无源RFID系统自同步防碰撞和可信认证协议研究

RFID system is the core and foundation of Internet of things. In view of causing channel congestion and uncertain channel occupied easily while passive RFID systems are exchanging information, as well as its two-way creditable authentication being limited by storage capacity and computing ability of tags, this project design a simple synchronous controller of one-dimension time-delay chaotic system, which takes advantage of the complexity character of hyper-chaotic system with not increasing the hardware costs of read-write tags basically; A self-synchronization anti-collision algorithm of readers and tags is proposed with distributing time-slot by variable time-delay, which can reduce the idle time of slot effectively and improve recognize efficiency; We also design a Hash function of chaotic and dynamic password protocol of two-way creditable authentication, which can implement the secure identification system similar to one-time pad as Shannon puts forward and embed into the air interface protocol of EPC, then provide formal analysis and proof of reliability of system using BAN logic and GNY logic; Our work include building a digital circuit of self-synchronization anti-collision, One-way Hash function of chaotic and synchronous controller of time-delay chaotic, and also contain error correction with compensation circuit and algorithm controlling, these errors are usually caused by code-modulation, frequency interference etc. The research of this project will extend the application of Wireless communication theory in information security field, and have large scientific significance and application value for intelligent information processing and development of Internet of things industry.

无线射频识别(RFID)系统是物联网的核心与基础。针对无源RFID系统在信息交互时容易造成信道拥塞与不确定占用，以及双向可信认证受限于标签存贮容量和计算能力等问题，本项目在基本不增加读写标签硬件成本的情况下，利用时滞混沌系统具有超混沌复杂性特点，设计简单的一维时滞混沌同步控制系统；通过变时滞的时隙分配构造阅读器/标签通信双方自同步防碰撞算法，以有效缩减标签时隙空闲时间，提高识别效率；同时设计带密钥的混沌Hash函数和双向可信的动态口令认证协议，实现香农提出的类似"一次一密"安全身份认证系统，嵌入至空中接口EPC协议之中，用BAN逻辑、GNY逻辑给出系统可靠性形式化的分析和证明；构建自同步防碰撞和时滞混沌同步控制的数字电路，并对编码-调制、频率干扰等可能引起的误差进行电路补偿与算法控制。本课题的研究将扩展无线通信理论在信息安全领域应用，对智能信息处理及物联网产业的发展具有科学意义和应用价值。

射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)是一种利用射频信号和空间耦合的传输特性进行双向通信，实现对物体非接触式自动识别技术。多个标签在同时响应阅读器发送的查询命令时容易发生标签碰撞，从而严重影响标签识别的正确率和速度，降低RFID系统的识别效率和性能。本研究取得的主要成果：.(1)设计了RFID防碰撞自适应时隙协处理方法。提出了预设调整盘存周期的差分门限、时隙前向检测后向预测和二进制散列的方法，协同处理当前时隙和下一个时隙的标签响应情况。同时利用Manchester特性获得所有标签碰撞位的信息，使读写器生成有效查询前缀对标签直接进行识别。.(2)研究了基于帧时隙的欠定盲分离RFID防碰撞算法。针对频率范围在860-960MHz内的超高频(UHF)射频信号，提出一种约束性非负矩阵分解(NMF)欠定盲分离与帧时隙ALOHA(FSA)的并行识别防碰撞算法。在天线数相同的情况下，改进的并行识别算法与基于动态位隙分组盲分离防碰撞算法相比识别率与响应速度有较明显提升。.(3)优化了超高频RFID系统的CRC分组及轻量级双向认证协议。利用循环冗余校验码(CRC码)和简单的逻辑运算，提出一种Hash安全密钥动态更新的新型RFID轻量级双向认证协议，通过GNY逻辑证明和安全性分析表明，该协议在没有增加RFID系统计算量和通信量的基础上，不仅能有效地实现阅读器和标签之间的双向认证要求，解决窃听攻击、重传攻击、复制攻击以及标签被追踪等安全隐私问题，同时符合EPC Class1 Gen2标准。.(4)异分数阶时滞混沌系统的延时同步和稳定控制。构建一个其含时滞量的三维异分数阶混沌动力学方程并设计组合电路，同时引入时间变量，构造一个延时响应控制系统及电路原理图，通过驱动-响应系统电路分别实现不同分数阶设置情况下，时滞混沌系统间的同步和稳定控制。.(5)混沌序列融合无源RFID系统标签防碰撞优化算法。针对标签时隙选择冲突和可能的“饿死”问题，运用混沌系统可以产生均匀分布的伪随机数的理论，提出了改进的帧时隙ALOHA(FSA)算法，调整待识标签时隙号的选择方式，使标签在一帧内选择的时隙分布更加均匀但绝不重复，以减少空闲时隙数目和标签间的碰撞次数。.本研究可实现多个标签和阅读器之间快速而高效的通信，对智能信息处理及物联网产业的发展具有科学意义和应用价值。