CN105407485B - 调频信号室内定位系统位置欺骗攻击的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种调频信号室内定位系统位置欺骗攻击的检测方法，主要解决现有技术在基于调频信号的室内定位系统中，位置欺骗攻击不能被检测的问题。其方法步骤为初始化、确定阈值、接收未检测信号、计算频域相关性、检测位置欺骗攻击。本发明充分结合正常调频信号、载波信号和自然噪声信号的频域特点，将时域信号转化成频域进行处理，避免了在位置欺骗攻击中，时域信号振幅变化不规律的特点；采用频谱互相关性表示信号特征，保证了对被攻击信号的高效判断；利用上下阈值进行双重判断，提高了检测的准确性。

Description

调频信号室内定位系统位置欺骗攻击的检测方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更进一步涉及调频信号的室内定位技术。本发明可根据正常调频信号、载波信号和自然噪声信号的特点，结合信号频域互相关性，采用上下阈值的方法，对未检测信号进行两级检测，进一步判断未检测信号的真实信号类型，从而对定位系统是否被攻击做出判断，使得该方法对位置欺骗攻击的检测更加高效、灵活。

背景技术

近年来，由于GPS信号无法传播到室内、地下和隧道中，且易受到大树、山脉、城市内部高大建筑的遮挡二发生多径效应，难以应用到室内环境中。室内定位技术以其对GPS定位性能的弥补和其在定位搜救、公共安全、军事以及商业等方面的良好应用前景而备受瞩目，成为目前定位技术的研究热点之一。基于调频信号的室内定位系统主要分为基于数据库和传播模型两大类技术手段。基于数据库的技术在室内多个位置预先进行多次的调频信号强度采集，将位置与信号强度一一对应存入数据库中。用户获得调频信号的信号强度时，与数据库中的位置-信号强度对进行匹配，从而获得位置信息。基于传播模型的技术避免了多次的人工测量和数据库的建立阶段，通过对多径效应的研究，建立起从调频信号基站到室内用户之间的无线信号传播模型，从而计算出用户和基站之间的距离，通过多基站联合测量，采用三角定位法确定位置。

位置欺骗攻击是指攻击者对正常用户所处位置的位置信息进行篡改，使得正常用户在需要获得其所在位置信息时，获得攻击者篡改后的位置信息，导致位置信息获取错误。调频信号室内定位系统的位置欺骗攻击根据目标位置和虚假位置的信号强度，结合调频信号频率在中心频率一定范围内变化的特点，构建与调频信号载波频率相同，相反的攻击信号，使攻击信号与正常调频信号在传播媒介中融合，达到对正常调频信号强度的改变，导致定位系统位置判定错误。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种调频信号室内定位系统位置欺骗攻击的检测方法，结合正常调频信号、载波信号和自然噪声信号的频域特点，将时域信号转化成频域进行处理，采用采用频谱互相关性表示信号特征并利用上下阈值进行双重判断，避免了在位置欺骗攻击中，时域信号振幅变化不规律的特点，保证了对被攻击信号的高效判断，提高了检测的准确性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

调频信号室内定位系统位置欺骗攻击的检测方法，调频信号室内定位系统包括调频信号基站、攻击者和使用调频信号室内定位系统的正常用户；所述方法包括如下步骤：

S1初始化：

1.1)用户使用自身天线，在用于定位的所述调频信号基站非工作状态下，在调频信号中心频率接收一定次数的自然噪声信号，并在所述调频信号基站工作状态下，接收一定次数正常调频信号；

1.2)构造用于定位的调频信号的载波信号；

S2确定阈值：利用载波信号和正常调频信号的频谱互相关系数以及载波信号和自然噪声信号的频谱互相关系数设定上阈值和下阈值；

S3接收未检测信号：用户采用自身天线，在用于定位的调频信号频率上接收未检测的信号；

S4计算频域相关性：计算未检测信号与载波信号的频谱互相关系数；

S5检测位置欺骗攻击：根据步骤S2所得的上阈值和下阈值检测位置欺骗攻击。

需要说明的是，步骤1.1)中，构造用于定位的调频信号的载波信号如下：

x＝A cos(2πft)；

其中x表示载波信号，A表示振幅，cos表示余弦函数，π表示圆周率，f表示频率，t表示时间。

需要说明的是，步骤S2的具体实施如下：

2.1)计算自然噪声信号、正常调频信号和载波信号的频谱；

2.2)计算载波信号和每次接收的正常调频信号的频谱互相关系数，以及载波信号和每次接收的自然噪声信号的频谱互相关系数：

其中R表示载波信号和正常调频信号的频谱互相关系数，∫dτ表示对参数τ的积分，+∞表示正无穷，-∞表示负无穷，S表示频域下的正常调频信号，ω表示角频率，X表示频域下的载波信号，r表示载波信号和自然噪声信号的频谱互相关系数，N表示频域下的自然噪声信号；

2.3)将载波信号和所有接收的正常调频信号的频谱互相关系数的均值设定为上阈值，将载波信号和所有接收的自然噪声信号的频谱互相关系数的均值设定为下阈值。

需要说明的是，步骤S4的具体实施如下：

4.1)计算未检测的信号的频谱；

4.2)计算未检测信号与载波信号的频谱互相关系数：

其中W表示未检测信号与载波信号的频谱互相关系数，∫dτ表示对参数τ的积分，+∞表示正无穷，-∞表示负无穷，G表示频域下的未检测信号，ω表示角频率，X表示频域下的载波信号。

需要说明的是，步骤S5的具体实施如下：

5.1)判断载波信号和未检测信号的频谱互相关系数是否小于上阈值，如果是，则执行步骤5.2)，否则表示未检测信号为正常调频信号，检测结束；

5.2)判断载波信号和未检测信号的频谱互相关系数是否大于下阈值，如果是，则表示未检测信号为被位置欺骗攻击的信号，在调频信号室内定位系统中出现位置欺骗攻击；否则表示未检测信号为自然噪声信号，检测结束。

进一步需要说明的是，步骤2.1)中，具体利用傅里叶变换计算自然噪声信号、正常调频信号和载波信号的频谱：

其中X表示频域下的载波信号，S表示频域下的正常调频信号，N表示频域下的自然噪声信号，ω表示角频率，∫dt表示对时间t的积分，+∞表示正无穷，-∞表示负无穷，x表示时域下的载波信号，s表示时域下的正常调频信号，n表示时域下的自然噪声信号，t表示时间，e表示自然底数，j表示虚数单位。

进一步需要说明的是，步骤4.1)中，具体利用傅里叶变换计算未检测的信号的频谱：

其中G表示频域下的未检测信号，ω表示角频率，∫dt表示对时间t的积分，+∞表示正无穷，-∞表示负无穷，g表示时域下的载波信号，t表示时间，e表示自然底数，j表示虚数单位。

本发明的有益效果在于：

第一、本发明充分结合正常调频信号、载波信号和自然噪声信号的频域特点，将时域信号转化成频域进行处理，避免了在位置欺骗攻击中，时域信号振幅变化不规律的特点；

第二、本发明利用不同类型的信号与调频信号载波之间的频谱相关性不同，采用频谱互相关性表示信号特征，将时域的攻击问题转化为频域进行解决，使得时域中被攻击的信号会在一定程度上表现出与正常调频信号或自然噪声类似的特点不再存在；

第三、本发明采用上下双重阈值进行位置欺骗攻击的判定，通过多次实验确定上下阈值，对被攻击信号的两种可能性一一进行排除，提高了检测的准确性。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

本发明的应用场景为调频信号室内定位系统，该系统包含调频信号基站、攻击者和正常用户。用户通过对接收到的未检测信号与调频载波信号频谱互相关性的计算，利用上下阈值判定信号类型，得到对位置欺骗攻击的检测结果。

如图1所示，本发明的具体步骤如下：

步骤1，初始化。

1.1)用户使用自身天线，在用于定位的调频信号基站非工作状态下，在调频信号重心频率接收100次自然噪声信号；在用于定位的调频信号基站工作状态下，接收100次正常调频信号。需要说明的是，100次为较优的接收次数，接收次数越多，则所得到的值约精确，但处理时间会增加。

1.2)按照下式构造用于定位的调频信号的载波信号：

x＝A cos(2πft)；

其中x表示载波信号，A表示振幅，cos表示余弦函数，π表示圆周率，f表示频率，t表示时间。

步骤2，确定阈值。

2.1)利用傅里叶变换公式计算自然噪声信号、正常调频信号和载波信号的频谱：

其中X表示频域下的载波信号，S表示频域下的正常调频信号，N表示频域下的自然噪声信号，ω表示角频率，∫dt表示对时间t的积分，+∞表示正无穷，-∞表示负无穷，x时域下的载波信号，s时域下的正常调频信号，n时域下的自然噪声信号，t表示时间，e表示自然底数。

2.2)计算载波信号和每次接收的正常调频信号的频谱互相关系数，以及载波信号和每次接收的自然噪声信号的频谱互相关系数：

其中R表示载波信号和正常调频信号的频谱互相关系数，∫dτ表示对参数τ的积分，+∞表示正无穷，-∞表示负无穷，S表示频域下的正常调频信号，ω表示角频率，X表示频域下的载波信号，r表示载波信号和自然噪声信号的频谱互相关系数，N表示频域下的自然噪声信号。

2.3)将载波信号和所有接收的正常调频信号的频谱互相关系数的均值设定为上阈值，将载波信号和所有接收的自然噪声信号的频谱互相关系数的均值设定为下阈值。

步骤3，接收未检测信号。

用户采用自身天线，在用于定位的调频信号频率上接收未检测的信号。未检测信号包含三种可能：正常调频信号、自然噪声信号和被位置欺骗攻击后的信号。

步骤4，计算频域相关性。

4.1)利用傅里叶变换公式计算未检测的信号的频谱：

其中G表示频域下的未检测信号，ω表示角频率，∫dt表示对时间t的积分，+∞表示正无穷，-∞表示负无穷，g表示时域下的载波信号，t表示时间，e表示自然底数，j表示虚数单位。

4.2)计算未检测信号与载波信号的频谱互相关系数：

其中W表示未检测信号与载波信号的频谱互相关系数，∫dτ表示对参数τ的积分，+∞表示正无穷，-∞表示负无穷，G表示频域下的未检测信号，ω表示角频率，X表示频域下的载波信号。

步骤5，检测位置欺骗攻击。

判断载波信号和未检测信号的频谱互相关系数是否小于上阈值，若是，判断载波信号和未检测信号的频谱互相关系数是否大于下阈值，若是，表示未检测信号为被位置欺骗攻击的信号，在调频信号室内定位系统中出现位置欺骗攻击；反之，表示未检测信号为自然噪声信号；反之，表示未检测信号为正常调频信号。检测结束。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，做出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.调频信号室内定位系统位置欺骗攻击的检测方法，调频信号室内定位系统包括调频信号基站、攻击者和使用调频信号室内定位系统的正常用户；其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1初始化：

1.1)用户使用自身天线，在用于定位的所述调频信号基站非工作状态下，在调频信号中心频率接收一定次数的自然噪声信号，并在所述调频信号基站工作状态下，接收一定次数正常调频信号；

1.2)构造用于定位的调频信号的载波信号；

S2确定阈值：利用载波信号和正常调频信号的频谱互相关系数以及载波信号和自然噪声信号的频谱互相关系数设定上阈值和下阈值；

S3接收未检测信号：用户采用自身天线，在用于定位的调频信号频率上接收未检测的信号；

S4计算频域相关性：计算未检测信号与载波信号的频谱互相关系数；

S5检测位置欺骗攻击：根据步骤S2所得的上阈值和下阈值检测位置欺骗攻击；

5.1)判断载波信号和未检测信号的频谱互相关系数是否小于上阈值，如果是，则执行步骤5.2)，否则表示未检测信号为正常调频信号，检测结束；

5.2)判断载波信号和未检测信号的频谱互相关系数是否大于下阈值，如果是，则表示未检测信号为被位置欺骗攻击的信号，在调频信号室内定位系统中出现位置欺骗攻击；否则表示未检测信号为自然噪声信号，检测结束。

2.根据权利要求1所述的调频信号室内定位系统位置欺骗攻击的检测方法，其特征在于，步骤1.1)中，构造用于定位的调频信号的载波信号如下：

x＝Acos(2πft)；

其中x表示载波信号，A表示振幅，cos表示余弦函数，π表示圆周率，f表示频率，t表示时间。

3.根据权利要求1所述的调频信号室内定位系统位置欺骗攻击的检测方法，其特征在于，步骤S2的具体实施如下：

2.1)计算自然噪声信号、正常调频信号和载波信号的频谱；

2.2)计算载波信号和每次接收的正常调频信号的频谱互相关系数，以及载波信号和每次接收的自然噪声信号的频谱互相关系数：

其中R表示载波信号和正常调频信号的频谱互相关系数，∫dτ表示对参数τ的积分，+∞表示正无穷，-∞表示负无穷，S表示频域下的正常调频信号，ω表示角频率，X表示频域下的载波信号，r表示载波信号和自然噪声信号的频谱互相关系数，N表示频域下的自然噪声信号；

2.3)将载波信号和所有接收的正常调频信号的频谱互相关系数的均值设定为上阈值，将载波信号和所有接收的自然噪声信号的频谱互相关系数的均值设定为下阈值。

4.根据权利要求1所述的调频信号室内定位系统位置欺骗攻击的检测方法，其特征在于，步骤S4的具体实施如下：

4.1)计算未检测的信号的频谱；

4.2)计算未检测信号与载波信号的频谱互相关系数：

其中W表示未检测信号与载波信号的频谱互相关系数，∫dτ表示对参数τ的积分，+∞表示正无穷，-∞表示负无穷，G表示频域下的未检测信号，ω表示角频率，X表示频域下的载波信号。

5.根据权利要求3所述的调频信号室内定位系统位置欺骗攻击的检测方法，其特征在于，步骤2.1)中，具体利用傅里叶变换计算自然噪声信号、正常调频信号和载波信号的频谱：

其中X表示频域下的载波信号，S表示频域下的正常调频信号，N表示频域下的自然噪声信号，ω表示角频率，∫dt表示对时间t的积分，+∞表示正无穷，-∞表示负无穷，x表示时域下的载波信号，s表示时域下的正常调频信号，n表示时域下的自然噪声信号，t表示时间，e表示自然底数，j表示虚数单位。

6.根据权利要求4所述的调频信号室内定位系统位置欺骗攻击的检测方法，其特征在于，步骤4.1)中，具体利用傅里叶变换计算未检测的信号的频谱：

其中G表示频域下的未检测信号，ω表示角频率，∫dt表示对时间t的积分，+∞表示正无穷，-∞表示负无穷，g表示时域下的载波信号，t表示时间，e表示自然底数，j表示虚数单位。