。R工作在全雙工模式，假設各信道的瞬時統(tǒng)計特性估計值可以獲知。

tx6-t1.gif

    基于圖1模型，R和E接收到的信息分別表示為：

tx6-gs1-6.gif

2 最小總功率設計方案

2.1 方案描述

    根據以上得出的SINR形式，將對載波信號向量w和干擾信號協方差矩陣Σ進行優(yōu)化，在合法接收端R以及竊聽者E的SINR水平達到門限值的前提下，使R的總發(fā)送功率最小，表示為：

tx6-gs7-8.gif

    可以證明，式(8)是一個NP-hard問題[11]，針對此類問題，將利用半正定松弛的辦法來處理。

2.2 半正定松弛

 tx6-gs9.gif

    式(9)已經將rank(W)=1進行松弛，使得式(9)變成了一個凸優(yōu)化問題，其最優(yōu)解可以通過SeDuMi和CVX等算法解決。

2.3 零空間方案

tx6-gs10.gif

3 最大接收信干噪比設計方案

3.1 方案描述

    最大接收信干噪比方案提出的目的是：在滿足總發(fā)送功率P和竊聽者E信干噪比γe的約束的情況下，使得讀寫器R端的接收SINR最大：

    tx6-3.1-x1.gif

tx6-gs11-12.gif

3.2 半正定松弛

tx6-gs13.gif

3.3 零空間方案

    同樣，作為式(14)的一種特例，使讀寫器R的接收SINR最大時的“零空間方案”表示為：

     tx6-gs14.gif

4 仿真及性能分析

    本節(jié)將對文章提出的兩類方案進行性能仿真，每類方案將與“零空間方案”以及無人工干擾方案進行對比，在分析中將這3種方案分別稱為“干擾衰減方案”、“零空間方案”以及“無AN方案”。假設drt=4 m，dte=5 m，dre=3 m，r=2，α=0.3，tx6-4-x1.gif=-20 dBm。

4.1 功率節(jié)省方案

    首先，在R端、E端SINR門限值約束不同的情況下，探索讀寫器發(fā)送總功率P與E處噪聲水平tx6-4-x1.gif的關系，R和E天線數目設為3。

    由圖2可以得到以下結論：(1)使用“干擾衰減方案”及“零空間方案”的性能幾乎一致，且均優(yōu)于“無AN方案”；“無AN方案”僅在E噪聲大時才有相應功率值，說明該方案僅在竊聽者性能差的時候適用。(2)消耗的總發(fā)送功率隨著E處噪聲的增加而下降，說明竊聽者所處環(huán)境惡劣時，不需要系統(tǒng)消耗過多功率就能保證安全通信。(3)γr提高或γe降低，所需的總功率都增大，證明性能的提高是以總功率的消耗為代價的。

tx6-t2.gif

    接著，在不同天線數目的情況下，僅采用“干擾衰減方案”繼續(xù)探索讀寫器發(fā)送的干擾功率Pz、載波功率Pw與tx6-4-x1.gif的關系，設定γr=30 dBm和γe=5 dBm。

    由圖3可以看出：(1)tx6-4-x1.gif較小時Pz>Pw，tx6-4-x1.gif增大以后Pz<Pw；Pz隨著tx6-4-x1.gif的增大而減小，而Pw保持平穩(wěn)。這是因為干擾信號功率主要作用于竊聽者，其功率與竊聽者噪聲水平直接相關，而載波功率用來激勵電子標簽，因此保持穩(wěn)定。(2)當天線數量增加，R需要的發(fā)送總功率減少，說明天線增多更節(jié)省總功率，但這是以成本為代價的。

tx6-t3.gif

4.2 最大信干噪比接收方案

    首先，在不同的E端門限值γe約束下，研究3種方案的讀寫器最大接收信干噪比SINRr與竊聽者噪聲水平tx6-4-x1.gif的關系，R、E天線數目設為3，P=50 mW。

    從圖4的曲線可以總結出以下結論：(1)有AN的兩類方案達到的SINRr均大于“無AN方案”，且“零空間方案”的性能與“干擾衰減方案”幾乎一致。(2)“干擾衰減方案”達到的SINRr一直處于較高水平，符合實際應用；在tx6-4-x1.gif較小時，“無AN方案”達到的SINRr非常低，沒有實際應用價值；當tx6-4-x1.gif很大時，“無AN方案”的效果才與采用人工干擾的另兩種方案效果相同。(3)γe增大，可達的SINRr總體增大，說明將γe的取值限制放寬可以提高目的端的接收性能。

tx6-t4.gif

    最后，在不同的最大總功率P約束下，比較“干擾衰減方案”和“無AN方案”的SINRr與tx6-4-x1.gif的關系，R、E天線數目設為3，γe=5 dBm。

    由圖5的曲線可以看出，隨著總約束功率P的增大，使用“干擾衰減方案”達到的SINRr總體也相應增大，說明性能的提高是以成本的增加為代價的，而增大P對“無AN方案”的性能基本沒有影響。

tx6-t5.gif

5 結論

    本文基于物理層層面，通過采用人工干擾技術，運用半正定松弛和凸優(yōu)化的方法，提出了“發(fā)送功率最小化方案”以及“接收信干噪比最大化方案”，優(yōu)化了無源RFID系統(tǒng)合法接收端的安全質量。

參考文獻 

[1] 胡煒.物聯網中基于RFID的系統(tǒng)安全技術研究與應用[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學，2012.

[2] EISENBARTH T，KUMAR S，PAAR C，et al.A survey of lightweight-cryptography implementations[J].Design & Test of Computers IEEE，2007，24(6)：522-533.

[3] VAHEDI E，WARD R K，BLAKE I F.Security analysis and complexity comparison of some recent lightweight RFID protocols[M].Computational Intelligence in Security for Information Systems.Springer Berlin Heidelberg，2011：92-99.

[4] DEFEND B，FU K，JUELS A.Cryptanalysis of two light-weight RFID authentication schemes[C].IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications  Workshops，2007.PERCOM Workshops.IEEE，2007：211-216.

[5] 劉在爽，王堅，孫瑞，等.無線通信物理層安全技術綜述[J].通信技術，2014，47(2)：128-135.

[6] 張邦寧.衛(wèi)星通信物理層安全技術研究概述[C].軍事通信抗干擾研討會，2013：151-157.

[7] CHAI Q，GONG G，ENGELS D W，et al.How to develop clairaudience-active eavesdropping in passive RFID systems[C].World of Wireless Mobile and Multimedia Networks，2012：1-6.

[8] YOU J，WANG G，ZHONG Z.Physical layer security-enhancing transmission protocol against eavesdropping for ambient backscatter communication system[C].Wireless, Mobile and Multi-Media(ICWMMN 2015)，6th International Conference on.IET，2015：43-47.

[9] TROTTER M S，VALENTA C R，KOO G A，et al.Multiantenna techniques for enabling passive RFID tags and sensors at microwave frequencies[C].RFID(RFID)，2012 IEEE International Conference on.IEEE，2012：1-7.

[10] YANG Q，WANG H，ZHANG Y，et al.Physical layer security in MIMO backscatter wireless systems[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2016，15(11)：7547-7560. 

[11] 黃文奇.近世計算理論導引：NP難度問題的背景、前景及其求解算法研究[M].北京：科學出版社，2004.

此內容為AET網站原創(chuàng)，未經授權禁止轉載。