Tag RFID sans puce en bande millimétrique pour applications sécurisées

Millimeter-wave chipless RFID tags for secure applications

• Auteur / Autrice : Raymundo De Amorim Junior
• Direction : Étienne Perret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et Radiofréquences
• Date : Soutenance le 05/04/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de conception et d'intégration des systèmes (Valence ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Claire Migliaccio
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Beroulle, Thomas Fromenteze, Frédéric Garet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Filippo Costa, David Girbau Sala

Mots clés

Mots clés contrôlés

Authentification

Radiofréquences

Systèmes d'identification par radiofréquence

Ondes millimétriques

Mots clés libres

Ondes millimétriques

Authentification

Imagerie

Millimeter waves

Authentication

Imaging

Résumé

Les systèmes d'authentification pratiques visent optimiser le rapport entre la fiabilité et l’implémentation face à la complexité du système. Dans ce contexte, de nouvelles technologies d'authentification considérant les solutions basées sur l’identification de radiofréquence sans puce sont proposées et évaluées. L'authentification par technologie RFID sans puce fournit une méthode non-invasive basée sur la distinction de signature électromagnétique et, en plus, il ne nécessite pas d’un alignement pour extraire l’information de l’objet et ces solutions seront très bas coûts, car issues des techniques de l’industrie papetière, biosourcées et recyclables, ces deux derniers critères limitant l’empreinte environnementale. Les tags RFID sans puce ont le potentiel de produire une signature électromagnétique unique et quasi-infalsifiable assurant et améliorant le niveau d’authenticité. Par conséquent, la demande pour des nouvelles applications comportant le faible coût, imprimes directement sur des matériaux flexibles et fiables nécessitent des nouvelles solutions basées sur l'apprentissage automatique, l'amélioration de la robustesse de lecture et des systèmes d'imagerie. Dans ce travail, différents systèmes d'authentification sont proposés en considérant des tags RFID sans puce. Le concept repose sur l’idée qu’il est extrêmement difficile de reproduire à l’identique des matériaux qui comportent un côté aléatoire, il s’agira donc de transcrire ce côté aléatoire du tag sur sa signature réponse électromagnétique. Plus précisément, nous proposons de concevoir, fabriquer, caractériser et analyser la richesse en information de plusieurs structures utilisant une analyse sur les paramètres électromagnétiques que portent une caractéristique unique et incopiables. D’ailleurs, la possibilité d'authentifier des objets avec des tags sans puce, en utilisant une méthode non intrusive basée sur l'exploitation de la signature électromagnétique à ondes millimétriques est évalué. Parmi les objectifs, évaluer la «richesse» de l’information de cette empreinte est donc un point essentiel pour les applications entrevues. La richesse des informations contenues dans les signatures des tags sera évaluée analytiquement en termes de sa probabilité d’erreur. Plus précisément, chaque signature contient des informations relatives au tag et l’environnement dont le tag est présent, ces informations représentent un facteur unique que seront utilisées pour la méthode d’authentification, ainsi en augmentant à la confidentialité et robustesse de la technique. Des résonateurs canoniques en band X sont évalués puis convertis pour l’opération en bande V. En plus, les limitations pour l’opération en bande V sont analysées.D’abord, le niveau d'authentification est évalué par le maximum de vraisemblance classique. Ensuite, une nouvelle méthode considérant l'ajout de différentes informations relatifs au signal rétrodiffuse du tag est proposée et, par conséquent, évaluée par une méthode d'apprentissage automatique que vise minimiser le numéro de faux positifs et fausses négatives. Une amélioration significative est notée malgré la fabrication des tags dans le même tour d’impression. Tags sans puce d'ordre superior sont proposés pour assouplir les contraintes dans la fabrication des tags en bande V. Enfin, un système basé sur l'imagerie est proposé visant la localisation géométrique des résonateurs en fonction de leur fréquence de résonance. L'analyse comparative des différentes applications permettra à la définition de la précision de chaque approche. De plus, la détermination des principales caractéristiques en termes de variation du signal conduira ultérieurement à la définition d'un cadre adapté aux données mesurées permettant de fournir un haut niveau d'authentification en combinant les avantages de chaque solution.

Practical authentication systems attempt to optimize the trade-off between reliability and ease of implementation against the system's complexity. In this context, new authentication propositions considering chipless Radio Frequency IDentification (RFID) solutions are proposed and implemented. Chipless RFID technology authentication provides a non-invasive method based on electromagnetic signature distinction, which does not need a line of sight and is fully printable in bio-sourced materials by low-cost methods. Furthermore, Chipless RFID tags can provide a unique and unfalsifiable electromagnetic signature enhancing and assuring their identification. Therefore, the contrast between low-cost applications maintaining flexible and trustworthy solutions paves the way for new solutions based on machine learning, radar channel improvement, and imaging systems. Different authentication systems are proposed considering chipless tags, and the tag's aspect-independent parameters are evaluated to highlight the electromagnetic signal uniqueness.Then will be shown that it is possible to authenticate items with RFID chipless tags, utilizing a non-intrusive method based on the exploitation of the electromagnetic signature at millimeter-wave (mmWave). The goal is to get a distinctiveness signature containing information that will be used for authentication. A system based on the natural randomness introduced by manufacturing methods considering various applications and passive mmWave imaging techniques will be developed and applied to chipless RFID tags for authentication applications. The richness of the information contained in the measured signatures will then be evaluated. Specifically, each signature contains information related to the tag, its environment, noise and the measurement testbench, which also contribute to the keys for the confidential technique.Chipless tags based on canonical scatterers are evaluated, thus translated to V-band. First, the trade-offs that arise in V-band operation are analyzed. Then, the authentication level is assessed by the conventional maximum likelihood. After, a new method considering the addition of different information of tag signal is proposed and, hence, evaluated by a machine learning (ML) proposition. A significant enhancement is noted despite the tag being fabricated in the same time-lapse.High-order chipless tags seek to relax the fabrication constraints in V-band tag fabrication. The tags with the ground plane are promissory considering this proposition. Finally, an imaging-based system is proposed to locate the positions of the scatterers in the function of their frequency. That method can be combined with the previous methods.The comparative analysis concerning different applications will lead to the definition of each approach's accuracy. Furthermore, determining the main characteristics in terms of signal variation will subsequently lead to the definition of a framework adapted to the measured data allowing to provide an authentication high authentication level combining the advantages of each solution.