CN108173871A - 基于射频指纹和生物指纹无线网接入认证系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于射频指纹和生物指纹无线网接入认证系统及方法。本发明的系统包括射频模块、射频指纹处理模块、指纹信息存储模块、用户信息处理模块、指纹信息验证模块、连接认证请求发送模块、连接认证请求处理模块、接入服务模块。本发明的方法，对用户申请访问无线网络所使用的无线终端进行射频指纹的认证，通过射频指纹的认证后，再对使用无线终端访问无线网络的用户进行生物指纹的认证，用户通过生物指纹的认证后，才允许用户使用无线终端接入无线网络。本发明通过对申请使用网络的无线终端和用户进行认证，实现无线网络的安全接入。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线网络安全技术领域中的一种基于射频指纹和生物指纹无线网接入认证系统及方法。本发明可为用户访问无线网络所使用的无线终端提供基于射频指纹的认证服务，当无线终端通过射频指纹的认证后，再为使用无线终端访问无线网络的用户提供生物指纹的认证服务，在用户通过生物指纹的认证后，允许用户使用无线终端接入无线网络，实现无线网络的安全接入。
背景技术
随着网络与通信技术的快速发展，无线网络为人类社会的方方面面提供了便利，但是其广播特性使得网络的使用面临安全威胁。攻击者极易获取合法用户的用户名以及密码等信息进而非法使用网络资源；攻击者也会通过更换合法设备使得合法用户使用非法设备访问网络。随着攻击技术的不断提高，无线网络安全将会受到更大的威胁，其安全问题不容忽视。
乐视控股(北京)有限公司在其申请的专利文献“一种安全接入网络的方法及其系统”(专利申请号201610258726.4，申请公布号CN 105959947A)中公开了一种接入无线网络的方法及系统。该方法包括以下步骤：接收到请求接入无线网络的指令时，对用户进行身份认证即生物指纹认证，将用户输入的生物指纹与授权用户的生物指纹进行匹配；若身份认证成功，则进行无线网络的密码认证即将输入的无线网络密码与预置的密码进行匹配，若身份认证失败，则拒绝用户访问无线网络；若密码认证成功，则允许用户访问无线网络，若所述密码认证失败，则拒绝所述用户访问无线网络。该方法存在的不足之处是，第一，由于该方法在进行生物指纹的认证时，直接将用户输入的生物指纹与授权用户的生物指纹进行匹配，使得攻击者可以截获用户的生物指纹信息进行重放攻击，进而威胁无线网络的安全。第二，该方法没有对用户输入的生物指纹信息进行隐私保护，会造成用户生物指纹信息的泄漏。该系统包括：身份认证模块即生物指纹认证模块，用于在接收到请求接入无线网络的指令时，对用户进行生物指纹认证；密码认证模块，用于在当生物指纹认证成功时，进行无线网络的密码认证，当生物指纹认证失败时，拒绝用户访问无线网络；网络接入模块，用于在当密码认证成功后，允许用户访问无线网络，当密码认证模块认证失败时，拒绝用户访问无线网络。指纹模块，用于接收用户选择安全网络按键的指令，并将授权用户的生物指纹进行录入、保存。该系统存在的不足之处是：该系统只对使用网络的用户进行了生物指纹认证，并未对用户访问网络所使用的终端设备进行认证，缺少对终端设备进行认证的子系统，用户使用非法设备访问无线网络时，未授权的用户即非法用户可通过对非法终端设备的监听、更换，来窃取网络信息。
国网山东省电力公司在其申请的专利文献“一种设备接入识别认证系统和方法”(专利申请号201710388521.2，申请公布号CN 107222477A)中公开了一种设备接入识别认证方法。该方法包含以下步骤：认证服务器接收待认证设备发送的认证信息，认证信息包括设备标识和硬件指纹信息，其中，硬件指纹信息至少包括MAC地址或IMEI地址；如果设备标识指示待认证设备为第一类设备，则使用生物学特征即生物指纹和硬件指纹进行认证，如果设备标识指示待认证设备为第一类设备为第二类设备，则使用硬件指纹进行认证。该方法存在的不足之处是，第一，由于该方法的待认证信息包括设备标识和硬件指纹信息，认证服务器接收待认证设备发送的待认证信息时，攻击者可截获该认证信息从而进行重放攻击。第二，待认证信息中的MAC地址、IMEI地址可以被攻击者修改，攻击者可通过MAC地址欺骗、IMEI地址欺骗，使得非法设备通过认证。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于射频指纹和生物指纹无线网接入认证系统及方法，以实现无线网络的安全接入，增强无线网络的安全性。
实现本发明目的的具体思路是，用户通过无线终端申请接入无线网络时，先对无线终端进行射频指纹的认证，通过射频指纹的认证后，再对使用无线终端访问无线网络的用户进行生物指纹的认证，用户通过生物指纹的认证后，才允许用户使用无线终端接入无线网络。
为了实现上述目的，本发明的系统，基于射频指纹和生物指纹无线网接入认证系统，包括射频模块、射频指纹处理模块、指纹信息存储模块、用户信息处理模块、指纹信息验证模块、连接认证请求发送模块、连接认证请求处理模块、接入服务模块；其中：
所述的射频模块，用于向射频指纹处理模块发送无线终端基带的同相正交信号；
所述的射频指纹处理模块，用于对射频模块发送的无线终端基带的同相正交信号进行处理，建立射频指纹特征向量并发送给指纹信息存储模块；
所述的指纹信息存储模块，用于接收并存储射频指纹处理模块发送的合法无线终端的射频指纹特征向量，建立射频指纹特征向量白名单，接收并存储用户信息处理模块发送的合法用户的用户名与生物指纹特征，建立生物指纹特征白名单；
所述的用户信息处理模块，用于录入用户的用户名与生物指纹图像，对生物指纹图像进行处理得到生物指纹特征，将用户的用户名与生物指纹特征发送给指纹信息存储模块；
所述的指纹信息验证模块，用于根据射频指纹特征向量白名单，对射频指纹处理模块发送的待认证无线终端的射频指纹特征向量，进行相似度计算，根据生物指纹特征白名单，对用户信息处理模块录入的待认证用户的用户名与生物指纹特征进行验证；
所述的连接认证请求发送模块，用于将用户使用无线终端申请接入无线网络的连接认证请求，发送给连接认证请求处理模块；
所述的连接认证请求处理模块，用于接收连接认证请求模块发送的连接认证请求；
所述的接入服务模块，用于根据指纹信息验证模块的验证结果，允许或拒绝无线终端接入无线网络。
本发明的方法，其特征在于，分别建立保密场景中规定的允许使用无线网络的所有合法无线终端的射频指纹特征向量白名单、所有合法用户的生物指纹特征白名单，用户通过无线终端申请接入无线网络时，先对无线终端进行射频指纹的认证，通过射频指纹的认证后，再对使用无线终端访问无线网络的用户进行生物指纹的认证，用户通过生物指纹的认证后，才允许用户使用无线终端接入无线网络。该方法包括如下步骤：
(1)接收合法同相正交信号：
射频指纹处理模块接收射频模块发送的合法无线终端基带的同相正交信号；
(2)获得星座轨迹图：
(2a)射频指纹处理模块，对无线终端基带的同相正交信号进行过采样，得到采样后的同相正交信号；
(2b)射频指纹处理模块，将采样后的同相正交信号进行能量归一化处理，得到能量归一化后的信号；
(2c)射频指纹处理模块，利用频偏估计方法，对能量归一化后的信号，进行载波频差估计与补偿，得到并记录载波频偏值；
(2d)射频指纹处理模块，利用载波相差估计方法，对载波频差估计与补偿处理后的信号，进行载波相差估计与补偿，得到稳定的同相正交信号星座轨迹图；
(3)划分星座轨迹图：
(3a)射频指纹处理模块计算星座轨迹图中距离坐标原点最远的点与坐标原点之间的距离，将该距离作为星座轨迹图中所有的点与坐标原点之间距离的最大距离；
(3b)以星座轨迹图中的坐标原点为中心，以最大距离为半径作圆；
(3c)等分最大距离，依次计算各个等分点与星座轨迹图中的坐标原点之间的距离；
(3d)以星座轨迹图中的坐标原点为圆心，分别以各个等分点与星座轨迹图中的原点之间的距离为半径作圆，得到同心圆将星座轨迹图划分后的多个子区域；
(4)计算聚类中心：
采用二分K均值聚类算法，依次对各个子区域中的点进行聚类，从星座轨迹图的第一象限开始，沿着顺时针方向，依次标记每个聚类中心的坐标；
(5)生成射频指纹特征向量：
将载波频偏值作为射频指纹特征向量的第一行中的第一列，每个聚类中心的坐标作为射频指纹特征向量第一行中的一列，按照标记每个聚类中心坐标的顺序，组成无线终端的射频指纹特征向量；
(6)建立射频指纹特征向量白名单：
(6a)射频指纹处理模块将射频指纹特征向量发送给指纹信息存储模块；
(6b)指纹信息存储模块接收并存储射频指纹处理模块发送的射频指纹特征向量，将该射频指纹特征向量添加到射频指纹特征向量白名单中；
(7)判断所有的合法无线终端的射频指纹特征向量是否均添加到射频指纹特征向量白名单中，若是，则执行步骤(8)，否则，执行步骤(1)；
(8)录入合法用户信息：
(8a)用户信息处理模块录入合法用户的用户名；
(8b)用户信息处理模块使用生物指纹传感器，录入合法用户的生物指纹图像；
(9)提取生物指纹特征：
(9a)用户信息处理模块对生物指纹图像依次进行图像增强、边缘检测和直方图均衡化预处理；
(9b)对经过预处理后的生物指纹图像进行特征提取，得到生物指纹细节点特征比特串，作为合法用户的生物指纹特征；
(10)建立生物指纹特征白名单：
(10a)用户信息处理模块将生物指纹特征发送给指纹信息存储模块；
(10b)指纹信息存储模块接收并存储生物指纹特征，将录入的合法用户的用户名与生物指纹特征，添加到生物指纹特征白名单中；
(11)判断所有的合法用户的用户名与生物指纹特征是否均添加到生物指纹特征白名单中，若是，则执行步骤(12)，否则，执行步骤(8)；
(12)发送连接认证请求：
连接认证请求发送模块，将用户使用无线终端申请接入无线网络的连接认证请求，发送给连接认证请求处理模块；
(13)提取待认证射频指纹特征向量：
射频指纹处理模块采用与步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)相同的操作，对射频模块发送的用户使用的待认证的无线终端基带的同相正交信号进行处理，得到待认证的无线终端的射频指纹特征向量；
(14)计算相似度：
(14a)使用随机森林识别器，从射频指纹特征向量白名单的射频指纹特征向量中，识别与待认证的无线终端的射频指纹特征向量最相似的一个射频指纹特征向量；
(14b)计算待认证的无线终端的射频指纹特征向量与最相似的一个射频指纹特征向量之间的欧氏距离，将欧氏距离值作为相似度；
(15)判断相似度是否大于等于欧氏距离阈值，若是，则执行步骤(16)，否则，执行步骤(26)；
(16)录入待认证用户信息：
(16a)用户信息处理模块录入通过无线终端申请使用无线网络的待认证用户的用户名；
(16b)用户信息处理模块使用生物指纹传感器，录入通过无线终端申请使用无线网络的待认证用户的生物指纹图像；
(17)指纹信息验证模块，判断用户信息处理模块录入的待认证用户的用户名是否存在于生物指纹特征白名单中，若是，则执行步骤(18)，否则，执行步骤(26)；
(18)提取待认证生物指纹：
用户信息处理模块采用与步骤(9a)、步骤(9b)相同的操作，对用户信息处理模块录入的待认证用户的生物指纹图像进行处理，得到待认证生物指纹特征；
(19)加密待认证生物指纹：
(19a)指纹信息验证模块产生一个同步序列数；
(19b)指纹信息验证模块利用密钥派生函数生成随机密钥1和随机密钥2；
(19c)将据用户名查询到的生物指纹特征作为加密算法的密钥，对同步序列数、随机密钥1和随机密钥2进行加密生成密文，并将生成的密文发送给用户信息处理模块；
(20)解密密文：
用户信息处理模块，将待认证生物指纹特征作为与加密算法对应的解密算法的密钥，对接收到的密文进行解密，得到同步序列数、随机密钥1和随机密钥2；
(21)加解密同步序列数：
(21a)使用解密得到的随机密钥2，将解密得到的同步序列数进行加密生成密文，将密文发送给指纹信息验证模块；
(21b)使用指纹信息验证模块产生的随机密钥2，将指纹信息验证模块接收到的密文进行解密，得到待验证的同步序列数；
(22)判断待验证的同步序列数是否满足验证条件，若是，则执行步骤(23)，否则，执行步骤(26)；
(23)计算哈希值：
(23a)用户信息处理模块，计算待认证生物指纹特征与用户信息处理模块解密得到的随机密钥1的哈希值，记为第一个哈希值；
(23b)指纹信息验证模块，计算其产生的随机密钥1与据用户名查询到的生物指纹特征的哈希值，记为第二个哈希值；
(24)判断第一个哈希值与第二个哈希值是否相等，若是，则执行步骤(25)，否则执行步骤(26)；
(25)接入服务模块允许待认证无线终端接入无线网络；
(26)接入服务模块拒绝待认证无线终端接入无线网络。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一，本发明的系统通过射频指纹处理模块、射频指纹认证模块，实现了对用户访问网络所使用的无线终端设备的认证，克服了现有技术中由于缺少对无线终端设备进行认证的子系统，进而使得用户使用非法无线终端访问无线网络的不足，使得本发明具有拒绝非法无线终端接入网络，增强无线网络的安全性的优点。
第二，本发明的方法通过对同步序列数的验证，实现了对用户生物指纹信息的安全认证，克服了现有技术中攻击者通过截获用户的生物指纹信息进行重放攻击的问题，使得本发明能够对用户生物指纹进行正确地认证，防止攻击者通过生物指纹信息进行重放攻击破坏认证的正确性。
第三，本发明的方法通过对待认证生物指纹进行加密、解密、哈希运算，实现了对用户生物指纹信息的隐私保护，克服了现有技术中用户生物指纹信息泄露导致非法用户通过认证的不足，使得本发明能够对用户生物指纹进行安全认证，防止攻击者使用泄露的生物指纹信息通过认证进而威胁无线网络的安全。
第四，本发明的方法通过将物理层本质的射频指纹特征向量作为无线终端用于识别的特征信息，实现了对无线终端的认证，克服了现有技术中攻击者通过克隆、修改MAC地址或IMEI地址使得非法无线终端通过认证的问题，使得本发明能够对无线终端进行正确地认证，防止攻击者破坏认证的正确性。
第五，本发明的方法通过对无线终端射频信号的实时采集与处理，进而得到无线终端的射频指纹特征向量，实现了对无线终端的安全认证，由于攻击者在进行重放攻击时，需要通过攻击者一方的无线终端射频模块，将截获的合法射频信号发送给射频指纹处理模块进而进行验证，然而射频指纹是无线终端硬件信息的本质特征，射频指纹处理模块所接收到的信号，不是攻击者截获的合法射频信号，而是经过攻击者一方无线终端“加工”过的信号，所以从该“加工”过的信号中，提取得到的射频指纹特征向量无法通过验证，攻击者的重放攻击失败，本发明的方法克服了现有技术中攻击者通过截获设备标识和硬件指纹信息进行重放攻击的不足，使得本发明能够提高无线终端认证的正确性，增强无线网络的安全性。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图；
图2是本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。
参照附图1，对本发明的系统做进一步的详细描述。
本发明的系统包括射频模块、射频指纹处理模块、指纹信息存储模块、用户信息处理模块、指纹信息验证模块、连接认证请求发送模块、连接认证请求处理模块、接入服务模块；其中：
所述的射频模块，用于向射频指纹处理模块发送无线终端基带的同相正交信号。
所述的射频指纹处理模块，用于对射频模块发送的无线终端基带的同相正交信号进行处理，建立射频指纹特征向量并发送给指纹信息存储模块。
所述的指纹信息存储模块，用于接收并存储射频指纹处理模块发送的合法无线终端的射频指纹特征向量，建立射频指纹特征向量白名单，接收并存储用户信息处理模块发送的合法用户的用户名与生物指纹特征，建立生物指纹特征白名单。
所述的用户信息处理模块，用于录入用户的用户名与生物指纹图像，对生物指纹图像进行处理得到生物指纹特征，将用户的用户名与生物指纹特征发送给指纹信息存储模块。
所述的指纹信息验证模块，用于根据射频指纹特征向量白名单，对射频指纹处理模块发送的待认证无线终端的射频指纹特征向量，进行相似度计算，根据生物指纹特征白名单，对用户信息处理模块录入的待认证用户的用户名与生物指纹特征进行验证。
所述的连接认证请求发送模块，用于将用户使用无线终端申请接入无线网络的连接认证请求，发送给连接认证请求处理模块。
所述的连接认证请求处理模块，用于接收连接认证请求模块发送的连接认证请求。
所述的接入服务模块，用于根据指纹信息验证模块的验证结果，允许或拒绝无线终端接入无线网络。
下面结合附图2对本发明的方法具体步骤做进一步的详细描述。
步骤1，接收合法同相正交信号。
射频指纹处理模块接收射频模块发送的合法无线终端基带的同相正交信号。
步骤2，获得星座轨迹图。
射频指纹处理模块，对无线终端基带的同相正交信号进行过采样，得到采样后的同相正交信号。
过采样是指，使用大于奈奎斯特采样频率的频率，对无线终端基带的同相正交信号进行采样。
射频指纹处理模块，将采样后的同相正交信号进行能量归一化处理，得到能量归一化后的信号。
按照下式，对同相正交信号进行能量归一化处理：
其中，I′、Q′表示经过能量归一化处理后的同相正交信号横坐标、纵坐标，I、Q表示采样后的同相正交信号的横坐标、纵坐标，∑表示求和运算，N表示采样后的同相正交信号的总数目。
射频指纹处理模块，利用频偏估计方法，对能量归一化后的信号，进行载波频差估计与补偿，得到并记录载波频偏值。
频偏估计方法的具体步骤如下：
第1步，依据射频指纹处理模块已知的前导序列及滑动窗口，计算得到本地相位差序列；
第2步，滑动窗口在能量归一化后的信号中滑动，每滑动至一个信号点，计算以当前信号点为起点的滑动窗口所覆盖的接收信号中满足固定间隔的两个信号点的相位差，得到接收相位差序列；
第3步，将本地相位差序列分别与接收相位差序列中的每一个接收相位差序列取差值，得到差值序列，确定差值序列中每一个差值序列的方差；
第4步，将差值序列中方差最小的一个差值序列的均值作为频率偏移的估计值。
射频指纹处理模块，利用载波相差估计方法，对载波频差估计与补偿处理后的信号，进行载波相差估计与补偿，得到稳定的同相正交信号星座轨迹图。
载波相差估计方法的具体步骤如下：
第1步，依据射频指纹处理模块已知的前导序列及滑动窗口，计算得到本地相位差序列；
第2步，滑动窗口在能量归一化后的信号中滑动，每滑动至一个信号点，计算以当前信号点为起点的滑动窗口所覆盖的接收信号中满足固定间隔的两个信号点的相位差，得到接收相位差序列；
第3步，将本地相位差序列分别与接收相位差序列中的每一个接收相位差序列取差值，得到差值序列，确定差值序列中每一个差值序列的方差；
第4步，将差值序列中方差最小的一个差值序列对应的能量归一化后的信号序列与所述滑动窗口所覆盖的前导序列的相位差均值作为相位偏移估计值。
步骤3，划分星座轨迹图。
计算星座轨迹图中距离坐标原点最远的点与坐标原点之间的距离，将该距离作为星座轨迹图中所有的点与坐标原点之间距离的最大距离。
按照下式，计算最大距离：
其中，d0表示最大距离，I0、Q0分别表示星座轨迹图中距离坐标原点最远的点的横坐标、纵坐标。
以星座轨迹图中的坐标原点O(0,0)为圆心，以最大距离d0为半径作圆cm。
m等分最大距离d0，得到m-1个等分点，为m1,m2,…,mk,…,mm-1，依次计算各个等分点与星座轨迹图中的坐标原点之间的距离。
按照下式，计算各个等分点与星座轨迹图中的坐标原点之间的距离：
其中，dk表示等分点mk与星座轨迹图中的坐标原点O(0,0)之间的距离，d0表示最大距离，m表示最大距离的等分数。
以星座轨迹图中的坐标原点O(0,0)为圆心，依次以d1,d2,…,dk,…,dm-1为半径作圆，得到同心圆c1,c2,…ck,…,cm-1，同心圆c1,c2,…ck,…,cm-1,cm将星座轨迹图划分为区域Z1,Z2,…,Zk,…,Zm-1,Zm，其中，区域Z1表示圆c1形成的圆形区域，区域Z2表示c1与c2形成的环形区域，区域Zk表示圆ck-1与ck形成的环形区域，区域Zm-2表示圆cm-2与cm-1形成的环形区域，区域Zm表示圆cm-1与cm形成的环形区域。
步骤4，计算聚类中心。
采用二分K均值聚类算法，依次对各个子区域中的点进行聚类，从星座轨迹图的第一象限开始，沿着顺时针方向，依次标记每个聚类中心的坐标。
步骤5，生成射频指纹特征向量。
将载波频偏值作为射频指纹特征向量的第一行中的第一列，每个聚类中心的坐标作为射频指纹特征向量第一行中的一列，按照标记每个聚类中心坐标的顺序，组成无线终端的射频指纹特征向量。
按照下式，表示无线终端的射频指纹特征向量：
其中，Δf表示载波频偏值，表示对区域Z1中的点进行n1类聚类得到的n1个聚类中心，表示对区域Z2中的点进行n2类聚类得到的n2个的聚类中心，表示对区域Zi中的点进行ni类聚类得到的ni个聚类中心，表示对区域Zm中的点进行nm类聚类得到的nm个聚类中心。
步骤6，建立射频指纹特征向量白名单。
射频指纹处理模块将射频指纹特征向量发送给指纹信息存储模块。
指纹信息存储模块接收并存储射频指纹处理模块发送的射频指纹特征向量，将该射频指纹特征向量添加到射频指纹特征向量白名单中。
步骤7，判断所有的合法无线终端的射频指纹特征向量是否均添加到射频指纹特征向量白名单中，若是，则执行步骤8，否则，执行步骤1。
步骤8，录入合法用户信息。
用户信息处理模块录入合法用户的用户名。
用户信息处理模块使用生物指纹传感器，录入合法用户的生物指纹图像。
步骤9，提取生物指纹特征。
用户信息处理模块对生物指纹图像依次进行图像增强、边缘检测和直方图均衡化预处理。
对经过预处理的生物指纹图像进行特征提取，得到生物指纹细节点特征比特串，作为合法用户的生物指纹特征。
步骤10，建立生物指纹特征白名单。
用户信息处理模块将生物指纹特征发送给指纹信息存储模块。
指纹信息存储模块接收并存储生物指纹特征，将录入的合法用户的用户名与生物指纹特征，添加到生物指纹特征白名单中。
步骤11，判断所有的合法用户的用户名与生物指纹特征是否均添加到生物指纹特征白名单中，若是，则执行步骤12，否则，执行步骤8。
步骤12，发送连接认证请求。
连接认证请求发送模块，将用户使用无线终端申请接入无线网络的连接认证请求，发送给连接认证请求处理模块。
步骤13，提取待认证射频指纹特征向量。
射频指纹处理模块采用与步骤2、步骤3、步骤4、步骤5相同的操作，对射频模块发送的用户使用的待认证的无线终端基带的同相正交信号进行处理，得到待认证的无线终端的射频指纹特征向量。
步骤14，计算相似度。
使用随机森林识别器，从射频指纹特征向量白名单的射频指纹特征向量中，识别与待认证的无线终端的射频指纹特征向量最相似的一个射频指纹特征向量。
随机森林识别器是指，采用随机森林算法构建决策树，对待认证的射频指纹特征向量进行“少数服从多数”的投票，根据投票的结果，从射频指纹特征向量白名单的射频指纹特征向量中，识别与待认证的射频指纹特征向量最相似的一个射频指纹特征向量。
计算待认证的无线终端的射频指纹特征向量与最相似的一个射频指纹特征向量之间的欧氏距离，将欧氏距离值作为相似度。
按照下式，计算欧式距离：
其中，dαβ表示向量α与向量β之间的欧式距离，α表示待认证的无线终端的射频指纹特征向量，β表示射频指纹特征向量白名单中与α最为接近的特征向量，∑表示求和运算，n表示向量α与向量β的维度，xαt表示向量α第t维的值，xβt表示向量β第t维的值。
步骤15，判断相似度是否大于等于欧氏距离阈值，若是，则执行步骤16，否则，执行步骤26。
欧氏距离阈值是指，在保密场景通过多次实验所得到的欧氏距离阈值。
步骤16，录入待认证用户信息。
用户信息处理模块录入通过无线终端申请使用无线网络的待认证用户的用户名。
用户信息处理模块使用生物指纹传感器，录入通过无线终端申请使用无线网络的待认证用户的生物指纹图像。
步骤17，指纹信息验证模块，判断用户信息处理模块录入的待认证用户的用户名是否存在于生物指纹特征白名单中，若是，则执行步骤18，否则，执行步骤26。
步骤18，提取待认证生物指纹。
用户信息处理模块采用与步骤9相同的操作，对用户信息处理模块录入的待认证用户的生物指纹图像进行处理，得到待认证生物指纹特征。
步骤19，加密待认证生物指纹。
指纹信息验证模块产生一个同步序列数。
指纹信息验证模块利用密钥派生函数生成随机密钥1和随机密钥2。
按照下式，生成随机密钥1和随机密钥2：
K1＝KDF(Bit,Salt1,Iterations1)
K2＝KDF(Bit,Salt2,Iterations2)
其中，K1表示随机密钥1，K2表示随机密钥2，Bit表示主密钥，Salt1、Salt2表示密码盐随机数，Iterations1、Iterations2表示迭代次数；
将据用户名查询到的生物指纹特征作为加密算法的密钥，对同步序列数、随机密钥1和随机密钥2进行加密生成密文，并将生成的密文发送给用户信息处理模块。
加密算法可采用高级加密标准、三重数据加密算法两种加密算法中的任意一种。
按照下式，计算密文：
其中，c表示将据用户名查询到的生物指纹特征作为加密算法的密钥，对同步序列数、随机密钥1和随机密钥2进行加密生成的密文，E()表示加密算法，Uid表示用户信息处理模块录入的用户的用户名，表示据用户名Uid在生物指纹特征白名单中查询得到的生物指纹特征，N、K1、K2分别表示指纹信息验证模块产生的同步序列数、随机密钥1、随机密钥2。
步骤20，解密密文。
用户信息处理模块，将待认证生物指纹特征作为与加密算法对应的解密算法的密钥，对接收到的密文进行解密，得到同步序列数、随机密钥1和随机密钥2。
按照下式，解密密文：
其中，<N′,K1′,K2′>表示解密得到的明文，N′、K1′、K2′分别表示对密文c解密后得到的同步序列数、随机密钥1、随机密钥2，D()表示与加密算法E()对应的解密算法，Uid表示用户信息处理模块录入的用户的用户名，BitUid′表示用户信息处理模块从录入的用户指纹图像中提取得到的待认证生物指纹特征，c表示用户信息处理模块接收到的密文。
步骤21，加解密同步序列数。
使用解密得到的随机密钥2，将解密得到的同步序列数进行加密生成密文，将密文发送给指纹信息验证模块。
按照下式，计算密文：
c1＝E(K2′,N′)
其中，c1表示使用解密得到的随机密钥2，将解密得到的同步序列数进行加密生成的密文，E()表示加密算法，K2′表示对密文c解密后得到的随机密钥2，N′表示对密文c解密后得到的同步序列数。
使用指纹信息验证模块产生的随机密钥2，将指纹信息验证模块接收到的密文进行解密，得到待验证的同步序列数。
按照下式，对指纹信息模块接收到的密文进行解密：
N′＝D(K2,c1)
其中，N′表示使用指纹信息验证模块产生的随机密钥2，将指纹信息验证模块接收到的密文进行解密，得到的待验证同步序列数，D()表示与加密算法E()对应的解密算法，K2表示指纹信息验证模块产生的随机密钥2，c1表示指纹信息验证模块接收到的密文。
步骤22，判断待验证的同步序列数是否满足验证条件，若是，则执行步骤23，否则，执行步骤26。
验证条件是指，待验证的同步序列数与指纹信息验证模块产生的同步序列数相同，且待验证的同步序列数是第一次进行验证。
步骤23，计算哈希值。
用户信息处理模块，计算待认证生物指纹特征与用户信息处理模块解密得到的随机密钥1的哈希值，记为第一个哈希值。
按照下式，计算第一个哈希值：
其中，S1表示第一个哈希值，H()表示哈希函数，Uid表示用户信息处理模块录入的用户的用户名，表示用户信息处理模块从录入的用户指纹图像中提取得到的待认证生物指纹特征，K1′表示对密文c解密后得到的随机密钥1。
指纹信息验证模块，计算其产生的随机密钥1与据用户名查询到的生物指纹特征的哈希值，记为第二个哈希值。
按照下式，计算第二个哈希值：
S2表示第二个哈希值，H()表示哈希函数，Uid表示用户信息处理模块录入的用户的用户名，表示据用户名Uid在生物指纹特征白名单中查询得到的生物指纹特征，K1表示指纹信息验证模块产生的随机密钥1。
步骤24，判断第一个哈希值与第二个哈希值是否相等，若是，则执行步骤25，否则执行步骤26。
步骤25，接入服务模块允许待认证无线终端接入无线网络；
步骤26，接入服务模块拒绝待认证无线终端接入无线网络。
Claims (9)
1.一种基于射频指纹和生物指纹无线网接入认证系统，包括射频模块、射频指纹处理模块、指纹信息存储模块、用户信息处理模块、指纹信息验证模块、连接认证请求发送模块、连接认证请求处理模块、接入服务模块；其中：
所述的射频模块，用于向射频指纹处理模块发送无线终端基带的同相正交信号；
所述的射频指纹处理模块，用于对射频模块发送的无线终端基带的同相正交信号进行处理，建立射频指纹特征向量并发送给指纹信息存储模块；
所述的指纹信息存储模块，用于接收并存储射频指纹处理模块发送的合法无线终端的射频指纹特征向量，建立射频指纹特征向量白名单，接收并存储用户信息处理模块发送的合法用户的用户名与生物指纹特征，建立生物指纹特征白名单；
所述的用户信息处理模块，用于录入用户的用户名与生物指纹图像，对生物指纹图像进行处理得到生物指纹特征，将用户的用户名与生物指纹特征发送给指纹信息存储模块；
所述的指纹信息验证模块，用于根据射频指纹特征向量白名单，对射频指纹处理模块发送的待认证无线终端的射频指纹特征向量，进行相似度计算，根据生物指纹特征白名单，对用户信息处理模块录入的待认证用户的用户名与生物指纹特征进行验证；
所述的连接认证请求发送模块，用于将用户使用无线终端申请接入无线网络的连接认证请求，发送给连接认证请求处理模块；
所述的连接认证请求处理模块，用于接收连接认证请求模块发送的连接认证请求；
所述的接入服务模块，用于根据指纹信息验证模块的验证结果，允许或拒绝无线终端接入无线网络。
2.一种基于射频指纹和生物指纹无线网接入认证方法，其特征在于，分别建立保密场景中规定的允许使用无线网络的所有合法无线终端的射频指纹特征向量白名单、所有合法用户的生物指纹特征白名单，用户通过无线终端申请接入无线网络时，先对无线终端进行射频指纹的认证，通过射频指纹的认证后，再对使用无线终端访问无线网络的用户进行生物指纹的认证，用户通过生物指纹的认证后，才允许用户使用无线终端接入无线网络，该方法包括如下步骤：
(1)接收合法同相正交信号：
射频指纹处理模块接收射频模块发送的合法无线终端基带的同相正交信号；
(2)获得星座轨迹图：
(2a)射频指纹处理模块，对无线终端基带的同相正交信号进行过采样，得到采样后的同相正交信号；
(2b)射频指纹处理模块，将采样后的同相正交信号进行能量归一化处理，得到能量归一化后的信号；
(2c)射频指纹处理模块，利用频偏估计方法，对能量归一化后的信号，进行载波频差估计与补偿，得到并记录载波频偏值；
(2d)射频指纹处理模块，利用载波相差估计方法，对载波频差估计与补偿处理后的信号，进行载波相差估计与补偿，得到稳定的同相正交信号星座轨迹图；
(3)划分星座轨迹图：
(3a)射频指纹处理模块计算星座轨迹图中距离坐标原点最远的点与坐标原点之间的距离，将该距离作为星座轨迹图中所有的点与坐标原点之间距离的最大距离；
(3b)以星座轨迹图中的坐标原点为中心，以最大距离为半径作圆；
(3c)等分最大距离，依次计算各个等分点与星座轨迹图中的坐标原点之间的距离；
(3d)以星座轨迹图中的坐标原点为圆心，分别以各个等分点与星座轨迹图中的原点之间的距离为半径作圆，得到同心圆将星座轨迹图划分后的多个子区域；
(4)计算聚类中心：
采用二分K均值聚类算法，依次对各个子区域中的点进行聚类，从星座轨迹图的第一象限开始，沿着顺时针方向，依次标记每个聚类中心的坐标；
(5)生成射频指纹特征向量：
将载波频偏值作为射频指纹特征向量的第一行中的第一列，每个聚类中心的坐标作为射频指纹特征向量第一行中的一列，按照标记每个聚类中心坐标的顺序，组成无线终端的射频指纹特征向量；
(6)建立射频指纹特征向量白名单：
(6a)射频指纹处理模块将射频指纹特征向量发送给指纹信息存储模块；
(6b)指纹信息存储模块接收并存储射频指纹处理模块发送的射频指纹特征向量，将该射频指纹特征向量添加到射频指纹特征向量白名单中；
(7)判断所有的合法无线终端的射频指纹特征向量是否均添加到射频指纹特征向量白名单中，若是，则执行步骤(8)，否则，执行步骤(1)；
(8)录入合法用户信息：
(8a)用户信息处理模块录入合法用户的用户名；
(8b)用户信息处理模块使用生物指纹传感器，录入合法用户的生物指纹图像；
(9)提取生物指纹特征：
(9a)用户信息处理模块对生物指纹图像依次进行图像增强、边缘检测和直方图均衡化预处理；
(9b)对经过预处理后的生物指纹图像进行特征提取，得到生物指纹细节点特征比特串，作为合法用户的生物指纹特征；
(10)建立生物指纹特征白名单：
(10a)用户信息处理模块将生物指纹特征发送给指纹信息存储模块；
(10b)指纹信息存储模块接收并存储生物指纹特征，将录入的合法用户的用户名与生物指纹特征，添加到生物指纹特征白名单中；
(11)判断所有的合法用户的用户名与生物指纹特征是否均添加到生物指纹特征白名单中，若是，则执行步骤(12)，否则，执行步骤(8)；
(12)发送连接认证请求：
连接认证请求发送模块，将用户使用无线终端申请接入无线网络的连接认证请求，发送给连接认证请求处理模块；
(13)提取待认证射频指纹特征向量：
射频指纹处理模块采用与步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)相同的操作，对射频模块发送的用户使用的待认证的无线终端基带的同相正交信号进行处理，得到待认证的无线终端的射频指纹特征向量；
(14)计算相似度：
(14a)使用随机森林识别器，从射频指纹特征向量白名单的射频指纹特征向量中，识别与待认证的无线终端的射频指纹特征向量最相似的一个射频指纹特征向量；
(14b)计算待认证的无线终端的射频指纹特征向量与最相似的一个射频指纹特征向量之间的欧氏距离，将欧氏距离值作为相似度；
(15)判断相似度是否大于等于欧氏距离阈值，若是，则执行步骤(16)，否则，执行步骤(26)；
(16)录入待认证用户信息：
(16a)用户信息处理模块录入通过无线终端申请使用无线网络的待认证用户的用户名；
(16b)用户信息处理模块使用生物指纹传感器，录入通过无线终端申请使用无线网络的待认证用户的生物指纹图像；
(17)指纹信息验证模块，判断用户信息处理模块录入的待认证用户的用户名是否存在于生物指纹特征白名单中，若是，则执行步骤(18)，否则，执行步骤(26)；
(18)提取待认证生物指纹：
用户信息处理模块采用与步骤(9a)、步骤(9b)相同的操作，对用户信息处理模块录入的待认证用户的生物指纹图像进行处理，得到待认证生物指纹特征；
(19)加密待认证生物指纹：
(19a)指纹信息验证模块产生一个同步序列数；
(19b)指纹信息验证模块利用密钥派生函数生成随机密钥1和随机密钥2；
(19c)将据用户名查询到的生物指纹特征作为加密算法的密钥，对同步序列数、随机密钥1和随机密钥2进行加密生成密文，并将生成的密文发送给用户信息处理模块；
(20)解密密文：
用户信息处理模块，将待认证生物指纹特征作为与加密算法对应的解密算法的密钥，对接收到的密文进行解密，得到同步序列数、随机密钥1和随机密钥2；
(21)加解密同步序列数：
(21a)使用解密得到的随机密钥2，将解密得到的同步序列数进行加密生成密文，将密文发送给指纹信息验证模块；
(21b)使用指纹信息验证模块产生的随机密钥2，将指纹信息验证模块接收到的密文进行解密，得到待验证的同步序列数；
(22)判断待验证的同步序列数是否满足验证条件，若是，则执行步骤(23)，否则，执行步骤(26)；
(23)计算哈希值：
(23a)用户信息处理模块，计算待认证生物指纹特征与用户信息处理模块解密得到的随机密钥1的哈希值，记为第一个哈希值；
(23b)指纹信息验证模块，计算其产生的随机密钥1与据用户名查询到的生物指纹特征的哈希值，记为第二个哈希值；
(24)判断第一个哈希值与第二个哈希值是否相等，若是，则执行步骤(25)，否则执行步骤(26)；
(25)接入服务模块允许待认证无线终端接入无线网络；
(26)接入服务模块拒绝待认证终无线端接入无线网络。
3.根据权利要求2所述的基于射频指纹和生物指纹无线网接入认证方法，其特征在于，步骤(2a)中所述的过采样是指，使用大于奈奎斯特采样频率的频率，对无线终端基带的同相正交信号进行采样。
4.根据权利要求2所述的基于射频指纹和生物指纹无线网接入认证方法，其特征在于，步骤(2c)中所述的频偏估计方法的具体步骤如下：
第1步，依据射频指纹处理模块已知的前导序列及滑动窗口，计算得到本地相位差序列；
第2步，滑动窗口在能量归一化后的信号中滑动，每滑动至一个信号点，计算以当前信号点为起点的滑动窗口所覆盖的接收信号中满足固定间隔的两个信号点的相位差，得到接收相位差序列；
第3步，将本地相位差序列分别与接收相位差序列中的每一个接收相位差序列取差值，得到差值序列，确定差值序列中每一个差值序列的方差；
第4步，将差值序列中方差最小的一个差值序列的均值作为频率偏移的估计值。
5.根据权利要求2所述的基于射频指纹和生物指纹无线网接入认证方法，其特征在于，步骤(2d)中所述的载波相差估计方法的具体步骤如下：
第1步，依据射频指纹处理模块已知的前导序列及滑动窗口，计算得到本地相位差序列；
第2步，滑动窗口在能量归一化后的信号中滑动，每滑动至一个信号点，计算以当前信号点为起点的滑动窗口所覆盖的接收信号中满足固定间隔的两个信号点的相位差，得到接收相位差序列；
第3步，将本地相位差序列分别与接收相位差序列中的每一个接收相位差序列取差值，得到差值序列，确定差值序列中每一个差值序列的方差；
第4步，将差值序列中方差最小的一个差值序列对应的能量归一化后的信号序列与所述滑动窗口所覆盖的前导序列的相位差均值作为相位偏移估计值。
6.根据权利要求2所述的基于射频指纹和生物指纹无线网接入认证方法，其特征在于，步骤(14a)中所述的随机森林识别器是指，采用随机森林算法构建决策树，对待认证的射频指纹特征向量进行“少数服从多数”的投票，根据投票的结果，从射频指纹特征向量白名单的射频指纹特征向量中，识别与待认证的射频指纹特征向量最相似的一个射频指纹特征向量。
7.根据权利要求2所述的基于射频指纹和生物指纹无线网接入认证方法，其特征在于，步骤(15)中所述的欧氏距离阈值是指，在保密场景通过多次实验所得到的欧氏距离阈值。
8.根据权利要求2所述的基于射频指纹和生物指纹无线网接入认证方法，其特征在于，步骤(19c)中所述的加密算法可采用高级加密标准、三重数据加密算法两种加密算法中的任意一种。
9.根据权利要求2所述的基于射频指纹和生物指纹无线网接入认证方法，其特征在于，步骤(22)中所述的验证条件是指，待验证的同步序列数与指纹信息验证模块产生的同步序列数相同，且待验证的同步序列数是第一次进行验证。
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| CN108173871B (zh) | 2020-02-21 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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