多阅读器环境下的射频标签批量认证与移动察觉技术研究

摘要

随着物联网技术的兴起，射频识别技术（Radio Frequency IDentification，R F ID)越来越受到人们的重视，被视为本世纪最为潜力的技术之一。尽管R F ID的发展如火如荼，甚至被预见为条码技术最有力的竞争对手和替代技术，但它现今还未能改变条码一统天下的局面，其原因在于还有很多基础的科学与技术问题尚未得到很好的解决。本文针对标签与阅读器的信号冲突，基于射频识别技术的防伪认证，以及标签移动察觉三个重要问题展开了深入的研究和分析。本文的主要创新点包括：
　　第一、提出一组多阅读器环境下的冲突搁置与协同识别协议。信号冲突问题在R F ID技术的诞生之日起就成为科研工作者竭力想解决的基础问题之一。当多于一个R F ID终端（标签或阅读器）发射信号时，它们的信号在空中相互叠加，导致接收端无法将信号正确解析出来。根据发送端和接收端的不同，这些冲突又可细分为：标签冲突，阅读器冲突，和标签-阅读器冲突。由于R F ID设备硬件计算能力有限，一般只能采用分时调度的策略规避这些冲突，所以相应的算法又被称为防冲突算法。本文针对上述三种信号冲突，提出了一组两阶段的协议栈。这些协议不仅能够有效避免阅读器冲突，还能协同相邻阅读器对公共覆盖的标签进行识别。其主要思想是根据是否发生阅读器冲突将目标标签划分为两类，一类是能够成功解析阅读器命令的“非争议性标签”，一类则因为阅读器冲突而不能解析命令的“争议性标签”。本文发现80％的识别延迟主要来源于只占总标签数目20%的争议性标签，争议性标签是系统性能瓶颈的关键。本文首次提出搁置争议性标签的信号干扰，协同邻居阅读器识别的思想，区分对待上述两类标签。实验表明，与已有的工作相比，本文的方法能够提高6倍以上的识别吞吐量。
　　第二、提出浑水问题及一种无识别批量标签认证方法。R F ID标签因制造难度高、具有简单计算能力等特点，使其开始逐渐受到防伪领域的青睐，尤其是高端产品防伪，如药品、红酒和珠宝等。工业界采用序列号验证的方式进行防伪认证，这种方法虽然简单，但其安全性一直受到挑战。为了解决这个问题，相关的科研工作引入哈希函数，验证标签对序列号进行哈希操作后的签名。这种做法大大提高了标签的安全性，降低了标签被复制的风险。与传统方法一样，引入哈希机制后的算法仍然需要对标签进行逐个认证。当面对大批量标签时，这种逐个验证方式效率低下、不具扩展性、适用场景受限。本文提出了一种无识别的批量认证方法。该方法无需为每个标签建立独立会话时间片，即使发生信号冲突也能正确检测伪造标签的存在。该方法能够快速判断目标批次是否有效，即是否包含伪标签。在无效的情况下，能够结合组合分组测试方法和基于强度大小的空间划分，精确定位出这些假标签，填补机器与人类认知的沟壑。与以前的工作相比，可扩展性方面，M RBA的算法能够以高概率保证假标签在0(n?log(N))轮被检测出来；安全性方面，当探测的帧长达到最优化时，香农熵达到最大，系统被破解的概率趋近于零；精度方面，实验表明系统探测伪标签精度可达到99%以上，平均定位精度约为80%;效率方面，系统批量认证的时间仅仅占逐个认证方法所消耗时间的4%。
　　第三、提出一种强渡流驱动的标签移动察觉方法。R F ID技术作为自动识别技术的急先锋，最初目的为方便快速识别物体，取代手工录入，实现工业处理的自动化。但近年来，除了识别之外R F ID的各种潜在应用也被逐步挖掘出来。例如，利用RFID技术对贵重物品进行实时监控，精确记录用户行为方式等。现有的基于R F ID的监控技术只能给出“存在-或-不存在”的结果，这种粗放式的监控完全不能满足实时性和安全性要求较高的场景。本文通过理论分析和实验验证发现：标签的反射信号强度对所处位置非常敏感，可以利用这一规律准确并且高效的探测标签的移动。受到计算机视觉技术的启发，该算法将目标空间中的标签信号变化抽象为信号强度图，并提出采用基于混合高斯模型的背景相减法检测出移动标签。实验表明，这种强度流驱动的标签移动察觉技术能够获得运动监测92.34%的精度并且假阳性率维持在0.5%以下。

目录

主 要 符 号 表

1 绪论

1 .1 引言

1 .2 研宄背景及意义

1 .3 本论文主要研宄内容及创新点

1 .4 论文组织结构

2 射频识别技术研究现状

2 .1 射频识别系统简介

2 .2 多阅读器环境下信号冲突研宄现状

2 . 3 基于RFID技术的防伪认证研宄现状

2 . 4 基于RFID技术的物品监控研宄现状

2 .5 其它问题研宄

2 .6 本章小结

3 多阅读器环境下的冲突搁置与协同识别协议

3 .1 引言

3 .2 系统模型

3.3 Season 设计

3 .4 性能分析

3 .5 讨论

3 .6 性能评估

3 .7 本章小结

4 浑水问题及无识别批量标签认证方法

4 .1 引言

4 .2 系统模型及假设

4 .3 钓鱼算法概述

4 .4 性能分析

4 .5 安全性分析

4 .6 原型实现和实验评估

4 .7 大规模仿真实验

4 .8 本章小结

5 强度流驱动的标签移动察觉算法

5 .1 引言

5 .2 强度弱稳定性

5 .3 算法设计

5 .4 实验结果

5 .5 本章小结

6 结论与展望

6.1 总结

6 .2 展望

参考文献

致谢

攻读博士期间取得的研究成果

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