伪RFID标签信号的谱熵特征提取与选择_高威.pdf

电 子 测 量 技 术E L E C T R ON I CME A S UR EME N TT E CHNO L OG Y第4 6卷 第1期2 0 2 3年1月 D O I:1 0.1 9 6 5 1/j.c n k i.e m t.2 2 1 0 2 6 4伪R F I D标签信号的谱熵特征提取与选择*高 威1 吴海锋1,2 曾 玉1,2 普崇荣1(1.云南民族大学电气信息工程学院 昆明6 5 0 5 0 4;2.云南省高校智能传感器网络及信息系统创新 昆明6 5 0 5 0 4)摘 要:为解决R F I D通信安全问题,本文提出一种新的物理层标签防伪技术,该技术对原始信号进行信号分离得到期望、噪音和标准化信号,然后对3种信号的谱熵特征进行特征提取,最后利用特征选择实现真伪标签分类。另外,本文还提出了一种新的交叉验证来客观测试物理层方法的性能。结果表明,本文方法准确率比传统方法提升近4%,在新交叉验证下,物理层方法的分类准确率会下降8%1 0%,由此本文得到重要结论,在物理层识别方法中利用谱熵特征实现标签防伪有着重要意义。关键词:无线射频识别;防伪;安全;特征选择;交叉验证中图分类号:T N 9 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:5 1 0.4S p e c t r a l e n t r o p yf e a t u r e e x t r a c t i o na n ds e l e c t i o no fp s e u d oR F I Dt a gs i g n a l sG a oW e i1 WuH a i f e n g1,2 Z e n gY u1,2 P uC h o n g r o n g1(1.S c h o o l o fE l e c t r i c a l a n dI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g,Y u n n a nM i n z uU n i v e r s i t y,K u n m i n g6 5 0 5 0 4,C h i n a;2.I n n o v a t i o no f I n t e l l i g e n tS e n s o rN e t w o r ka n dI n f o r m a t i o nS y s t e mi nY u n n a nP r o v i n c eU n i v e r s i t y,K u n m i n g6 5 0 5 0 4,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os o l v e t h ep r o b l e mo fR F I Dc o mm u n i c a t i o ns e c u r i t y,t h i sp a p e rp r o p o s e san e wp h y s i c a l l a y e r t a ga n t i-c o u n t e r f e i t i n gt e c h n o l o g y.T h i st e c h n o l o g y s e p a r a t e st h e o r i g i n a ls i g n a lt o o b t a i nt h ee x p e c t e d,n o i s ea n dn o r m a l i z e ds i g n a l s,a n de x t r a c t s t h es p e c t r a l e n t r o p yf e a t u r e so f t h et h r e es i g n a l s.F i n a l l y,f e a t u r es e l e c t i o ni su s e dt oa c h i e v e t r u ea n df a l s e l a b e l c l a s s i f i c a t i o n.I na d d i t i o n,t h i sp a p e rp r o p o s e san e wc r o s s-v a l i d a t i o nt oo b j e c t i v e l yt e s t t h ep e r f o r m a n c eo f t h ep h y s i c a l l a y e rm e t h o d.T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h ea c c u r a c yo f t h em e t h o d i nt h i sp a p e r i sn e a r l y4%h i g h e r t h a nt h a to f t h et r a d i t i o n a lm e t h o d.U n d e rt h en e wc r o s s-v a l i d a t i o n,t h ec l a s s i f i c a t i o na c c u r a c yo f t h ep h y s i c a ll a y e rm e t h o d w i l ld r o pb y81 0p e r c e n t a g ep o i n t s.F r o m t h i s,w eg e ta ni m p o r t a n tc o n c l u s i o n,i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t ou s et h es p e c t r a le n t r o p yf e a t u r ei nt h ep h y s i c a ll a y e ri d e n t i f i c a t i o n m e t h o dt or e a l i z et h el a b e la n t i-c o u n t e r f e i t i n g.K e y w o r d s:R F I D;a n t i-c o u n t e r f e i t i n g;s e c u r i t y;c r o s s-v a l i d a t i o n;f e a t u r es e l e c t i o n 收稿日期:2 0 2 2-0 6-0 9*基金项目:国家自然科学基金(6 2 1 6 1 0 5 2)项目资助0 引 言 无 线 射 频 识 别 技 术(r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n,R F I D)是一种自动识别技术,它通过无线通信对具有唯一身份(i d e n t i f i c a t i o n,I D)信息的 电 子标 签 进 行数 据 信 息交换1。简单的R F I D系统可由阅读器、标签和后端数据库组成2,阅读器通过无线信道向标签发送命令,标签接收到命令后将作出响应发送其I D信息,后端数据库可根据I D检索相应物品信息。理论上,标签可以响应不同R F I D阅读器的发送命令,任意拥有阅读器的人员都可以随意读取到缺乏访问控制标签的底层信息,如电子产品码(e l e c t r o n i cp r o d u c t c o d e,E P C)3由于R F I D标签的低成本性,读取到的底层信息很容易被克隆到另一标签中,若标签没有设置防克隆的功能,则攻击者就可以对原始标签进行伪造假冒,获取非法利益。基于以上原因,数据的通信安全问题一直是R F I D研究领域中需要关注的一个重要问题。在通信安全问题中,对数据加密和使用安全协议2是一种较常见的解决方法。然而,R F I D标签的低成本决定了其结构简单、计算能力有限,高性能的加密算法和安全协议会增加标签的复杂性,而使用轻量级加密协议,对于简单的保护方法,一旦密码泄露,数据将被轻易获取,例如R F I D物流供应链中4,密码可能在多个环节中被轻易窃取。针对加密和安全协议的问题,一些研究者提出了一些保护标签本身,而不是保护底层数据的方法来提高R F I D通信的52 第4 6卷电 子 测 量 技 术安全性,通过添加一些硬件因素来防御伪造标签,例如利用电感耦合5-6或发射天线7。然而,使用硬件方式虽提高标签安全性,但会增加标签制作成本。近年来,大量研究表明电子标签所响应的信号在物理层上有唯一性8,具有一个物理不可克隆函数(p h y s i c a lu n c l o n a b l e f u n c t i o n,P U F)。由于每个标签的P U F均不相同,因此,即使输入相同P U F响应也不会相同。更重要的是,P U F具有不可预测和不可重复性,因此可有效防止标签的伪造,目前已成为一种解决R F I D通信安全的新方法。基于P U F的物理层识别方法对接收到的标签信号提取唯一的特征来作为标签的指纹8,例如信号的时频统计特性9-1 1。该方法只需在阅读器端增加相应算法,无需在标签端进行加密或更改硬件电路,因此不会提高标签成本,且具有较好的可移植性,适合大规模和低成本标签的防伪场合。然而,物理层识别方法还有一些问题还需要更进一步研究。首先,从标签信号中提取什么特征未经充分讨论。一些特征值在某几类标签中具有显著性差异,可在其它类中却不一定存在这种差异,如何提取或选择具有显著性差异的特征值是一个需要研究的问题。再次,物理层识别方法的测试方案所得到的结果具有偶然性。传统测试方案使用经典的交叉验证方法1 1来得到真伪标签的分类准确率,但实际工程应用中,攻击者所使用的伪造标签信息也许无法提前掌握,难以在训练库中训练,因此使用这种测试方法所得到的分类准确率并不一定准确。针对以上问题,本文提出了一种新的提取标签信号特征的方法来提高R F I D标签安全性,使R F I D系统免受恶意用户攻击,并且重新设计一种测试方法来评估R F I D安全性能。在特征提取方法中,不仅直接对阅读器接收到的标签信号提取统计特征,而且经过处理得到了标签本身的E P C信号、所携带的噪音信号以及标准化后的接收信号,另外,本文提出了一种新的特征提取方法,对上述4种信号进行了交叉谱熵(c r o s se n t r o p y)的统计特征提取。并且,为了得到有效特征,去除冗余特征,本文还使用了特征选择方法。此外,在新的测试方法中,所设计的交叉验证方法更接近工程实际,训练集中所包含的一类伪标签数据,测试集中并不存在该类标签。实验中,本文利用U S R P软件无线电设备测试了3家厂商的7类标签,实验结果表明,经5倍交叉验证,本文特征提取方法的分类准确率比传统方法提高了3%4%。另外,实验还采用了新的测试方法来评判系统的安全性,结果表明,与传统交叉验证相比,无论是传统方法还是本文方法的分类准确率都有所降低。因此,本文可得到一个结论:物理层识别方法在实际应用中,若训练库的伪造数据不完全,防伪性能将会受到影响。1 相关工作 R F I D安全问题本质上是无线通信安全问题,解决该问题的较常用方法是使用安全协议。在流行的E P CC 1G e n 2标准中,其通信协议规定可设置密码来对标签的访问进行控制,不过这种协议安全级别较低,一旦密码泄露,数据很容易被窃取。一个完整的R F I D安全认证协议应该能具有防止标签被跟踪、克隆、窃听和泄密等功能,较成熟的认证协议采用对称和非对称的加密算法1 2-1 4,它能抵御大部分常见攻击,然而由于这些算法的高复杂度,将其应用于R F I D必将提高标签成本。为此,一些轻量级的认证协议1 5-1 6被提出来,这些协议支持随机数和单向散列函数的认证算法1 7-1 8。然而在应用于R F I D安全问题时都应有一个折衷。复杂的认证算法更安全,但会提高标签成本,相反,简单的算法更适用于低成本标签,但安全度