CN103051458B - 一种从bpsk信号中获取稳健射频指纹的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种从BPSK信号中获取稳健射频指纹的方法。所述方法包括：对接收的BPSK射频信号进行解调与归一化处理，得到相应的BPSK接收基带信号；对所述BPSK接收基带信号进行基于能量门限的起始点检测，并截取头部一定时长的信号，对截取后信号进行去噪处理；对所述去噪后信号进行加窗处理，对加窗后信号进行实倒谱变换，并对所得的实倒谱信号进行低通滤波与加窗处理，从而得到稳健的倒谱射频指纹。本发明得到的倒谱射频指纹具备时间平移不变性与较好的稳健性。

Description

一种从BPSK信号中获取稳健射频指纹的方法

技术领域

    本发明涉及无线网络通信技术，尤其涉及一种从BPSK信号中获取稳健射频指纹的方法。

背景技术

根据射频指纹（Radio Frequency fingerprint，简称RFF）识别无线电设备属于基于物理不可克隆函数的身份认证范畴，这使得RFF在军事及民用上具有很强的应用前景。例如：无线网络的物理层接入控制、无线电设备的电子取证、无线电台站管理、通信电台的个体识别与特定辐射源识别、基于物理特征的防克隆型RFID、感知无线电中的用户检测以及商品供应链的所有权转移等。RFF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。典型的RFF包括经典的由开机瞬态信号变换得到的Turn-on RFF与最近出现的由无线网络物理层帧前导符信号等变换得到的steady-state RFF。随着无线网络的飞速发展与安全威胁的与日剧增，无线网络安全正向物理层发展。根据RFF识别无线设备从而实现其接入控制是潜在的无线网络物理层安全方法之一。

RFF是因无线电设备的构件存在制造容差与漂移容差而产生的一种自然现象。制造容差指构件（例如分立电子元件、PCB走线、集成电路的内部元件与走线等）在生产及组装（例如焊接等）过程中引起的构件参数实际值改变；而漂移容差是构件生命周期中的老化现象与外部光照、温度、湿度及灰尘等引起的构件参数实际值改变。构件容差导致即使无线设备发射部分的结构与构件标称值都一样，但其系统性质却不完全一样。而对于射频带，构件的微小差异会导致发射信号的很大差异，因此接收无线电信号及据其变换得到的RFF具备哲学意义上的唯一性。

 对于RFF而言，在进行后续的特征提取与分类识别时，RFF的稳健性是前提条件，即同一个待识别无线电设备的RFF样本具备一致性，然而存在时变无线多径信道等因素导致射频指纹缺乏稳健性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种从BPSK信号中获取稳健射频指纹的方法，该目的由下述技术方案得以实现。

所述方法包括：

对接收的BPSK射频信号                                               进行解调与归一化处理，得到相应的BPSK接收基带信号；

对所述BPSK接收基带信号进行基于能量门限的起始点检测，并截取头部一定时长的信号；

对截取后的信号进行去噪和加窗处理，对加窗后信号进行实倒谱变换，并对所得的实倒谱信号进行低通滤波与加窗处理，从而得到稳健的倒谱射频指纹。

所述方法的特征还在于，对截取后的信号的加窗处理为衰减指数函数加窗处理。

所述方法的特征还在于，对实倒谱信号进行加窗处理为加“低时”窗处理。

所述方法的特征还在于，对所述加窗后的信号x(n)，进行如下定义的实倒谱变换：

其中：表示逆傅立叶变换，ln表示对数运算，是x(n)的离散傅立叶变换的幅度谱。

所述方法的进一步特征还在于，所述识别系统在建模为时不变系统时，该识别系统所接收到的射频信号为

；

其中： m(t) 为基带发送信号，h _tx (t)为待识别无线设备发射机部分的等效脉冲响应，h _ch (t)为无线信道的等效脉冲响应，h _rcv (t)为接收机部分的等效脉冲响应，w(t)为AWGN噪声的等效。

所述方法的特征还在于，所述无线设备采用Wi-Fi 802.11b/g无线设备时，则基带发送信号m(t)为：

其中：为二进制序列的比特间隔，b(k)是Barker码扩频后的速率为1/T bits/s 的二进制序列，为二进制序列的比特序号，为单位脉冲信号；

无线多径信道的等效脉冲响应即低通等效脉冲响应h _ch (t)为

    其中：是接收信号第k径分量的衰减因子，是接收信号第k径分量的传输延时，f _c  是载波频率。

所述方法的进一步特征还在于，所述识别系统接收的射频信号所对应的数字版本信号为

其中：m(n)、h _tx (n)、h _ch (n)、h _rcv (n)及w(n) 分别是m(t)、h _tx (t)、h _ch (t)、h _rcv (t)及w(t)所对应的数字序列。

所述方法的特征还在于，所述数字序列的实倒谱版本为

其中：、、及分别是m(n)、h _tx (n)、h _ch (n) 及h _rcv (n)的实倒谱，噪声w(n)引起的噪声项实倒谱为

其中：W(e^jw)、H_tx(e^jw)、M(e^jw)与H_ch(e^jw)分别为w(n)、H _tx (n)、M(n)与H _ch (n)的离散傅立叶变换。

所述方法的特征还在于，所述实倒谱信号进行下述低通滤波

其中： 为对脉冲分量及噪声项实倒谱低通滤波后的残留量。

本发明通过对接收的无线设备发射的无线信号，例如Wi-Fi 802.11b/g信号的前导符接收基带信号进行衰减指数函数加窗、倒谱分析、低通滤波等处理，得到相应的倒谱射频指纹。消除了无线多径信道以及基带数字序列影响，使射频指纹主要由无线设备的发射机硬件性质决定，因而具备时间平移不变性，是一种稳健的射频指纹。

附图说明

图1是本发明的识别系统的构建示意图。

图2是RFF识别系统的线性时不变等效模型。

图3是3只NIC的300个倒谱RFF样本。

图4是NIC-1的100个实倒谱样本。

图5是NIC-1的100个Wi-Fi Turn-on RFF样本。

具体实施方式

对照图1，本实施例的RFF识别系统主要由Wi-Fi 802.11b网卡1（Netware Interface Card，简称NIC）的无线电设备、无线信道2和接收设备3组成。Wi-Fi 802.11b USB NIC外接在对应的计算机11上，NIC的频率设为2.412GHz，工作模式设置为不断地发送帧宣布其存在的Ad-hoc状态，前导符设为短前导符。接收设备3由接收天线31、对接收天线31所接收的无线信号进行放大的无线信号放大器32和计算机33及射频示波器34组成。接收天线31为外接高增益天线；无线信号放大器32是功率为2W的DSO91304A放大器，其采样率设为10GSps（sa/s）；射频示波器带宽为13GHz、采样率40Gsa/s；实验时室内温度及湿度保持恒定，并且进行了电磁屏蔽。

Wi-Fi 802.11b网卡1不断发射2412GHz的射频信号，该信号由接收设备3中的接收天线31接收，并经无线信号放大器32放大，放大了的无线信号被输送到计算机33，进行相应的信号处理以获得所需的稳健射频指纹。

在上述的识别系统中，尽管放大器32等构件存在非线性，但由于无线设备的功率一般较小，加上无线设备中的发射机带限滤波器滤除了发射信号的大部分非线性成分，因而线性仍是无线设备发射信号的主要成分，所以本实施例把射频指纹RFF识别系统建模为线性系统。

尽管RFF识别系统中的乘性相位噪声是时变的，但随着无线通信发展对频谱要求的逐步提高，振荡器等的相位噪声被控制在很低水平，因而本实施例设定相位噪声时不变。另外，相对于RFF识别算法处理时间，无线电设备的构件漂移容差变化是极其缓慢的，因此，本实施例将无线电设备构件参数的实际值建模也设为短期内的时不变量，并设无线信道在一次射频指纹RFF变换中时不变。所以，本实施例把RFF识别系统建模为时不变系统，如图2所示。

对照图2，m(t)为基带发送信号；h _tx (t)、h _ch (t)与h _rcv (t)分别表示待识别无线设备的发射机部分、无线信道与RFF识别系统的接收机部分的等效脉冲响应；w(t)表示AWGN噪声的等效；则接收信号

                                       (1)

其中：表示复卷积运算；h _tx (t)由待识别无线设备发射机部分的结构与其构件参数的实际值来确定。由于构件容差现象的存在，即使结构与构件标称值相同的同一型号不同无线设备的h _tx (t)也各不相同；对于同一型号的不同无线设备，即使式（1）中除了h _tx (t)外的所有函数都相同，也因为h _tx (t)的不同而不同。

 IEEE 802.11b/g无线局域网标准规定，Wi-Fi 802.11b/g帧前导符是11chip的Barker码扩频的DBPSK调制信号（速率为1Mbit/s），因而可视为BPSK信号；所以式（1）中各项皆为实函数，并且式（1）中的基带发送信号可表示为

                           (2)

其中b(k)是Barker码扩频后的速率为1/T bits/s 的二进制序列，为单位脉冲信号；式（1）中无线多径信道的低通等效脉冲响应

                        (3)

其中，是接收信号第k径分量的衰减因子，是接收信号第k径分量的传输延时，f _c  是载波频率；式(1)中w(t)为AWGN噪声（其中：式（2）中的为二进制序列编号，为二进制序列的比特间隔）。

上述识别系统所接收的射频信号对应的数字序列为

                                                  (4)

其中： m(n)、h _tx (n)、h _ch (n)、h _rcv (n)及w(n) 分别是m(t)、h _tx (t)、h _ch (t)、h _rcv (t)及w(t)所对应的数字序列。

对上述信号进行基于Matlab与Simulink的软件无线电处理：首先按最大幅值进行归一化处理、然后通过载波频率为2.412GHz、中频为200MHz的下变频、截止频率为110MHz的低通滤波，接着进行Costas PLL（Simulink）解调，得到接收基带信号分量r _i (n)与其正交分量r _q (n)，并下采样为220MSps；r _i (n)即Barker码扩频的接收DBPSK信号，可视为BPSK信号。

对上述DBPSK基带信号进行基于能量门限的起始点检测，优选的是在检测前对所述DBPSK基带信号r _i (n)按最大幅值进行归一化，然后按能量门限为0.2进行起起始点检测，然后从检测到的起始点截取72usec长的序列，并进行累积与平均，接着对截取后r _i (n)进行去噪处理，以提高信噪比，再对r _i (n) 进行底数为0.9995的衰减指数加窗，其加窗处理后信号的前导符头部信号记为x(n)），对该x(n)信号进行实倒谱变换，x(n)的实倒谱定义为

                                                        (5)

其中，表示逆傅立叶变换，ln表示对数运算，是x(n)的离散傅立叶变换的幅度谱。

数字序列的实倒谱版本为：

                  (6)

其中、、、及分别是r(n)、m(n)、h _tx (n)、h _ch (n) 及h _rcv (n)的实倒谱，噪声w(n)引起的噪声项实倒谱为

                         (7)

其中，W(e^jw)、H_tx(e^jw)、M(e^jw)与H_ch(e^jw)分别为w(n)、H _tx (n)、M(n)与H _ch (n)的离散傅立叶变换。

从式（2）与（3）可知，m(n)与h _ch (n) 是脉冲串序列，因此其实倒谱与也是快速变化的脉冲串序列[16]；而根据通信系统与倒谱理论，式（6）中与能量集中在“低时”部分并且缓慢变化；式（6）中噪声项实倒谱随着AWGN噪声w(n)的存在而存在。

对进行实倒谱域的低通滤波，表示为

             (8)

是对脉冲分量及噪声项实倒谱低通滤波后的残留量；与分别由待识别无线设备的发射机硬件与RFF识别系统的接收机硬件的结构及构件实际值决定，因而具备时间平移不变性，即具有稳健性。

针对同一型号的多个NIC进行实验，例如3只Wi-Fi 802.11b NIC（记为：NIC-1、NIC-2与NIC-3）进行实验，变换300个Wi-Fi 802.11b 倒谱RFF样本如图3所示，图中分开的3条线分别是每个NIC的100个倒谱RFF样本。由图3可知，3只NIC的倒谱RFF样本存在明显的类间距离；并且其形状与低通滤波器的脉冲响应类似，这是由于其实倒谱的“类冲击信号”性质决定的；NIC-1的100个实倒谱样本的“低时”区如图4所示。

为对比Wi-Fi 802.11b倒谱RFF的稳健性，根据该3只NIC的r _i (n)与r _q (n)进行Turn-on RFF变换，其中NIC-1的100个Turn-on RFF样本经能量门限为0.2V的起始点检测后如图5所示。由图5可知，Turn-on RFF的稳健性明显差于Wi-Fi倒谱RFF，该文定义RFF样本集的平均每样点标准差作为RFF的一种稳健性度量；由定义可知：值越小，则RFF稳健性越优；3只NIC的两种RFF的如表1所示。由表1可知，Wi-Fi 802.11b倒谱RFF的稳健性大大优于相应的Turn-on RFF稳健性。

表1: 平均每样点标准差

Wi-Fi 802.11b RFF	NIC-1	NIC-2	NIC-3
				倒谱RFF	0.0050	0.0051	0.0048
Turn-on RFF	0.0670	0.0988	0.0720

分析Wi-Fi 802.11b倒谱RFF具备稳健性的主要原因是：首先， Wi-Fi 802.11b/g 倒谱RFF主要由待识别无线设备的系统脉冲响应决定（可从（8）式看出），而无线设备的系统脉冲响应由其结构与构成元件的硬件性质确定，因而具备时间平移不变性；其次， Wi-Fi倒谱RFF消除了无线多径信道及基带数字序列的影响（也可从（8）式看出），尽管Turn-on RFF中没有基带数字序列影响，但却包含了无线多径信道的影响，这从Turn-on RFF的变换

                                                          (9)

可知；还有，Wi-Fi 802.11b/g倒谱RFF对起始点检测精度不敏感（同样可从（8）式看出），但从（9）式可知，Turn-on RFF对起始点检测精度敏感。所以，Wi-Fi 802.11b/g倒谱RFF的稳健性大大优于相应的Turn-on RFF稳健性。

Claims (6)

1.一种从BPSK信号中获取稳健射频指纹的方法，其特征在于包括：

对接收的BPSK射频信号r(t)进行解调与归一化处理，得到相应的BPSK接收基带信号；

识别系统在建模为时不变系统时，该识别系统所接收到的射频信号r(t)为

r(t)＝m(t)★h_tx(t)★h_ch(t)★h_rcv(t)+w(t)★h_rcv(t)；

其中：★表示复卷积运算；m(t)为基带发送信号，h_tx(t)为待识别无线设备发射机部分的等效脉冲响应，h_ch(t)为无线信道的等效脉冲响应，h_rcv(t)为接收机部分的等效脉冲响应，w(t)为AWGN噪声的等效；

对所述BPSK接收基带信号进行基于能量门限的起始点检测，并截取头部一定时长的信号；

对截取后的信号进行去噪和加窗处理，对加窗后信号进行实倒谱变换，并对所得的实倒谱信号进行低通滤波与加窗处理，从而得到稳健的倒谱射频指纹；实倒谱信号的进行加窗处理为加“低时”窗处理，加窗后的信号x(n)，进行如下定义的实倒谱变换：

$\hat{x}\left(n\right)=F^{-1}\left\{\ln \right[\left|X\left(e^{\mathrm{jw}}\right)\right|\left]\right\}$

其中：F^-1表示逆傅立叶变换，ln表示对数运算，|X(e^jw)|是x(n)的离散傅立叶变换的幅度谱。

2.根据权利要求1所述的一种从BPSK信号中获取稳健射频指纹的方法，其特征在于对截取后的信号的加窗处理为衰减指数函数加窗处理。

3.根据权利要求1所述的一种从BPSK信号中获取稳健射频指纹的方法，其特征在于所述无线设备采用Wi-Fi 802.11b/g无线设备时，则基带发送信号m(t)为：

$m\left(t\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}b\left(k\right)\mathrm{\δ}(t-\mathrm{kT})$

其中：T为二进制序列的比特间隔，b(k)是Barker码扩频后的速率为1/Tbits/s的二进制序列{±1}，k为二进制序列的比特序号，δ(t)为单位脉冲信号；

无线多径信道的等效脉冲响应即低通等效脉冲响应h_ch(t)为

$h_{\mathrm{ch}}\left(t\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_k\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_c{\mathrm{\τ}}_k\right)\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{\τ}}_k)$

其中：α_k是接收信号第k径分量的衰减因子，τ_k是接收信号第k径分量的传输延时，f_c是载波频率。

4.根据权利要求3所述的一种从BPSK信号中获取稳健射频指纹的方法，其特征在于所述识别系统接收的射频信号r(t)所对应的数字版本信号为r(n)

r(n)＝m(n)★h_tx(n)★h_ch(n)★h_rcv(n)+w(n)★h_rcv(n)

其中：m(n)、h_tx(n)、h_ch(n)、h_rcv(n)及w(n)分别是m(t)、h_tx(t)、h_ch(t)、h_rcv(t)及w(t)所对应的数字序列。

5.根据权利要求4所述的一种从BPSK信号中获取稳健射频指纹的方法，其特征在于所述数字序列r(n)的实倒谱版本为

$\hat{r}\left(n\right)=\hat{m}\left(n\right)+{\hat{h}}_{\mathrm{tx}}\left(n\right)+{\hat{h}}_{\mathrm{ch}}\left(n\right)+{\hat{h}}_{\mathrm{rcv}}\left(n\right)+\hat{w}\left(n\right)$

其中：及分别是m(n)、h_tx(n)、h_ch(n)及h_rcv(n)的实倒谱，噪声w(n)引起的噪声项实倒谱为

$\hat{w}\left(n\right)=F^{-1}\left\{\ln \right[|1+\frac{W\left(e^{\mathrm{jw}}\right)}{H_{\mathrm{tx}}\left(e^{\mathrm{jw}}\right)M\left(e^{\mathrm{jw}}\right)H_{\mathrm{ch}}\left(e^{\mathrm{jw}}\right)}|\left]\right\}$

其中：W(e^jw)、H_tx(e^jw)、M(e^jw)与H_ch(e^jw)分别为w(n)、H_tx(n)、M(n)与H_ch(n)的离散傅立叶变换。

6.根据权利要求5所述的一种从BPSK信号中获取稳健射频指纹的方法，其特征在于所述实倒谱信号进行下述低通滤波

$\mathrm{LPE}\left\{\hat{r}\left(n\right)\right\}={\hat{h}}_{\mathrm{tx}}\left(n\right)+{\hat{h}}_{\mathrm{rcv}}\left(n\right)+\mathrm{LPF}\{{\hat{h}}_{\mathrm{ch}}\left(n\right)+\hat{m}\left(n\right)+\hat{w}\left(n\right)\}$

其中：为对脉冲分量及噪声项实倒谱低通滤波后的残留量。