《电子技术应用》
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多天线RFID系统物理层安全优化方案的研究
2018年电子技术应用第1期
宋慧颖,高媛媛,沙 楠
中国人民解放军理工大学 通信工程学院,江苏 南京210000
摘要: 近年来,射频识别(RFID)技术作为构建“物联网”的关键技术受到人们的关注,如何保证RFID系统的通信安全也成为一个重要的挑战。基于物理层层面,研究了一种多天线无源RFID通信系统的安全传输性能,采用人工干扰(AN)技术,提出两种不同的安全优化方案:基于“发送功率最小化”以及“合法接收端信干噪比最大化”,并分别给出两类方案的特例“零空间方案”,接着利用半正定松弛以及凸优化的数学方法对方案进行优化。仿真证明,采用AN的两类方案安全性能均优于无AN方案,并且达到节省功率以及提高合法用户接收信噪比的目的,对功率受限的RFID设备具有重要的意义。
中图分类号: TN925
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.171201
中文引用格式: 宋慧颖,高媛媛,沙楠. 多天线RFID系统物理层安全优化方案的研究[J].电子技术应用,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

    射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术是无线通信技术的一种,可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据,现今RFID技术的飞速发展对于物联网领域的进步具有重要的意义。

    由于系统的广播特性,其容易受到窃听者的攻击,存在侵犯个人隐私的隐患[1]。许多涉及RFID安全问题的研究主要集中在密钥层面[2-3],但也表现出许多缺陷[4]。相比于传统的上层密钥技术,物理层安全技术[5]充分利用了无线信道的衰落特性和噪声特性来增强信息传输的安全,具有许多技术优势[6]

    近几年来,陆续有学者对RFID系统的物理层安全特性以及安全传输方法进行了研究[7-10]。然而,以上涉及到RFID系统物理层安全性能的文献都是以安全容量为指标的,且将该性能与多天线的场景结合的研究比较少,因此,本文将以节省功率、优化接收端信干噪比(Signal to Interference and Noise Ratio,SINR)为目的,对无源多天线RFID系统的物理层安全性能进行研究。

    本文出现的相关符号及其意义如下:上标H表示共轭转置,Cn是维度为n的复数集,Tr(·)代表矩阵的迹,欧几里得范数表示为||·||,A≥0意味着A是半正定矩阵,E{·}代表统计数学期望,rank(·)表示矩阵的秩,x~CN(μ,Σ)表示x是一个服从均值为μ、方差为Σ分布的复高斯随机变量。

1 系统模型及安全性能分析

    图1的系统由一个单天线无源标签(T)、一个多天线读写器(R),以及一个多天线窃听者(E)组成。R配备K根发送天线,M根接收天线;E配备N根接收天线。R工作在全双工模式,假设各信道的瞬时统计特性估计值可以获知。

tx6-t1.gif

    基于图1模型,R和E接收到的信息分别表示为:

tx6-gs1-6.gif

2 最小总功率设计方案

2.1 方案描述

    根据以上得出的SINR形式,将对载波信号向量w和干扰信号协方差矩阵Σ进行优化,在合法接收端R以及窃听者E的SINR水平达到门限值的前提下,使R的总发送功率最小,表示为:

tx6-gs7-8.gif

    可以证明,式(8)是一个NP-hard问题[11],针对此类问题,将利用半正定松弛的办法来处理。

2.2 半正定松弛

 tx6-gs9.gif

    式(9)已经将rank(W)=1进行松弛,使得式(9)变成了一个凸优化问题,其最优解可以通过SeDuMi和CVX等算法解决。

2.3 零空间方案

tx6-gs10.gif

3 最大接收信干噪比设计方案

3.1 方案描述

    最大接收信干噪比方案提出的目的是:在满足总发送功率P和窃听者E信干噪比γe的约束的情况下,使得读写器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 零空间方案

    同样,作为式(14)的一种特例,使读写器R的接收SINR最大时的“零空间方案”表示为:

     tx6-gs14.gif

4 仿真及性能分析

    本节将对文章提出的两类方案进行性能仿真,每类方案将与“零空间方案”以及无人工干扰方案进行对比,在分析中将这3种方案分别称为“干扰衰减方案”、“零空间方案”以及“无AN方案”。假设drt=4 m,dte=5 m,dre=3 m,r=2,α=0.3,tx6-4-x1.gif=-20 dBm。

4.1 功率节省方案

    首先,在R端、E端SINR门限值约束不同的情况下,探索读写器发送总功率P与E处噪声水平tx6-4-x1.gif的关系,R和E天线数目设为3。

    由图2可以得到以下结论:(1)使用“干扰衰减方案”及“零空间方案”的性能几乎一致,且均优于“无AN方案”;“无AN方案”仅在E噪声大时才有相应功率值,说明该方案仅在窃听者性能差的时候适用。(2)消耗的总发送功率随着E处噪声的增加而下降,说明窃听者所处环境恶劣时,不需要系统消耗过多功率就能保证安全通信。(3)γr提高或γe降低,所需的总功率都增大,证明性能的提高是以总功率的消耗为代价的。

tx6-t2.gif

    接着,在不同天线数目的情况下,仅采用“干扰衰减方案”继续探索读写器发送的干扰功率Pz、载波功率Pwtx6-4-x1.gif的关系,设定γr=30 dBm和γe=5 dBm。

    由图3可以看出:(1)tx6-4-x1.gif较小时Pz>Pwtx6-4-x1.gif增大以后Pz<Pw;Pz随着tx6-4-x1.gif的增大而减小,而Pw保持平稳。这是因为干扰信号功率主要作用于窃听者,其功率与窃听者噪声水平直接相关,而载波功率用来激励电子标签,因此保持稳定。(2)当天线数量增加,R需要的发送总功率减少,说明天线增多更节省总功率,但这是以成本为代价的。

tx6-t3.gif

4.2 最大信干噪比接收方案

    首先,在不同的E端门限值γe约束下,研究3种方案的读写器最大接收信干噪比SINRr与窃听者噪声水平tx6-4-x1.gif的关系,R、E天线数目设为3,P=50 mW。

    从图4的曲线可以总结出以下结论:(1)有AN的两类方案达到的SINRr均大于“无AN方案”,且“零空间方案”的性能与“干扰衰减方案”几乎一致。(2)“干扰衰减方案”达到的SINRr一直处于较高水平,符合实际应用;在tx6-4-x1.gif较小时,“无AN方案”达到的SINRr非常低,没有实际应用价值;当tx6-4-x1.gif很大时,“无AN方案”的效果才与采用人工干扰的另两种方案效果相同。(3)γe增大,可达的SINRr总体增大,说明将γe的取值限制放宽可以提高目的端的接收性能。

tx6-t4.gif

    最后,在不同的最大总功率P约束下,比较“干扰衰减方案”和“无AN方案”的SINRrtx6-4-x1.gif的关系,R、E天线数目设为3,γe=5 dBm。

    由图5的曲线可以看出,随着总约束功率P的增大,使用“干扰衰减方案”达到的SINRr总体也相应增大,说明性能的提高是以成本的增加为代价的,而增大P对“无AN方案”的性能基本没有影响。

tx6-t5.gif

5 结论

    本文基于物理层层面,通过采用人工干扰技术,运用半正定松弛和凸优化的方法,提出了“发送功率最小化方案”以及“接收信干噪比最大化方案”,优化了无源RFID系统合法接收端的安全质量。

参考文献 

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