CN102694559A - 基于前导的Wi-Fi发射机射频指纹的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种基于前导的Wi-Fi发射机射频指纹的检测方法，用于Wi-Fi发射机的射频指纹识别，该检测方法包括：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eperi(t)的形状相似；计算接收的无线模拟信号的前导包络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)性质确定接收无线模拟信号的参考时刻，根据参考时刻对接收无线模拟信号进行截取和对齐。本发明的基于前导的Wi-Fi发射机射频指纹的检测方法基于稳态的前导信号检测参考时刻，具有提高射频指纹稳定性与可分性的优点。

Description

基于前导的Wi-Fi发射机射频指纹的检测方法

技术领域

本发明涉及无线通信设备领域，尤其涉及一种对无线设备进行射频指纹检测的方法，该方法用于Wi-Fi发射机的射频指纹识别。

背景技术

在无线设备发射的射频信号中，不仅承载着无线设备发送的数字信息，而且承载着其发射机部分的硬件信息。对射频信号进行一定的处理，就能够得到体现体现无线设备发射机部分的硬件性质并具有可比性的信息。

无线设备发射的射频信号中都包括前导信号，“前导”英文为preamble，无线网络发射无线电网络信号时，是一帧一帧的发的，一帧就是许多1或0数字信号构成的一组数据。无线通信一般是异步的，对方并不知道发送方什么时候发；而且，无线信道是时变的，接收方必须知道无线信道的当前状态才能正确进行后续的均衡等接收处理。主要为了这两个目的，发送的一帧的开头是一些固定的数字信号(IEEE等标准规定的，大家都知道的)，就叫做preamble，即“前导”，意思为“在前面引导”。接收方检测到“前导”后知道“有信号发过来了”；然后根据接收到的当前“前导”信号的实际情况对无线信道进行估计，由于知道这些“前导”信号本来应该是什么样子，现在由于无线信道的作用，改变了，所以能够估计出无线信道的状态，然后对一帧中“前导”后面的发送信息信号进行均衡(校正)，得到正确的信息信号。一般来讲，无线信道的改变较慢，发送一帧内假设无线信道不变。

发明内容

本发明旨在提出一种能够用于Wi-Fi发射机的射频指纹识别的射频指纹检测的方法。

根据本发明，提出一种基于前导的Wi-Fi发射机射频指纹的检测方法，用于Wi-Fi发射机的射频指纹识别，所述检测方法包括：

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eperi(t)的形状相似；

计算接收的无线模拟信号的前导包络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)性质确定接收无线模拟信号的参考时刻，根据参考时刻对线模拟信号进行截取和对齐。

在一个实施例中，无线模拟信号是Wi-Fi802.11b/g信号。

在一个实施例中，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；e_peri(t)是前导基本周期的包络幅度函数；T_p是e_peri(t)的基本周期；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。

在一个实施例中，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，根据检测到的该参考时刻对接收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。

本发明的基于前导的Wi-Fi发射机射频指纹的检测方法根据稳态的前导信号检测参考时刻，能够提高检测到的射频指纹的可分性和稳定性。

附图说明

图1a揭示了“长”PLCP PPDU的标准格式。

图1b揭示了“短”PLCP PPDU的标准格式。

图2a揭示了同步码扰码器的典型结构。

图2b揭示了同步解扰器的典型结构。

图3揭示了根据发明的一实施例的基于前导的Wi-Fi发射机射频指纹的检测方法的流程图。

图4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一个具体实现中的IEEE 802.11b的前导包络e(n)、相关模板b(n)及与相关c(n)。

图5揭示了图4所示的实现中进行对齐后的多个前导包络射频指纹的叠加图。

图6揭示了与本发明的发射机射频指纹的检测方法对比用的基于Bayesian方法的检测结果。

具体实施方式

本发明首先定义“射频指纹”如下：无线设备发射的射频信号中，不仅承载着无线设备发送的数字信息，而且承载着其发射机部分的硬件信息；射频指纹是携带无线设备发射机部分硬件信息的接收无线电模拟信号的变换，这种变换体现无线设备发射机部分的硬件性质并具有可比性。

基于该“射频指纹”定义，本发明提出根据射频指纹识别无线设备(简称：射频指纹识别)的过程可分为四个阶段：

第一阶段对接收无线模拟信号进行参考时刻检测，根据检测的参考时刻对接收信号进行对齐与截取；第二阶段把截取后的模拟信号变换为射频指纹，例如把开机瞬态信号变换为包络等；第三阶段对射频指纹进行特征提取；第四阶段根据提取的特征进行无线设备的识别或确认。在上述的四个阶段中，对于同一个截取后模拟信号，可能有多种射频指纹变换方法；而对于同一种射频指纹，可能有多种特征提取方法。需要说明的是，本发明的重点在于提出进行射频指纹识别的过程以及进行对齐与截取的操作。对于具体的射频指纹变换方法和特征提取方法，并不是本发明的重点，此处不进行详细的描述。本领域的技术人员可以采用各种已知的方法进行相应的处理。

所谓的射频指纹检测，就是接收无线信号的检测，只不过是应用在“射频指纹识别”中。最常用的检测方法是“门限检测法”：设定一个门限值，当信号大于该门限后就算检测到信号；但该方法有一个缺点是对噪声敏感。检测到无线接收信号后，把检测点的时刻作为同一个无线发射机发出不同样本信号对齐的参考时刻。对齐后，根据该参考时刻向前(时刻数更小)或向后(时刻数更大)截取一定的无线接收信号，再对截取后信号进行变换，得到射频指纹。对齐很重要，如果对得齐，后面变换得到的射频指纹的稳定性就高；否则稳定性就不好；而如果稳定性不好，则射频指纹可分性就不好。

本发明旨在提出一种基于前导的Wi-Fi发射机射频指纹的检测方法。

“前导”英文为preamble，无线网络发射无线电网络信号时，是一帧一帧的发的，一帧就是许多1或0数字信号构成的一组数据。无线通信一般是异步的，对方并不知道发送方什么时候发；而且，无线信道是时变的，接收方必须知道无线信道的当前状态才能正确进行后续的均衡等接收处理。主要为了这两个目的，发送的一帧的开头是一些固定的数字信号(IEEE等标准规定的，大家都知道的)，就叫做preamble，即“前导”，意思为“在前面引导”。接收方检测到“前导”后知道“有信号发过来了”；然后根据接收到的当前“前导”信号的实际情况对无线信道进行估计，由于知道这些“前导”信号本来应该是什么样子，现在由于无线信道的作用，改变了，所以能够估计出无线信道的状态，然后对一帧中“前导”后面的发送信息信号进行均衡(校正)，得到正确的信息信号。一般来讲，无线信道的改变较慢，发送一帧内假设无线信道不变。

本发明中的Wi-Fi发射机是指IEEE 802.11b/g无线设备。当然IEEE802.11a无线设备也可以借鉴本发明的方法，但是需要进行一定的改动。

下面介绍IEEE 802.11物理层帧格式。1990年IEEE 802标准化委员会成立IEEE 802.11无线局域网标准工作组，并于1997年6月公布了IEEE802.11无线局域网标准，这是第一代无线局域网标准之一。随着IEEE无线局域网标准的发展，IEEE 802.11系列无线局域网标准已经发展成为一个大系列的标准。IEEE 802.11中涉及物理层的标准表1所示。

表1IEEE 802.11中涉及物理层的标准

802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于实现办公室局域网和校园网中用户的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2Mbps。由于它在速率和传输距离上都不能满足用户日益增长的需求，因此IEEE又相继推出了802.11b，802.11a和802.11g三个新标准。

IEEE 802.11协议定义了三种基本的物理层规范：2.4GHz ISM频段的跳频扩展频谱(FHSS)物理层规范、直接序列扩展频谱(DSSS)物理层规范和红外(Infrared)物理层规范。其中DSSS物理层规范得到了广泛的应用，采用此方式时，要发送的数据采用伪随机码(PN码)扩展到一个比原始信号频谱宽的频谱上实现扩频。接收端使用相同的伪随机码进行解扩，把接收数据还原为原始数据；该方式的优点是具有很强的抗噪声能力，频谱利用率高。DSSS物理层汇聚过程(Pysical Layer ConvergenceProcedure，简称PLCP)子层把PLCP服务数据单元(PLCP Service DataUnits，简称PSDU)映射成物理层协议数据单元(Pysical protocol dataunits，简称PPDU)，使之包含物理层发送与接收所需的信息，其PLCP PPDU格式分为“长”与“短”两种。

“长”PLCP PPUD格式如图1a所示。“长”PLCP分为PLCP前导与PLCP头两部分，其中PLCP前导又分为同步码SNYC与帧起始定界符SFD两部分。“长”PLCP的同步码SNYC由128bits的1扰码后生成。

而“短”PLCP的同步码shortSNYC由56bits的0扰码后生成，“短”PLCP PPDU格式如图1b所示。

用于同步码扰码与解扰的多项式为

G(z)＝z^-7+z^-4+1

典型的扰码器与解扰器实现如图2a和2b所示。其中图2a揭示了同步码扰码器的典型结构。图2b揭示了同步解扰器的典型结构。

“长”PLCP SYNC的扰码种子为“1101100”，而“短”PLCP SYNC的扰码种子为“0011011”，最左边bit为第一个延时值(Z1)，最右边bit为最后一个延时值(Z7)。

“长”与“短”PLCP前导采用11chips Barker码(10110111000)扩频的1Mbit/s DBPSK调制方式。

参考图3所示，揭示了根据发明的一实施例的基于前导的Wi-Fi发射机射频指纹的检测方法的流程图。

该基于前导的Wi-Fi发射机射频指纹的检测方法用于Wi-Fi发射机的射频指纹识别，该检测方法包括如下的步骤：

S10.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。

S11.计算接收的无线模拟信号的前导包络e(t)。

S12.计算前导包络e(t)与相关模板b(t)的相关c(t)。

S13.根据c(t)性质确定接收无线模拟信号的参考时刻，根据参考时刻对无线接收模拟信号进行截取和对齐。

在一个实施例中，无线模拟信号是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；e_peri(t)是前导基本周期的包络幅度函数；T_p是e_peri(t)的基本周期；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，根据检测到的该参考时刻对接收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。

如上面所描述的，进行射频指纹变换、特征提取以及Wi-Fi发射机的识别或确认的方法有很多，本发明对此不作限制，本发明的重点在于确定对齐的时刻。

图4-图5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。

IEEE 802.11b/g的PLCP前导采用11chips Barker码(10110111000)扩频的1M bit/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4中的e(n)所示。

图4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5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。

与图6所示的采用Bayesian渐升变点检测方法得到的样本相比，图5的样本表现得更为整齐；为进行检测方法的对比，采用射频指纹样本的可分性度量

图5所示三只无线设备的样本在不同检测方法下得到的射频指纹可分性度量如表2所示。

表2三只无线设备的射频指纹可分性度量对比

由表2可知，相比采用Bayesian渐升变点检测方法而言，采用基于Wi-Fi前导的检测方法得到的射频指纹类内距小、类间距大，因而得到的射频指纹可分性优。

图6揭示了采用Bayesian渐升变点检测的检测结果，以便于进行对比。一个IEEE 802.11b短前导包络头部如图6的上部分所示，开始是信道噪声，接着是功率渐升部分不完整的Barker码(10110111000)，跟着是完整的Barker码。由于同一无线网络中不同无线设备发送的前导具有可比性，因而其前导包络可以作为一种射频指纹用于无线设备识别。图6的中部分是根据采用Bayesian渐升变点检测方法检测到的变点对齐后的50个前导包络射频指纹样本图；图6的下部分是中图头部的局部放大图，从放大图可知，尽管Bayesian渐升变点检测得到的变点很准确，但该50个前导包络射频指纹样本却显示出了很大的类内距离，导致其可分性差。

基于Bayesian渐升变点检测方法得到的前导包络射频指纹可分性差的原因是Wi-Fi标准规定其无线设备发射信号时必须采用功率渐升的方式进行发射功率控制，这样才能避免对邻近信道造成干扰。然而，这种功率控制方式导致发送的前导波形瞬态稳定性差，进而导致基于Bayesian渐升变点检测方法得到的前导包络射频指纹可分性差。

总之，本发明的基于前导的Wi-Fi发射机射频指纹的检测方法基于稳态的前导信号检测参考时刻，能够提高检测到的射频指纹的可分性和稳定性。

Claims (5)

1.一种基于前导的Wi-Fi发射机射频指纹的检测方法，其特征在于，用于Wi-Fi发射机的射频指纹识别，所述检测方法包括：

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；

计算接收的无线模拟信号的前导包络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)性质确定接收无线模拟信号的参考时刻，根据参考时刻对接收无线模拟信号进行截取和对齐。

2.如权利要求1所述的基于前导的Wi-Fi发射机射频指纹的检测方法，其特征在于，

所述无线接收模拟信号是Wi-Fi802.11b/g信号。

3.如权利要求2所述的基于前导的Wi-Fi发射机射频指纹的检测方法，其特征在于，

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；e_peri(t)是前导基本周期的包络幅度函数；T_p是e_peri(t)的基本周期；N是前导基本周期总数。

4.如权利要求3所述的基于前导的Wi-Fi发射机射频指纹的检测方法，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所述的基于前导的Wi-Fi发射机射频指纹的检测方法，其特征在于，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，根据检测到的该参考时刻对接收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。

Images