CN114125853B - 一种基于循环移位特性的扩频信号射频指纹特征提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于循环移位特性的扩频信号射频指纹特征提取方法，包括如下步骤：通过计算信号前导码中相邻重复符号的差分结果来估计信号的载波频偏；通过计算接收信号前导码和本地理想信号前导码的共轭乘积结果求出载波相偏，实现载波同步；将信号帧按单个符号进行分割，并让IQ两路信号对齐；将每个符号能量归一化；利用循环移位特性分别计算每个符号与本地基准符号的循环相关函数；将循环相关函数整合，利用傅里叶变换求出互功率谱；将一帧信号所有符号的互功率谱结果求和取平均得到射频指纹。本发明提出的射频指纹提取方法受环境噪声影响较小，适用于低信噪比条件，且射频指纹与发送数据无关，可适用于多种扩频信号。
Description
技术领域
本发明属于通信与信息安全技术领域，涉及一种基于循环移位特性的扩频信号射频指纹特征提取方法。
背景技术
射频指纹(Radio Frequency Fingerprinting)是无线发射设备与生俱来的特征，它的成因在于不同的射频电路引起信号不同程度的畸变。射频电路中往往包含一系列的电子器件，由于生产工艺不尽相同，这些电子器件实际拥有的电气参数也存在微小的差异。射频电路工作时，电子器件共同作用，使得任何一个射频电路都不可能具有完全相同的射频指纹。
射频指纹具有长期稳定和唯一的特点，这种特性就像人的指纹，可用来识别不同的发射设备，完成对发射设备的身份认证，可用于保护通信安全，还可用于无线网络中对终端设备的接入控制。射频指纹是射频电路上电子器件共同作用的结果，产生机理复杂，很难用准确的数学公式进行表达，因而难以找到切实有效的射频指纹提取方法。
射频指纹反映的是射频电路对信号的微弱变化，而环境噪声对信号的影响比射频指纹大得多，同时对信号产生的畸变难以和射频指纹加以区分。现有的提取技术存在没有考虑数据无关性的问题，即没有从理论和实验上证明射频指纹与发送数据间不存在关系。此外，射频指纹反映的是硬件特性，不管发送数据是什么，射频指纹都不应该受到数据的影响，这在很多方案中没有得到体现。
例如：专利CN202010417579.7《一种基于瞬态-稳态的部分叠加射频指纹方法》将ZigBee信号前导码中前2个“0”符号及前导前的一段信号作为瞬态部分，后6个“0”符号在时域上进行叠加后作为稳态部分，最后将瞬态、稳态部分进行拼接作为神经网络的输入。该专利稳态部分中只能将相同符号进行叠加，对于前导码中都是不同符号的信号失去适用性，说明其具有一定的局限性。
文献《Design of a Robust RF Fingerprint Generation and ClassificationScheme for Practical Device Identification》也是基于将相同符号叠加以增强信噪比的思想。该论文将一帧ZigBee信号内的所有相同符号进行叠加，既利用了前导部分的“0”符号，也利用了数据部分的“0”符号，使得抗噪声性能比专利CN202010417579.7有所提升。但由于只使用了“0”符号进行射频指纹的提取，没有说明使用其他符号也能达到同样的效果，使得目前的方法都存在射频指纹与数据相关的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于循环移位特性的扩频信号射频指纹特征提取方法。本发明利用符号间循环移位的特性，实现射频指纹的数据无关性；其次，利用噪声与信号不相关则互功率谱为零的性质，提取信号的互功率谱特征，可抵抗环境噪声。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于循环移位特性的扩频信号射频指纹提取方法，包括如下步骤：
S1：通过计算信号前导码中相邻重复符号的差分函数来估计信号的载波频偏；
S2：通过计算接收信号前导码和本地理想信号前导码的共轭乘积函数求出载波相偏，进而实现载波同步；
S3：将信号帧按单个符号进行分割，并让IQ两路信号对齐；
S4：将每个符号能量归一化；
S5：利用循环移位特性分别计算每个符号与本地基准符号的循环相关函数；
S6：将每个符号的所有循环相关结果整合，利用傅里叶变换求出互功率谱；
S7：将一帧信号所有符号的互功率谱结果求和取平均得到射频指纹。
进一步的，所述步骤S1、S2中计算的信号为无线接收机接收到的任意一帧信号。
进一步的，所述步骤S3具体包括如下过程：
利用同步点，根据采样率和符号时长计算每个符号占用的点数进行分割，如果IQ两路信号存在调制方式上的延迟，则将Q路信号的尾部拼接至其头部，以实现IQ两路信号的对齐。
进一步的，所述步骤S5具体包括如下过程：
将基准符号循环移位和接收符号进行运算，得到循环相关结果，接收符号和基准符号表示为：
Rt(n)＝[rt1,rt2,…,rtN]'N×1,t＝1,2,…,T
Si9n)＝[si1,si2,…,siN]'N×1,i＝1,2,…,I
其中，Rt(n)表示一帧信号内的第t个符号，为包含N个复数的列向量；T表示一帧信号内所有符号的个数，为N行1列的向量；Si(n)表示第i个基准符号，为包含N个复数的列向量；I表示所有基准符号的个数，为N行1列的向量；'表示矩阵转置运算；
循环相关结果表示为：
Cti(n)＝Rt(n)⊙Si(n)＝[cti1,cti2,…,ctiN]'N×1
其中，Cti(n)表示Rt(n)和Si(n)循环相关的结果，为包含N个复数的列向量；ctim表示Cti(n)中的第m个元素；⊙表示循环相关运算，为循环移位函数，*表示共轭运算，·表示矩阵乘法运算。
进一步的，所述步骤S6具体包括如下过程：
计算循环相关结果中每个元素模值的平方，再利用傅里叶变换求出互功率谱。
进一步的，具体公式为：
Pt(n)＝FFT(C2 t1(n)+C2 t2(n)+…+C2 tI(n))
C2 ti(n)＝[|cti1|2,|cti2|2,…,|ctiN|2]'N×1
其中，C2 ti(n)表示第t个接收符号和第i个基准符号进行循环相关运算再对Cti(n)中所有元素取模平方的结果，为N行1列的实数向量；Pt(n)是一帧信号内第t个符号对应的互功率谱函数，为I个C2 ti(n)相加再进行傅里叶变换的结果；|·|2表示复数取模再平方运算，'表示矩阵转置运算。
进一步的，所述步骤S6通过如下公式得到射频质问：
其中，T表示一帧信号总共包含的符号个数。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
1.本发明提出的射频指纹提取方法利用接收帧的所有符号计算互功率谱，增强了射频指纹特征，其中包括循环移位运算、循环相关运算、傅里叶变换等，去除环境中的加性噪声，进而提取出射频指纹。
2.已有技术相比，本发明所提取的射频指纹稳定性好，受环境噪声影响较小，适用于低信噪比条件，在54台ZigBee设备相距18个多月的数据上进行实验，识别准确率达到100％。利用任意随机符号都能提取射频指纹，真正达到了射频指纹与数据无关的特性，符合实际场景下发射机发送数据的随机性，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。
3.本发明适用于符号之间存在循环移位特性的各种通信体制，可适用于多种扩频信号，特别是窄带通信体制。
附图说明
图1为本发明提供的基于循环移位特性的扩频信号射频指纹提取方法流程图。
图2为IEEE802.15.4物理层帧结构示意图。
图3为符号“0”对应的IQ两路的时域波形。
图4为图1实施例中逐符号分割信号帧，并对齐IQ两路信号的示意图。
图5为图1实施例中接收符号与所有基准符号进行循环相关运算的示意图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明提供的基于循环移位特性的扩频信号射频指纹提取方法流程如图1所示，包括如下步骤：
S1：通过计算信号前导码中相邻重复符号的差分函数来估计信号的载波频偏；
S2：通过计算接收信号前导码和本地理想信号前导码的共轭乘积函数求出载波相偏，进而实现载波同步；
S3：将信号帧按单个符号进行分割，并让IQ两路信号对齐；
分割的方式具体为：利用同步点，根据采样率和符号时长计算每个符号占用的点数进行分割，如果IQ两路信号存在调制方式上的延迟，可以将Q路信号的尾部拼接至其头部，以实现IQ两路信号的对齐。
S4：将每个符号能量归一化；
S5：利用循环移位特性分别计算每个符号与本地基准符号的循环相关函数；
符号间存在的循环移位特性具体为：存在若干符号Si(n)，其他所有符号Sj(n)(j≠i)都可以通过Si(n)循环移位得到，而Si(n)之间不能相互循环移位得到，则符号间存在循环移位特性，用公式表示为：
m为整数
其中，表示当m>0时将Si(n)向正方向循环移动m位；当m<0时将Si(n)向负方向循环移动-m位。
循环相关函数不同于线性相关函数，是通过将基准符号循环移位和接收符号进行运算，接收符号和基准符号表示为
Rt(n)＝[rt1,rt2,…,rtN]'N×1,t＝1,2,…,T
Si(n)＝[si1,si2,…,siN]'N×1,i＝1,2,…,I
其中，Rt(n)表示一帧信号内的第t个符号，为包含N个复数的列向量；T表示一帧信号内所有符号的个数，为N行1列的向量；Si(n)表示第i个基准符号，为包含N个复数的列向量；I表示所有基准符号的个数，为N行1列的向量；'表示矩阵转置运算。
循环相关结果表示为：
Cti(n)＝Rt(n)⊙Si(n)＝[cti1,cti2,…,ctiN]'N×1
其中，Cti(n)表示Rt(n)和Si(n)循环相关的结果，为包含N个复数的列向量；ctim表示Cti(n)中的第m个元素；⊙表示循环相关运算，为循环移位函数，*表示共轭运算，·表示矩阵乘法运算。
S6：将每个符号的所有循环相关结果整合，利用傅里叶变换求出互功率谱；
若存在I个基准符号，则一个接收符号就会有I个循环相关结果，需要将这I个结果进行整合，计算循环相关结果中每个元素模值的平方，再利用傅里叶变换求出互功率谱，具体公式为：
Pt(n)＝FFT(C2 t1(n)+C2 t2(n)+…+C2 tI(n))
C2 ti(n)＝[|cti1|2，|cti2|2，…，|ctiN|2]′N×1
其中，C2 ti(n)表示第t个接收符号和第i个基准符号进行循环相关运算再对Cti(n)中所有元素取模平方的结果，为N行1列的实数向量；Pt(n)是一帧信号内第t个符号对应的互功率谱函数，为I个C2 ti(n)相加再进行傅里叶变换的结果；|·|2表示复数取模再平方运算，′表示矩阵转置运算。
互功率谱特征可抵抗环境噪声的原理具体为：假设环境噪声为n(t)，本地理想信号为s(t)，包含射频指纹的信号为y(t)，则接收信号r(t)可表示为r(t)＝y(t)+n(t)。
r(t)和不含射频指纹的本地理想信号s(t)做互相关运算，即
Rrs(t，u)＝E[r(t)s(u)]
＝E[(y(t)+n(t))s(u)]
＝E[y(t)s(u)+n(t)s(u)]
＝E[y(t)s(u)]+E[n(t)s(t)]
Rrs(τ)＝Rys(τ)+Rns(τ)
将互相关结果进行傅里叶变换得到互功率谱，公式如下：
Prs(f)＝FFT(Rrs(τ))
＝FFT(Rys(τ))+FFT(Rns(τ))
＝Pys(f)+Pns(f)
＝Pys(f)
因为噪声n(t)与本地理想信号s(t)不相关，所以互功率谱Pns(f)为零。而射频指纹则包含在信号y(t)与本地理想信号s(t)的互功率谱函数Pys(f)中。
S7：将一帧信号所有符号的互功率谱结果求和取平均得到射频指纹。
一帧信号内总共有T个符号，就会有T个互功率谱函数，利用所有符号的互功率谱函数求和取平均得到射频指纹，公式为：
其中，T表示一帧信号总共包含的符号个数。
射频指纹数据无关性具体为：假设符号Rj(n)可由Si(n)循环移位得到，则循环相关结果间也存在循环移位特性。具有循环移位特性的序列通过傅里叶变换之后，只会在频域引入一个线性相位因子，而对幅度谱没有影响。也就是说有多少个基准符号Si(n)，就会有多少个不同的互功率谱函数。如果将所有互相关结果结合在一起，那么就会得到一个相同的互功率谱函数，不同的射频指纹就体现在互功率谱函数的差异上。因为用到了所有的基准符号，所以提取出的射频指纹就跟符号没有关系，即具备数据无关性。
下面以ZigBee通信体制为例对本发明方法做进一步描述。
1、提取信号突发并同步。
无线接收机使用接收到的任意一帧信号；通过计算信号前导码中相邻重复符号的差分函数来估计信号的载波频偏；通过计算接收信号前导码和本地理想信号前导码的共轭乘积函数求出载波相偏，进而实现载波同步。
2、将同步好后的一帧ZigBee信号逐符号分割，并将IQ路信号对齐。
ZigBee通信体制中采用IEEE802.15.4标准，其物理层协议数据单元结构如图2所示。在该帧结构中，前导码由4个字节的“0”符号组成，总共占128μs。ZigBee信号总共由16个符号构成，每个符号通过符号到码片的映射变成32个码片的形式，IQ两路各16个码片。每个码片对应半个正弦波，占1μs，如果码片表示1，则是向上的半个正弦波，码片表示0，则是向下的半个正弦波，如图3所示。Q路信号比I路信号延迟半个码片时间，即0.5μs。ZigBee信号存在循环移位特性，符号“1～7”的波形可由符号“0”的波形循环移位得到；符号“9～F”的波形可由符号“8”的波形循环移位得到，即符号“0”和符号“8”为ZigBee所有符号的基准符号。
以采样率10MHz为例，每个符号分别由160点的IQ两路信号组成，而Q路信号比I路信号延迟了5个点，在符号分割的时候将Q路延迟的五个点移动到Q路头部，使得IQ两路信号对齐，如图4所示。
3、利用循环移位特性计算每个符号与基准符号的循环相关函数
假设一帧内的第t个符号为Rt(n)，是一包含160个复数点的列向量。基准符号S0(n)和S8(n)分别对应于符号“0”和符号“8”的理想信号，分别也是包含160个复数点的列向量。先将Rt(n)进行能量归一化，然后分别计算Rt(n)与S0(n)、S8(n)的循环相关结果，分别记为Ct0(n)和Ct8(n)，也是包含160个复数点的列向量，如图5所示。
4、结合所有循环相关结果求出射频指纹
将Ct0(n)和Ct8(n)中的每个复数点求模值的平方再按位置对应相加，得到包含160个实数点的循环相关结果Call(n)，为列向量。再对Call(n)进行傅里叶变换得到Rt(n)对应的互功率谱函数Pt(n)，最后将所有的Pt(n)求和取平均得到160点的列向量，即为提取出的射频指纹。
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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于循环移位特性的扩频信号射频指纹提取方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：通过计算接收信号前导码中相邻重复符号的差分函数来估计信号的载波频偏；
S2：通过计算接收信号前导码和本地理想信号前导码的共轭乘积函数求出载波相偏，进而实现载波同步；
S3：将信号帧按单个符号进行分割，并让IQ两路信号对齐；具体包括如下过程：利用同步点，根据采样率和符号时长计算每个符号占用的点数进行分割，如果IQ两路信号存在调制方式上的延迟，则将Q路信号的尾部拼接至其头部，以实现IQ两路信号的对齐；
S4：将每个符号能量归一化；
S5：利用循环移位特性分别计算每个符号与本地基准符号的循环相关函数；具体包括如下过程：
将基准符号循环移位和接收符号进行运算，得到循环相关结果，接收符号和基准符号表示为：
Rt(n)＝[rt1,rt2,…,rtN]'N×1,t＝1,2,…,T
Si(n)＝[si1,si2,…,siN]'N×1,i＝1,2,…,I
其中，Rt(n)表示一帧信号内的第t个符号，为包含N个复数的列向量；T表示一帧信号内所有符号的个数，为N行1列的向量；Si(n)表示第i个基准符号，为包含N个复数的列向量；I表示所有基准符号的个数，为N行1列的向量；'表示矩阵转置运算；
循环相关结果表示为：
Cti(n)＝Rt(n)⊙Si(n)＝[cti1,cti2,…,ctiN]'N×1
其中，Cti(n)表示Rt(n)和Si(n)循环相关的结果，为包含N个复数的列向量；ctim表示Cti(n)中的第m个元素；⊙表示循环相关运算，为循环移位函数，*表示共轭运算，·表示矩阵乘法运算；
S6：将每个符号的所有循环相关结果整合，利用傅里叶变换求出互功率谱；具体包括如下过程：计算循环相关结果中每个元素模值的平方，再利用傅里叶变换求出互功率谱，具体公式为：
Pt(n)＝FFT(C2 t1(n)+C2 t2(n)+…+C2 tI(n))
C2 ti(n)＝[|cti1|2,|cti2|2,…,|ctiN|2]'N×1
其中，C2 ti(n)表示第t个接收符号和第i个基准符号进行循环相关运算再对Cti(n)中所有元素取模平方的结果，i＝1,2,…,I；为N行1列的实数向量；Pt(n)是一帧信号内第t个符号对应的互功率谱函数，为I个C2 ti(n)相加再进行傅里叶变换的结果；|·|2表示复数取模再平方运算，'表示矩阵转置运算；
S7：将一帧信号所有符号的互功率谱结果求和取平均得到射频指纹，具体公式如下：
其中，T表示一帧信号总共包含的符号个数。
2.根据权利要求1所述的基于循环移位特性的扩频信号射频指纹提取方法，其特征在于，所述步骤S1、S2中计算的信号为无线接收机接收到的任意一帧信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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