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基于ISO/IEC18000-6C标准的无源UHF RFID芯片安全性及其低功耗设计

作　者: 施旺根
导　师: 庄奕琪
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子
关键词: UHF RFID 安全性无源 TRNG 低功耗
分类号: TP391.44
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 45次
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内容摘要

无源超高频射频识别(UHF RFID)技术因其远距离、高速度和低成本的优势,已经成为RFID研究的热点。然而,随着应用范围的迅速扩展及标签所具功能的日渐完善,安全性及其低功耗日益成为UHF RFID技术能否进一步深入人们日常生活的瓶颈。本文从标签芯片中安全性相关模拟前端及数字基带的设计入手,提出了一种基于真随机数(TRNG)的空中接口安全加固机制,并阐述了设计中低功耗实施的具体思想。作为基础,本文分析了ISO/IEC18000-6C物理层通讯和标签识别层通讯的特点,并指出了其在安全性方面的不足。安全性相关模拟前端方面,首先基于特许0.35μm工艺,提出了一种能实现高灵敏度和高能量转换效率的倍压整流电路,并指出其输出VDD_rect随负载及其它不同情形呈现噪声特性。接下来,利用VDD_rect的随机性,实现了一种基于数模混合的TRNG设计。最后,给出了时钟产生电路的设计原理,并提出了一种高效的频率校准机制,为安全机制和基带稳定运行提供了高质量的时钟源。安全性相关数字基带方面,首先提出了一种适用于UHF RFID的低功耗基带构架,并概括了核心模块的设计思想。然后,从系统级、模块级及晶体管级三个层次分别阐述了基带设计中的低功耗实现策略。最后,给出了基带功能及功耗验证的结果。总结以上三个方面,本文提出了一种基于TRNG的空中接口通讯安全加固机制,该机制一方面实现了标签和阅读器之间的相互认证,能有效遏制可能存在的针对空中接口通讯的欺骗行为;另一方面,实现了数据加密的功能,避免了空中接口通讯时的明文传送现象,从而有效应对因窃听而导致的信息外泄。最后,本文从模拟前端、数字基带及数模混合仿真三个方面,总结了安全性相关电路的设计及实现流程。本文采用特许0.35μm EEPROM工艺和设计规则,实现了多个版本的芯片设计。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第一章绪论  9-15
  1.1 技术背景  9-11
  1.2 国内外研究现状  11
  1.3 研究内容及创新点  11-13
  1.4 论文组织结构  13-15
第二章无源 UHF RFID系统工作原理和通讯协议分析  15-27
  2.1 系统工作原理  15-16
  2.2 物理层通讯  16-23
    2.2.1 信号调制方式  16-17
    2.2.2 数据编码格式  17-23
  2.3 标签识别层通讯  23-24
  2.4 系统通讯过程  24
  2.5 安全性分析  24-26
    2.5.1 ISO/IEC18000-6C安全机制及其不足  25-26
    2.5.2 论文在安全性方面的创新  26
  2.6 小结  26-27
第三章安全性相关模拟电路设计  27-45
  3.1 倍压整流电路  27-32
  3.2 真随机数产生电路  32-39
    3.2.1 TRNG噪声源分析  32-34
    3.2.2 TRNG设计  34-36
    3.2.3 两种参考TRNG设计及分析  36-39
  3.3 时钟产生及其校准机制  39-43
    3.3.1 时钟产生电路设计  39-40
    3.3.2 时钟频率校准机制  40-43
  3.4 小结  43-45
第四章安全性相关数字基带及其低功耗设计  45-59
  4.1 数字基带整体设计  45-53
    4.1.1 PIE解码模块（Decoder）设计  45-47
    4.1.2 命令解析模块（CMD_PARSE）设计  47-48
    4.1.3 初始化模块（INIT）设计  48-49
    4.1.4 主状态机模块（SCU）设计  49-50
    4.1.5 输出控制模块（OCU）设计  50-51
    4.1.6 编码模块（ENCODER）设计  51-52
    4.1.7 IE和TRNG模块设计  52
    4.1.8 功耗管理模块（PMU）设计  52-53
  4.2 安全性相关数字基带低功耗设计  53-57
    4.2.1 系统级低功耗设计  53-55
    4.2.2 模块级低功耗设计  55-57
    4.2.3 晶体管级低功耗设计  57
  4.3 数字基带功能及功耗验证  57-58
  4.4 小结  58-59
第五章安全可靠的空中接口通讯  59-67
  5.1 RFID系统面临的安全攻击  59
  5.2 RFID安全机制及其分析  59-62
    5.2.1 基于物理方法的安全机制  59-60
    5.2.2 基于密码的安全机制  60-62
    5.2.3 基于数据库服务器的安全机制  62
  5.3 基于真随机数的UHF RFID安全机制  62-66
    5.3.1 方案原理  63-65
    5.3.2 优势分析  65-66
  5.4 小结  66-67
第六章安全性相关数模混合设计实现流程  67-73
  6.1 模拟前端电路  67-68
  6.2 数字基带实现  68-71
  6.3 数模混合仿真验证  71-72
  6.4 小结  72-73
第七章总结与展望  73-77
  7.1 总结  73-74
  7.2 展望  74-77
致谢  77-79
参考文献  79-83
攻读硕士学位期间发表论文和科研成果  83-84

基于ISO/IEC18000-6C标准的无源UHF RFID芯片安全性及其低功耗设计

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