On performance evaluation and enhancement of rfid systems complying with ISO 18000-3, ISO 18000-7 standards
ISO 18000-3, ISO 18000-7 standartlarına uygun rfıd sistemlerinin performans analizi ve iyileştirilmesi
- Tez No: 350405
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MESUT KARTAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 87
Özet
Bu Yüksek Lisans Tezi iki ana kısımdan olu¸smaktadır. Birinci kısım, ISO 18000-3ve ISO 18000-7 standartlarına uygun pasif ve aktif RFID sistemlerinin performansdegerlendirmesini içermektedir. ˘˙Ikinci kısım ise, 18000-7 standardına uygun RFIDsistemlerinin çoklu antenlerle ba¸sarım iyile¸stirilmesini içermektedir. Bu kısım ayrıcadegi¸sik sınırlı geri besleme metotlarının çoklu antenlerle birlikte etiket ve okuyucu ˘tarafındaki detaylı kar¸sıla¸stırmalarını da kapsamaktadır.Radyo frekans tanımlama (RFID) teknolojisi, kablosuz haberle¸sme alanında oldukçapopüler olmaya ba¸slamı¸s ve birçok uygulama alanında yaygın bir ¸sekilde dagılmı¸stır: ˘temassız kredi kartları, e-pasaport, bilet sistemleri, giri¸s-çıkı¸s kontrolleri, oyunlar,saglık, ilaç, doküman ve basın yönetimi. . . Bu teknoloji, radyo dalgaları yardımıyla ˘herhangi bir nesne ya da canlıyı tanımlama veya takip etmeyi kablosuz olaraksaglamaktadır. RFID sistemleri, kullandıkları frekans bantlarına göre üç gruba ˘ayrılırlar: Dü¸sük frekans (LF, 30-300 KHz), Yüksek Frekans (HF 3-30MHz) ve ultrayüksek frekans (UHF,300MHz-3GHz) / Mikrodalga (>3 GHz).RFID etiketleri ve okuyucuları birbirleriyle havadan haberle¸sirler. Haberle¸smekanalının güvensiz olması ve hafif-siklet etiketlerin sınırlı kapasiteleri güvenlik vemahremiyet açıklarına neden olur. Bir saldırgan etiketi taklit edebilir, izleyebilir,dinleyebilir veya DoS saldırısında bulunabilir. Bu açıklıklara ek olarak, bir etiket,bir dü¸sman tarafından ya¸sam döngüsü boyunca farkedilememelidir. Eger bir ˘saldırgan bir etiketi tanıdıysa, artık onu kolayca takip de edebilir. Bu durumda,iki saldırı söz konusudur: (i) Bir saldırgan etiketin bütün geçmi¸s konu¸smalarınıde¸sifre edebilir veya (ii) gelecek konu¸smalarında onu takip edebilir. Bu saldırılarsırasıyla geri dönük takip edilebilme ve ileriye dönük takip edilebilme atagı olarak ˘adlandırılmaktadır. Litaratürde güvenlik ve mahremiyet sorunlarına çözüm olacakaçık-anahtar ¸sifreleme çözümleri bulunmaktadır, fakat bu çözümlerin hiçbir tanesi,sınırlı kapasiteleri nedeniyle birçok uygulamada kullanılan hafif-siklet etiketler içinuygun bir çözüm degildir. Bu yüzden, saldırganların sınırlı kapasitedeki etiketleri ˘kandırmasını engellemek için çok sayıda hafi-siklet asıllama prokolleri önerilmi¸stir.Önemi artan güvenlik ve mahremiyet konuları genellikle yakın alan haberle¸smelerindekullanılan (kablosuz akıllı kartlar) HF RFID sistemleriyle ilgilidir. Çünkü busistemler, birçok RFID uygulamalarında (e-pasaport, akıllı nüfus kartı, kredi kartlarıvb.) güvenlik ve mahremiyet gerektiren ki¸sisel bilgileri saklamaktadır. Birçokara¸stırmacı, standartlara uygun olacak ¸sekilde güvenlik ve mahremiyet problemlerinefarklı protokol tasarımlarıyla çözümler sunmu¸slardır. Bu protokollerin güvenlik vemahremiyet konularındaki analizleri oldukça önemli olmasına ragmen, onların gerçek ˘xxiiihayattaki verimlilikleri ise önem arz eden ba¸ska bir konudur. Maalesef, her biryeni protokol tasarımının fiziksel olarak test edilebilmesi maliyet, zaman ve pratikuygulama açısından oldukça zordur.Protokollerin performansları, HF RFID uygulamalarının kalitesini etkilemektedir.Bu yüzden, farklı protokolleri degerlendirmek için birçok simülasyon ortamları ˘geli¸stirilmi¸stir. Bunlardan hiçbiri kablosuz kanal etkisini göz önüne alacak ¸sekildeprotokollerin ba¸sarı sınırlarını göstermemi¸stir. Bu motivasyonla biz, bu tezçalı¸smasında PETRA simülasyon ortamına AWGN ve Rayleigh sönümlemeli kanalmodellerini ekleyerek iyile¸stirmede bulunduk. Bu kanallarda haberle¸sen ISO/IEC18000-3 standardına uygun olan RFID sistemlerindeki protokollerin performanssınırlarını gösterdik. Bu amaca yönelik olarak, güvenli ve mahrem bir kimliktanıma protokolünü, yeni geli¸stirdigimiz simülasyon ortamına uyguladık ve pasif ˘RFID sistemlerin gerçek hayatta kullanılmadan önceki performans degerlendirmesini ˘gözlemledik.Biz RFID protkollerinin en iyi ba¸sarıyı AWGN kanalı altında sergiledigini gösterdik. ˘Bu ba¸sarım göstergesi bize aslında protokolün ba¸sarım üst sınırını vermektedir çünküAWGN kanal, kablosuz haberle¸sme ortamları içerisinde ideal kanal olarak kabuledilmektedir. Ayrıca, kablosuz kanalın etiklerini göstermek için Petra simülasyonortamının sonuçlarını ekledik. Bunun yanı sıra, Rayleigh sönümlemeli kanaldaba¸sarım sonuçlarını elde ettik. Bu sonuçlar ise bize RFID protokollerin ba¸sarım altsınırını vermektedir çünkü Rayleigh sönümlemeli kanalın bozucu etikeleri AWGNkanalına göre daha çoktur ve en kötü kanal yapılarında birisidir. AWGN kanalındaçerçeve hata oranı sinyal gürültü oranına göre üstsel olarak azalırken, Rayleighsönümlemeli kanalda linear olarak azaldıgı simülasyonlarla gösterilmi¸stir. ˘RFID etiketleri aynı zamanda enerji kaynaklarına göre üç gruba ayrılır: pasif,yarı-pasif ve aktif etiketler. Pasif RFID etiketlerin kendi enerji kaynakları yoktur.Bunun yerine bu etiketler, okuyucudan yayınlanan enerjiyi kullanırlar. Yarı-pasifve aktif etiketlerde ise kendilerine ait bir enerji kaynakları vardır. Aktif etiketlerleyarı-pasif etiketlerin farkı ise yarı-pasif etiketlerin ilk konu¸smayı ba¸slatmaması veokuyucudan gelen sorgu ile konu¸sabilmesidir. Kendi enerji kaynagını, okuyucudan ˘gelen sorgu ile kullanmaya ba¸slar. Aktif RFID etiketleri ise okuyucu ile kendi konu¸smaba¸slatabildigi gibi ondan gelen sorgu ile de konu¸smaya ba¸slayabilir. ˘Aktif RFID etiketleri, birçok uygulamada sahip oldukları görünürlük, güvenlik, kalitelive uzak mesafeli haberle¸sme kabiliyetleri açısından tercih edilebilmektedir. Bir aktifRFID etiketi, içerisindeki veriyi iç enerji kaynagı yardımıyla oldukça uzak mesafelere ˘iletilebilir. Ancak batarya süresi, etiketin aktif parçaları sebebiyle azalmaktadır.Böylece bu, haberle¸sme mesafesiyle enerji tüketimi arasında kayıp-kazanç dengesinedönü¸smektedir (yani mesafe artarken, enerji tüketiminde artma veya tam tersi).Bununla birlikte iletim mesafesinin artması, giri¸sim problemlerine de neden olabilirçünkü bir okuyucunun okuma ortamında olabilecek etiketler ve/veya okuyucularhaberle¸smede zorluklara zemin hazırlayabilir.ISO/IEC 18000-7 bir aktif RFID standardıdır. Bu standardın etiketleri 433 MHzfrekansında çalı¸smaktadır. Biz fark ettik ki, bu standartta uyan aktif bir RFID etiketi,Rayleigh sönümlemeli kanalda tatmin edici bir haberle¸sme gerçekle¸stirebilmesi içinoldukça fazla enerji tüketmektedir. Bu tezde ikinci olarak biz, ISO/IEC 18000-7xxivstandardındaki aktif RFID sistemlerinin haberle¸sme kalitesi ve enerji verimliligi˘açısından performanslarını iyile¸stirdik. Simülasyon sonuçlarımız göstermi¸stir ki,gerek etiket gerekse hem etiket hem de okuyucu tarafındaki çoklu anten tasarımları,sınırlı geri besleme tekniklerinin kullanılmasıyla çerçeve hata oranlarını dü¸sürmü¸s veenerji kaynagının ya¸sam süresini arttırmı¸stır
Özet (Çeviri)
This M.Sc. thesis is mainly two folds: First part includes the performance evaluationof passive and active RFID systems complying with ISO 18000-3 and ISO 18000-7standards respectively. Second part shows the performance improvement of activeRFID systems with multiple antennas in ISO 18000-7 standard. It also includes adetailed comparison of different limited feedback schemes for multiple antennas at tagside and both tag-reader side.Radio Frequency IDentification (RFID) has become very popular in wirelesstechnologies and pervasively deployed in many applications area, such as contactlesscredit cards, e-passports, ticketing systems, access control, gaming, healthcare,pharmaceuticals, document and media management. This technology provideswireless communication with an object or someone to automatically identify or trackby using radio waves. RFID systems can be grouped into three basic ranges by theirusing operating frequency: Low frequency (LF, 30-300 KHz), high fequency (HF3-30MHz) and ultra high frequency (300MHz-3GHz) / microwave (>3 GHz).RFID tags and readers communicate with each other over air interface. Thisinsecure channel and the limited capabilities of RFID tags cause security and privacyvulnerabilities. An adversary may do tag impersonating, tracking, eavesdropping,and denial of service (DoS) attack. Besides the vulnerabilities, a tag might bedistinguishable in its life-span by an attacker. If it is once recognized by an adversary,it will be easily able to be traceable. At that situation, there might be two attacks.(i) An attacker might track the previous interactions of the tag or (ii) he may trackthe future ones. These two attacks are called backward traceability and forwardtraceability, respectively. The protocol used for RFID system should provide not onlyresistance against passive attacks, replay attacks, cloning attacks but also resistanceagainst active attacks. There are public-key cryptography solutions in literature butnone of them are convenient for the low-cost tags used in lots of applications becauseof their limitations. It needs to find much light-weight approaches. Therefore, manylight-weight authentication protocols are proposed to have a win against the adversariesthat deceive the capacity-restricted tags. But, designing light-weight cryptographicauthentication protocols with basic cryptographic primitives (xor, hash function) is achallenging task.A growing security and privacy concerns are most commonly related with highfrequency (HF) RFID devices, using near field communication (NFC), such ascontactless smart cards (CSC), because they are used to store secure and privatexixpersonal information in many RFID applications: e-passport, govern ID, credit cardsetc. Many researches offer different protocol designs to overcome the security andprivacy problems for the standards. Although, their security and privacy analysis arequite important, their effectiveness is also another vital point for real world RFIDapplications/systems. Unfortunately, it is a troublesome to physically test every newprotocol desings because of cost, time and it is also impractical.The performance of the protocols affects the quality of HF RFID applications.Therefore, many simulation environments have been improved to evaluate theperformance of these kinds of protocols. However, none of them shows the successbounds of the protocols by considering wireless channel effect. Motivated by this need,in this thesis, firstly, we improve the PETRA simulation environment by adding twochannel models, AWGN channel, Rayleigh fading channel and show the performancebounds of an RFID authentication protocol in these channels for ISO/IEC 18000-3standard. For this purpose, we implement a secure authentication protocol in ournew simulation environment to understand the effect of the wireless channel in a reallife scenario. This work may guide the protocol designers to test their protocols andobserve the performance of passive RFID systems before using them on real systems.We show that RFID protocols perform best performance in AWGN channel. Thisperformance gives us the upper bound performance because the AWGN channel isan ideal case in wireless communication environment. We added the results of Petrasimulation environment to evaluate the wireless channel effect. On the other hand, theperformance of RFID protocols in Rayleigh fading channels gives the lower bound ofthe performance. The effects of the Rayleigh fading channel are extremely severe whenit is compared to the AWGN channel. The FER curve is inversely linear proportionalwith the SNR for Rayleigh fading while it is exponentially decreasing for AWGNchannel.RFID tags can also be categorized in three groups by using energy source such aspassive, semi-passive and active (battery assisted) tags. Passive RFID tags do nothave own internal energy source. Instead, they use the radio energy transmitted bythe reader. Semi-passive and active RFID tags have their own energy source. Thedifference between them is that semi-passive tags do not talk first and they are poweredup by the reader's request. The energy source is used after the request. Active tagsmight talk to RFID reader first or answer its first request.Active RFID tags are preferred in many applications for their advantages: Visibility,security, quality and high distance communication. An active tag can transmit its dataat great range by using its internal source. However, the battery life is decreased by theactive parts of the tag. Hence, it causes a trade-off between communication distanceand power consumption. In addition to this, the increased transmission distancemight also cause interference problem because a large number of tags or multi-readermulti-tag environment within the range of a reader grounds communication difficulties.ISO/IEC 18000-7 is an active RFID standard that their tags operatea at 433 MHz.We realize that a tag consumes too much energy source to perform a satisfactorycommunication compliance with the standard in Rayleigh fading channel. In thisthesis, secondly, we aim to ameliorate an active RFID system performance from theperspective of better communication and energy efficiency. Our simulation resultsxxshow that multiple-antenna designs at tag side and tag-reader side using limitedfeedback schemes significantly decreases the frame error rates and increases the batterylifetime
Benzer Tezler
- Application of lightweight cryptography techniques in internet of things scenarios
Nesnelerin interneti senaryolarında hafif kriptografi tekniklerinin uygulanması
ÖZLEM ŞEKER
Doktora
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolDokuz Eylül ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÖKHAN DALKILIÇ
- Toplam kalite yönetimi ve hizmet sektöründe bir uygulama
Başlık çevirisi yok
ARZU ŞENIŞIK
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. RAMAZAN EVREN
- Toplam kalite yönetimi, kalite güvencesi sistemleri ve Türkiye'deki uygulamaları
Total quality management, quality assurance systems and their applications in Turkey
AHMET BEŞKESE
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. ATAÇ SOYSAL
- Performansı arttırmanın bir yolu olan NLP tekniği ve otel yöneticilerinin görüşlerine yönelik bir araştırma: İstanbul Laleli örneği
NLP tecnique one of the way of increasing performance and research according to ideas of hotel managers: Example, İstanbul Laleli
SİBEL GEDİK YÖRÜKOĞLU
- Investigation of in-plane and out-of-plane seismic behavior of aac infill walls with innovative bed-joint reinforcement configurations
Yenilikçi derz donatıları ile imal edilen gazbeton bölme duvarların düzlem içi ve düzlem dışı doğrultudaki deprem davranışının incelenmesi
ÖMER FARUK HALICI
Doktora
İngilizce
2023
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER İLKİ