CN102693411A - 基于射频指纹的无线发射机的识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种基于射频指纹的无线发射机的识别方法，包括：接收无线发射机发射的无线信号，无线信号是无线发射机在功率渐升的同时发射的前导序列；检测无线信号的参考时刻；根据检测到的参考时刻对无线信号进行前导信号的截取；把截取后的前导信号变换为射频指纹；对变换后的射频指纹进行特征提取，进行无线发射机的识别。本发明的基于射频指纹的无线发射机的识别方法利用功率斜升期间发送的前导信号变换得到的ramp-up RFF(Radio Frequency Fingerprints，简称RFF)，具有RFF可分性优并且所需采样率低的优势，ramp-up RFF可用于基于前导的无线设备的多RFF识别，从而实现无线网络物理层安全增强等目的。

Description

基于射频指纹的无线发射机的识别方法

技术领域

本发明涉及无线通信设备领域，尤其涉及一种基于射频指纹的无线发射机的识别方法。

背景技术

随着安全威胁的逐步增多，无线网络的物理层安全方法正得到越来越多的关注。根据射频指纹(RF fingerprints，简称RFF)识别无线设备从而实现其接入控制已被提出用来增强无线网络的物理层安全。RFF可概括为携带了无线电发射机硬件信息的接收无线电信号的变换，并且这种变换具备可比性。由开机瞬态信号变换而来的turn-on RFF是经典的RFF，包括包络turn-on RFF与相位turn-on RFF等。

图1a-图1e揭示了五个Wi-Fi 802.11b/g无线网卡的包络turn-on RFF样本对齐图，其中图1a-图1e中的每一个图分别对应一个无线网卡，每个图中样本数为50。图1a揭示了卡1(card-1)的包络turn-on RFF及其后的barker码包络，由图1a可知，该型号无线网卡首先以阶跃方式到达额定功率，然后进行Barker码发送；如图1a所示，截取其头部包含瞬态信号的1usec长包络作为该无线网卡的包络turn-on RFF(以下简称为turn-onRFF)。图1中图1b、1c、1d及1e分别为同一厂家相同型号的另外4个无线网卡的50个turn-on RFF样本的对齐图。由图1a-1e可知，该五个无线网卡的turn-on RFF差异很小。此外，在I.O.Kennedy、P.Scanlon和M.M.Buddhikot共同发表的题为“Passive Steady State RF Fingerprinting：A Cognitive Technique for Scalable Deployment of Co-Channel FemtoCell Underlays”(发表于Proc.IEEE New Fron.in Dyn.Spec.AccessNetworks(DySPAN′08)，2008，PP.1-12)的论文中指出：tu rn-on RFF所需采样率极高，因而其实用价值有限。最近，出现了把前导稳态信号功率谱、频偏及调制域参数等作为RFF用来识别无线电设备的探索研究。有关RFF的研究历史表明，根据RFF识别无线电发射机是一个极其困难的问题。

发明内容

本发明旨在提出一种利用功率斜升期间发送的前导信号进行变换的射频指纹识别技术。

根据本发明，提出一种基于射频指纹的无线发射机的识别方法，包括：

接收无线发射机发射的无线信号，无线信号是无线发射机在功率渐升的同时发射的前导序列信号；

检测无线信号的参考时刻；

根据检测到的参考时刻对无线信号进行前导信号的截取；

把截取后的前导信号变换为射频指纹；

对变换后的射频指纹进行特征提取，进行无线发射机的识别。

在一个实施例中，检测无线信号的参考时刻包括：根据对应的IEEE标准设计相关模板b(t)，b(t)与前导基本周期的包络幅度函数e_peri(t)的形状相似；计算接收的无线信号的前导包络e(t)；计算前导包络e(t)与相关模板b(t)的相关c(t)；根据c(t)性质确定接收无线信号的参考时刻，根据参考时刻对无线信号进行截取和对齐。

在一个实施例中，无线信号是Wi-Fi802.11b/g信号，该Wi-Fi802.11b/g信号的前导包络e(t)为：

其中，p(t)是功率渐升导致的包络幅度函数，0＜t＜N_ramp ×T_p；N_ramp是功率渐升阶段的基本周期个数；T_p是基本周期；e_peri(t)是前导基本周期的包络幅度函数；N是前导基本周期总数。

在一个实施例中，计算前导包络e(t)与相关模板b(t)的相关

其中，当t＝N_ramp×T_p时c(t)值是N_ramp×T_p≤t＜(N_ramp+1)×T_p内c(t)的局部最大值；当t≥N_ramp×T_p时c(t)具有周期为T_p的局部最大值。

在一个实施例中，根据c(t)性质确定接收无线信号的参考时刻包括：搜索c(t)的局部最大值，找到第一个局部最大值的时刻t＝N_ramp×T_p，并且第二个局部最大值时刻与t＝N_ramp×T_p之间间隔时间为基本周期T_p长，t＝N_ramp×T_p作为接收Wi-Fi802.11b/g信号的参考时刻，根据检测到的参考时刻对接收Wi-Fi802.11b/g信号进行截取，然后把截取后的Wi-Fi802.11b/g信号变换为射频指纹。

本发明的基于射频指纹的无线发射机的识别方法利用功率斜升期间发送的前导信号变换得到的ramp-up RFF，具有RFF可分性优并且所需采样率低的优势，ramp-up RFF可用于基于前导的无线设备多RFF识别，从而实现无线网络物理层安全增强等目的。

附图说明

图1a-图1e揭示了五个符合Wi-Fi 802.11b/g无线网卡的包络turn-onRFF样本对齐图。

图2揭示了RFF识别系统的等效线性时不变(LTI)模型。

图3a-图3e揭示了Ramp-up RFF子类的样本对齐图。

图4揭示了根据本发明的基于射频指纹的无线发射机的识别方法的流程图。

图5揭示了根据发明的一实施例中检测无线信号的参考时刻的流程图。

图6揭示了根据本发明的一实施例中检测无线信号的参考时刻的过程中的IEEE 802.11b的前导包络e(n)、相关模板b(n)及与相关c(n)。

图7揭示了图6所示的实现中进行对齐后的前导包络射频指纹的叠加图。

具体实施方式

首先结合附图2和附图3a-3e介绍一下本发明的理论依据：

根据射频指纹(RF fingerprints，简称RFF)识别无线设备是具有潜力的无线网络物理层认证方法之一，然而，经典的turn-on RFF等实用价值有限。可分性比turn-on RFF更优并且其所需采样率更低的RFF，称为ramp-up RFF在识别无线设备方面具有很高的应用价值。首先构建RFF识别系统的线性时不变等效模型；然后基于等效模型提出ramp-up RFF的产生方法，即无线发射机功率渐升的同时发送前导序列，变换功率渐升期间的前导信号为ramp-up RFF；最后采用Wi-Fi无线网卡对ramp-up RFF及其优点进行实验验证。Ramp-up RFF可应用于基于前导的无线发射机的多RFF识别中；Ramp-up RFF的产生方法可应用到相关无线设备的设计制造并规定到相关标准中。

RFF识别系统的等效线性时不变(LTI)模型如图2所示。其中，m(t)为待识别无线发射机的基带等效，h_tx(t)与h_rcv(t)分别为待识别无线发射机与接收系统的结构及内部构件实际值V_i，i＝1，2，3...与V_j，j＝1，2，3...确定的等效冲击响应，h_ch(t)为无线信道的等效冲击响应，n(t)为等效AWGN噪声，r(t)为接收信号，T{r(t)}为r(t)的变换。

当“RFF变换”使T{r(t)}仅为Vi的函数，并且不同无线发射机的T{r(t)}具备可比性时，T{r(t)}可作为RFF用于无线发射机的识别。由于构件容差的存在，RFF具备唯一性。

图2中的接收信号为：

r(t)＝[m(t)*h_tx(t)*h_ch(t)+n(t)]*h_rcv(t)    (1)

其中，*表示卷积运算。经典的turn-on RFF等价于式(1)中r(t)为单位阶跃响应(m(t)为单位阶跃激励u(t)，等价于发射机功率以阶跃方式到达额定发射功率)时的变换；假设理想的“RFF变换”去除了h_ch(t)、n(t)与h_rcv(t)的影响，即T{r(t)}仅为m(t)与h_tx(t)的函数，表示为：

T{r(t)}＝F₁{u(t)，h_tx(t)}    (2)

其中F_k，k＝1，2，3...表示不同函数。由于不同无线发射机的单位阶跃激励u(t)具备可比性，又由于h_tx(t)仅由待识别无线发射机的硬件性质(结构及构件实际值V_i)唯一确定，因而不同无线发射机的式(2)具备可比性，可表示为：

T{r(t)}＝F₁{m(t)，h_tx(t)}    (3)

＝F₂{V_i，i＝1，2，3...}

可作为RFF(即turn-on RFF)用于无线发射机的识别。

当无线发射机采用斜升方式进行功率控制，并且功率斜升的同时进行前导序列发送时，功率斜升期间的接收前导信号r(t)可等效为

$m\left(t\right)=\left[A_p\underset{p}{\mathrm{\Σ}}u(t-{\mathrm{\τ}}_p)\right]\·m_1\left(t\right)---\left(4\right)$

其中

为功率斜升控制的等效乘性激励，A_p为功率斜升幅度，τ_p与p分别为功率斜升步长及其序号，m₁(t)为功率斜升期间发送的前导信号。假设理想的“RFF变换”去除了h_ch(t)、n(t)与h_rcv(t)的影响，表示为：

T{r(t)}＝F₃{A_p，u(t)，τ_p，p，m₁(t)，h_tx(t)}    (5)

式(5)中，A_p，τ_p，p，h_tx(t)由待识别无线发射机的硬件性质唯一确定，m₁(t)是先验且确定的，并且单位阶跃激励u(t)也是确定的，因而不同无线发射机的式(5)具备可比性；所以式(5)

T{r(t)}＝F₃{A_p，u(t)，τ_p，p，m₁(t)，h_tx(t)}    (6)

＝F₄{A_p，τ_p，p，V_i，i＝1，2，3...}

作为一种新的RFF(即ramp-up RFF)用于基于前导的无线发射机识别。

对比式(6)与式(3)可知：影响ramp-up RFF的因素比影响turn-onRFF的因素增加了功率斜升控制参数A_p，τ_p，p；而在射频段，容差引起的构件微小差异会产生发送信号的较大差异；所以ramp-up RFF可分性比turn-on RFF可分性优。

另外，根据式(4)可知，ramp-up RFF的功率斜升时间比turn-on RFF的瞬态时间长且可控，所以在用于RFF变换的接收无线信号样点数相同的条件下，ramp-up RFF所需采样率比turn-on RFF所需采样率低；当延长功率斜升时间后，ramp-up RFF所需采样率将更低。

据此，基于前导的无线发射机ramp-up RFF产生方法可总结为：功率斜升同时发送前导序列，变换功率斜升期间的接收前导信号为RFF用于无线发射机识别。

图3a-3e揭示了对于上述理论的实验验证结果。

由于IEEE 802.11b/g规定其物理层包的直序扩频前导(DSSS-preamble)采用产生ramp-on RFF的这种功率渐升同时发送前导序列方式，因而同一厂家同一型号的Wi-Fi 802.11b无线网卡被用于实验。

构建一个“RF信号采集与处理系统”用于Wi-Fi 802.11b无线网卡的DSSS-preamble分析。无线网卡安装于计算机，设定为ad-hoc工作模式，工作频道为2.412GHz，无线网卡不断发送包宣布其存在。一个外接高增益天线的Agilent射频示波器54854A用于RF信号采集，采样率为10GSps，垂直分辨率为8bit。采集时，户内温度与湿度保持恒定；并且对采集场所进行了电磁屏蔽；待识别无线网卡天线与接收天线距离约为10cm。

18只D-Link AirPlus USB Wi-Fi 802.11b无线网卡被用于实验，功率设为“continuous access”模式，前导设为“short”模式。采用构建的“RF信号采集与处理系统”采集每只无线网卡的RF包，并采用Matlab(归一化、下变频、带通滤波、下采样为110MSps及增加AWGN噪声)与Simulink(costas PLL)进行软件无线电处理，得到其DSSS-preamble的基带信号r_i(n)及其正交分量r_q(n)，则其包络为：

$e\left(n\right)=\sqrt{r_i{\left(n\right)}^2+r_q{\left(n\right)}^2}---\left(7\right)$

由于Wi-Fi 802.11b/g规定其DSSS-preamble采用11chips的Barker码(10110111000)扩频的DBPSK调制方式，因而其包络e(n)是周期为1usec的周期信号，其完整基本周期波形是确定的。图3a是把e(n)的第一个完整基本周期波形起始点(P_ref)作为对齐参考点的e(n)样本对齐图。如图3a所示，从P_ref向前(历史时间方向)截取1usec作为ramp-up RFF用于实验。

根据观察，18只无线网卡的ramp-up RFF可分为5个子类，表示为A、B、C、D与E；从各子类无线网卡的样本中随机选择50个样本，根据P_ref对齐后如图3a-3e所示。

从图3a-3e可知，5子类ramp-up RFF之间存在一些大的差异。根据IEEE 802.11b标准对DSSS-preamble的基带信号r_i(n)进行解码分析，结果显示：(1)每个网卡的DSSS-preamble头部都损失了2或3个完整DBPSK符号；(2)其他的DBPSK符号与标准相符。因此，ramp-on RFF是功率渐升期间的残留Barker码信号包络。各ramp-up RFF子类的无线网卡数目如表1所示。

表1各ramp-up RFF子类无线网卡数目

子类	A	B	C	D	E
						无线网卡数目	3	5	4	2	4

进行了ramp-up RFF子类的K-NN分类实验。SNR为20dB，从各子类的50个样本中随机选择k个样本作为训练集，从各子类的剩余50-k个样本中随机选择10-k个样本作为测试集，则ramp-up RFF识别率如表2所示。表2中turn-on RFF识别率是根据图1a-1e所示五只Wi-Fi 802.11b/g无线网卡样本获得；该五只无线网卡的功率控制方式未按标准执行，为阶跃方式；其样本采集条件、采样率、SNR及K-NN分类器与ramp-up RFF相同。

表2两种RFF的识别率

RFF	1-NN(％)	2-NN(％)	3-NN(％)	4-NN(％)
					Ramp-up RFF	88.89	90.00	94.29	100
Turn-on RFF	17.78	27.50	28.57	23.33

从表2可知，采用常规采样率的ADC(110MSps)，根据ramp-up RFF可把同一厂家同一型号的基于前导的无线设备以较高的正确识别率(近于100％)分为多个子类；而相应的turn-on RFF的识别率较低。

因此，ramp-up RFF的可分性优于turn-on RFF可分性，并且所需采样率更低；这与建模分析结论相一致。

图4揭示了根据本发明的基于射频指纹的无线发射机的识别方法的流程图。如图所示，该识别方法包括如下的步骤：

S41.接收无线发射机发射的无线信号，无线信号是无线发射机在功率渐升的同时发射的前导序列。

S42.检测无线信号的参考时刻。

S43.根据检测到的参考时刻对无线信号进行前导信号的截取。

S44.把截取后的前导信号变换为射频指纹。

S45.对变换后的射频指纹进行特征提取，进行无线发射机的识别。

在图4所示的实施例中，所接收的无线信号是无线发射机在功率渐升的同时发射的前导序列，基于前面的理论分析，该前导序列用于无线发射机的识别具有可分性优并且所需采样率低的优势。对于基于前导序列的无线发射机的识别方法来说，最重要的一环就是检测无线信号，即前导序列的参考时刻。图5揭示了根据发明的一实施例中检测无线信号的参考时刻的流程图。如图5所示，检测无线信号的参考时刻包括：

S50.根据对应的IEEE标准设计相关模板b(t)，b(t)与前导基本周期的包络幅度函数e_peri(t)的形状相似。

S51.计算接收的无线信号的前导包络e(t)。

S52.计算前导包络e(t)与相关模板b(t)的相关c(t)。

S53.根据c(t)性质确定接收无线信号的参考时刻，根据参考时刻对无线信号进行截取和对齐。

在一个实施例中，无线信号是Wi-Fi802.11b/g信号。

Wi-Fi信号的前导包络e(t)为：

$e\left(t\right)=p\left(t\right)\×\underset{m=0}{\overset{N_{\mathrm{ramp}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}_{\mathrm{peri}}(t-m\×T_p)+\underset{n=N_{\mathrm{ramp}}}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}_{\mathrm{peri}}(t-n\×T_p);$

其中，p(t)是功率渐升导致的包络幅度函数，0＜t＜N_ramp×T_p；N_ramp是功率渐升阶段的基本周期个数；T_p是基本周期；e_peri(t)是前导基本周期的包络幅度函数；N是前导基本周期总数。

计算前导包络e(t)与相关模板b(t)的相关c(t)包括：

$c\left(t\right)={\∫}_{\mathrm{\τ}=0}^{T_p}b\left(\mathrm{\τ}\right)\×e(t+\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ};$

其中，

当t＝N_ramp×T_p时c(t)值是N_ramp×T_p≤t＜(N_ramp+1)×T_p内c(t)的局部最大值；

当t≥N_ramp×T_p时c(t)具有周期为T_p的局部最大值。

根据c(t)性质确定接收无线模拟信号的参考时刻包括：

搜索c(t)的局部最大值，找到第一个局部最大值的时刻t＝N_ramp×T_p，并且第二个局部最大值时刻与t＝N_ramp×T_p之间间隔时间为基本周期T_p长，t＝N_ramp×T_p作为接收Wi-Fi802.11b/g信号的参考时刻，根据检测到的参考时刻对接收Wi-Fi802.11b/g信号进行截取，然后把截取后的Wi-Fi802.11b/g信号变换为射频指纹。

图6-图7揭示了根据本发明的基于前导的Wi-Fi发射机射频指纹的检测方法的一个验证实例，该验证实例是基于Wi-Fi DSSS前导的实验验证。图6揭示了根据本发明的一实施例中检测无线信号的参考时刻的过程中的IEEE 802.11b的前导包络e(n)、相关模板b(n)及与相关c(n)。

图7揭示了图6所示的实现中进行对齐后的前导包络射频指纹的叠加图。

IEEE 802.11b/g的PLCP前导采用11chips Barker码(10110111000)扩频的1Mbit/s DBPSK调制方式，因而其前导包络具有周期为1usec的周期性；采用IEEE 802.11b的DSSS(直序扩频)前导对提出方法进行验证。所谓“采用11chips Barker码(10110111000)扩频的1Mbit/s DBPSK调制方式”是指：“11chips”就是11个bit数；“扩频”就是相乘；“1Mbit/sDBPSK”就是每秒1M个符号，符号是差分BPSK调制方式，所以一个符号的周期为1usec，该1usec的符号被乘以了11个比特，则每个比特是1/11usec长；但由于每个1usec的符号都乘以了相同的Barker码，所以每个符号的包络是一样的，并且固定的。

进行验证的硬件设备包括：待识别外置式D-Link AirPLus 802.11b无线网卡，通过USB接口与笔记本电脑相连并由其控制，无线网卡设为Ad-hoc模式；则其不断发送射频信号帧。发送天线采用全向天线，而接收天线采用定向天线，两天线间距离约为10cm；以保证接收天线接收到的信号能量主要由发送天线直接发送而来。接收天线直接接到射频示波器Agilent 54854A的输入端口，以保证由待识别无线网卡发送的信号触发。采集时采用铁丝网对两天线部分进行了最大限度的电磁屏蔽。射频示波器被触发后，数据保存到通过网卡相连的台式计算机中；台式计算机采用Matlab对接收射频帧前导信号进行Hilbert变换并求其绝对值得到其包络，并对其加AWGN噪声改变其SNR。SNR为15dB的一个IEEE 802.11b前导包络如图6中的e(n)所示。

图6中b(n)为设计的与IEEE 802.11b前导包络基本周期形状相似的相关模板；而b(n)与e(n)的相关结果为c(n)；c(n)上的p为局部最大值，而P_ref为经过搜索得到的第一个完整Barker码包络的起始时刻。

把P_ref作为接收IEEE 802.11b帧射频信号的参考时刻，截取从P_ref开始先前(历史时间方向)T_head长的接收射频信号进行射频指纹变换。假设进行的射频指纹变换即求取包络运算，则IEEE 802.11b帧前导包络就是一种射频指纹，称为IEEE 802.11b前导包络射频指纹。

取3只待识别D-Link IEEE 802.11b无线设备，工作模式设为Ad-hoc模式，前导设为“短”型，功率设为“连续接入”模式；每只采集50个射频帧信号样本，根据各自的P_ref进行对齐后得到的SNR为15dB的前导包络射频指纹叠加图如图7所示，图中CARD-1、CARD-2与CARD-3分别对应不同的待识别无线设备。

申请人在此说明，在确定了了前导序列的参考时刻之后，后续的步骤，包括“根据检测到的参考时刻对无线信号进行前导信号的截取”、“把截取后的前导信号变换为射频指纹”和“对变换后的射频指纹进行特征提取，进行无线发射机的识别”都是本领域中所常用的技术，本领域的技术人员可以采用任何一种现有的手段来实现，在此处不再赘述。

本发明的基于射频指纹的无线发射机的识别方法利用功率斜升期间发送的前导信号变换得到的ramp-up RFF，具有RFF可分性优并且所需采样率低的优势，ramp-up RFF可用于基于前导的无线设备多RFF识别，从而实现无线网络物理层安全增强等目的。

Claims (5)

1.一种基于射频指纹的无线发射机的识别方法，其特征在于，包括：

接收无线发射机发射的无线信号，所述无线信号是无线发射机在功率渐升的同时发射的前导序列信号；

检测所述无线信号的参考时刻；

根据检测到的参考时刻对所述无线信号进行前导信号的截取；

把截取后的前导信号变换为射频指纹；

对变换后的射频指纹进行特征提取，进行无线发射机的识别。

2.如权利要求1所述的基于射频指纹的无线发射机的识别方法，其特征在于，检测所述无线信号的参考时刻包括：

根据对应的IEEE标准设计相关模板b(t)，b(t)与前导基本周期的包络幅度函数e_peri(t)的形状相似；

计算接收的无线信号的前导包络e(t)；

计算前导包络e(t)与相关模板b(t)的相关c(t)；

根据c(t)性质确定接收无线信号的参考时刻，根据参考时刻对无线信号进行截取和对齐。

3.如权利要求2所述的基于射频指纹的无线发射机的识别方法，其特征在于，所述无线信号是Wi-Fi802.11b/g信号，该Wi-Fi802.11b/g信号的前导包络e(t)为：

$e\left(t\right)=p\left(t\right)\×\underset{m=0}{\overset{N_{\mathrm{ramp}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}_{\mathrm{peri}}(t-m\×T_p)+\underset{n=N_{\mathrm{ramp}}}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}_{\mathrm{peri}}(t-n\×T_p);$

其中，p(t)是功率渐升导致的包络幅度函数，0＜t＜N_ramp×T_p；N_ramp是功率渐升阶段的基本周期个数；T_p是基本周期；e_peri(t)是前导基本周期的包络幅度函数；N是前导基本周期总数。

4.如权利要求3所述的基于射频指纹的无线发射机的识别方法，其特征在于，计算前导包络e(t)与相关模板b(t)的相关c(t)包括：

$c\left(t\right)={\∫}_{\mathrm{\τ}=0}^{T_p}b\left(\mathrm{\τ}\right)\×e(t+\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ};$

其中，

当t＝N_ramp×T_p时c(t)值是N_ramp×T_p≤t＜(N_ramp+1)×T_p内c(t)的局部最大值；

当t≥N_ramp×T_p时c(t)具有周期为T_p的局部最大值。

5.如权利要求4所述的基于射频指纹的无线发射机的识别方法，其特征在于，根据c(t)性质确定接收无线信号的参考时刻包括：

搜索c(t)的局部最大值，找到第一个局部最大值的时刻t＝N_ramp×T_p，并且第二个局部最大值时刻与t＝N_ramp×T_p之间间隔时间为基本周期T_p长，t＝N_ramp×T_p作为接收Wi-Fi802.11b/g信号的参考时刻，根据检测到的参考时刻对接收Wi-Fi802.11b/g信号进行截取，然后把截取后的Wi-Fi802.11b/g信号变换为射频指纹。

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