CN110944002A - 一种基于指数平均数据增强的物理层认证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于指数平均数据增强的物理层认证方法,包括以下步骤:构建第k个已知节点的信道信息数据集;采用指数平均数据增强方法构造一个新的伪信道信息样本;重复上一步骤,得到多个新的伪信道信息样本;将得到的多个伪信道信息样本加入输入样本集中;对平均数据增强后的输入样本集构建标签矩阵作为输出样本集,然后构建新的信道信息数据集;重复上述所有步骤,得到Q个已知节点的训练数据集,加入一个总的训练数据集中;利用总的训练数据集训练分类器模型,完成未知节点的物理层认证。本发明利用指数加权平均的方法从直接提取的信道信息去构造新的信道信息样本,获得更多的训练数据,有利于得到足够的信道信息样本,提高认证的准确率。
Description
技术领域
本发明涉及边缘计算安全认证接入,特别是涉及一种基于指数平均数据增强的物理层认证方法。
背景技术
物理层认证方法因其采用两个实体间的物理信道信息,而具有不可克隆的高安全无线认证方法,同时物理层认证也是一种非对称的认证方法,在主机对节点的认证中,可以直接在主机对接收到的来自节点的信息包的信道信息进行抽取、进而识别,节点几乎可以不做任何计算和存储,其对节点来说是一种轻量级的认证方法,在一些特点的场景,例如,边缘计算系统尤其适用。
边缘计算以其近节点部署,物联接近物联网节点的特点,克服了云计算中心的长距离传输延迟、计算负载、减缓了网络拥塞,将原有的云计算模型的部分或者全部计算任务迁移到网络边缘设备上,使得物联网在匹配海量边缘数据、实时性、隐私保护、能耗等主要方面更能满足需求。但是边缘计算靠近众多节点,节点受部署在各种不同的应用场景下,是收集执行系统的数据或者执行命令的终端,其因分布广泛极易受到攻击,又因为能量和计算存储受到限制,节点安全防范比较薄弱,这使得边缘计算节点面临着一系列的安全挑战。
然后边缘计算近节点部署,节点信息包通常直接与边缘计算侧进行通信,使得边缘计算侧可以很好地直接提取节点通信信息包的信道信息,边缘计算侧的计算资源也为物理层认证提供了计算支撑,使得机器学习等复杂的方法可以用以改进物理层认证的认证率,实现高安全认证。
物理层认证方法利用无线信道信息的空时唯一性,通过比较连续帧之间的信道信息相似性来判断用户身份,在实际应用中,信道信息数据获取的有限性,使得特征提取中对数据量有一定要求时,会比较费时,如果数据量不足也会导致认证准确性低,从而影响认证准确率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种基于指数平均数据增强的物理层认证方法,利用指数加权平均的方法从直接提取的信道信息去构造新的信道信息样本,以获得更多的训练数据,有利于获得足够的信道信息样本,提高认证的准确率。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种基于指数平均数据增强的物理层认证方法,包括以下步骤:
S1.边缘计算设备根据第k个已知节点的信道信息和标签,构建第k个已知节点的信道信息数据集Dk:
Dk={Xk,Yk}
其中,Xk为输入样本集,Yk为输出样本集:
S3.边缘计算设备在n=1,2,...,Mk时,重复步骤S2,得到Mk个新的伪信道信息样本:
其中,1≤Mk≤Nk;
S7.边缘计算设备构建基于识别算法的分类器模型,并利用总的训练数据集D对生成的分类器模型进行训练,得到成熟的分类器模型,并利用成熟的分类器模型完成未知节点的物理层认证。
本发明的有益效果是:本发明利用指数加权平均的方法从直接提取的信道信息去构造新的信道信息样本,以获得更多的训练数据,有利于获得足够的信道信息样本,提高认证的准确率。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案,但本发明的保护范围不局限于以下所述。
本发明是对基于机器学习、深度学习下的物理层认证方法的改进,目前基于机器学习、深度学习下的物理层认证方法的模型训练和认证中,都是直接采用从解调的同步头中通过信道估计提取信道信息,然后对这些提取的信道信息打标签用于模型训练,这样获得的信道信息特征数据不足,会导致认证准确性低,从而影响认证准确率。本发明是利用指数加权平均的方法从直接提取的信道信息去构造新的信道信息样本,以获得更多的训练数据,具体地,
如图1所示,一种基于指数平均数据增强的物理层认证方法,包括以下步骤:
S1.边缘计算设备根据第k个已知节点的信道信息和标签,构建第k个已知节点的信道信息数据集Dk:
Dk={Xk,Yk}
其中,Xk为输入样本集,Yk为输出样本集:
式中,k=1,2,...Q,Q表示已知节点的总数目;表示在t时隙上第k个已知节点的信道信息向量,Nk表示第k个已知节点时隙总数;Yk中包含Nk个相同Ik,其中Ik表示第k个已知节点的标签;在本申请的实施例中,所述的标签采用节点编号;
其中,β是预设的指数平均数据增强方法的超参数,表示构造的新的伪信道信息向量和直接提取的信道信息向量的相关性,其值越大相关性越大,例如,β=0.9表示新构造的伪信道信息主要受其前面10个(即,1/1-β=10信道信息向量的影响(而再之前的信道信息,由于其加权系数太小可忽略不计),β=0.99表示新的信道信息向量主要受其前面的100个信道信息向量的影响;为偏差修正项,作用是是防止构造的前两个信道信息样本幅度太小;
S3.边缘计算设备在n=1,2,...,Mk时,重复步骤S2,得到Mk个新的伪信道信息样本:
其中,1≤Mk≤Nk;
S7.边缘计算设备构建基于识别算法的分类器模型,并利用总的训练数据集D对生成的分类器模型进行训练,得到成熟的分类器模型,并利用成熟的分类器模型完成未知节点的物理层认证。
在本申请的实施例中,可以在利用总的训练数据集中所有样本对分类器模型进行训练后,就认为得到了成熟的分类器模型,训练停止;也可以将总的训练数据集划分为训练集合测试集;利用训练集中的数据进行训练,并利用测试集中的数据对模型进行测试,当模型输出参数的误差小于设定阈值时,即可认为得到了成熟的分类器模型,训练停止。
所述步骤S1包括以下子步骤:
S101.边缘计算设备接收来自第k个已知节点的信号后,提取各个时隙中第k个已知节点的信道信息向量,获得第k个已知节点的信道信息矩阵Xk:
S102.边缘计算设备构建输出样本Yk:
即输出样本Yk中包含Nk个相同Ik,其中Ik表示第k个已知节点的标签;
S103.边缘计算设备将Xk作为输入样本,Yk作为输出样本,构建第k个已知节点的信道信息数据集Dk:
Dk={Xk,Yk}。
在本申请的实施例中,边缘计算设备采集信道信息的方法可以是最小均方误差(MMSE),最小二乘(LS)等信道估计方法,也可以是这些方法的改进信道估计方法。
在本申请的实施例中,步骤S7的识别算法包括但不限于机器类学习算法或深度神经网络学习算法;考虑到深度神经网络具有出色的拟合和分类能力,因此使用深度神经网络进行物理层认证具有好的性能,故本申请在实际实施过程中采用深度神经网络。但是,当数据集相对较小时,深度神经网络有其局限性,对无线信道信息的时间相关性要求,或一些其他的限制性要求,无法获取比较大的信道样本集。那么,在相关时间内从收集信道响应中获取足够的数据集非常重要的情况下,指数平均数据增强可以通过一些现有数据的相关性特性,从现有数据集中重新生成伪数据集,这是扩展有限训练数据集以实现神经网络训练,提高认证率的有效方式;
在本申请的实施例中,所述步骤S7中对未知节点进行物理层认证的过程包括:
S701.边缘计算设备接收来自未知节点l的信号,提取各个时隙中未知节点l的信道信息向量,获得未知节点l的信道信息矩阵Xl:
S703.边缘计算设备在n=1,2,...,Ml时,重复步骤S702,得到Ml个新的伪信道信息样本:
其中,1≤Ml≤Nl;
S705.边缘计算设备将输入样本集输入到成熟的分类器模型中,根据成熟的分类器模型输出结果是实现未知节点l的物理层认证;在该实施例中,可以将输入样本集中的任一样本输入成熟的分类器模型中,若成熟的分类器模型输出的信息为已知节点的标签,则未知节点l合法,物理层认证通过,否则,物理层认证不通过;在该实施例中,还可以将输入样本集中的每一样本分别送入成熟的分类器模型中,统计成熟的分类器输出次数最多的输出信息,该信息若为已知节点的标签,则未知节点l合法,物理层认证通过,否则,物理层认证不通过。
综上,本发明利用指数加权平均的方法从直接提取的信道信息去构造新的信道信息样本,以获得更多的训练数据,有利于获得足够的信道信息样本,提高认证的准确率。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式,不应该看作是对其他实施例的排除,而可用于其他组合、修改和环境,并能够在本文所述构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围,则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于指数平均数据增强的物理层认证方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1.边缘计算设备根据第k个已知节点的信道信息和标签,构建第k个已知节点的信道信息数据集Dk:
Dk={Xk,Yk}
其中,Xk为输入样本集,Yk为输出样本集:
S3.边缘计算设备在n=1,2,...,Mk时,重复步骤S2,得到Mk个新的伪信道信息样本:
其中,1≤Mk≤Nk;
S7.边缘计算设备构建基于识别算法的分类器模型,并利用总的训练数据集D对生成的分类器模型进行训练,得到成熟的分类器模型,并利用成熟的分类器模型完成未知节点的物理层认证。
2.根据权利要求1所述的一种基于指数平均数据增强的物理层认证方法,其特征在于:所述步骤S1包括以下子步骤:
S101.边缘计算设备接收来自第k个已知节点的信号后,提取各个时隙中第k个已知节点的信道信息向量,获得第k个已知节点的信道信息矩阵Xk:
S102.边缘计算设备构建输出样本Yk:
即输出样本Yk中包含Nk个相同Ik,其中Ik表示第k个已知节点的标签;
S103.边缘计算设备将Xk作为输入样本,Yk作为输出样本,构建第k个已知节点的信道信息数据集Dk:
Dk={Xk,Yk}。
3.根据权利要求1所述的一种基于指数平均数据增强的物理层认证方法,其特征在于:步骤S7的识别算法包括但不限于机器类学习算法或深度神经网络学习算法。
4.根据权利要求1所述的一种基于指数平均数据增强的物理层认证方法,其特征在于:所述步骤S7中对未知节点进行物理层认证的过程包括:
S701.边缘计算设备接收来自未知节点l的信号,提取各个时隙中未知节点l的信道信息向量,获得未知节点l的信道信息矩阵Xl:
S703.边缘计算设备在n=1,2,...,Ml时,重复步骤S702,得到Ml个新的伪信道信息样本:
其中,1≤Ml≤Nl;
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