CN105357014B - 基于差分星座轨迹图的无线设备射频指纹特征提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于差分星座轨迹图的无线设备射频指纹特征提取方法,包括如下步骤:首先接收端接收无线设备基带的I/Q信号,并以一定的采样率对接收到的无线信号进行采样;然后使用延迟器对采样后的I/Q两路信号进行一定的延迟;再对经过延迟器的信号按照一定的采样点间隔进行差分处理,并将差分处理后的信号绘制在以I路和Q路为坐标轴的坐标空间中,形成星座轨迹图;最后在坐标空间中获得星座轨迹图的统计特征,即得到统计星座轨迹图以及可供提取特征向量的参数。本发明方法通过将接收到的信号变换成差分星座轨迹图再获得其统计特征,可以在不获得设备发射信号先验知识的前提下很好地提取设备的射频指纹特征,适用于物理层安全以及无线接入设备的身份识别及认证中。
Description
技术领域
本发明涉及通信与信息安全领域,特别涉及一种无线目标身份识别及认证等系统中使用的射频指纹特征提取方法。
背景技术
当今,无线设备射频指纹的提取是对无线设备进行身份识别及认证的有效手段之一。有研究表明,针对同一种制式的无线设备,不仅不同厂家的无线设备指纹特征不同,即使是同一厂家相同批次的无线设备,其射频指纹特征还是存在着一定的差异。因此,射频指纹特征可以被认为是每一个无线设备发射机唯一的特征。此外,由于射频指纹是设备本身所具有的物理特征,基于射频指纹的特征提取建立在通信系统的物理层上。在物理层上的射频指纹信息不易受到修改,可以很好的从通信系统的底层保护系统的安全。
现有的射频指纹特征提取方法主要分为两类,一类是基于瞬态响应的射频指纹提取方法,一类是基于稳态响应的射频指纹提取方法。这两类方法都可以获得唯一的射频指纹信息,也是现在普遍使用的方法。
基于瞬态响应的射频指纹特征提取大多是直接在射频端采集设备发射出的信号。因此该射频指纹特征提取方法需要能够工作在射频端采集信号的较为精密的仪器设备。此外,由于采集无线设备的瞬态响应特征需要捕获无线信号在打开和关闭瞬间的信号起伏变化,这样的要求也加大了采集信号时的难度。当接收信号的信噪比不高时,基于信号瞬态响应的采集将会变得非常困难。
基于稳态响应的射频指纹提取方法需要获得设备的先验信息才能够正确的得到载波频率偏移、同步信号相关值、基带I/Q两路信号偏移、解调信号的幅度和相位误差等参数,在实际系统中使用也存在一定的局限性。本发明提出了一种直接将基带I/Q信号进行差分处理后绘制星座轨迹图的射频指纹特征提取方法。使用该方法进行无线设备射频指纹特征提取可以获得较为稳定的统计特征。此外,基于差分星座轨迹图的射频指纹特征提取方法不需要获得设备发送信号的先验信息就可以快速获得无线设备唯一的射频指纹特征,可以被用于物理层安全以及无线接入设备的身份识别及认证。
发明内容
发明目的:本发明提出一种新式的无线设备射频指纹特征获取方法,通过将接收的无线基带I/Q信号使用差分处理后得到差分星座轨迹图,再基于差分星座轨迹图提取统计特征,该方法不需要获得设备发送信号的先验信息,可以在基带快速的获得无线设备的射频指特征。
技术方案:本发明提出了一种基于差分星座轨迹图的无线设备射频指纹特征提取方法,包括了如下的步骤:
步骤1:接收端接收无线设备基带的I/Q信号,并以一定的采样率对接收到的无线信号进行采样。接收端对无线设备基带I/Q信号的采样率应大于奈奎斯特采样定律所需要的最低采样率。在一般的情况下,更高的采样率可以获得更精确的星座轨迹图,因此接收端可以使用一定倍率的过采样去采样信号。接收端在收到过采样的基带信号后可以先对信号进行预处理,预处理主要是对信号的能量进行归一化。
步骤2:接收端对I路和Q路采样后的信号分别控制延迟。接收端可以将I路和Q路采用一样的延迟,也可以对I路和Q路采用不一样的延迟。
步骤3:接收端对经过延迟器的信号按照一定的采样点间隔进行差分处理,具体过程为:将I/Q两路的当前信号值和经过一定延迟后的I/Q两路信号的共轭值进行相乘,得到差分处理后的信号。
步骤4:接收端将差分处理后的信号直接绘制在以I路和Q路为坐标轴的坐标空间中,形成星座轨迹图。在绘制星座轨迹图前,不需要将信号经过码元同步及载波相位同步。
步骤5:在坐标空间中统计星座轨迹图的统计特征,得到统计星座轨迹图以及可供提取特征向量的参数,具体过程为:基于获得的无线设备I/Q两路星座轨迹图,在星座轨迹图上分别将I路和Q路按照一定的间隔分割成若干区域,在每个区域统计落入该区域点的个数,通过对星座轨迹图上采样点的统计,获得星座轨迹图的统计特征。
有益效果:本发明方法通过将接收到的信号变换成差分星座轨迹图再获得其统计特征,可以在不获得设备发射信号先验知识(调制方式,中心频率,码元速率等参数)的前提下提取设备的射频指纹特征。
此外,本发明方法通过将I路和Q路引入不同差分延迟的方法,可以将恒包络调制的信号如最小频移键控MSK(Minimum Shift Keying),偏移四相相移键控OQPSK(Offset-Quadrature Phase Shift Keying)信号的特征放大,得到可以提取射频指纹特征的差分星座轨迹图。
最后,本发明可以在没有获得信号载波频率的情况下通过差分处理将信号在接收端与发射端的频率偏差变为恒定的参量,从而获得稳定的星座轨迹图,以供提取统计特征。该方法可以适用于大部分的单载波调制系统。
附图说明
图1是本发明方法的总体流程框图;
图2是本发明实施例获得的MSK信号差分星座轨迹图;
图3是本发明实施例的采样点S在统计星座轨迹图中的位置示意图;
图4是本发明实施例获得的MSK信号差分星座轨迹图的统计特征。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明方法进行详细的阐述。
如图1为本发明提出的基于差分星座轨迹图的射频指纹特征提取方法的总体流程框图,具体包括如下步骤:
1)接收端接收无线设备基带的I/Q信号,并以一定的采样率对接收到的无线信号进行采样;
2)接收端使用延迟器对采样后的I/Q两路信号进行一定的延迟;
3)接收端对经过延迟器的信号按照一定的采样点间隔进行差分处理;
4)接收端将差分处理后的信号绘制在以I路和Q路为坐标轴的坐标空间中,形成星座轨迹图;
5)接收端在坐标空间中获得星座轨迹图的统计特征,得到统计星座轨迹图以及可供提取特征向量的参数。
下面,将分别针对每一个部分阐述具体的实施方式:
接收基带信号与信号预处理
接收机接收无线信号,并在基带获得I/Q两路无线信号。接收端在收到过采样的基带信号后可以先对信号进行预处理,预处理主要是对信号的能量进行归一化。
获得差分星座轨迹图
在数字通信中,获取星座图是为了研究解调信号的性能,因此一般只绘制用于判决的采样点。为了能够更好的研究接收信号所包含的射频指纹特征,在接收端以高于发射端采样率的方式获得过采样的信号。将过采样的信号绘制在复平面上,就可以得到信号的星座轨迹图。
由于是采用了过采样,不仅是原先星座图中每一个判决的采样点,甚至是判决采样点之间的变化过程都可以在星座轨迹图上表现出来。在获得星座轨迹图的过程中,有一点值得注意的是,由于接收机和发射机的载频会有一定的频率偏差。如果直接将过采样的信号绘制在复平面上,会因为频偏而使得绘制的信号产生旋转。因此,在获得星座轨迹图后可以采用差分的方式获得差分星座轨迹图。在接收端获得差分星座轨迹图具体的过程如下:
首先,发射机发射的信号如下所示:
其中,X(t)是发射机基带的信号,fcTx是发射机的载波频率,S(t)是发射的信号。假设发射机的射频电路是理想的,信道也是理想的,接收机接收到的信号R(t)=S(t)。接收机将信号进行下变频获得基带信号:
其中,fcRx为接收机的载波频率,为接收机接收信号时的相位误差。当fcRx≠fcTx时,接收机下变频获得的基带信号即为:
其中θ=fcRx-fcTx
由于解调的信号含有残余的频率偏差θ,导致基带信号的每一个采样点都有一个相位旋转因子ej2πθt。该相位旋转因子随着采样点位置t的不同而变化。因此会造成星座轨迹图整体的旋转。
将接收的信号按照一定的间隔进行差分处理后可以得到稳定的星座轨迹图。进行差分处理的方法如下所示:
其中,Y*为取共轭值,n为差分的间隔。可以看到,在进行了差分处理后,信号D(t)虽然还是含有一个相位旋转因子e-j2πθn,但是该相位旋转因子是一个恒定的数值,不会随着采样点位置的变化而改变。因此经过差分处理后,即使在不知道发射信号先验知识(调制方式,中心频率,码元速率等参数)的前提下,不对接收信号的载波频率偏差和相位偏差进行估计和补偿,也可以获得稳定的星座轨迹图,从而可以获得星座轨迹图的统计特征。
I/Q两路分别延迟
此外,针对恒包络调制信号如最小频移键控MSK,由于接收的信号和差分后的信号都是分布在圆周上的,不易进行特征提取。通过在I/Q两路加入不同的延迟可以在星座轨迹图上获得更明显的特征。对接收的信号进行预处理后将信号送入I/Q两路延迟器。延迟器可以选择I/Q两路相同的延迟以及I/Q两路不同的延迟。之后,系统针对信号进行差分处理后,就可以在复平面上绘制出星座轨迹图。图2为两个不同设备发出的MSK信号在基带接收后通过I/Q两路延迟和差分处理后得到的差分星座轨迹图。
获得星座轨迹图的统计特征
在获得星座轨迹图后,可以将星座轨迹图的I路和Q路平均分割成若干个子格,将星座轨迹图的每一个采样点按照位置映射到每一个子格中,统计每一个子格中采样点的数量,就可以得到星座轨迹图的统计特征,即统计星座轨迹图,具体的实施方式为:确定坐标的上限为LI、LQ,其中LI为I轴的上限,LQ为Q轴的上限。针对确定的上限,选择I轴和Q轴的量化精度,分别为M和N。生成一个2维(M+1)×(N+1)的矩阵Z,将接收到的星座轨迹图的采样点按照实际位置映射到矩阵中。映射的方式如下:
m=round[Si/(2·LI/M)+(M/2)]
n=round[Sq/(2·LQ/N)+(N/2)]
Z[m,n]=Z[m,n]+1
式中,Si,Sq为接收到的星座轨迹图上的一个采样点S在I/Q两轴的位置,Z生成的用于统计差分星座轨迹图的矩阵,m为统计差分星座轨迹图矩阵的行坐标值0≤m≤M,n为统计差分星座轨迹图矩阵的列坐标值0≤n≤N,Z[m,n]为矩阵Z的m行n列的元素值。采样点S在统计星座轨迹图中的位置如图3所示。
接收端将接收到的星座轨迹图的每一个采样点映射到矩阵Z中,即可获得星座轨迹图的统计特征,即统计星座轨迹图。系统可以将统计特征通过数据处理,展现为更为直观的形式,也可以直接根据统计特征进行设备身份识别及认证。
如将两个不同设备发出的MSK信号星座轨迹图的采样点按照颜色的深浅表示不同的统计特征的多少,可以绘制出的可视化图像,绘制的统计星座轨迹图如图4所示。从图中可以看出,在统计星座轨迹图中,两个不同设备发射的无线信号获得的星座轨迹图特征有明显的差别。
综上所述,通过本发明方法的处理,接收端可以在不获得设备发射信号先验知识(调制方式,中心频率,码元速率等参数)的前提下提取设备的射频指纹特征。获得的特征可以被用于设备的身份识别及认证。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.基于差分星座轨迹图的无线设备射频指纹特征提取方法,其特征在于:包括如下步骤:
1)接收端接收无线设备基带的I/Q信号,并以一定的采样率对接收到的无线信号进行采样,接收端对无线设备基带I/Q信号的采样率应大于奈奎斯特采样定律所需要的最低采样率;
2)接收端使用延迟器对采样后的I/Q两路信号进行一定的延迟;
3)接收端对经过延迟器的信号按照一定的采样点间隔进行差分处理;
4)接收端将差分处理后的信号绘制在以I路和Q路为坐标轴的坐标空间中,形成星座轨迹图;
5)接收端在坐标空间中获得星座轨迹图的统计特征,得到统计星座轨迹图以及可供提取特征向量的参数。
2.根据权利要求1所述的基于差分星座轨迹图的无线设备射频指纹特征提取方法,其特征在于,所述步骤2中I/Q两路信号的延迟为对I/Q两路进行相同的延迟,或者对I/Q两路进行不同的延迟。
3.根据权利要求1所述的基于差分星座轨迹图的无线设备射频指纹特征提取方法,其特征在于,所述步骤3中差分处理的具体过程为:将I/Q两路的当前信号值和经过一定延迟后的I/Q两路信号的共轭值进行相乘,得到差分处理后的信号。
4.根据权利要求1所述的基于差分星座轨迹图的无线设备射频指纹特征提取方法,其特征在于,所述步骤4中的星座轨迹图不同于传统的星座图,是将采样后进行差分处理后的采样点不经过码元同步及载波相位同步,直接绘制在I/Q两路的坐标系中。
5.根据权利要求1所述的基于差分星座轨迹图的无线设备射频指纹特征提取方法,其特征在于,所述步骤5中星座轨迹图统计特征获取的具体过程为:在I/Q两路星座轨迹图上分别将I路和Q路按照一定的间隔分割成若干区域,在每个区域统计落入该区域的采样点个数,通过对星座轨迹图上采样点的统计,获得星座轨迹图的统计特征。
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EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20160224 Assignee: UPSEC CYBER Inc. Assignor: SOUTHEAST University Contract record no.: X2020980002154 Denomination of invention: Wireless equipment radio frequency fingerprint feature extraction method based on differential constellation track diagram Granted publication date: 20180921 License type: Exclusive License Record date: 20200512 |
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