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[논문]백스캐터 네트워크의 물리 계층 특징 기반 UHF RFID 태그 식별 기법 본문
1. 서론
IoT에서 많이 쓰이는 Radio-frequency identification(RFID) 시스템은 저전력, 저비용 특성이 있다.
개별 기기를 식별하기 위해 사전에 할당된 태그 식별자(tag ID)가 사용된다. 하지만 ultra high frequency RFID 태그의 연산 자원 및 메모리 한계로 인해 보안 측면에서 문제가 발생한다!
=> 물리 계층 특징을 태그 식별에 활용하는 기법으로 측정의 효율성을 높일 수 있다!
개별 태그의 백스캐터 신호에 대해 시간 간격 오차(time interval error, TIE)와 위상(phase)이라는 두 가지 물리 계층 특징을 혼합하여 지문(fingerprint)으로 활용하는 태그 식별 기술을 제안
2. 배경 지식 및 관련 연구
2.1 백스캐터 네트워킹
백스캐터 네트워킹은 배터리나 전력 제공 수단이 없이 주파수 신호를 전달하는 메서드이다.
RFID 시스템에서 백스캐터 네트워킹은 다음 사진과 같은 과정으로 표현될 수 있다.
인벤토리 라운드는 리더의 query 명령으로 초기화 되며, 후속 query 명령을 통해 해당 라운드의 종료 기간이 명시된다.
태그가 리더의 요청에 반응하여 RN16 패킷과 고유 특징인 EPC 패킷을 전송하는 과정을 반복하며 네트워킹이 이뤄진다.
2.2 물리 계층 특징 관련 연구
기존 연구는 시간 간격 오차 및 평균 기저대역 전력, 최소 전력 응답, 태그 통신 신호의 내부 유사성 특징인 공분산 기반 분포와 전력 스펙트럼 밀도 와 같은 물리 계층 특징 기반 fingerprint를 제안하였다. => 강건성, 유일성, 가용성의 한계
3. 물리 계층 특징 기반 식별 알고리즘
시간간격 오차(TIE) = 비트 주기의 반복에 따라 태그 응답 신호와 이상적인 신호 간의 누적되는 시간 차이
선형 회귀 분석 기법을 도입하여 지속적인 증가 형태인 시간 간격 오차를 보다 정확히 추정한다.
=> T개의 비트 주기에 대한 시간 간격 오차 집합의 평균 제곱 오차를 최소화하여 선형 관계로 모델링한다.
시간 간격 예측값과 측정값의 오차가 작을수록 평균 제곱 오차는 작아진다.
하지만 시간 간격 오차 관점에서는 태그를 정확히 구분하기 어려워 '위상'을 살펴봐야한다.
=> 백스캐터 신호 위상 정보는 고유한 특성이며 RFID 리더에 의해 손쉽게 얻을 수 있는 공통 파라미터이다.
RFID 리더 안테나와 태그 사이의 거리 기반이며, 리더가 보내는 신호는 다시 리더로 돌아오기 때문에 전체 거리는 왕복하여 2배가 된다.
<실험 환경>
- 리더로부터 태그까지의 거리를 균등분포에 따라 무작위로 생성
-> 위상값은 이에 따라 계산하여 도출
- 주파수가 일정하고 리더가 동일하여, 반송파 파장과 리더의 송수신 회로에 따라 추가되는 위상값은 일정하다고 가정
- 태그에 대한 위상값은 무작위로 생성
1. 높은 상태의 평균 진폭값과 낮은 상태의 평균 진폭값을 구하여 중간 진폭값의 기준점을 설정
2-5. 수신 신호의 진폭값을 계산하여 1줄에서 계산한 기준점과 같은 값을 가지는 시간 지점을 계산
9. 각 비트 주기에 대해 응답 신호의 진폭을 계산하여 중간 진폭값과 동일한 진폭의 표본 시간을 탐색, 시간 간격 오차 추출
10. 수신 신호의 I-Q채널 성분을 각각 활용하여 위상 값 계산
1-5. 상이한 값의 범위를 갖는 시간 간격 오차와 위상의 두 가지 특징에 대해 표준 점수 정규화 기법을 적용
7-8. 각 특징에 따른 임계값을 각각 도입하고 특정 태그의 오차범위 안에 포함되는 후보군을 도출
(측정된 시간 간격 오차 및 위상과 데이터베이스에 저장된 시간 간격 오차 및 위상은 무선 채널 상에 존재하는 잡음으로 인해 오차 범위 내에서 비교해야하기 때문)
9-20. 수신 신호에 대한 각각의 특징값을 식별 임계값과 비교하여 해당 태그의 수락, 거절 여부를 결정 ; 유클리드 거리 도입
4. 성능평가
백스캐터 신호의 SNR 모델링 => 10log(신호전력/잡음전력)
- 잡음 대비 신호 세기를 확인!
[시뮬레이션]
- SNR을 0dB에서 30dB까지 1dB 간격으로 변화시키며 백스캐터 신호를 생성하고 태그 식별
- BLF 50KHz, 수신 신호 표본화 속도 20 MS/s 로 설정
- 태그의 시간 간격 오차 값 0.05 us ~ 0.23 us로 랜덤하게 설정
- 30회 반복 실헙 수행
- 태그 식별 임계값 (시간간격오차 0.01~0.1, 위상 0.0006~0.006) 변화시켜 거짓 인식률과 부정 오류율 분석
[결과]
- 시간 간격 오차는 절대적인 크기가 클수록 잡음에 보다 민감하여 정확한 식별을 저해한다
- 위상을 함께 고려하면 시간 간격 오차의 값이 커서 측정 오차가 큰 특성을 가졌던 태그의 식별 정확도가 안정적으로 향상
- SNR이 낮을 때는 신호에 잡음이 많이 섞여있어 두 가지 특성을 같이 고려하면 잡음에 민감하지만, 실제 사용 환경에 해당하는 SNR에서는 두 가지 특징을 fingerprint로 활용하는 것이 훨씬 효율적이다.
4. 결론
태그 식별 지문으로서 시간 간격 오차와 위상을 함께 적용한 방법이 효율적이다.
향후 연구 : 보다 정확한 식별 및 분류를 위해 다양한 환경 조건을 고려한 시스템을 제안할 계획임.
*견해 작성
RFID 시스템과 백스캐터 네트워킹에 대한 지식이 매우 기초적이라, 해당 논문으로 배울 수 있는 점이 많았다.
[추가적으로 노희준 교수님의 세션을 들었다.(https://www.youtube.com/watch?v=PNDIhhLayZg)]
흥미로운 점 : RFID기술을 사용하면 저전력 초소형 컴퓨터를 만들 수 있지않을까? 하는 연구가 있다.
Backscattering은 Mirroring 방법과 비슷하다고 볼 수 있다.
궁금증이 생긴다.
- 카드 접촉형, 마그네틱 카드가 결국 RFID, Backscatter형식으로 작동을 하는 것인데, 자석 근처에 가면 망가지는 이유, 그리고 이런 형태의 무력화 공격 방식 또는 사례가 있을까?
- 반대로, 리더기에 대한 공격으로, RFID Tag의 공격 기법이 있을까? 어쨋거나 정보 전송이 된다면 exe를 binary로 전송할 수 있지 않을까? 하하!
- 위 논문에서 언급한 내용과 같이 한정된 환경 조건에서 활용될 수 있다는 점이 아쉽고 실질적으로 활용될 수 있도록 다양한 환경 조건을 고려한 향후 연구가 궁금해진다. 다른 조건이 필요할 가능성이 큰데, 리더의 다른 계층의 특성 활용방안이 있을까? 네트워크 계층에서 고유의 위상을 인식할 수 있다면 가능하지 않을까. 기초적인 지식으로 조심스럽게 예측해본다.