CN110868432B - 一种射频指纹提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种射频指纹提取方法和无线射频接收机，其中方法包括：无线接收机从接收到的信号帧中取出全部前导符信号；通过信号内插去除前导符中的载波频偏，实现载波同步；将前导符信号分为长导码组和短导码组，将每组分为前后两个段信号；分别计算长导码组和短导码组内两段信号之间的复互相关函数；分别计算长导码组和短导码组信号的功率谱；计算长导码组和短导码组信号的功率谱差异，得到射频指纹。本发明提出的射频指纹提取方法受无线信道的影响小，更为纯净，进而可为利用射频指纹技术高精度识别发射机提供技术手段。

Description

一种射频指纹提取方法
技术领域
本发明涉及通信与信息安全技术领域，尤其涉及一种射频指纹提取方法。
背景技术
射频指纹(RFF)是无线发射设备的固有特征，它是发射信号经过发射机电路引起的微小的信号畸变。发射机中包含放大器、滤波器、变频器、加法器、振荡器、功放、天线等许多器件，由于制造工艺的偏差，这些器件的特性不可能完全一致，以至于任何一台发射设备都不可能具有完全相同的射频指纹。
RFF是器件引起的特性，因而具有长时稳定性和唯一性。RFF的这种特性可用来识别无线发射机，也可以用来对发射机的身份进行认证从而保护通信安全，也可用于无线网络对终端实施接入管控。RFF是由发射机产生、寄生在接收信号上的一种微弱信号。它的产生机理很复杂，可以用实验观察到射频指纹的存在，但却难以用数学来表达，因而难以找到理论上提取射频指纹的方法。特别是无线信道的多径效应与发射信号是卷积关系，而射频指纹在一定程度上也与发送信号呈卷积关系，要去除多径效应必然伤及射频指纹，因而多径效应很大程度上限制了射频指纹的精确提取。另外，信道噪声也是射频指纹的干扰项，去除加性噪声需要利用相关运算等累加操作，而累加操作又会模糊射频指纹的细节。因此，从一帧信号的前导符中直接去除信道噪声就非常困难。
因此，受到环境噪声和无线传输信道多径效应的影响，接收信号可能会产生严重的畸变，从接收信号中提取微弱的射频指纹信号非常的困难，特别是对于宽带信号而言更是如此。从目前公开的文献看，尚未出现能够从理论上寻找到真正抵抗随机噪声和多径效应的射频指纹提取方法。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明从无线通信的信号帧结构中寻找突破点，利用信号帧前导符中通常存在多个不同符号的特点，这些符号通常用来捕获信号帧、校正载波频偏、自动增益控制、信道估计以及实现符号的精确同步等，在本发明中，这些前导符除了仍然具有上述作用以外，还被利用来提取射频指纹。
本发明采用以下技术方案达到上述目的。
一方面，本发明提供一种射频指纹提取方法，包括：
无线接收机从接收到的信号帧中取出全部前导符信号；通过信号内插去除前导符中的载波频偏，实现载波同步；将前导符信号分为长导码组和短导码组，将每组分为前后两个段信号；分别计算所述长导码组和所述短导码组内两段信号之间的复互相关函数；分别计算所述长导码组和所述短导码组信号的功率谱；计算所述长导码组和所述短导码组信号的功率谱差异，得到射频指纹。
进一步的，所述将每组分为前后两个段信号具体为：用本地前导符信号与内插后的接收前导符信号计算互相关函数，精确确定所述长导码组和所述短导码组的分界时间点，进而划分出每组内的两个段信号。
进一步的，所述分别计算所述长导码组和所述短导码组内两段信号之间的复互相关函数具体为：
Figure GDA0002600037370000021
Figure GDA0002600037370000022
其中
Figure GDA0002600037370000023
表示求共轭操作，E[·]表示求期望运算，l＝0,1,…,N-1，
接收信号
yd1(n)＝sd1(n)*h(n)+v(n)
yd2(n)＝sd2(n)*h(n)+v(n)
yc1(n)＝sc1(n)*h(n)+v(n)
yc2(n)＝sc2(n)*h(n)+v(n)
其中d1和d2为短导码组内的两段符号，sd1(n)和sd2(n)为对应的发送信号；c1和c2为长导码组内的两段符号，sc1(n)和sc2(n)为对应的发送信号，n＝0,1,...,N-1，为采样点的序数；h(n)为多径信道，“*”表示线性卷积运算，v(n)为加性噪声。
进一步的，所述短导码组符号d1和d2与所述长导码组符号c1和c2对应的发送信号内容不同。
进一步的，所述计算所述长导码组和所述短导码组信号的功率谱具体为：对所述短导码组和所述长导码组内两段信号之间的复互相关函数做傅里叶变换，得到
GDD(k)＝FFT[Gd1d2(l)]＝Pdd(k)|H(k)|2
和GCC(k)＝FFT[Gc1c2(l)]＝Pcc(k)|H(k)|2
当sd1(n)＝sd2(n)、sc1(n)＝sc2(n)时，有
Pdd(k)＝|FFT[sd1(n)]|2＝|FFT[sd2(n)]|2
Pcc(k)＝|FFT[sc1(n)]|2＝|FFT[sc2(n)]|2，
Pdd(k)和Pcc(k)分别为每段对应的发送信号的功率谱，H(k)＝FFT[h(n)]，k＝0,1,…,N-1。
进一步的，所述计算所述长导码组和所述短导码组信号的功率谱差异具体为，
RFF(k)＝GDD(k)/GCC(k)＝Pdd(k)/Pcc(k)。
进一步的，该方法还包括将所述射频指纹以图形方式呈现在二维平面上。
本发明提出的射频指纹提取方法利用接收帧前导信号中的若干个符号之间进行一系列运算，包括互相关运算、傅里叶变换、功率谱相除等，去除信道加性噪声影响和信道多径效应影响，进而提取出射频指纹的方法；
与已有方法相比，本发明所提取的发射机射频指纹，受无线信道的影响小，更为纯净，进而可为利用射频指纹技术高精度识别发射机提供技术手段；
本发明适用于由多个不同符号组成的前导符帧结构的各种通信体制，特别是宽带通信体制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例基于前导符信号功率谱差异的射频指纹提取方法的流程图；
图2为接收机对信号帧的捕获和同步过程示意图；
图3为图1实施例中前导符号的分组和分段示意图；
图4为图1实施例中长导码组和短导码组内两段信号的互相关运算示意图；
图5为图1实施例中长导码组和短导码组之间功率谱差异运算示意图；
图6为射频指纹的极坐标形式示意图；
图7为本发明一实施方式中IEEE802.11gOFDM帧结构图；
图8为IEEE802.11g信号帧的前导符分组和分段方法示意图；
图9为提取的IEEE802.11g信号帧的射频指纹示意图；。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例是关于一种射频指纹提取方法，如图1所示，包括以下步骤：
Step1、无线接收机从接收到的信号帧中取出全部前导符信号，其中帧的捕获过程如图2所示；
Step2、通过信号内插去除前导符中的载波频偏，实现载波同步；
Step3、将前导符信号分为长导码组和短导码组，将每组分为前后两个段信号，经过划分后的前导符结构如图3所示；
Step4、分别计算所述长导码组和所述短导码组内两段信号之间的复互相关函数，如图4所示；
其中短导码组和长导码组内两段信号之间的复互相关函数分别为：
Figure GDA0002600037370000041
Figure GDA0002600037370000042
其中
Figure GDA0002600037370000043
表示求共轭操作，E[·]表示求期望运算，l＝0,1,…,N-1，接收信号
yd1(n)＝sd1(n)*h(n)+v(n)
yd2(n)＝sd2(n)*h(n)+v(n)
yc1(n)＝sc1(n)*h(n)+v(n)
yc2(n)＝sc2(n)*h(n)+v(n)
其中d1和d2为短导码组内的两段符号，sd1(n)和sd2(n)为对应的发送信号；c1和c2为长导码组内的两段符号，sc1(n)和sc2(n)为对应的发送信号，n＝0,1,...,N-1，为采样点的序数；h(n)为多径信道，“*”表示线性卷积运算，v(n)为加性噪声。d1、d2和c1、c2对应的发送信号内容必须不相同。
Step5、分别计算所述长导码组和所述短导码组信号的功率谱；
对所述短导码组和所述长导码组内两段信号之间的复互相关函数做傅里叶变换，得到
GDD(k)＝FFT[Gd1d2(l)]＝Pdd(k)|H(k)|2
和GCC(k)＝FFT[Gc1c2(l)]＝Pcc(k)|H(k)|2
当sd1(n)＝sd2(n)、sc1(n)＝sc2(n)时，有
Pdd(k)＝|FFT[sd1(n)]|2＝|FFT[sd2(n)]|2
Pcc(k)＝|FFT[sc1(n)]|2＝|FFT[sc2(n)]|2，
Pdd(k)和Pcc(k)分别为每段对应的发送信号的功率谱，H(k)＝FFT[h(n)]，k＝0,1,…,N-1。
Step6、计算所述长导码组和所述短导码组信号的功率谱差异，如图5所示，得到射频指纹。
长导码组和短导码组信号的功率谱差异为，
RFF(k)＝GDD(k)/GCC(k)＝Pdd(k)/Pcc(k)。射频指纹以图形方式呈现在二维平面上，如图6所示。
下面以IEEE802.11g通信体制为例对本实施例的方法进一步描述。
1、将前导符分组和分段
IEEE802.11g通信体制中的OFDM型前导符的帧结构如图7所示。在该帧结构中，前导符分为短导码和长导码两个组，各占8us。其中短导码组由10个短导码t1、t2、…、t10组成，每个短导码由12个子载波组成；长导码组由2个长导码T1、T2和一个循环前缀G12组成。
根据本发明的技术要求，分别将短导码组(2×3.2us)和长导码组(2×3.2us)分为等长的两个段，每段占时3.2us。如图8所示。
在接收机中，采用图2所示的帧捕获方法从接收信号中捕获到图8的所示的帧结构，并进行粗同步。然后，通过信号内插方法提高采样率，再用本地前导符信号与内插后的接收前导符信号计算互相关函数，精确确定图8所示的短导码组与长导码组的分界时刻点(即t10与G12之间的分界点)，进而划分出d1、d2、c1、c2的信号片段。
由于发射机响应和信道响应的存在，t1和t2短导码信号失真较大；同样长导码前面的G12信号也存在不稳定问题。因此，选择t3～t10作为短导码组，T1和T2作为长导码组，各占2×3.2us。
2、计算各段信号之间的互相关函数
假设在接收机中，图8所示的d1、d2、c1、c2的各段接收信号分别为yd1(n)、yd2(n)、yc1(n)和yc2(n)，这些信号都是复数信号。分别计算yd1(n)、yd2(n)互相关函数，即
Figure GDA0002600037370000051
以及yc1(n)和yc2(n)的互相关函数，即
Figure GDA0002600037370000052
其中
Figure GDA0002600037370000053
表示取共轭操作，l＝0,1,…,N-1。对于802.11g信号，OFDM复数信号的带宽为20MHz，采样率为20MHz。短导码d1、d2的时间长度都为3.2us，对应的采样点数为32点，采用2倍内插后有64个采样点。长导码c1、c2的时间长度也都为3.2us，对应的采样点数为32点，采用2倍内插后有64个采样点。因此，Gd1d2(l)和Gc1c2(l)的互相关长度为64点，且采用图4所示的循环互相关运算。
3、计算每组信号的功率谱
采用64点的快速傅里叶变换(FFT)运算，将步骤2中的两个公式变换到频域，即
GDD(k)＝FFT[Gd1d2(l)]＝Pdd(k)|H(k)|2
GCC(k)＝FFT[Gc1c2(l)]＝Pcc(k)|H(k)|2
k＝0,1,2,…,63。根据802.11g标准，每个短导码t3～t10都是由12个子载波构成，长导码由52个子载波构成。因此，在GDD(k)＝FFT[Gd1d2(l)]的64个值中，只有k＝{6,10,14,18,22,26,37,41,45,49,53,57}这12个频点的FFT结果有意义。GCC(k)＝FFT[Gc1c2(l)]中除了k＝{0,1,2,3,4,5,32,58,59,60,61,62,63}点外的其它频点的FFT结果有意义。
4、将两组信号的功率谱相除
将GDD(k)＝FFT[Gd1d2(l)]除以GCC(k)＝FFT[Gc1c2(l)]，即
RFF(k)＝GDD(k)/GCC(k)
从上式中，取出k＝{6,10,14,18,22,26,37,41,45,49,53,57}对应的RFF(k)值作为射频指纹。
5、以极坐标的方式展现射频指纹
步骤4中射频指纹的值是复数，将其表示成极坐标的形式为
RFF(k)＝|RFF(k)|eje(k)
其中“|·|”表示取幅度运算，“θ(k)”是取RFF(k)的相位，k＝{6,10,14,18,22,26,37,41,45,49,53,57}。
将极坐标形式的结果绘制在二维平面上，即形成射频指纹。这种方式可以将指纹细节进行展现，便于观察和比对。采用本实施例形成的典型的射频指纹图如图9所示。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (5)

1.一种射频指纹提取方法，其特征在于，包括
无线接收机从接收到的信号帧中取出全部前导符信号；
通过信号内插去除前导符中的载波频偏，实现载波同步；
将前导符信号分为长导码组和短导码组，将每组分为前后两个段信号，具体为：用本地前导符信号与内插后的接收前导符信号计算互相关函数，精确确定所述长导码组和所述短导码组的分界时间点，进而划分出每组内的两个段信号；
分别计算所述长导码组和所述短导码组内两段信号之间的复互相关函数；
分别计算所述长导码组和所述短导码组信号的功率谱；
计算所述长导码组和所述短导码组信号的功率谱差异，得到射频指纹，所述长导码组和所述短导码组信号的功率谱差异具体为：RFF(k)＝GDD(k)/GCC(k)＝Pdd(k)/Pcc(k)，其中GDD(k)为所述短导码组内两段信号之间的复互相关函数的傅里叶变换，GCC(k)为所述长导码组内两段信号之间的复互相关函数的傅里叶变换，Pdd(k)和Pcc(k)分别为所述短导码组和所述长导码组信号的功率谱，k＝0,1,…,N-1。
2.根据权利要求1所述的射频指纹提取方法，其特征在于，所述分别计算所述长导码组和所述短导码组内两段信号之间的复互相关函数具体为：
Figure FDA0002600037360000011
Figure FDA0002600037360000012
其中
Figure FDA0002600037360000013
表示求共轭操作，E[·]表示求期望运算，l＝0,1,…,N-1，
接收信号
yd1(n)＝sd1(n)*h(n)+v(n)
yd2(n)＝sd2(n)*h(n)+v(n)
yc1(n)＝sc1(n)*h(n)+v(n)
yc2(n)＝sc2(n)*h(n)+v(n)
其中d1和d2为短导码组内的两段符号，sd1(n)和sd2(n)为对应的发送信号；c1和c2为长导码组内的两段符号，sc1(n)和sc2(n)为对应的发送信号，n＝0,1,...,N-1，为采样点的序数；h(n)为多径信道，“*”表示线性卷积运算，v(n)为加性噪声。
3.根据权利要求2所述的射频指纹提取方法，其特征在于，所述短导码组符号d1和d2与所述长导码组符号c1和c2对应的发送信号内容不同。
4.根据权利要求2所述的射频指纹提取方法，其特征在于，所述计算所述长导码组和所述短导码组信号的功率谱具体为：对所述短导码组和所述长导码组内两段信号之间的复互相关函数做傅里叶变换，得到
GDD(k)＝FFT[Gd1d2(l)]＝Pdd(k)|H(k)|2
和GCC(k)＝FFT[Gc1c2(l)]＝Pcc(k)|H(k)|2
当sd1(n)＝sd2(n)、sc1(n)＝sc2(n)时，有
Pdd(k)＝|FFT[sd1(n)]|2＝|FFT[sd2(n)]|2
Pcc(k)＝|FFT[sc1(n)]|2＝|FFT[sc2(n)]|2，
H(k)＝FFT[h(n)]，k＝0,1,…,N-1。
5.根据权利要求1所述的射频指纹提取方法，其特征在于，该方法还包括将所述射频指纹以图形方式呈现在二维平面上。
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