CN110784864B - 一种星地链路设备射频指纹识别及安全接入认证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星地链路设备射频指纹识别及安全接入认证方法，包括如下步骤：步骤A、星地链路系统发射端发射特定结构的传输信号帧；步骤B、星地链路系统接收端对接收信号进行载波频率偏差估计和载波频率偏差校正；步骤C、星地链路系统接收端对发射端的射频指纹特征进行提取；步骤D、对发射端的射频指纹特征进行分类，并与特征库中的特征进行比较，最终进行设备识别、认证与接入控制。与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明提出的基于设备射频指纹识别与安全接入认证方法可以实现对仿冒和重放攻击的防范，从而使得星地链路系统具备更高的安全防护能力。

Description

一种星地链路设备射频指纹识别及安全接入认证方法

技术领域

本发明涉及一种星地链路设备射频指纹识别及安全接入认证方法。

背景技术

星地链路对安全有着很高的要求,现有的星地链路安全保障技术主要是基于密码学的认证和加密，这种方式都需要通过交互密钥信息以及认证信息等才能满足需求，但是由于无线信道的开放性导致星地链路之间交互的这些信息很容易被敌方截获和破译。为了满足未来恶劣环境星地链路系统的安全需求，需要设计和实现不同于传统通信安全保障技术的新方法。当电磁辐射源发射信号时，会不可避免的引入设备的物理特征，该物理特征有如设备的“指纹”特征，具有唯一性以及难以克隆的特性，该特征也被称为射频指纹特征或者物理层指纹特征。物理层指纹相关技术的深入研究证明，物理层指纹特征是无线设备唯一的特征，可以被用于电磁辐射源的身份识别与认证。

利用上述设备固有特征差异的射频指纹识别及安全接入认证技术，无需在星地链路中进行认证信息分发和管理，具有高效、低开销的特点，可以有效提升星地链路的高效性和安全性。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种星地链路设备射频指纹识别及安全接入认证方法，能够在星地链路中实现安全接入认证机制，本发明方法可以应用于高轨、中轨、低轨星地链路的设备特征提取，基于其设备的射频指纹特征可以抵御仿冒和重放攻击。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种星地链路设备射频指纹识别及安全接入认证方法，包括如下步骤：

步骤A、星地链路系统发射端发射特定结构的传输信号帧；

步骤B、星地链路系统接收端对接收信号进行载波频率偏差估计和载波频率偏差校正；

步骤C、星地链路系统接收端对发射端的射频指纹特征进行提取；

步骤D、对发射端的射频指纹特征进行分类，并与特征库中的特征进行比较，最终进行设备识别、认证与接入控制。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明提出的基于设备射频指纹识别与安全接入认证方法可以实现对仿冒和重放攻击的防范，从而使得星地链路系统具备更高的安全防护能力。

本发明的内容不仅可以用于星地链路系统的设备识别与安全接入认证，还可以用于无人机、无人车等无人系统的安全接入认证，以及用于情报侦察中的敌我识别等领域。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为基于设备射频指纹识别与安全接入认证框图；

图2为基于设备射频指纹分类识别示意图；

图3为信号帧格式示意图；

图4为频偏估计与校正示意图；

图5为射频指纹特征提取示意图。

具体实施方式

1、技术步骤

本发明提出了一种用于星地链路中基于设备射频指纹识别与安全接入认证方法，包括了高轨、中轨、低轨星地链路设备。本发明提出的基于设备射频指纹识别与安全接入认证方法所使用的物理层特征包括了星地链路中的各个设备发射端的射频指纹特征。下面，将详细阐述该方法的整个步骤：

步骤A：星地链路系统发射端发射特定结构的传输信号帧，其中特定结构的传输信号帧包括了在每一帧信号开始和结尾处的用于载波频率偏差估计的前导和后导信号。

步骤B：星地链路系统接收端接收到信号后首先估计载波频率偏差，将接收的信号进行载波频率偏差校正。

其中估计载波频率偏差是利用每一帧开始和结尾处的用于载波频率偏差估计的前导和后导信号，通过载波频率粗估计、细估计以及精准估计，最终获得精细的载波频率偏差。粗估计利用前导或后导信号进行傅立叶变换后，通过频率变化的偏移量，估计出载波频率的粗偏差。细估计利用前导或后导，通过计算相邻周期下相应采样点之间的相位偏移，估计出其载波频率偏差。精准估计即利用开始和结尾处的前导和后导，通过计算开始和结尾处信号相应采样点之间的相位偏移，估计出其载波频率偏差。

载波频率偏差校正是将原始采集的有效帧信号的每一个采样点乘以载波频率偏差的校正值，得到完全没有载波频率偏差的接收信号。

步骤C：星地链路系统接收端基于接收到的探测信号，估计出测量信号中的射频指纹特征，主要通过将探测信号绘制成差分星座轨迹图，从而获得射频指纹特征图。差分星座轨迹图可以通过一帧信号绘制得到，也可以通过多帧信号绘制得到。

步骤D：星地链路系统接收端基于卫星/航天器与地面链路的射频指纹特征，生成特征图，将该特征图作为测量得到的星地链路系统发射端的射频指纹特征。

2、详细技术方案

下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步说明。

本发明针对的轨道卫星通信系统包括了高轨、中轨、低轨卫星通信设备，地面通信设备。其中，高轨通信卫星因为几乎与地球同步运行，所以与移动终端通信时，其多普勒频移很小，其传输的路径受多径影响较小，但受噪声影响较大。中轨通信卫星运行高度较高，信道具有一定的时变性，其传输的路径受多径影响较小，但受噪声影响较大。低轨通信卫星运行高度较低，受到多普勒效应影响最为严重，其传输的路径受多径影响最大，但其接收信噪比一般也较高。针对多径及多普勒产生的影响，本发明提出的方法将适用于不同轨道星地链路系统，实现基于设备射频指纹识别及安全接入认证。

基于设备射频指纹识别与安全接入认证框图如图1所示。系统首先对接收信号进行处理，提取射频信号特征，然后再对其进行分类，并与特征库中的特征进行比较，最终进行设备识别、认证与接入控制。

在安全接入控制过程中，设备射频指纹特征提取与识别是整个过程的关键，设备射频指纹识别的总体架构如图2所示。系统首先对接收到的特征向量进行预处理。将特征向量进行预加权后输入分类器进行训练学习。通过迭代进行的方式可以得到合适的特征向量加权系数。最终，新输入的特征向量将乘以特征向量的加权系数后进行分类，从而完成设备的识别。

(1)信号设计

针对星地链路系统，为了能够实现识别与安全接入认证，需要设计能够提取物理层特征的信号结构。其信号需要能够测量出不同轨道卫星产生的多普勒频偏，并能够基于特定的信号提取出星地链路系统发射端的射频指纹特征。

具体的说，其信号设计规则为在每一帧信号开始和结尾处设计用于载波频率偏差估计的前导和后导序列。其信号帧格式如图3所示。

(2)信号预处理

地面设备针对接收到的星地链路设备信号，首先需要通过预处理获得其可以提取出星地链路系统发射端的射频指纹特征的处理信号。其预处理主要包括了载波频率偏差估计和载波频率偏差校正。其具体的处理流程如图4所示。

由于设计的传输信号在每一帧的开始和结束处都有用于载波频率偏差估计的前导和后导信号。可以基于其前导和后导信号进行载波频率偏差估计。载波频率偏差估计包括了粗估计、细估计以及精准估计三个过程。首先，接收端利用将开始或结尾出的前导和后导信号进行傅立叶变换后，通过前导和后导频率变化的偏移量，估计出载波频率的粗偏差。

即对接收的前导和后导信号y(t)进行傅立叶变换

Y(h)＝FFT(y(t))

得到其信号的频谱Y(h)。

接收端基于其信号的频谱Y(h)，寻找其峰值频谱所在位置IndexMaxEst(Y(h))。接收端基于已知的前导和后导信息，计算出其实际频谱应该的所在位置IndexMaxReal(Y(h))。接收端基于IndexMaxEst(Y(h))和IndexMaxReal(Y(h))的差值，估计出载波频谱粗偏差f₁(θ)。

其次，接收端利用前导或后导信号，通过计算相邻前导和后导周期下相应采样点之间的相位偏移，估计出其载波频率细偏差f₂(θ)。

最后，接收端利用前导和后导信号，通过计算开始和结尾处前导和后导信号相应采样点之间的相位偏移，估计出其载波频率精细偏差f₃(θ)。

接收端根据估计的载波频率偏差f₁(θ)，f₂(θ)，f₃(θ)，计算出整体的载波频率偏差f(θ)，并将接收的信号进行载波频率偏差校正，得到不含有载波频率偏差的接收信号。

(3)星地链路系统接收端对发射端的射频指纹特征进行提取

接收端可以基于获得的前导信号和后导信号，获得发射端射频指纹特征。其具体的实现方法如图5所示。接收端在收到过采样的基带信号后可以先对信号进行简单的预处理。预处理主要是对信号的能量进行归一化。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不同的延迟。延迟器对I/Q两路信号延迟的选择主要取决于对信号调制方式的判断。之后，系统对信号进行差分处理，就可以在复平面上绘制出稳定而又清晰的星座轨迹图。

差分星座轨迹图即为获得射频指纹特征图。该差分星座轨迹图可以通过一帧信号绘制得到，也可以通过多帧信号绘制得到。

Claims (3)

1.一种星地链路设备射频指纹识别及安全接入认证方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤A、星地链路系统发射端发射特定结构的传输信号帧，所述特定结构的传输信号帧包括在每一帧信号的开始和结尾处分别设置用于载波频率偏差估计的前导信号和后导信号；

步骤B、星地链路系统接收端对接收信号进行载波频率偏差估计和载波频率偏差校正，所述载波频率偏差估计的方法为：利用每一帧开始和结尾处的前导信号和后导信号，通过载波频率粗估计、细估计以及精准估计，最终获得精细的载波频率偏差，所述载波频率偏差估计包括如下步骤：

(1)对接收的前导信号和后导信号y(t)进行傅立叶变换，得到其信号的频谱Y(h)；接收端基于Y(h)，寻找其峰值频谱所在位置IndexMaxEst(Y(h))，并基于已知的前导和后导信息，计算出其实际频谱应该的所在位置IndexMaxReal(Y(h))；然后基于IndexMaxEst(Y(h))和IndexMaxReal(Y(h))的差值，估计出载波频率粗偏差f₁(θ)；

(2)接收端利用前导或后导信号，通过计算相邻前导和后导周期下相应采样点之间的相位偏移，估计出其载波频率细偏差f₂(θ)；

(3)接收端利用前导和后导信号，通过计算开始和结尾处前导和后导信号相应采样点之间的相位偏移，估计出其载波频率精细偏差f₃(θ)；

(4)接收端根据f₁(θ)，f₂(θ)，f₃(θ)，计算出整体的载波频率偏差f(θ)；

步骤C、星地链路系统接收端对发射端的射频指纹特征进行提取；

步骤D、对发射端的射频指纹特征进行分类，并与特征库中的特征进行比较，最终进行设备识别、认证与接入控制。

2.根据权利要求1所述的一种星地链路设备射频指纹识别及安全接入认证方法，其特征在于：所述载波频率偏差校正的方法是将原始采集的有效帧信号的每一个采样点乘以载波频率偏差的校正值，得到完全没有载波频率偏差的接收信号。

3.根据权利要求1所述的一种星地链路设备射频指纹识别及安全接入认证方法，其特征在于：步骤C所述星地链路系统接收端对发射端的射频指纹特征进行提取的方法为：

(1)接收端在收到过采样的基带信号后先对信号的能量进行归一化处理；

(2)然后将能量归一化处理后的信号送入I/Q两路延迟器；

(3)对信号进行差分处理；

(4)在复平面上绘制出星座轨迹图，即获得射频指纹特征图。

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