Tag RFID sans puce en bande millimétrique pourapplications sécurisées

Raymundo de Amorim Jr, Nicolas Barbot, Romain Siragusa and Etienne Perret

Université Grenoble Alpes, Grenoble INP, LCIS, 26000 Valence, France{raymundo.de-amorim-junior,nicolas.barbot,romain.siragusa,etienne.perret}@lcis.grenoble-inp.fr

Résumé — Dans cet article, un tag RFID sans puce àondes millimétriques pour des applications d’authentification estprésenté. Le concept est basé sur l’idée qu’il est extrêmementdifficile de reproduire à l’identique des matériaux qui ontintrinsèquement un aspect aléatoire, en raison des variations duprocessus de fabrication. Cet article présente le paradigme del’authentification par ondes millimétriques basée sur des tags sanspuce, y compris un identifiant lisible en bandes millimétriques.À cette fin, des tags sans puce, sans plan de masse sontconçus. Cette approche établit une relation entre les paramètresgéométriques du tag et sa signature électromagnétique. Pouraugmenter le SER (Surface Équivalent Radar) du tag, une stratégiede multiplication des motifs est mise en oeuvre. La probabilitéd’erreur évaluée autour de 17% a été calculée avec l’ensembledes tags fabriqués du même fabricant en même temps. Cetteprobabilité est deux fois plus faible que celle obtenue avec uneapproche similaire mise en œuvre en bande-X (8 GHz – 12 GHz).

Keywords — Authentication technology, Chipless RFID tag,Uniqueness.

I. INTRODUCTION

L’identification automatique des marchandises est largementutilisée dans l’industrie, la logistique, la médecine et d’autresdomaines, pour l’obtention des informations sur un produiten transit et assurer la traçabilité de la chaîne de production(Finkenzeller, 2010). L’identification par code à barres estla technique la plus utilisée concernant les techniquesd’identification. Cependant, l’utilisation du code à barresprésente des inconvénients par rapport aux nouvellestechnologies sans fil, tels que l’impossibilité de multipleslectures, l’incapacité d’écrire et de stocker d’autres informationset l’incapacité de récupérer l’identifiant de l’objet à longuedistance. Afin de surmonter les limitations, les techniquesRFID sans fil peuvent apporter une solution au problème : ilest possible de lire l’information à travers des objets ; la portéede lecture est de l’ordre d’une dizaine de mètres, plusieurslectures sont possibles en même temps et une grande quantitéde données peut être stockée. La technologie RFID sanspuce est une technologie intermédiaire entre les codes àbarres et la RFID UHF (Perret, 2014). Elle combine certainescaractéristiques des codes à barres et de la RFID UHF. Aulieu de stocker l’identifiant dans un circuit électronique, commedans le cas de la RFID UHF, les informations sont directementliées à la géométrie des éléments imprimés. En ce sens destags sans puce peuvent être vus comme une cible radarconçue spécifiquement, visant à retrodiffuser une signatureélectromagnétique particulière et donc reconnaissable. Desnombreuses applications autre que dans le domaine del’identification ont été reportées, par exemple, dans (Barbot,Rance, & Perret, 2020) où un capteur d’angle insensible auxvariations de distance a été présenté. Dans (Perret, 2017),un tag sans puce est utilisé comme capteur de déplacement

submillimétrique. En ce qui concerne l’authentification, peutde travaux sont presents (Yang, Forte, & Tehranipoor, 2016 ;Ali et al., 2017, 2018). Par exemple dans (Yang et al., 2016),des résonateurs en forme d’anneaux concentriques sontutilisés. Une réponse électromagnétique (EM) unique estfournie par les variations de fabrication et la variation de laconstante diélectrique du substrat. Cependant, les auteursne donnent pas d’informations sur la probabilité d’erreur deleur approche. Dans (Ali et al., 2017), le potentiel des tagsRFID sans puce pour l’authentification est introduit. De même,dans (Ali et al., 2018), le caractère aléatoire du processusde fabrication a été exploité pour fournir une empreinte radiofréquence (RF) unique du tag sans puce. Ensuite, certainesmesures ont été effectuées dans le domaine temporel et ledomaine fréquentiel pour évaluer la probabilité d’erreur. Dansce contexte, une probabilité d’erreur d’environ 32% a étéévaluée lorsque l’ensemble des étiquettes identiques (mêmesdimensions géométriques, même fichier décrivant la géométrieà fabriquée) sont fabriquées en même temps par le mêmefabricant.

En bande-V, la dimension des résonateurs est inférieure àune dizaine de millimètres donc bien inférieur aux résonateursconçus pour la bande-X que dans les meilleurs cas présentsles dimensions d’une carte de credit (85,60 mm × 53,98 mm).Par conséquent, le fait de l’augmentation de la fréquenced’opération amène les résonateurs plus sensibles aux variationsinhérentes au processus de fabrication. En plus, on s’attendà ce que les structures soient plus sensibles au processusd’erreur physique, résultant en une meilleure différenciationentre les réponses EM du tag. Il est important de noter que lesfabrications multiples à des moments différents ont tendance àproduire un caractère aléatoire plus élevé. L’objectif principal dece travail est d’évaluer l’authentification sans puce en bande-V(57 GHz – 64 GHz) basée sur la variation de la réponseEM des tags produite par les incertitudes de fabrication. Dansla section II, le principe de l’authentification RFID sans puceest détaillé. Dans la section III, une étiquette sans puce enbande V est conçue avec l’objectif d’être très sensible auxvariations de processus avec un RCS suffisamment élevé pourêtre mesuré. Dans la section IV, la richesse de l’information etla probabilité d’erreur de notre approche sont présentées. Laprobabilité d’erreur de l’étiquette présentée est évaluée par desméthodes statistiques.

II. PRINCIPE DE L’AUTHENTIFICATION RFID SANS PUCE

La Fig. 1 illustre le principe utilisé pour le processusd’authentification d’un tag RFID sans puce. Le processus estdivisé en deux étapes : i) les mesures des tags RFID sanspuce à l’aide d’un lecteur spécifique. Les données obtenues

sont inscrites dans une base de données sécurisée et, ii) lacomparaison ultérieure (lorsque l’on souhaite déterminer si letag est authentique ou non) entre le tag à authentifier et labase de données. Dans la phase de comparaison la fonctioncosinus similarité est utilisée comme métrique pour comparerle tag à authentifier et les résultats déjà présents dans la basede données. Comme les caractéristiques électromagnétiquessont utilisées, ses caractéristiques ne peuvent pas êtrefacilement falsifiées. L’objectif est de concevoir et de mettre enœuvre des tags RFID sans puce qui possède une empreintedigitale unique et infalsifiable afin d’assurer l’authenticité del’objet associé à l’étiquette. Le principal inconvénient pour lalecture des tags fonctionnant en bande-V vient du fait dufaible signal rétrodiffusé à ces fréquences. Cependant, destechniques seront présentées pour surmonter cette contrainte.Le tag doit fournir la même signature dans les deux étapesd’authentification et une étiquette contrefaite aura une signaturedifférente de celles déjà présentes dans la base de données.

Time

Time

Tag à authentifier

Lecteur

Base de données

1

2

1

2

3

N

Tx

Rx

N

3

FIGURE 1. Procédure d’authentification pour un système RFID sanspuce.

III. CONCEPTION D’ÉTIQUETTES SANS PUCE EN BANDE-V

Les tags ont été conçus pour obtenir des signaturesEM sensibles aux variations des paramètres physiques quiproviennent naturellement dans le processus de fabrication.Ils sont donc très difficiles à dupliquer car ces variationssont aléatoires et très difficiles à reproduire (pour un cout enlien avec celui de l’objet à protéger). Ces variations serontliées par exemple à des variations non-homogènes, tellesque là sur/sous-gravure chimique des pistes métalliques quecomposent l’étiquette.

Motif conducteur W

Δ1Δ1

Am

plit

ud

e

Frequency

(Δ )1(Δ )2

W

Δ2 Δ2

W

FIGURE 2. Les variations géométriques (∆1,∆2) imposées par leprocessus de fabrication induisent des réponses EM des étiquettesdifférentes.

En gardant la même méthode et les mêmes conditionsde fabrication, le même design est utilisé pour produireN-tags (supposés) identiques. En raison des variations duprocessus de fabrication, des erreurs aléatoires indépendantesaffectent chaque structure, comme nous pouvons le voirsur la Fig 2. Ces modifications vont à leur tour affecter laréponse EM du tag. L’une des principales caractéristiques à

extraire dans l’authentification RFID sans puce en bande-Vest la possibilité de distinguer facilement la réponse EMentre différentes réalisations. Dans la Fig. 2, chaque couleurdésigne les variations aléatoires générées par le processusde fabrication. Comme chaque processus a une incertitude,différents motifs conducteurs seront générés aléatoirementdans la plage d’incertitude.

Boucle

Boucle

Boucle

Boucle

FIGURE 3. Tags sans puce en bande-V pour les applicationsd’authentification. Plusieurs résonateurs sont utilisés pour augmenterle niveau SER du tag, les dimensions sont en millimètres.

La Fig. 3 montre le résonateur du type boucle qui aété conçu. Les réponses électromagnétiques du tag ontété obtenues par simulation électromagnétique à l’aide deCST Microwave Studio. Le substrat Rogers RT5880 avectan δ = 0.005, permittivité εr = 2.33 et une épaisseur de0.127 mm a été utilisé. En bande-V, nous pouvons clairementobserver la diminution du facteur Q et du niveau moyenSER par rapport à la bande-X. Aussi, la mesure du tag seradifficile dans un environnement réel. Afin de surmonter ceproblème, une stratégie de multiplication des résonateurs estenvisagée. Le principe de base consiste à multiplier le nombredes résonateurs afin d’augmenter le niveau de la SER à unefréquence donnée, comme le montre la Fig. 4. Notez que cettemultiplication ajoutera un couplage à la structure, produisantdonc une nouvelle caractéristique connue pour être sensible àla géométrie du résonateur.

57 58 59 60 61 62 63 64

Fréquence (GHz)

-60

-50

-40

-30

SE

R (

dB

sm)

Boucle

Boucle5x4

Boucle(5x4)x4

FIGURE 4. SER simulé en fonction de la fréquence de différentsgroupes de résonateurs de boucle. Boucle1 est le résonateur, Boucle5est le groupe de 5 résonateurs de boucle et Boucle(5×4) est un tagavec 4 groupes de 5 boucles.

En raison du couplage, la multiplication des éléments n’induitpas une augmentation proportionnelle du niveau de la SER ;une phase d’optimisation a donc été réalisée. Premièrement,des structures ((Boucle5)) à cinq éléments sont implémentées,

mais le niveau de la SER reste bas comme on peut le voirsur la Fig. 4. Deuxièmement, la structure à cinq éléments estreproduite et chaque structure est placée à une position définie,créant ainsi un tag Boucle5x4 avec un niveau de SER plus élevé.Les dimensions finales de la structure sont visibles sur la Fig. 3.

IV. RÉSULTATS DE MESURE ET ÉVALUATION DE LA PROBABILITÉD’ERREUR POUR L’APPROCHE D’AUTHENTIFICATION

Un ensemble de 19 tags a été construit sur le mêmesubstrat. Il est important de noter que toutes les étiquettesproviennent du même fichier numérique, du même substratet que ces tags partagent le même masque et le mêmeprocessus de fabrication. Les mesures de la bande-V ont étéeffectuées avec un analyseur de réseau PNA Agilent N5222A(0.01 GHz – 26.5 GHz) avec des extensions Virginia (modulesVDI) pour fonctionner de 57 GHz à 64 GHz.

PNA

VDIModule

Antenna 1

Antenna 2

Mousse

Tag

VDIModule

FIGURE 5. Configuration pour les mesures en bande-V dans unenvironnement réel, une configuration bi-statique est utilisée, les deuxantennes ont une orientation de copolarisation.

55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65

Frequency (GHz)

-55

-50

-45

-40

-35

-30

-25

S21 (

dB

)

Measure 1

Measure 2

Measure 3

Measure 4

Measure 5

Measure 6

Measure 7

Measure 8

Measure 9

Measure 10

FIGURE 6. Les mesures de répétabilité du tag n◦4 Boucle(5×4)×4,chaque couleur correspond à S21 paramètre du tag mesuré dix fois.

Le module VDI est un multiplicateur de fréquence combinéà un mélangeur avec une sortie de guide d’ondes WR15. Laconfiguration de la mesure est donnée sur la Fig. 5. Le tag estpositionné à l’intérieur d’un mince morceau de mousse. Pourchaque mesure, le tag est retiré et placé à la même positionpour garantir la répétabilité de la mesure, donnée indispensablepour calculer une probabilité d’erreur. Les tags ont été placés à

17 cm des antennes ; une configuration bi-statique est utiliséepour les mesures.

Les mesures de répétabilité sont le premier test pourl’évaluation des tags. Les paramètres S21 sont montrés surla Fig. 6 pour un tag Loop(5×4)×4 mesuré dix fois. Onobserve une très bonne reproductivité de la mesure oùles courbes se superposent parfaitement. Toutefois, commeprésenté sur la Fig. 7, les différents tags ont bien uneréponse électromagnétique différentes, mise en évidence parun décalage de fréquence.

55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65

Frequency (GHz)

-55

-50

-45

-40

-35

-30

-25

S21 (

dB

)

Tag 1 Tag 2 Tag 3 Tag 4

Tag 5 Tag 6 Tag 7 Tag 8

Tag 9 Tag 10 Tag 11 Tag 12

Tag 13 Tag 14 Tag 15 Tag 16

Tag 17 Tag 18 Tag 19

FIGURE 7. Réponses EM des 19 tags réalisées avec le même masque.

coefficientsintra-tagFrequency

SdB

21

Frequency

SdB

21

123

Frequency

SdB

21

Frequency

SdB

21

123

10

Frequency

Sd

B21

123

10

Frequency

Sd

B21

Frequency

Sd

B21

123

Frequency

Sd

B21

123

10

Frequency

Sd

B21

Frequency

Sd

B21

123

101

2

19

(a)

coefficientsinter-tag

Frequency

Sd

B2

1

Frequency

Sd

B2

1

123

Frequency

Sd

B2

1

Frequency

Sd

B2

1

123

10

Frequency

Sd

B2

1

123

10

Frequency

Sd

B2

1

Frequency

Sd

B2

1

123

Frequency

Sd

B2

1

123

10

Frequency

Sd

B2

1

Frequency

Sd

B2

1

123

101

2

19

(b)FIGURE 8. (a) Représentation intra-tag où (M = 19 · C10

2 = 855) ; (b)coefficients inter-tags (K = 10 · 10 · C19

2 = 17100).

Pour estimer la probabilité d’erreur, deux classes sontdéfinies, les intra-tags sont calculés par la comparaison parmiles mesures répétitives de même tag. De la même manière, lescoefficients inter-tags sont obtenus en comparant des mesuresparmi les différents tags.

Les coefficients de similitude intra-tag et inter-tag sontmontrés respectivement sur les Fig. 9 et Fig. 10. Les résultatsdes deux probabilités sont évalués en utilisant la cosinussimilarité. Les coefficients donnent des résultats proches de1, autrement dit une forte similitude entre les mesures estobservée. La valeur minimale est d’environ 0,97, ce qui indiqueun bon accord lors de l’évaluation du même tag mesuré. Enanalysant les coefficients inter-tag, on peut observer que lescoefficients sont dispersés et que la majorité des valeurs sontinférieures à 0,97, ce qui indique une bonne différenciation entredifférents tags.

Prenant les coefficients de distribution intra-tag et inter-tag,les fonctions de densité cumulative (FDC) de chaque distribution

Sim

ilitudes

FIGURE 9. Ensemble de probabilités en tenant compte du casintra-tags. Chaque point correspond au coefficient de similarité effectuépar la métrique de cosine similarité.

Sim

ilitudes

12 13 23 14 24 34 15 25 35 45 16 26 36 46 56 17 27

Inter-tag

0.82

0.84

0.86

0.88

0.9

0.92

0.94

0.96

0.98

1

FIGURE 10. Ensemble de probabilités obtenue lors de l’examen du casinter-tags. Chaque point correspond au coefficient de similarité extraitpar la cosine similarité.

sont calculées, puis la probabilité de faux positif (PFP) etla probabilité de faux négatif (PFN) sont déterminées etprésentées Fig. 11. La probabilité d’erreur est choisie pourminimiser le nombre de faux positifs et de faux négatifs, ce quise produit exactement au point d’intersection des FDC.

Sur la Fig. 11, la probabilité d’erreur obtenue estd’environ 17%, ce qui est relativement élevé par rapport auxméthodes d’authentification traditionnelles. Cependant, lorsquedes approches similaires utilisant des réponses EM sontcomparées, comme dans (Ali et al., 2017), une réductionsignificative de la probabilité d’erreur est observée, ce quimontre l’intérêt d’utiliser des fréquences plus importantescomme dans cette étude. Le tag proposé est résistant à lacontrefaçon, puisque les adversaires ne peuvent reproduire lesvariations aléatoires au même moment d’authentification ni àpartir d’un autre procédé de fabrication. De plus, le pire descas a été évalué ici, car il n’a été considéré qu’une seuleréalisation et les tags ont été fabriqués au même moment.Comme mentionné précédemment, on sait que la comparaisonentre les inter-réalisations (étiquettes fabriquées à des momentsdifférents) va réduire considérablement le PE.

V. CONCLUSIONS

Le principe des tags RFID sans puce à ondes millimétriquespour les applications d’authentification a été évalué. Cette étudeprospective montre que la richesse des informations contenuesdans leur signature EM est potentiellement utilisable pour lesapplications d’authentification. Pour augmenter le niveau deSER, un groupe de cinq résonateurs a été utilisé pour construire

Sueil

Pro

ba

bili

té d

’err

eu

r

FIGURE 11. Probabilités de faux négatif (PFN) et de faux positif (PFP)pour les FDC intra-tag et inter-tag.

une cellule, après quoi la cellule a été répétée. Un ensembledes tags RFID sans puce a été développé dans la bande-V.Ces tags consistent à rétrodiffusé une réponse EM uniqueexploitant leur caractère aléatoire intrinsèque au procédé defabrication. Le niveau SER rétrodiffusé est satisfaisant pour lesmesures de lecture en environnement réel. De plus, les tags ontété développés en partageant le même substrat et les mêmesconditions de fabrication et une probabilité d’erreur d’environ17% a été estimée. Les travaux futurs visent à mettre en œuvreune solution à faible coût, utilisant des techniques biosourcéeset recyclables issues de l’industrie papetière.

ACKNOWLEDGMENT

Ce travail a été financé par l’ANR dans le cadre du projetAUSTREALE. Les auteurs voudraient également remercierl’UGA pour son soutien.

RÉFÉRENCES

Ali, Z., Barbot, N., Siragusa, R., Hely, D., Bernier, M., Garet, F.,& Perret, E. (2018). Chipless RFID Tag Discrimination and thePerformance of Resemblance Metrics to be used for it. In 2018ieee/mtt-s international microwave symposium - ims (p. 363-366).Ali, Z., Bonnefoy, F., Siragusa, R., Barbot, N., Hely, D., Perret, E.,. . . Garet, F. (2017). Potential of chipless authentication basedon randomness inherent in fabrication process for RF and THz. In11th european conference on antennas and propagation (eucap)(p. 2559-2563).Ali, Z., Bonnefoy, F., Siragusa, R., Barbot, N., Hély, D., Perret, E.,. . . Garet, F. (2017). Potential of chipless authentication based onrandomness inherent in fabrication process for RF and THz (Thèsede doctorat, Paris, France). doi: 10.23919/EuCAP.2017.7928647Barbot, N., Rance, O., & Perret, E. (2020). Angle Sensor Based onChipless RFID Tag. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,19(2), 233-237.Finkenzeller, K. (2010). RFID Handbook : Fundamentalsand Applications in Contactless Smart Cards, Radio FrequencyIdentification and Near-Field Communication, 3rd Edition | Wiley.(Library Catalog : www.wiley.com)Perret, E. (2014). Radio Frequency Identification and Sensors : FromRFID to Chipless RFID. John Wiley & Sons.Perret, E. (2017). Displacement Sensor Based on RadarCross-Polarization Measurements. IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques, 65(3), 955-966.Yang, K., Forte, D., & Tehranipoor, M. M. (2016). UCR : An unclonablechipless RFID tag. In 2016 ieee international symposium on hardwareoriented security and trust (host) (p. 7-12).