CN110730147A - 基于采样率偏差估计的物理层设备特征提取方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于采样率偏差估计的物理层设备特征提取方法及装置，方法包括(1)接收目标设备发送的具有重复信号帧结构的信号；(2)根据接收信号生成标准信号，从接收信号中采集多段不同位置的信号，并与标准信号进行不固定间隔相关运算，得每一个相关峰和相邻点的相关值；(3)根据步骤(3)结果估计重复信号帧结构的时间间隔I；(4)将多段不同位置的信号，与标准信号进行固定间隔相关运算，得到每一个相关峰和相邻点的相关值集合；(5)步骤(4)得到的相关值集合计算接收信号相关峰的变化规律；(6)将重复信号帧结构的时间间隔I以及相关峰的变化规律做为信号发射设备的物理层设备特征。本发明可以实现基带通信系统中设备特征提取。

Description

基于采样率偏差估计的物理层设备特征提取方法及装置
技术领域
本发明涉及通信技术，尤其涉及一种基于采样率偏差估计的物理层设备特征提取方法。
背景技术
基于发射设备的物理层设备指纹特征，可以对发射设备的身份进行识别。发射设备的物理层指纹特征主要有瞬态特征，稳态特征及频谱特征。然而，基于瞬态特征和频谱特征的物理层设备特征提取方法容易受到传输信道及信噪比干扰的影响，在实际应用中具有一定的局限性。基于稳态特征的物理层设备特征提取方法具有较好的稳定性。在无线通信系统中，稳态特征主要有载波频率偏差，I/Q偏移偏差等。然而，在基带通信系统，如有线通信系统中，载波频率偏差和I/Q偏移偏差并不存在，无法提取其特征。针对现有的数字通信系统，无论是采用何种通信调制方式，其发射端会将固定的数字信号转换为模拟信号，其接收端再将模拟信号转换为数字信号。在进行数字信号至模拟信号转换的过程中，受到采样率偏差的影响，不同的发射端实际传输的模拟信号，其信号的符号速率会有些许的偏差。该偏差主要是受发射端数字模拟转换器晶体振荡器偏差的影响。因此，接收端可以基于采样率偏差造成的符号速率偏差，估计其偏差值并提取物理层设备特征用于对发射端的身份认证。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种基于采样率偏差估计的物理层设备特征提取方法，通过提取重复信号帧结构的时间间隔以及相关峰的变化规律，将其做为信号发射设备的一种物理层设备特征，进而实现基带通信系统中设备身份的识别。
技术方案：本发明所述的基于采样率偏差估计的物理层设备特征提取方法包括以下步骤：
(1)接收目标设备发送的具有重复信号帧结构的信号；
(2)根据接收信号生成标准信号，以相同时间间隔从接收信号中采集多段不同位置的信号，并与标准信号进行不固定间隔相关运算，得到每一个相关峰的时间坐标位置，以及每一个相关峰和相邻点的相关值集合；
(3)基于相关峰的时间坐标位置以及每一个相关峰和相邻点的相关峰值，估计包含整数和小数的重复信号帧结构的时间间隔I；
(4)对于从接收信号中采集的多段不同位置的信号，与标准信号进行固定间隔相关运算，得到每一个相关峰和相邻点的相关值集合；
(5)步骤(4)得到的相关值集合计算接收信号相关峰的变化规律；
(6)将重复信号帧结构的时间间隔I以及相关峰的变化规律做为信号发射设备的物理层设备特征。
进一步的，步骤(1)中目标设备发送的信号，具体是用于同步的固定符号序列，或是用于信道估计的导频符号序列，或是信号通过扰码设备后产生的具有固定长度及周期性重复的符号序列。
进一步的，步骤(2)中所述的标准信号具体是，一帧与接收信号的重复信号帧结构相同帧结构的信号，或是接收信号的重复信号帧结构中任意一帧信号。
进一步的，步骤(2)中所述相关运算的步骤具体包括：
(2.1)对接收信号以时间间隔N采集出M段不同的信号，将其与标准信号进行不固定间隔相关运算：
Figure RE-GDA0002293294730000021
式中，
Figure RE-GDA0002293294730000022
表示采集的第m段信号在t时刻的相关值，L为接收信号的重复周期，x(i)表示标准信号在时刻i的值，y(t)表示接收信号，ym(t)表示从接收信号中采集的第m段信号，ym(t+i)表示ym(t)在时刻t+i的值，表示ym(t+i)的共轭，M为大于等于2的正整数；
(2.2)将相关值
Figure RE-GDA0002293294730000024
取最大值时t的值作为相关峰的时间位置tm，对应相关峰为
Figure RE-GDA0002293294730000025
Figure RE-GDA0002293294730000026
(2.3)对于每一个相关峰，得到其与相邻点的相关值集合为：p为相关峰的观测窗口宽度。
进一步的，步骤(3)具体包括：
(3.1)基于获得的每一个相关峰和相邻点的相关值，按照下式估计包含整数和小数的每一段信号的时间同步位置Indexm：
Figure RE-GDA0002293294730000028
其中tm表示第m段信号的相关峰的时间位置，
Figure RE-GDA0002293294730000031
分别为tm-1、 tm、tm+1时刻相关后结果的绝对值，M为相关峰的数量；
(3.2)通过每一段信号的时间同步位置Indexm，按照下式得到重复信号帧结构的时间间隔I：
进一步的，步骤(4)具体包括：
(4.1)获取从接收信号中采集的M段不同位置信号中第一段信号的相关峰的时间位置t1；
(4.2)根据第一段信号的相关峰的时间位置t1得到进行固定间隔相关时所有相关峰值为：
Figure RE-GDA0002293294730000033
式中，
Figure RE-GDA0002293294730000034
表示采集出的第m段信号的相关峰的值，L为接收信号的重复周期，x(i)表示标准信号在时刻i的值，y(t)表示接收信号，ym(t)表示从接收信号中采集的第m段信号，ym(t1+(m-1)N+i)表示接收信号y(t)在t1+(m-1)N+i时刻的值，信号y*()表示y()的共轭，N表示接收信号的采集时间间隔；
(4.3)对于每一个相关峰，得到其与相邻点的相关值集合为：
Figure RE-GDA0002293294730000035
p为相关峰的观测窗口宽度。
进一步的，步骤(5)具体包括：
(5.1)对步骤(4)得到每一段信号的相关峰和相邻点的相关值集合进行归一化，即：对每一段信号的相关峰和相邻点的相关值集合，从中找出最大值
Figure RE-GDA0002293294730000036
将集合中所有值除以
Figure RE-GDA0002293294730000037
后得到归一化后的相关值集合：
Figure RE-GDA0002293294730000038
M为信号的个数；
(5.2)根据每一段信号归一化后的相关值集合得到每段信号相关峰的变化Cm为：
Figure RE-GDA0002293294730000041
式中，p为相关峰的观测窗口宽度；
(5.3)对Cm进行拟合，将拟合后的直线斜率和直线与y轴交点的位置作为接收信号相关峰的变化规律。
本发明所述的基于采样率偏差估计的物理层设备特征提取装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序时实现上述方法。
有益效果：本发明提出的基于采样率偏差估计的物理层设备特征提取方法，将可以用于无线及有线通信系统中。提取的采样率偏差特征具有不易受噪声影响的特点。由于采样率偏差是一种常见的物理层设备特征，提取该特征用于物理层设备的身份认证具有非常好的环境适应性。
附图说明
图1是本发明的实现方案框图；
图2是本发明使用不固定间隔进行相关运算的实现结果图；
图3是本发明使用固定间隔进行相关运算的实现结果图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于采样率偏差估计的物理层设备特征提取方法，该方法适用于具有重复信号帧结构的通信系统，该方法在接收端执行，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一、接收目标设备发送的具有重复信号帧结构的信号。
其中，目标设备发送的信号，可以是用于同步的固定符号序列，也可以是用于信道估计的导频符号序列，还可以是信号通过扰码设备后产生的具有固定长度及周期性重复的符号序列。
例如，基带通信系统中基于IEEE 802.3的光纤通信系统其信号具有一定的重复周期，如1.25Gbs的千兆通信系统，使用10GS进行采样时，其传输的波形在没有输入特定传输信号时的重复周期L为1280点，该信号是将固定的序列通过扰码后得到的固定长度为1280点的波形。
步骤二、根据接收信号生成标准信号，以相同时间间隔从接收信号中采集多段不同位置的信号，并与标准信号进行不固定间隔相关运算，得到每一个相关峰的时间坐标位置，以及每一个相关峰和相邻点的相关值集合；
其中，所述标准信号具体是一帧与接收信号的重复信号帧结构相同帧结构的信号，或是接收信号的重复信号帧结构中任意一帧信号。例如，重复周期L为1280点的信号，则生成一个与接收信号帧结构相同的1280点的标准信号。
其中，相关峰和相邻点的相关值集合的获取具体步骤包括：
(2.1)对接收信号以时间间隔N采集出M段不同的信号，将其与标准信号进行不固定间隔相关运算：
Figure RE-GDA0002293294730000051
式中，
Figure RE-GDA0002293294730000052
表示采集的第m段信号在t时刻的相关值，L为接收信号的重复周期，x(i)表示标准信号在时刻i的值，y(t)表示接收信号，ym(t)表示从接收信号中采集的第m段信号，ym(t+i)表示ym(t)在时刻t+i的值，表示ym(t+i)的共轭，M为大于等于2的正整数；
(2.2)将相关值
Figure RE-GDA0002293294730000054
取最大值时t的值作为相关峰的时间位置tm，对应相关峰为
Figure RE-GDA0002293294730000055
Figure RE-GDA0002293294730000056
(2.3)对于每一个相关峰，得到其与相邻点的相关值集合为：
Figure RE-GDA0002293294730000057
如图2所示。
步骤三、基于相关峰的时间坐标位置以及每一个相关峰和相邻点的相关峰值，估计包含整数和小数的重复信号帧结构的时间间隔I。
该步骤具体包括：
(3.1)基于获得的每一个相关峰和相邻点的相关值，按照下式估计包含整数和小数的每一段信号的时间同步位置Indexm：
Figure RE-GDA0002293294730000058
其中tm表示第m段信号的相关峰的时间位置，
Figure RE-GDA0002293294730000059
分别为tm-1、 tm、tm+1时刻相关后结果的绝对值，M为相关峰的数量；
(3.2)通过每一段信号的时间同步位置Indexm，按照下式得到重复信号帧结构的时间间隔I：
Figure RE-GDA0002293294730000061
步骤四、对于从接收信号中采集的多段不同位置的信号，与标准信号进行固定间隔相关运算，得到每一个相关峰和相邻点的相关值集合。
该步骤具体包括：
(4.1)获取从接收信号中采集的M段不同位置信号中第一段信号的相关峰的时间位置t1；
(4.2)根据第一段信号的相关峰的时间位置t1得到进行固定间隔相关时所有相关峰值为：
Figure RE-GDA0002293294730000062
式中，
Figure RE-GDA0002293294730000063
表示采集出的第m段信号的相关峰的值，L为接收信号的重复周期，x(i)表示标准信号在时刻i的值，y(t)表示接收信号，ym(t)表示从接收信号中采集的第m段信号，ym(t1+(m-1)N+i)表示接收信号y(t)在t1+(m-1)N+i时刻的值，信号y*()表示y()的共轭，N表示接收信号的采集时间间隔；
(4.3)对于每一个相关峰，得到其与相邻点的相关值集合为：如图3所示。
步骤五、步骤四得到的相关值集合计算接收信号相关峰的变化规律。
该步骤具体包括：
(5.1)对步骤(4)得到每一段信号的相关峰和相邻点的相关值集合进行归一化，即：对每一段信号的相关峰和相邻点的相关值集合，从中找出最大值将集合中所有值除以后得到归一化后的相关值集合：
Figure RE-GDA0002293294730000067
M为信号的个数；
(5.2)根据每一段信号归一化后的相关值集合得到每段信号相关峰的变化Cm为：
Figure RE-GDA0002293294730000071
(5.3)对Cm进行拟合，将拟合后的直线斜率和直线与y轴交点的位置作为接收信号相关峰的变化规律。
步骤六、将重复信号帧结构的时间间隔I以及相关峰的变化规律做为信号发射设备的物理层设备特征。
本实施例还提供了俄译中基于采样率偏差估计的物理层设备特征提取装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序时实现上述方法。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种基于采样率偏差估计的物理层设备特征提取方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)接收目标设备发送的具有重复信号帧结构的信号；
(2)根据接收信号生成标准信号，以相同时间间隔从接收信号中采集多段不同位置的信号，并与标准信号进行不固定间隔相关运算，得到每一个相关峰的时间坐标位置，以及每一个相关峰和相邻点的相关值集合；
(3)基于相关峰的时间坐标位置以及每一个相关峰和相邻点的相关峰值，估计包含整数和小数的重复信号帧结构的时间间隔I；
(4)对于从接收信号中采集的多段不同位置的信号，与标准信号进行固定间隔相关运算，得到每一个相关峰和相邻点的相关值集合；
(5)步骤(4)得到的相关值集合计算接收信号相关峰的变化规律；
(6)将重复信号帧结构的时间间隔I以及相关峰的变化规律做为信号发射设备的物理层设备特征。
2.根据权利要求1所述的一种基于采样率偏差估计的物理层设备特征提取方法，其特征在于：步骤(1)中目标设备发送的信号，具体是用于同步的固定符号序列，或是用于信道估计的导频符号序列，或是信号通过扰码设备后产生的具有固定长度及周期性重复的符号序列。
3.根据权利要求1所述的一种基于采样率偏差估计的物理层设备特征提取方法，其特征在于：步骤(2)中所述的标准信号具体是，一帧与接收信号的重复信号帧结构相同帧结构的信号，或是接收信号的重复信号帧结构中任意一帧信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于采样率偏差估计的物理层设备特征提取方法，其特征在于：步骤(2)中所述相关运算的步骤具体包括：
(2.1)对接收信号以时间间隔N采集出M段不同的信号，将其与标准信号进行不固定间隔相关运算：
Figure FDA0002216215110000011
式中，
Figure FDA0002216215110000012
表示采集的第m段信号在t时刻的相关值，L为接收信号的重复周期，x(i)表示标准信号在时刻i的值，y(t)表示接收信号，ym(t)表示从接收信号中采集的第m段信号，ym(t+i)表示ym(t)在时刻t+i的值，
Figure FDA0002216215110000013
表示ym(t+i)的共轭，M为大于等于2的正整数；
(2.2)将相关值
Figure FDA0002216215110000021
取最大值时t的值作为相关峰的时间位置tm，对应相关峰为
Figure FDA0002216215110000022
Figure FDA0002216215110000023
(2.3)对于每一个相关峰，得到其与相邻点的相关值集合为：
Figure FDA0002216215110000024
p为相关峰的观测窗口宽度。
5.根据权利要求1所述的一种基于采样率偏差估计的物理层设备特征提取方法，其特征在于：步骤(3)具体包括：
(3.1)基于获得的每一个相关峰和相邻点的相关值，按照下式估计包含整数和小数的每一段信号的时间同步位置Indexm：
Figure FDA0002216215110000025
其中tm表示第m段信号的相关峰的时间位置，
Figure FDA0002216215110000026
分别为tm-1、tm、tm+1时刻相关后结果的绝对值，M为相关峰的数量；
(3.2)通过每一段信号的时间同步位置Indexm，按照下式得到重复信号帧结构的时间间隔I：
Figure FDA0002216215110000027
6.根据权利要求1所述的一种基于采样率偏差估计的物理层设备特征提取方法，其特征在于：步骤(4)具体包括：
(4.1)获取从接收信号中采集的M段不同位置信号中第一段信号的相关峰的时间位置t1；
(4.2)根据第一段信号的相关峰的时间位置t1得到进行固定间隔相关时所有相关峰值为：
Figure FDA0002216215110000028
式中，
Figure FDA0002216215110000031
表示采集出的第m段信号的相关峰的值，L为接收信号的重复周期，x(i)表示标准信号在时刻i的值，y(t)表示接收信号，ym(t)表示从接收信号中采集的第m段信号，ym(t1+(m-1)N+i)表示接收信号y(t)在t1+(m-1)N+i时刻的值，信号y*()表示y()的共轭，N表示接收信号的采集时间间隔；
(4.3)对于每一个相关峰，得到其与相邻点的相关值集合为：
Figure FDA0002216215110000032
p为相关峰的观测窗口宽度。
7.根据权利要求1所述的一种基于采样率偏差估计的物理层设备特征提取方法，其特征在于：步骤(5)具体包括：
(5.1)对步骤(4)得到每一段信号的相关峰和相邻点的相关值集合进行归一化，即：对每一段信号的相关峰和相邻点的相关值集合，从中找出最大值
Figure FDA0002216215110000033
将集合中所有值除以
Figure FDA0002216215110000034
后得到归一化后的相关值集合：
M为信号的个数；
(5.2)根据每一段信号归一化后的相关值集合得到每段信号相关峰的变化Cm为：
Figure FDA0002216215110000036
式中，p为相关峰的观测窗口宽度；
(5.3)对Cm进行拟合，将拟合后的直线斜率和直线与y轴交点的位置作为接收信号相关峰的变化规律。
8.一种基于采样率偏差估计的物理层设备特征提取装置，其特征在于：包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序时实现权利要求1-7中任意一项所述的方法。
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