CN102047707A - 识别发射设备的方法 - Google Patents

Abstract

一种识别发射设备的示例性方法，包括接收信号。对信号的至少一个部分进行离散傅立叶变换可产生表明发射设备的至少一个独有特征的多个频率。根据多个频率确定发射设备是否是已知设备。

Description

识别发射设备的方法

技术领域

本发明通常涉及通信技术。更具体地，本发明涉及识别发射设备。

背景技术

有多种不同的通信系统在使用。近年来，无线通信已经经历了扩张性的增长。例如，蜂窝电话通信系统包括多个基站收发信机(BST)，其被统筹设置以提供对地理区域的无线通信覆盖。已知的识别技术考虑基站与该基站的通信范围内的移动站(例如蜂窝电话)之间的有效通信。

最近，更小的覆盖区域蜂窝将在由基站服务的宏蜂窝的同一个地理区域内使用变得更有可能。这种微微蜂窝或毫微微蜂窝例如在将无线通信覆盖扩展到家庭、商业建筑物和公共场所方面提供优势。另外，这种更小的蜂窝在某些情况下实际上可增强宏蜂窝的服务。例如，这种更小的蜂窝的更小的覆盖区域可考虑到对终端用户的更高的数据速率，可以提高电池寿命和降低另外驻留在宏蜂窝中的终端用户的负载。

随着这种更小的蜂窝的扩散，出现了其它的挑战。例如，每当移动站在驻留在宏蜂窝中和驻留在毫微微蜂窝中之间移动时，需要位置区域更新。在成功的位置更新之前，移动站需要被毫微微基站认证。使用传统技术在网络中引入了额外的认证流量。在某些情况下，宏蜂窝内的大量移动站可在短时间内检测大量的毫微微基站。每一次这样的检测都会引入额外的信令流量。在某些情况下，额外的信令流量可被称为“信令风暴”，它给系统带来很大负担。

另外，许多毫微微蜂窝将被专门配置，并仅允许特定的移动站获得接入。因此，许多位置更新信令流量将被浪费，因为移动站在任何情况下都不允许接入毫微微蜂窝。

另一个与使用已知识别技术相关联的挑战包括使每个终端用户设备的永久标识符(即国际移动用户识别(IMSI)码)比其它方式更频繁地交换。当IMSI的交换以纯文本发生时，网络的安全性和私密性将被影响。

每个毫微微蜂窝在确定是否授权接入毫微微蜂窝之前，必须识别移动站。因此，移动站的某些识别是必需的。通过获取移动站的IMSI来试图进行识别有几个缺点。例如，移动站通常使用临时移动用户识别码(TMSI)。移动站发送TMSI以执行位置区域更新。如果毫微微基站已经知道与所接收的TMSI对应的IMSI，则毫微微基站可以识别该移动站。如果不知道，则毫微微基站必须联系核心网络中的节点以解析从TMSI到IMSI的映射。这导致在提供该映射的网络设备上的信令负荷极大地增加。此外，TMSI由网络周期性地改变以保护私密性，以致在毫微微基站上先前存储的映射不可靠，因为该映射随着时间而变得无效。

在另一个可能的技术中，毫微微基站欺骗移动交换中心的到移动站的身份请求消息以获得IMSI。直接接收IMSI允许毫微微基站可以准确地识别移动站。然而，在这种情况下，IMSI在空中以纯文本发送，并考虑它以不想要或不期望的方式被检测。

如果没有用于识别移动站的技术，则同信道毫微微蜂窝的部署可导致重大的信令风暴，并降低无线通信网络的私密和安全机制。期望能够在毫微微基站处识别移动站，而没有这些缺陷。

在题为“Device Identification Via Analog Signal Fingerprinting：A Matched Filter Approach(通过模拟信号指纹识别的设备识别：匹配过滤方法)”的文件中推荐另一种识别方法。作者指出由硬件和设备之间的制造矛盾导致的模拟信号的变化考虑到对设备进行认证。该文件公开了一种匹配过滤方法。该文章的作者并未考虑在任何无线通信的上下文中的技术。

发明内容

一种识别发射设备的示例性方法包括接收信号。对信号的至少一个部分进行离散傅立叶变换可产生表明发射设备的至少一个独有特征的多个频率。根据多个频率确定发射设备是否是已知设备。

该示例性方法利用与其它设备相比每个发射设备在所发射的信号中引入变化的独特方式。利用对信号的至少一个部分进行傅立叶变换可允许分析该信号的该部分，以根据信号的该部分检测变得明显的发射设备的独有特征。这允许以特有的方式识别发射设备。

通过以下的详细说明，本发明的各个特征和优点将对本领域的普通技术人员变得明显。下面简要描述伴随详细说明的附图。

附图说明

图1示意性地表示示例性通信系统的所选择的部分。

图2是概括一个示例性方法的流程图。

具体实施方式

图1示意性地示出无线通信系统20的所选择的部分。在该例子中，诸如毫微微基站的覆盖基站设备22在宏蜂窝覆盖区域内提供相对小的通信覆盖区域，其中宏蜂窝覆盖区域由底层基站收发器提供，并在24处部分且示意性地示出。在基站设备22(例如微微基站或毫微微基站)的覆盖区域与宏蜂窝覆盖区域24之间至少有重叠。在这两个覆盖区域之间还有某个同信道使用。

在图1的例子中，移动站26足够靠近基站设备22以成为在基站设备22的对应蜂窝上驻留的候选者。移动站26向基站22提供具有对于移动站26唯一的特定签名或无线频率特征的信号28。来自移动站26的信号的独有签名或特征是基于移动站26内硬件的独有方面。当信号在移动站26中通过发射路径被处理时，对于移动站26唯一的信号签名被引入。

例如，移动站26内的本地振荡器具有相关联的稳定性。RF信号的中心频率的精确度取决于该本地振荡器的稳定性。另外，振荡器的噪音等级确定所发射的无线频率信号的噪音等级。

典型移动站内的另一个组件包括放大器，它的线性度取决于特定的实现。诸如邻近信道功率或误差矢量大小的信号质量测量是取决于放大器的实现。

移动站内可能影响无线频率签名的另一个组件是过滤器。过滤器因制造商的不同而不同，并可随产品批次的不同而不同。

影响信号签名的另一个特征是主板制造质量，它在无线频率等级上影响两个相同规格的主板之间的相似性。主板上的组件布置、组件公差、焊接材料一致性和温度变化都可影响最终产品的无线频率性能。这些变化可在生产设备处不时发生。

发射设备的上述特征或组件的任何一个提供独有的无线频率签名，它在本发明的公开示例性实施例中使用，以基于该签名唯一地识别发射设备。

图1的例子包括另一个移动站30，它发射由基站设备22接收的信号32。正如在图1中示意性地示出的，信号32的无线频率签名不同于在28处示出的信号的签名。

基站设备22包括无线频率指纹识别模块34，它获取有关每个设备26和30所发射的信号的独有特征的信息。签名比较器模块36将所确定的签名与数据库38中的信息进行比较，以试图将移动站识别为被允许接入对应蜂窝的设备。设备阻止器模块40方便与移动站的通信以指明移动站是被授权通过基站22通信还是被阻止进行这种接入。如果被阻止，则移动站继续通过宏蜂窝24的基站收发信机进行通信。

图2包括示意性地表示示例性方法的流程图50。在52处，信号在基站设备22处接收。信号具有用于确定信号签名的至少一个部分。如果签名是已知设备的签名，则发射设备可被识别。为了说明的目的，具有已知内容的信号的一部分被用于识别。在一个例子中，信号的一部分包括随机接入信道(RACH)前导。一个例子包括指示基站设备22的范围内的所有发射设备(例如，宏蜂窝24内的所有发射设备)发射完全相同的RACH前导序列。因此，所接收的信号的那个部分包括已知内容。保持在移动站之间相同的发射序列简化了识别在来自不同移动站的信号之间的特征差异的任务。某些示例性实现并不要求信号的一部分具有已知内容。所接收的信号的任何一个部分可用于基于信号签名来识别发射设备。

在一个UMTS实现的例子中，用于RACH前导的扰码和签名被限制于单个组合。提供宏蜂窝覆盖24的基站所发射的广播信道包含将扰码和签名限制于该特定组合的信息。在对应的地理区域内的移动站中接收广播消息将响应地将RACH前导配置为所选择的内容。在一个例子中，系统信息块5(SIB 5)用于限制RACH扰码和签名的数量，其中移动站可从这些RACH扰码和签名中进行选择以建立RACH前导。这导致信号的那个部分的已知内容。在该例子中，RACH前导用于签名分析和发射器识别。

在54处，所接收的信号被处理以为特征提取做准备。在一个例子中，该处理包括对所接收的信号进行数字化和下采样。在过滤之后，时间信号的幅度被归一化，在移动站接收路径和基站22接收路径之间的任何频率偏移被修正。一旦进行了这样的步骤，就使用已知技术开始特征提取以识别发射设备。

在图2的例子中，在56，对具有已知内容的信号的所选择的部分(例如RACH前导)使用离散傅立叶变换(DFT)，以获得表明发射设备的至少一个独有特征的多个频率。在该例子中，离散傅立叶变换对RACH前导实施以产生在有限数量的离散频率处具有频率值的傅立叶频谱。离散傅立叶变换技术是已知的。

一个例子包括以大于两倍最高频率分量采样信号。这个例子包括向下转换所接收的无线频率信号以及以每秒12.5个样本的采样速率获取它。这导致离散傅立叶变换分量涵盖了从0到6.25MHz的频谱。

信号的有限采样导致不连续的平顶波形。平顶波形具有不同于原始连续时间信号的频谱特征。应用平滑窗口以通过最小化平顶波形的跃迁边缘来改善采样信号的频谱特征。一个例子包括将来自每个RACH前导的样本数据分割成窗口重叠的时间帧。这允许使用快速傅立叶变换算法来提取用于变换的有限序列。

由于随机波形的傅立叶转换提供随机结果，因此，在一个例子中，频谱平均化用于除去随机噪音和瞬时事件的影响，以创建信号的底层频率内容的更清晰图片。在一个例子中，所接收的信号的每个RACH前导部分的时域样本被分成重叠窗口的样本段。这些段是转换后的频率，对所生成的频率的幅度求平均以除去不想要的噪音的影响，并减小随机变化。然后，每个RACH前导的平均功率频谱可用作签名比较器模块36的输入。

一旦获取，在58处，表明发射设备的独有信号签名或特征的数据被用于确定发射设备是否是已知的。换句话说，通过对信号的RACH前导部分使用离散傅立叶变换而获取的频率被用于确定发射设备的无线频率指纹或签名，以确定该设备是否是用于与基站设备22进行通信的已知或被授权的设备。

在一个例子中，确定发射设备是否已知包括确定发射设备是否属于一组已知种类中的一个。在这样的例子中，数据库38包括表明所接收信号的什么特征符合发射设备的特定种类的信息。当所接收的信号特征完全与特定种类的一个或多个对应时，根据设备所属的种类，确定该设备是否是已知或可接受的设备。

一个例子包括使用最近邻分类算法以确定信号从哪个设备获得。最近邻算法包括训练样本，这些样本被映射到基于种类标签而划分成区域的多维特征空间。使用欧氏距离量度，发射所接收的信号的设备的种类被预测为最接近的训练样本的种类。一旦对于训练集合中的每个样本提取特征，则计算平均值和标准差以用于归一化。训练集合中的每个特征维度被分别测量和移动以具有零平均值和单位变量。然后，在试图识别设备的过程期间，相同的归一化参数被应用于来自从发射设备接收的每个信号的一组信息。

一个例子包括利用投票算法以提供更健壮的分类技术。在这样的例子中，移动站是否被识别的决定是基于移动站所发送的RACH前导的数量。设备阻止器模块40获取每个RACH前导的分类器(即信号比较器模块36)的输出。具有最多投票的种类被认为是该设备所属的种类。这种方法允许补偿基站设备22所接收的伴有噪音或受损的RACH前导数据。

能够将移动站识别为数据库38内已知种类的成员考虑到避免基站设备22与网络的另一个部分之间的额外信令。如果签名比较器模块36不能够以高的信任等级对特定的移动站RACH前导进行分类，则可能向移动站请求更多的RACH前导信号。在一个例子中，这通过在基站设备22处不响应RACH前导而发生。在这种情况下，移动站将重发若干次包括RACH前导的信号，通常沿着路径增加发射功率。这向基站设备22提供更多RACH前导信息，这可通过降低或最小化与已经接收的一个或多个RACH前导相关联的噪音的影响来方便识别移动站。

一旦签名比较器模块36能够成功地识别移动站，那么肯定的确认消息(AICH)被发送到移动站。当移动站没有被识别为已知或授权设备时，否定的确认可从设备阻止器模块40发送到对应的移动站。这种否定的确认表明该设备已被拒绝并将不被允许驻留到基站设备22的蜂窝。

在某些情况下，基于上述的RF签名或指纹识别技术，具有足够高信任度的发射设备的肯定识别或分类将是不可能的。在这种情况下，某些例子包括考虑移动站的TMSI或IMSI，用于试图允许它与基站设备22进行通信。一个例子包括欺骗到移动站22的MSC或SGSN身份请求。另一个例子包括在基站22处从移动站获取TMSI，然后向核心网络发送信号以获取移动站的TMSI与IMSI之间的映射信息。

一旦移动站被肯定地接受，本地区域代码更新处理随着基站设备22通知核心网络而开始。移动站通过向核心网络发送信号来解析TMSI-IMSI映射。一旦以全信任度证实为属于一组被授权的发送设备，那么移动站被基站设备22接受，并且核心网络得到通知。如果在查询核心网络后移动站被确定为不属于授权的组，则移动站将被拒绝。

上述例子允许微微或毫微微基站快速地检测终端用户发射设备，而无需与宏蜂窝基础架构的其它设备进行过多的交互。基于发射设备所发送的信号的独有特征，每个微微或毫微微基站能够接受或拒绝该发射设备。

所公开的例子的一个特征在于它们对物理层信号操作，以致它不影响更高层协议。对于在宏蜂窝中使用的标准不需要修改。另外，所公开的例子不需要任何移动站本身的改变。示例性技术的有效部署显著地降低了底层网络的宏蜂窝覆盖区域内重叠蜂窝的扩散所引入的信令流量方面的潜在增长。

以上说明是示例性的，而并非限制。对所公开的例子的变形或修改对于本领域的普通技术人员来说变得显而易见，并且这些变形或修改并不脱离本发明的实质。本发明的保护范围仅通过研究后附的权利要求来确定。

Claims (10)

1.一种识别发射设备的方法，包括以下步骤：

接收信号；

对所述信号的至少一个部分使用离散傅立叶变换以产生表明发射设备的至少一个独有特征的多个频率；以及

基于所述多个频率确定所述发射设备是否是已知设备。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述发射设备是移动站，所接收的信号是无线通信信号。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述信号的所述至少一个部分包括随机接入信道前导。

4.如权利要求3所述的方法，包括：指示基站附近内的所有移动站发射相同的随机接入信道前导序列，以致所述至少一个部分具有已知内容。

5.如权利要求1所述的方法，包括：

确定所述多个频率是否表明所述发射设备在至少一个预定类别内；以及

如果所述发射设备在所述至少一个类别内，则确定所述发射设备是已知设备。

6.如权利要求1所述的方法，包括：

存储与已知设备对应的至少一组频率；以及

将所产生的多个频率与所存储的至少一组频率进行比较；以及

如果在所产生的多个频率与所存储的一组频率之间有至少一个所选择级别的对应，则确定所述发射设备是已知设备。

7.如权利要求1所述的方法，包括：

将所产生的多个频率划分成多个重叠窗口的样本段；

对每个段进行频率转换以提供对应的多个合成频率；

确定所述合成频率的幅度的平均值作为所接收的信号的功率频谱指示；以及

使用所述功率频谱指示以确定所述发射设备是否是已知设备。

8.如权利要求1所述的方法，包括：

通过确定与多个预定类别的每一个对应的具有从所述发射设备接收的所述至少一个部分的一定数量的信号以及确定所述设备属于具有最大数量的信号的类别来确定所述发射设备是否是已知设备。

9.一种基站设备，包括：

接收器，用于接收信号；

指纹识别模块，其对所述信号的至少一个部分使用离散傅立叶变换以提供表明发射设备的至少一个独有特征的多个频率；以及

签名比较器模块，其确定所述多个频率是否表明已知的发射设备。

10.如权利要求9所述的设备，包括：表明已知设备的数据库；其中，所述签名比较器模块确定所述多个频率是否对应于所述数据库中的信息。

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