无源可计算RFID系统固件控制方法研究

摘要

作为一项新兴的射频识别（RFID）技术，无源可计算RFID标签不仅具有传统被动式标签无源的优点，而且能够进行较为复杂的计算和环境感知，在未来物联网发展中具有巨大的潜力。然而，由于受到能量、计算能力和通信标准的限制，现有的无源可计算RFID系统只能通过有线的方式来对标签中的固件进行控制和更新。这一限制，极大地制约了无源可计算RFID系统在物联网中的广泛应用，已经成为无源可计算RFID系统发展的主要瓶颈。 虽然业内已经出现了很多致力于提升无源可计算RFID系统性能的工作，但是鲜有关于解决系统可维护性问题的研究。为了解决这一问题，本文围绕无源可计算RFID系统的可维护性问题进行了研究，并提出了无源可计算RFID系统的实时固件执行控制机制、可靠无线重编程方法和隐私保护访问控制协议，为解决无源可计算RFID系统的可维护性问题提供了一套全面系统的解决方案，对无源可计算RFID系统的成熟和在未来物联网中的广泛应用具有非常重要的意义。本文的主要内容和创新点包括： （1）构建出无源可计算RFID系统的实时固件执行控制机制 由于现有无源可计算RFID标签上的微控制器只能循环运行一个事先装载的固件，导致标签只能返回单一的传感器数据或执行单一的计算任务。当需要标签返回其他传感器数据或执行其他计算任务时，使用者只能通过有线的方式将待执行的固件重新装载到标签中。这一限制，不仅造成了标签硬件资源的浪费，而且违背了无源可计算RFID系统的设计初衷。本文构建了无源可计算RFID系统的实时固件执行控制机制。该机制通过将一个引导程序和多个独立的固件预先装载到标签微控制器中，让使用者可以在不改变现有通信标准和系统硬件的前提下，使用商用读写器对无源可计算RFID标签中所运行的固件进行实时控制，让标签在多个独立的固件之间切换运行。该机制将目前无源可计算RFID标签只能执行单一固件扩展成无需重新装载即可根据需要运行其他固件，提高了标签固件执行的灵活性，降低了系统部署和维护的成本。 （2）提出无源可计算RFID系统的可靠无线重编程方法 由于无源可计算RFID标签本身不需要电池，且能够进行计算和感知，往往被应用于一些难以触及甚至无法触及的环境中。然而，随着无源可计算RFID系统的发展，标签中的固件可能需要被更新甚至替换。因此，通过有线的方式重新装载固件将变得非常困难甚至不可行。同时，当无源可计算RFID标签被大面积部署时，通过有线的方式对标签进行维护也会带来极高的时间和人力成本。这一问题，对无源可计算RFID系统的广泛应用造成了极大的限制。本文提出了无源可计算RFID系统的可靠无线重编程方法。该方法与EPC C1G2标准兼容，可以在不对现有通信协议和系统硬件作任何修改的前提下，通过将待更新固件进行切分，并让商用读写器将切分后的固件片段以无线的方式逐一发送给标签，使标签能够在能量受限的情况下对其微控制器中所装载的固件进行自主更新。同时，采用基于Bitmap的错误检测与修正方法，有效解决了无源可计算RFID标签在能量不足时重编程出错的问题。 （3）设计无源可计算RFID系统的隐私保护访问控制协议 虽然无源可计算RFID系统的实时固件执行控制方法和无线重编程方法解决了系统的可维护性问题，但是却带来了安全隐患。由于这两个方法都与EPC C1G2标准兼容，使得任何读写器都可以对无源可计算RFID标签上的固件进行控制和更新，导致系统的安全性无法得到保证。本文提出了一种符合EPC C1G2标准的高效隐私保护认证协议。该协议与EPC C1G2标准兼容，通过将高级加密标准与挑战应答机制相结合，并将标签的认证信息以标签ID的形式响应给读写器，不仅避免了读写器和标签隐私信息的泄露，而且使得该协议能够在通信的盘存阶段就完成双向认证。安全性分析表明，该协议不仅具有数据机密性、标签匿名性和前向安全性，而且能够抵御假冒攻击、位置追踪攻击、嗅探攻击、重放攻击和去同步攻击。与现有协议相比，该协议不仅具有更高的安全性，而且具有更小的通信和时间开销，更加适合能量和计算能力有限的无源可计算RFID系统。

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