基于ECC的RFID标签芯片数字基带控制器的研究与实现

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RFID是一项允许数据通过无线信道进行传播和实现身份识别的认证技术。这项技术已广泛应用于物联网(IOT)、交通卡、门禁卡以及小额支付领域。然而,由于目前尚未形成公认的RFID安全认证标准,以及对RFID系统的数据安全性和隐私性的担忧,阻碍了RFID的发展。针对RFID在有限资源条件下的安全要求,椭圆曲线加密算法(ECC)因其具有高安全、低密钥长度的特点,成为解决RFID系统中数据安全问题的方法之一。  首先,本文从数学的角度深入分析椭圆曲线上数据的运算特点,并详细分析Montgomery梯形算法的电路结构和优化方法。基于Schnorr认证方案和ISO/IEC14443协议,本文还给出一种较为简单的身份认证方案和指令实现流程。  其次,为保证数据通信时的安全性要求,本文提出一种基于线性反馈移位寄存器(LFSR)的流密钥计算方法和数据加密方案。此外,本文采用了时钟选择器、寄存器复用、门控时钟、异步计数器等策略,以满足RFID系统的低功耗、低面积与高效计算之间的平衡,使得此基于ECC的RFID数字基带控制器能应用于实际场合。  最后,本文对整个设计的结果进行仿真,FPGA验证和版图实现。本文给出了二进制域GF(2163)上的椭圆曲线标量点乘运算的仿真结果,并对Schnorr认证和加密通信过程进行仿真和分析。经仿真分析,一次典型的Schnorr认证和标量点乘的完成时间分别为40ms和12.5ms,满足RFID系统的实时性要求。在HJTC0.25μm2P5M EEPROM工艺下,数字基带控制器综合后面积为0.58mm2,功耗为77.9μW。考虑到在ISO/IEC14443协议规定的场强范围内,模拟前端能提供大约1mA的带负载能力,因此该RFID标签芯片数字基带控制器满足实际应用的功耗和面积要求。
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